KR0180627B1 - 양이온 전도도 측정용 연속 재생 칼럼 - Google Patents

양이온 전도도 측정용 연속 재생 칼럼 Download PDF

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Abstract

본 발명은 용액의 양이온 전도도 측정용 칼럼, 특히 연속 재생 양이온 칼럼에 관한 것으로, 두장의 이온 교환막, 막 사이에 양이온 교환수지가 지탱하도록 해주는 지지 스페이서, 스페이서 사이에 충진된 양이온 교환수지, 이온교환막을 빠져나온 양이온을 운반하는 세정수가 흐르는 공간을 제공하는 세정 스페이서, 한쌍의 전극 및 직류전원 공급부로 구성되어, 양이온 교환특성을 가지고 있는 막과 한쌍의 전극을 이용하여 칼럼에 충진된 양이온 교환수지가 연속적으로 재생되도록 하므로서 연속적인 사용이 가능한 양이온 전도도 측정용 연속 재생 칼럼에 관한 것이다.

Description

양이온 전도도 측정용 연속 재생 칼럼
제1도는 종래 기술에 따른 양이온 전도도 측정용 칼럼의 원리를 나타낸다.
제2도는 본 발명의 양이온 전도도 측정용 연속 재생 칼럼의 원리를 나타낸다.
제3도는 본 발명의 양이온 전도도 측정용 연속 재생 칼럼의 구성을 나타낸다.
제4도는 본 발명의 연속 재생 양이온 칼럼의 성능을 나타내는 그래프이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 측정수 2 : 칼럼
3 : 양이온 교환수지 4 : 전도도 측정기
5 : 양이온 교환막 6 : 양극
7 : 음극 8 : 세정수 입구
9 : 측정수 입구 10 : 측정수 출구
11 : 세정수 출구 12 : 지지 스페이서
13 : 세정 스페이서
본 발명은 용액의 양이온 전도도 측정용 칼럼에 관한 것으로, 특히, 양이온 교환 특성을 가지는 막과 전극을 이용하여 칼럼에 충진된 양이온 교환수지가 연속적으로 재생되도록 하여 계속적인 사용이 가능한 양이온 전도도 측정용 연속 재생 칼럼에 관한 것이다.
외부로부터 불순물의 유입을 적극 억제하여야 하는 고순도의 물이 순환되고 있는 계통에서 수질을 연속적으로 감시하는 것은 매우 중요하다. 현재 계통순환수 수질을 감시하기 위하여 가장 많이 사용되고 있는 방법은 양이온 전도도 측정법이다. 양이온 전도도는 양이온 수지가 충진된 칼럼을 통과한 물의 전기적인 저항을 측정하여 역수로 나타낸 값이며, 단위로는 mho가 사용된다. 일반적으로 불순물이 많이 포함된 물은 전기적인 저항이 작고, 불순물이 적게 포함된 물은 전기적인 저항이 크게 나타난다. 즉, 수중에 불순물이 많으면 전기전도도가 크고, 불순물이 적으면 전기전도도가 적게 나타난다.
현장에서 대부분의 경우 물순환 계통에는 재질의 부식이나 스케일 부착을 방지하기 위하여 여러가지 약품을 주입하고 있어 물의 전도도를 높이는 원인이 되기 때문에, 순환수의 전도도를 직접 측정하면 주입 약품에 의한 영향과 외부의 불순물 유입에 의한 영향을 구분하기 어렵고, 또한, 불순물이 미량으로 유입되는 경우 측정감도가 낮아 감지가 어렵게 된다. 따라서, 측정감도를 높이고, 주입되는 약품에 의한 영향을 배제하기 위하여 측정수를 양이온을 흡착하는 양이온 교환수지가 충진된 칼럼을 통과시켜 양이온 전도도를 측정하는 방법이 널리 사용되고 있다. 측정수가 양이온 칼럼을 통과하면 측정수중 주입약품에 의해 나타나는 전도도를 억제하는 반면, 불순물에 의한 전도도가 증폭되어 측정이 용이하게 된다.
물의 전기 전도도는 주로 물속에 존재하는 양이온 및 음이온의 종류와 농도에 따라서 달라진다. 다음의 표 1은 수중에 존재하는 일반적인 이온의 전도도를 나타낸 것이다.
순환수의 pH를 높이기 위하여 암모니아수(NH40H)를 사용하는(0.3ppm)계통에서 측정수가 제1도의 칼럼을 통과하면, 주입한 약품은 제거되어 전도도에 영향을 미치지 않게 되는 한편, 외부로부터 유입된 불순물(NaCl) 중의 양이온은 전기전도도가 큰 수소이온(H+)으로 치환되어 측정감도가 대폭적으로 중가하게 된다. 즉, 측정수중의 암모니아 이온은 양이온 교환수지와 치환반응을 일으켜 수지에 흡착되고 수소이온이 유출되게 된다. 그러나 유출된 수소이온은 아래식(1)에서와 같이 다시 남아있는 수산이온(OH-)과 반응하여 물로 되어 순수한 물은 전기전도도가 극히 낮으므로, 영향을 미치지 않게 되어 백그라운드(background)가 낮아진다.
한편, 미량의 해수(염분(NaCl), 0.1ppm as Cl)가 유입되는 경우에는 측정수가 양이온칼럼을 통과하면 아래식(2)의 반응이 일어나 염분중의 나트륨이온(Na+)은 이온교환 수지에 흡착되는 한편, 이온전도도가 큰 수소이온(H+)이 유출되어, 음이온인 염소이온과 함께 칼럼 밖으로 나오게 된다.
양이온 칼럼을 사용하지 않는 경우에는 염분유입 전후의 전도도 변화는 2.5μmho/㎝ 2.935μmho/㎝로 증가폭은 0.435μmho/㎝가 된다. 그러나 양이온 칼럼을 통과하게 되면 전도도 변화는 0.3μmho/㎝ 1.629μmho/㎝로 증가폭은 1.329μmho/㎝로 크게 증가하게 된다. 상기와 같이 일정량의 불순물이 유입될 때 양이온 칼럼을 사용하지 않는 경우에는 유입 전후의 전도도비는 1.17(=2.935/2.5)이나, 양이온 칼럼을 사용하면 전도도비는 5.43(=1.629/0.3)으로, 양이온 칼럼을 사용하지 않는 경우에 비하여 감도가 5배(=5.43/1.17) 정도로 대폭 증가하므로 외부로부터 미량의 불순물이 유입되는 경우에도 쉽게 감지할 수 있게 된다.
그러나 종래의 양이온 칼럼은 사용함에 따라서 충진된 양이온교환수지가 포화되어 양이온 교환성능을 상실하게 되므로 칼럼을 해체하여 수지를 꺼내 재생한후 수지를 재충진하고 조립하지 않으면 안된다. 포화된 양이온 교환수지를 꺼내 묽은 염산용액에 담그면 아래 식(3)과 (4)의 반응에 의하여 양이온 교환수지에 흡착된 양이온은 떨어져 나오고, 수소이온과 결합하여 다시 성능을 회복하게 된다. 상기 수지에서 떨어져 나온 양이온은 물로 씻어 제거한다. 상기와 같은 과정을 월1∼2회 정도로 일정기간 마다 반복하여야 하므로 이로 인하여 인력, 시간 및 약품비가 소요될 뿐만 아니라 약품취급에 위험이 따른 한편, 칼럼 교체기간에는 전도도 측정이 불가능하게 된다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 양이온 교환 특성을 가지고 있는 막과 전극을 이용하여 칼럼에 충진된 양이온 교환수지가 연속적으로 재생되도록하므로서 연속적인 사용이 가능한 양이온칼럼을 제공하고자 하는데 그 목적이 있다. 본 발명의 양이온 칼럼은 두장의 양이온 교환막(5), 막 사이에 양이온 교환수지가 지탱되도록 해주는지지 스페이서(12), 스페이서 사이에 충진된 양이온 교환수지(3), 이온교환막을 빠져나온 양이온을 운반하는 세정수가 흐를 수 있도록 공간을 제공하는 세정 스페이서(14) 한 쌍의 전극(6,7) 및 직류전원 공급부로 구성된다. 본발명의 실시예를 도면과 함께 아래와 같이 설명한다. 제1도는 양이온 칼럼의 원리를 나타낸 것으로서, 측정수(1)가 양이온 수지가 충진된 칼럼(2)을 통과하면 측정수 중의 암모니아 이온이 양이온 교환수지(3)와 치환반응을 일으켜 수지에 흡착되고 수소이온이 유출된다. 상기에서 유출된 수소이온은 남아있는 수산이온과 반응하여 물로 된다. 또한, 미량의 염분이 유입될때는 측정수가 양이온 칼럼(2)을 통과하여 염분중의 나트륨 이온은 이온교환수지(3)에 흡착되고 수소이온은 유출되어 음이온인 염소이온과 함께 칼럼(2)에서 빠져나온다. 제2도는 본 발명의 연속 재생 양이온 칼럼의 원리를 나타낸 것으로서, 측정수(1)가 연속 재생 양이온 칼럼에 유입되면 상기 식 (1) 및 (2)의 반응에 의하여 양이온은 양이온 교환수지(3)의 수소이온과 치환되어 흡착되고 수소이온이 유출된다. 상기에서 음이온은 그대로 칼럼을 통과하여 칼럼을 통과한 물에는 수소이온과 음이온만 존재하므로 전도도 측정강도가 크게 중가하게 된다. 한편, 직류전압이 인가된 두 전극중 양극(6)에서는
의 반응이 일어나 수소이온과 산소가스가 발생하게 된다. 이때, 발생한 수소이온은 음극(7)방향으로 끌리게 되어 양이온 만을 통과시키고 음이온은 통과시키지 않는 양이온 교환막(5)을 통과하여 칼럼내로 들어와 양이온 교환수지에 흡착되어 있는 양이온(NH4+, Na+)과 치환반응에 의하여 아래식(6) 및 (7)과 같이 수소이온은 양이온 교환수지에 흡착, 재생되고 전체 흡착된 양이온은 유출된다.
양이온 교환수지에서 유출된 양이온은 전위차에 의하여 음극(7)쪽으로 끌려 수소이온이 통과한 반대편의 양이온 교환막(5)을 통과하여 칼럼 밖으로 빠져 나온다. 따라서 이와같은 과정이 연속적으로 일어나 양이온교환수지는 별도의 재생과정이 없이도 계속적으로 이온교환성능을 갖게 되는 것이다. 한편, 음극(7)에서는 아래식(8)
의 반응이 일어나 수산이온과 수소가스가 발생하고, 수산이온은 양이온 교환막(5)을 빠져나온 양이온과 반응하여 아래식(9) 및 (10)과 같이 암모니아수와 가성소다로 되며, 막과 전극사이를 흐르는 세정수에 의하여 운반되어 외부로 배출된다.
양극(6)에서 발생하여 양이온과 치환이 이루어지지 않은 수소이온은 계속 양이온 교환막을 통과하여 음극(7)에 이르러 아래식(11)과 같이 음극에서 발생한 수산이온(OH-)과 결합하여 물로 되므로 전도도에는 영향을 미치지 않는다.
제3도는 본 발명의 연속 재생 양이온 칼럼의 구조를 나타낸 것으로서, 본 발명의 양이온 칼럼수지는 제3도에서와 같이, 두장의 양이온 교환막(5), 막 사이에서 양이온 교환수지가 지탱하도록 하는 지지 스페이서(12), 스페이서 사이에 충진된 양이온교환수지(3), 이온 교환막을 빠져나온 양이온을 운반하는 세정수가 흐를 수 있도록 공간을 제공하는 세정 스페이서(14), 한 쌍의 전극(6,7) 및 직류전원 공급부(미도시)로 구성된다. 실제적인 연속 재생 양이온 칼럼은 제3도와 같이 전도도 측정에 필요한 충분한 양의 측정수가 통과할 수 있도록 한 개 또는 두 개 이상의 양이온 칼럼을 병렬 또는 직렬 구조로 배치할 수 있다. 즉, 한쌍의 전극(6,7)사이에 두장의 양이온 교환막(5)과 지지스페이서(12) 및 세정 스페이서(14)를 교대로 배치하여 구성한다. 지지스페이서(12)는 두 장의 양이온 교환막(5)을 고정하고, 그 사이의 공간에 양이온 교환수지가 머무르도록 하여 측정수가 흐르는 동안 이온교환이 이루어질 수 있도록 한다. 세정 스페이서(14)는 이온교환막(5)과 전극(6,7) 사이에 측정수의 일부 또는 순수가 흐를 수 있도록 하여 양이온 교환막(5)을 빠져 나온 양이온을 운반 제거한다. 한 쌍의 전극(6,7)은 전위차를 주어 양이온이 음극쪽으로 이동할 수 있도록 하는 한편, 양극(6)에서는 수소이온을 발생시켜 양이온 교환수지에 흡착된 양이온과 치환(재생)이 이루어질 수 있도록 하고, 음극(7)에서는 수산이온(OH-)이 발생하도록 하여 양이온 교환막을 통과한 양이온과 반응이 이루어지도록 한다. 측정수는 두부분으로 나누어져 일부는 양이온 칼럼을 통과하여 전도도 측정용으로 사용되고, 나머지는 세정 스페이서(14)사이를 흐르면서 양이온 교환막(5)을 통과한 양이온을 운반, 제거한다. 이때, 상기 전극(6.7)은 한 쌍 또는 여러 쌍의 양극(6) 및 음극(7)의 전극이 교대로 배치되도록 구성할 수 있으며, 상기 지지스페이서(12)및 세정스페이서(14)는 하나 또는 여러 개가 직렬 또는 병렬로 배치되도록 구성할 수 있다. 또한, 본 발명의 칼럼구조는 측정수가 고르게 양이온 교환수지 지지 스페이서(12) 사이에 분배되도록 하는 구조로 형성하며, 전기한 칼럼구조는 측정수의 일부 또는 다른 물이 전극(6,7)과 이온교환막(5)사이를 흐르도록 형성하고, 전기한 칼럼구조는 과전압/과전류를 차단하는 회로를 포함하도록 구성하는 것이 바람직하다. 아울러, 상기 칼럼구조는 유량조절 기능이 있는 구조를 지니도록 형성하는 것이 바람직하고, 상기 칼럼구조는 세정수가 세정스페이서(14) 사이를 고르게 흐르도록 구성하는 것이 바람직하다. 이때, 본 발명에 따른 상기 칼럼은 전위차에 의한 이온의 이동성을 이용하여 연속 재생 가능하면서 양이온 전도도의 측정을 달성하게 된다. 또한, 상기한 본 발명의 칼럼은 원통형 또는 육면체의 형상을 지니도록 구성하는 것이 바람직하다.
제4도는 본 발명의 연속 재생 양이온 칼럼의 성능을 나타낸 그라프로서, 불순물(소급)이 포함되면 칼럼을 통과하기 전보다 본발명의 칼럼을 통과함으로서 전기전도도가 크게 증폭된 것을 알 수 있다.
본 발명의 연속재생 양이온 칼럼은 용액의 전도도 측정용 계측기에서 필요로 하는 측정수량에 따라서 평행하게 배치하는 이온교환칼럼의 숫자를 가감할 수 있다.
본 발명의 연속재생 양이온 칼럼에서 사용되는 양이온 교환막은 높은 선택성, 높은 전도도, 적당한 팽윤성 및 우수한 기계적 강도를 가져야 하며, 균질막과 비균질막의 두 가지가 있어 상기 조건이 만족되면 어느 것이나 사용할 수 있다.
본 발명의 연속재생 양이온 칼럼의 전극 재질로서 양극은 티타늄 판에 백금족 귀금속을 도금하거나 산화물을 피복할 것을 사용하고, 음극은 티타늄판, 스텐레스 강판 또는 그 외의 합금강을 사용한다.
본 발명의 연속 재생 양이온 칼럼의 이온교환 수지는 입도가 균등하고 교환용량이 큰 강산성 양이온 교환수지를 사용하며, 고정 스페이서 및 세정 스페이서는 폴리프론필렌 또는 폴리에틸렌을 사용한다.

Claims (6)

  1. 두 장의 양이온 교환막, 상기 양이온 교환막 사이에 양이온 교환 수지가 지탱하도록 해주는 지지 스페이서, 상기 스페이서 사이에 충진된 양이온교환수지, 이온 교환막을 빠져나온 양이온을 운반하는 세정수가 흐르는 공간을 제공하는 세정 스페이서, 쌍을 이루어 설치되는 전극 및 상기 전극에 전원을 공급하도록 직류전원 공급부로 구성되는 것을 특징으로 하는 양이온 전도도 측정용 연속 재생 칼럼.
  2. 제1항에 있어서, 상기 전극은 한쌍 또는 여러 쌍의 양극 및 음극의 전극이 교대로 배치되는 것을 특징으로 하는 양이온 전도도 측정용 연속 재생 칼럼.
  3. 제1항에 있어서, 상기지지 스페이서 및 세정 스페이서는 하나 또는 여러 개가 직렬 또는 병렬로 배치되는 것을 특징으로 하는 양이온 전도도 측정용 연속 재생 칼럼.
  4. 제1항에 있어서, 상기 칼럽구조는 측정수의 일부 또는 다른 물이 전극과 이온교환막 사이를 흐르도록 하는 것을 특징으로 하는 양이온 전도도 측정용 연속 재생 칼럼.
  5. 제1항에 있어서, 상기 칼럼구조는 과전압/과전류를 차단하는 회로를 가지는 것을 특징으로 하는 양이온 전도도 측정용 연속 재생 칼럼.
  6. 제1항에 있어서,상기 칼럼구조는 원통형 또는 육면체의 형상을 지닌 것을 특징으로 하는 양이온 전도도 측정용 연속 재생 칼럼.
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