Investigation of the Deionization Rate of Asymmetric Capacitive Deionization Technology for the Treatment of Short-Chain Perfluoroalkyl Substances (PFAS)

Jeon, SeongBeom; Min, Taijin; Lim, Sungil; Lee, Chung Kyu; Yun, Jinhan; Ryu, Kyungha; Yoon, Hongsik

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J Korean Soc Environ Eng > Volume 46(8); 2024 > Article

단쇄 과불화화합물 처리용 비대칭 축전식 탈염 기술의 탈염 속도 특성 조사

Research Paper

Journal of Korean Society of Environmental Engineers 2024; 46(8): 420-428.

Published online: August 31, 2024

DOI: https://doi.org/10.4491/KSEE.2024.46.8.420

단쇄 과불화화합물 처리용 비대칭 축전식 탈염 기술의 탈염 속도 특성 조사

전성범¹

, 민태진¹

, 임성일²

, 이정규¹

, 윤진한¹

, 류경하³

, 윤홍식^1,^†

¹한국기계연구원 자원순환연구실

²한국기계연구원 도시환경연구실

³한국기계연구원 신뢰성연구실

Investigation of the Deionization Rate of Asymmetric Capacitive Deionization Technology for the Treatment of Short-Chain Perfluoroalkyl Substances (PFAS)

SeongBeom Jeon¹

, Taijin Min¹

, Sungil Lim²

, Chung Kyu Lee¹

, Jinhan Yun¹

, Kyungha Ryu³

, Hongsik Yoon^1,^†

¹Department of Resources Recirculation Research, Korea Institute of Machinery & Materials, Republic of Korea

²Department of Urban Environment Research, Korea Institute of Machinery & Materials, Republic of Korea

³Department of Reliability Assessment, Korea Institute of Machinery & Materials, Republic of Korea

^†Corresponding author E-mail: yoonhs@kimm.re.kr Tel: 042-868-7891, Fax: 042-868-7284

Received July 11, 2024 Revised August 7, 2024 Accepted August 8, 2024

Abstract

Objectives

This study aims to introduce and evaluate the effectiveness of asymmetric membrane capacitive deionization (ACDI) in removing short-chain perfluoroalkyl substances (PFAS), specifically perfluorobutane sulfonic acid (PFBS), from aqueous solutions. This study offers important insights for the advancement of CDI technology in the sustainable treatment of industrial wastewater containing PFAS.

Methods

ACDI was employed by removing the anion exchange membrane from conventional membrane capacitive deionization system. The effect of key operational parameters such as voltage (0.5~1.2 V), initial concentration (50~500 mg/L), and flow rate (1~5 ml/min) on PFBS removal efficiency was systematically investigated. Additionally, PFBS removal performance in the presence of chloride ions was also investigated to determine competing ion effects.

Results and Discussion

The ACDI system significantly outperformed both CDI and MCDI, achieving a maximum deionization rate of 0.032 mg/g/s, compared to 0.012 mg/g/s for CDI and 0.01 mg/g/s for MCDI. Increasing the applied voltage from 0.5 V to 1.2 V enhanced the deionization rate, with the highest rate observed at 1.2 V. Higher initial PFBS concentrations also improved the deionization rate, increasing from 0.0009 mg/g/s at 50 mg/L to 0.032 mg/g/s at 500 mg/L. The optimal flow rate was found to be 2 ml/min, balancing ion contact time and throughput, resulting in the highest deionization rate. The presence of competing ions, such as chloride, reduced PFBS removal efficiency, as shown by the decrease in deionization rate when NaCl was added to the feed solution.

Conclusion

Overall, the ACDI system demonstrated superior deionization capacity and energy efficiency for PFBS removal, highlighting its potential as a sustainable and efficient technology for treating water contaminated with short-chain PFAS. Future research should address the challenges posed by competing ions in real-world wastewater to further optimize the ACDI system’s performance.

Key words: Perfluoroalkyl substances (PFAS), Capacitive deionization, Ion exchange membrane, Asymmetric membrane capacitive deionization

요약

목적

본 연구는 비대칭 막 축전식 탈염 장치(ACDI)를 도입하고, 평가하여 수용액에서 단쇄 과불화화합물 (PFAS), 특히 퍼플루오로부탄술폰산(PFBS)의 제거 효과를 분석하는 것을 목표로 한다.

방법

기존 막 축전식 탈염 장치(MCDI) 시스템에서 음이온 교환막을 제거한 ACDI를 사용하였다. 전압 (0.5-1.2 V), 초기 농도 (50-500 mg/L), 그리고 유속 (1-5 ml/min)과 같은 주요 운전 변수들이 PFBS 제거 효율에 미치는 영향을 체계적으로 조사했다. 또한 경쟁이온 효과를 확인하기 위해 염화 이온의 존재 시의 PFBS 제거 성능도 역시 조사되었다.

결과 및 토의

ACDI 시스템은 최대 탈염 속도 0.032 mg/g/s 로, CDI에서의 0.012 mg/g/s, MCDI에서의 0.01 mg/g/s 보다 훨씬 뛰어난 성능을 보였다. 전압을 0.5 V에서 1.2 V로 증가시킴에 따라 탈염 속도가 향상되었으며, 1.2 V에서 가장 높은 속도를 보였다. 더 높은 PFBS 초기 농도 또한 탈염 속도를 향상시켰으며, 50 mg/L에서 500 mg/L로 증가시켰을 때, 0.0009 mg/g/s 에서 0.032 mg/g/s로 증가했다. 최적의 유속은 이온 접촉 시간과 처리량을 균형 있게 유지하여 2 ml/min에서 가장 높은 탈염 속도를 나타냈다. 경쟁 이온인 염화물이 첨가되었을 때는 탈염 속도가 감소하여 PFBS 제거 효율이 낮아지는 경향을 보였다.

결론

전반적으로 ACDI 시스템은 PFBS 제거에 대해 뛰어난 탈염 성능을 보여주었으며, 단쇄 PFAS로 오염된 물을 처리하는 지속 가능하고 효율적인 기술로서의 잠재성이 강조되었다. 향후 연구에서는 실제 폐수에서 경쟁 이온이 제기하는 문제를 해결하여 ACDI 시스템의 성능을 최적화하는 것이 필요하다.

주제어: 과불화화합물 (PFAS), 축전식 탈염 장치, 이온교환막, 비대칭 막 축전식 탈염 장치

1. 서 론

과불화알킬물질(PFAS)은 열 및 화학적 안정성, 방수 등의 특성으로 인해 다양한 산업 부문에서 널리 사용되고 있다[1-3]. 미국의 PFAS 시장에서 고분자 부문은 연간 약 85,000톤을 소비하며 시장 가치가 약 20억 달러로 추정된다[4]. PFAS는 전자 제조 시설에서의 난연제[5], 자동차 윤활유의 첨가제[6]., 금속 도금 산업에서의 mist suppressants [7], aqueous film-forming foam (AFFF) 제품의 재료[8], 배터리의 전극 바인더[9]로 상업 및 산업 응용에서 광범위하게 사용된다. 그러나 많은 문헌에서 PFAS의 환경적 및 보건적 위험이 보고되고 있다[5,10-17]. 산업 폐수의 PFAS 농도는 일반적으로 수백에서 수천 ng/L 범위이며[18-21], 배터리 생산과 관련된 전자 제조 시설의 폐수에서는 최대 8,000 ng/L의 농도가 보고되었다[5,22]. PFAS에 대한 음용수 농도 규제는 미국 환경보호청(USEPA)에서 70 ng/L, 독일에서 300 ng/L, 영국의 10 ng/L 등으로 설정되고 있다[23]. 심지어 최근 USEPA는 PFAS에 대해 허용 농도를 4 ng/L로 재조정함으로써 음용수 규제를 더욱 강화하는 방안을 검토 중이다(ID: EPA-HQ-OW-2022-0114) [24]. 따라서, PFAS 처리 기술은 엄격해지는 환경 규제를 충족시키기 위해서 뿐만 아니라, 보건 측면에서도 필수적이다.

PFAS 처리를 위해 다양한 기술이 개발되어 왔으며, 주로 흡착법, 막 여과법, 이온 교환법, 생물학적 처리법, 전기화학적 처리법 등이 연구되었다[21,25,26]. 이러한 처리 기술들은 주로 장쇄 PFAS를 대상으로 개발되었다. 흡착법은 PFAS의 소수성 및 정전기적 특성을 이용하여 흡착제 표면에 흡착시켜 PFAS를 제거한다. 막 여과법은 나노여과막이나 역삼투막을 사용하여 PFAS를 물리적으로 분리한다. 이온교환법은 음이온 교환수지를 통해 PFAS를 제거하며, 생물학적 처리법은 미생물의 분해 능력을 활용한다. 전기화학적 처리는 산화/환원 반응을 통한 분해 및 전기 응집을 통해 PFAS를 분해 및 제거한다. 그러나, 최근 환경 규제 강화로 인해 장쇄 PFAS의 사용이 제한되면서, 이를 대체하는 단쇄 PFAS의 사용이 증가하고 있다. 단쇄 PFAS는 장쇄 PFAS에 비해 생물 축적성은 낮지만, 더 높은 이동성과 낮은 흡착성, 그리고 낮은 분해성으로 인해 수계 환경에서 더 널리 분포하는 특성을 보인다. 또한, 단쇄 PFAS 역시 잠재적인 독성과 환경 위해성을 가지고 있어 효과적인 제거의 필요성이 대두되고 있다. 기존의 PFAS 처리 기술들은 단쇄 PFAS 제거에 있어 여러 한계점을 갖는다. 흡착법의 경우, 단쇄 PFAS는 주로 정전기적 인력에 의존하여 매우 느린 흡착 속도와 낮은 흡착 용량을 보인다[27-31]. 막 여과법은 높은 운영 비용과 막 오염 문제로 효율성이 저하된다[32,33]. 이온 교환법은 경쟁 이온 존재 시 효율 저하[34,35], 이온교환수지의 산화[36], 그리고 2차 폐기물 생성[36] 등의 문제점들을 갖는다. 생물학적 처리법은 PFAS의 분해 과정이 느리고 불완전하다는 단점이 있다[38,39]. 전기화학적 처리는 PFAS의 완전한 분해나 탈불화가 어렵고, 희생 전극을 필요로 한다는 단점을 갖는다. 뿐만 아니라, 3.4-22.5 V의 높은 전압을 필요로 하여 에너지 효율성 측면에서 한계를 갖는다[40-42].

이러한 기존 방법론의 단점을 해결하기 위해, 축전식 탈염 기술(Capacitive deionization, CDI)이 대안으로 등장했다. CDI는 정전기적 흡착 기반 기술로, PFAS와 같은 음전하를 가진 기능성 그룹을 가진 이온 물질을 처리하는데 있어 효율적으로 알려져 있다. CDI는 극한의 pH 조건을 제외하고 음전하를 띄는 PFAS와 같은 이온성 물질을 처리하는 데 매우 효율적이다[43]. 이러한 CDI의 잠재력에도 불구하고 이 기술을 이용한 PFAS 제거에 대한 연구는 아직 체계적으로 이루어지지 않았다. 대부분의 이전 연구에서는 주로 장쇄 PFAS(탄소 원자가 8개 이상인 것)에 초점을 맞추었으며, 복잡한 전극 설계, 운전 시간의 한계, 효율 저하 등의 문제가 드러냈다[44-47]. 최근 우리의 이전 연구에서는 단쇄 PFAS를 효율적으로 제거할 수 있는 Asymmetric membrane CDI (ACDI) 기술을 제안했다. 하지만, 해당 연구에서는 탈염 용량, 에너지 소모량에 대한 조사만 수행되었으며, 탈염 속도에 대한 조사는 미비했다.

본 연구는 CDI를 통해 단쇄 PFAS를 효과적으로 처리하기 위해 탈염 속도에 미치는 영향 인자에 대해 조사했다. 우선 대표적인 단쇄 PFAS로써 과불화부탄술폰산(perfluorobutane sulfonic acid, PFBS)를 대상물로 선정했다. 영향 인자로서는 셀 구성, 셀 전압(0.5~1.2 V), 초기 PFBS 농도(50~500 mg/L), 유속(1~5 ml/min) 및 경쟁 물질(염화 이온)의 영향을 조사했다. 셀 구성으로는 CDI, 막 결합식 CDI (Membrane CDI), 그리고 양이온교환막만 장착한 비대칭 MCDI (Asymmetric membrane CDI, ACDI)을 비교했다. 이 연구는 단쇄 PFAS를 처리하는 CDI의 효율성과 제약을 설명함으로써 CDI 기술의 확장과 더불어 PFAS 처리용 기술 선택지의 확장에도 중요한 기여를 할 수 있을 것으로 보인다.

2. 실험방법(또는 재료 및 방법)

2.1. 탄소 전극 제조

탄소 전극은 이전 연구에서 설명한 대로 제조되었다[48-50]. 활성탄(YP50, Kuraray Chemical Co., Japan), 탄소 블랙(Super P, TIMCAL Graphite & Carbon, Switzerland), 및 고분자 바인더(PTFE, Sigma-Aldrich, USA)로 구성된 혼합물을 사용하였다. 위 혼합물을 롤 프레스하여 시트형 탄소 전극을 생산하였다. 제작된 탄소 전극의 두께는 약 0.2 mm이고, 평균 무게는 약 0.121 g 이다.

2.2. 축전식 탈염 장치 구성 및 작동

Fig. 1은 이 연구에서 사용된 CDI 시스템들의 개요도를 보여준다. 기존의 CDI 구성은 전극 사이에 이온 교환 막을 포함하지 않고, 100 μm 나일론 스페이서 두 개로 구성된다. MCDI는 음극 후에 양이온 교환 막(CMV, Selemion, AGC Engineering Co., Japan)과 양극 옆에 음이온 교환 막(AMV, Selemion, AGC Engineering Co., Japan)이 장착된다. ACDI는 MCDI에서 음이온 교환 막이 배제된 구성이다. 그라파이트 집전체(직경 20 mm)를 셀의 양쪽 끝에 배치하였다. 탄소 전극은 20 mm 직경으로 제조되었다.

2.3. 탈염속도 평가

탈염 속도는 실험실 규모의 CDI 시스템을 사용하여 평가되 었다[51-54]. PFBS (Sigma-Aldrich, USA)는 1%의 원액 용액을 준비했으며 이를 희석하여 유입수를 준비했다.

초기에, 셀 구성에 따른 탈이온 성능의 차이를 평가하기 위해 각 셀은 배터리 사이클러(WBCS3000, WonATech, Korea)를 사용하여 일정 전압에서 작동되었다. 작동 조건은 충전 시 1.2 V, 방전 시 –1.2 V (CDI는 1.2 V, 방전 시 0 V)로 설정되었으며, 각 충전 및 방전 단계는 15분간 지속되었고 이 절차는 세 번 반복되었다. 유입수의 PFBS 농도는 500 mg/L, 유속은 2 mL/min이었다. 이후 ACDI의 탈이온 시험은 다양한 작동 조건에서 수행되었으며, 전압(0.5~1.2 V), 초기 PFBS 농도(50~500 mg/L), 유속(1~5 mL/min)을 포함하였다.

탈염 속도는 유출수의 전도도(3581-10C, HORIBA, Japan) 분석을 통해서 다음과 같이 계산하였다.

탈염속도 (mg/g/s)=∫(Ci-Ce)⋅ϕdtMe⋅t

C_i와 C_e는 유입수와 유출수의 PFBS 농도(mg/L), Φ는 유량(mL/min), t는 탈염 지속 시간(분), M_e는 전극의 총 질량(g), F는 패러데이 상수 (96,485C/mol), I는 소비된 전류(A)이다.

경쟁 이온 존재 하에서의 ACDI 탈염 속도는 전도도를 통해 계산된 농도가 아니라, 액체 크로마토그래피-삼단 사중극자질량 분석기(liquid chromatography-triple stage quadrapole mass spectrometry, LC-MS/MS, EVOQ Elite, Bruker, USA)를 통해 측정된 농도를 사용하여 평가되었다. 유출수 내 PFBS 농도 분석을 위해, 15분 간의 처리과정에서 배출된 용액을 전량 수집하였다. 측정된 PFBS 농도를 바탕으로 앞서 제시된 탈염 속도 계산식을 사용하여 탈염 속도를 계산하였다.

3. 결과 및 고찰

3.1. 셀 구성에 따른 탈이온 성능

Fig. 2는 CDI 셀 구성에 따른 PFBS 탈염 속도를 나타내며 CDI, MCDI 및 ACDI 시스템을 비교했다. Fig. 2에서 나타낸 바와 같이 ACDI 시스템은 탈염 속도 측면에서 CDI와 MCDI 모두를 크게 상회하였다. 예를 들어, ACDI 시스템의 경우 0.032 mg/g/s의 최대 탈염 속도를 보여 CDI의 0.012 mg/g/s 및 MCDI의 0.01 mg/g/s을 크게 상회하였다. 통상적으로 이온교환막이 장착된 시스템에서는 동이온반발 효과(co-ion effect)가 완화되어 이온 이동이 더 원활하게 이루어지며 탈염 속도 측면에서 우수한 성능을 보인다[55]. 따라서 이온교환막이 없는 CDI 대비 양이온교환막이 장착되어 있는 ACDI에서 우수한 탈염 속도가 나타난 것으로 보인다. 하지만 음이온교환막까지 장착된 경우(MCDI) 다른 경향이 나타났다. 양/음이온교환막이 모두 장착된 MCDI의 탈염속도는 음이온교환막이 없는 ACDI, CDI 대비 매우 낮은 탈염 속도를 나타냈다. 이는 음이온교환막에서는 PFBS의 통과가 제한되기 때문인 것으로 보인다[51]. 이전 문헌에 따르면 PFBS와 같이 분자량이 큰 이온 물질(예를 들어 HCO3-:61 g/mol)을 제거하는 데 있어서 이온교환막의 적용은 이온 이동 효율성이 감소하기 때문에 어려울 수 있다고 알려져 있다[56]. 즉 PFBS 처리의 경우 음이온교환막이 배제된 탈염 시스템을 적용하는 것이 권장된다. Fig. 2의 결과는 CEM만을 사용하는 ACDI 시스템이 PFBS의 효과적인 전기화학적 제거에 우수함을 입증한다.

3.2. ACDI 시스템의 운전 변수가 PFBS 탈염 속도에 미치는 영향

ACDI 시스템의 PFBS 탈염 속도를 다양한 운전 변수, 즉 전압, 초기 농도 및 유속에 따라 조사되었다. 먼저, Fig. 3는 전압에 따른 탈염 속도를 보여준다. Fig. 3에 나타난 바와 같이, 인가 전압이 증가함에 탈염 속도가 향상되었다. 예를 들어, 0.5 V에서 0.012 mg/g/s, 0.7 V에서 0.017 mg/g/s, 1.0 V에서 0.023 mg/g/s, 1.2 V에서 0.032 mg/g/s의 최대 탈염 속도를 보였다. 이는 이전 연구에서 높은 전압에서 더 강한 전기적 구동력에 의해 이온 제거가 향상된다는 것을 보인 결과와 유사한 경향을 보인다[57,58]. 흥미로운 점은 전압에 따라 최대 탈염 속도에 도달하는 시간이 달랐다. 0.5 V의 경우 180초, 0.7 V의 경우 360초, 1.0 V의 경우 540초, 1.2 V의 경우 900초였다. 즉 인가 전압이 높을수록 최대 탈염 속도에 도달하는 속도가 늦어졌다. 이는 인가 전압에 따라 증가함에 따라 향상되는 전기화학적 용량에 기인한 것으로 보인다. 전기화학적으로 증대된 용량으로 인해 긴 시간 동안 PFBS의 탈염이 원활하게 이루어지게 되는 것으로 사료된다. 따라서 탈염 속도가 상대적으로 긴 시간 동안 지속적으로 상승하게 되며 최대 탈염 속도에 도달하는 시간이 늦어지는 것으로 사료된다. 참고로 통상적인 CDI 및 MCDI는 1.2 V 이상에서 작동된다. 따라서 Fig. 3의 결과는 PFBS 제거용으로 적용될 경우 900초 이상의 흡/탈착 시간이 권장된다는 점을 시사한다.

Fig. 4은 원수의 PFBS 농도에 따른 탈염 속도를 보여준다. Fig. 4(a)에 나타난 바와 같이, PFBS 농도가 증가함에 따라 탈염 속도가 증가함을 보여준다. 예를 들어, PFBS 농도가 50 mg/L에서 500 mg/L로 증가하면 탈염 속도가 0.009 mg/g/s에서 0.032 mg/g/s으로 증가했다. 이는 PFBS 농도와 탈염 속도 간의 직접적인 관계를 나타내며, 낮은 PFBS 농도는 이온 강도가 감소하고 이온 이동이 저하되기 때문인 것으로 보인다[59,60]. 추가적으로, 본 연구에서는 1 mg/L의 저농도 PFBS 용액에 대한 탈염속도도 조사하였다. Fig. 4(b)에서 볼 수 있듯이 농도에서는 용액의 높은 저항으로 인해 현저히 낮은 탈염속도(0.6916 μg/g/s)가 관찰되었다. 즉, 원수의 PBBS 농도가 낮아질수록 탈염 속도가 감소하는 경향을 더욱 명확히 보여준다. 이러한 결과는 ACDI 시스템의 실제 원수에 적용 시 중요한 설계 고려 사항을 제시한다. 특히, 원수 내 PFBS 또는 기타 단쇄 PFAS 농도에 따라 시스템 성능이 크게 달라질 수 있음을 시사한다. 따라서 실제 원수 처리를 위한 ACDI 시스템 설계 시, 대상 오염물질의 농도 범위를 면밀히 고려하여 최적의 운전 조건을 설정해야 한다.

Fig. 5는 ACDI 시스템의 PFBS 탈염 속도에 대해서 유속의 영향을 조사했다. Fig. 5에 나타난 바와 같이, 유속 1 mL/min에서 가장 낮은 값을 보였고 2 mL/min에서 가장 높은 값을 보였다. 예를 들어, 탈염 속도는 1 mL/min에서 0.025 mg/g/s, 5 mL/min에서 0.027 mg/g/s, 2 mL/min에서 0.032 mg/g/s이었다. 해당 결과는 우리의 이전 문헌에서 제시한 결과와 유사한 경향을 보인다[51]. 우선 1-2 mL/min 조건에서는 높은 유속 조건이 탈염 속도측면에서 유리했다. 해당 조건 구간에서는 유속으로 인한 처리량에 의존적으로 탈염 속도가 영향을 받은 것으로 사료된다. 반면, 2-5 mL/min의 유속 조건에서는 낮은 유속 조건이 탈염 속도 측면에서 유리했다. 해당 유속 조건에서는 유속이 감소함에 따라 PFBS가 전극에 흡착할 시간이 증가하여 탈염 속도에 긍정적인 영향을 미치는 것으로 나타났다[47,61-63].

3.3. 경쟁 이온에 따른 PFBS 탈염 속도

Fig. 6은 경쟁 이온이 ACDI 시스템의 PFBS 탈염 속도에 미치는 영향을 조사해서 나타냈다. Fig. 6의 탈염속도는 LC-MS/MS 분석을 통해 측정된 PFBS 농도에 기반하여 계산되었다. Fig. 6에서 나타난 바와 같이 경쟁 이온인 염화 이온이 추가될수록 PFBS 탈염 속도가 감소했다. 예를 들어, PFBS만 존재할 때는 탈염 속도가 0.036 mg/g/s이었으며, 1.667 mM가 추가되었을 때는 각각 0.015 mg/g/s였다. 더욱이 NaCl 농도를 10 mM로 증가시켰을 때 탈염 속도는 0.004 mg/g/s로 감소했다. 원수 내 염화 이온 농도가 PFBS 농도와 동일한 수준의 몰 농도로 함유되었을 때(1.667 mM PFBS + 1.667 mM NaCl) 탈염 속도가 약 2.4배 가량 감소했으며, 염화 이온 농도가 PFBS 농도 대비 6배 함유되었을 때(1.667 mM PFBS + 10 mM NaCl) 약 9배 가량 감소했다. 따라서 본 ACDI 시스템에서는 PFBS 제거에 대한 뚜렷한 제거 선택성이 나타나지 않은 것으로 보인다. 그럼에도 불구하고, 10 mM 의 높은 농도의 염화 이온의 존재 하에서도 PFBS에 대해 0.004 mg/g/s 의 유의미한 탈염 속도가 유지되었다는 점은 주목할 만 하다. 이러한 결과는 ACDI 시스템이 복잡한 수계에서 PFBS를 선택적으로 제거할 수 있는 잠재력을 보여준다. 동시에, 경쟁 이온의 존재가 전체적인 처리 효율에 중요한 영향을 미친다는 점을 시사한다. 따라서, 실제 응용을 위해서 다양한 농도 비율과 이온 종류에 따른 선택도 변화와 같은 추가 연구를 통해 PFBS 제거 효율 향상 방안을 탐구할 필요가 있다.

4. 결 론

본 연구는 효과적으로 short-chain PFAS인 PFBS을 처리하기 위한 CDI 탈염 속도 특성에 대해 조사했다. 연구 결과, 탈염 속도는 ACDI 시스템 구성에서 0.032 mg/g/s으로 CDI (0.012 mg/g/s) 및 MCDI (0.010 mg/g/s)보다 각각 2.7 배 및 3.2 배 높았다. 또한 전압(0.5~1.2 V), 초기 농도(50~500 mg/L), 유속(1~5 mL/min)과 같은 다양한 운전 조건을 통해 ACDI 시스템의 탈염 속도를 조사했는데, 해당 조건 내에서는 1.2 V, 500 mg/L, 2 mL/min에서 우수한 탈염 속도를 보였다. 한편, 경쟁 물질인 염화 이온의 존재로 인한 일부 부정적인 영향이 관찰되었음에도 불구하고 ACDI는 여전히 유효한 PFBS 탈염 속도를 보였다. 이러한 결과는 ACDI 기술이 지속 가능하고 효율적인 PFBS 제거 기술로써 잠재력을 갖고 있음을 나타낸다.

Acknowledgments

This research was supported by Development of key technologies for safety management of hydrogen charging infrastructure (1415180603) and by the Korea Environmental Industry & Technology Institute (KEITI) and the Ministry of Environment of the Republic of Korea (Grant No. 2021003350010).

Notes

Declaration of Competing Interest

The authors declare that they have no known competing financial interests or personal relationships that could have appeared to influence the work reported in this paper.

Fig. 1.

Scheme of cell configuration of CDI (conventional CDI), MCDI (membrane CDI), and ACDI (asymmetric membrane CDI). AC: activated carbon, AEM: anion exchange membrane, and CEM: cation exchange membrane.

Fig. 2.

Effect of cell configuration on the deionization rate. (Feed: 500 mg/L PFBS; negative electrode: AC electrode; positive electrode: AC electrode; applied voltage: 1.2/0 V(CDI), 1.2/-1.2 V(MCDI, ACDI); and flow rate: 2 mL/min), AC: activated carbon, PFBS: Perfluorobutane sulfonic acid. (n = 3).

Fig. 3.

Effect of applied voltage on the deionization rate of the ACDI. (Feed: 500 mg/L PFBS; negative electrode: AC electrode; positive electrode: AC electrode; applied voltage: 0.5/-0.5~1.2/-1.2 V; and flow rate: 2 mL/min), ACDI: asymmetric membrane CDI, AC: activated carbon, PFBS: Perfluorobutane sulfonic acid. (n = 3).

Fig. 4.

Effect of PFBS concentration in the feed on the deionization rate of the ACDI. (Feed: (a) 50~500 mg/L PFBS, (b) 1 mg/L PFBS; negative electrode: AC electrode; positive electrode: AC electrode; applied voltage: 1.2/-1.2 V; and flow rate: 2 mL/min), ACDI: asymmetric membrane CDI, AC: activated carbon, PFBS: Perfluorobutane sulfonic acid. (n = 3).

Fig. 5.

Effect of flow rate on the deionization rate of the ACDI. (Feed: 500 mg/L PFBS; negative electrode: AC electrode; positive electrode: AC electrode; applied voltage: 1.2/-1.2 V; and flow rate: 1~5 mL/min), ACDI: asymmetric membrane CDI, AC: activated carbon, PFBS: Perfluorobutane sulfonic acid. (n = 3).

Fig. 6.

Effect of competing ion on the deionization rate of the ACDI. (Feed: 1.667 mM PFBS or 1.667 mM PFBS + 1.667 mM NaCl, 1.667 mM PFBS + 10 mM NaCl; applied voltage: 1.2/-1.2 V; and flow rate: 2 mL/min), ACDI: asymmetric membrane CDI, AC: activated carbon, PFBS: Perfluorobutane sulfonic acid. (n = 3).

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