KR100426669B1 - 전기 탈이온화 장치 및 정수 제조 장치 - Google Patents

전기 탈이온화 장치 및 정수 제조 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 기본 정수 시스템 및 복구 시스템에 유용한, 실리카 및 붕소를 비롯한 약전해질의 제거율을 개선시킨 전기 탈이온화 장치에 관한 것이다. 정수 제조 장치는 18 ㏁·cm 이상의 저항을 비롯한 우수한 품질을 가진 처리수를 제조할 수 있다. 전기 탈이온화 장치(3A)는, 탈염부와 농축부를 교대로 형성하도록 다수의 양이온 교환막과 다수의 음이온 교환막이 전극 사이에 교대로 배열되어 있다. 탈염부에는 이온 교환 물질이 채워져 있다. pH가 8.5 이하인 공급수를 알칼리제의 첨가없이 처리하는 경우, 처리수의 pH는 공급수의 pH보다 1.0 이상 높다. 정수 제조 장치는, 공급수가 전기 탈이온화 장치를 유통하도록 다수의 전기 탈이온화 장치(3A,3B)가 서로 연결되어 있다.

Description

전기 탈이온화 장치 및 정수 제조 장치{ELECTRODEIONIZATION APPARATUS AND PURE WATER PRODUCING APPARATUS}
본 발명은 반도체 제조, 액정 제조, 의약 제조, 식품 가공, 발전(發電), 전용 장치, 연구 시설 등을 비롯한 다양한 분야에서 탈이온수를 제조하는 데 사용하는 전기 탈이온화 장치에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 실리카 및 붕소를 비롯한 약전해질을 고속으로 제거하고, 정수 제조 장치의 기본적인 정수 시스템 및 복구 시스템에 사용하기에 적합한 전기 탈이온화 장치에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 본 발명의 전기 탈이온화 장치를 사용하는 정수 제조 장치에 관한 것으로서, 이 장치는 저항이 18.0 ㏁·cm 이상인 양질의 처리수를 제공한다.
탈이온수를 제조하는 데 사용되는 전기 탈이온화 장치는 반도체 제조 시설, 액정 제조 시설, 의약 제조 산업, 식품 가공 산업, 발전 산업, 전용 장치 및 연구 시설 등을 비롯한 다양한 분야에 사용된다.
도 3은 JPH4-72567B, JP2751090 및 JP2699256에 개시된 전기 탈이온화 장치를 제시한 것으로, 이 장치는 다수개의 음이온 교환막(13) 및 다수개의 양이온 교환막(14)이 농축부(15)와 탈염부(16)를 교대로 형성하도록 전극(양극(11), 음극(12)) 사이에 교대로 배열되어 있고, 탈염부(16)는 이온 교환 수지, 이온 교환 섬유 또는 그라프트 교환 물질을 포함하는 음이온 교환 물질 및 양이온 교환 물질이 혼합된 형태 또는 다층 형태로 채워져 있다. 도 3에서, 참고 번호 '17'은 양극부를 나타낸 것이고, '18'은 음극부를 나타낸 것이다.
전기 탈이온화 장치에서는, 물이 분해되어 H+이온 및 OH-이온이 형성됨으로써 탈염부에 채워진 이온 교환 물질이 연속적으로 재생되며, 이로써 전기 탈이온화 장치가 물을 효율적으로 탈염시킬 수 있다.
도 12는 전기 탈이온화 장치의 구조를 나타낸 분해도이다.
전기 탈이온화 장치는 음극 말단판(101), 이 말단판(101)을 따라 연장되는 음극(102), 음극(102)의 외주변을 따라 연장되는 음극 스페이서(103)가 기재된 순서대로 중첩되어 있다. 또한, 음극 스페이서(103) 상에는 양이온 교환막(104), 탈염부를 한정하는 프레임(105), 음이온 교환막(106), 및 농축부를 한정하는 프레임(107)이 기재된 순서대로 중첩되어 있다. 양이온 교환막(104), 탈염부를 한정하는 프레임(105), 음이온 교환막(104), 농축부를 한정하는 프레임(107)이 하나의 유닛을 구성한다. 상기 장치는 그러한 중첩된 다수개의 유닛으로 구성되어 있다. 즉, 막(104), 프레임(105), 막(106) 및 프레임(107)이 반복적으로 중첩되어 있다. 마지막 음이온 교환막(106)과 양극 스페이서(108) 사이에 양극(109)이 배치되어 있다. 양극 말단판(110)은 양극 전극(109) 상에 배치되어 있다. 이 장치는 볼트 등에 의해 단단하게 고정되어 있다.
프레임(105)의 내면에 의해 한정된 공간은 탈염부로서, 이 내부에는 이온 교환 수지 등의 이온 교환 물질(105R)이 채워져 있다. 프레임(107)의 내면에 한정된 공간은 농축부로서, 이 내부에는 매쉬 스페이서를 비롯한 스페이서가 배치되어 있다.
양극(109)과 음극(102) 사이에 직류 전류가 공급되고, 처리하고자 하는 원수(原水)는 원수 주입 라인(111)을 통해 탈염부로 공급되며, 농축된 물은 농축수 주입 라인(112)을 통해 농축부(108)로 공급된다. 탈염부로 공급된 원수는 이온 교환 수지가 채워진 층을 통해 유동함에 따라 원수 중의 불순물 이온이 제거됨으로써, 원수가 탈이온수로 되어 탈이온수 배출 라인(113)을 통해 유출된다.
불순물 이온은 막(104,106)을 투과하고, 농축수는 농축부로 공급되며, 농축수는 농축수 배출 라인(114)을 통해 유출된다. 전극수(電極水)는 라인(115,116)으로 유입되어 라인(117,118)으로 유출됨으로써 전극부를 통과한다.
탈염부를 수직 방향으로 긴 형태의 셀로 분할하기 위한 수직 격벽이 탈염부에 갖춰진 전기 탈이온화 장치가 JP4-72567B에 개시되어 있다. 이온 교환 수지가각각 채워진 격벽에 의해 긴 셀로 분할된 탈염부를 구비하고 있는 이 전기 탈이온화 장치에 따르면, 탈염부의 주입부로부터 배출부로의 물의 흐름이 부분적으로 한쪽으로 치우지는 채널화 현상(channelizing phenomenon)이 방지되고, 탈염부 중의 이온 교환 수지가 압착되거나 이동하는 것이 방지된다.
JP4-72567B의 전기 탈이온화 장치에서는, 탈염부가 수직 방향으로 분할됨으로써 셀이 형성되기 때문에 셀의 수가 제한된다. 즉, 이 장치 내에는 다수의 셀이 형성될 수 없다. 또한, 격벽에 의해 물의 측방향 유동이 차단되므로, 물과 이온 교환 수지 사이의 접촉 효율이 불량하다. 또한, 이온 교환 수지가 셀의 하부에 압착되므로 셀의 상부에는 빈 공간이 형성되며, 따라서 이온 교환 수지의 충전율이 불량하다.
도 4는 수도물 등의 원수를 활성탄 처리 장치(1), 역삼투막 처리 장치(2) 및 전기 탈이온화 장치(3)에서 처리하는, 전기 탈이온화 장치를 구비한 종래의 정수 장치를 나타낸 시스템 도표이다.
전기 탈이온화 장치에서 이산화탄소 가스(CO2), 실리카, 붕소 등을 비롯한 약전해질을 제거하기 위해서는, 다음과 같이 탈염부에서 이들 전해질을 이온화시켜 이온을 형성해야 한다.
종래의 전기 탈이온화 장치도 물을 분해시키기 위한 인가 전압을 상승시키면CO2와 같이 해리 상수(pKa)가 낮은 약전해질을 완전히 제거할 수 있다. 그러나, 종래의 전기 탈이온화 장치는 실리카 및 붕소 등의 해리 상수가 높은 약전해질은, 인가 전압을 상승시키는 경우에도 약 60∼90% 밖에 제거하지 못한다.
이러한 문제점을 해소하기 위해 이하의 방법들이 제안되었었다.
1. 음이온 교환층에서 물이 일시적으로 알칼리화될 수 있도록, 탈염부를 음이온 교환층 및 양이온 교환층으로 구성된 다층형 이온 교환 물질로 채우는 방법(JP-H471624A에 개시).
2. 공급수의 pH를 9.5 내지 11.5로 조절하여 전기 탈이온화 장치에 공급하는 방법(USP 4,298,442호에 개시).
3. 종래의 전기 탈이온화 장치를 2 단계 이상에 제공하고, 전기 탈이온화 장치 앞 2 단계 이상에 RO 장치를 제공하여 실리카를 제거하는 방법.
상기 방법 I의 경우에는, 다층형 이온 교환 물질이 채워진 탈염부가 실리카의 농도를 반도체 제조 분야 등에서 요구되는 수준인 0.1 ppb 미만으로 저하시키지 못한다.
상기 방법 II의 경우에는, 실리카의 제거율이 5∼10% 만큼 증가하였으나, pH를 조절하기 위해 가성 소다를 비롯한 첨가제를 첨가하는 장치가 요구되고, 공급수로부터 Ca 및 Mg를 비롯한 경성(硬性) 물질을 완전히 제거하기 위한 연화 장치를 제공해줘야 하므로 시설 비용이 증가한다.
상기 방법 III의 경우에는, 전기 탈이온화 장치에 의해 처리된 물이 실리카 및 붕소를 0.5 내지 1.0 ppb 이상 함유하고 있기 때문에, 전기 탈이온화 장치 이후에 비재생성 혼합층 유형의 전기 탈이온화 장치가 필요하다.
통상적으로, 전기 탈이온화 장치에 임계적 전류 밀도를 초과하는 전류를 가하여 탈염화를 이루면, 전술한 바와 같이 물이 분해되어 OH-및 H+가 형성되어 전하를 보유하게 된다. H+이온의 이동성은 349.7 ㎠Ω-1eq-1로서, 나머지 이온의 이동성(30 내지 70 ㎠Ω-1eq-1, 일본 화학 협회에서 발간한 화학 교과서 참조)에 비해 매우 크다. 따라서, 특히 탈염부의 두께(W)가 큰 경우에는 H+과 OH-간의 이동성의 차이가 증가하여 H+는 농축부로 급속히 배출되는 경향이 있는 한편, OH-는 탈염부 내에 잔재하는 경향이 있다. 또한, Na+와 K+는 1가이고 H+이온은 전자를 보유하고 있기 때문에 Na+와 K+는 탈염부 내에 잔재하는 경향이 있는 한편, Ca2+와 Mg2+를 비롯한 다가의 양이온과 음이온은 비교적 용이하게 농축부로 배출된다. 그 결과, 처리수는 NaOH 및 KOH 등의 1가 알칼리를 포함하게 되어 처리수(탈염수)가 알칼리화되는 경향이 있다.
이와 반대로, 농축수는 동일한 이유로 인해 산성이 된다.
도 1은 본 발명의 하나의 실시 형태에 따른 전기 탈이온화 장치 및 정수 제조 장치의 시스템 도표이다.
도 2는 실시예 6에 사용된 정수 제조 장치의 흐름도이다.
도 3은 종래의 전기 탈이온화 장치의 구조를 나타낸 단면도이다.
도 4는 종래의 정수 제조 장치의 시스템 도표이다.
도 5는 실시예 1에서 관찰된 처리수의 pH와 인가 전압 사이의 상호 관계를 나타낸 그래프이다.
도 6은 실시예 2 내지 5와 비교예 2 및 3에서 측정한 처리수의 저항 및 pH 측정치를 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명의 또다른 실시 형태에 따른 전기 탈이온화 장치의 단면도이다.
도 8은 본 발명의 또다른 실시 형태에 따른 전기 탈이온화 장치의 단면도이다.
도 9는 본 발명의 또다른 실시 형태에 따른 탈염부의 분해 사시도이다.
도 10은 격벽 부재를 따라 물이 유동하는 상황에서 격벽 부재를 나타낸 정면도이다.
도 11은 격벽 부재의 일례를 도시한 정면도이다.
도 12는 종래의 전기 탈이온화 장치의 분해 사시도이다.
도 13은 실시예 7에 사용된 정수 제조 장치의 흐름도이다.
도 14는 농축수의 전기 저항 및 전도성 간의 상호 관계를 나타낸 그래프이다.
도 15는 선행의 전기 탈이온화 장치 내로 공급되는 공급수 내에 함유된 Na의 농도와 선행의 전기 탈이온화 장치에 의해 처리된 처리수의 pH 간의 상호 관계를 나타낸 도표이다.
본 발명의 목적은 전술한 문제점을 해소하여 전기 탈이온화 장치가 스케일(scale)을 포함하지 않으면서, 가성 소다 등의 첨가제를 첨가하는 일이 없이 실리카, 붕소 등을 비롯한 약전해질의 제거율이 상당히 개선된 전기 탈이온화 장치를 제공하는 것이다. 또한, 전기 탈이온화 장치를 사용하는 정수 제조 장치를 제공하는 것도 역시 본 발명의 목적이다.
본 발명의 전기 탈이온화 장치는 양극, 음극, 농축부, 및 양극과 음극 사이에 다수의 음이온 교환막과 양이온 교환막을 배열하여 형성한 것으로 이온 교환 물질이 채워져 있는 탈염부를 갖추고 있다. 전기 탈이온화 장치는, 알칼리제를 첨가하는 일이 없이 pH 8.5 이하의 공급수를 처리하는 경우, 처리수의 pH가 공급수의 pH보다 1.0 이상 더 높게 생성될 수 있다.
본 발명의 전기 탈이온화장치는 실리카, 붕소를 비롯한 약전해질을 처리수
로부터 효율적으로 제거한다.
본 발명의 정수 제조 장치는 공급수가 순서대로 유동하는 다단계의 전기 탈이온화 장치를 갖추고 있다. 최선단의 전기 탈이온화 장치가 본 발명의 전기 탈이온화 장치이다.
최선단의 전기 탈이온화 장치는 이산화탄소 가스, 실리카, 붕소 및 경성 물질의 일부를 공급수로부터 제거한다. 최선단의 전기 탈이온화 장치에서 처리된 물은 공급수와 동일한 전도성 및 공급수보다 높은 pH를 갖는다.
최선단의 장치에 의해 처리된 물은 이어서 종래의 전기 탈이온화 장치에 의해 처리되어 잔류 실리카, 붕소 및 나머지 이온이 제거된다.
탈염부는 JPH4-72567B에 개시된 바와 같이 1.26∼6.35 mm의 범위를 초과하는 두께를 가지며, 음이온 교환 물질 단독 또는 양이온 교환 물질과 혼합된 음이온 교환 물질로 채워져 있으며, 이 전기 탈이온화 장치는 특이적으로 작동한다. 즉, 역삼투압 장치(RO 장치)로부터 배출되는 소량의 알칼리 금속 이온 또는 알칼리 토금속 이온을 포함하는 물이 전기 탈이온화 장치를 통해 유출되면, 실리카 및 붕소의 약 90%가 제거되는 것이외에도, 물 중의 이산화탄소 가스(CO2) 및 음이온이 제거된다.
또한, Ca 및 Mg 등의 경성 물질은 제거되는 한편, Na 및 K를 비롯한 1가 양이온은 제거하기가 어려워서, 몰 전도성이 높은 NaOH 및 KOH 등의 알칼리 물질이 처리수 내로 용출되어 처리수는 pH가 증가하고 전도성도 역시 약간 증가하는 경향이 있다.
전기 탈이온화 장치의 전술한 성능의 원인은 상세히 밝혀지지 않았으나, 후술하는 바로서 제안되었다. 즉, 탈염화를 이루기 위한 임계 전류를 초과하는 전류를 전기 탈이온화 장치에 가하면, 전술한 바와 같이 물이 분해되어 OH-및 H+가 형성되어 전하를 보유하게 된다. H+이온의 이동성은 349.7 ㎠Ω-1eq-1로서, 나머지 이온의 이동성(30 내지 70 ㎠Ω-1eq-1, 일본 화학 협회에서 발간한 화학 교과서 참조)에 비해 매우 크다. 따라서, 특히 탈염부의 두께(W)가 큰 경우에는 H+과 OH-간의 이동성의 차이가 증가하여 H+는 농축부로만 일방적으로 배출되는 경향이 있는 한편, OH-는 탈염부 내에 잔재하는 경향이 있다. 또한, H+이온이 전하를 보유하고 있기 때문에 Na+와 K+는 탈염부 내에 잔재하는 경향이 있는 한편, Ca2+와 Mg2+를 비롯한 다가 양이온은 비교적 용이하게 농축부로 배출된다. 그 결과, 처리수는 NaOH 및 KOH 등의 1가 알칼리를 포함하게 되어, 처리수의 pH가 증가하는 경향이 있다.
동일한 이유로 인해, OH-는 농축부 내에 잔재하는 경향이 있고, H+는 농축부로부터 배출되는 경향이 있기 때문에 농축수는 산성을 띠게 된다. 따라서, 전기 탈이온화 장치는, Ca2+및 Mg2+등의 물질이 고농도로 농축되는 경우에도 스케일이 형성되지 않는다.
본 발명의 전기 탈이온화 장치는, 양극과, 양극에 최근접한 탈염부의 음이온 교환막 사이에 양이온 교환막을 구비할 수 있으며, 이로써 양이온 교환막과 양극에 최근접한 탈염부 사이에 농축부가 형성되고, 양이온 교환막과 양극 사이에 양극부가 형성된다.
전기 탈이온화 장치에서는, 상기 부 내의 양이온 농도가 높고, 전극들 사이의 전기 저항이 낮기 때문에, 셀에 인가된 전압이 저하된다. 탈염부 내 스케일의 형성을 방지하기 위해, 음극부 내로 공급되는 전극수의 pH를 저하시킨다(또는, 전극수를 산성화시킨다). 이를 위해, 탈염부의 두께를 증가시켜, 농축부로부터 유출되어 음극부 내로 유입되는 물의 pH를 저하시킨다.
본 발명의 전기 탈이온화 장치는, 공급수를 다단계에 걸쳐 처리하도록 2개 이상의 전기 탈이온화 장치가 일렬로 연결되어 있는 정수 제조 장치의 최선단 전기 탈이온화 장치에 유용하다. 전도성이 10 μS/cm이고, 200 ppb의 실리카 및 20 ppb의 붕소를 함유하는 공급수가 본 발명의 제1 전기 탈이온화 장치를 통과한 후 제2종래의 전기 탈이온화 장치를 통과하는 경우, 제2 전기 탈이온화 장치로부터 유출된 물은 전기 저항이 18 ㏁·cm 이상이고, 실리카 및 붕소 함량이 이론적 정수와 유사한 수준인 0.1 ppb 이하이다. 선행의 제1 전기 탈이온화 장치는 Ca 및 Mg 등의 경성 물질을 제거하기 때문에, 후속 배치된 제2 전기 탈이온화 장치는 스케일을 함유하지 않고 물의 복구율이 95% 이상이다. 선행의 제2 전기 탈이온화 장치의 농축부는 산성수를 생성시키고, 후속의 전기 탈이온화 장치의 농축부는 알칼리수를 생성시킨다. 이들 산성수와 알칼리수는 함께 혼합하여 선행 RO 장치로 다시 공급할 수 있다.
본 발명의 전기 탈이온화 장치는 도 7 및 도 8에 제시된 바와 같이 두께가 7 mm 이상인 두꺼운 셀과 두께가 7 mm 미만인 얇은 셀을 구비하고 있어, 물이 두꺼운 탈염부로부터 얇은 셀로 일렬로 유동할 수 있다.
이하에서는, 본 발명의 전기 탈이온화 장치의 바람직한 실시 형태를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 전기 탈이온화 장치는, 공급수의 pH가 8.5 이하인 경우에, 알칼리제를 첨가하는 일이 없이 공급수보다 1.0 이상 더 높은 pH, 바람직하게는 약 1.3 내지 3.0 더 높은 pH를 가진 처리수를 형성할 수 있도록 구성되어 있다.
본 발명의 전기 탈이온화 장치는 이 장치 내에서 물의 pH를 상승시킴으로써 실리카 및 붕소를 비롯한 약전해질과 경성 물질을 효율적으로 제거한다.
본 발명의 전기 탈이온화 장치는 후술하는 i) 및 ii)의 구성을 이용하는 것이 바람직하다.
i) 전기 탈이온화 장치의 탈염부는 두께가 7 mm 이상인 것이 바람직하고, 8 내지 30 mm인 것이 더욱 바람직하다. 탈염부의 두께는 도 3에 도시된 바와 같이 양극(11)과 음극(12) 사이에 배열된 탈염부(16)의 두께(W)이다.
ii) 탈염부 내에 채워진 이온 교환 물질은 음이온 교환 물질과 양이온 교환 물질의 혼합물인 것이 가장 바람직하다. 높은 전압을 인가할 때에는, 이온 교환 물질로서 음이온 교환 물질만을 사용할 수도 있다. 탈염부의 일부는 이온 교환 물질의 혼합물로 채울 수도 있고, 그 나머지는 음이온 교환 물질만으로 채울 수도 있다.
탈염부 내 특정 영역이 양이온 교환 물질로 채워지고, 탈염부 내 나머지 영역이 양이온 교환 물질로 채워진 전기 탈이온화 장치는, 탈염부의 두께가 7 mm 이상인 경우에도 처리수의 저항이 바람직하지 않은 정도로 상승하고, pH가 중성이 된다. 이는, 나트륨 이온을 비롯한 1가 양이온이 양이온 교환 물질에 의해 제거되기 때문이다.
이온 교환 물질을 제1, 제2 또는 그 이후의 전기 탈이온화 장치 내 농축부 내에 채울 수도 있으며, 이로써 셀에 인가되는 전압이 저하될 수 있고, 그 결과 전력 소모가 감소한다.
농축부가 이온 교환 물질로 채워지고 셀에 3∼6 V/셀의 전압이 인가되는 조건에서 이루어진 처리는 농축부가 임의의 이온 교환 물질로 채워지지 않고, 셀에 15 V/셀의 전압이 인가되는 조건에서 이루어진 처리와 거의 동일하다.
이온 교환 물질로는 비드 또는 섬유 형태의 이온 교환 수지, 그라프트 중합반응에 의해 교환기가 섬유 또는 부직 시트 내로 도입된 그라프트 중합된 교환 물질 등을 사용할 수 있다.
양질의 처리수를 제공하기 위해, 이온 교환 물질은 일정한 직경의 비드 형태인 것이 바람직하다. 비드형 이온 교환 수지는, 비드의 90%가 평균 비드 직경의 10% 내에 속하고, 음이온 교환 수지와 양이온 교환 수지 사이의 상대적 평균 직경이 약 0.8 이상이다.
전술한 구성 i) 및 ii)을 이용하는 전기 탈이온화 장치는 후술하는 방식으로 작동시키는 것이 가장 바람직하다.
탈염부의 셀에 1 내지 50 V/셀, 바람직하게는 6 내지 50 V/셀, 가장 바람직하게는 10 내지 30 V/셀의 전압을 인가한다. 물은 30 내지 150/시간의 공간 속도(SV), 바람직하게는 50 내지 100/시간의 SV로 유동한다. 인가 전압이 너무 낮은 경우 또는 SV가 너무 높은 경우에는, 염소 이온, 실리카 및 붕소를 비롯한 1가 음이온이 처리수 내로 용출된다. 반대로, 인가 전압이 너무 높거나 또는 SV가 너무 낮은 경우에는, 1가 양이온이 너무 많이 제거된다.
전기 탈이온화 장치의 탈염부 내의 pH가 9.0 이상인 경우에는, 실리카 및 붕소가 쉽게 제거된다.
불균일한 셀을 가진 탈염부는 탈염부 내 pH를 9 이상으로 만들 수 있다. 구체적으로, 셀의 최대 두께에 대한 배출구 부근의 셀의 두께의 비율은 0.6 이하이다.
본 발명에 사용되는 이온 교환막은 균일하거나 또는 불균일할 수도 있는 한편, 막이 불균일한 경우에는 Na 용출율이 균일한 막의 용출율을 초과하므로, 처리수의 pH가 높아진다. 따라서, 양이온막은 불균일한 것이 바람직하다. 음이온 막은, 실리카 및 붕소의 제거율이 그대로 유지될 수 있도록 균일한 것이 바람직하다.
양이온 교환막의 전기 저항에 대한 음이온 교환막의 전기 저항의 비율이 0.8 이하인 경우에 Na가 쉽게 제거된다.
특히, 두께가 10∼20 mm인 탈염부가 음이온 교환 수지와 양이온 교환 수지의 혼합물로 채워지고, 물이 50∼100/시간의 SV로 유동하며, 인가 전압이 10∼30 V/셀로서 간주되는 경우, 경성 물질이 50% 이상 제거되고, 실리카 및 붕소를 비롯한 약전해질이 90% 이상 제거된다.
전기 탈이온화 장치는, 전술한 구성을 제외하고는 종래의 전기 탈이온화장치와 동일한 구조를 가질 수도 있다.
본 발명의 전기 탈이온화 장치 내로 공급되는 물은, 수도물, 강물, 지표수 등을 역삼투막 장치로 처리하여 제조한 실리카 및/또는 붕소를 함유한 물인 것이 바람직하다.
본 발명의 전기 탈이온화 장치는, 스케일 지수(SI)가 500 이하인 조건에서 작동시키는 것이 바람직하다. 스케일 지수는 이하의 식으로 구한다.
스케일 지수(SI) = [막의 단위 면적당 무기 탄산염의 부하량(mg-CO2/시간·dm2)]·[농축수의 Ca 농도(mg-CaCO3/L)]
상기 식 중, "막의 단위 면적당 무기 탄산염의 부하량(mg-CO2/시간·dm2)"은전기 탈이온화 장치의 음이온 교환막 1 dm2당 부하량(mg-CO2/시간)이고, "농축수의 Ca 농도"는 농축부로부터 유출되는 물 중의 Ca 농도이다(CaCO3로 전환).
본 발명의 발명자들은, 전기 탈이온화 장치 내 스케일의 형성 매카니즘을 밝히기 위한 실험을 수행하였다. 실험에서는, 전기 탈이온화 장치로 공급되는 공급수 중의 Ca와 과량의 무기 탄산염을 혼합하여 스케일을 의도적으로 형성시켰다. 이어서, 장치를 분해하여 농축부를 관찰하였다. 그 결과, 농축부 측의 음이온 교환막에 탄산칼슘이 부착되어 있음을 발견하였다.
따라서, 본 발명자들은 스케일의 형성 매카니즘이 다음과 같은 것으로 추정하였다. 즉, 전기 탈이온화 장치가 작동 중인 경우, 음이온 교환막 표면 부근의 영역은 국소적으로 알칼리성이 된다. 탈염부로부터 음이온 교환막을 투과하는 HCO3 -또는 CO3 2-및 OH-는 음이온 교환막 부근에 집중된다. 또한, 응축부에서 수 중의 Ca는 음이온 교환막으로 인출되므로, HCO3 -또는 CO3 2-및 OH-가 Ca와 반응하여 음이온 교환막 상에 탄산칼슘 스케일을 형성한다.
또한, 본 발명자들은 연구를 통해, 음이온 교환막의 단위 면적당 무기 탄산염 부하량에 농축수의 Ca 농도를 곱하여 구한 스케일 지수(SI)가 500 이하인 경우,스케일이 형성되지 않는다는 사실을 발견하였다. 전기 탈이온화 장치의 무기 탄산염 부하량(mg-CO2/시간)은, 전기 탈이온화 장치로 공급된 물의 무기 탄산염 농도(mg-CO2/L)에 유속(L/시간)을 곱하여 구한다. 따라서, 단위 면적당 무기 탄산염의 부하량(mg-CO2/시간·dm2)은, [공급수의 무기 탄산염 농도(mg-CO2/L)]× [셀 당 유속(L/시간)/음이온 교환막의 셀의 유효 면적(dm2)]의 값이다.
스케일 지수(SI)를 500 이하, 바람직하게는 200 이하로 제어하면, 전기 탈이온화 장치의 농축부 내에서 탄산칼슘 스케일의 침전화를 확실하게 방지할 수 있으므로, 전기 탈이온화 장치를 장기간동안 안정하게 작동시킬 수 있다.
전기 탈이온화 장치에서는, 이온 교환 물질을 연속적으로 재생시킬 수 있도록 탈염부 내에서 물을 분해시키기 위해, 공급수로부터 이온을 배출시키는 데 필요한 이론량보다 많은 전류를 공급한다. 따라서, 전류 공급량이 증가하면 음이온 교환막 표면의 pH의 알칼리도 증가하여 탄산칼슘의 침전화가 촉진된다. 따라서, 허용 가능한 SI는 전류값에 따라 변한다.
저항이 약 10 ㏁·cm인 물을 제조하는 전기 탈이온화 장치에서, 실리카의 필요 제거율이 90% 미만이거나, 또는 작동 과정 중에 전류 효울이 20%를 초과하는 경우에는, SI가 200을 초과하지 않거나, 바람직하게는 150을 초과하지 않으면 충분하다. 경제적 인자를 고려해보면, 탈기 장치, 연화기 및/또는 그러한 다른 여분의 장치에 의한 처리를 예방하기 위해서는 SI가 80 내지 200인 것이 바람직하다.
실리카의 필요 제거율이 90% 이상, 즉 작동 과정 중 전류 효율이 20% 이하인 전기 탈이온화 장치의 경우, SI는 120 이하인 것이 바람직하고, 80 이하인 것이 특히 바람직하다. 경제적 인자를 고려해보면, SI는 50 내지 120인 것이 바람직하다.
농축부가 이온 교환 물질로 채워진 전기 탈이온화 장치의 경우, 음이온 교환막을 투과하는 OH-이온이 농축부 내에서 쉽게 이동하기 때문에 스케일이 분산된다. 이 경우, 전류가 증가하면 허용 가능한 SI는 80 이상이고, 80 내지 200이 더욱 바람직하다. 이 경우 더욱 바람직한 SI는 80 내지 150이다. 경제적 인자를 고려하지 않는다면, 80 이하의 SI도 허용 가능하다.
SI를 특정값으로 저하시키기 위한 방법으로는 이하에 제시한 몇가지 방법이 있다. 하나의 방법은, 물의 복구율을 저하시킴으로써 또는 연화기 등의 Ca 제거 장치를 사용함으로써 농축수 중의 Ca 농도를 저하시키는 방법이다. 또다른 방법은, 전기 탈이온화 장치 내에서 처리하고자 하는 물의 양을 감소시킴으로써 또는 전기 탈이온화 장치의 상류에 배치된 탈기 장치를 사용하여 무기 탄산염을 제거함으로써 막 표면 상의 무기 탄산염의 부하량을 줄이는 방법이다. 막표면 상의 무기 탄산염 부하량을 감소시키는 또다른 방법은 전기 탈이온화 장치의 전류를 제어하는 방법이다.
탈염부의 두께가 5 mm 이상인 경우, 작동 전압(V/N)은 2∼10 V인 것이 바람직하고, 공간 속도는 150/시간 이상인 것이 바람직하다. 작동 전압(V/N)에서, V는 음극과 양극 사이의 전압이고, N은 탈염부 개수와 농추구 개수의 합계이다. N은 셀의 개수가 아님을 유의해야 한다. 작동 전압이 2V 이상이면 산출되는 물의 품질이탁월하고, 작동 전압이 10 V 이하이면 전기 비용이 절감된다.
탈염부의 두께가 5 mm 이상인 전기 탈이온화 장치는 75 m/시간 이상의 선속도 및 20% 내지 40%의 전류 효율 하에 작동할 수 있다. 이 작동에 의하면, 정제수의 품질이 탁월하고 전기 비용이 절감될 수 있다.
탈염부의 두께가 5 mm 이상인 전기 탈이온화 장치는, 전류 밀도가 100 mA/dm2이상이고, 이온 교환막을 투과하는 물의 양이 1 m3/m2/시간 이상인 상태에서 작동할 수 있다. 이 작동에 의하면 처리수의 품질이 탁월하다.
탈염부 내에 채워진 양이온 교환 물질 대 음이온 교환 물질의 비가 3:7 내지 5:5인 전기 탈이온화 장치의 작동 과정 중에, 탈염부 하부에서의 복구율은 80% 이상이다. 이것은, 처리수의 품질이 탁월하다는 것을 의미한다.
본 발명의 전기 탈이온화 장치는 90% 이상의 물 복구율로 작동하기 때문에, 농축부 내 물의 전도성이 높고, 따라서 처리수의 품질이 탁월하다.
CO2농도가 10 ppm 이하인 처리수는, 본 발명의 전기 탈이온화 장치 내로 도입시키기 전에 역삼투압 장치에 통과시킬 수도 있다.
본 발명에서, 농축부 내 물의 전도성은 50 μS/cm 이상인 것이 바람직하다. 전기 탈이온화 장치에서 농축수의 전도성과 전기 저항간의 상호 관계는 도 14에 제시하였다. 도 14는, 전도성이 50 μS/cm 이하일때 전기 저항이 금속히 증가하는 것으로 제시하고 있다. 따라서, 농축부의 배출구에 전류가 흐를 수 있도록 하기 위해서는 전도성이 50 μS/cm 이상이어야 한다. 전도성이 50 μS/cm 이하인 경우에는,전기 저항이 증가하여 전기 비용이 상승하게 된다.
이하에서는 도 1 및 도 2를 참조하여 본 발명의 정수 제조 장치를 상세하게 설명하기로 한다. 도 1 및 도 2는 각각 본 발명의 실시 형태를 제시한 것이다.
도 1에 제시된 정수 제조 장치는 RO 장치(2), 제1 선행 전기 탈이온화 장치(3A) 및 제2 후속 탈이온화 장치(3B)가 일렬로 연결되어 있다. 도 2에 제시된 정수 제조 장치는 활성탄 장치(1), RO 장치(2), 선행 전기 탈이온화 장치(3A), 및 후속 전기 탈이온화 장치(3B)가 일렬로 연결되어 있다.
선행 전기 탈이온화 장치(3A)는 전술한 본 발명에 관한 것이다.
후속 전기 탈이온화 장치(3B)는 종래의 전기 탈이온화 장치이다. 후속 전기 탈이온화 장치의 탈염부의 두께는 선행 전기 탈이온화 장치(3A)의 두께보다 작고, 2.0 mm 내지 6.0 mm인 것이 바람직하다.
후속의 전기 탈이온화 장치 중 어느 하나를 본 발명의 장치로 할 수도 있으므로, 정수 제조 장치는 높은 유속을 가지게 되고, 정수 제조 장치는 그 구조가 소형화된다.
본 발명의 전기 탈이온화 장치는 탈염부를 가질 수도 있고, 이들 탈염부는 각각 격벽 부재에 의해 다수의 셀로 분할되며, 각 셀에는 이온 교환 물질이 채워진다. 셀과 대향하는 격벽 부재의 적어도 일부는 탈염부 내 물의 정상 유동 방향에 대해 경사를 이루고 있다. 격벽 부재의 경사부는 물은 투과시킬 수 있으나, 이온 교환 물질이 관통하는 것은 방지한다. 따라서, 물을 전체 탈염부에 분산시켜 물과 이온 교환 물질 사이의 접촉 효율을 향상시키고 탈이온화 특성을 향상시키기 위해서는, 탈염부 내로 유동하는 물의 적어도 일부가 물의 정상 유동 방향에 대해 비스듬하게 유동해야 한다.
물은 격벽 부재의 경사부에 의해 교반되면서 셀 내로 유동하므로, 막 표면을 따른 농도의 경계층이 없어져 이온의 분산 저항이 저하되며, 장치는 높은 유속으로 작동할 수 있다.
본 발명의 한 실시 형태에서는, 장치가 수직 및 측방향으로 배열되어 있는 다수의 셀을 갖추고 있다. 다수의 셀은, 막 표면을 따라 물의 정상 흐름 방향과 정상 흐름 방향에 수직인 방향으로 모두 배열되므로, 물과 이온 교환 물질간의 접촉 효율이 상당히 향상된다. 각 셀의 높이는 낮기 때문에, 이온 교환 물질이 거의 압축되지 않는다. 셀 내의 상부에 공간이 형성되지 않고, 셀이 이온 교환 물질로 고르게 채워진다.
막의 표면으로 투사하여 볼 수 있는 각 셀의 구조는 육각형 또는 사각형인 것이 바람직하다. 육각형인 경우, 셀은 그 양측이 물의 정상 유동 방향으로 연장되도록 배열하는 것이 바람직하다. 사각형인 경우, 셀은 그 양측이 각각 물의 정상 유동 방향에 대해 비스듬하게 연장되도록 배열하는 것이 바람직하다.
모든 셀이 동일한 이온 교환 물질로 채워질 수도 있거나, 또는 그대신 일부 셀이 나머지 셀 내에 채워진 이온 교환 물질과 다른 이온 교환 물질로 채워질 수도 있다. 예를 들어, 제1 셀 내에는 음이온 교환 물질이 채워질 수도 있고, 제2 셀 내에는 양이온 교환 물질이 채우질 수도 있으며, 제3 셀 내에는 양쪽성 이온 교환 물질(또는 음이온 교환 물질과 양이온 교환 물질의 혼합물)이 채워질 수도 있다.
본 발명의 정수 제조 장치의 연속 단계에 이 전기 탈이온화 장치를 설치할 수도 있으며, 이로써 공급수가 고속으로 공급되는 경우에도, 선행 단계로부터 용출된 Na 등의 1가 양이온이 후속 전기 이온화 장치에 의해 제거된다.
이하에서는, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 다른 실시 형태를 설명하기로 한다. 도 9는 또다른 실시 형태에 따른 탈염부의 구조를 나타낸 분해 사시도이고, 도 10은 격벽 부재의 물 유동 조건을 나타낸 정면도이다.
탈염부는 장방형 프레임(120), 이 프레임(120) 내에 배치된 전도성을 가진 것이 바람직한 격벽 부재(121), 격벽 부재(121)에 의해 형성된 셀(122) 내에 채워진 이온 교환 물질(123), 프레임(120)을 사이에 두고 배치된 음이온 교환막(124) 과 양이온 교환막(125)을 포함한다. 격벽 부재(121)는 전기 전도성을 가질 수도 있다.
프레임(120)은 그 상부에는 처리하고자 하는 원수를 주입하기 위한 주입수(126) 및 농축수를 위한 주입구(127)가, 그 하부에는 탈염수를 위한 배출구(128) 및 농축수를 위한 배출구(129)가 구비되어 있다. 배출구(126) 및 배출구(128)는 각각 노치형 채널(126a, 128a)을 통해 프레임(120)의 내부에 연결되어 있다.
도 9에는 단 하나의 채널(126a)이 좌측 상단 셀에만 연통하는 것으로 도시되어 있으나, 실제로는 프레임(120)의 상부에 다수의 채널(126a)이 형성되어 원수가 측방향으로 정렬된 각 상부 셀 내로 균일하게 분배된다. 다시 말하면, 채널(126a)이 각 상부 셀과 직접 연통한다. 마찬가지로, 도 9에는 단 하나의 채널(128a)이 우측 하부 셀에만 연통하는 것으로 도시되어 있으나, 실제로는 프레임(120)의 하부에 다수의 채널(128a)이 형성되어 각 하부 셀과 직접 연통한다.
이 실시 형태에 따른 격벽 부재(121)는, 각 셀(122)의 양측이 프레임(120)의 길이 방향, 즉 수직 방향으로 연장되도록 수직 방향 및 측방향으로 다수의 셀이 배열되어 있는 육각형의 벌집 형태를 갖는다. 수직 표면(131)은 물을 투과시키거나 투과시키지 않을 수도 있다.
수직 표면(131)이 물을 투과시키지 않는 경우, 셀 내의 이온 교환 물질과 물의 균일한 접촉이 이루어져 처리수의 품질이 개선된다.
이 탈염부를 갖춘 전기 탈이온화 장치의 나머지 구조는 전술한 도 12의 종래 장치와 동일하고, 원수, 농축수 및 전극수의 유동 통로 역시 종래 장치와 동일하다.
도 12에 제시된 바와 같이, 음극부는 음극, 음극 스페이서 및 양이온 교환 막에 의해 형성되고 한정된다.
이 전기 탈이온화 장치에 원수를 통과시킴으로써 탈염 작업을 수행하는 경우, 탈염부 내로 유입되는 원수는 셀(122) 둘레의 격벽 부재(121)를 투과하여 인접 셀(122) 내로 유입됨으로써 서서히 하향 유동한다. 이 과정 중에, 물은 탈이온화된다. 최종적으로, 물은 탈염부의 하부에 도달하고 채널(128a)을 통해 배출구(128)로 유출된다. 물은 배출구(128)를 통해 탈염수로서 전기 탈이온화 장치로부터 유출된다.
원수를 유입시키기 위한 채널(126a)이 프레임(120)의 상부에 존재하고, 탈염수를 배출시키기 위한 채널(128a)은 프레임(120)의 하부에 존재하기 때문에, 탈염부 내 물의 전반적인 방향은 하향 수직 방향이다. 격벽(121)은 각 셀의 상부 및 하부에 존재하며, 물의 전반적인 방향에 대해 경사를 이루고 있으므로, 물은 하나의 셀(122)로부터 하부의 좌측 셀(122) 및 하부의 우측 셀(122) 내로 비스듬하게 하향 유동한다. 따라서, 물은 모든 셀로 실질적으로 균일하게 유동하므로, 물과 이온 교환 물질 사이의 접촉 효율이 향상된다.
이 탈염부의 셀(122)은 비교적 작기 때문에, 이온 교환 물질의 자체 중량 및 수압에 의해 각 셀 내의 이온 교환 물질에 인가되는 하향 압력은 낮다. 따라서, 이온 교환 물질은 어떠한 셀(122) 내에서도 압축되지 않으며, 따라서 이온 교환 물질이 셀의 하부에 부분적으로 압축되는 것이 방지된다.
셀(122) 내에 채우기 위한 이온 교환 물질로는 음이온 교환 물질, 양이온 교환 물질, 양쪽성 이온 교환 물질, 또는 이들 중 2개 이상의 혼합물을 사용할 수 있다.
도 9 및 도 10에서는 셀이 육각형으로 제시되어 있으나, 셀은 도 11에 제시된 바와 같이 사각형, 예를 들면 마름모와 거의 유사한 형태의 셀(145)일 수도 있다.
본 발명의 전기 탈이온화 장치에서, 셀의 이온 교환막으로 투사된 영역은 1∼100 ㎠, 특히 2∼50 ㎠, 더욱 특히 3 ∼10 ㎠인 것이 바람직하다. 셀의 크기가 감소하면 하나의 셀 내에 채워지는 이온 교환 물질의 양이 감소하므로, 이온 교환 물질의 유동화가 제한된다. 또한, 격벽 부재의 강도 및 탈염 부재의 강도가 증가한다. 그러나, 탈염부 내에서 유동하는 물의 압력 손실이 증가한다.
채우고자 하는 이온 교환 물질은 대개 이온 교환 수지이다. 그러나, 이온 교환 물질은 이온 교환 수지, 이온 교환 부직물, 또는 이온 교환 수지와 이온 교환 섬유의 혼합물일 수도 있다. 전도성 수지 등의 이온 전도체를 사용할 수도 있다.
선행 전기 탈이온화 장치(3A)의 탈염부의 두께가 7 mm 이상, 특히 8∼30 mm이고, 후속의 전기 탈이온화 장치(3B)의 탈염부의 두께가 2.0∼6.0 mm인 경우에는, 선행 전기 탈이온화 장치(3A)가 실리카, 붕소 및 경성 물질을 비롯한 약전해질을 제거하고, 후속되는 전기 탈이온화 장치(3B)는 실리카 및 붕소를 더 제거한다. 후속의 전기 탈이온화장치(3B)는 선행 전기 탈이온화 장치(3A)로부터 누출된 알칼리를 제거하므로, 처리수는 품질이 우수해진다.
선행 전기 탈이온화 장치 내로 공급되는 물은 Na를 Na 형태로 0.1 ppm 이상 함유하는 것이 바람직하다. 수 중 Na 함량이 낮은 경우, 물에 NaCl을 첨가하는 것이 바람직하다.
선행 전기 탈이온화 장치(3A)로부터 유출된 처리수의 pH를 상승시키기 위해서는, 공급수가 Na 이온을 함유해야 한다. 공급수 중의 Na 농도와 처리수의 pH 간의 관계는 도 15에 제시하였다. 도 15에 제시된 바와 같이, Na의 농도는 0.1 ppm 이상(Na 형태)이어야 하고, 0.5 내지 4 ppm(Na 형태)인 것이 바람직하다.
선행 전기 탈이온화 장치 내로 공급되는 물 내의 CO2농도는 3 ppm 이하(CO2형태)인 것이 바람직하다.
원수가 알칼리 조건 하에 해리되는 CO2를 다량 함유하는 경우, 실리카 및 붕소의 제거율은 저하된다. CO2의 농도가 3 ppm을 초과하는 경우에는 상류에 설치된 탈기 장치를 사용하여, 또는 RO 장치 내로 공급되는 물의 pH를 8 이상으로 상승시켜 HCO3-를 형성시킴으로써 CO2를 제거하는 것이 바람직하다.
선행 전기 탈이온화 장치(3A)의 물 복구율은 60% 내지 90%가 바람직하다. 후속의 전기 탈이온화 장치(3B)의 물 복구율이 95% 이상, 예를 들어 95∼99%인 경우에도, 스케일의 형성없이 양질의 처리수가 제조된다.
선행 전기 탈이온화 장치(3A)에 인가되는 전기 전압 및 전류가 증가함에 따라, 선행 전기 탈이온화 장치 내에서 처리되는 물의 pH는 높아진다. 따라서, 선행 전기 탈이온화 장치(3A)로부터 처리수를 배출시키기 위한 파이프에 pH 측정계(4)를 설치하여 pH를 관찰하고, 선행 전기 탈이온화 장치(3A)에 인가되는 전압 및 전류를 제어함으로써 pH 값이 바람직하게는 8.5 이상, 더욱 바람직하게는 9.0 내지 10.5가 되도록 하는 것이 바람직하다. 선행 전기 탈이온화 장치(3A)는 Na를 90% 미만의 비율로, 염소 이온은 95% 이상의 비율로 제거하는 것이 바람직하다. 염소 제거율이 95% 이상이며 pH가 높아진다.
후속의 전기 탈이온화 장치(3B) 내에서 처리된 물 중의 실리카 농도와 저항을 관찰하기 위해서는, 후속의 전기 탈이온화 장치(3B)로부터 처리수를 배출시키기 위한 파이프에 저항 측정계(5) 및 실리카 측정계(6)를 설치하는 것이 바람직하고, 장치(3A) 및/또는 장치(3B)에 인가되는 전압 및 전류는 실리카의 저항 및 농도가저항 및 실리카의 농도를 고려하여 제어한다.
전기 탈이온화 장치(3A,3B)를 4000 이상의 A/(Q·SV)로 작동시키는 경우, 실리카 및 붕소의 제거율은 증가한다.
여기서, "A"는 작동 전류(A)이고, Q는 탈염부 내의 셀 당 공급수의 유속(L/초)이며, 이때 "L"은 리터이고, SV는 탈염부 내 이온 교환 물질당 공급수의 유속(L/L - 이온 교환 물질·초)이다.
실리카의 제거율은 A/(Q·SV)의 값과 밀접한 관련이 있다. A/(Q·SV)가 4000 이상이면 실리카 제거율이 97% 이상으로 달성될 수 있다.
본 발명의 정수 제조 장치는 RO 장치, RO 장치를 통과하는 투과수가 유입되는 탈기 장치, 및 탈기 장치 내에서 처리된 물이 유입되는 전기 탈이온화 장치를 구비할 수도 있다. M(CaCO3로서 표현되는 알칼리 경성 물질)이 20 ppm 이상이고, pH가 6.5 이상인 공급수를 RO 장치에 공급하고, pH가 6.2 미만인 물을 RO 장치로부터 배출시켜 탈기 장치 내로 공급하는 것이 바람직하다.
탈기 장치는 막 탈기 장치이고, 탈기 장치로 유입되는 물은 TOC가 2000 ppb 미만이거나, 전도성이 20 μS/cm 미만인 것이 바람직하다.
공급수 중의 M(알칼리 경성 물질)은 RO 장치에 의해 제거되므로, 이 장치의 투과수는 pH가 낮다. pH가 낮은 물은 탈기 장치에 의해 CO2가 효율적으로 제거되므로, 전기 탈이온화 장치에 부하되는 CO2의 부하량이 줄어들 수 있다.
RO 장치로 처리하여 pH를 저하시킨 물을 탈기시키면, 물을 RO 장치로 처리하기 전에 탈기시킨 경우에 비해 CO2를 제거하는 성능이 30% 내지 50% 정도 향상될 수 있다.
특히 탈기 장치로서 막 탈기 장치를 사용하면, RO 장치 뒤에 배열된 탈기 장치가 장기간 동안 탈기 성능을 안정화시킬 수 있다,
이는, RO 장치가 염 및 TOC(전체 유기 탄소)를 제거하기 때문이며, 이로써 염 및 TOC에 의해 야기되는 점질 흠집의 형성이 방지된다. 막이 오염되는 것을 방지하고 탈기 성능을 장기간 안정화시키기 위해서는, 막 탈기 장치 내로 공급되는 공급수의 TOC 농도가 200 ppb 미만이고, 전기 전도성은 20 μS/cm인 것이 바람직하다.
RO 장치(2)의 농축수는 배수(排水)로서 배출되고, RO 장치(2)의 투과수는 선행 전기 탈이온화 장치의 전극부(3Aa), 탈염부(3Ab) 및 농축부(3Ac) 내로 각각 분배되고 공급된다. 선행 전기 탈이온화 장치(3A)의 처리수(이 물은 탈염부(3Ab)로부터 유출됨)는 후속의 전기 탈이온화 장치(3B)의 전극부(3Ba), 탈염부(3Bb) 및 농축부(3Bc) 내로 각각 분배되고 공급된다. 탈염부(3Bb)로부터 유출되는 물은 처리수로서 배출된다. 전극부(3Aa,3Ba)로부터 유출되는 물은 배수로서 배출된다.
후속 탈이온화 장치(3A)의 농축부(3Ac)로부터 유출되는 농축수는 산성이고, 후속 전기 탈이온화 장치(3B)의 농축부(3Bc)로부터 유출되는 농축수는 알칼리성이다. 따라서, 농축부(3Ac,3Bc)로부터 유출되는 농축수는 혼합하여 RO 장치(2)의 주입구로 귀환시키는 것이 바람직하다.
선행 전기 탈이온화 장치(3A) 또는 후속의 전기 탈이온화 장치(3B)의 농축수는 각각 RO 장치(2)의 선단계로 다시 공급할 수도 있다. 후속의 전기 탈이온화 장치(3B)의 농축수는 선행의 전기 탈이온화 장치(3A)의 주입구로 다시 공급할 수도 있다.
도 1 및 도 2에 제시한 전기 탈이온화 장치는 하나의 전기 탈이온화 장치(3B)를 가지는 한편, 전기 탈이온화 장치는 일렬로 연결된 2개 이상의 전기 탈이온화 장치(3B)를 갖출 수도 있다.
도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이, 탈염부의 두께가 7 mm 이상인 셀과 탈염부의 두께가 7 mm 미만인 셀(24)을 양극(21)(또는 21A, 21B)과 음극(22) 사이에 배열하여 공급수를 일렬로 배열된 이들 셀에 유통시킬 수도 있다.
본 발명의 전기 탈이온화 장치는, 제2 또는 그 이후의 전기 탈이온화 장치의 농축부로부터 유출되는 농축수의 실리카 농도가 본 발명의 전기 탈이온화 장치에서 제조된 물보다 1000 배 미만이 되도록 작동시키는 것이 바람직하다. 제조된 물의 실리카 농도를 0.1 ppb 이하로 저하시키기 위해서는, 농축수의 실리카 농도를 100 ppb 이하로 저하시키는 것이 바람직하다.
전기 탈이온화 장치를 이러한 방식으로 작동시키면, 농축부로부터 탈염부까지의 실리카 농도 구배가 농축부의 배출구 공간에서도 비교적 낮기 때문에, 농축부로부터 탈염부로의 실리카의 확산이 지연되어 산출된 물의 실리카 농도가 저하된다.
본 발명에서, 정수 제조 장치는 RO 장치, 제1 전기 탈이온화 장치 및 제2 전기 탈이온화 장치로 구성될 수 있고, 여기서 물은 역삼투막 장치로부터 제1 장치내로 유동한 후 제2 전기 탈이온화 장치 내로 유동하며, 상기 역삼투막 장치는 1가염의 탈염도가 97% 이하인 역삼투막으로 구성된다.
이하에서는 "1가염의 탈염도"를 단순히 "탈염도"라 칭한다.
도 14에 제시된 바와 같이, 전기 저항은, 전기 탈이온화 장치의 농축수의 전도성이 50 μS/cm 이하일 때 급속히 증가한다. 전도성이 50 μS/cm, 바람직하게는 75 μS/cm 이상이면 전기 저항이 감소하므로, 전기 탈이온화 장치 내에서 탈염을 이루는데 필요한 전류를 충분히 보장해준다.
전도성이 약 200 μS/cm인 통상의 수도물 또는 공업용수를 탈염도가 97%인 RO 막이 설치된 RO 장치 내로 공급하고, 물 북구율 75% 하에 물을 처리하는 경우, RO 막을 통해 투과되는 물의 전도성은 다음과 같이 정의된다.
(RO 막을 통해 투과되는 물의 전도성) = (200 + 800)/2(1-0.97) = 15 μS/cm
RO 막을 투과한 상기 물을 공급하여 전기 탈이온화 장치를 80%의 물 복구율로 작동시키는 경우, 농축수의 전도성은 15 x 5 = 75 μS/cm이다.
농축수의 전도성은 RO 장치 내로 공급되는 원수의 전도성 및 전기 탈이온화 장치의 물 복구율에 따라 좌우되는 한편, 탈염도가 97% 이하인 RO 막을 사용하는 경우, 농축된 물은 통상의 원수 및 통상의 물 복구율을 이용하여 작동시켰을 때 약 75 μS/cm 이상의 전도성을 가진 농축수가 제공될 수 있으며, 전기 탈이온화 장치 내에 일렉트리컬런트(electricalent)가 보장될 수 있다.
본 발명에서는, 투과수가 농축부만으로 공급되면 농축수의 전도성이 보장될 수 없고, 그 결과 전기 저항이 저하되고 전류가 향상되므로, 탈염도가 비교적 낮은수준인 RO 막으로 공급수를 처리하여 얻은 투과수를 탈염부로 공급하는 것이 매우 중요하다.
또한, RO 막은 실리카 및 경성 물질의 제거율이 97% 이상인 것이 바람직하다. 즉, Ca2+및 실리카 등의 경성 물질은 전기 탈이온화 장치 내에서 스케일을 쉽게 형성하고 스케일을 제거하려면 상당한 전류를 필요로 한다. 따라서, 경성 물질 및 실리카는 전기 탈이온화 장치 앞에 있는 RO 장치에서 제거하는 것이 바람직하며, 따라서 RO 막은 경성 물질 및 실리카 제거율이 97% 이상인 것을 사용하는 것이 바람직하다.
상기 RO 막은 시판되는 것일 수 있다. 이것은, RO 막이 친수성을 가지고 탈염도가 97% 이하이며 실리카 제거율이 97% 이상이 되도록 산화기로 처리하여 제조할 수도 있다.
본 발명에서, 전기 탈이온화 장치는 두께가 7 mm 이상인 탈염부를 갖춘 것이 바람직하다.
즉, 전술한 바와 같은 큰 두께를 가진 탈염부를 사용하고, 음이온 교환 물질만을 또는 음이온 교환 물질과 양이온 교환 물질의 혼합물을 포함하는 이온 교환층이 탈염부 내에 채워진 전기 탈이온화 장치 내로 NaCl 등이 남아있는 RO 장치의 투과수를 공급하는 경우, 처리수(탈염수)의 전도성은 공급수와 거의 동일하거나 그보다 약간 높은 한편, 이산화탄소 가스(CO2) 및 음이온은 제거되며 실라카 및 붕소는 약 90%가 제거된다. 또한, Ca, Mg를 비롯한 경성 물질도 제거된다. 그러나, Na, K를 비롯한 1가 양이온은 제거율이 저조하여 몰 전도성이 큰 NaOH 및 KOH를 비롯한 알칼리 물질이 처리수 내에서 소성되므로, 처리수는 pH가 증가하고 전도성은 약간 증가하는 경향이 있다.
전술한 바와 동일한 이유로 인해, OH-는 농축부 내에서의 배출이 어렵고, H+는 농축부 내에서 쉽게 배출되기 때문에, 농축부 내의 pH는 산성이 되므로, Ca2+, Mg2+등이 고농도로 농축되는 경우에도 스케일이 형성되지 않는다.
특히, 전기 탈이온화 장치의 전기 저항을 저하시키고 전류를 증가시키기 위해, 전기 탈이온화 장치에서는 NaCl로 표시되는 1가염의 탈염도가 97% 이하인 RO 막을 사용하여 1가염을 RO 투과수 내로 용출시킴으로써 농축수의 전도성을 증가시키며, 그 후 투과수는 전기 탈이온화 장치의 탈염부 내로 공급한다. RO 막의 탈염도가 97%를 초과하면, 전술한 효과가 충분히 달성되지 않는다.
RO 막의 탈염도는 전기 탈이온화 장치의 농축수의 전도성을 증가시켜 전기 탈이온화 장치의 전기 저항을 저하시키고 전류를 향상시키기 위해서는 낮은 것이 바람직한 한편, 탈염도가 과도하게 저하된 경우에는, 전류의 감소가 적고, 공급수의 품질이 저하되어 처리수(탈염수)의 품질이 저하되기 때문에 전기 탈이온화 장치에 대한 부하량이 오히려 증가한다. 따라서, RO 막은 탈염도가 특히 90∼95%인 것이 바람직하다.
전술한 RO 막은 저 탈염막으로 시판되는 막, 예를 들어 루스 RO 막 및 나노 여과(NF)막, 특히 니토 일렉트리컬 고교 가부시키가이샤에서 제조한 "LES 90" 및"NTR-729HF"로 칭해지는 막을 사용할 수도 있다.
본 발명에서, RO 막은 경성 물질 및 실리카의 제거율, 보다 바람직하게는 경성 물질 및 실리카의 제거율 뿐 아니라 TOC(전체 유기 탄소)의 제거율이 97% 이상인 것이 바람직하다.
본 발명의 정수 제조 장치의 선행 전기 탈이온화 장치에서는, 전술한 바와 동일한 이유로 인해, 전기 탈이온화 장치가 두께가 7 mm 이상, 특히 8∼30 mm인 탈염부를 구비하는 것이 바람직하다.
이온 교환 물질로는 음이온 교환 물질과 양이온 교환 물질의 혼합물이 가장 바람직하다. 인가된 전류가 증가하면, 음이온 교환 물질만을 포함하는 단층이 혼합물과 동일한 효과를 발휘할 수 있다. 물론, 상기 혼합물과 음이온 교환 물질과의 조합물도 사용할 수 있다.
본 발명에서는, 수 중의 TOC를 분해시키기 위해 전기 탈이온화 장치 사이에 자외선 조사 장치를 설치할 수도 있다.
선행 탈이온화 장치의 처리수가 알칼리성인 경우, 자외선 조사 장치는 높은 효율로 TOC를 분해시킨다. 수 중의 TOC 농도보다 2 내지 20배 높은 농도의 과산화수소 또는 오존을 처리수에 첨가하면, 분해 효율이 더욱 증가한다.
본 발명에서, 제1 RO 장치는 선행의 전기 탈이온화 장치 앞에 설치할 수도 있으며, 제2 RO 장치는 선행의 전기 탈이온화 장치와 후속의 전기 탈이온화 장치 사이에 설치할 수도 있다.
RO 장치를 사용하면, 실리카 및 붕소가 알칼리성 공급수로부터 쉽게 제거된다. NaOH를 비롯한 알칼리 물질을 첨가하지 않아도 선행 전기 탈이온화 장치로부터 유출된 처리수는 알칼리성이기 때문에, 제2 RO 장치는 처리수로부터 실리카 및 붕소를 쉽게 제거한다.
예를 들어, 제1 RO 장치, 선행의 전기 탈이온화 장치, 제2 RO 장치 및 후속의 전기 탈이온화 장치가 이 기재된 순서대로 배열되어 있고 일렬로 연결되어 있는 장치에서, 제2 RO 장치 내로 유입되는 물의 pH가 7인 경우, 제2 RO 장치의 수 중 실리카 제거율은 99%이고 붕소 제거율은 70%이다. 제2 RO 장치 내로 유입되는 물의 pH가 9인 경우, 제2 RO 장치는 실리카 제거율이 99.9%이고, 붕소 제거율은 97%이다.
선행의 전기 탈이온화 장치 및 후속의 전기 탈이온화 장치가 일렬로 연결되어 있는 장치에서, 고농도의 실리카를 함유하는 물을 장치 내에 순간적으로 공급하면, 실리카가 축적되어 공급수의 실리카 함량이 통상의 경우보다 저하된 후에도 실리카 제거율이 저하될 수 있다. 따라서, 전기 탈이온화 장치 내에 축적된 실리카를 배출시킬 수도 있도록, 선행의 전기 탈이온화 장치 내로 공급되는 공급수에 NaCl을 비롯한 염을 규칙적으로 첨가할 수도 있다.
전술한 바와 같이 염을 첨가하면, 이하의 요건 (i), (ii) 및 (iii) 중 하나 이상을 5 시간 내지 48 시간 동안 달성할 수 있어 바람직하다.
(i) 선행의 전기 탈이온화 장치 내로 유입되는 공급수의 전도성은 15 μS/cm 이상으로 설정해야 한다.
(ii) 선행의 전기 탈이온화 장치 내로 유입되는 물의 Na 이온 농도는 3 ppm이상으로 설정해야 한다.
(iii) 선행의 전기 탈이온화 장치로부터 유출되는 처리수의 pH는 9.8 이상으로 설정해야 한다.
도 15는 선행의 전기 탈이온화 장치 내로 공급되는 공급수의 pH 값과 전기 탈이온화 장치로부터 유출되는 처리수의 pH 값 사이의 상호 관계의 일례를 제시한 것이다.
공급수에 NaCl을 비롯한 염을 첨가하는 것 이외에 전기 탈이온화 장치 내로 공급되는 공급수를 35℃ 이상으로 가열하는 것도 역시 효과적이다.
종래의 전기 탈이온화 장치에서는 점액이 빈번하게 형성되므로, 농축부에 압력차가 발생하여 작동에 방해가 된다. 본 발명의 2단계 전기 탈이온화 장치에서는, 첨가제를 첨가하지 않아도, 선행의 전기 탈이온화 장치의 농축수는 산성이 되고, 후속의 전기 탈이온화 장치의 농축수는 알칼리성이 되므로 농축부 내에 점액이 형성되지 않는다. 6개월간 작동시킨 후에도, 10,000의 생 진균류/㎖를 포함하는 공급수를 선행의 전기 탈이온화 장치 내로 공급하면, 선행의 전기 탈이온화 장치의 농축수에 있어 생 진균류의 수가 100/㎖로 감소하고, 후속의 전기 탈이온화 장치의 농축수에서는 생 진균류의 수가 0/㎖로 감소한다.
실리카의 제거율을 상승시키기 위해, 제1 단계와 제2 단계 사이에 또는 제1 단계의 주입구에서 물에 알칼리제를 첨가할 수도 있다. 물의 pH가 제1 단계에서 충분히 증가하지 않은 경우에도, 제2 또는 그 이후의 전기 탈이온화 장치로 처리하면 실리카 제거율이 향상된다.
제2 또는 그 이후의 전기 탈이온화 장치에 의해 실리카 및 붕소를 비롯한 약전해질을 효율적으로 제거하기 위해서는, 제1 전기 탈이온화 장치 내로 공급된 공급수의 pH가 9.5 이상인 것이 바람직하다. 제2 전기 탈이온화 장치 내로 공급된 공급수의 pH가 9.0인 경우 실리카 제거율은 99%인 한편, 제2 전기 탈이온화 장치 내로 공급된 공급수의 pH가 9.5인 경우 실리카 제거율은 99.9%이다.
농축부 및 전극부 내로 유입되는 물은 알칼리성이기 때문에, 제2 또는 그 이후의 전기 탈이온화 장치에서, 공급수의 Ca 농도는 5 ppb 이하(Ca 형태)인 것이 바람직하다. 제2 또는 그 이후의 전기 탈이온화 장치에서, 공급수가 염기성이면 농축부 및 전극부에 CaCO3의 스케일이 형성된다. 따라서, Ca는 제1 단계에서 제거해야 한다.
실시예 및 비교예
이하에서는 실시예 및 비교예에 사용된 장치를 제시하였다. 실시예 1 내지 5와 비교예 1 내지 3에서는, 장치를 도 4에 제시된 바와 같이 일렬로 연결시켜 배열하였다. 실시예 6에서는, 2개의 전기 탈이온화 장치를 포함하는 장치를 도 2에 제시된 바와 같이 일렬로 연결시켜 배열하였다.
1) 활성탄 장치 : 쿠리타 고교 가부시키가이샤에서 제조한 "Kuricoal KW 10-30"
2) RO 막 장치 : 쿠리타 고교 가부시키가이샤에서 제조한 "Maku-Ace KN 200"
3) 전기 탈이온화 장치 : 쿠리타 고교 가부시키가이샤에서 제조한 "Pure-Ace PA-200"
배출량 : 100 ℓ/시간
비교예 1
전기 탈이온화 장치를 도 3에 제시된 바와 같이 조립하였는데, 이하의 이온 교환막을 사용하고, 탈염부를 6 부피%의 후술하는 음이온 교환 수지와 4 부피%의 후술하는 양이온 교환 수지의 혼합물로 채웠다.
음이온 교환 수지 및 양이온 교환 수지는, 탈염부 내에 채우기 전에 초정수로 충분히 세정하였다. 각 탈염부의 두께는 2.5 mm이고, 12개의 셀로 구성되었다.
물은 표 1에 제시된 바와 같은 조건 하에 전기 탈이온화 장치 내로 공급하였다. 처리수의 저항, 실리카, 붕소 및 나머지 이온의 농도 및 제거율을 측정하고, 그 결과를 표 1에 제시하였다.
음이온 교환막: 도쿠야마 가부시키가이샤에서 제조한 "Neosepta AHA"
양이온 교환막: 도쿠야마 가부시키가이샤에서 제조한 "Neosepta CMB"
음이온 교환 수지: 미츠비시 케미칼 코포레이션에서 제조한 "SA 10A"
양이온 전기 탈이온화 장치: 미츠비시 케미칼 코포레이션에서 제조한 "SK 10B"
실시예 1
각 탈염부의 두께가 10 mm이고, 3개의 셀로 구성된 점을 제외하고는 비교예 1에서와 동일한 방식으로 전기 탈이온화 장치를 조립하고 처리하였으며, 물은 표 1에 제시된 바와 동일한 조건 하에 공급하였다. 처리수의 저항, 실리카, 붕소 및 나머지 이온의 농도 및 제거율은 표 1에 제시하였다.
또한, 인가된 전압에 따른 pH의 변화는 도 5에 제시하였다.
공급수의 CO2농도와 선행의 전기 탈이온화 장치(3A)로 처리한 물의 CO2농도를 측정하여 제거율을 계산하였다. 공급수의 CO2농도가 1 ppm인 경우 제거율은 90%이고, 공급수의 CO2농도가 4 ppm인 경우 제거율은 60% 이하이다.
실시예 1에서는 이온 교환막으로 불균일한 막을 사용함으로써, Na의 제거율이 46%에서 40%로 저하되었고, pH는 9.5에서 9.65로 증가하였다.
비교예 1 실시예 1
공급조건 셀의 개수 12 3
탈염부의 두께[mm] 2.5 10
전기 전압[V] 54 45.9
전류[A] 0.8 2
물 복구율[%] 90 90
농축부 중의 SV[/시간] 60 60
공급수의 pH 7 7
공급수의 전도성[μS/cm] 10 10
공급수의 실리카 농도[SiO2의 ppb] 200 200
공급수의 붕소 농도[B의 ppb] 19 20
공급수의 나트륨 농도[Na의 ppb] 1.6 1.6
공급수의 염소 이온 농도[Cl의 ppb] 2 2
공급수의 칼슘 농도[Ca의 ppb] 50 50
처리수의품질 처리수의 pH 7(정수) 9.5
처리수의 저항[㏁·cm] 16.5 0.1
처리수의 실리카 농도[SiO2의 ppb] 52 18
실리카 제거율[%] 74 91
처리수의 붕소 농도[B의 ppb] 5.2 2.5
붕소 제거율[%] 72.6 87.5
처리수의 나트륨 농도[Na의 ppb] 0.2 860
처리수의 염소 이온 농도[Cl의 ppb] < 0.1 10
처리수의 칼슘 농도[Ca의 ppb] < 1.0 < 1.0
실시예 2 내지 5, 비교예 2 및 3
탈염부의 두께를 각각 후술하는 바와 같이 한 점을 제외하고는 비교예 1에서와 동일한 방식으로 전기 탈이온화 장치를 조립하였다. 물을 60/시간의 SV로 공급하고, 전류 효율로서의 전기 전압이 10∼20%인 점을 제외하고는 비교예 1에서와 동일한 조건 하에 물을 처리하였다. 처리수의 저항 및 pH는 도 6에 제시하였다.
비교예 2 : 2.5 mm
비교예 3 : 5.0 mm
실시예 2 : 7.0 mm
실시예 3 : 10.0 mm
실시예 4 : 15 mm
실시예 5 : 30 mm
실시예 6
도 2에 제시된 바와 같이, 활성탄 장치(1), RO 장치(2) 및 전기 탈이온화 장치(3A,3B)를 이 기재된 순서대로 일렬로 연결시켜 배열하고, 선행의 전기 탈이온화 장치(3A)는 두께가 10 mm인 탈염부를 구비한 실시예 1의 전기 탈이온화 장치와 동일한 것이었으며, 후속의 전기 탈이온화 장치(3B)는 두께가 2.5 mm인 탈염부를 구비한 비교예 1의 전기 탈이온화 장치와 동일한 것이었다. 이어서, 공급수를 표 2에 제시한 바와 같은 조건 하에 장치 내로 공급하였다. 처리수(전기 탈이온화 장치(3A,3B)로부터 각각 유출된 물)의 품질은 표 2에 제시하였다.
선행의 전기 탈이온화 장치(3A) 후속의 전기 탈이온화 장치(3B)
처리조건 셀의 개수 3 12
탈염부의 두께[mm] 10 2.5
전기 전압[V] 45.2 54
전류[A] 2 1
물 복구율[%] 90 95
처리수의 품질 처리수의 pH 9.5 7
처리수의 저항[㏁·cm] 0.1 18.2
처리수의 실리카 농도[SiO2의 ppb] 18 < 0.1
처리수의 붕소 농도[B의 ppb] 2.5 < 0.05
상기 결과는 다음의 사항을 말해준다.
표 1에 제시된 바와 같이, 두께가 10 mm인 탈염부를 갖춘 실시예 1의 전기 탈이온화 장치는 실리카 및 붕소 제거율이 두께가 2.5 mm인 탈염부를 갖춘 비교예 1의 전기 탈이온화 장치보다 약간 높다. 칼슘은 거의 모두 제거된다. 도 5에 제시된 바와 같이, 두께가 10 mm인 탈염부를 갖춘 전기 탈이온화 장치에서는, 인가 전압이 증가할수록 처리수의 pH가 상승한다.
도 6에 제시된 바와 같이, 탈염부의 두께가 7 mm를 초과하면, 처리수의 저항이 저하되어 처리수의 pH가 상승한다.
선행의 전기 탈이온화 장치(3A)에서는 셀에 8 V/셀의 전압을 인가하고, 후속의 전기 탈이온화 장치(3B)에서는 셀에 3 V/셀의 전압을 인가한다. 종래의 전기 탈이온화 장치를 사용하는 경우, 선행의 전기 탈이온화 장치의 셀에는 15 V의 전압을 인가하고, 후속의 전기 탈이온화 장치의 셀에는 4.5 V의 전압을 인가한다.
표 2는, 물을 두께가 10 mm인 탈염부를 갖춘 전기 탈이온화 장치에서 먼저 처리한 후 두께가 2.5 mm인 탈염부를 갖춘 전기 탈이온화 장치에서 처리하는 경우, 실리카 및 붕소의 농도가 분석 검출 한계까지 저하되고, 매우 양질(pH 7, 18.2 ㏁·cm의 저항)의 처리수가 얻어질 수 있다.
실시예 7
실시예 13에 제시된 정수 제조 장치를 조립하였다. 후속의 전기 탈이온화 장치는 탈염부 내에 벌집 구조를 가진 셀을 구비한 본 발명에 따른 것이다. 후속의 전기 탈이온화 장치로부터 유출된 처리수는 이하의 품질을 나타내 보였다.
pH: 9.5
전도성: 13 μS/cm
실리카 농도: 18 ppb
붕소 농도: 2.5 ppb
비교를 위해, 후속의 전기 탈이온화 장치로서 탈염부 내에 격벽을 갖춘 종래의 전기 탈이온화 장치를 사용하였다.
작동 조건 및 결과는 표 3에 제시하였다.
측정 조건은 다음과 같았다.
[측정 조건]
전기 탈이온화 장치의 셀 : 육각형, 면적 3.9 ㎠
격벽 간의 간격 : 28 mm
탈염부의 이온 교환 수지 : SA 10A의 음이온 수지와 SK 1B의 양이온 수지로서, 이들은 모두 미츠비시 케미칼 코포레이션 제품임(6부의 음이온 교환 수지와 4부의 양이온 교환 수지를 함유함)
이온 교환막: 도쿠야마 가부시키가이샤 제품인 AHA(음이온 교환막), CHB(양이온 교환막)
작동 조건은 표 3에 제시하였다.
실시예 7 비교예
셀의 개수 4 12
탈염부의 두께(mm) 5.0 2.5
셀의 높이(cm) 400 600
공간 속도(/시간) 120 60
인가 전압(V) 25 54
전류(A) 2.5 1.0
처리수의 저항(㏁·cm) 18.2 18.2
후속의 전기 탈이온화 장치로부터 유출된 처리수 중의 SiO2농도(SiO2의 ppb) < 0.1 < 0.1
후속의 전기 탈이온화 장치로부터 유출된 처리수 중의B 농도(B의 ppb) < 0.05 < 0.05
표 3에서 명백히 알 수 있듯이, 본 발명의 장치는 비교예보다 높은 속도로 양질의 처리수를 제공한다. 또한, 본 발명의 장치는 높이가 낮고 아주 소형임을 알 수 있다.
실시예 8 및 비교예 4
실시예 8 및 비교예 4에서는, 이하의 활성탄 장치, RO 막 장치 및 2개의 전기 탈이온화 장치가 일렬로 연결되어 있는 정수 제조 장치를 사용하였다.
활성탄 장치: 쿠리타 고교 가부시키가이샤에서 제조한 "Kuricoal KW 10-30"
RO 막 장치 : 쿠리타 고교 가부시키가이샤에서 제조한 "Maku-Ace KN 200"
전기 탈이온화 장치 : 구리타 고교 가부시키가이샤에서 제조한 "Pure-AcePA-200"
배출량 : 100 ℓ/시간
도 1에 제시된 바와 같이, 이하의 이온 교환막을 전술한 전기 탈이온화 장치 내에 사용하고, 탈염부를 6 부피부의 후술하는 음이온 교환 수지 및 4 부피부의 후술하는 양이온 교환 수지로 구성된 이온 교환 수지 혼합물로 채워 전기 탈이온화 장치를 조립하였다. 음이온 교환 수지와 양이온 교환 수지는, 이들을 탈염부 내에 채우기 전에 초정수로 충분히 세정하였다.
두께(W)가 2.5 mm이고 12개의 셀로 구성된 탈염부를 갖춘 전기 탈이온화 장치 "B"와, 두께(W)가 10 mm이고 3개의 셀로 구성된 탈염부를 갖춘 전기 탈이온화 장치 "A"를 포함하는 2개 유형의 전기 탈이온화 장치를 조립하였다.
음이온 교환막: 도쿠야마 가부시키가이샤에서 제조한 "Neosepta AHA"
양이온 교환막: 도쿠야마 가부시키가이샤에서 제조한 "Neosepta CMB"
음이온 교환 수지: 미츠비시 케미칼 코포레이션에서 제조한 "SA 10A"
양이온 전기 탈이온화 장치: 미츠비시 케미칼 코포레이션에서 제조한 "SK 10B"
RO 장치로는 표 4에 제시된 RO 막을 사용하였고, 전기 탈이온화 장치는 전기 탈이온화 장치"A"와 전기 탈이온화 장치"B"가 일렬로 함께 연결되어 구성되었다. 처리는, 배출량 100 ℓ/시간, 전기 탈이온화 장치 내 물 흐름 70/시간의 SV, RO 장치 내 물 복구율 75%, 및 전기 탈이온화 장치 내 물 복구율 80%의 조건 하에 수행하였다. RO 장치 내 물의 품질, 전기 탈이온화 장치 내 전압, 전류 및 물의 품질은표 4에 제시하였다.
실시예 8 비교예 4
RO막 장치 RO 막의 유형 도레이 가부시기가이샤에서 제조한 친수성 "SUL-G10"* 니토 일렉트리칼 인더스트리에서 제조한 "NTR 759"
RO 막의 성능 Na 제거율(%) 93.0 99.5
Cl 제거율(%) 97.5 99.5
Ca 제거율(%) 99.6 99.8
실리카 제거율(%) 99.5 99.5
공급수의 pH 6.5 6.5
공급수의 전도성[μS/cm] 160 160
투과수의 전도성[μS/cm] 25 2.1
전기 탈이온화 장치 A 전류[A] 1.5 0.06
전기 전압[V] 30 85
탈염수의 전도성[μS/cm] 30 0.1
pH 9.8 7.4
실리카 제거율[%] 98 53
전기 탈이온화 장치 B 전류[A] 1.0 0.05
전기 전압[V] 30 80
실리카 제거율[%] 98 50
탈염수의 저항[㏁·cm] 18.2 15
*이 막은 "SUL-G10" 막을 정수 및 1000 ppm(Cl2로 표현)의 차아염소산나트륨으로 구성된 용액 중에 침지시킨 후, 이 용액을 24 시간동안 순환시켜 친수성화시켜 제조한 것이다.
표 4에 따르면, 탈염도가 높은 수준인 RO 막을 사용하는 비교예 4에서는, 전류가 거의 흐르지 않고 처리수의 품질이 전기 탈이온화 장치 내에서 거의 향상되지 않았다. 이와 대조적으로, 실시예 8에서는, 탈염도가 97% 이하이고, 바람직하게는 경성 물질 및 실리카의 제거율이 97% 이상인 RO 막을 사용하고, 탈염부의 두께가 7 mm 이상인 탈염부를 사용하는 장치를 사용함으로써, 높은 전류 및 탈염 효율에 의해 양질의 처리수를 얻었다.
실시예 7
표 1에 제시한 실시예 1의 전기 탈이온화 장치, 2개의 UV 램프(재팬 포토 사이언스 가부시키가이샤에서 제조한 "AZ-26(0.1 kW)")를 구비한 자외선 조사 장치, 및 표 2에 제시한 후속의 전기 탈이온화 장치(3B)가 이 기재된 순서대로 배열되어 있고, 일렬로 연결되어 있다. TOC가 300 ppb인 원수를 장치 내로 공급하였다. 선행의 전기 탈이온화 장치로부터 유출된 처리수의 pH는 9.5이었다.
각 전기 탈이온화 장치로부터 유출되는 처리수의 TOC 농도의 측정치는 표 5에 제시하였다.
실시예 9 실시예 10 비교예 5
선행 전기 탈이온화 장치의 처리수의 TOC [ppb] 55 55 70
후속의 전기 탈이온화 장치의 처리수의 TOC [ppb] 2.5 1.1 10
원수의 TOC : 300 ppb
실시예 10
실시예 9에서는, 수 중의 농도가 1 ppm이 되도록 H2O2를 선행 전기 탈이온화 장치로부터 유출되는 처리수에 첨가하였다. TOC의 측정치는 표 5에 제시하였다.
비교예 5
표 1에 제시한 비교예 1의 전기 탈이온화 장치를 선행 전기 탈이온화 장치로 사용하고, 선행의 전기 탈이온화 장치로부터 유출되는 처리수에 NaCl을 첨가한 점을 제외하고는 실시예 9에서와 동일한 방식으로 처리하여 TOC를 측정하였다. TOC의 측정치는 표 4에 제시하였다.
이 처리 시에는, 전도성을 약 15 μS/cm로 증가시키기 위해 NaCl을 첨가하였다. 실시예 9 및 10에서는, 선행 전기 탈이온화 장치로부터 유출되는 공급수의 전도성이 약 15 μS/cm이었다.
표 5에 제시된 바와 같이, 본 발명에 따르면 TOC의 농도가 충분히 저하된다.
실시예 11
실시예 6의 장치를 실리카에 의한 오염 영향에 대해 조사하고, 그 복구 방법을 연구하였다.
단계 1
실리카 농도가 10,000 ppb인 원수를 실시예 6의 장치 내에 24 시간동안 연속적으로 공급한 경우, 선행 전기 탈이온화 장치로부터 유출된 처리수의 실리카 농도는 150 ppb가 되었고, 후속의 전기 탈이온화 장치로부터 유출된 처리수의 실리카 농도는 15 ppb가 되었다.
단계 2
이어서, 실리카를 200 ppb의 농도로 함유하도록 공급수를 조절하고, 선행 전기 탈이온화 장치 내로 공급하고자 하는 공급수에 24 시간동안 NaCl을 첨가하여 공급수의 전도성은 25∼30 μS로, 선행 전기 탈이온화 장치로부터 유출되는 물의 pH는 10 내지 10.2로, 선행 전기 탈이온화 장치에 인가된 전기 전압은 35.2 V로, 선행 전기 탈이온화 장치에 인가되는 전류는 2A로, 후속의 전기 탈이온화 장치에 인가되는 전압은 41 V로, 그리고, 후속의 전기 탈이온화 장치에 인가되는 전류는 1 A로 설정하였다. 3 일후, 선행 전기 탈이온화 장치로부터 유출된 처리수의 실리카농도가 25 ppb가 되었고, 후속의 전기 탈이온화 장치로부터 유출된 처리수의 실리카 농도는 0.2 ppb가 되었다.
비교예 6
상기 단계 2에서 NaCl을 첨가하지 않은 점을 제외하고는 실시예 11에서와 동일한 실험을 수행하였다. 그 결과, 후속 전기 탈이온화 장치로부터 유출되는 처리수의 실리카 농도가 실시예 6에서보다 훨씬 높은 2.5 ppb가 되었다.
표 6은 실시예 11 및 비교예 6의 결과를 제시한 것이다.
정상 상태 오염된 조건(24 시간) 정상 상태(3일 후)
비교예 6 실시예 11 실시예 12
공급수 중의 실리카 농도 200 10,000 200 200 200
선행 전기 탈이온화 장치로부터 유출된 처리수 중의 실리카 농도[ppb] 18 150 50 25 15
후속의 전기 탈이온화 장치로부터 유출된 처리수 중의 실리카 농도[ppb] < 0.1 15 2.5 0.2 < 0.1
실시예 12
실시예 11에서는, 공급수에 염을 첨가한 것 이외에, 선행의 전기 탈이온화 장치로 공급되는 공급수를 40℃로 가열하였다. 그 결과, 선행 전기 탈이온화 장치로부터 유출된 처리수의 실리카 농도가 15 ppb로 저하되었고, 후속의 전기 탈이온화 장치로부터 유출된 처리수의 실리카 농도는 0.1 ppb 미만으로 저하되었다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 탈염부에 따르면, 알칼리제를 첨가할 필요 없이 스케일이 형성되지 않고 실리카 및 붕소와 같이 해리 상수가 높은 약전해질이 효율적으로 제거된다.
본 발명의 정수 제조 장치에서는 다단계식 전기 탈이온화 장치(이중 첫번째 것은 본 발명에 따른 것임)를 사용하여 고순도의 정수를 용이하면서 효율적으로 제조하고, 이 정수 제조 장치는 저가로 제공된다.

Claims (19)

  1. 음극,
    양극,
    음극과 양극 사이에 다수의 양이온 교환 막 및 음이온 교환 막을 배열하여 교대로 형성시킨 농축부와 탈염부, 및
    탈염부 내에 채워진 이온 교환 물질(음이온 교환 물질과 양이온 교환 물질의 혼합물 또는 음이온 교환 물질 단독)
    을 포함하는 전기 탈이온화 장치로서,
    탈염부의 두께를 7㎜ 이상으로 하여 알칼리제를 첨가하지 않고 pH가 8.5 이하인 공급수를 처리했을 때 pH가 공급수보다 1.0 이상 높은 처리수가 얻어지는 것인 전기 탈이온화 장치.
  2. 제1항에 있어서, 작동 전압과 전류, 및 공간 유속 중 하나 이상을 제어하기 위한 제어 수단을 더 포함하며, 작동 전압은 1∼50 V/셀이며, 공간 유속은 30∼150/시간인 것인 전기 탈이온화 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 이온 교환 물질은 음이온 교환 물질과 양이온 교환 물질의 혼합물이거나, 또는 음이온 교환 물질 단독인 것인 전기 탈이온화 장치.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 공급수 중의 경성 물질을 50% 이상 제거할 수 있는 것인 전기 탈이온화 장치.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 공급수는 실리카, 붕소 또는 둘 다를 포함하는 것인 전기 탈이온화 장치.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 음이온 교환막의 전기 저항(RA)과 양이온 교환막의 전기 저항(RC)의 비율(RA/RC)은 0.8 이하인 것인 전기 탈이온화 장치.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서, 음극과 이 음극에 최근접한 탈염부의 양이온막 사이의 전체 공간이 음극부로 고안되어 있고,
    양이온 교환막은 양극과 이 양극에 최근접한 탈염부의 음이온 교환막 사이에 배열되어 있으며,
    농축부는 상기 양이온 교환막과 상기 양극에 최근접한 상기 탈염부 사이에 배열되어 있고,
    양극부는 상기 양이온 교환막과 양극 사이에 배열되어 있는 것인 전기 탈이온화 장치.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서, 최선단의 전기 탈이온화 장치는 두께가 균일한 음이온 교환막과 두께가 불균일한 양이온 교환막을 구비하고 있는 것인 전기 탈이온화 장치.
  9. 처리하고자 하는 물이 관통하여 하향 유동하도록 연결된 2개 이상의 전기 탈이온화 장치로 구성되고,
    최선단의 전기 탈이온화 장치는 제1항 또는 제2항에 청구된 전기 탈이온화 장치인 것인 정수 제조 장치.
  10. 제9항에 있어서, 제2 또는 그 이후의 전기 탈이온화 장치의 탈염부는 최선단의 전기 탈이온화 장치의 탈염부보다 얇은 것인 정수 제조 장치.
  11. 제9항에 있어서, 상기 탈염부가 격벽 부재에 의해 셀로 분할되어 있고,
    셀과 대향하는 격벽 부재의 적어도 일부는 탈염부 내 물의 정상 흐름 방향에 대해 경사를 이루고 있으며,
    격벽 부재의 적어도 경사부는 물은 통과시킬 수 있으나, 이온 교환 물질이 통과하는 것은 방지하는 것인 정수 제조 장치.
  12. 제9항에 있어서, 최선단의 전기 탈이온화 장치와 제2 전기 탈이온화 장치를 연결하는 파이프가 pH 측정계를 구비하고 있고,
    최선단의 전기 탈이온화 장치의 작동은, 상기 pH 측정계로 측정한 pH 측정치가 8.5 이상이 되도록 제어되는 것인 정수 제조 장치.
  13. 제9항에 있어서, 처리수를 후속의 전기 탈이온화 장치로부터 배출시키기 위한 파이프는 저항, 실리카의 농도 또는 둘 다를 측정하기 위한 측정계를 구비하고 있고, 전기 탈이온화 장치는 상기 측정계의 측정치에 기초하여 제어되는 것인 정수 제조 장치.
  14. 제9항에 있어서, 최선단의 전기 탈이온화 장치의 물 복구율이 95% 이상인 것인 정수 제조 장치.
  15. 제9항에 있어서, 전기 탈이온화 장치 사이에 자외선 조사 장치가 설치되어 있는 것인 정수 제조 장치.
  16. 제9항에 있어서, 최선단의 전기 탈이온화 장치 앞에 제1 역삼투막 장치가 구비되어 있고, 전기 탈이온화 장치 사이에는 제2 역삼투막 장치가 구비되어 있는 것인 정수 제조 장치.
  17. 제9항에 있어서, 최선단의 전기 탈이온화 장치 앞에 역삼투막 장치가 구비되어 있고, 역삼투막 장치의 처리수는 전기 탈이온화 장치 내로 공급된 후 이를 통해 하향 유동하며, 선행 전기 탈이온화 장치, 후속 전기 탈이온화 장치 또는 둘 다의 농축수는 역삼투막 장치의 앞으로 다시 공급되는 것인 정수 제조 장치.
  18. 제9항에 있어서, 최선단의 전기 탈이온화 장치 앞에 역삼투막 장치가 구비되어 있고, 역삼투막 장치의 처리수는 전기 탈이온화장치 내로 공급되며, 제2 또는 그 이후의 전기 탈이온화 장치의 농축수는 최선단의 또는 그 이후의 전기 탈이온화 장치의 공급 파이프로 다시 공급되는 것인 정수 제조 장치.
  19. 다수의 양이온 교환막과 음이온 교환막이 음극과 양극 사이에 배열되어 농축부와 탈염부를 교대로 형성하고, 상기 탈염부는 이온 교환 물질로 채워져 있는 전기 탈이온화 장치로서,
    두께가 7 mm 이상인 탈염부와 두께가 7 mm 미만인 농축부를 가지고, 공급수는 알칼리제를 첨가하지 않고 pH가 8.5 이하인 공급수를 처리했을 때 pH가 공급수 보다 1.0 이상 높은 처리수가 얻어지도록 일렬로 배열된 각 탈염부를 순서대로 유통하는 것인 전기 탈이온화 장치.
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