【별지 가】

환경기술개발사업 최종보고서(초안)

1. 최종보고서 제출서

2011년도 환경기술개발사업에 의하여 완료한 “하폐수중 영양염류의 선택적 제거용 축

전식 전극모듈 기술 및 처리공정 개발에 관한 연구”의 최종보고서(초안)를 첨부와 같이

제출합니다.

첨부 : 1. 최종보고서 2부.

2. 자체평가의견서(주관연구기관) 2부.

3. 요약서 1부.

4. 성과활용계획서 1부. 끝.

2013 년 6월 27일

주관연구기관 : ㈜ 시온텍

연 구 책 임 자 : 김 태 일 (인)

주관연구기관장 : 강 경 석 직인

환 경 부 장 관 귀 하

편집순서 2. 제출문

제 출 문

환경부장관 귀하

본 보고서를 “하폐수중 영양염류의 선택적 제거용 축전식 전극모

듈 기술 및 처리공정 개발에 관한 연구” 과제의 최종보고서로 제

출합니다. 2013년 06월

주관연구기관 : ㈜ 시온텍주관연구기관장 : 강 경 석

◦ (주관)연구책임자 : 김태일◦ (주관)참여연구원 : 김미양

이호일

백형운

박현종

이종호

황수만

사업명 환경융합신기술개발사업 과제번호 223-111-004

단위사업명 환경융합공정개발 대분류 환경융합공정 중분류고효율의

환경오염물질 처리공정 개발

과제명 하폐수중 영양염류의 선택적 제거용 축전식 전극모듈 기술 및 처리공정 개발

기술단계 원천

최종성과 기술 하폐수 처리용 축전식 탈염 장치 참여기업 공주대학교, 서울대학교

연구기관명 ㈜ 시온텍 연구책임자 김태일 연구기관유형 기업

연락처 042-935-0401 이메일 tikim@siontech.com

총 연구기간 ‘11.10~’13.05

개발 목적

및 필요성

본 연구에서는 하․폐수중 영양염류의 이온성 오염물질의 선택적 제거용 축전식

전극모듈 기술 및 처리공정 개발하고자 함. 연중 일정량 수량 및 수질확보가 가능

한 하․폐수의 처리수를 공업용수, 인체 비접촉 용수, 기타 잡용수를 생산할 수 있

도록 CDI 기술을 이용하여 저비용 고품질의 재이용수 생산 시스템을 개발하여 저

탄소 녹색성장이라는 새로운 패러다임에 부응한 건전한 물 순환체계의 구축에 활

용하고자 함.

연구개발

결과

공업용수 및 하수의 재이용을 위한 CDI 기술의 적용 가능성을 확인 하기 위

해 연구를 진행하였으며, 전극제조기술, 모듈화기술, 운전기술 및 시스템기술을

연구하였고, 그 결과 CDI 기술의 최적 효율을 발휘할 수 있는 단계전압 운전방

법 개발하였음. 또한 CDI 장치를 Duplex system으로 운전하면 RO와 같이 연속

적으로 수 처리를 할 수 있는 기술을 개발하였으며 이를 통하여 공업용수 및 하

수의 재이용 산업에 적용할 수 있는 시스템 기술을 개발하였음.

하폐 수중 질산성 질소의 처리는 1 Pass로 충분히 가능하였지만 인산염을 처

리하기 위해서는 double pass 시스템을 연구하였음. 장치를 2번에 걸쳐 통과시

키는 것 보다는 1개의 모듈에서 2번 통과되는 모듈을 개발하여 시스템의 적용

기술을 개발하였으며, 그 결과 인산염 제거의 목표를 달성할 수 있었으며 또한

고농도의 탈염기술에 적합한 기술임을 확인 할 수 있었음.

다양한 수질에서의 영향을 관찰하였으며 CDI의 이온 제거율은 낮은 농도 범

편집순서 3. 요약서

【별지 제7호 서식】

요 약 서

- 4 -

위에서 하폐수에 포함되어 있는 공존이온의 영향을 받지 않는 것으로 보아 CDI

기술을 하폐수 적용이 가능할 것으로 사료됨.

CDI 전극의 이온선택성 층의 가교화 연구를 통해 성능 및 내구성을 향상시켰

으며 하폐수에 포함된 스케일 및 바이오 Fouling에 의한 문제 발생을 구연산 수

용액과 차아염소산나트륨 수용액을 이용한 주기적인 세정으로 억제 기술을 개

발하였음.

에너지 회수 시스템 설계, 기판 제작 및 장치 제작을 통하여 에너지 회수 시

스템을 개발하였음. 에너지 회수율은 처리하고자 하는 원수의 농도가 높을수록

증가하였으며 이와 같은 에너지 회수 시스템을 적용하여 최대 35%까지 에너지

를 회수할 수 있었음.

연구개발 되어 진 기술들을 이용하여 10톤/일 규모의 시제품을 제작하였음.

제작되어진 시제품을 2013년 3월에 대전 하수처리장에 설치하여 연속운전을 진

행하고 있으며 대전 하수처리장 조건으로 하여 회수율을 90%로 운전하여 80%

이상의 제거율을 보이고 질소 및 인 제거도 목표로 하였던 제거율을 만족하였

음.

공정·제품

사진 및

도면

<CDI 테스트 장치>

<시제품(10톤/일)대전하수처리장>

성능사양 및

기술개발 수준

● CDI 장치 성능 사양

회수율 : 90%

CDI 처리수 총 질소 함량 : 약 4 ppm (기준 : <20 ppm)

CDI 처리수 총 인 함량 : 약 0.12 ppm (기준 : <0.2 ppm)

에너지 회수율 : 30%

에너지 절감율 : 47.5%

● 기술개발 수준

하폐수 처리에 적용할 수 있는 CDI 기술을 개발하고자 하였음

본 연구를 통하여 실제 하수처리장에 CDI 장치를 설치하여 하수에 적용

가능성을 확인하였음

활용계획

개발되어진 하폐수용 CDI 장치는 다른 탈염기술에 비하여 에너지효율이 높기

때문에 대용량을 처리하는 것에 유리할 것으로 사료됨

하폐수 적용 테스트를 계속 진행하여 문제없이 산업용 하폐수 처리에 적용할

수 있도록 재 검증 하고자 함

주요성과

특허출원(국내) 건 등록(국내) 4건

출원(국외) 2건 출원(국외) 건

논문 SCI급 건 일반 1건

인증 신기술인증 건 신기술검증 건

매출 국내매출 백만원 해외수출 백만원

기타 성과

관련키워드(한글) 축전식 탈염, 에너지소비, 탈염

(영문) CDI, Energy consume, Desalination

편집순서 4. 요약문

요 약 문

Ⅰ. 연구과제명

◦ 주 관 과 제 명 : 하폐수중 영양염류의 선택적 제거용 축전식 전극모듈 기술 및 처리공정

개발

Ⅱ. 연구개발의 목적 및 필요성

l 탈염 기술 중에서 CDI 기술은 에너지 소모량이 낮아 친환경적인 기술로 정수 및 연수와 같은

수처리 분야에서 많은 관심을 모으고 있음

l 하폐수는 중금속과 같은 이온 성분을 포함하고 있어 방류 및 재활용하기 위해서는 탈염공정이

필수적으로 필요함

l 하폐수와 같이 많은 양의 물을 처리하는 공정에서 CDI와 같이 에너지 소비량이 낮은 탈염 기술

을 적용한다면 에너지 절감율을 크게 높일 수 있을 것으로 사료됨

Ⅲ. 연구개발의 내용 및 범위

l 하․폐수 처리에 적합한 축전식 탈염전극 및 모듈화 기술 개발

- 하페수 처리를 위한 탈염전극 기술 개발

- 모듈의 생산기술 개발

l 특정이온 선택성 바인더 생산기술 개발

- 특정이온선택성 바인더 합성기술 개발

- 특정이온 선택성 바인더 생산기술 개발

l 하․폐수 처리를 위한 시스템 설계기술 개발

- 시스템 설계 및 제작기술 개발

- 제어기술 및 운전 최적화기술 개발

l 하폐수 처리를 위한 축전식 탈염전극 적용기술 개발

- 하폐수 처리 시스템 설계/제작 기술 개발

- 장치의 종합적인 운영을 위한 제어기술 개발

l 파일롯 스케일 실험장치를 통한 성능평가 및 운전조건 도출

- 수질 기준에 맞는 운전기술 개발

- 장치운전의 최적화기술 개발

l 다양한 수질 및 염류에 대한 성능평가

- 처리유속에 따른 성능평가

- 질산성질소 및 인산염의 농도에 따른 제거효율 평가

l 시제품 제작 (10톤/일)

- 에너지회수기술을 도입한 하폐수처리를 위한 시제품 개발

- 현장 평가

Ⅳ. 연구개발 결과

공업용수 및 하수의 재이용을 위한 CDI 기술의 적용 가능성을 확인 하기 위해 연구를 진행하

였으며, 전극제조기술, 모듈화기술, 운전기술 및 시스템기술을 연구하였고, 그 결과 CDI 기술의 최

적 효율을 발휘할 수 있는 단계전압 운전방법 개발하였음. 또한 CDI 장치를 Duplex system으로

운전하면 RO와 같이 연속적으로 수 처리를 할 수 있는 기술을 개발하였으며 이를 통하여 공업용

수 및 하수의 재이용 산업에 적용할 수 있는 시스템 기술을 개발하였음.

하폐 수중 질산성 질소의 처리는 1 Pass로 충분히 가능하였지만 인산염을 처리하기 위해서는

double pass 시스템을 연구하였음. 장치를 2번에 걸쳐 통과시키는 것 보다는 1개의 모듈에서 2

번 통과되는 모듈을 개발하여 시스템의 적용기술을 개발하였으며, 그 결과 인산염 제거의 목표를

달성할 수 있었으며 또한 고농도의 탈염기술에 적합한 기술임을 확인 할 수 있었음.

다양한 수질에서의 영향을 관찰하였으며 CDI의 이온 제거율은 낮은 농도 범위에서 하폐수에

포함되어 있는 공존이온의 영향을 받지 않는 것으로 보아 CDI 기술을 하폐수 적용이 가능할 것으

로 사료됨.

CDI 전극의 이온선택성 층의 가교화 연구를 통해 성능 및 내구성을 향상시켰으며 하폐수에 포

함된 스케일 및 바이오 Fouling에 의한 문제 발생을 구연산 수용액과 차아염소산나트륨 수용액을

이용한 주기적인 세정으로 억제 기술을 개발하였음.

에너지 회수 시스템 설계, 기판 제작 및 장치 제작을 통하여 에너지 회수 시스템을 개발하였음.

에너지 회수율은 처리하고자 하는 원수의 농도가 높을수록 증가하였으며 이와 같은 에너지 회수

시스템을 적용하여 최대 35%까지 에너지를 회수할 수 있었음.

연구개발 되어 진 기술들을 이용하여 10톤/일 규모의 시제품을 제작하였음. 제작되어진 시제품

을 2013년 3월에 대전 하수처리장에 설치하여 연속운전을 진행하고 있으며 대전 하수처리장 조건

으로 하여 회수율을 90%로 운전하여 80% 이상의 제거율을 보이고 질소 및 인 제거도 목표로 하

였던 제거율을 만족하였음.

Ⅴ. 연구개발결과의 활용계획

l 개발되어진 하폐수용 CDI 기술은 다른 탈염기술에 비하여 에너지소비량이 낮기 때문에 기

존의 탈염기술의 대체가 가능할 것으로 판단됨

l 하폐수 적용 실험을 통해 하폐수 및 산업용수의 재이용에 적용가능한 기술임을 확인되었으

며 개발기술을 적용한 추가적인 생산연구와 장기적인 현장평가가 필요함.

편집순서 5. 요약문

SUMMARY

(영문요약문)

Ⅰ. Title

◦ Total Project Name : The development of Capacitive Electrode module and

Treatment Processing to selectively remove of Nutrients in

Wastewater

Ⅱ. The Objective & Necessity of the Research

l CDI of desalination technology has attracted the attention in the department of water

treatment process such as water purifier and softener because It is a low energy

consumtion.

l To discharge and recycle the water desalination is essential technology because sewage

and waste water include dissolved ion like a heavy metal ion.

l If CDI is used for desalinate a lot of water at the water treatment process such as

sewage and waste, can be reduce a lot of energy consumption.

Ⅲ. Contents and Scope

l Development of module technique and CDI electrode for sewage and waste water processing

- Development of CDI electrode for sewage and waste water processing

- Development of manufacturing technology of CDI module

l Development of manufacturing technology of particular ion selective binder

- Development of synthesis methode of particular ion selective binder

- Development of manufacturing technology of particular ion selective binder

l Development of design technique of system for treatment of sewage and waste water

- Design and manufacturing technology development

- Optimization technology development of operation condition

l Application technology development for treatment of sewage and waste water

l Performance evaluation and deduction of operation condition through pilot-scale system

- Development of operation technology for water quality standard

- Optimization technology development for pilot-scale system

l Performance evaluation about various water quality and salts

- Influences on flow rate

- Influences on concentration of nitrate nitrogen and phosphate

l Preparation of development prototype (10 ton/day)

- Application of energy recovery system

- Field evaluation

Ⅳ. Outcomes

Step-volt operation methode is developed that can have high efficiency of CDI technology

through study of operation condition of CDI for sewage and waste water processing, and it

was able to do continuous operation by duplex system, so improved CDI system was made

and application possibility was expected.

To develop the CDI technology for sewage and waste water treatment, we study the 2

pass system. 2 pass system have the high performance more than 1 pass system

We study the effect of various water quality. Ion recovery rate was unaffected by the

concentration of co-located ion and kind of sewage. As for this result, it was throught that

CDI could be used at the sewage of generally condition

To increase the durability of CDI system, We studied. Through crosslink electrodes ware

developed, performance and durability of electrode were improved. And we could control

pollution of CDI system using by citric acid and sodium hypochlorite solution.

We deigned Energy recovery system and that made the PCB. So we got a CDI device that

contains the energy recovery system. This device showed up to 35% of energy recovery rate.

We prepared the prototype device of 10 ton/day. That is operating at the Daejeon sewage

treatment plant in Daejeon city. Now this device is operated more than 8 week continuously,

it is 90% water recovery rete and over the 80% salt removal rate. Therefore, we think that

this CDI system can be used for sewage and waste water treatment.

Ⅴ. Business Application Based the Outcomes

CDI system be developed in this study was very high energy efficiency, so it will be an advantage to doing process of very big scal. To drive the CDI system without some problem, we need the test of reproducibility and

long run stability.

<목 차>

제 1 장 서 론 ·································································································· 1제1절 연구개발과제의 개요 ····························································································· 1

1. 연구개발의 목적 및 필요성 ····································································································· 1

2. 연구개발대상 기술의 차별성 ··································································································· 3

제2절 연구개발의 국내외 현황 ······················································································· 6

1. 해외 기술개발 동향․시장 ·········································································································· 6

2. 국내 기술개발 동향․시장 ·········································································································· 8

제3절 연구개발의 내용 및 범위 ··················································································· 10

1. 연구개발의 최종목표 ··············································································································· 10

2. 연도별 연구개발 목표 및 평가방법 ····················································································· 11

제 2 장 연구개발 수행내용 및 결과 ······················································· 14제1절 연구개발 결과 및 토의 ······················································································· 14

1. 서론 ············································································································································· 14

2. 실험 ············································································································································· 16

3. 연구 결과 ··································································································································· 20

제 3 장 목표 달성도 및 관련분야 기여도 ············································· 62제1절 연도별 연구개발목표의 달성도 ········································································· 62

제2절 관련분야의 기술발전 기여도(환경적 성과 포함) ··········································· 63

1. 하폐수에 적용 가능한 CDI 기술 개발 ················································································ 63

2. 새로운 CDI 시스템 개발 ········································································································ 64

3. 질산성질소 선택성 전극 개발 ······························································································· 64

4. 에너지회수 시스템 개발 ········································································································· 64

5. 환경 친화적 기술 ····················································································································· 64

제 4 장 연구개발결과의 활용계획 등 ····················································· 65제1절 연구개발 결과의 활용계획 ················································································· 65

제2절 연구개발과정에서 수집한 해외 과학기술정보 ··············································· 65

제3절 연구개발결과의 보안등급 ··················································································· 65

제4절 NTIS에 등록한 연구시설·장비현황 ···································································· 65

제 5 장 참고문헌 ························································································· 66

표 목 차

표 1.1.1. CDI와　RO 기술 비교 ·······························································································································4

표 1.1.2. CDI와 RO 에너지 소모량 및 이온 제거율 비교 ···············································································5

표 1.2.1. 기술 경쟁력 비교. ·······································································································································7

표 1.2.2. 국내 하수처리수 재이용 용도 및 처리방법 ····················································································8

표 2.1.1. 대전하수처리장 하수의 유량에 따른 CDI 테스트 결과 ································································20

표 2.1.2. 2 Pass로 처리 할 때의 영향 ················································································································21

표 2.1.3. Aluminum sulfate, Sodium aluminate 함량에 따른 처리수의 TN, TP 농도 비교 ··········23

표 2.1.4. 반응온도에 따른 반응 시간 ···················································································································24

표 2.1.5. 회수율에 따른 영향 ··································································································································32

표 2.1.7. 1, 2 pass 시스템 비교 ····························································································································37

표 2.1.8. 1, 2 pass 시스템의 질소, 인 및 TDS 제거율 비교 ······································································37

표 2.1.9. 하수 종류에 따른 영향 ····························································································································40

표 2.1.10. CDI와 RO 기술의 에너지 소모량 비교 ···························································································53

표 2.1.11. 질소선택성 전극과 기존 전극 비교 ··································································································57

표 2.1.12. 시제품 현장 평가 (원수 및 처리수 농도) ·······················································································59

그 림 목 차

그림 1.2.1. CDI 특허 및 논문 연도별 동향 (좌), CDI 국가별 특허 및 논문 현황 (우). ······················7

그림 2.1.1. 축전식 이온제거 기술의 원리. ··········································································································15

그림 2.1.2. 나이프케스팅 장치. ······························································································································16

그림 2.1.3. 이온선택성바인더 코팅전극. ··············································································································17

그림 2.1.4. 단위셀 테스트 장치 세트. ··················································································································18

그림 2.1.5. 인, 질산성질소 농도 분석 장치. ······································································································18

그림 2.1.6. 이온크로마토그래피. ····························································································································19

그림 2.1.7. 대전 하수 처리장 에서의 하수 재이용을 위한 기준. ································································20

그림 2.1.8. 대전하수처리장 하수에서 CDI 유량에 따른 TN, TP 제거율. ···············································21

그림 2.1.9. AS 전극 및 SA 전극. ·························································································································22

그림 2.1.10. Aluminum sulfate, Sodium aluminate의 함량에 따른 TDS 변화와 제거율. ···············23

그림 2.1.11. 트리에틸아민의 반응시간에 따른 함수율과 이온교환용량. ···················································24

그림 2.1.12. 리코팅 전극의 유량에 따른 영향. ·································································································25

그림 2.1.13. 베이스 전극 제조 공정. ····················································································································26

그림 2.1.14. CDI 전극 제조 공정. ·························································································································27

그림 2.1.15. CDI 모듈 설계 도면. ·························································································································28

그림 2.1.16. CDI 모듈 제작 과정. ·························································································································29

그림 2.1.17. 정전압 운전과 정전류 운전에서의 전압, 전류 변화 비교. ····················································30

그림 2.1.18. 정전류 운전과 단계전압 운전의 전압, 전류 변화 비교. ························································30

그림 2.1.19. 운전 방법에 따른 pH 변화. ············································································································31

그림 2.1.20. Duplex system의 흐름도. ···············································································································32

그림 2.1.21. Duplex system 장치에서 지연시간이 적용되었을 때 운전 전위 변화. ···························33

그림 2.1.22. 솔레노이드 벨브 동작 지연 시간에 따른 정수라인에서의 TDS 변화. ·····························34

그림 2.1.23. CDI 장치 시제품. ·······························································································································34

그림 2.1.24. CDI 장치 시제품 테스트. ················································································································35

그림 2.1.25. 2 pass 모듈 개발. ······························································································································36

그림 2.1.26. 2 pass 모듈 테스트 사진. ···············································································································36

그림 2.1.27. 유량에 따른 영향. ······························································································································38

그림 2.1.28. 공존이온에 따른 영향. ······················································································································39

그림 2.1.29. 원수 농도에 따른 영향. ····················································································································40

그림 2.1.30. 가교전극과 기존 전극 상태 비교. ·································································································41

그림 2.1.31. 가교전극과 기존전극의 성능 비교. ·······························································································42

그림 2.1.32. 60 ℃에서 안정성 테스트. ················································································································42

그림 2.1.33. 경도가 높은 물에서 연속운전. ·······································································································43

그림 2.1.34. 실제 하수 연속 운전시 압력 변화. ·······························································································44

그림 2.1.35. 바이오 파울링 발생 사진. ················································································································44

그림 2.1.36. 차아염소산나트륨 농도에 따른 영향. ···························································································45

그림 2.1.37. 차아염소산나트륨 세정 후 성능 회복. ·························································································46

그림 2.1.38. 차아염소산나트륨 세정 후 스페이서 상태. ················································································46

그림 2.1.39. 원수 pH에 의한 영향. ·······················································································································47

그림 2.1.40. 에너지회수용 컨트롤 기판. ··············································································································48

그림 2.1.41. 에너지회수용 파워 기판. ··················································································································49

그림 2.1.42. 에너지회수용 기판 장착 사진. ·······································································································49

그림 2.1.43. 에너지회수 테스트 장치 (좌) 및 개념도 (우). ··········································································50

그림 2.1.44. 에너지회수 테스트 장치 재현 테스트. ·························································································51

그림 2.1.45. 기존 장치와 에너지회수 장치 비교. ·····························································································51

그림 2.1.46. 농도에 따른 에너지 회수율. ············································································································52

그림 2.1.47. 에어제트밀 (좌) 및 에어제트밀을 이용하여 분쇄한 이온교환수지. ···································54

그림 2.1.48. 분쇄된 질산성질소 선택성 수지의 SEM 사진. ·········································································54

그림 2.1.49. 분쇄된 질산성질소 선택성 수지의 입도 분석 결과. ································································55

그림 2.1.50. 질산성질소 선택성 수지 코팅 전극. ·····························································································56

그림 2.1.51. 기존전극과 질소선택성 전극 성능 비교. ·····················································································56

그림 2.1.52. 10톤/일 시제품 제작. ························································································································58

그림 2.1.53. 대전하수처리장 장치 설치. ··············································································································59

그림 2.1.54. 시제품 현장 테스트. ··························································································································60

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편집순서 6. 목 차

제 1 장 서 론

제1절 연구개발과제의 개요

1. 연구개발의 목적 및 필요성

물은 인간을 포함한 모든 생명체와 생태계에 있어 가장 중요한 자원으로서 그동안 무한한 자원

처럼 여겨져 왔음. 그러나 전 세계적인 기후변화와 인구증가, 환경오염 등에 의해서 물의 순환과

정에 문제가 발생했으며, 세계은행 보고에 의하면 80개 국가가 물부족 국가이며, 이는 사람들의

건강과 경제를 위협할 정도라고 함.

또한 UN 산하기국인 ‘UN개발프로그램(UNDP)'에 의하면 전 세계 인구의 1/5에 해당하는 10억

명 이상의 사람들이 안전한 물을 사용하지 못하고 있으며, 2050년에는 물부족 인구가 전세계 인

구의 44.9%에 이를 것으로 전망하고 있음.

물을 풍족하게 사용하고 있다고 여겨지는 우리나라도 강수조건과 지형조건으로 물관리 상태를

살펴보면 전 세계적으로 최악의 물관리 여건을 가지고 있음. 우리나라의 연평균 강우량은

1,300mm 정도로서 많은 편에 속하지만, 분산치가 11,675㎟로써 세계에서 가장 큰 편에 속함.

게다가 국토의 70%가 암반으로 이루어진 산악지형이므로, 내린 빗물이 땅속에 침투되지 않고

빠른 속도로 바다로 흘러가기 때문에 빗물을 땅에 모아두기가 매우 어려운 조건임. 우리나라의 빗

물관리조건은 세계에서 가장 열악함을 의미하므로, 우리는 최악의 물관리 조건을 가지고 있음을

알 수 있음.

앞으로 물이 무기가 되는 물 부족시대가 도래할 것으로 예상되는 만큼 전 세계적으로 부족한

수자원을 확보하기 위한 대체수자원 확보 기술에 대한 중요성이 점차 높아지고 있음.

현재 물 공급은 약 99.3%를 하천수나 지하수에 의존하고 있으며, 하수재이용등 대체수자원의

이용은 0.47%에 불과한 실정이나 꾸준히 증가될 것으로 전망하고 있음. 즉, 최근에는 대체수자원

의 확보를 위한 하수재이용 방법이 매우 큰 관심을 끌고 있음.

물의 재생과 재이용은 자본과 기술이 집약돼야 하는 산업이며 선진국들은 물의 재생과 재이용

을 대표적인 녹색기술로 삼고, 정책적으로 지원하고 있음.

물의 재이용을 위한 정수기술에는 입자성 물질인 탁도 물질을 제거하는 기술, 유기물질을 제거

하는 기술, 그리고 용존 이온을 제거하는 기술로 크게 3가지로 분류할 수 있으며, 이중에서 용존

이온을 제거하는 기술이 가장 어려운 기술임.

공업용수는 산업에 따라 중금속과 같은 특정이온들이 용존되어 있어 주로 역삼투막법을 이용하

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여 재활용하고 있으며, 하수의 경우 질산성질소나 인을 포함한 물질들이 용존되어 있어

MBR(Membrane Bio Reactor)를 이용하여 처리하고 있음.

이처럼 현재 이온물질을 제거하는 기술로 역삼투막법은 높은 에너지 소비에 따른 운전비용과

막 파울링에 의한 운전상의 문제점 등을 가지고 있고, MBR법은 미생물에 의한 질산성 질소나 인

을 분해로 하수를 처리하기 때문에 시간이 길고 처리효율이 낮다는 단점을 갖고 있음.

이온성 물질과 질산성 질소나 인과 같은 물질을 제거하기 위한 새로운 기술로서 저 에너지 소

비형의 이온 제거기술을 개발하고자 세계 여러 나라에서 연구들이 진행 중이며, 이러한 신 개념의

이온제거 기술로 축전식 이온제거(CDI ; Capacitive Deionization) 기술이 있음1 ~ 4.

CDI 기술과 관련하여 국내에서 추진되고 있는 대표적인 연구로 “수자원의 지속적 확보기술개발

사업단(21세기 프런티어 연구개발 사업단)”에서 진행하고 있는 저에너지형 담수화기술이 있음. 이

외에도 한국원자력연구원과 한국에너지기술연구원 등에서 CDI와 관련된 연구를 수행하면서 탄소

전극과 CDI 셀 및 운전에 관한 특허를 출원하였지만 실험실적 연구에 머물러 있는 수준이며 (주)

시온텍에서 CDI 전극 모듈 및 시스템을 상업화하였으나 다양한 응용을 위해서는 추가적인 연구가

필요한 상황임.

축전식 탈염기술은 시설유지 및 관리비용이 최소화할 수 있는 기술로서 양질의 용수를 저가로

공급하기 위해서는 경쟁력 있는 최신 기술의 개발을 통해 원천성 확보와 더불어 수출 산업으로

육성이 가능할 것으로 판단됨.

물 부족국가로 선정된 우리나라의 입장에서는 하·폐수 등 처리기술을 통한 물 재이용 정책이

선택의 문제가 아닌 필수적 의무이자 현재 당면과제라 생각되며 공업용수 및 하수의 재이용에 대

한 기술로 선진국과의 경쟁할 수 있는 새로운 대안기술로 축전식 탈염기술의 개발이 반드시 필요

함.

본 연구에서는 하․폐수중 영양염류의 이온성 오염물질의 선택적 제거용 축전식 전극모듈 기술

및 처리공정 개발하고자 한다. 연중 일정량 수량 및 수질확보가 가능한 하․폐수의 처리수를 공업

용수, 인체 비접촉 용수, 기타 잡용수를 생산할 수 있도록 CDI 기술을 이용하여 저비용 고품질의

재이용수 생산 시스템을 개발하여 저탄소 녹색성장이라는 새로운 패러다임에 부응한 건전한 물

순환체계의 구축에 활용하고자 한다.

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2. 연구개발대상 기술의 차별성

전 세계를 흔들어 놓을 정도로 막강한 힘을 가진 자원 인 석유를 많은 이들이 블랙골드(Black

Gold)라고 부르나 이제 블루골드(Blue Gold), 즉 ‘물의 시대’가 오고 있다고 말하고 있음.

물 분야는 금융, 석유·가스·전기, 교통, 통신, 자동차, 컴퓨터·소프트 등 그 어느 분야보다도 기후

변화에 큰 영향을 받음. 물 전문가들은 급속한 기후변화로 오는 2030년에는 신흥경제대국(BRICs)

이 가장 심각한 물 부족난에 처하게 되며, OECD와 나머지 국가들도 비슷한 환경에 처하게 될 것

이라고 전망하고 있음.

국내의 경우 물부족에 대한 우려와 물 안보에 대한 중요성이 강조되면서 하수처리수를 대체 수

자원으로 활용해야 한다는 인식이 확산되고 있음.

최근 하․폐수의 재이용 시스템에서 MF/UF 및 역삼투방식을 활용해 공업용수로 이용하는 기술

이 주로 적용되고 있으나 MF/UF 및 역삼투방식의 기술은 에너지의 소비가 많고 최근 사회적 이

슈가 되고 있는 에너지 절약형 하수재이용에 적합하지 않은 단점이 있음.

에너지 소비량이 적고, 2차 환경오염물을 발생하지 않는 탈염기술의 개발을 통해 양질의 용수

를 저가로 제공할 수 있도록 신기술을 개발하여 환경오염방지와 더불어 수자원의 재활용을 통해

물 부족난에 대한 대안기술로 만들고자 함.

CDI기술은 축전지의 기본원리를 이용한 전기식흡착에 의한 이온 및 이온성 물질을 제거하는

기술로5 ~ 7 에너지 소비가 적고 전기적 제어가 간단하여 하․폐수의 재이용 기술에 적합한 것으로

생각됨.

하․폐수의 2차 처리 방류수중 질소농도 저감에 가장 큰 어려움은 동절기 동안 질산화 효율이

감소하면서 질소제거 효율이 급격히 악화됨. 미생물을 이용한 질소제거시 온도변화에 커다란 영향

을 받기 때문에 A2O공정 혹은 생물막을 이용한 공정에서 동절기 처리 효율이 급격히 저하되는

단점이 있음,

최근 동절기 질소농도에 대한 허용치에 대한 완화가 폐지되면서 질소제거가 또 다른 문제로 부

상하고 있음.

CDI기술은 질산화 효율에 관계없이 암모니아와 질산성/아질신상 질소의 동시 제거가 가능해 동

절기 질소제거가 효율적/안정적으로 이루어질 수 있는 장점이 있음.

또한 CDI공정을 통해 BNR공정 및 활성슬러지 공정에서 질산화에 필요로 하는 폭기동력을 절

감함으로써 재이용공정에서의 에너지 절약할 뿐만 아니라 주처리 공정인 생물학적처리 공정에서

의 에너지 절약도 가능함.

낮은 운전 전위로 작동하기 때문에 에너지 소비가 작지만 산업용에서는 이온을 흡착할 때 저장

된 에너지를 회수하여8 더욱더 낮은 에너지 소비의 탈염시스템을 만들어 용수를 재이용할 수 있

도록 기술을 개발함으로서 국가 경쟁력을 갖춘 차세대의 녹색 탈염기술로 개발하고자 함.

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산업적으로 흔히 사용되고 있는 RO의 경우 회수율이 50% 이하지만 축전식 탈염기술을 90%이

상으로 높은 회수율을 갖고 있으며 설치공간과 유지비용이 낮아 기존의 탈염기술에 비해 유리함.

특히 공업용수 및 하수 속에 불필요한 특정이온 만을 선택적으로 제거함으로서 용수를 재활용할

수 있는 기술로 더욱 적합한 탈염술로 생각되며 반드시 개발이 필요함.

RO CDIUser interaction low highIon removal rate high low

Pre-treatment low highWaste 5-15% 25-70%

Scalling and Bio-fouling low highConsumables none (CA) chemicalsEnergy use low high

표 1.1.1. CDI와　RO 기술 비교

기존의 계절 변화에 따른 질산성 질소의 처리효율 변화가 적고 에너지소비 율이 낮으며 회수율

이 높은 새로운 하폐수 처리기술로 방류수 처리기술에 적합한 방법을 개발하고자 함.

운전비용 및 유지비에 있어서 기존의 R/O 시스템에 비해 낮아 충분한 경쟁력을 갖추고 있으며

하폐수 처리에 있어서 R/O기술을 대체할 수 있는 차세대의 탈염기술로 반듯이 개발되어야 함.

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역삼투식 축전식

모듈 수

(50톤 기준)RO 모듈 6EA CDI 모듈 8EA

소비전력

(고압펌프/PS)2.5kw x 20시간/일=50kwh/d 0.8kw x 20시간/일=16kwh/d

경도제거율

(%)100 96

회수율

(%)~70 ~90

특징

l 현재 증명된 우수한 이온제거 기술

l 고압운전에 따른 에너지 소비가 높음

l 설치공간이 넓음

l 회수율이 낮음

l 막 파울링에 의한 세정과 교체에 따른

운전비용이 높음

l 차세대 이온제거 기술

l 저 전압과 낮은 압력으로 운전 가

능

l 좁은 설치공간 (RO의 1/3 정도)

l 회수율이 높음

l 수평흐름에 의한 파울링이 적어 운

전비율이 낮음

표 1.1.2. CDI와 RO 에너지 소모량 및 이온 제거율 비교

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제2절 연구개발의 국내외 현황

1. 해외 기술개발 동향․시장

하․폐수 처리수 재이용이 활발한 국가로는 미국, 일본, 호주, 영국, 독일, 인도, 싱가포르, 이스라

엘, 튀니지, 사우디아라비아, 예멘 등을 들 수 있으며, 특히 절대 물 부족국가인 사우디아라비아와

예멘 등은 하수처리수를 음용수로 까지 활용하는 사례가 있음.

국외의 경우 물이 부족한 나라에서는 대부분 하수처리수를 재이용하고 있으며, 그 용도도 기존

수자원을 대체하여 생활용수, 농업용수, 공업용수 등으로 활용하거나 하천유지용수, 친수용수등 공

공성격을 띤 용도로 활용되고 있음.

특히 싱가포르는 상수원수의 75%를 말레이시아에서 수입함에 따라 국가생존 차원에서 재이용

사업(NEWwater Project)을 추진하여 공업용수 및 간접음용수로 이용하고 있음.

최근에는 오폐수 처리 기술로 초심층 폭기법, 전자선(Electronic Beam) 조사법, PSA(Pressure

Swing Adsorption)법, 생물막 기능과 여과기능을 결합시킨 생물막 여과법 등 다양한 연구가 활발

히 진행되고 있으며 보다 높은 수질을 얻기 위하여 2차 혹은 3차 처리를 거친 하폐수를 역삼투막

으로 처리하여 공업용수 등으로 활용하는 기술이 적용되고 있음.

미국의 Water Factory 21(WF21)은 1976년부터 가동된 대규모 하수재이용 시설 (265,000 m3/d)

로서 정밀여과와 역삼투, UV 등을 조합한 공정을 채택하고 있으며, 일본의 오치아이 하수처리장

및 신주꾸 물 재생센터에서는 하수처리장과 중수도 공급시설을 연계하여, 처리수의 70%를 동경시

내 하천유지용수로 공급하고 30%는 인근 빌딩에 화장실 세정용수로 공급하며, 이를 위한 고도처

리 공정으로 활성슬러지와 모래여과, UV소독, 정밀여과 및 역삼투를 조합하여 활용하고 있음.

이와 같이 생산된 중수는 일반 수돗물에 비하여 단가가 낮아 시장경쟁력이 있는 것으로 나타났

으며, 향후 재이용수 생산 시스템의 경제성을 제고하기 위하여 수처리 기술들에 대한 연구가 활발

히 진행 중임9 ~12.

싱가포르에서는 그림 2에 나타낸 바와 같이 하수의 간접적인 재이용에 의한 음용수로의 활용을

위하여 정밀/한외여과 처리와 역삼투, UV 소독 등을 조함한 기술을 개발하여 현장에 적용하여 운

영하고 있고, 중국에서도 최근 MBR에 대한 관심이 높아지면서 관련기술에 대한 연구개발이 활발

하게 추진되고 있다.

그러나 CDI기술은 최근에 발생된 학문으로 CDI기술을 활용한 하․폐수 처리한 사례는 찾아 볼

수 가 없으며, 본 과제에서 처음으로 시도하는 것으로 기술의 원천성과 차세대의 신기술로서 기술

적 선점을 위해 연구가 반듯이 필요한 기술임.

CDI 기술은 1990년대 중반 이후 본격적인 특허와 논문실적이 발표되고 있으며 2000년대 이후

증가하는 경향을 보이며 전체 건수가 특허 80여건, 논문 120여건 정도로 현재 발전기에 막 진입

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한 것으로 판단됨. 출원인 수 또한 40여개 기관으로 매우 적게 나타나므로 원천기술에 대한 선점

이 비교적 어렵지 않을 것으로 판단됨.

그림 1.2.1. CDI 특허 및 논문 연도별 동향 (좌), CDI 국가별 특허 및 논문

현황 (우).

2000년대 들어서면서 응용기술의 특허 및 논문발표 실적이 증가하고 있으며 최근 급격한 증가

율을 보임. 미국과 한국이 주도하고 있으며 응용기술이 대부분으로 공업용수나 폐수의 재활용에

대한연구는 거의 찾아 볼 수 없었음.

현재 축전식 이온제거 기술을 상업화하고 있는 미국 Aqua EWP사의 경우 선택성 이온교환막을

사용하고 있어 제조원가가 높으며, 전극의 흡착능을 향상하기 위해 전극의 집전체와 이온교환막

사이에 전해질이 함침 되어 있어 높은 압력을 유지해야 하기 때문에 차압이 높다는 단점이 있음.

AQUA EWP CDT system ㈜ 시온텍

Carbon materialActivated carbon

powderCarbon aerogel

Activated carbon

powderCapacitance (F) 100 ~ 120 100 120 ~ 150Flux (ml/min/gram of

carbon)15 ~ 20 2 ~ 4 30 ~ 40

Energy requirment

(kWh/m3) (brakish water)0.05 ~ 0.1 0.05 ~ 0.1 0.03 ~ 0.08

Pressure

(kg/cm2)2.5 ~ 3.0 2.5 ~ 3.0 0.3 ~ 0.4

Cost

(won/1.6 m2)high high low

표 1.2.1. 기술 경쟁력 비교.

또한 레졸사이놀(resorcinol) 포름알데히드(formaldehyde)의 졸-겔(sol-gel) 중합에 의해 만들어진

단일체(monolith)형태의 탄소 에어로젤을 전극 소재로도 이용하고 있으며, 전기전도성은 높아 여

러 이점은 있으나 복잡한 전극소재 제조과정으로 인하여 상대적으로 낮은 비표면적에도 불구하고

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가격이 매우 높을 뿐만 아니라 충전용량과 재생 효율이 낮으며 압력강하, 저항문제 등의 문제점을

갖고 있음.

일본, 중국, 네덜란드 등의 일부 대학에서 전기 흡착식 탈염 전극개발 및 시스템 개발을 위한

연구를 최근에 많이 수행하고 있으나 상업화된 실적은 없음.

2. 국내 기술개발 동향․시장

국내 하수처리수의 재이용 용도는 표 8에 나타낸 바와 같이 범용, 인체비접촉, 고도환경용수,

공업용수등의 4개분야로 용도별로 세분화되어 있으므로, 이용용도에 맞게 기존 처리방식에 [표]

에 예시한 처리공정을 추가로 설치하여 수질을 확보해야 함.

범용이용수의 경우는 부유물질등의 추가제거에 초점을 맞춰 모래여과 혹은 분리막여과 등의 단

위시설이 추가되며, 인체접촉이나 공업용수로 활용될 경우에는 부유물질 뿐 아니라, 이온 성분제

거를 위한 역삼투 공정이 포함됨.

대분류 세분류 대표적 처리방법

범 용재이용수

청소용수 ․모래여과도 시조경용수

․모래여과

친수용수 ․모래여과+활성탄하 천유지용수

․모래여과, 정밀여과막(MF)

관개용수 ․모래여과, 정밀여과막(MF)

인체접촉 및 직접영향재이용수

인체접촉세척용수

․MF+역삼투막(R/O) ․막분리생물공정(MBR) +R/O

직접관개용수 ․MF+R/O 이상

고 도환경용수

습지용수 ․모래여과+활성탄, MF+R/O ․MBR +R/O

지 하 수충진용수

․모래여과+활성탄, MF+R/O ․막분리생물공정(MBR) +R/O

음용수자원보충

․MF+R/O ․막분리생물공정(MBR) +R/O

공업용수 - ․6가지 조합 모두 가능

표 1.2.2. 국내 하수처리수 재이용 용도 및 처리방법

국내 하수처리수의 재이용율은 매년 점진적으로 증가하는 추세로서 2001년 2.9%에서 2007년

9.9%에 이르고 있음. 즉, 2007년 기준으로 65억톤의 하수처리수중 6.4억톤 가량이 재이용되고 있

는 실정임.

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2007년말 기준으로 전체 재이용수(6.4억톤) 중 58%가 하수처리장 장내용수로 재이용되고 있으

며, 나머지는 농업용수, 하천유지용수 등으로 재이용하고 있으며 공업용수는 1.5%(0.1억톤)에 불과

함.

우리나라 하수도법 시행령 제17조에서는 1일 하수처리용량이 5000m3이상인 공공하수처리시설

에서는 1일 하수처리량의 5%이상을 재이용하도록 의무화하고 있음.

국내 하수처리수 재이용현황은 2006년 기준 연간 4.9억톤으로 총 하수처리량의 7.7%에 그쳐

미미한 수준이나, 정부의 하수처리수 재이용촉진 시범사업추진으로 점차 증가추세에 있으며, 2016

년까지 12.4억톤, 총 발생량의 19%수준까지 끌어올릴 계획에 있음.

1992년부터 환경부 주관으로 과학기술처 및 통상산업부 등이 참여하는 국책사업의 일환으로

생활하수 및 산업폐수 재이용 기술 관련 연구가 9년간 추진되었고 산업자원부 주관으로 산업별로

발생하는 폐수를 원천적으로 줄이거나 재이용하는 기술 개발을 추진중 임.

하·폐수처리분야에서는 생물학적 공정을 이용한 질소·인 제거를 비롯한 분뇨와 축산폐수처리,

매립장 침출수처리, 특정산업(제지, 금속, 염색 등) 폐수처리 연구가 활발히 진행되고 있으나, CDI

기술을 적용한 사례는 찾아볼 수 없으며, CDI의 기초연구가 대부분 임.

국내에서 CDI 원리를 이용한 분리기술에 관한 연구는 대학이나 연구소에서 실험실 규모로 이

루어지는 정도에 머물러 있는 실정임

CDI 기술은 전류와 전압으로 공정을 제어할 수 있기 때문에 운전이 용이하고, 효율을 향상시킬

수 있는 장점을 갖고 있음. 이러한 기술의 중요성이나 높은 응용 잠재력을 갖추고 있음

CDI 기술과 관련하여 국내에서 추진되고 있는 대표적인 연구로 "수자원의 지속적 확보기술개발

사업단(21세기 프런티어 연구개발 사업단)"에서 진행하고 있는 역삼투막과 전기탈염을 병용한 저

에너지형 담수화기술이 있음. 전기탈염 분야에서는 탄소섬유나 탄소 에어로겔을 대상으로 전극의

하전율과 전극저항을 개선하기 위한 연구를 진행하고 있으며 고가의 소재를 사용함으로 성능에

비해 제조원가가 높음.

이외에도 한국원자력연구원과 한국에너지기술연구원 등에서 CDI과 관련된 연구를 수행하면서

CDI용 전극과 CDI 셀 및 운전에 관한 특허를 출원하였지만 실험실적 연구에 머물고 있는 수준으

로 아직 상용화하기 위해서는 해결해야할 과제가 많은 것으로 분석됨.

현재 한국화학연구원, 한국원자력연구원, 한국전력공사, 한국과학기술연구원, 고려대학교, 공주

대학교, 충북대학교 등에서 활발히 연구 중에 있음.

본 연구과제의 주관기관인 (주)시온텍이 CDI 전극과 모듈을 국내 최초로 상용화에 성공하였으

며 다양한 응용기술과 성능개선 연구를 하고 있음.

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제3절 연구개발의 내용 및 범위

1. 연구개발의 최종목표

본 연구과제는 "하․폐수중 영양염류(질산성질소 및 인 화합물)를 선택적으로 제거할 수 있는 축

전식 탈염전극 및 모듈을 개발하고, 이들을 이용하여 하․폐수를 처리할 수 있는 공정 기술의 개발

"로서 하․폐수처리를 위한 대용량의 축전식 탈염전극 모듈 및 시스템을 상용화하는 것을 목표로

함.

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2. 연도별 연구개발 목표 및 평가방법

구분 연구개발의 목표 연구개발의 내용 비고

1차년도

하․폐수 처리에 적합한 축전식 탈염전극 및 모듈화

기술 개발

- 하페수 처리를 위한 탈염전극 기술 개발

- 모듈의 생산기술 개발주관

특정이온 선택성 바인더 생산기술 개발- 특정이온선택성 바인더 합성기술 개발

- 특정이온 선택성 바인더 생산기술 개발주관

하․폐수 처리를 위한 시스템 설계기술 개발- 시스템 설계 및 제작기술 개발

- 제어기술 및 운전 최적화기술 개발주관

이온성 영양염류 선택투과 이오노머 개

발

- 음이온교환기와 질산성 질소와의

친화도 조건 도출

- 특정 음이온선택성 이오노머 합성

기술

1세부

전극활물질 기술 개발- 소재의 원천에 따른 선별 및 특성평가

- 기공구조에 따른 흡착 특성 평가2세부

2차년도

하폐수 처리를 위한 축전식 탈염전극 적

용기술 개발

- 하폐수 처리 시스템 설계/제작 기

술 개발

- 장치의 종합적인 운영을 위한 제

어기술 개발

주관

Pilot scale 실험 장치를 통한 성능평가

및 운전조건 도출

- 수질 기준에 맞는 운전기술 개발

- 장치운전의 최적화기술 개발주관

다양한 수질 및 염류에 대한 공정 성능

평가

- 처리유속에 따른 성능평가

- 염류의 농도에 따른 성능평가 주관

에너지회수기술 개발 및 전극 수명 연장

을 위한 운전공정 개선기술 개발

- 재생시 전극에 저장된 에너지의

회수를 통한 에너지 절감기술 개

발

주관

시제품 제작(10톤/일)

- 에너지회수기술을 도입한 하폐수

처리를 위한 시제품 개발

- 현장평가

주관

영양염류 선택투과 이오노머 개발

- 음이온교환기와 인산염간 친화도

조건 도출

- 특정 음이온선택성 이오노머 합성

기술

1세부

고기능성 전극 활물질 개발

- 기공구조 저절을 통한 전기적 특

성 개선

- 축전용량이 개선된 전극 활물질

개발 (축전용량 : 200F/g)

2세부

- 12 -

구분 세부 내용 평가의 착안점 및 기준

1차

년도

축전식 탈염전극 적용기술 개발 - 회수율 : > 90%

영양염류 선택성 축전식 탈염전극 제조기술- 총질소 20mg/L 이하- 총인 : 0.2 mg/L 이하

2차

년도

에너지 회수시스템- 에너지회수기술을 적용에 의한 에너지 저감기

술 (30% 이상)

시제품 및 현장평가- 시제품 : 10톤/일- 수질기준에 적합여부에 따른 처리 효율평가

최종

평가

축전식 탈염전극 적용기술 개발

- 회수율 > 90%

- 총질소 20mg/L 이하

- 총인 : 0.2 mg/L 이하

에너지 회수기술 - 기존 RO기술의 30%이상 회수

시제품 및 현장평가 - 시제품 : 10톤/일

- 13 -

3. 연도별 추진체계

1차년도

( 2011 년)

하폐수중 영양염류의 선택적 제거용 축전식 전극모듈 기술 및 처리공정 개발

수처리 적용을 위한 고기능성 전극활물질

개발(세부2)

하폐수처리를 위한 축전식 탈염 전극모듈기술 및 시스템기술 개발(주관)

영양염류의 선택성 바인더 제조기술 개발(세부1)

축전식 탈염전극을 적용한 수처리 공정 개발

2차년도

( 2012 년)

Pilot scale 실험장치를 통한 성능평가 및 운전조건 도출

에너지회수기술 개발

시제품을 통한 현장평가

운전의 최적화기술 개발

상용화기술 확립

- 14 -

제 2 장 연구개발 수행내용 및 결과

제1절 연구개발 결과 및 토의

1. 서론

물은 인간을 포함한 모든 생명체와 생태계에 있어 가장 중요한 자원으로서 그동안 무한한 자원

처럼 여겨져 왔다. 그러나 전 세계적인 기후변화와 인구증가, 환경오염 등에 의해서 물의 순환과

정에 문제가 발생했으며, 세계은행 보고에 의하면 80개 국가가 물부족 국가이며, 이는 사람들의

건강과 경제를 위협할 정도라고 보고된 봐 있다. 또한 UN 산하기국인 ‘UN개발프로그램(UNDP)'에

의하면 전 세계 인구의 1/5에 해당하는 10억명 이상의 사람들이 안전한 물을 사용하지 못하고 있

으며, 2050년에는 물부족 인구가 전세계 인구의 44.9%에 이를 것으로 전망하고 있다.

물을 풍족하게 사용하고 있다고 여겨지는 우리나라도 강수조건과 지형조건으로 물관리 상태를

살펴보면 전 세계적으로 최악의 물관리 여건을 가지고 있음. 우리나라의 연평균 강우량은

1,300mm 정도로서 많은 편에 속하지만, 분산치가 11,675㎟로써 세계에서 가장 큰 편에 속하고

있다. 게다가 국토의 70%가 암반으로 이루어진 산악지형이므로, 내린 빗물이 땅속에 침투되지 않

고 빠른 속도로 바다로 흘러가기 때문에 빗물을 땅에 모아두기가 매우 어려운 조건임. 우리나라의

빗물관리조건은 세계에서 가장 열악함을 의미하므로, 우리는 최악의 물 관리 조건을 가지고 있음

을 알 수 있다. 앞으로 물이 무기가 되는 물 부족시대가 도래할 것으로 예상되는 만큼 전 세계적

으로 부족한 수자원을 확보하기 위한 대체수자원 확보 기술에 대한 중요성이 점차 높아지고 있다.

현재 물 공급은 약 99.3%를 하천수나 지하수에 의존하고 있으며, 하수재이용등 대체수자원의

이용은 0.47%에 불과한 실정이나 꾸준히 증가될 것으로 전망하고 있음. 즉, 최근에는 대체수자원

의 확보를 위한 하수재이용 방법이 매우 큰 관심을 끌고 있다. 물의 재생과 재이용은 자본과 기술

이 집약돼야 하는 산업이며 선진국들은 물의 재생과 재이용을 대표적인 녹색기술로 삼고, 정책적

으로 지원하고 있다. 물의 재이용을 위한 정수기술에는 입자성 물질인 탁도 물질을 제거하는 기

술, 유기물질을 제거하는 기술, 그리고 용존 이온을 제거하는 기술로 크게 3가지로 분류할 수 있

으며, 이중에서 용존 이온을 제거하는 기술이 가장 어려운 기술이다. 공업용수는 산업에 따라 중

금속과 같은 특정이온들이 용존되어 있어 주로 역삼투막법을 이용하여 재활용하고 있으며, 하수의

경우 질산성질소나 인을 포함한 물질들이 용존되어 있어 MBR(Membrane Bio Reactor)를 이용하

여 처리하고 있다. 이처럼 현재 이온물질을 제거하는 기술로 역삼투막법은 높은 에너지 소비에 따

른 운전비용과 막 파울링에 의한 운전상의 문제점 등을 가지고 있고, MBR법은 미생물에 의한 질

산성 질소나 인을 분해로 하수를 처리하기 때문에 시간이 길고 처리효율이 낮다는 단점을 갖고

있다. 이온성 물질과 질산성 질소나 인과 같은 물질을 제거하기 위한 새로운 기술로서 저 에너지

- 15 -

소비형의 이온 제거기술을 개발하고자 세계 여러 나라에서 연구들이 진행 중이며, 이러한 신 개념

의 이온제거 기술로 축전식 이온제거(CDI ; Capacitive Deionization) 기술이 있다. 축전식 이온제

거기술의 원리를 그림 2.1.1에 나타내었다.

그림 2.1.1. 축전식 이온제거 기술의 원리.

CDI 기술은 전기에너지를 인가하여 이온을 전극 표면에 흡착시켜 제거하는 기술로서 전극 사

이에 처리하고자 하는 물을 이동 시키고 이때 전기에너지를 양쪽 전극에 인가하며 전극과 반대

극성을 가진 이온들이 전기적 인력에 의하여 흡착되는 원리를 통하여 이온을 제거할 수 있고 전

극이 흡착할 수 있는 이온을 모두 흡착 했을 때 양쪽 전극을 쇼트 시키거나 반대 전위를 인가하

여 전극을 재생 시킨다. 이와 같이 CDI 기술은 정수 공정과 재생 공정을 반복하면서 용존된 이온

을 제거하는 기술 이다.

CDI 기술과 관련하여 국내에서 추진되고 있는 대표적인 연구로 “수자원의 지속적 확보기술개발

사업단(21세기 프런티어 연구개발 사업단)”에서 진행하고 있는 저에너지형 담수화기술이 있음. 이

외에도 한국원자력연구원과 한국에너지기술연구원 등에서 CDI와 관련된 연구를 수행하면서 탄소

전극과 CDI 셀 및 운전에 관한 특허를 출원하였지만 실험실적 연구에 머물러 있는 수준이며 (주)

시온텍에서 CDI 전극 모듈 및 시스템을 상업화하였으나 다양한 응용을 위해서는 추가적인 연구가

필요한 상황이다.

축전식 탈염기술은 시설유지 및 관리비용이 최소화할 수 있는 기술로서 양질의 용수를 저가로

공급하기 위해서는 경쟁력 있는 최신 기술의 개발을 통해 원천성 확보와 더불어 수출 산업으로

육성이 가능할 것으로 사료된다.

물 부족국가로 선정된 우리나라의 입장에서는 하·폐수 등 처리기술을 통한 물 재이용 정책이

선택의 문제가 아닌 필수적 의무이자 현재 당면과제라 생각되며 공업용수 및 하수의 재이용에 대

한 기술로 선진국과의 경쟁할 수 있는 새로운 대안기술로 축전식 탈염기술의 개발이 반드시 필요

하다. 그러므로 본 연구에서는 하․폐수중 영양염류·중금속 등 이온성 오염물질의 선택적 제거용 축

- 16 -

전식 전극모듈 기술 및 처리공정을 개발하고자 한다. 연중 일정량 수량 및 수질확보가 가능한 하․폐수의 처리수를 공업용수, 인체 비접촉 용수, 기타 잡용수를 생산할 수 있도록 CDI 기술을 이용

하여 저비용 고품질의 재이용수 생산 시스템을 개발하여 저탄소 녹색성장이라는 새로운 패러다임

에 부응한 건전한 물 순환체계의 구축에 활용하고자 한다. 온실가스 문제 해결에 대한 관심이 고

조됨에 따라 전 세계적으로 에코 테크놀로지 개발과 상용화에 대한 노력이 가시화 되고 있다. 특

히 이상기후에 따른 가뭄 문제로 음용수에 대한 중요성이 대두되면서 탈염기술에 대한 연구가 많

이 추진되고 있다. 탈염기술은 보일러 수 제조, 초순수 제조, 발전소의 냉각수, 지하수 중의 환경

오염물질 제거 등 다양한 산업공정에서 광범위하게 요구되는 기술이다.

2. 실험

가. 이온선택성바인더 코팅전극 제조

이온선택성바인더 코팅전극을 제조하기 위하여 우선 베이스 전극을 제조하여야 한다. 베이스

전극은 활성탄소 분말을 고분자 바인더를 용매와 함께 혼합하여 슬러리를 만든 후 집전체인 그래

파이트 쉬트 위에 나이프 케스팅 방법을 통하여 제조하였다. 베이스전극 코팅에 사용한 나이프케

스팅 장치(AUTOMATIC CONTROL COATOR, LAB-Q, Korea)를 그림 2.1.2에 나타내었다.

그림 2.1.2. 나이프케스팅 장치.

제조된 베이스 전극 위에 양이온교환 선택성 바인더와 음이온 선택성 바인더를 딥코팅 방법으

로 코팅 한 후 건조 오븐을 이용하여 건조시켜서 이온 선택성 바인더 코팅전극을 제조 하였다. 이

러한 방법으로 제조되어진 이온선택성바인더 코팅전극의 SEM 사진을 그림 2.1.3에 나타내었다.

- 17 -

그림 2.1.3. 이온선택성바인더 코팅전극.

SEM 사진을 관찰 했을 때 입자 형태로 되어 있는 활성탄소 층과 전극 윗부분에 보이는 이온

선택성 바인더 층이 확실히 구분되어 있는 것을 확인 할 수 있었다.

나. 단위셀 테스트 장치

이온선택성바인더 코팅전극의 특성 및 성능을 분석하기 위하여 그림 2.1.4와 같은 단위셀 테스

트 장치를 구성 하였다. CDI는 전기 에너지를 인가하여 이온을 제거 하는 기술이다. 그러므로 CDI

공정을 운전하기 위해서는 전기에너지 인가장치가 필요하다. 그러므로 구성된 단위셀 테스트 장치

에는 CDI 단위셀에 전기에너지를 인가하고 또한 이때 이동하는 전하량을 분석할 수 있는

Potentiostat(Wonatech, WMPG1000, 15 V, 24 A, Korea)를 구성 하였으며 단위셀 통과후 처리된

물의 농도를 측정할 TDS 메터, 전기화학반응 여부를 확인하기 위한 pH 메타 등을 구성하였고

TDS 데이터와 pH 데이터를 PC로 전송하기 위한 데이터로거를 설치하였다.

- 18 -

그림 2.1.4. 단위셀 테스트 장치 세트.

다. 인, 질산성 질소 농도 분석 장치

공업용수 및 하수의 재이용을 위해서는 인과 질산성 질소의 제거가 매우 중요하다. 단위셀 테

스트 장치에 구성되어 있는 TDS 센서는 모든 이온의 총 농도를 분석하는 장치이므로 인과 질소

각각의 농도를 분석할 수 없다. 그러므로 처리수 내의 인과 질산성 질소의 농도를 측정하기 위하

여 그림 5와 같은 농도 분석 장치(HACH, DR4000, USA)를 사용하였다. 본 농도 분석 장치를 이용

하여 정수된 물의 농도를 분석하기 위하여 정수시간동안 정수된 물을 샘플링 하여 분석을 진행하

였다.

그림 2.1.5. 인, 질산성질소 농도

분석 장치.

- 19 -

라. 이온크로마토 그래피

단위셀 테스트 장치에서 이온의 농도를 측정하는 장치는 전도도 메터이다. 그러나 전도도 메터

는 물속에 용존되어 있는 이온의 전기전도도를 측정하는 장치로 어떤 이온이 어느 정도 녹아 있

는지 구분할 수 없다. 그러므로 본 연구에서 목표로 하는 질산성 질소 이온의 농도를 비교 측정하

기 위하여 이온크로마토그래피 (Metrohm, 733 IC seperation caster)를 사용하였다. 이온 농도 분

석에 사용된 이온크로마토그래피 분석장치의 사진을 그림 2.1.6에 나타내었다.

그림 2.1.6. 이온크로마토그래피.

- 20 -

3. 연구 결과

가. 하폐수 중 영양염류를 제거하기 위한 전극 및 모듈의 제조기술 개발

1) 하수 재이용을 위한 전극 및 모듈 생산 기술 개발

하수 재이용에 대한 CDI 공정의 적용 가능성을 확인하기 위하여 대전하수처리장의 하수 테스

트를 진행 하였다. 대전하수처리장에서 하수 재활용이 가능한 조건을 그림 2.1.7에 나타내었다.

그림 2.1.7. 대전 하수 처리장 에서의 하수 재이용을 위한 기준.

물하수를 재활용하기 위한 조건을 보았을 때 TDS 600 mg/L 정도 이므로 현재 CDI 공정에 충

분히 적용할 수 있는 농도 조건을 가지고 있는 것을 알 수 있다. 그러나 원수의 TP(총인) 농도가

2.0 mg/L로 TDS에 비하여 상대적은 매우 낮으며 또한 방류 처리하기 위해서는 0.2 mg/L 이하로

TP의 농도를 낮추어야 함으로 CDI 적용 가능성 테스트가 필요함을 알 수 있었다.

가) 유량에 따른 영향 관찰

표 2.1.1과 그림 2.1.8은 대전하수처리장에서 얻은 실제 하수를 이용하여 유량을 달리하여 CDI 단위셀

운전 하였을 때 처리수의 농도와 제거율을 나타내었다.

CDI 처리수 (mg/L)

유량 T-N T-P TDS

원수 9.12 2.07 495

10ml/min 0.01 0.29 80

20ml/min 0.63 0.60 100

30ml/min 1.14 0.81 150

40ml/min 1.47 1.00 220

표 2.1.1. 대전하수처리장 하수의 유량에 따른 CDI 테스트 결과

- 21 -

99.793

87.4 83.885.7

70.9

60.551.4

0102030405060708090

100

10ml/min 20ml/min 30ml/min 40ml/min

유량에따른 제거율 (%)

T-N 제거율(%)

T-P 제거율(%)

그림 2.1.8. 대전하수처리장 하수에서 CDI 유량에 따른 TN, TP

제거율.

실험 결과 유량 30 ml/min 이하에서는 TN과 TDS 모두 현재 하수 공정에 적용하여도 목표치

이상의 처리수를 얻을 수 있는 것을 확인하였다. 그러나 유량을 10 ml/min으로 하여도 TP의 농도

는 목표치인 0.2 mg/L를 만족하지 못하였다. 이러한 결과가 나타난 이유는 TP의 농도가 전체 이

온에 비하여 너무 낮기 때문에 나타나는 현상으로 사료된다.

하수 재이용 실험을 위하여 대전하수처리장에서 하수샘플을 채취하여 테스트를 진행하였으나

하수 원수의 TN 농도가 약 10 mg/L 정도로 낮게 나타났다. 그래서 다른 이온의 농도는 하수의

농도와 같게 하고 TN의 농도를 60 mg/L가 되도록 조제수를 제조하여 테스트 한 결과 처리수의

TN 농도가 7 mg/L으로 약 88% 정도의 제거율을 보였다.

나) 2 Pass system

하수 처리시 CDI로 1 Pass 처리를 하였을 때 하수에 포함되어 있는 인의 농도가 너무 적기 때

문에 유량을 10 ml/min으로 하여도 목표치인 0.2 mg/L 이하의 처리수를 얻을 수 없었다. 본 연구

를 통하여 목표치에 맞는 처리수를 얻기 위하여 2 Pass system을 개발 하였다. 2 Pass system은

CDI 모듈로 한번 처리된 처리수를 다시 한 번 CDI 모듈로 처리하는 방법이다. 유량 30ml/min에서

2 Pass를 통하여 하수를 처리 하였을 때의 결과를 표 2.1.2에 나타내었다.

농도 (mg/L)

T-N T-P TDS

원수 9.12 2.07 495

1 pass 1.14 0.81 150

2 pass 0.21 0.17 25

표 2.1.2. 2 Pass로 처리 할 때의 영향

- 22 -

실험 결과 하수를 2 Pass로 처리하였을 때 TN은 0.21 mg/L, TP는 0.17 mg/L인 처리수를 얻을

수 있었다. 이러한 결과로 볼 때 2 Pass system을 적용한다면 현재의 CDI 장치를 하수 재이용 공

정에 활용할 수 있을 것으로 사료된다. 그러나 2 Pass system은 저장탱크를 따로 갖추어야 하며

장치 구조를 적합하게 구성해야 한다. 그러므로 실제 하수 재이용에 적합한 CDI 장치를 개발하기

위해서는 2 Pass system의 구조에 대한 구체적인 연구가 추가적으로 필요할 것으로 생각된다.

나. 인 선택성 전극 개발

인 선택성 전극을 제조하기 위하여 수용액중의 인을 선택적으로 제거하는 것으로 알려지

AS(Aluminum Sulfate)와 SA(Sodium Aluminate)를 이온선택성 용액과 혼합하여 CDI 전극을 제조

하여 단위셀 테스트를 진행 하였다. 그림 9에 AS 전극과 SA 전극의 사진을 나타내었다.

SA 전극AS 전극

그림 2.1.9. AS 전극 및 SA 전극.

AS와 SA의 함량을 이온선택성 바인더의 30, 60, 90, 120%로 조절하여 각각의 전극을 제조한

후 기존의 전극과 처리수의 농도를 비교하였다. 정수시간동안 TDS 변화 그래프와 TDS 제거율을

그림 2.1.10에 나타내었으며 TN, TP의 분석 결과를 표 2.1.3에 나타내었다.

- 23 -

0

20

40

60

80

100

120

0 10 20 30 40 50 60

TDS

time (sec)

TDS 변화

0%

AS 30%

AS 60%

AS 90%

AS 120%

SA 30%

SA 60%

SA 90%

SA 120%

88 89 87 89

8388 89

85 83

50556065707580859095

100

0% AS 30% AS 60% AS 90% AS 120%

SA 30% SA 60% SA 90% SA 120%

제거율(%)

그림 2.1.10. Aluminum sulfate, Sodium aluminate의 함량에 따른 TDS 변화와 제거율.

T-N

(mg/L)

T-P

(mg/L)

원수 6.9 3.58

0% 0.8 0.66

AS

30% 0.6 0.722

60% 0.6 0.702

90% 0.9 0.936

120% 1.5 0.945

SA

30% 0.6 0.712

60% 0.2 0.751

90% 0.6 0.953

120% 1.3 0.876

표 2.1.3. Aluminum sulfate, Sodium aluminate 함량에

따른 처리수의 TN, TP 농도 비교

처리수의 TDS 결과를 보았을 때 AS와 SA를 첨가하여도 전체 이온의 흡착하는 성능에는 큰 영

향이 없는 것으로 사료된다. 그러나 AS, SA 모두 120% 포함되었을 때는 성능이 감소하는 것을 알

수 있다. 이러한 결과는 함유량이 너무 많아 표면상태가 좋지 않아 성능에 영향을 미치는 것으로

사료된다.

TN, TP 분석 결과를 보았을 때 AS, SA를 함유한 전극이 함유하지 않은 전극과 성능차이가 거

의 없는 것으로 보아 인을 선택적으로 제거하지 못하는 것으로 사료된다. AS와 SA가 인을 선택적

으로 제거하는 것으로 알려져 있으나 전극 제조시 인 선택적인 특성을 나타내지 못하는 것으로

판단된다.

- 24 -

다. 질산성질소 선택성 전극 생산기술 개발

1) 아민화제를 이용한 막 제조

현재 이온선택성 전극은 베이스전극 표면에 이온선택성바인더 층을 코팅하여 제조한다. 그러므

로 질산성질소 선택성 전극을 제조하기위해서는 질산성질소를 선택적으로 이동시킬 수 있는 바인

더가 필요하다. 이와 같이 질산성질소 선택성 바인더를 제조하기 위하여 트리메틸아민(TMA)과 트

리에틸아민(TEA)을 이용하여 막을 제조하였다. 트리메틸아민은 상온에서도 반응이 일어났지만 트

리에틸아민은 상온에서 반응이 거의 일어나지 않았다. 트리에틸아민의 반응온도를 알아보기 위하

여 온도에 따른 영향을 관찰하였다. 온도에 따른 영향을 알아보기 위하여 반응온도를 다르게 하였

다. 반응온도에 따른 반응시간을 표 2.1.4에 나타내었고 반응 온도에 따른 함수율과 이온교환용량

을 그림 2.1.11에 나타내었다.

온도 (℃) 반응시간 (hr)

20 20

50 5

70 5

표 2.1.4. 반응온도에 따른 반응 시간

그림 2.1.11. 트리에틸아민의 반응시간에 따른 함수율과 이온교환용량.

- 25 -

실험 결과로 볼 때 트리에틸아민을 이용하여 반응을 시키려면 50℃ 이상의 온도에서 가능한 것으로 사

료된다. 70℃에서 가장 반응이 많이 이루어 진 것을 알 수 있었으며 이때 이온교환용량이 1.07 meq/g

으로 측정되었고 함수율이 20.9 %이었다.

2) 트리에틸아민과 트리메틸아민 전극 비교

트리에틸아민으로 반응시킨 바인더와 트리메틸아민으로 반응시킨 바인더를 각각 베이스 전극에

리코팅하여 단위셀 테스트를 진행하여 비교하였다. 각각의 전극의 제거율을 유량에 따라 관찰하여

그림 2.1.12에 나타내었다.

그림 2.1.12. 리코팅 전극의 유량에 따른 영향.

실험결과로 볼 때 두 전극 모두 이온선택성이 있는 것을 확인할 수 있었다 그러나 트리에틸아

민으로 반응시킨 바인더 전극은 트리메틸로 반응시켜서 얻은 전극에 비하여 유량이 증가할수록

제거율이 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 이러한 원인이 나타나는 이유는 트리에틸아민으로 반

응시켜 얻은 바인더 층의 저항이 크기 때문으로 예상된다. 이러한 결과로 볼 때 질산성질소 선택

성 전극을 제조하기 위해서는 트리메틸아민을 사용하는 것이 바람직할 것으로 사료된다. 또한 문

헌들을 살펴보았을 때 트리부틸아민으로 반응시켰을 때 질산성질소에 대한 선택성이 있는 것으로

소개되고 있다. 현재 제조된 전극의 질산성질소 선택성에 대한 연구가 추가적으로 필요하며 또한

트리부틸아민등에 대한 연구도 진행할 계획이다.

- 26 -

라. 전극 및 모듈 제조기술 개발

1) 전극 제조공정의 최적화

CDI 전극은 크게 베이스 전극 제조와 리코팅 전극 제조 두 가지로 나눌 수 있다. 활성탄이 전

극 표면에 들어나 있는 베이스 전극이 제조 되어야 이온교환 바인더 층을 베이스 전극 표면에 코

팅 할 수 있다. 그림 2.1.13은 실제 공정에서 베이스 전극을 제조하는 과정을 보여주는 사진이다.

그림 2.1.13. 베이스 전극 제조 공정.

베이스 전극 제조시 우선적으로 활성탄슬러리를 제조 하여야 한다. 슬러리 제조시 재료 물질들

을 모두 정량화 하고 24시간 교반해 준다. 충분히 교반해 주지 않거나 슬러리 제조 순서를 다르게

하면 균일한 슬러리를 만들 수 없다 균일하지 않은 슬러리는 베이스 전극의 불량을 발생시키기

때문에 슬러리 제조 순서 및 제조 시간을 항상 균일하게 하며 정량화 시켰다. 일정한 점도의 슬러

리를 나이프 케스팅 법으로 그래파이트 쉬트 위에 코팅 한다 이때 나이프 케스팅 두께를 항시 균

일하게 하여 코팅 두께를 일정하게 유지한다. 코팅된 활성탄 층은 3개의 열풍 건조실을 거쳐 완전

히 건조된 상태의 롤 전극으로 완성된다.

- 27 -

이렇게 완성된 베이스 전극은 이온선택성 바인더 층을 코팅하는 리코팅 공정으로 이동한다. 리

코팅 공정을 거쳐 CDI 전극이 제조되는 실제 공정의 제조 과정을 그림 2.1.14에 나타내었다.

그림 2.1.14. CDI 전극 제조 공정.

리코팅 공정은 수직 코터를 이용함으로써 양면을 한 번에 코팅 할 수 있다. 리코팅 공정은 이

온선택성 바인더 용액을 베이스 전극이 지나가면서 딥코팅 법으로 코팅이 이루어진다. 베이스 전

극의 윗면을 1차 코팅한 후 2차 코팅실을 거쳐 아랫면을 코팅하게 된다. 이렇게 이온선택성 바인

더가 양면에 코팅된 전극은 수직으로 구성된 열풍건조실을 거쳐 완변하게 건조되게 된다. 이때 전

극이 너무 많이 건조되면 이온선택성 바인더층이 수축에 의해 부숴지게 되고 너무 적게 건조되게

되면 롤 형태로 감기면서 양면이 서로 달라붙게 되어 불량이 발생한다. 그러므로 건조 온도, 라인

속도 및 이온선택성 바인더의 점도 등을 균일화 하였다.

- 28 -

2) 모듈 제조공정 기술개발

CDI 기술을 공업용수 및 하수 재이용에 적용하기 위해서는 제조된 CDI 전극을 모듈 형태로 제

조 하여야 한다. 그림 2.1.15에 CDI 장치를 제작하기 위하여 설계한 모듈의 설계도면을 나타내었

다.

그림 2.1.15. CDI 모듈 설계 도면.

설계 도면을 바탕으로 재료는 PP 재질로 선택하여 모듈 케이스를 제작 하였으며 제조된 전극

을 모듈과 조립하여 CDI 모듈을 제작하였다. 모듈 제작 과정을 그림 2.1.16에 나타내었다. 이와같

은 과정을 통해 CDI 모듈을 제조할 수 있었으며 이 모듈을 사용하여 하수처리용 CDI 장치를 구성

하였다.

- 29 -

그림 2.1.16. CDI 모듈 제작 과정.

마. 시스템 설계기술 개발

1) 제어기술 및 운전 최적화 기술 개발

가) 정전위, 정전류 운전 비교

일반적으로 CDI는 1 ~ 1.5 V 범위의 정전위를 인가하여 정수운전을 하고 0 V 또는 –1 ~ -1.5

V 범위의 역전위를 인가하여 재생 운전을 운전한다. 그러나 이러한 정전위 운전방법은 인가전위

가 급변하게 되어 전류가 피크값을 가지게 되며 모듈 내부에서 이온의 농도가 크게 변하게 되어

전극에 충격을 가할 것으로 사료된다. 그러므로 CDI를 안정하게 운전하기 위해서는 인가전위가

급변하지 않도록 운전하는 것이 CDI 운전에 가장 적합할 것으로 사료되며 이러한 운전 방법이 바

로 정전류 운전이다. 정전위 운전과 정전류 운전시 시간에 따른 전압 변화를 단위셀로 테스트 하

여 그 결과를 그림 2.1.17에 나타내었다.

- 30 -

그림 2.1.17. 정전압 운전과 정전류 운전에서의 전압, 전류 변화 비교.

단위셀 테스트 결과 정전위 운전에서 연전위가 인가될 때 전류 피크값이 정전위 운전시보다 6

배 높게 나타나는 것을 확일 할 수 있었다. 이러한 이유는 정수시간동안 흡착되었던 이온들이 역

전위를 인가하면서 급격하게 탈착반응을 일으켜 나타나는 현상으로 사료된다. 이렇게 전류피크값

이 높게 나타나면 전극의 안정성도 저하시키며 파워서플라이를 구성할 때 전력량의 크기도 큰

것을 사용해야 하기 때문에 제조비가 높게 드는 문제점이 있다. 그러므로 CDI는 정전류로 운전하

는 것이 가장 적합한 것으로 사료된다.

나) 단계전압 운전

CDI는 정전류로 운전하는 것이 가장 적합한 것으로 사료된다. 그러나 실제 장치에서 파워서플

라이를 구성시 1.0 V 이하의 낮은 전위는 정확한 조절이 어렵고 현재 기술로 구현이 쉽지 않다

또한 기술 개발을 하여 장치를 구성하여도 제조비가 너무 많이 발생하게 되어 현장의 적용이 어

렵게 된다. 그래서 실제 파워서플라이 제작시 구현이 가능하고 정전류 운전과 가장 유사한 경향을

가질 수 있도록 정전압을 단계적으로 인가하는 단계 운전을 개발 하였다. 정전류 운전과 단계전압

운전의 전압 변화와 전류 변화 그래프를 그림 2.1.18에 나타내었다.

그림 2.1.18. 정전류 운전과 단계전압 운전의 전압, 전류 변화 비교.

실험 결과에서 볼 수 있듯이 1.0 V 이상의 구간에서 단계전압으로 최대한 정전류와 유사한 구

조를 가질 때도 전류 피크값이 나타나지만 피크값이 정전류에 비하여 2배정도로 높게 나타 난다

- 31 -

이러한 피크값은 정전류에 비해서는 높은 값이지만 기존의 정전위 운전에 비하여 매우 낮은 값을

나타내는 것을 알 수 있다. 이러한 결과로 볼 때 현재 파워서플라이 구성을 고려할 때 단계전압운

전으로 CDI를 운전하는 것이 가장 적합할 것으로 사료된다. 실제 단계전압으로 운전할 때 전극이

전기화학반응에 안정한지 확인하기 위하여 정전위, 정전류 운전 및 단계전압 운전을 적용할 때의

pH변화를 그림 2.1.19에 나타내었다.

0123456789

0 200 400 600

pH

time (sec)

운전 방법에 따른 pH 변화

정전위 운전

정전류 운전

단계전압 운전

그림 2.1.19. 운전 방법에 따른 pH 변화.

pH 변화를 관찰해 보았을 때 전류변화 결과에서 예상했던 것처럼 정전위 운전에서 급격한 전

압 변화로 인해 전극이 전기화학 반응에 노출되는 것을 알 수 있다. 이러한 현상은 CDI 운전시 전

극 내부에 이온을 흡착하면서 내부 에너지를 가지게 되어 나타나는 현상으로 사료된다. 단계전압

으로 운전했을 때 정전류에 비하여 pH 변화가 조금 더 많이 나타나는 것을 알 수 있지만 그 변화

폭이 매우 작은 것을 알 수 있다. 그러므로 단계전압으로 CDI를 운전하는 것이 적합한 것을 알 수

있다.

2) 시스템 설계 및 제작기술 개발

가) Duplex system

그림 2.1.20에 Duplex system의 흐름도를 나타내었다. 흐름도를 보면 알 수 있듯이 Duplex

system은 두 개의 모듈을 사용하여 한쪽 모듈이 재생운전을 진행할 때 나머지 모듈이 정수 운전

을 진행하여 연속적으로 정수와 재생이 운전되는 방법이다.

- 32 -

그림 2.1.20. Duplex system의 흐름도.

CDI 공정을 공업용수 및 하수 재이용에 적용하기 위하여 Duplex system을 적용하고 있으며 이

러한 시스템에서 회수율을 높이기 위하여 퇴수의 유량을 조절하는 실험을 진행하였다. 표 2.1.5에

CDI 장치를 이용하여 회수율에 따른 제거효율과 솔레노이드 벨브의 동작 지연시간을 비교하여 나

타내었다.

회수율 (%) 제거효율 (%) 지연시간 (초)

90 77 25

80 82 15

70 85 5

표 2.1.5. 회수율에 따른 영향

실험결과 회수율에 따라 성능에 영향이 있으나 회수율을 90%로 하였을 때도 제거효율을 77%

이상 얻을 수 있었다. 그러나 회수율을 높였을 때 퇴수의 유량이 적어지게 되어 모듈 및 배관 내

부에 남아있는 재생수가 완전히 배관 밖으로 빠져나오게 하기 위하여 솔레노이드 벨브의 동작 지

연시간을 25초로 조절하였다. 실제 장치를 운전할 때 모듈에 인가되는 전위 변화를 그림 2.1.21에

나타내었다.

- 33 -

그림 2.1.21. Duplex system 장치에서 지연시간이 적용되었을

때 운전 전위 변화.

실제 장치가 운전될 때 퇴수의 유량을 정수의 1/10으로 줄여서 운전하기 때문에 모듈과 배관

내부에 잔류하는 물의 영향을 받는다. 그러므로 실제 장치의 운전 방법은 위의 그래프와 같이 정

수 운전이 시작되고 25초 후에 솔레노이드 벨브를 동작시켜 정수를 얻는다. 그러므로 실제 정수

운전시간은 100초가 되며 재생 운전 시간은 50초가 된다. 이렇게 솔레노이드 벨브의 지연시간을

주었을 때와 주지 않았을 때를 비교하여 그림 2.1.22에 나타내었다.

- 34 -

그림 2.1.22. 솔레노이드 벨브 동작 지연 시간에 따른

정수라인에서의 TDS 변화.

실험 결과로 보았을 때 지연시간을 충분히 주지 않았을 때 퇴수의 유량이 너무 적어 잔류하는

물이 모두 배출 되지 못하고 정수라인 쪽으로 혼합되어 들어오는 것을 확인 할 수 있었다. 25초

동안 지연시간을 두었을 때 TDS가 급격히 변화하는 부분이 현저하게 감소한 것을 확인할 수 있었

다. 그러므로 실제 장치를 운전할 때 솔레노이드 벨브가 동작하는 시간을 고려하여 적용하여야 하

며 현재의 장치에서는 25초의 동작 지연시간을 두는 것이 바람직 한 것으로 사료된다. 이러한 지

연시간을 줄이기 위해서는 모듈에서 솔레노이드 벨브까지의 길이가 최소화 되어야 하며 모듈 내

부의 잔여 공간도 최소화 되어야 한다 그러므로 이러한 연구가 계속해서 진행될 필요가 있다.

3) 시제품 제작 (3 ton/day)

이번 연구개발 과제를 통하여 제작한 CDI 장치를 그림 2.1.23에 나타내었다.

그림 2.1.23. CDI 장치 시제품.

- 35 -

그림 2.1.24. CDI 장치 시제품 테스트.

실제 CDI 장치를 이용하여 정수 운전을 하였을 때 그림 2.1.24와 같은 결과를 얻을 수 있었다.

Duplex system으로 운전되므로 정수라인에서 계속해서 정수된 물이 나오는 것을 확인했으며 실험

에 사용된 원수의 TDS는 420 ppm 이었으며 정수 평균 제거율은 약 80% 정도를 보였다. 이러한

결과로 볼 때 공업용수 재이용 및 하수 재이용에 적용 가능성이 있는 것을 확인 할 수 있었다. 그

러나 아직까지 고농도에서의 영향 및 인제거율 향상 등의 문제들이 남아있어 연구개발이 더 필요

할 것으로 사료된다.

바. 하폐수 처리를 위한 적용기술 개발.

1) 2 pass 시스템 연구

모든 탈염기술이 그러하듯 CDI 기술도 가장 효과적인 원수의 농도 범위를 가지고 있다. 일반적

으로 CDI 기술은 수 백 ppm 정도의 범위에서 효과적으로 적용할 수 있는 것으로 알려져 있다.

그렇기 때문에 고농도 및 고 유량의 처리를 위해서는 몇 단계를 거쳐 처리하는 방법 등을 이용할

수 있다. 이와 같이 두 단계 운전을 하나의 모듈에서 적용하기 위하여 2 pass 시스템을 개발하였

다. 하나의 모듈에서 2 pass 시스템을 적용하면 단계 운전에 필요한 추가적인 물탱크 및 펌프를

사용하지 않고 운전할 수 있는 장점을 가질 수 있다. 제작 되어진 2 pass 모듈을 그림 2.1.25에

나타내었다.

- 36 -

그림 2.1.25. 2 pass 모듈 개발.

사진에서 볼 수 있듯이 2 pass 모듈은 중간에 유로가 있는 중판을 설치하여 모듈을 두 부분으

로 분리하여 한번 처리된 물이 두 번째 부분에서 다시 처리되는 구조로 되어 있다. 또한 모듈 조

립 시 내부에 잔류하는 물의 양이 많으면 정수와 재생이 교차되는 시간에 정수된 물과 재생된 물

이 혼합되어 사용하지 못하는 문제가 발생하며 모듈 세정 운전시 세정액의 농도를 높여야 하는

어려움이 있다. 이와같은 문제를 최소화하기 위하여 모듈 제작 시 내부의 공간을 최소화 하여 제

작 하였다.

이렇게 제조되어진 2 pass 모듈을 이용하여 테스트를 진행하였다. 테스트에 사용된 모듈의 사

진을 그림 2.1.26에 나타내었다.

그림 2.1.26. 2 pass 모듈 테스트 사진.

- 37 -

사진에서 볼 수 있듯이 2 pass모듈이 기존의 모듈과 다른 점은 유입구와 배출구가 서로 다른

방향으로 밖에 구성을 하지 못한다는 점이다. 또한 첫 번째 단계와 두 번째 단계 모두 같은 시간

에 같은 전압이 인가되는 점도 특징이라 할 수 있겠다.

이와 같이 구성된 모듈 테스트 장치를 이용하여 테스트를 진행한 결과를 표 2.1.7에 나타내었

다.

원수 Pass정수시간

(min)전압 (V) 제거율 (%)

500 ppm

NaCl 수용액

12 1.5 79

3 1.5 70

22 1.5 87

3 1.5 84

표 2.1.7. 1, 2 pass 시스템 비교

500 ppm NaCl에서 모듈 테스트 결과 2 pass 시스템의 제거율이 매우 높게 나타나는 것을 확

인하였다. 이러한 결과로 보았을 때 2 pass 시스템이 성능 향상에 도움이 될 것으로 사료된다.

이러한 2 pass 시스템이 질산성 질소 및 인 제거율에 영향을 미치는지 확인하기 위하여 대전

하수처리장의 물에 NaCl을 첨가하여 TDS를 약 500 ppm으로 조절 한 후 테스트를 진행하여 정수

된 물을 받아 질산성 질소와 인 농도를 분석하여 그 결과를 표 2.1.8에 나타내었다.

농도 (ppm)

총 질소 총 인 TDS

원수 9.12 2.07 495

1 pass 0.42 0.21 95

2 pass 0.21 0.17 50

표 2.1.8. 1, 2 pass 시스템의 질소, 인 및 TDS 제거율 비교

샘플 테스트 결과 TDS 결과와 마찬가지로 질소 및 인 제거율도 2 pass 모듈이 높은 것을 확이

할 수 있었다. 이러한 결과로 보았을 때 2 pass 모듈이 추가적인 물탱크 및 펌프를 설치하지 않아

- 38 -

도 되는 장점을 가지고 있고 또한 이온 제거 성능도 높은 것을 확인할 수 있었다. 이러한 결과로

보았을 때 2 pass 시스템을 CDI 기술에 적용할 수 있을 것으로 사료된다.

사. 다양한 수질 및 염류에 대한 영향 연구.

실제 하폐수에는 다양한 이온들이 존재하며 특히 질소와 인은 필수적으로 제거해야할 이온들이

다. 본 연구를 통하여 실제 하폐수에 CDI 기술을 적용하기 위하여 실제 하수를 이용한 테스트를

진행하였다.

1) 유량에 따른 영향.

대전하수처리장 물을 이용하여 CDI 테스트를 진행하였다. 실제 하수처리장에서 처리되는 물을

이용하여 유량에 따른 영향을 관찰하였다. 그 결과를 그림 2.1.27.에 나타내었다. 대전 하수처리장

에서 가져온 물의 TDS는 300 ~ 350 ppm 정도였으며 질소 및 인의 농도는 각각 20 ~ 25 ppm,

2.0 ~ 3.0 ppm 정도였다.

99.793

87.4 83.885.7

70.960.5

51.4

0102030405060708090

100

10ml/min 20ml/min 30ml/min 40ml/min

유량에따른 제거율 (%)

T-N 제거율(%)

T-P 제거율(%)

그림 2.1.27. 유량에 따른 영향.

유량에 따른 영향을 관찰 한 결과 유량이 증가할수록 제거율이 낮아지는 것을 확인할 수 있었

다. 이러한 결과는 유량에 따른 TDS 변화와 유사한 구조이다. 그러나 그래프에서 볼 수 있듯이 유

량이 증가할수록 인 제거율의 감소폭이 더 큰 것을 확인할 수 있었다.

2) 공존이온에 따른 영향.

공존이온의 영향을 관찰하기 위하여 공존이온의 농도를 달리하였을 때 질소와 인 제거율의 변

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화를 관찰하였다. 그 결과를 그림 2.1.28.에 나타내었다.

그림 2.1.28. 공존이온에 따른 영향.

결과 그래프에서 볼 수 있듯이 공존 이온의 농도가 50 ~ 200 ppm 범위에서 변화 할 때 질소

제거율과 인 제거율은 변화가 거의 없는 것을 확인할 수 있었다. CDI 전극은 일정량의 축전용량

을 가지고 있기 때문에 수 천 ppm의 고농도에서는 적용이 어렵다 그렇기 때문에 200 ppm 이상

의 공존 이온이 존재하면 축전용량에 의한 영향으로 이온 제거율의 변화가 나타날 수 있기 때문

에 200 ppm 이하의 농도에서 테스트를 진행하였으며 그 결과 이 범위에서는 공존이온에 따른 영

향이 크지 않은 것을 확인하였다.

3) 원수 TDS에 따른 영향

원수 농도에 따른 영향을 관찰하기 위하여 TDS가 350 ~ 500 ppm 일 때 질소와 인 제거율을

측정하여 그 결과를 그림 2.1.29에 나타내었다.

- 40 -

그림 2.1.29. 원수 농도에 따른 영향.

결과에서 볼 수 있듯이 350 ~ 500 ppm 정도에서 TDS가 변화 하여도 질소 제거율과 인 제거

율은 크게 변화하지 않는 것을 확인할 수 있었다. 실제 하수 처리장에서 물을 채취하여 테스트를

진행하였을 때 TDS 범위가 300 ~ 350 ppm 정도 수준이었기 때문에 이러한 농도 범위에서는 질

소와 인 제거율 변화가 더 크지 않은 것으로 사료된다.

4) 하수 종류에 따른 영향.

실제 하수처리장에서는 여러 종류의 처리 공정을 가진다. 이러한 여러 종류의 처리 공정 중

CDI를 적용할 수 있는 부분을 확인하기 위하여 하수 처리 종류에 따른 영향을 관찰하였다. 그 결

과를 표 2.1.9에 나타내었다.

시료명유량

(ml/min)

CDI 처리 전 CDI 처리 후

TDS NH4-N NO3-N PO4-P TDS NH4-N NO3-N PO4-P

하수 원수 30 430 22.6 0.5 1.7 32 4.16 0.4 0.39

1차 침전수 30 423 30.4 0.6 4.17 50 5.46 0.1 1.49

폭기조 30 320 0.95 7.8 0.048 23 0.21 1.0 0.026

표 2.1.9. 하수 종류에 따른 영향

하수 원수, 1차 침전수 및 폭기조 처리수를 가지고 CDI 테스트를 진행하였다. 원수와 1차 침전

수는 처리전 이온의 농도가 유사하기 때문에 CDI 처리 성능에 차이가 크지 않은 것으로 사료된다.

그러나 폭기조 처리수는 이온의 농도가 낮기 때문에 제거율이 더 높게 나타난 것으로 사료된다.

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이러한 결과로 보았을 때 공존이온의 영향을 받지 않는 것과 같이 하수 종류에 따른 영향도 크지

않은 것을 알 수 있다.

아. 전극 수명 연장을 위한 운전공정 개선기술 연구

모든 제품에서 소비자들이 가장 중요하게 생각하는 인자로는 내구성을 들 수 있다. 이러한 내

구성을 향상시키고 안정된 운전을 위하여 안정한 전극 및 운전공정 기술을 연구하였다.

1) 가교기술 연구

CDI 전극에는 이온교환막 및 이온교환층이 존재하게 된다. 현재 사용하는 전극은 이온교환층을

사용하게 되는데 기존의 전극은 이온교환층이 가교화 되어있지 않아 스웰링이 쉽게 되며 오랜 시

간 운전하였을 때 이온교환층 표면이 내구성을 갖지 못한다. 전극의 내구성 향상을 위하여 이온교

환층의 가교화 연구를 진행하였다. 가교를 하지 않은 기존의 전극과 가교한 전극의 상태를 비교하

여 그림 2.1.30에 나타내었다.

그림 2.1.30. 가교전극과 기존 전극 상태 비교.

그림에서 보는 것과 같이 가교하지 않은 전극은 용매에 쉽게 용해되는 것을 확인할 수 있었으

며 가교한 전극과 막은 용매에서도 안정한 것을 확인하였다. 이러한 결과로 보았을 때 가교화 반

응을 통하여 제조되어지 이온교환막과 전극이 가교된 것을 명확히 확인할 수 있었다. 또한 이렇게

가교된 전극은 물속에서 오랜 시간 사용하여도 안정할 것으로 사료된다.

가교된 전극의 성능 변화를 확인하기 위하여 기존 전극과 가교전극으로 단위셀 테스트를 진행

하였다. 그 결과를 그림 2.1.31에 나타내었다. 250 ppm NaCl을 원수로 사용하였으며 유량은 30

ml/min으로 하여 테스트를 진행하였다.

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그림 2.1.31. 가교전극과 기존전극의 성능 비교.

단위셀 테스트 결과 가교전극의 성능이 기존 전극에 비하여 높게 나타난 것을 확인할 수 있었

다. 일반적으로 이온교환막에 친수성 작용기를 많이 생성되게 제조하면 막 저항과 이온교환용량은

증가하지만 친수성 작용기의 함량이 높아 물리적인 안정성을 갖지 못할 수 있다. 그러나 가교된

이온교환층을 제조함으로써 작용기의 함량을 증가시켜도 물리적 안정성을 갖기 때문에 같은 전극

을 제조하여도 가교된 이온교환층을 가지는 가교전극의 성능이 높게 나타나는 것으로 사료된다.

2) 온도에 의한 영향 연구

일반적으로 상용화된 이온교환막은 10 ~ 60 ℃ 정도에서 사용하게 된다. CDI 전극에도 이온교

환막과 같은 역할을 하는 이온교환층이 존재하기 때문에 온도에 의한 영향을 검토하였다. 경도

120 ppm, TDS 250 ppm의 원수를 60 ℃로 균일하게 조절하고 유량을 30 ml/min으로 하여 단위

셀 테스트를 진행하였다. 그 결과를 그림 2.1.32에 나타내었다.

그림 2.1.32. 60 ℃에서 안정성 테스트.

- 43 -

60 ℃의 원수로 12시간 정도 운전하였을 때부터 조금씩 성능이 감소하지만 구연산과 차아염소

산 나트륨 수용액을 가지고 세정 진행 후 다시 운전을 하였을 때 초기 성능이 회복되는 것을 확

인할 수 있었다. 이러한 결과로 보았을 때 60 ℃의 온도에서는 30시간 이상 운전하여도 성능에는

영향이 없는 것을 확인할 수 있었다.

3) 스케일에 의한 영향 연구

대부분의 수처리 장치를 운전할 때 가장 많은 문제를 일으키는 오염물질이 스케일 파울링이다.

그러므로 CDI 공정을 운전할 때 스케일 파울링이 미치는 영향을 관찰하기 위하여 경도 300 ppm,

TDS 450 ppm의 조제수를 제조하여 장시간 운전 테스트를 진행하였다. 이 때 약 24 시간에 한번

씩 구연산 수용액을 이용하여 내부에 발생한 스케일 파울링을 세정하였다. 그 결과를 그림 2.1.33

에 나타내었다.

그림 2.1.33. 경도가 높은 물에서 연속운전.

결과에서 볼 수 있듯이 경도가 높은 원수를 사용하여도 80일 동안 성능변화 없이 운전되는 것

을 확인하였다. 이러한 결과로 보았을 때 스케일 파울링이 전극 사이에서 유로를 형성하는 스페이

서에 형성되지만 구연산을 이용하여 이를 세정하면 모두 세정 되어 전극 성능에는 문제가 없는

것을 알 수 있다. 그러므로 CDI 장치를 적용할 때 주기적인 세정공정을 적용하면 장시간 운전할

때 스케일 파울링에 의한 영향은 거의 없을 것으로 사료된다.

4) 바이오 파울링에 의한 영향 연구

본 연구를 통하여 적용하고자 하는 하폐수에는 바이오 파울링을 발생 시키는 유기물질이 함유

되어 있다. 그러므로 CDI 기술을 적용하기 위해서 바이오 파울링에 의한 영향을 검토하였다. 대전

하수처리장에서 물을 채취해 장시간 단위셀을 운전하였을 때 압력변화를 관찰하여 그림 2.1.34에

나타내었다. 사용된 물의 TDS는 300 ppm이었으며 30 ml/min의 유량으로 테스트 하였다.

- 44 -

그림 2.1.34. 실제 하수 연속 운전시 압력 변화.

그래프에서 볼 수 있듯이 운전 시간이 증가할수록 셀의 압력이 증가하는 것을 확인할 수 있었

다. 이러한 압력변화가 나타나는 원인은 셀 내부에서 유로를 형성하는 스페이서에 파울링이 발생

하기 때문으로 사료된다. 이렇게 압력이 증가한 단위셀을 해체하여 스페이서의 상태를 관찰하였

다. 스페이서의 사진과 현미경 사진을 그림 2.1.35에 나타내었다.

그림 2.1.35. 바이오 파울링 발생 사진.

압력이 증가한 단위셀을 해체하여 스페이서를 살펴본 결과 눈으로 보았을 때 옇은 노란 색을

띄며 쉽게 제거되지 않는 물질이 스페이서 바깥쪽 부분에 형성이 된 것을 확인하였다. 이 부분을

현미경을 이용하여 확대 검토한 결과 사진에서 보는 것과 같은 바이오 파울링이 형성된 것을 확

인할 수 있었다. 이러한 결과로 보았을 때 하수처리장의 물에는 유기물이 포함되어 있어 CDI 적

용 시에 바이오 파울링이 발생하는 것을 확인할 수 있었고 바이오 파울링을 제거할 수 있는 세정

운전 또한 필요한 것을 알 수 있었다.

일반적으로 바이오 파울링은 염산 또는 차아염소산 나트륨으로 제거할 수 있다. 그러나 염산은

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취급이 어렵고 위험한 문제가 있어 차아염소산 나트륨을 이용한 세정 방법을 연구하였다. 일반적

으로 차아염소산 나트륨을 이용하여 바이올 파울링 등을 제거할 때 100 ~ 500 ppm 정도의 농도

를 사용하는 것으로 알려져 있으나 농도가 높을수록 세정 속도가 빠를 수 있기 때문에 고농도에

서의 영향을 검토하였다. 그 결과를 그림 2.1.36에 나타내었다.

그림 2.1.36. 차아염소산나트륨 농도에 따른 영향.

결과에서 보는 것과 같이 50,000 ppm의 고농도의 차아염소산 나트륨에 전극을 침지시켰을 때

전극이 손상되어 녹아나는 것을 확인할 수 있었다. 그러나 10,000 ppm의 농도에서는 8 시간동안

침지시킨 후 면봉을 이용하여 표면을 긁어본 결과 크게 변화가 없는 것을 확인할 수 있었다. 이러

한 결과로 보았을 때 세정 운전 시 차아염소산 나트륨의 농도를 10,000 ppm 이하로 하는 것이

적합 한 것을 확인할 수 있었다.

바이오 파울링에 의하여 압력이 증가한 단위셀을 200 ppm 차아염소산 나트륨 수용액을 제조

하여 30분 동안 순환시켜 세정 한 후 다시 단위셀 테스트를 진행하여 세정 여부를 확인하였다. 오

염전의 단위셀 성능과 세정 후 성능을 비교하여 그림 2.1.37에 나타내었다.

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그림 2.1.37. 차아염소산나트륨 세정 후 성능 회복.

단위셀 테스트 결과를 관찰한 결과 200 ppm 차아염소산나트륨 수용액으로 세정하면 성능이

완벽하게 회복되는 것을 확인할 수 있었다. 이러한 결과로 보았을 때 200 ppm의 차아염소산나트

륨 수용액으로도 세정이 잘 이루어지는 것으로 사료된다. 실제 세정이 완벽히 이루어 졌는지 확인

하기 위하여 세정된 단위셀을 해체하여 스페이서를 관찰하였다. 그 결과를 그림 2.1.38에 나타내

었다.

그림 2.1.38. 차아염소산나트륨 세정 후 스페이서 상태.

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사진에서 볼 수 있듯이 차아염소산나트륨 세정 후 스페이서에 형성되었던 바이오 파울링이 모

두 제거된 것을 확인할 수 있었다. 단위셀 테스트 결과와 세정 후 스페이서 사진을 관찰해 보았을

때 바이오 파울링 세정을 위하여 차아염소산나트륨 세정운전을 하면 장시간 운전을 하는 것에 문

제가 없을 것으로 사료된다.

5) 원수 pH에 의한 영향 연구

물의 온도 및 파울링 물질과 마찬가지로 전극에 스트레스를 가할 수 있는 인자로는 pH가 있다.

그러므로 처리하고자 하는 물의 pH를 다르게 하여 이온제거율에 영향을 미치는지 검토하였다.

pH가 3 이하이거나 11 이상일 때는 H+와 OH- 이온의 농도가 높아 TDS에 영향을 미쳐 분석이

어려우며 또한 상용화된 이온교환막 들이 일반적으로 강산, 강염기에서는 사용이 어렵기 때문에

pH 4 ~ 10 범위에서 영향을 관찰하였다. 그 결과를 그림 2.1.39에 나타내었다.

그림 2.1.39. 원수 pH에 의한 영향.

원수의 pH를 4 ~ 10으로 다르게 하여 단위셀 테스트를 진행하였을 때 제거율 변화는 전혀 없

었다. 이러한 결과로 보았을 때 원수의 pH는 이온제거율에 영향을 미치지 않는 것으로 사료된다.

자. 에너지 회수기술 연구

CDI 기술은 양극과 음극에 전기에너지를 인가하여 이온을 흡착시키며 충전하고 충전된 전기에

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너지를 방전 시키면서 이온을 탈착시키는 원리로 운전된다. 그러므로 방전되는 전기에너지를 이용

할 수 있다. 기존의 CDI 공정에서는 전극이 재생하며 방전되는 전기에너지를 이요하지 못하였다.

에너지 회수기술을 개발하여 재생공정에서 버려지는 에너지를 이용하여 에너지 효율을 증가시키

고자 하였다.

1) 컨트롤 기판 개발

CDI 기술은 전기화학반응이 일어나지 않는 1.0 ~ 2.0 V 범위에서 운전되는 것이 일반적이다.

그러나 공장이나 가정 등에는 일반적으로 220 V의 AC 전압을 사용하고 있다. 이러한 전압을 컨트

롤하기 적당한 전압으로 조절해 주는 기판이 컨트롤 기판이다. 에너지 회수 시스템에 적용하기 적

합한 컨트롤 기판을 개발하였으며 기판의 사진을 그림 2.1.40에 나타내었다.

그림 2.1.40. 에너지회수용 컨트롤

기판.

2) 파워 기판 개발

실제 모듈에 1.0 ~ 2.0 V의 전압을 인가하고 충전과 방전을 조절하는 기판이 파워 기판이다.

기존의 파워 기판은 모듈간의 에너지 교류가 없었기 때문에 연결될 필요가 없으며 순간 전압도

높지 않아도 되었다. 그러나 에너지 전달을 하기 위해서는 두 개 이상의 모듈이 상호 연결되어 있

어야 한다 이러한 문제를 해결하기 위하여 에너지 회수용 파워 기판을 개발하였다. 개발되어진 에

너지 회수 기판을 그림 2.1.41에 나타내었다.

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그림 2.1.41. 에너지회수용 파워 기판.

두 개 이상의 모듈이 상호 연결되어 있기 때문에 장치 내부에서 순간 전압이 높을 때 이상이

발생하지 않도록 3.2 V 까지 운영되도록 조절하였으며 충전된 모듈이 방전될 때의 에너지를 200

A 릴레이를 통하여 충전을 시작하는 모듈에 전달할 수 있도록 개발하였다.

4) 에너지 회수 시스템 제작

제조되어진 에너지 회수 기판과 설계 도면을 바탕으로 테스트 장치를 구성하였다. 에너지 회수

시스템 테스트용 장치에 기판이 설치된 사진을 그림 2.1.42에 나타내었다.

그림 2.1.42. 에너지회수용 기판 장착 사진.

에너지 회수 테스트 장치에 모듈이 설치된 부분과 릴레이가 설치된 부분의 사진을 그림 2.1.43

- 50 -

에 나타내었다. 5 LPM용 모듈을 두 개 사용하였으며 전류 흐름을 측정하기 위하여 릴레이를 장치

외부에 설치하였다. 장치 사진의 오른 쪽에는 에너지 회수의 개념도를 나타내었다. 개념도는 모듈

에서 다른 모듈로 에너지가 전달되는 것을 보여준다.

그림 2.1.43. 에너지회수 테스트 장치 (좌) 및 개념도 (우).

에너지 회수 시스템은 하나의 모듈이 충전되었다가 방전되는 에너지를 충전을 시작하는 다른

모듈에 전달하는 간단한 원리로 운영되지만 각각의 모듈에 추가로 인가되어지는 전기에너지가 있

기 때문에 개념도와 같이 복잡한 구조를 갖는다. 방전되는 모든 에너지를 사용할 수 없기 때문에

모자른 에너지를 추가적으로 공급해 주어야 하기 때문이다.

5) 에너지 회수율 테스트

제작되어진 에너지 회수 테스트 장치를 이용하여 에너지 회수 테스트를 진행하였다. 그림

2.1.44는 400 ppm NaCl을 원수로 하였을 때 장치에 흐르는 전류를 측정한 그래프이다. 전류를 측

정하여 에너지 회수 정도를 측정하기 위하여 10차례 재현 테스트를 진행하였다.

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그림 2.1.44. 에너지회수 테스트 장치 재현 테스트.

10차례에 걸쳐 재현 테스트를 진행한 결과 그래프에서 보는 바와 같이 거의 일정한 결과를 얻

을 수 있었다. 이러한 결과로 보았을 때 장치에 흐르는 전류를 측정하여 에너지 회수율을 측정할

수 있을 것으로 사료된다.

전류를 측정하는 방법으로 기존의 장치와 에너지 회수 장치의 에너지 소비율을 비교하였다. 그

결과를 그림 2.1.45에 나타내었다.

그림 2.1.45. 기존 장치와 에너지회수 장치 비교.

결과에서 볼 수 있듯이 에너지 회수 시스템이 적용된 장치에서 흐르는 전류량이 현저히 낮은

것을 알 수 있다. 결과에서 볼 수 있듯이 에너지 회수 시스템을 운영하였을 때 기존의 장치에 비

하여 전류량이 작게 흐르고 그 차이만큼의 에너지가 회수되는 것을 확인하였다.

방전되는 에너지의 양의 충전되는 양에 영향을 받을 것으로 예상되기 때문에 원수 농도를 다르

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게 하여 장치에 흐르는 전류를 측정하여 원수의 농도에 따른 예너지 회수율을 관찰하였다. 그 결

과를 그림 2.1.46에 나타내었다.

그림 2.1.46. 농도에 따른 에너지 회수율.

원수 농도에 따른 에너지 회수율을 측정한 결과 원수 농도가 증가할수록 에너지 회수율이 증가

하는 것을 확인할 수 있었다. 100 ~ 1500 ppm의 원수를 처리할 때 22 ~ 35 %의 에너지 회수율

을 보였다. 그리고 두 개의 모듈이 거의 유사한 에너지 회수율을 보이는 것을 확인할 수 있었다.

이러한 결과로 보았을 때 방전되는 에너지를 최대 35% 까지 회수하여 재이용 할 수 있는 것을

확인할 수 있었다.

6) 에너지 소비량 비교

CDI 기술은 이온이 제거되는 만큼의 에너지를 사용하는 기술이다. 그러므로 다른 탈염기술에

비하여 에너지를 적게 사용하는 장점이 있다. 또한 에너지 회수 시스템을 이용하여 방전되는 에너

지까지 회수할 수 있기 때문에 에너지 소모량 관점에서만 보았을 때는 가장 효과적인 탈염기술이

라 하여도 과언이 아니다. 표 2.1.10에 CDI와 RO의 에너지 소모량을 비교하여 나타내었다.

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CDI RO

소비전력/톤

0.63 kWh/톤

§ 모듈 소비전력 : 0.3 kWh/톤

§ PSU 소비전력 : 0.3 kWh/톤

§ 산업용 펌프 소비전력 :0.03

kWh/톤

1.2 kWh/톤

§ 산업용 RO의 소비전력

§ 해수 25 kWh/톤

§ 담수 1.2 kWh/톤

용수 회수율 >90% 50 ~ 70%

에너지 절감 절감효율 47.5%

표 2.1.10. CDI와 RO 기술의 에너지 소모량 비교

사진에서 볼 수 있듯이 CDI 기술은 기존의 RO 기술에 비하여 약 50%에 근사한 정도로 에너지

를 절감할 수 있으며 또한 용수 회수율도 높아 에너지 소모량 차이가 그 이상으로 크다 할 수 있

다.

차. 질산성질소 선택성 전극 개발 연구

하폐수 처리에 있어 기본적으로 제거해야 하는 이온이 질산성질소 이다. 본 연구를 통하여 세

부1기관과 협력하여 질산성질소 선택성 전극 개발 연구를 진행하였다. 세부1기관에서 질산성질소

선택성 이온교환수지 (A-62 MP, Thermax Co.)를 볼밀을 이용하여 분쇄한 후 탄소전극에 코팅하여

질소선택성 테스트를 진행하여 질소 선택성을 갖는 것을 확인하였다. 그러나 볼밀로 수지를 분쇄

하였을 때 입자 크기가 크기 때문에 코팅이 어렵고 분급을 하기도 어려웠다. 그러므로 이러한 정

보를 바탕으로 주관기관은 질산성질소 선택성 이온교환 수지를 더욱 작고 균일하게 분쇄하고 분

급할 수 있는 방법을 검토하였으며 이를 이용한 질산성질소 선택성 전극을 연구하였다.

1) 질산성질소 선택성 수지 분쇄

일반적으로 이온교환수지는 경도가 크기 때문에 분쇄 및 분급이 쉽지 않다. 질산성질소 선택성

이온교환수지도 다른 이온교환 수지와 마찬가지로 분쇄가 쉽지 않았다. 볼밀을 이용하여 분쇄를

할 수 있었으나 2주 이상의 긴 시간동안 분쇄를 하여도 50 μm 이하로 분쇄하기가 어려웠다. 기타

액체질소를 이용한 스핀크러셔 등의 분쇄 장치도 원하고자 하는 작은 크기로 분쇄 및 분급은 어

려웠으며 습식 분쇄는 적용이 어려울 것으로 판단되어 에어제트밀 (Netzsch Co.)을 검토하였다.

질산성질소 선택성 이온교환수지 분쇄에 사용된 에어제트밀을 그림 2.1.47에 나타내었다.

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그림 2.1.47. 에어제트밀 (좌) 및 에어제트밀을 이용하여 분쇄한 이온교환수지.

에어제트밀은 건식 분쇄 방법으로 고압의 공기를 이용해 분쇄하고자 하는 이온교환 수지가 서

로 부딪혀 그 충격으로 분쇄가 이루어지며 분쇄 챔버 안에 있는 팬의 회전수에 의해 분급할 수

있었다. 에어제트밀을 이용하여 분쇄한 질산성질소 선택성 수지 분말을 얻었다. 이렇게 얻어진 수

지 분말의 입자 크기를 분석하기 위하여 SEM 사진을 촬영하였다. 그 결과를 그림 2.1.48에 나타내

었다.

그림 2.1.48. 분쇄된 질산성질소 선택성 수지의 SEM 사진.

왼쪽의 SEM 사진을 보았을 때 입자 크기가 균일하게 분포하는 것으로 사료되며 오른쪽의 확대

한 사진을 보았을 때 가장 큰 입자 크기가 약 5 μm 정도 인 것으로 사료된다. 이러한 결과로 보

았을 때 원하고자하는 작고 균일한 수지 분말을 얻을 수 있는 것으로 사료된다. 보다 정확한 입도

분석을 하고 적용 가능성을 검토하기 위하여 입도분석장치를 이용하여 분쇄되어진 질산성질소 선

택성 이온교환수지의 입도를 분석하였다. 그 결과를 그림 2.1.49에 나타내었다.

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그림 2.1.49. 분쇄된 질산성질소 선택성 수지의 입도 분석 결과.

분석 결과 평균 입도는 1.0 μm로 분석되었으며 가장 큰 입자도 5 μm 이하인 것으로 확인되었

다. SEM 분석 결과와 입도 분석 장치를 이용한 입도 분석 결과로 보았을 때 전체적으로 균일하며

5 μm이하의 분말을 얻을 수 있는 것을 확인하였다.

2) 분쇄된 질산성질소 선택성 수지를 이용한 전극 제조

질산성질소 선택성 전극을 제조하기 위하여 분쇄된 질산성질소 선택성 수지를 이용하여 슬러리

를 제조한 후 탄소전극위에 코팅하였다. 이렇게 제조되어진 질산성질소 선택성 전극을 그림 2.1.50

에 나타내었다.

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그림 2.1.50. 질산성질소

선택성 수지 코팅 전극.

사진에서 보는 것과 같이 아이보리 색의 질산성질소 선택성 수지가 탄소층 위에 코팅 되어 있

는 모습을 확인할 수 있다. 코팅층의 두께는 평균적으로 50 μm 정도였으며 코팅 방법에 따라 코

팅 두께를 조절할 수 있다. 이렇게 제조되어진 질산성질소 선택성 전극을 이용하여 단위셀 테스트

를 진행하였다. 그 결과를 그림 2.1.51에 나타내었다. 250 ppm NaCl 수용액을 원수로 사용하였으

며 유량은 30 ml/min으로 테스트 하였다.

그림 2.1.51. 기존전극과 질소선택성 전극 성능 비교.

질산성 질소 선택성 전극은 기존의 전극과 탈염성능은 차이가 없었다. 이러한 결과로 보았을

때 질산성질소 선택성 수지 분말을 적용하여도 문제가 없을 것으로 기대 되었다. 제조되어진 질산

성질소 선택성 전극이 질소 선택성을 갖는지 판단하기 위하여 정수시간동안 정수된 물을 샘플링

하여 염소와 질소 농도를 측정하여 표 2.1.11에 나타내었다.

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정수 후 Cl- 농도

(mg/L)

정수 후 NO3- 농도

(mg/L) 질소 제거율 (%)

원수 121 73

기존 전극 13 9 88

질소선택성 전극 16 6 92

표 2.1.11. 질소선택성 전극과 기존 전극 비교

단위셀 테스트를 통하여 정수된 물을 샘플링하여 음이온의 농도를 분석한 결과 질소 선택성 전

극을 사용했을 때 질산성질소 이온이 더 많이 제거된 것을 확인할 수 있었다. 탈염성능은 기존의

전극과 같은 성능을 보였으나 질소선택성 전극을 음극으로 사용하였을 때 질산성질소 이온이 더

많이 흡착된 것을 보았을 때 제조되어진 질소선택성 전극이 명확히 질산성질소 선택성을 갖는 것

을 확인하였다.

타. 시제품 제작 (10톤/일)

연구개발 되어진 기술을 토대로 하여 실제 하폐수 처리에 적용할 수 있는 시제품을 제작하였

다. 장치의 크기는 목표로 한 것처럼 하루 10톤을 처리할 수 있도록 제작되었으며 현장 테스트를

목적으로 하였다.

1) 시제품 제작

제작된 시제품은 구조 설계 후 기본적인 구조를 갖춘 후 기판등을 설치한 컨트롤 부와 화면등

을 구성하였으며 모듈과 배관을 연결하여 완성하였다. 이렇게 제작되어진 시제품을 그림 2.1.52에

나타내었다.

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그림 2.1.52. 10톤/일 시제품 제작.

위의 사진은 주관기업 공장에서 시제품을 제작한 사진이다. 제품 완성 후 운전테스트를 진행하

였다.

2) 현장 설치 및 운전

제작되어진 시제품의 현장테스트를 위하여 대전 하수처리장에 설치하였다. 그림 2.1.53에 제작

되어진 시제품을 대전하수처리장에 설치한 사진을 나타내었다. 장치가 빗물이나 먼지 등에 의한

오염을 막기 위하여 컨테이너 박스 내부에 설치 하였다.

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그림 2.1.53. 대전하수처리장 장치 설치.

제작되어진 시제품은 2013년 3월 마지막 주부터 계속해서 연속적으로 운전되고 있다. 표

2.1.12에 현재 현장 테스트를 진행중인 하수의 농도와 장치로 처리하였을 때의 농도를 나타내었다.

원수 농도 (ppm) 처리수 농도 (ppm)

T-N 20 ~ 25 3 ~ 4

T-P 0.2 ~ 0.3 0.1 ~ 0.12

TDS 280 ~ 350 55 ~ 65

표 2.1.12. 시제품 현장 평가 (원수 및 처리수 농도)

대전 하수처리장 에 적용한 원수의 농도는 지금까지 연구 되었던 농도 범위와 같기 때문에 현

장적용에 문제가 없을 것으로 사료된다. 장치를 운전하여 정수처리 하였을 때 원하는 제거율을 보

이는 것을 확인하였다. 그림 2.1.54에 시제품을 현장적용 테스트 한 데이터를 나타내었다.

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그림 2.1.54. 시제품 현장 테스트.

현재까지 약 12주 이상 연속 운전 되고 있으며 80% 이상의 제거율을 보이고 있다. 회수율은

약 90%로 운전되고 있다. 이러한 결과로 보았을 때 제작되어진 시제품이 현장 평가에서 목표로

했던 성능을 보이고 있으며 이러한 결과로 보았을 때 CDI 기술이 하폐수 처리에 적용 가능할 것

으로 사료된다.

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제2절 연구개발 결과 요약

본 연구개발을 통하여 CDI의 공업용수, 하수의 재이용에 적용가능성을 확인할 수 있었다. 공업

용수 및 하수의 재이용에 CDI 기술을 연구하기 위한 연구를 진행하면서 이에 적합한 CDI 장치의

운전 방법 및 시스템을 연구하게 되어 CDI 기술의 최적 효율을 발휘할 수 있는 단계전압 운전방

법 개발하게 되었으며 또한 Duplex system으로 CDI 장치를 운전함으로써 연속적인 수처리를 할

수 있었다. 또한 Duplex system에서 발생하는 솔레노이드 벨브의 동작 지연시간의 문제를 확인하

여 장치에 적합한 시스템 구성하여 가장 업그레이드 된 CDI 장치를 제작 할 수 있었다. 이를 통하

여 공업용수 및 하수의 재이용 산업에 적용 가능성을 다시 한 번 확인할 수 있었으며 현재 기술

의 부족한 부분을 명확히 이해하고 목표를 달성하기 위해 연구해야할 부분을 충분이 이해할 수

있었다.

하폐수 처리에 적합한 적용기술을 개발하기 위하여 직렬구조 모듈과 2 pass 시스템을 연구하였

다. CDI를 직렬구조로 구성하여도 성능 변화는 없었으며 인가전압은 높이고 흐르는 전류는 낮출

수 있어 실제 장치에 적용할 경우 비용을 낮추고 안정성을 높일 것으로 사료된다. 또한 2 pass 시

스템을 사용함으로써 고농도에서의 적용가능성을 보였으며 기존의 1 pass에 비하여 제거율이 높

게 나타났다.

다양한 수질에서의 영향을 관찰하였다. CDI의 이온 제거율은 낮은 농도 범위에서 하폐수에 포

함되어 있는 공존이온의 영향을 거의 받지 않았으며 하수의 종류에도 크게 영향을 받지 않았다.

이러한 결과로 보았을 때 CDI 장치를 하폐수 어디서든 적용이 가능할 것으로 사료된다.

장치의 내구성을 향상시키기 위한 연구를 진행하였다. 우선적으로 전극을 가교화 하여 전극 자

체의 성능과 내구성을 향상시켰으며 하폐수에 포함된 스케일 파울링과 바이오 울링에 의한 문제

발생을 구연산 수용액과 차아염소산나트륨 수용액을 이용한 주기적인 세정으로 억제 할수 있었다.

이와같이 주기 적인 세정시스템을 적용하여 오랜시간 안정한 운전을 할 수 있었다.

에너지 회수 시스템 설계, 기판 제작 및 장치 제작을 통하여 에너지 회수 시스템을 개발하였다.

에너지 회수율은 처리하고자 하는 원수의 농도가 높을수록 증가하였다. 이와 같은 에너지 회수 시

스템을 적용하여 최대 35%까지 에너지를 회수할 수 있었다.

연구개발되어진 기술들을 이용하여 10톤/일 규모의 시제품을 제작하였다. 제작되어진 시제품을

2013년 3월에 대전 하수처리장에 설치하여 연속운전을 진행하고 있다. 대전 하수처리장 조건으로

하여 회수율을 90%로 운전하여 80% 이상의 제거율을 보이며 목표로 하였던 제거율을 만족하였

다. 이러한 결과로 보았을 때 CDI 기술을 하폐수 처리에 적용할 수 있을 것으로 사료된다.

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제 3 장 목표 달성도 및 관련분야 기여도제1절 연도별 연구개발목표의 달성도

연구개발의 목표 연구개발의 내용달성도

(%)

1 차년도

하폐수 처리에 적합한 축전식

탈염전극 및 모듈화 기술 개발

하폐수 처리를 위한 탈염전극 기술 개발 100

모듈의 생산기술 개발 100

특정이온 선택성 바인더 생산기

술 개발

특정이온선택성 바인더 합성기술 개발 100

특정이온 선택성 바인더 생산기술 개발 100

하폐수 처리를 위한 시스템 설

계기술 개발

시스템 설계 및 제작기술 개발 100

제어기술 및 운전 최적화기술 개발 100

2 차년도

하폐수 처리를 위한 축전식 탈

염전극 적용기술 개발

하폐수 처리 시스템 설계/제작 기술 개발 100

장치의 종합적인 운영을 위한 제어기술 개발 100

Pilot scale 실험 장치를 통한

성능평가 및 운전조건 도출

수질 기준에 맞는 운전기술 개발 100

장치운전의 최적화기술 개발 100

다양한 수질 및 염류에 대한 공

정 성능 평가

처리유속에 따른 성능평가 100

염류의 농도에 따른 안정성평가 100

pH조건에 따른 안정성평가 100

가혹한 환경에서 전극 내구성 평가 100

장기 연속운전에 따른 특성평가 100

에너지회수기술 개발 및 전극

수명 연장을 위한 운전공정 개

선기술 개발

재생시 전극에 저장된 에너지의 회수를 통한

에너지 절감기술 개발100

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번호 세부연구목표 달성내용 달성도 (%)

1 회수율 : >90% 90% 100

2 총질소 : <20 ppm 4 ppm 100

3 총인: <0.2 ppm 0.12 ppm 100

4 에너지 절감율 : >30% 47.5%(RO대비) 100

5 시제품 제작 (10톤/일) 시제품 제작, 현장평가 100

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제2절 관련분야의 기술발전 기여도(환경적 성과 포함)1. 하폐수에 적용 가능한 CDI 기술 개발

CDI 기술은 새로운 탈염방법을 제시한 기술로 최근 많은 관심을 받고 있다. 그러나 현재까지

상용화에 성공한 기업이 많지 않은 실정이다. 이번 연구 개발을 통하여 CDI 기술이 하폐수 처리

에 적용 가능성을 확인하였다.

2. 새로운 CDI 시스템 개발기술 개발을 통하여 직렬구조, 2 pass 시스템 및 에너지회수 시스템과 같은 새로운 구조의 CDI

기술을 검토하였다. 이러한 기술들은 CDI 기술에서 가장 진보된 기술로서 하폐수 처리와 같은 실

제 현장에서의 적용 가능성을 높여줄 것이다.

3. 질산성질소 선택성 전극 개발질산성질소 선택성 이온교환수지를 아주 작고 균일하게 분쇄하는 기술을 습득하여 이를 이용한

질산성질소 선택성 전극을 제조할 수 있었다. 지금까지의 CDI 기술은 모든 이온을 구분 없이 제

거하는 반면에 질소 선택성 전극은 질소이온을 일정부분 선택적으로 제거할 수 있었다. 이러한 결

과는 CDI 기술이 계속해서 발전해 가고 있음을 보여주는 결과이다.

4. 에너지회수 시스템 개발물은 생물이 살아가는데 필수적인 요소이다. 이러한 필수 요소를 사용하기 위해서 탈염기술은

꼭 필요한 기술이라 할수 있다. 그러나 에너지 소비가 많은 이슈가 되고 있는 시대에 에너지 소모

량을 고려하지 않을 수 없다. 그중 CDI 기술과 같이 에너지 소모량을 최소화 하는 기술은 관심을

받을 만 하다. 여기에 더 발전하여 탈염에 사용된 에너지를 회수하여 다시 활용한다는 점에서 에

너지 회수 시스템 개발은 무엇보다 획기적인 결과물이라 할 수 있다.

5. 환경 친화적 기술 지금까지 나열한 것처럼 CDI 기술은 다른 탈염기술에 비하여 몇 가지 장점을 가지고 있다. 그

중에서 에너지 소모량이 적으며 회수율이 높아 버리는 물의 양이 적다는 장점을 크게 뽑을 만 하

다. 여기에 기술개발이 더해져 에너지 회수 기술을 적용하였으며 또한 회수율을 90%로 적용하여

버려지는 물의 양을 최소화 하였다.

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제 4 장 연구개발결과의 활용계획 등제1절 연구개발 결과의 활용계획

본 연구를 통하여 새로운 탈염기술로 관심을 받고 있는 CDI 기술의 하폐수 적용 가능성을 확

인할 수 있었음.

하폐수 처리시 많은 양의 물을 방류하거나 또는 재활용 하는 방법을 사용하고 있음. 일상생활

및 산업용으로 많은 양의 물을 사용하기 때문에 처리하여야 하는 물의 양이 매우 많음 그렇기 때

문에 탈염기술에 있어 에너지 소모량은 매우 중요한 인자가 아닐 수 없음. 본 연구를 통하여 CDI

기술에 에너지 회수 기술 및 시스템 기술이 개발되어져 하수처리장에 적용 테스트를 수행하였음

실제 산업용 적용을 위하여 더 자세한 검증과 안정성 및 내구성에 대한 검토를 추가적으로 진

행 한 후 산업용 하폐수 처리에 적용하고자 함.

제2절 연구개발과정에서 수집한 해외 과학기술정보현재까지 CDI를 하폐수 처리에 적용한 사례는 발견되지 않음

제3절 연구개발결과의 보안등급<특별한 의견 없음>

제4절 NTIS에 등록한 연구시설·장비현황<해당사항 없음>

- 66 -

제 5 장 참고문헌

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(2004) 38-43

- 68 -

부 록(기타 부록, 지침서, 매뉴얼, 안내서, 핸드북 등)

외부 공개 세미나

일시 : 2013년 5월13일 오후 4시

장소 : 대전 IT 벤쳐타운

자문위원

한국 화학연구원 김광제 박사

상명대학교 박진수 교수

플러스특허 권오식 변리사

참석자

주관 : ㈜ 시온텍

강경석 대표이사

김태일 전무이사

박남수 선임연구원

김미양 선임연구원

신선아 연구원

세부 1 : 공주대학교

최재환 교수

여진희 연구원

상명대학교

강문성 교수

이동준 연구원

세부 2 : 서울대학교

윤제용 교수

김태영 연구원

- 69 -

사업명 환경융합신기술개발사업 과제번호 223-111-004

과제명 하폐수중 영양염류의 선택적 제거용 축전식 전극모듈 기술 및 처리공정 개발

기술단계 원천

최종성과 기술 하폐수용 CDI 장치 참여기업

연구기관명 ㈜ 시온텍 연구책임자 김 태 일 총 연구기간 2011.10.01. ~ 2013.05.31

성과활용 담당자(*) 성과활용 책임자 성과활용 실무자

성 명 김 태 일 손 원 근

소속기관/직위 ㈜ 시온텍/전무이사 ㈜ 시온텍/연구소장

이메일 tikim@siontech.com wkson@siontech.com

연락처 010-2895-5434 010-5582-5970

환경기술개발사업 운영규정 제31조제2항에 의하여 성과활용계획서를 제출합니다.

2013 년 6월 27일

주관연구기관명 : ㈜ 시온텍

주관연구기관장 : 강 경 석 (직인)

한국환경산업기술원장 귀하

편집순서 8. 성과활용 계획서

한글 입력

성과활용 계획서

- 70 -

구 분목표치 실적치

3년이내 5년이내

1. 경제사회적 성과

(4)고용창출 성과 (명) (명) (명)

(5)비용절감 효과(건) (건) (건)

(백만원) (백만원) (백만원)

(6)기술이전(실시계약 체결)(건) (건) (건)

(백만원) (백만원) (백만원)

(7)매출(공사수주/제품판매)

국내(건) (건) (건)

(백만원) (백만원) (백만원)

국외(건) (건) (건)

(백만원) (백만원) (백만원)

2. 과학기술적 성과

(9)지식재산권

특허출원 6(건) (건) 6(건)

등록 (건) (건) 4(건)

실용신안출원 (건) (건) (건)

등록 (건) (건) (건)

의장출원 (건) (건) (건)

등록 (건) (건) (건)

기타출원 (건) (건) (건)

등록 (건) (건) (건)

(10)인증 (건) (건) (건)

(11)학술지 게재SCI(E)학술지 (건) (건) (건)

일반학술지 1(건) (건) 1(건)

(12)국내외 학술회의 발표 (건) (건) (건)

한글 입력

□ 연구성과 목표치

- 71 -

구 분목표치 실적치

3년이내 5년이내

3. 국제협력 성과

(13)기술무역 성과(건) (건) (건)

(백만원) (백만원) (백만원)

(14)인력교류 성과외국연구자유치 (명) (명) (명)

해외파견 (명) (명) (명)

(15)국제협력 기반

MOU체결 (건) (건) (건)

수요조사 (건) (건) (건)

공동연구 (건) (건) (건)

(16)국제학술회의 개최 (건) (건) (건)

4. 인력 활용/양성 성과

(17)인력지원

학사 (명) (명) (명)

석사 (명) (명) (명)

박사 (명) (명) (명)

기타 (명) (명) (명)

(18)장단기연수 지원장기 (명) (명) (명)

단기 (명) (명) (명)

(19)산업기술인력양성 성과 (명) (명) (명)

5. 공공적 성과

(20)법·정책·지침 활용 성과 (건) (건) (건)

(21)기타 공공성과 (건) (건) (건)

(22)산업지원 성과 (건) (건) (건)

6. 환경적 성과 (23)환경적 성과 (건) (건) (건)

1. 성과활용 개요

◦ 최종목표

- 본 연구과제는 "하․폐수중 영양염류(질산성질소 및 인 화합물)를 선택적으로 제거할 수

있는 축전식 탈염전극 및 모듈을 개발하고, 이들을 이용하여 하․폐수를 처리할 수 있는

공정 기술의 개발"로서 하․폐수처리를 위한 대용량의 축전식 탈염전극 모듈 및 시스템을

상용화하는 것을 목표로 함.

◦ 개발내용 및 결과

w 공업용수 및 하수의 재이용을 위한 CDI 기술의 적용 가능성을 확인 하기 위해 연구를 진행하

였으며, 전극제조기술, 모듈화기술, 운전기술 및 시스템기술을 연구하였고, 그 결과 CDI 기술의

최적 효율을 발휘할 수 있는 단계전압 운전방법 개발하였음. 또한 CDI 장치를 Duplex system

으로 운전하면 RO와 같이 연속적으로 수 처리를 할 수 있는 기술을 개발하였으며 이를 통하

여 공업용수 및 하수의 재이용 산업에 적용할 수 있는 시스템 기술을 개발하였음.

w 하폐 수중 질산성 질소의 처리는 1 Pass로 충분히 가능하였지만 인산염을 처리하기 위해서는

double pass 시스템을 연구하였음. 장치를 2번에 걸쳐 통과시키는 것 보다는 1개의 모듈에서

2번 통과되는 모듈을 개발하여 시스템의 적용기술을 개발하였으며, 그 결과 인산염 제거의 목

표를 달성할 수 있었으며 또한 고농도의 탈염기술에 적합한 기술임을 확인 할 수 있었음.

w 다양한 수질에서의 영향을 관찰하였으며 CDI의 이온 제거율은 낮은 농도 범위에서 하폐수에

포함되어 있는 공존이온의 영향을 받지 않는 것으로 보아 CDI 기술을 하폐수 적용이 가능할

것으로 사료됨.

w CDI 전극의 이온선택성 층의 가교화 연구를 통해 성능 및 내구성을 향상시켰으며 하폐수에 포

함된 스케일 및 바이오 Fouling에 의한 문제 발생을 구연산 수용액과 차아염소산나트륨 수용

액을 이용한 주기적인 세정으로 억제 기술을 개발하였음.

w 에너지 회수 시스템 설계, 기판 제작 및 장치 제작을 통하여 에너지 회수 시스템을 개발하였

음. 에너지 회수율은 처리하고자 하는 원수의 농도가 높을수록 증가하였으며 이와 같은 에너지

회수 시스템을 적용하여 최대 35%까지 에너지를 회수할 수 있었음.

w 연구개발 되어 진 기술들을 이용하여 10톤/일 규모의 시제품을 제작하였음. 제작되어진 시제품

을 2013년 3월에 대전 하수처리장에 설치하여 연속운전을 진행하고 있으며 대전 하수처리장

조건으로 하여 회수율을 90%로 운전하여 80% 이상의 제거율을 보이고 질소 및 인 제거도 목

표로 하였던 제거율을 만족하였음.

- 73 -

◦ 연구성과 활용계획

Ÿ 본 연구를 통하여 새로운 탈염기술로 관심을 받고 있는 CDI 기술의 하폐수 적용 가능성을 확

인할 수 있었음.

Ÿ 하폐수 처리시 많은 양의 물을 방류하거나 또는 재활용 하는 방법을 사용하고 있음. 일상생활

및 산업용으로 많은 양의 물을 사용하기 때문에 처리하여야 하는 물의 양이 매우 많음 그렇기

때문에 탈염기술에 있어 에너지 소모량은 매우 중요한 인자가 아닐 수 없음. 본 연구를 통하여

CDI 기술에 에너지 회수 기술 및 시스템 기술이 개발 되어져 하수처리장에 적용 테스트를 수

행할 수 있었음

Ÿ 실제 산업용 적용을 위하여 더 자세한 검증과 안정성 및 내구성에 대한 검토를 추가적으로 진

행 한 후 산업용 하폐수 처리에 적용하고자 함.

- 74 -

2. 경제사회적 성과달성 계획

◦ 사업화 추진 형태

항목 기존제품 개선 신제품 개발 기존공정 개선 신공정 개발

성과물 명칭

□ 사업화 추진계획

항 목 세부 항목 성 과

사업화 계획

사업화 소요기간(년)

소요예산(백만원)

예상 매출규모(억원)현재까지 3년이내 5년이내

시장 점유율

단위(%) 현재까지 3년이내 5년이내

국내

국외

향후 관련기술, 제품을 응용한 타 모델, 제품 개발계획

무역수지개선효과

(단위 : 억원) 현재 3년이내 5년이내

수입대체(내수)

수 출

□ 고용창출 계획

항 목 세부 항목성 과

현재까지 3년이내 5년이내

고용효과연구인력(명)

생산인력(명)

- 75 -

□ 비용절감 계획

항 목 세부 항목성 과

현재까지 3년이내 5년이내

비용절감 효과 총비용절감액(백만원)

□ 기술이전(실시계약 체결) 계획

항 목 세부 항목성 과

현재까지 3년이내 5년이내

기술이전 총계약액(백만원)

□ 매출 추진계획

(단위 : 백만원)

구분성 과

현재까지 3년이내 5년이내

공사수주

국내

수출

수입대체

소계

제품판매

국내

수출

수입대체

소계

- 76 -

2. 과학기술적 성과달성 계획

□ 지식재산권

항 목 세부 항목성 과

현재까지 3년이내 5년이내

특허출 원(건) 6

등 록(건) 4

□ 인증내역

항 목 세부 항목 성 과

인증

인증 종류

등 록(건)현재까지 3년이내 5년이내

□ 국내외 전문학술지(논문) 게재

항 목 세부 항목성 과

현재까지 3년이내 5년이내

논문SCI(E) 논문(건)

일반 논문(건) 1

- 77 -

□ 국내외 학술회의(세미나) 발표

항 목 세부 항목성 과

현재까지 3년이내 5년이내

학술회의 발표(건) 2

3. 국제협력 계획

□ 기술무역

항 목 세부 항목성 과

현재까지 3년이내 5년이내

기술무역 총계약액(백만원)

□ 인력교류

항 목 세부 항목성 과

현재까지 3년이내 5년이내

인력교류외국 연구자 유치(명)

해외 파견(명)

□ 국제협력 기반

항 목 세부 항목성 과

현재까지 3년이내 5년이내

국제협력

MOU 체결(건)

수요조사(건)

공동연구(건)

- 78 -

□ 국제학술회의 개최

항 목 세부 항목성 과

현재까지 3년이내 5년이내

국제학술회의 개최(건)

- 79 -

4. 인력활용․양성 계획

□ 과학기술인력 양성 및 활용

항 목 세부 항목성 과

현재까지 3년이내 5년이내

인력양성/활용

인력 지원(명)

박사

석사

학사

기타

장단기 연수 지원(명)

학술연수

기술연수

□ 산업기술인력 양성 계획

항 목 세부 항목성 과

현재까지 3년이내 5년이내

산업기술인력양성 프로그램

교육개최(건)

5. 공공적 성과달성 계획

□ 법․정책·지침 활용 계획

항 목 세부 항목성 과

현재까지 3년이내 5년이내

공공성과 계획

법 제정/개정(건)

정책 제안/채택(건)

지침 제안/반영(건)

- 80 -

□ 저작권, 책자 등 등록 계획

항 목 세부 항목 성 과

저작권 등 등록

등록/발간 종류

등 록(건)현재까지 3년이내 5년이내

□ 기타 공공성과달성 계획

항목 데이터베이스 매뉴얼 S/W 공공서비스...

성과물 명칭

□ 산업지원 계획

항 목 세부 항목성 과

현재까지 3년이내 5년이내

산업지원

기술지도(지원)(건)

기술이전(건)

기술평가(건)

- 81 -

6. 환경적 성과달성 계획

항 목 세부 항목 성 과

환경적 성과

환경부하 감소효과기후대기 : CO2 또는 온실가스 방출감소(연간톤규모)물환경 : R&D를 통한 수중방류물질 감량율자원순환 : R&D를 통한 폐기물 감량율

환경질 개선 효과기후대기 : 황 침전(deposition)의 변화량상하수도 : 국제요구사항을 만족하는 도시폐수규모(연간m3)자연보전 : 복원/관리된 서식지(면적km2, 우선서식지의수)

환경영향(사람 및 자연에

대한 영향)개선효과

환경보건 : 영아 혈중 납 농도 초과건수물환경 : 홍수 역효과로부터 보호된 인구 수자연보전 : 종 다양성

- 82 -

편집순서 9. 주의문

주 의

1. 이 보고서는 환경부에서 시행한 환경기술개발사업의 연구보고

서입니다.

2. 이 보고서 내용을 발표할 때에는 반드시 환경부에서 시행한

환경기술개발사업의 연구개발 결과임을 밝혀야 합니다.

3. 국가과학기술 기밀유지에 필요한 내용은 대외적으로 발표

또는 공개하여서는 아니됩니다.