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패턴형 세공충진막 이용 역전기투석 시스템 및 스택 모듈화에 관한 연구

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Abstract
역전기투석 (reverse electrodialysis, RED)은 염분 농도의 차이로 에너지를 얻을 수 있는 발전 방식 중 하나이다. 역전기투석 공정의 성능 향상을 위해서는 고효율 역전기투석 스택의 개발이 중요하다. 따라서 최근 낮은 제조 비용과 높은 성능으로 주목받고 있는 세공충진 이온교환막이 개발되었다. 이러한 이온교환막의 개발에도 불구하고 스페이서에 의한 성능 저하로 인해 추가적인 손실이 발생하고 있다. 본 연구에서는 세공충진 이온교환막을 지지막으로 사용하고, 스페이서 역할을 할 수 있는 패턴 구조를 이온교환막에 설계하는 연구를 수행하여 손실을 최소화하고자 하였다. 또한 1 x 2, 1 x 3, 2 x 2 모듈 구성이 설계되었으며, 유입수가 균일하게 역전기투석에 공급되는 병렬 배열의 단일 단계 (single-stage)로 수행하였다. 모듈 스택의 압력 강하는 큰 차이가 없지만, 2단 구성은 펌프 에너지 손실에 비해 전력이 높아 최적 유량에서 최대 순 전력밀도가 0.53 W/m2로 3단 구성의 0.06 W/m2보다 높았다. 또한 최대 비에너지는 1 x 2 구성의 전기적 직렬 연결의 가장 낮은 선속도에서 0.08 kWh/m3를 나타냈다. 단위 스택을 추가해도 전력밀도와 에너지 효율이 개선되지는 않았지만, 이 전략을 통해 역전기투석 모듈을 사용한 에너지 생성의 잠재력을 확인할 수 있었다. 본 연구에서는 패턴형 세공충진 이온교환막을 사용하여 역전기투석의 전력밀도, 에너지 효율을 높이기 위한 모델을 설계하고 그 기술적 가능성을 평가하였다. 이를 위해 매개 변수로 선속도, 스택 구성, 전기적 연결을 사용하여 역전기투석 시스템의 성능 평가를 수행하였다.|Reverse electrodialysis (RED) is one of the power generation methods that can obtain energy from the difference in salt concentration. The development of highly efficient RED stack is important to improve the performance of the RED process. Therefore, pore-filling ion exchange membranes have recently been developed, which are attracting attention for their low manufacturing cost and high performance. Despite the development of these ion exchange membranes, additional losses are incurred due to performance degradation caused by spacers. In this study, pore-filling ion exchange membranes were used as support membranes, and a pattern structure that can serve as spacers were designed on the ion exchange membrane to minimize losses. In addition, module configurations of 1 x 2, 1 x 3 and 2 x 2 were designed and implemented as a single-stage, parallel arrangement where the influent is uniformly supplied to the RED. Although the pressure drop in the module stacks are not significantly different, the two-stage configuration has a maximum net power density of 0.53 W/m2 at the optimal flow rate, higher than the 0.06 W/m2 of the three-stage configuration, due to the higher power compared to the pump energy loss. In addition, the maximum specific energy was 0.08 kWh/m3 at the lowest linear velocity in the series electrical connection of 1 x 2 configuration. Although the addition of unit stacks did not improve power density and energy efficiency, this strategy demonstrated the potential for energy generation using RED modules. In this study, we designed a model to increase the power density and energy efficiency of RED using patterned pore-filling ion exchange membranes, and evaluated its technical feasibility. For this purpose, the performance of the RED system was evaluated using linear velocity, stack configuration, and electrical connection as parameters.
Author(s)
이동건
Issued Date
2023
Awarded Date
2023-08
Type
Dissertation
URI
https://dcoll.jejunu.ac.kr/common/orgView/000000011436
Alternative Author(s)
Lee,Dong-Gun
Affiliation
제주대학교 대학원
Department
대학원 에너지화학공학전공
Advisor
목영선
Table Of Contents
Ⅰ. 서론 1
1.1. 배경 및 필요성 1
1.2. 연구 목적 3
Ⅱ. 이론적 배경 4
2.1. 염분차 발전 (Salinity Gradient Power) 4
2.2. 염분차 발전 에너지 잠재량 6
2.3. 발전 방식 차이에 따른 염분차 발전 구분 8
2.3.1. 역전기투석 (Reverse Electrodialysis) 8
2.3.2. 압력지연삼투 (Pressure Retarded Osmosis) 11
2.3.3. 축전식 혼합 염분차 발전 (Capacitive Mixing) 13
2.4. 역전기투석 구성 요소 17
2.4.1. 이온교환막 (Ion Exchange Membrane) 17
2.4.2. 스페이서 (Spacer) 27
2.4.3. 패턴형 이온교환막 (Patterned Ion Exchange Membrane) 31
2.5. 역전기투석 모듈 시스템 및 연구 동향 39
2.5.1. 캐스케이드 방식 40
2.5.2. 교차 흐름 방식 41
2.5.3. 단일 및 다중 스테이지 방식 42
2.5.4. 개별 및 직렬 제어 방식 43
Ⅲ. 실험 재료 및 방법 44
3.1. 실험 재료 44
3.2. 실험 방법 44
3.2.1. 패턴형 세공충진 이온교환막 제작 44
3.3. 스택 구성 48
3.3.1. 단위 스택 48
3.3.2. 모듈 스택 51
3.4. 단위 스택 및 모듈 스택의 측정 방법 55
3.4.1. 실험 장치 구성 55
3.4.2. 실험 조건 56
3.4.3. 전기화학적 측정 방법 57
3.4.4. 이론적 계산식 58
Ⅳ. 실험 결과 및 고찰 61
4.1. 단위 스택 성능 평가 61
4.1.1. 셀 수에 따른 OCV 61
4.1.2. 셀 수에 따른 전력 64
4.2. 모듈 스택을 구성하는 단위 스택 성능 평가 66
4.2.1. 단위 스택에 따른 OCV 및 저항 66
4.2.2. 단위 스택에 따른 전력 68
4.3. 모듈 스택 성능 평가 71
4.3.1. 1 x 2 & 1 x 3 모듈 스택 71
4.3.2. 2 x 2 모듈 스택 75
4.4. 단위 및 모듈 스택 비교 77
4.4.1. 단위 및 모듈 스택에 따른 에너지효율 77
4.4.2. 단위 및 모듈 스택에 따른 비에너지 79
Ⅴ. 결론 80
참고 문헌 82
Abstract 92
Degree
Master
Publisher
제주대학교 대학원
Citation
이동건. (2023). 패턴형 세공충진막 이용 역전기투석 시스템 및 스택 모듈화에 관한 연구.
Appears in Collections:
Faculty of Applied Energy System > Energy and Chemical Engineering
Authorize & License
  • AuthorizeOpen
  • Embargo2023-08-14
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