수치모사를 이용한 CDI 시스템 유동 및 구조 특성 평가

Abstract

산업 발달 및 인구 증가로 인하여 수자원에 대한 수요가 증가하고 있다. 하지만 제한된 공급량으로 인하여 물 부족 현상이 야기되었고 현재 더욱 심각해지고 있다. 이러한 상황을 극복하고자 풍부한 수자원인 바닷물을 활용하는 연구가 활발히 이루어지고 있다. 특히 기존 담수화 방법의 문제점을 보완할 수 있는 축전식 탈염기술(Capacitive Deionization, CDI)이 크게 각광 받고 있다. 최근까지 축전식 탈염기술에 대한 연구는 활발히 진행되고 있지만, 상용화를 위한 연구 개발은 크게 부족한 상황이다. 따라서 본 연구에서는 CDI 성능 예측 및 효과적인 설계를 위해 CDI unit cell 내부유로 성능 평가, CDI module에 대한 내부 유동 분석 그리고 CDI module에 대한 구조 성능 평가를 주제로 연구를 수행하였다. 본 연구 내용을 요약하면 다음과 같다.

본 연구에서는 6가지 형상의 CDI unit cell에 대한 내부유로 성능 평가를 수행하였다. 이때 압력 강하량, 속도 분포, 유로 길이 그리고 평균 체류시간에 대한 유동 해석 결과를 비교하였다. 위 결과로부터 CDI module 제작에 용이한 cell 형상을 선정하였다. 이때 선정된 CDI unit cell 형상의 separator 크기와 두께에 따른 압력 강하량과 이온 제거율 변화를 비교하였다.

CDI module은 180 cell stack으로 구성되어 있다. 제작제조업체에서 수행한 실험 결과 CDI module의 이온 제거율은 CDI unit cell에서의 이온 제거율보다 감소하는 것으로 나타났다. 따라서 CDI module에 대한 유동 해석과 구조 해석을 수행하여 이온 제거율 감소 원인을 분석하였다. 또한 CDI module의 구조적 성능을 강화하기 위해 형상 변화에 따른 CDI module 구조 해석을 수행하였다.