R&D최종보고서
| 과제고유번호 | 201919CTAP-C133309-03 | |||||
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| 연구사업명 | 국토교통기술촉진연구사업 | |||||
| 연구과제명 | 정류비 100의 전기투석 용 이온정류막 개발과 이를 활용한 이동식 0.5 KWh/m3의 기수전기투석 담수화 기술 개발 | |||||
| 총 연구기간 | 2017-07-20 ~ 2019-12-31 | |||||
| 연구책임자 | 최기운 | |||||
| 당해년도 참여 연구원수 |
5명 | 총 연구기간 참여 연구원수 |
17명 | |||
| 당해년도 연구비 |
정부 : 225,000,000 원 기업 : 75,000,000 원 계 : 300,000,000 원 |
총연구비 | 정부 : 600,000,000 원 기업 : 200,000,000 원 계 : 800,000,000 원 |
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| 연구기관명 | (주)넥스트이앤엠 | |||||
| 등록 발간번호 | - | |||||
| ISBN | - | |||||
| 주요 내용 |
□ 전기투석(ED) 해수담수화, 막축전식 탈염(MCDI), 역전기투석발전(RED)과 같은 청정에너지 분야는 성능 및 산업생산을 결정하는 핵심소재 인 이온교환막의 낮은 내구성(열적, 기계적) 과 효율(선택성, 이온전도도), 높은 가격으로 인하여 산업화가 저해되고 있으며, 차세대 이온교환막 개발을 요구 □ 전기뱀장어의 전기생산세포를 모사한 이온정류막은 기존 이온교환막의 성능을 1,500 배 이상 개선이 가능한 차세대 멤브레인 기술로 관심이 집중되고 있으며, 본사에서는 세계 최초로 고효율과 저가의 이온정류막 개발에 성공하였고, 그 구조와 제조공정에 대한 원천 특허기술 2개를 보유함 □ 이온정류막은 이동거리가 가장 짧은 원뿔형태의 다공으로 이루어져 세계 최고 수준 대비 동일한 선택성을 유지하면서도 400% 향상 된 높은 이온전도도, 막오염의 최소화, 이온정류특성을 보이며, 기존 고가의 이온교환막 대비 1/100 이하의 낮은 생산 원가를 가져 역삼투 방식과 비교해 낮은 에너지(Low Energy), 대용량(Large Scale), 낮은 파울링(Low Fouling)의 “3L” 해수담수화에 적합한 기술임 □ 본 과제에서는 해수담수화에 최적화 된 고성능, 고내구성 이온정류막을 개발하기 위해 사파이어 재질의 이온정류막 제조공정 기술을 개발하고, 이온정류막을 이용하여 반대극 전원에서도 연속적으로 해수담수가 가능한 “3L” 고성능의 담수화 원천 기술을 개발함 □ 개발 된 이온정류막은 이온교환막 대비 4배 (이론적으로는 1,500 배이므로 효율 개선이 가능함) 의 이온전도도를 보이므로 이를 활용하면 월등이 낮은 에너지로 해수담수화가 가능하여 기존 해수담수화 시장의 혁신이 될 기술로 기대함 □ 이온정류막을 이용한 electrodialysis reversal (EDR) 은 이온정류막의 정류특성으로 인하여 역전극에서도 desalination water 방향으로 제거 된 이온이 이동하지 않기 때문에 scale 제거와 동시에 desalination water를 생산이 가능하여 Astom 사의 EDR보다 효율적인 담수화가 가능함 □ 본 과제로부터 전량 수입에 의존하는 이온교환막을 국산화하고 미래 해수담수화 시장을 선점할 기틀을 마련하며, 나아가 세계 물 부족 문제를 해결할 대안을 제시함 [최종목표] □ 본사의 “고효율/저가의 이온정류막”에 대한 원천기술을 바탕으로 전기투석 담수화 맞춤형의 이온정류막을 개발함으로써 획기적으로 에너지 효율 개선 및 원가 절감한 전기투석 방식 담수화 기술을 실현하여 미래 해수담수 시장을 선점할 기틀을 마련함 1) 전기투석 해수담수 기술 산업화 및 상품성 개선을 위해 향상된 내구성(열적, 화학적, 기계적 특성)을 가지는 사파이어 재질의 저가, 대면적의 비대칭 멤브레인 개발 2) 시뮬레이션을 통해 최적의 해수담수화 용 이온교환막을 설계하고 막특성 제어기술을 통해 고효율의 전기투석에 최적화된 이온정류막 개발 3) 이온정류특성을 활용한 역전극에서도 scale 제거와 동시에 연속적으로 담수화가 가능한 전기투석 원천기술 개발 4) 소규모, 이동형, 안티파울링 전기투석 담수화 플랜트 개발 및 실증 □ 해당 목표의 달성을 위한 정량적인 목표는 다음에 기술된 바와 같음 1) 500 × 500 mm^2 면적의 파단강도 1 MPa 이상의 고내구성 양/음이온정류막 2) 10 Ω.cm2 전기전도도, 94 % 이온선택성, 100 이상 정류비의 두께 10um 이하의 고성능 양/음이온교환막 3) 극한 화학적 환경(6mol/L 황산, 7mol/L 인산, 5mol/L 수산화나트륨)에서도 분해되지 않는 높은 화학적 안정성의 이온정류막 소재 4) 전기 투석 시스템 1건, 이온정류막 관련 특허기술을 2건 씩 총 3건 출원 5) 연간 매출과 생산량 (과제 종료시점): 20,000 sheet, 20,000 sheet * $100 = $2,000,000 6) 0.5 KWh/m^3의 “먹는물수질기준“에 적합한 전기투석담수화 이동형 플랜트 개발 [연구내용 및 범위] □ 전기투석(ED), 막축전식 탈염(MCDI), 역전기투석발전(RED)과 같은 해양청정에너지 분야는 성능 및 산업생산을 결정하는 핵심소재 인 이온교환막의 낮은 내구성과 효율, 높은 가격으로 인하여 산업화가 저해되고 있으며, 차세대 이온교환막 개발을 요구 □ 전기뱀장어의 전기생산세포를 모사한 이온정류막은 기존 이온교환막의 성능을 1,500 배 이상 개선이 가능한 차세대 멤브레인 기술로 관심이 집중되고 있으며, 본사에서는 세계 최초로 고효율과 저가의 이온정류막 개발에 성공, 그 구조와 제조공정에 대한 원천 특허기술 2개를 보유함 □ 이온정류막은 이동거리가 가장 짧은 원뿔형태의 다공으로 이루어져 세계 최고 수준 대비 동일한 선택성을 유지하면서도 400% 향상 된 높은 이온전도도, 막오염의 최소화, 이온정류특성을 보이며, 기존 고가의 이온교환막 대비 1/100 이하의 낮은 생산 원가를 가져 역삼투 방식과 비교해 낮은 에너지(Low Energy), 대용량(Large Scale), 낮은 파울링(Low Fouling)의 “3L” 해수담수화에 적합한 기술임 □ 본 과제에서는 해양청정에너지원에 최적화 된 고성능, 고내구성 이온정류막을 개발하기 위해 사파이어 재질의 이온정류막 제조공정 기술을 개발하고, 이온정류막을 이용하여 반대극 전원에서도 연속적으로 해수담수가 가능한 “3L” 고성능의 담수화 원천 기술을 개발함 1) Poisson-Nernst？Planck 모델을 보안한 이온정류막 시뮬레이션 2) 이온정류막의 특성 (막저항, 선택성, 정류특성) 제어 기술 확립 3) 산업화 면적의 전기투석 최적화 된 이온정류막 제조 원천 기술개발 4) 고내구성 사파이어 이온정류막 제조 기술 확보 5) 해수담수화를 위한 이동형 전기투석 기술 개발 및 실증 □ 주요기능 1) 높은 양/음이온선택성과 이온전도도 2) Scale 제거와 동시에 연속적인 담수화 3) 이온정류특성 4) 해수담수화 설비의 소형화 □ 핵심기술 1) 이온정류막 simulation 기술 (세계 최초) 2) 이온정류막 구조 및 막특성 제어기술 (세계 최초) 3) 이온정류비, 이온교환능, 기계적, 화학적, 열적 내구성 (모두 세계 Top 1) 4) 사파이어 재질의 초내구성 이온교환막 기술 (세계 최초) 5) 전기뱀장어 모사형 안티파울링 EDR 시스템 (세계 최초) □ 적용범위 1) 해수담수화(EDR, MCDI), 역전기투석발전, 고분자 전해질 연료전지, 레독스플로우 전지의 이온교환막 대용으로 대체가능 2) 이밖에 현재 이온교환막 적용 된 산업 전반적으로 적용 가능 |
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| 색인어 | 한글 | 이온정류막 | 담수화 | 전기투석 | 내구성 | 안티파울링 |
| 영문 | Ion-diode membrane | Desalination | Electrodialysis | Durability | Anti-fouling | |
| 최종보고서 | [넥스트이앤엠] 최종보고서.pdf | |||||