CDI (Capacitive Deionization, 축전식 탈염) 란?

CDI(Capacitive Deionization, 축전식 탈염)란?

CDI(Capacitive Deionization, 축전식 탈염)은 물에서 이온을 제거하는 기술입니다. 이 방법은 두 전극 사이에 전기적 전위차를 적용하여 물속 이온을 분리합니다. 주로 다공성 탄소로 만들어진 전극을 사용하며, 전기장과 흡착 매체를 결합하여 이온과 전하를 띤 입자를 분리합니다. CDI는 주로 염분 농도가 낮거나 중간 정도인 기수(10g/L 미만)의 담수화에 사용되며, 에너지 효율이 높은 기술로 주목받고 있습니다.

 

Water

 

CDI의 기본 원리와 작동 메커니즘

CDI의 작동 원리는 간단하면서도 효과적입니다. 이 기술은 흡착 단계와 탈착 단계를 번갈아 가며 진행됩니다. 흡착 단계에서는 두 전극 사이에 전위차를 적용하여 물속의 이온을 제거합니다. 음이온(음전하를 띤 이온)은 양극으로 이동하여 저장되고, 양이온(양전하를 띤 이온)은 음극에 저장됩니다. 이 과정에서 핵심적인 역할을 하는 것이 전기 이중층(Electrical Double Layer, EDL)입니다. 다공성 탄소 전극의 내부 기공에서 형성되는 EDL에 이온들이 전기적으로 흡착됩니다. 이 과정은 물리적 흡착이기 때문에 화학반응이 일어나지 않아 빠르고 가역적입니다. 전극이 이온으로 포화되면 재생을 위해 탈착 단계로 넘어갑니다. 이때는 전극 사이의 전위차를 역전시키거나 0으로 만들어 흡착된 이온을 방출합니다. 이렇게 방출된 이온은 농축수(브라인)로 배출되며, 전극은 다시 사용할 수 있게 됩니다. CDI의 독특한 점은 다른 기술들과 달리 물에서 염분 이온을 제거한다는 것입니다. 이러한 특성 때문에 CDI는 저염분 물 처리에 특히 효율적입니다.

 

CDI 기술의 장점과 응용 분야

CDI 기술의 가장 큰 장점은 에너지 효율성입니다. 특히 염분 농도가 낮은 물을 처리할 때 다른 담수화 기술에 비해 에너지 소비가 적습니다. 이는 CDI가 물에서 소량의 염분을 제거하는 데 최적화되어 있기 때문입니다. 또 다른 장점은 확장성과 운영의 용이성입니다. CDI 시스템은 고압이나 고온이 필요하지 않아 설비 투자와 인프라 비용이 낮습니다. 이는 역삼투 방식이나 증류와 같은 다른 담수화 기술과 비교했을 때 큰 이점입니다. CDI의 주요 응용 분야는 기수의 담수화입니다. 기수는 염분 농도가 해수보다 낮지만 담수보다는 높은 물을 말합니다. 예를 들어, 해안 지역의 지하수나 일부 산업 폐수가 여기에 해당합니다. CDI는 이러한 물을 효율적으로 처리하여 농업용수, 공업용수, 또는 음용수로 사용할 수 있게 만듭니다. 산업 분야에서도 CDI의 활용도가 높습니다. 발전소의 냉각수 처리, 식품 산업의 공정수 정화, 반도체 제조 과정의 초순수 생산 등에 사용될 수 있습니다. 또한 환경 분야에서는 오염된 지하수의 정화나 폐수 재활용 등에 적용될 수 있습니다. CDI 기술은 지속적으로 발전하고 있어, 특히 물 부족 문제가 심각한 지역에서 중요한 해결책이 될 수 있습니다.

 

CDI 시스템의 주요 구성 요소와 설계

CDI 시스템의 핵심 구성 요소는 전극, 스페이서 그리고 전원 공급 장치입니다. 전극은 CDI의 성능을 좌우하는 가장 중요한 부분으로, 주로 다공성 탄소 재료로 만들어집니다. 활성탄, 탄소 에어로겔, 탄소 나노튜브 등 다양한 탄소 재료가 사용되며, 각각의 특성에 따라 성능이 달라집니다. 전극 설계에서 중요한 것은 비표면적과 기공 크기의 분포입니다. 높은 비표면적은 더 많은 이온을 흡착할 수 있게 하고, 적절한 기공 크기 분포는 이온의 빠른 이동을 가능하게 합니다. 최근 연구에 따르면 1.1nm 미만의 미세기공이 CDI에서 염분 흡착에 가장 효과적인 것으로 나타났습니다. 스페이서는 두 전극 사이에 위치하여 물이 흐르는 통로를 만듭니다. 스페이서의 설계는 물의 흐름과 이온의 이동에 영향을 미치기 때문에 중요합니다. CDI 시스템의 설계는 크게 세 가지로 나눌 수 있습니다. 첫째, flow-by 모드는 가장 일반적인 방식으로, 물이 전극 사이의 스페이서를 통해 흐릅니다. 둘째, flow-through 모드는 물이 직접 다공성 전극을 통과하는 방식입니다. 셋째, flow-electrode CDI는 고체 전극 대신 탄소 현탁액을 사용하는 방식입니다. 또한 맴브레인 축전식 탈염(MCDI, Membrane Capacitive Deionization)이라는 변형된 형태도 있습니다. MCDI는 두 개의 이온 교환막을 삽입하여 CDI의 성능을 향상합니다. 이 방식은 염분 흡착 효율을 높이고 에너지 소비를 감소할 수 있습니다.

 

CDI의 운영 모드와 성능 최적화

CDI 시스템은 주로 두 가지 운영 모드로 작동합니다. 정전압 모드와 정전류 모드입니다. 각 모드는 각각의 장단점을 가지고 있어, 상황에 따라 선택됩니다. 정전압 모드에서는 전극 사이에 일정한 전압을 유지합니다. 이 모드에서는 초기에 염분 제거 효율이 높지만, 시간이 지남에 따라 효율이 감소합니다. 이는 전극이 이온으로 포화되면서 전기 이중층의 전위가 증가하고, 결과적으로 이온을 끌어당기는 힘이 약해지기 때문입니다. 반면 정전류 모드에서는 일정한 전류를 유지합니다. 이 모드는 처리된 물의 염분 농도를 더 안정적으로 유지할 수 있습니다. 그러나 이 모드를 효과적으로 사용하려면 MDCI 설계가 필요합니다. CDI 성능을 최적화하기 위해서는 여러 가지 요소를 고려해야 합니다. 전극 재료의 선택, 운영 전압 또는 전류의 설정, 흡착-탈착 사이클의 시간 조절 등이 중요합니다. 또한 에너지 효율을 높이기 위해 탈착 단계에서 에너지를 회수하는 방법도 연구되고 있습니다.