KR100405642B1 - 전기식 탈이온수 제조장치 및 탈이온수 제조방법 - Google Patents

전기식 탈이온수 제조장치 및 탈이온수 제조방법 Download PDF

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Abstract

2개의 소탈염 챔버(d1, d2)가 일측의 양이온 교환막(3)과 타측의 음이온 교환막(4) 및 그 사이에 있는 중간의 이온 교환막(5)에 의하여 규정되고, 이온 교환 물질(8)로 충전되어 탈염 챔버(D)를 구성한다. 탈염 챔버(D)의 양쪽에는 양이온 교환막(3)과 음이온 교환막(4)을 거쳐서 농축 챔버(1)가 제공된다. 이 탈염 챔버(D)와 농축 챔버(1)는 애노드(7)와 캐소드(6)의 사이에 제공된다. 애노드(7)와 캐소드(6)의 사이에 전압이 인가되는 동안, 2개의 소탈염 챔버중 하나(d2)로 물이 공급되고, 그 소탈염 챔버(d2)로부터 배출된 물은 다른 소탈염 챔버(d1)로 공급된다. 농축수가 농축 챔버로 공급된다. 이러한 구성에 의하면, 탈염 챔버(D) 내에서 흐르는 처리대상의 물 속의 불순물 이온이 농축수 내에서 농축되어, 탈이온수를 생산한다.

Description

전기식 탈이온수 제조장치 및 탈이온수 제조방법{AN ELECTRODEIONIZATION APPARATUS COMPRISING SUB-DESALINATION CHAMBERS}
본 발명은 전기 저항을 감소시킴으로써 전력 소모를 최소화시킬 수 있는 전기식 탈이온수 제조장치 및 그러한 장치를 이용한 전기식 탈이온수 제조방법에 관한 것이다. 이 전기식 탈이온수 제조장치는 전자장치, 약학, 핵 또는 화석-연료 전력 생산, 식품 및 야채와 같은 분야와 실험실에서 탈이온수를 생산하기 위하여 이용될 수 있다.
탈이온수를 제조하기 위한 종래의 방법은 이온 교환 수지내로 처리대상의 물을 통과시키는 것이다. 이 방법에 있어서는 이온 교환 수지가 소모될 때 그들을 화학적으로 재생하여야 한다. 이러한 복잡한 동작을 제거하기 위하여, 화학적인 재생을 필요로 하지 않는 전기적 탈이온화(electrodeionization)(하기에서는 생략하여 EDI라 함) 방법이 개발 및 상업화되었다.
도 5는 전형적인 종래의 전기식 탈이온수 제조장치의 단면도이다. 도면에 도시한 바와 같이, 사이에 공간을 갖는 양이온 교환막(101) 및 음이온 교환막(102)을 교대로 제공하고 이온 교환 물질(103)로 공간을 하나 걸러씩 충전함으로써 일련의 탈염 챔버(104)가 형성된다. 처리대상의 물이 공급을 시작하게 되는 각 탈염 챔버의 일측(전방측)에는 음이온 교환 수지(103a)가 충전되고, 처리된 물이 흘러 나오는 탈염 챔버의 타측(후방측)에는 양이온 및 음이온 교환 수지의 혼합층(103b)이 충전된다. 음이온 교환막(102) 및 양이온 교환막(101)에 의하여 형성되고 이온 교환 물질(103)이 충전되지 않는 탈염 챔버(104) 근방의 부분은 농축수가 흐르는 농축 챔버(105)로서 작용한다.
도 6에 도시한 바와 같이, 양이온 교환막(101)과 음이온 교환막(102) 그리고 이들 이온 교환막 사이의 공간을 충전하는 이온 교환 물질(103)에 의하여 탈이온화 모듈(106)이 형성된다.
특히, 프레임(107)의 일측은 양이온 교환막(101)으로 밀봉된다. 프레임(107)의 내부의 상측(전방측)은 음이온 교환 수지(103a)로 충전되고, 프레임(107) 내부의 하측(후방측)은 혼합된 이온 교환 수지(103b)로 충전된다. 그리고 나서 프레임(107)의 타측은 음이온 교환막(102)으로 밀봉된다. 이온 교환막(101, 102)이 연질이고 가요성이기 때문에, 프레임(107)이 이온 교환 물질(103)로 충전되고 전형적인 프레임(107) 내에서 양측이 이온 교환막으로 밀봉될 때 이온 교환막의 휘어짐으로 인한 이온 교환 물질(103)의 불균일 충전을 방지하기 위해서 복수의 수직 리브(108)가 제공된다. 도면에는 도시하지 않았지만, 프레임(107)의 상측에 처리대상의 물의 입구가 제공되고, 프레임(107)의 하측에 처리된 물의 출구가 제공된다.
도 5는 사이의 스페이서(도시하지 않음)와 평행하게 제공되는 복수의 탈이온화 모듈(106)을 도시한다. 평행한 탈이온화 모듈(106)의 일측에는 캐소드(109)가 제공되고, 평행한 탈이온화 모듈(106)의 타측에는 애노드(110)가 제공된다. 상기 스페이서는 탈이온화 모듈(106)과 농축 챔버(105)의 사이에 제공된다. 양이온 교환막(101), 음이온 교환막(102), 또는 이온 교환 관능성을 전혀 갖지 않는 격판과 같은 분리 막이 필요에 따라서 최외측 농축 챔버(105)의 양쪽에 외부적으로 제공된다. 상기 분리 막에 의해서 분리된 부분내에 캐소드 챔버(112)와 애노드 챔버(113)가 제공된다. 상기 분리된 부분은 캐소드(109) 및 애노드(110)와 접촉하게 된다. 도시할 수 있는 바와 같이, 그러한 종래의 EDI 장치에 있어서는 농축 챔버의 수가 탈염 챔버의 수보다 하나 더 많다.
그러한 EDI 장치를 이용한 탈이온수 생산 공정을 도 4 및 도 5를 참조하여 기술한다. 도 4는 탈염 챔버와 농축 챔버 사이의 관계를 개략적으로 도시한다. 도 4에 있어서, 캐소드 챔버(112) 및 애노드 챔버(113)는 양이온 교환막(101)에 의해서 농축 챔버(105)로부터 분리된다. 특히, 캐소드(109)와 애노드(110) 사이에는 직류가 인가된다. 처리대상의 물이 처리대상의 물 공급선(111)으로부터 공급되고 농축수가 농축수 공급선(115)으로부터 공급된다. 전극수가 전극수 공급선(117, 117)으로부터 공급된다. 처리대상의 물 공급선(111)으로부터 공급된 처리대상의 물은 탈염 챔버(104)를 통하여 흐른다. 물 속에 있는 염화물 및 황화물 이온과 같은 음이온은 물이 전방측에 있는 음이온 교환 수지(103a)를 통하여 흐를 때 제거되고, 그 다음에 마그네슘 및 칼슘 이온과 같은 양이온은 물이 하류의 양이온 및 음이온 교환 수지의 혼합된 이온 교환 수지(103b)를 통하여 흐를 때 제거된다. 농축수 공급선(115)으로부터 공급된 농축수는 각각의 농축 챔버(105)를 통하여 상향으로 흘러서, 양이온 교환막(101) 및 음이온 교환막(102)을 거친 불순물 이온을 받아 들이며, 농축된 불순물 이온을 함유하는 농축수의 형태로 농축수 배출선(116)으로부터 배출된다. 전극수 공급선(117, 117)으로부터 공급된 전극수는 전극수 배출선(118, 118)으로부터 배출된다. 따라서, 탈이온수 배출선(114) 내에 탈이온수가 생산될 수 있다.
처리대상의 물로부터 불순물 이온을 제거하기 위하여 전술한 유형의 EDI 장치를 사용할 때 전력 소모의 양을 감소시키기 위하여 그러한 장치의 전기 저항을 감소시키려는 여러차례의 시도가 있었다. 그러나, 탈염 챔버내에 사용되는 이온 교환 물질의 양 및 충전 방법은 처리된 물의 소망하는 품질에 따라 달라지기 때문에, 탈염 챔버에서 전기 저항을 얼마나 많이 감소시킬 수 있는지에 대하여 제한이 있는데, 농축 챔버에서 전기 저항을 감소시키기 위한 측정이 종종 행해졌다. 예를 들면 일본 특허 공개 공보 제 평9-24374 호는 전해질을 첨가함으로써 농축 챔버에서 전기 저항을 감소시키는 방법을 개시하고 있다. 전기 전도율의 증가를 향상시키기 위하여 농축수를 순환시킴으로써 농축 챔버내의 전기 저항을 감소시키는 방법이 또한 제안된 바 있다.
그러나, 전해질을 첨가함으로써 농축 챔버내의 전기 저항을 감소시키는 방법에 있어서는, 농축 챔버에 전해질을 공급하는 펌프, 화학적 저장 탱크 및 공급 파이프가 제공되어야만 하고, 따라서 설치 영역 및 비용이 증가된다. 게다가, 화학물질을 주기적으로 공급하고 관리하여야만 하므로, 그 장치가 연속적인 전기적 탈이온화 유닛일 경우에도 상당한 주의를 기울여야 한다는 문제가 있다. 농축수를 순환시킴으로써 농축 챔버내의 전기 저항을 감소시켜서 농축 챔버내의 전기 전도율을 증가시키는 방법은 또한 농축수내의 칼슘 및 마그네슘과 같은 단단한 제품이 대단히 농축되어, 전기 저항을 증가시키는 스케일(scale)을 형성한다는 점에서 결점이 있다.
본 발명의 일 목적은 농축수에 화학물질을 전혀 첨가하지 않고도 전기 저항을 감소시킬 수 있는 EDI 장치, 및 그러한 장치를 이용한 탈이온수 생산 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 장치는 양이온 교환막에 의하여 밀봉된 일측과 음이온 교환막에 의하여 밀봉된 타측을 각기 갖는 일련의 탈염 챔버를 포함하며, 양이온 및 음이온 교환막 사이에는 각각의 탈염 챔버를 두개의 인접한 소탈염 챔버로 분할하기 위하여 중간의 이온 교환막이 제공된다. 상기 양이온 교환막과 음이온 교환막을 거쳐서 각각의 탈염 챔버의 양측에는 농축 챔버가 제공된다. 이들 탈염 챔버 및 농축 챔버는 애노드와 캐소드의 사이에 제공된다. 처리대상의 물이 두개의 소탈염 챔버중 하나로 공급되며, 그 동안 소탈염 챔버를 가로질러 전압이 인가된다. 두개의 소탈염 챔버중 하나로부터 배출된 물은 그 후 다른 소탈염 챔버로 보내진다. 농축수가 농축 챔버내에서 흘러서 처리대상의 물로부터 불순물 이온을 제거하고, 그에 따라서 탈이온수가 생산된다. 이러한 구성에 의하면 이온 교환 물질로 충전된 소탈염 챔버당 농축 챔버의 수를 대략 1/2로 감소시킬 수 있어, EDI 장치의 전기 저항을 종래의 EDI 장치에 비하여 대폭 감소시킬 수 있다.
더구나, 음이온 교환막, 양이온 교환막 또는 이산된 음이온 및 양이온 교환막을 중간의 이온 교환막[양극(bipolar)의 막은 아님]으로 사용하는 것에 의해서, 하나의 소탈염 챔버로부터 다른 것으로 이온을 이동시킬 수 있으므로, 이온을 더욱 효율적으로 제거할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명에 따른 EDI 장치를 도시하는 개략도,
도 2는 탈염 챔버를 포함하는 탈이온화 모듈의 부분 사시도,
도 3은 본 발명에 따른 EDI 장치의 원리를 도시하는 도면,
도 4는 종래의 EDI 장치의 원리를 도시하는 도면,
도 5는 종래의 EDI 장치의 개략도,
도 6은 종래의 탈염 챔버로서 이용되는 탈이온화 모듈의 부분 사시도.
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
1: 농축 챔버 3: 양이온 교환막
4: 음이온 교환막 5: 중간의 이온 교환막
6: 캐소드(cathode) 7: 애노드(anode)
8: 이온 교환 물질 D: 탈염 챔버
d1, d3, d5, d7: 제 1 소탈염 챔버 d2, d4, d6, d8: 제 2 소탈염 챔버
본 발명에 따른 EDI 장치의 바람직한 실시예를 도 1 및 도 2를 참조하여 기술한다. 도 1은 본 발명에 따른 EDI 장치를 도시하는 개략도이다. 도 2는 소탈염 챔버를 포함하는 탈이온화 모듈의 부분 사시도이다. 도 1에 도시한 바와 같이, 양이온 교환막(3), 중간의 이온 교환막(5) 및 음이온 교환막(4)이 사이에 공간을 두고 순서대로 제공된다. 각각의 양이온 교환막(3)과 각각의 중간 이온 교환막(5) 사이의 공간을 이온 교환 물질(8)이 채워서 제 1 소탈염 챔버(d1, d3, d5, d7)를 형성한다. 각각의 중간 이온 교환막(5)과 각각의 음이온 교환막(4) 사이의 공간을 이온 교환 물질(8)이 채워서 제 2 소탈염 챔버(d2, d4, d6, d8)를 형성한다. 제 1 소탈염 챔버(d1) 및 제 2 소탈염 챔버(d2)가 조합되어 탈염 챔버(D1)를 형성한다. 마찬가지로 제 1 소탈염 챔버(d3, d5, d7)도 제 2 소탈염 챔버(d4, d6, d8)와 조합되어 탈염 챔버(D2, D3, D4)를 형성한다. 어떤 이온 교환 물질(8)로도 충전되지 않은 음이온 교환막(4)과 음이온 교환막(3)에 의하여 형성된 탈염 챔버(D2, D3등) 사이의 공간은 농축수가 흐르고 있는 농축 챔버(1)로서 작용한다. 따라서 이 장치에 있어서, 탈염 챔버(D1), 농축 챔버(1), 탈염 챔버(D2), 농축 챔버(1), 탈염 챔버(D3), 농축 챔버(1) 및 탈염 챔버(D4)가 도면의 좌측으로부터 순서대로 제공된다. 제 2 소탈염 챔버(d2, d4, d6, d8)의 각 처리된 물 배출선(12)은 제 1 소탈염 챔버(d1, d3, d5, d7)의 처리대상의 물 공급선(13)에 접속된다.
하나의 탈염 챔버는 2개의 중공형 프레임과 3개의 이온 교환막에 의하여 형성된 탈이온화 모듈을 포함한다. 특히 도 2에 도시한 바와 같이, 제 1 프레임(21)의 일측은 양이온 교환막(3)에 의하여 밀봉되고, 제 1 프레임(21)의 중공형 공간은 이온 교환 물질(8)로 충전된다. 그 후 제 1 프레임(21)의 타측은 중간의 이온 교환막(5)에 의해 밀봉되어 제 1 소탈염 챔버를 형성한다. 그 다음에는 제 2 프레임(22)이 제 1 소탈염 챔버에 부착되며, 그 사이에 중간의 이온 교환막(5)이 개재된다. 제 2 프레임(22)은 이온 교환 물질(8)로 충전된다. 중간의 이온 교환막(5)에 접촉하지 않는 제 2 프레임(22) 측은 음이온 교환막(4)에 의히여 밀봉되어 제 2 소탈염 챔버를 형성한다. 이온 교환막(3, 4, 5)이 연질 및 가요성이기 때문에, 제 1 및 제 2 프레임(21, 22)이 이온 교환 물질(8)로 충전되고 양측이 이온 교환막으로 밀봉되었을 때, 휘어진 이온 교환막으로 인하여 이온 교환 물질(8)이 불균일하게 충전되는 것을 방지하기 위해서 제 1 및 제 2 프레임(21, 22)에 복수의 리브(23)가 수직으로 제공된다. 도면에는 도시하지 않았지만, 제 1 프레임(21)과 제 2 프레임(22)은 그들의 상단부에 처리대상의 물 및 처리된 물을 위한 입구와, 제 1 및 제 2 소탈염 챔버를 통한 물의 흐름이 동시에 일어날 때 그들의 하단부에제공되는 처리된 물을 위한 출구를 구비한다. 변형예로서, 제 1 프레임(21)과 제 2 프레임(22)의 상단부가 처리대상의 물을 위한 입구와 처리된 물의 출구를 구비하며, 제 1 및 제 2 소탈염 챔버를 통한 물의 흐름이 동시에 일어날 때 하단부에 처리된 물을 위한 입구와 처리된 물을 위한 출구가 제공된다. 도 1은 사이에 있는 도시하지 않은 스페이서와 평행하게 제공되는 복수의 탈이온화 모듈(20)을 도시한다. 평행한 탈이온화 모듈(20)의 일측에 캐소드(6)가 제공되고, 평행한 탈이온화 모듈(20)의 타측에 애노드(7)가 제공된다. 전술한 스페이서는 탈이온화 모듈(20)과 농축 챔버(1)의 사이에 제공된다. 양이온 교환막, 음이온 교환막, 또는 이온 교환 관능성을 갖지 않는 격판과 같은 분리막이 최외측 탈염 챔버(D)의 양쪽에 외부적으로 제공될 수 있다. 전극 챔버(2, 2)는 전극(6. 7)과 각기 접촉하게 되는 분리막에 의하여 분리된 부분내에 제공될 수 있다. 상기 중공형 프레임에는, 프레임과 이온 교환막이 적층될 때 프레임과 이온 교환 물질 사이에 이온 교환 물질에 의하여 충전될 공간을 형성할 수 있는 물질이라면 어떠한 것도 사용가능하다. 예를 들면 이 프레임은 4변형의 단면을 갖는 피어 부재(pier member)로부터 형성될 수 있다.
탈이온수를 생산하기 위하여 이러한 유형의 EDI 장치를 이용할 때 그 장치는 다음가 같이 동작한다. 캐소드(6)와 애노드(7)의 사이에 직류가 인가된다. 처리대상의 물이 처리대상의 물 공급선(11)으로부터 공급되고, 농축수가 농축수 공급선(15)으로부터 공급된다. 전극수가 전극수 공급선(17, 17)으로부터 공급된다. 처리대상의 물 공급선(11)으로부터 공급된 처리대상의 물은 불순물 이온을 제거하는 이온 교환 물질(8)을 통하여 제 2 소탈염 챔버(d2, d4, d6, d8)내에서 흐른다. 그 다음에 처리된 물은 제 2 소탈염 챔버의 처리된 물 배출선(12)을 거쳐서 제 1 소탈염 챔버의 처리대상의 물 공급선(13)으로 진행하고, 마찬가지로 불순물 이온을 제거하는 이온 교환 물질(8)을 통하여 제 1 소탈염 챔버(d1, d3, d5, d7)내에서 흐른다. 따라서 탈이온수 배출선(14)내에 탈이온수가 생산될 수 있다. 농축수 공급선(15)으로부터 공급된 농축수가 각각의 농축 챔버를 통과하여, 양이온 교환막(3) 및 음이온 교환막(4)을 거친 불순물을 받아들이고, 농축수 배출선(16)으로부터 배출된다. 전극수가 전극수 공급선(17, 17)로부터 공급되고, 전극수 배출선(18, 18)으로부터 배출된다. 이러한 방식으로, 처리대상의 물 속에 있는 불순물 이온이 전기적으로 제거된다.
중간의 이온 교환막은 양이온 또는 음이온 교환막으로 된 단일 막 또는 양이온과 음이온 교환막의 이산된 막중 어느 하나일 수 있다. 이산된 막이 EDI 장치의 상측이나 하측중 어느 한쪽에 음이온 교환막을 그리고 타측에 양이온 교환막을 구비할 때, 음이온 및 양이온 교환막의 각 높이(영역)는 처리대상 물체, 처리대상의 물의 품질 등에 의하여 결정된다. 단일 막을 이용하는 경우, 이온 교환막의 특성은 소망하는 제거대상 이온에 의하여 결정된다.
제 1 및 제 2 소탈염 챔버는 임의의 두께를 가질 수 있고, 따라서, 이 두께는 제 1 또는 제 2 소탈염 챔버내에 충전될 이온 교환 물질의 유형 및 그것의 충전 방법을 위한 최적의 두께로 설정될 수 있다. 따라서, 제 1 소탈염 챔버의 두께는3mm로 설정될 수 있고, 제 2 소탈염 챔버의 두께는 6mm로 설정될 수 있으며, 탈염 챔버의 두께인 전체 두께는 9mm로 설정될 수 있다. 복수의 소탈염 챔버 및 농축 챔버를 교대로 제공하는 경우에, 소탈염 챔버의 양쪽에 있는 양이온 및 음이온 교환막에 의하여 규정된 소탈염 챔버 격실의 두께는 종래의 장치의 경우에 비하여 증가될 수 있고, 바람직하게는 1,5 내지 18mm, 더욱 바람직하게는 6.5 내지 15mm, 훨씬 더 바람직하게는 9 내지 13mm로 설정될 수 있다.
단일 층의 음이온 교환 물질, 단일 층의 양이온 교환 물질, 양이온 교환 물질과 음이온 교환 물질의 혼합된 이온 교환 물질 및 이들의 조합을 구비하는 (그러나 이것에 제한되지는 않음) 탈염 챔버내에 충전하기 위하여 임의의 이온 교환 물질을 사용할 수 있다. 이온 교환 관능성을 갖는 임의의 물질을, 이온 교환 수지, 이온 교환 섬유 및 이들의 조합을 구비하는 (그러나 이것에 제한되지는 않음) 이온 교환 물질로서 사용할 수 있다.
처리대상의 물은 제 1 및 제 2 소탈염 챔버내에서 양 방향으로 흐를 수 있다. 즉, 제 1 및 제 2 소탈염 챔버내의 흐름 방향이 서로 본 발명에서 기술한 바와 같은 동일한 방향 대신에 서로 반대일 수 있다 소탈염 챔버의 순서를 바꿀 수도 있다. 즉 본 실시예의 구성 대신에 처리대상의 물이 먼저 제 1 소탈염 챔버내에서 흐른 다음에 제 2 소탈염 챔버 내에서 흐를 수도 있다. 농축수의 흐름 방향은 적절히 결정된다.
도 3은 중간의 이온 교환막으로서 사용되는 음이온 교환막, 제 1 소탈염 챔버(d1)를 충전하기 위하여 사용되는 혼합된 음이온 및 양이온 교환 수지, 제 2 소탈염 챔버(d2)를 충전하기 위하여 사용되는 단일의 음이온 교환 수지를 구비하는 본 발명을 도시하고 있다. 도 3은 도 1에 도시한 탈염 챔버와 농축 챔버 사이의 관계를 도시하여, 종래의 장치를 도시하는 도 4와 비교하고자 한다. 도 3에 있어서, 제 2 소탈염 챔버를 통하여 흐른 처리대상의 물과, 제 2 소탈염 챔버를 통하여 흘러서 제 1 소탈염 챔버로 공급된 물은 전량 하류로 흐르고, 이 때 농축수는 처리대상의 물과 반대인 상향으로 흐른다. 처리대상의 물은 처리대상의 물 공급선(11)으로부터 공급되고, 제 2 소탈염 챔버(d2, d4, d6)(d8은 도시하지 않음)로 하향으로 흘러서 단일 음이온 교환 수지(A)를 통과하게 되며, 그 곳에서 염화물 이온 및 황화물 이온과 같은 음이온 구성물질이 양이온 교환막을 거쳐서 농축 챔버(a)로 이송되어 제거되게 된다. 이러한 이온 제거는 특히 처리대상의 물의 입력 단부 근처에서 발생한다. 이러한 공정중에는, 처리대상의 물의 양이온 구성물질이 물속에 잔류한다. 제 2 소탈염 챔버의 처리된 물 배출선(12)을 통과한 물은 그 다음에 제 1 소탈염 챔버의 처리대상의 물 공급선(13)을 통과하고, 소탈염 챔버(d1, d3, d5)(d7은 도시하지 않음) 내로 흘러서 혼합된 양이온 및 음이온 교환 수지(M)를 통과하게 되며, 그 곳에서 마그네슘 및 칼슘과 같은 양이온 구성물질이 양이온 막(c)을 거쳐서 농축 챔버로 이송되어 제거되게 된다. 제 1 소탈염 챔버의 입력 단부(제 2 소탈염 챔버의 입력 단부) 근방에서 이온 제거가 특히 두드러진다. 따라서 탈이온수 배출선(14) 내에 탈이온수가 생산될 수 있다. 제 1 소탈염 챔버의 입력 단부 근처에서제거된 마그네슘 및 칼슘 이온과 같은 농축된 양이온 구성물질을 갖는 농축수가 농축 챔버로부터 바로 배출되므로, 농축 챔버내의 스케일 형성이 방지될 수 있다.
도 3으로부터 볼 수 있는 바와 같이, 본 발명에 있어서, 이온 교환 물질로 충전된 소탈염 챔버당 농축 챔버의 수를 종래의 장치에 비해서 대략 1/2로 감소시킬 수 있고, 따라서 EDI 장치의 전기 저항을 대폭 감소시킬 수 있다. 더구나, 농축 챔버의 수가 종래의 장치에 비하여 상대적으로 적기 때문에, 농축 챔버를 통하여 흐르는 농축수의 이온 농도가 증가될 수 있으므로, 결과적으로 전기 전도율이 향상되고 전기 저항이 감소하며, 이와 동시에 농축 챔버를 통한 농축수의 유량이 증가될 수 있으며, 그에 따라서 농축 챔버내에 스케일이 형성되지 않게 된다. 또한 사용되는 이온 교환막의 양을 감소시킬 수 있다.
본 실시예에 있어서, 혼합된 음이온 및 양이온 교환 물질로 충전된 제 1 소탈염 챔버의 두께를 0.8mm 내지 8mm로, 더욱 바람직하게는 2mm 내지 5mm로 설정함에 의해서, 그리고 음이온 교환 물질로 충전된 제 2 소탈염 챔버의 두께를 5mm 내지 15mm로, 더욱 바람직하게는 6mm 내지 10mm로 설정함에 의해서, 낮은 전기 저항과 높은 전류 효율을 얻을 수 있다. 제 1 소탈염 챔버의 두께가 0.8mm 미만이라면, 물이 충분히 오랜 기간 동안 제 1 소탈염 챔버내에 잔류하지 않으므로 처리된 물의 품질이 저하된다. 한편 제 1 소탈염 챔버 각각의 두께가 0.8mm를 초과한다면, 전기 저항이 증가하여, 장치를 안전하게 동작시키는데 어려움이 있을 것이다. 마찬가지로, 제 2 소탈염 챔버 각각의 두께가 5mm 미만이라면, 물이 충분히 오랫 동안 그 내에 머물지 않으므로, 처리된 물의 품질이 저하된다. 제 2 소탈염 챔버각각의 두께가 15mm를 초과한다면, 효율 증가에 비하여 전기 저항의 증가가 더욱 현저해지므로, 그 구성은 바람직하지 않다.
전술한 바와 같이, 본 발명에 있어서, 하나의 탈염 챔버가 2개의 소탈염 챔버로 분할된다. 이러한 구성에 의하면, 이온 교환 물질로 충전된 소탈염 챔버당 농축 챔버의 수를 종래의 장치에 비하여 대략 1/2로 감소시킬 수 있으므로, EDI 장치의 전기 저항이 대폭 감소될 수 있다. 게다가, 농축 챔버의 수가 종래의 장치의 경우에 비하여 상대적으로 적기 때문에, 농축 챔버를 통하여 흐르는 농축수 이온 농도가 증가될 수 있고, 전기 전도율이 증가될 수 있으며, 결과적으로 농축 챔버 내에서 흐르는 농축수의 유량이 증가될 수 있어, 농축 챔버내의 스케일 형성이 방지된다. 2개의 소탈염 챔버중 적어도 하나는 음이온 교환 물질 또는 양이온 교환 물질과 같은 단일의 이온 교환 물질로 충전될 수 있다. 탈염 챔버의 두께는 전기 저항이 감소하도록 최적으로 설정할 수 있고, EDI 장치에 이용되는 이온 교환막의 양은 종래의 장치의 경우에 비하여 감소시킬 수 있다.
본 발명의 탈이온화 모듈은 종래의 탈이온화 모듈보다 단 하나 더 많은 프레임과 하나 더 많은 이온 교환막을 필요로 한다. 이것은 탈이온화 모듈의 기본 구성이 개선된다는 점에 비추어 작은 변화이다. 더구나 모듈의 수는 종래의 것에 비하여 절반으로 감소시킬 수 있다.
단일의 이온 교환막을 중간의 이온 교환막으로서 사용하는 경우에, 이온 교환막은 처리대상의 물로부터 제거할 이온에 따라서 선택할 수 있다. 특히, 처리대상의 물로부터 더 많은 양이온을 제거하고자 하는 경우에는 양이온 교환막을 사용할 수 있고, 처리대상의 물로부터 더 많은 음이온을 제거하고자 하는 경우에는 음이온 교환막을 사용할 수 있다. 복합 또는 이산 막이 사용되는 경우에는, 장치의 상측에 양이온 교환막이 제공되고 하측에 음이온 교환막이 제공되며, 그 역도 가능하다. 예를 들면 양이온 교환막이 제 1 소탈염 챔버의 입력측(입구측)상에 제공되고, 음이온 교환막이 제 1 소탈염 챔버의 배출측(출구측)에 제공된 경우에, 양이온 구성물질은 제 2 소탈염 챔버로부터 제 1 소탈염 챔버로 이동하여, 제 1 소탈염 챔버의 pH 값을 알칼리 쪽으로 변화시킨다. 따라서, 비이온 실리카의 이온화가 증진되고, 제 1 소탈염 챔버의 배출측(출구측)에 제공된 음이온 교환막을 통하여 실리카의 추가 감소가 발생한다.
제 2 소탈염 챔버가 음이온 교환 물질로 충전되고 제 1 소탈염 챔버가 음이온 및 양이온 교환 물질의 혼합물로 충전되는 구조체의 경우에는, 많은 양의 음이온 구성물질을 갖는 물, 특히 실리카 및 탄산과 같은 약산 구성물질을 함유하는 물을 충분히 처리하는 것이 가능하다. 음이온 및 양이온 물질의 혼합된 교환 물질로 충전된 소탈염 챔버내의 처리대상의 물과 농축수가 반대방향으로 흐르면, 마그네슘 및 칼슘 이온과 같은 농축 양이온 구성물질을 갖는 농축수가 농축 챔버로부터 바로 배출될 수 있으므로, 농축 챔버내에 스케일이 형성되지 않는다.
실험예
본 발명을 실험예에 의하여 더욱 기술한다. 이 실험예는 단순히 예시적인 것으로서 본 발명의 범위를 한정할 의도는 아니다.
실험예 1
도 3에 도시한 바와 같은 3개의 평행한 탈이온화 모듈(6개의 소탈염 챔버)을 포함하는 EDI 장치를 하기의 사양에 의하여 준비하였다. 하기의 작동 조건에서 탈염 챔버 및 농축 챔버 내로 물을 5000 시간동안 통과시켰다. 그 결과를 표 1에 도시한다.
사양:
처리대상의 물 및 공급 농축수:
역삼투 장치로 공업용 물을 처리함으로써 얻어진 투과된 물
처리대상의 물의 비저항: 0.31MΩ·cm(=MΩcm)
제 1 소탈염 챔버: 폭 300mm, 높이 600mm, 두께 3mm
제 1 소탈염 챔버를 충전하는 이온 교환 수지:
A:K의 용적비가 1:1인 음이온 교환 수지(A)와 양이온 교환 수지(K)의 이온 교환 수지 혼합층
제 2 소탈염 챔버: 폭 300mm, 높이 600mm, 두께 8mm
제 2 소탈염 챔버를 충전하는 이온 교환 수지:
음이온 교환 수지의 단일 층
전체 유량: 1m3/h
전류: 1.5A의 일정한 값
비교예 1
도 4에 도시한 바와 같은 6개의 평행한 탈이온화 모듈을 포함하는 EDI 장치를 하기의 사양에 의하여 준비하였다. 하기의 작동 조건에서 탈염 챔버 및 농축 챔버 내로 물을 5000 시간동안 통과시켰다. 그 결과를 표 1에 도시한다. 처리대상의 물과 공급 농축수의 품질 및 장치의 전체 유량은 실험예 1의 것과 동일하였다.
사양:
탈염 챔버: 폭 300mm, 높이 600mm, 두께 8mm
탈염 챔버를 충전하는 이온 교환 수지:
실험예 1의 것과 동일한 음이온 교환 수지의 단일 층으로 충전된 탈염 챔버의 상반부와, 실험예 1의 것과 동일한 이온 수환 수지의 혼합 층으로 충전된 탈염 챔버의 하반부
실험예 1의 것과 동일한 교환 수지
전류: 1.5A의 일정한 값
(표 1)
실험예 1 비교예 1
평균 인가 전압(V) 100 150
전류(A) 1.5 1.5
5000 시간 탈이온화후 처리된 물의 비저항(MΩ·cm) 17.9 17.7
표 1로부터, 실험예 1의 EDI 장치는 1.5A의 전류를 유지할 예정일 때 비교예 1에 비추어 33% 전력이 감소한다는 것을 알 수 있다.
비교예 2
실험예 1의 것과 유사하지만 양이온 및 음이온 교환 수지의 혼합 층으로 충전된 제 1 소탈염 챔버의 두께를 0.5mm로 변화시킨 장치를 준비하였다. 이 장치를실험예 1의 것과 동일한 상태에서 작동시켰다. 그 결과를 표 2에 도시한다.
비교예 3
실험예 1의 것과 유사하지만 양이온 및 음이온 교환 물질의 혼합 층으로 충전된 제 1 소탈염 챔버의 두께를 10mm로 변화시킨 장치를 준비하였다. 이 장치를 실험예 1의 것과 동일한 상태에서 작동시켰다. 그 결과를 표 2에 도시한다.
비교예 4
실험예 1의 것과 유사하지만 음이온 교환 수지의 단일 층으로 충전된 제 2 소탈염 챔버의 두께를 3mm로 변화시킨 장치를 준비하였다. 이 장치를 실험예 1의 것과 동일한 상태에서 작동시켰다. 그 결과를 표 2에 도시한다.
비교예 5
실험예 1의 것과 유사하지만 음이온 교환 수지의 단일 층으로 충전된 제 2 소탈염 챔버의 두께를 17mm로 변화시킨 장치를 준비하였다. 이 장치를 실험예 1의 것과 동일한 상태에서 작동시켰다. 그 결과를 표 2에 도시한다.
(표 2)
비교예
2 3 4 5
평균 인가 전압(V) 80 140 100 120
전류(A) 1.5 1.5 1.5 1.5
5000 시간 탈이온화후 처리된 물의 비저항(MΩ·cm) 7.7 16.8 15.5 17.1
표 2에 도시한 바와 같이, 소탈염 챔버 각각의 두께가 지나치게 증가 또는 감소한 경우에, 장치의 전기 저항이 증가되거나 또는 처리된 물의 품질이 저하되었다.
본 발명에 따르면, 하나의 탈염 챔버가 2개의 소탈염 챔버로 분할된다. 이러한 구성에 의하면, 이온 교환 물질로 충전된 소탈염 챔버당 농축 챔버의 수를 종래의 장치에 비하여 대략 1/2로 감소시킬 수 있으므로, EDI 장치의 전기 저항을 대폭 감소시킬 수 있다. 게다가, 농축 챔버의 수가 종래의 장치의 경우에 비하여 상대적으로 적기 때문에, 농축 챔버를 통하여 흐르는 농축수 이온 농도가 증가될 수 있고, 전기 전도율이 증가될 수 있으며, 결과적으로 농축 챔버 내에서 흐르는 농축수의 유량이 증가될 수 있어, 농축 챔버내의 스케일 형성이 방지된다. 2개의 소탈염 챔버중 적어도 하나는 음이온 교환 물질 또는 양이온 교환 물질과 같은 단일의 이온 교환 물질로 충전될 수 있다. 탈염 챔버의 두께는 전기 저항이 감소하도록 최적으로 설정할 수 있고, EDI 장치에 이용되는 이온 교환막의 양을 종래의 장치의 경우에 비하여 감소시킬 수 있다.

Claims (17)

  1. 물로부터 이온을 제거하기 위한 전기식 탈이온수 제조장치에 있어서,
    일측에 양이온 교환막을 그리고 타측에 음이온 교환막을 각기 구비하며, 이온 교환 물질로 충전되는 일련의 탈염 챔버와;
    상기 양이온 및 음이온 교환막의 양측에 제공되는 농축 챔버와;
    상기 탈염 챔버와 상기 농축 챔버를 사이에 개재하는 한쌍의 전극을 포함하며;
    상기 각각의 탈염 챔버는 상기 양이온 교환막과 음이온 교환막의 사이에 제공되는 중간의 이온 교환막에 의해서 2개의 소탈염 챔버로 분할되는 전기식 탈이온수 제조장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    각각의 탈염 챔버가:
    순서대로 적층된
    상기 양이온 교환막과;
    제 1 프레임과;
    상기 중간의 이온 교환막과;
    제 2 프레임과;
    상기 음이온 교환막을 구비하는 전기식 탈이온수 제조장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 중간의 이온 교환막은 단일의 양이온 교환막과, 단일의 음이온 교환막과, 이산된 양이온 및 음이온 교환막의 그룹으로부터 선택된 하나의 교환막인 전기식 탈이온수 제조장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 2개의 소탈염 챔버는 입구 및 출구를 각기 구비하고;
    상기 2개의 소탈염 챔버중 하나의 출구는 다른 소탈염 챔버의 입구에 접속되어, 상기 2개의 소탈염 챔버들이 연속적으로 연결될 수 있게 하는 전기식 탈이온수 제조장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 2개의 소탈염 챔버중 하나의 출구는 접속선에 의하여 다른 소탈염 챔버의 입구에 접속되고,
    처리대상의 물이 상기 2개의 소탈염 챔버의 양자 내에서 동일 방향으로 흐르는 전기식 탈이온수 제조장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    각각의 탈염 챔버(2개의 소탈염 챔버)를 사이에 개재하는 상기 농축 챔버 내에서 농축수가 상기 탈염 챔버 내에서의 처리대상의 물의 흐름 방향과 반대 방향으로 흐르는 전기식 탈이온수 제조장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 소탈염 챔버의 각각이 다른 소탈염 챔버내의 것과 다른 이온 교환 물질(들)로 충전되는 전기식 탈이온수 제조장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 2개의 소탈염 챔버중 하나가 상기 중간의 이온 교환막 및 음이온 교환막으로 규정되고, 음이온 교환 물질로 충전되며;
    다른 소탈염 챔버는 상기 양이온 교환막과 상기 중간의 이온 교환막에 의하여 규정되고, 음이온 및 양이온 교환 물질로 충전되는 전기식 탈이온수 제조장치.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 2개의 소탈염 챔버는 상이한 두께를 갖는 전기식 탈이온수 제조장치.
  10. 제 8 항에 있어서,
    음이온 교환 물질로 충전된 상기 하나의 소탈염 챔버는 5mm 내지 15mm의 두께를 갖고;
    상기 양이온 및 음이온 교환 물질로 충전된 상기 다른 소탈염 챔버는 0.8mm 내지 8mm의 두께를 갖는 전기식 탈이온수 제조장치.
  11. 제 3 항에 있어서,
    상기 2개의 소탈염 챔버중 하나는 상기 중간의 이온 교환막과 음이온 교환막으로 규정되고, 음이온 교환 물질로 충전되며;
    상기 다른 소탈염 챔버는 상기 양이온 교환막과 중간의 이온 교환막으로 규정되고, 음이온 및 양이온 교환 물질로 충전되는 전기식 탈이온수 제조장치.
  12. 일측에 양이온 교환막을 그리고 타측에 음이온 교환막을 각기 구비하며, 이온 교환 물질로 충전되는 일련의 탈염 챔버와; 상기 양이온 또는 음이온 교환막을 거쳐서 상기 탈염 챔버의 양측에 제공되는 농축 챔버와; 상기 탈염 챔버와 상기 농축 챔버의 조립체를 사이에 개재하는 한쌍의 전극을 포함하며; 상기 각각의 탈염 챔버는 상기 양이온 교환막과 음이온 교환막의 사이에 제공되는 중간의 이온 교환막에 의해서 두 개의 소탈염 챔버로 분할되는 전기식 탈이온수 제조장치를 이용하여 탈이온수를 생산하기 위한 전기식 탈이온수 제조방법에 있어서,
    상기 처리대상의 물을 제 1 소탈염 챔버로 공급하고 상기 제 1 소탈염 챔버로부터 배출된 물을 상기 제 2 소탈염 챔버로 공급하는 한편, 상기 전극 쌍의 사이에 전압을 인가하는 단계와;
    농축수를 상기 농축 챔버로 공급하는 단계와;
    상기 처리대상의 물 내에 존재하는 불순물 이온을 상기 농축수 내에서 농축시키는 단계와;
    탈이온수를 상기 제 2 소탈염 챔버로부터 배출되는 물로서 생산하는 단계를 포함하는 전기식 탈이온수 제조방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 물이 상기 2개의 소탈염 챔버의 양자에서 동일한 방향으로 흐르는 전기식 탈이온수 제조방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 농축 챔버 내의 농축수가 상기 2개의 소탈염 챔버 내의 물 흐름과 반대 방향으로 흐르는 전기식 탈이온수 제조방법.
  15. 제 12 항에 있어서,
    상기 중간의 이온 교환막은 단일의 양이온 교환막과, 단일의 음이온 교환막과, 이산된 양이온 및 음이온 교환막의 그룹으로부터 선택되는 전기식 탈이온수 제조방법.
  16. 제 12 항에 있어서,
    상기 2개의 소탈염 챔버중 하나가 상기 중간의 이온 교환막 및 상기 음이온 교환막으로 규정되고, 음이온 교환 물질로 충전되며;
    다른 소탈염 챔버는 상기 양이온 교환막과 상기 중간의 이온 교환막에 의하여 규정되고, 음이온 및 양이온 교환 물질로 충전되는 전기식 탈이온수 제조방법.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 중간의 이온 교환막은 단일의 양이온 교환막과, 단일의 음이온 교환막과, 이산된 양이온 및 음이온 교환막의 그룹으로부터 선택되는 전기식 탈이온수 제조방법.
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