CDI 공정 해석을 위한 이온의 전달현상 모델링
Modeling of ionic transport phenomena for capacitive deionization system
초록/요약
CDI(Capacitive Deionization) 공정이란 두 전극 사이의 전기장을 통해 전해질 속의 이온들을 흡·탈착하는 과정을 말한다. 전극 표면에 형성된 EDL(Electrical Double Layer)을 통해 다수의 이온들이 흡착되므로 에너지 소비량이 적고, 저장된 이온들이 역 전압을 통해 쉽게 회수되어 전극 재생이 용이한 장점이 있다. 이러한 CDI 기술은 물을 연수화하는 소형에서부터 대형의 수 처리 공정에 유용하고, 이전의 고 에너지 수 처리 기술을 대체할 수 있다. 하지만 CDI 셀 내부의 이온 거동을 예측하거나 CDI 공정의 운전조건을 최적화하는데 있어, 실험적으로는 많은 시간과 비용이 소요되어 CDI 시스템에 맞는 적절한 이론적 수학모델이 필요하다. 본 연구에서는 전기화학적 원리에 근거한 CDI 공정 성능예측 모델을 설정하고 공정모사 해석을 수행하였다. 모델링을 통해 CDI 셀 내의 전류와 전해질의 농도 및 실험으로는 측정이 어려운 농도 분포를 계산하였다. 특히, 다양한 운전조건이나 셀 형상 조건에서 모델링을 통해 계산된 이온제거율과 평균전류를 실제 실험결과와 비교함으로써 모델링의 타당성을 검증하였다. 이와 같이 검증된 모델링 기법으로 CDI 공정의 셀 설계변수와 운전조건을 최적화하는데 주안점을 두었다.
more초록/요약
CDI process is the process adsorbing and desorbing ions in the electrolyte through the electric field between two electrodes. The process has low energy consumption since a number of ions are adsorbed through EDL formed in the surface of electrode and also has an advantage that electrode is readily recovered because saved ions could be easily reclaimed by the inverse voltage. This CDI technology is useful to small or big water treatment process for desalinating water and could be substitute for previous water treatment technologies consuming enormous energy. For predicting the movement of ions placed in the cell or optimizing the operating conditions of CDI process, however, proper theoretical mathematics model fitted with CDI system is needed. In this study, we set up performance prediction models of CDI process based on the electrochemical principles and carried out process- modeling analysis. Using this modeling, we could calculate current, concentration with time and the concentration distributions which are hard to be measured with the experiment. Particularly, validity of the modeling was proved by comparing the ion removal rate and the average current calculated by modeling in various operating and cell shape conditions. We focused on optimizing the operating conditions and cell design variables of CDI process with this qualified modeling technique.
more목차
제 1 장 서론 1
제 1 절 물 부족 실태 1
제 2 절 해수담수화 기술 2
제 3 절 CDI(Capacitive Deionization) 기술 3
제 4 절 연구 동향 및 목적 4
제 2 장 CDI 공정의 수학적 모델 7
제 1 절 전기화학적 원리 7
제 2 절 모델링을 위한 기본 설계 8
제 3 절 수학적 모델 11
제 4 절 수치해석 방법 19
제 3 장 모델링 결과 및 토의 21
제 1 절 기본 공정 조건에 따른 결과 25
제 2 절 셀의 설계인자 및 공정 운전조건에 따른 결과 31
제 4 장 결론 78
Reference 80
Abstract 82
