친환경 수처리와 신재생 에너지를 위한 이온교환막에 대한 이해

이온교환막은 해수를 담수화하거나 해수에서 식염을 생산하는 전기투석에서 이용되기 시작하여, 우주선에 필요한 전기를 생산하는 연료전지의 핵심 소재로 응용이 확장되었다. 오늘날에는 많은 수처리 공정과 에너지 공정에 이온교환막의 수요가 증가하고 있다. 다양한 응용에 따라 그 명칭도 전해질막, 이온전도성막 등으로 불리기도 한다. 이러한 변화에 따라 이온교환막의 연구와 교육의 필요성도 커지고 있다. 이온교환막을 제조하고 활용하기 위해서는 고분자화학, 전기화학, 이동현상 등의 기초학문 분야와 수처리나 에너지 공정의 원리에 대한 이해가 있어야 한다.
이 책은 이온교환막을 제조하거나 이온교환막을 이용하여 전기화학 공정을 개발하는 연구자에게 필요한 전기화학, 고분자화학, 공정 기술의 기초지식을 제공하는 것을 목적으로 준비되었다. 특히 일반화학 수준의 기초지식을 가진 연구자들이 이온교환막을 이용한 수처리 공정이나 에너지전환 공정 분야의 연구나 기술개발 활동을 시작할 때 필요한 용어나 원리의 이해를 돕기 위해 준비되었다.
지난 50여 년 동안 이온교환막은 전기투석과 연료전지를 중심으로 개발되고 생산되었으나 최근에는 그 응용 분야가 더욱 확대되고 있어서 새로운 이온교환막의 개발이 요구되고 있다. 또는 이온교환막을 새로운 하이브리드 공정에 적용하는 수처리 공정이나 에너지 공정도 발표되고 있다. 이 책에는 아직 실용화되지 않은 기술들도 연구개발을 위하여 소개하였다. 특히 실험실적인 연구 장치나 연구 방법 등도 소개하였는데, 이 분야의 연구에 진입하는 학생들이나 이온교환막 공정을 도입하거나 운전하는 기술자들의 이해를 돕기 위해 되도록 쉽게 작성하고자 했다.

현 시대에서 환경과 에너지의 문제는 과학기술적으로, 사회적으로, 경제적으로 중요한 이슈가 되고 있다. 온실가스 저감과 탄소중립사회를 위해 과학기술적 방법들이 요구되고 있는 상황이다.
이 책은 이온교환막에 대한 정확한 이해와 이온교환막이 환경과 에너지 문제를 해결하는 하나의 수단으로 활용되는 데 도움이 될 것이다.

01 이온교환막의 전기화학
1.1 멤브레인과 이온교환막
1.2 멤브레인 전기화학
1.3 이온교환막의 전기화학 실험 방법

02 이온교환막과 이동현상
2.1 확산경계층과 Nernst-Planck 식
2.2 농도분극현상과 임피던스 분석
2.3 전류－전압 곡선과 한계전류
2.4 과전류에 의한 물분해현상
2.5 에너지 공정에서 이동현상

03 이온교환막의 종류와 특성 분석
3.1 이온교환막의 분자구조와 요구성질
3.2 이온교환막의 종류
3.3 이온교환막의 분석 방법

04 이온교환막의 제조 방법
4.1 일반적인 이온교환막의 제조 과정
4.2 특수한 이온교환막의 합성
4.3 이온교환막 제조 공정

05 전기투석의 원리와 응용
5.1 전기투석의 원리
5.2 공정 설계
5.3 전기투석 공정 운전
5.4 EDR
5.5 전기투석 응용

06 이온교환막과 전기화학적 수처리 공정
6.1 전기탈이온 공정
6.2 축전식 이온제거
6.3 확산투석과 도난 확산
6.4 해수담수화
6.5 기타 이온교환막 공정의 활용 및 전망

07 연료전지의 원리와 운전
7.1 연료전지의 원리와 이온전달기작
7.2 양이온교환막을 이용하는 연료전지
7.3 음이온교환막과 바이폴라막 응용
7.4 연료전지운전

08 이온교환막을 이용한 에너지전환 공정
8.1 산화환원흐름전지(Redox flow battery, RFB)
8.2 역전기투석(RED)
8.3 수전해에 의한 수소 생산
8.4 산염기 흐름전지