Development of high performance electrochemical desalination technologies using battery materials

학위논문 (박사)-- 서울대학교 대학원 : 화학생물공학부, 2017. 2. 윤제용.전 세계 인구증가와 산업화로 인해 담수의 수요는 점점 증가하고 있으며, 안정적인 물 공급을 위해서는 염수를 담수화하는 탈염기술의 개발이 시급한 실정이다. 근래에 이용되고 있는 염수의 담수화를 위한 탈염기술은 증발 공정과 막 공정이 있으나, 비효율적인 에너지 사용과 막 교체비용으로 인해 운영비가 높으며 거대한 부대시설이 필요하여 도서지방이나 중소 도시에서 운용하기에는 어려운 단점이 있다. 최근에 이르러서는 기존 탈염공정의 단점을 극복한 전기화학 기반 탈염기술이 효율적인 에너지 사용, 간편한 운전 및 친환경적인 공정으로 주목 받고 있으며 탄소전극을 이용한 축전식 탈염공정을 기반으로 다양한 연구가 진행되고 있다. 본 연구에서는 이러한 전기화학 기반 탈염기술에 대해 배터리 물질을 이용하여 기존 기술 대비 성능이 크게 향상된 공정을 개발하였다. 배터리물질을 탈염공정에 적용할 경우, 수중 내의 이온을 화학적 반응을 통해 제거해 주게 되며 표면적만 이용할 수 있는 탄소전극 대비 전극 내부까지도 이용할 수 있어 이온을 저장할 수 있는 용량이 크다. 또한 방전 시 자가 방전이 잘 일어나지 않아 에너지 효율도 높일 수 있는 장점을 가지고 있다. 본 연구에서는 탈염공정에 적용한 배터리 물질로는 산화망간나트륨 (Na0.44MnO2) 과 은 (silver), 그리고 프러시안 블루 (Prussian blue) 를 이용하여 고성능 전기화학 탈염공정을 구현하였다. 첫 번째로 배터리 전극을 탄소전극과 융합한 복합형 축전식 탈염공정을 시현하였으며, 두 번째로는 이차전지의 원리를 이용하여 흔들의자형 배터리 탈염공정을 구성하였다. 각 공정에 대해 탈염특성과 성능평가를 시행하였고 이를 기존 기술과 비교해 보았으며, 전극에 대한 물리화학 및 전기화학적 분석을 통해 구현한 시스템이 어떠한 원리로 작동하는지에 대한 분석하였다. 이러한 배터리 물질이 결합된 전기화학적 탈염공정은 기존 기술 대비 높은 탈염용량을 가지고 있었으며, 방전과정에 의한 에너지 회수가 가능하여 매우 높은 에너지 효율을 가지고 있었다. 앞으로 배터리 물질의 안정성 향상, 운전조건의 최적화를 통해 본 연구에서 개발한 기술이 담수화 공정에 있어서 경쟁 가능한 기술로 발전할 수 있을 것으로 여겨진다.1. 서론 1 1.1. 연구 배경 1 1.2. 연구 목적 4 2. 문헌 연구 6 2.1. 전기투석 6 2.1.1. 전기투석의 원리와 특징 7 2.1.2. 전기투석에서의 에너지 소비량 10 2.2. 축전식 탈염 14 2.2.1. 축전식 탈염공정의 원리와 특징 15 2.2.2. 축전식 탈염공정에서의 에너지 소비량 21 2.3. 배터리 탈염 24 2.3.1. 배터리 탈염공정의 원리와 특징 25 2.3.2. 배터리 탈염공정에서의 에너지 소비량 33 3. 복합형 축전식 탈염공정: 탄소와 배터리 물질의 결합을 통한 고성능 축전식 탈염시스템 개발 35 3.1. 배경 35 3.2. 실험 방법 40 3.2.1. 물질 합성 40 3.2.2. 전극의 제조 41 3.2.3. 전극의 전기화학적 특성 분석 42 3.2.4. 탈염 성능 실험 43 3.3. 실험 결과 및 토의 46 3.3.1. 산화망간나트륨/활성탄 복합형 축전식 탈염공정 46 3.3.2. 은/활성탄 복합형 축전식 탈염공정 69 3.4. 요약 85 4. 프러시안 블루 (Prussian blue) 전극 기반 흔들의자형 배터리 탈염공정 개발 86 4.1. 배경 86 4.2. 실험 방법 91 4.2.1. 물질 합성 91 4.2.2. 프러시안 블루 전극 제조 93 4.2.3. 탈염 성능 실험 94 4.2.4. 전극의 전기화학적 특성 분석 97 4.3. 실험 결과 밑 토의 99 4.3.1. 흔들의자형 배터리 탈염공정의 탈염 성능 99 4.3.2. 제조된 프러시안블루 전극의 특성 110 4.4. 요약 120 5. 결론 122 참고문헌 124 Abstract 133Docto

염수에서의 리튬 회수를 위한 배터리 공정 시스템

학위논문 (석사)-- 서울대학교 대학원 : 화학생물공학부, 2013. 2. 윤제용.리튬은 유리, 세라믹, 합금, 윤활유, 제약 등 여러 분야의 기술에서 다양하게 사용되고 있으며, 최근 들어 이차전지의 발달로 인해 그 수요는 급증하고 있다. 이러한 리튬의 공급원은 광물(hard mineral), 염수(brine) 또는 해수(seawater)등이며, 현재는 80%이상이 남아메리카에 있는 염호(brine lake)에서 생산되고 있다. 염호에는 리튬 이온이 어느 정도 용해되어 있으나 나트륨, 칼륨, 마그네슘, 그리고 칼슘 이온이 과량 포함되어 있다. 염수에서 리튬을 선택적으로 분리하기 위해 현재 상업적으로 사용되는 공정은 증발법으로, lime soda evaporation process라 불린다. 하지만 이러한 증발법은 1년 이상의 장기간이 걸리고, 비효율적이며, 주위 환경을 파괴하게 된다. 리튬이 포함된 염호에서 더 효율적이고 친환경적으로 리튬을 선택적으로 추출할 수 있는 기술이 필요하며, 본 연구에서는 이차전지의 원리를 이용하여 다양한 이온이 용해되어있는 염수에서 리튬이온을 빠르고 효율적으로 추출하는 친환경적인 기술을 개발하고자 하였다. 리튬추출을 위한 배터리 공정 시스템으로 양극은 spinel 구조의 산화망간리튬(LiMn2O4)을, 음극으로는 은/염화은(Ag/AgCl)을 사용하였으며, 같은 농도(30mM)의 리튬, 나트륨, 칼륨, 마그네슘, 그리고 칼슘이 용해되어 있는 염수에서 실험한 결과, 리튬이온에 대해 높은 선택성을 가지며 효율적이고 빠르게 리튬을 추출할 수 있었다. 나아가 실제 리튬 추출 공정에서의 적용 가능성을 살펴보기 위해, 칠레에 있는 염호의 화학적 조성이 같은 염수에 대해 리튬추출실험을 진행하였다. 이 염수에는 리튬이온에 비해 고농도의 나트륨, 칼륨 마그네슘 이온이 용해되어 있음에도(mole ratio: Na/Li ≈ 15.7, K/Li ≈ 2.2, Mg/Li ≈ 1.9) 배터리 공정을 반복함으로써 고순도의 염화리튬을 효율적으로(1몰의 리튬 추출 당 에너지 소비: 1.0 Wh) 농축시킬 수 있었다.Lithium is an important resource in many fields of technology, and the demand for lithium is highly increased as the development of rechargeable batteries. In general, lithium can be found from several sources such a hard mineral, brine lakes, and seawater. Nowadays, the main lithium resource is salt lake, especially located in South America, and it contains various cations such as sodium, potassium, magnesium and calcium. The conventional lithium recovery process is the lime soda evaporation processhowever, this method is time consuming, inefficient and environmentally harmful. Therefore, new technology for highly selective and environmentally friendly lithium recovery from brine water is urgently required. This research investigates the battery system to extract lithium from salt water, which is containing various cations, using Li1-xMn2O4 positive electrode and Ag/AgCl negative electrode. The performance of the battery system showed highly selective and efficient for lithium recovering from salt water which has same concentration of lithium, sodium, potassium, magnesium, and calcium ions (30 mM). And we demonstrated this battery system for recovering lithium from artificial brine water that the compound of chemical is similar with Salar de Atacama (mole ratio: Na/Li ≈ 15.7, K/Li ≈ 2.2, Mg/Li ≈ 1.9) which is brine lake located in Chile. By repeating the battery system, we can condense high purity of LiCl solution from the brine water as consuming 1.0 Wh per 1 mole of lithium recovery.Contents Abstract …………………………………………………………i Contents ………………………………………………………ⅲ List of Figures …………………………………………………ⅵ List of Tables …………………………………………………viii Chapter 1. Introduction ………………………………………1 Chapter 2. Literature Review ………………………………5 2.1. Existing methods for lithium recovery ………………5 2.1.1. Evaporation process …………………………………5 2.1.2. Selective absorbent …………………………………8 2.1.3. Electrochemical method ……………………………10 2.2. Principle of lithium ion battery…………………………11 2.3. Battery system for desalting water …………………15 Chapter 3. Methods …………………………………………18 3.1. Fabrication of electrodes ………………………………18 3.1.1. LiMn2O4 electrode ……………………………………18 3.1.2. Silver electrode ………………………………………22 3.2. Electrochemical system ………………………………23 3.3. Experimental methods …………………………………25 3.3.1. Lithium recovery test from various cations………25 3.3.2. Lithium recovery test from simulated brine water ……………………………………………………………………29 3.3.3. Galvanostatic cycling test …………………………33 Chapter 4. Results & Discussion …………………………34 4.1. Ion selectivity properties from various cations ……34 4.1.1. Concentration changes of source and recovery solution …………………………………………………………34 4.1.2. Charge/discharge potential profiles ………………37 4.2. Ion selectivity properties from brine salt ……………39 4.2.1. Concentration changes of first and second reservoirs ………………………………………………………39 4.2.2. Charge/discharge potential profiles ………………43 4.3. Galvanostatic cycling results …………………………45 Chapter 5. Conclusion ………………………………………47 References ……………………………………………………49 초 록 ……………………………………………………………53Maste

變形된 Teager 에너지에 基礎한 音聲끝점檢出 알고리듬에 관한 硏究

학위논문(석사)--서울대학교 대학원 :전기공학부,1999.Maste