KR100465579B1 - 물의 전기 탈이온화 방법 및 장치 - Google Patents

물의 전기 탈이온화 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

전기 탈이온화 장치는 양극(11)이 있는 양극액 격실(17)과, 음극(12)이 있는 음극액 격실(18)과, 농축 격실(15)과, 탈염 격실(16)을 구비한다. 농축 격실(15)과 탈염 격실(16)은 복수 개의 음이온 교환막(13)과 복수 개의 양이온 교환막(14)을 배열함으로써 양극액 격실(17)과 음극액 격실(18) 사이에 교대로 형성되어 있다. 탈염 격실(16)은 이온 교환체로 채워져 있고, 농축 격실(15)은 이온 교환체, 활성 탄소, 또는 도전체로 채워져 있다. 전극수가 양극액 격실(17)과 음극액 격실(18)로 흘러 들어간다. 농축수는 농축 격실(15) 내로 도입된다. 원수가 탈염 격실(16) 내로 공급되어 탈염 격실(16)로부터 탈이온수를 생성한다. 실리카 또는 붕소를 원수보다 낮은 농도로 함유하고 있는 물이 탈이온수용 유출구와 인접한 측부로부터 탈염 격실(16)의 원수용 유입구와 인접한 측부를 향하는 방향으로 농축수로서 농축 격실(15) 내로 도입된다. 농축 격실(15)로부터 흘러 나오는 농축수의 적어도 일부가 순환 시스템으로부터 배출된다.

Description

물의 전기 탈이온화 방법 및 장치 {METHOD AND APPARATUS FOR ELECTRODEIONIZATION OF WATER}
본 발명은 전기 탈이온화 장치 및 그 조작 방법과, 초고순도의 물을 생성하기 위한 시스템에 관한 것이다.
탈이온수는 다목적으로 사용되며, 예를 들면 반도체 및 액정 디스플레이 등을 제조하기 위한 플랜트에, 제약 산업, 식품 산업 및 전력 산업 등을 위한 산업용 설비에, 그리고 가정용 및 실험실용으로도 사용된다. 전기 탈이온화 장치는 일본 특허 제1782943호, 일본 특허 제2751090호 및 일본 특허 제2699256호에 기재되어 있는 바와 같이 탈이온수를 생성하기 위해 빈번히 사용된다. 도 2에 도시된 종래의 전기 탈이온화 장치는 양극(11') 및 음극(12')과, 음이온 교환막(13') 및 양이온 교환막(14')으로 이루어지는 전극을 포함한다. 음이온 교환막 및 양이온 교환막은 양극과 음극 사이에서 농축 격실(15')과 탈염 격실(16')을 교대로 형성하도록 교대로 배열되어 있다. 탈염 격실(16')은 이온 교환 수지, 이온 교환 섬유, 또는 그래프트(graft) 교환체로 제조된 음이온 교환체 및 양이온 교환체로 채워져 있다. 탈염 격실(16')에서 음이온 교환체와 양이온 교환체는 혼합 상태 또는 다층 상태로 존재한다.
탈염 격실(16')로 흘러 들어가는 이온은 그것의 친화도, 농도 및 이동성에따라 이온 교환체와 반응하며, 전위 구배의 방향으로 이온 교환체를 통해 이동한다. 이온은 또한 이온 교환막을 통과해서 모든 격실에서 전하의 중성 상태를 유지한다. 이온은 이온 교환막의 반투과성과 전위 구배의 극성으로 인해서 탈염 격실(16')에서는 감소하고 농축 격실(15')에서는 증가한다. 이는, 양이온은 양이온 교환막(14')을 투과하고 음이온은 음이온 교환막(13')을 투과함으로써 양이온과 음이온이 농축 격실(15')에 농축된다는 것을 의미한다. 따라서, 탈이온수(순수한 물)가 생성수로서 탈염 격실(16')로부터 회수된다.
전극수가 양극액 격실(17')과 음극액 격실(18')을 통해 흐른다. 농축 격실(15')로부터 흘러 나오는 이온 농도가 높은 물(농축수)이 도전 상태를 확보하기 위한 전극수로서의 역할을 한다.
원수(原水)가 탈염 격실(16')과 농축 격실(15') 내로 도입된다. 탈이온수(순수한 물)가 탈염 격실(16')로부터 취출된다. 이온이 농축된 농축수가 농축 격실(15')로부터 배출된다. 농축수의 일부는 생성수의 회수를 향상시키기 위하여 펌프(도시하지 않았음)에 의해 농축 격실(15')의 유입구로 순환된다. 농축수의 또 다른 일부는 양극액 격실(17')의 유입구로 공급된다. 농축수의 나머지 부분은 순환 시스템에 이온이 농축되는 것을 방지하기 위하여 순환 시스템으로부터 폐수로서 배출된다. 양극액 격실(17')로부터 흘러 나오는 물은 음극액 격실(18')의 유입구로 공급된다. 음극액 격실(18')로부터 흘러 나오는 물은 순환 시스템으로부터 폐수로서 배출된다.
양극액 격실(17') 내의 pH는 물의 해리에 의해 발생하는 H+로 인해낮아진다. 반면, 음극액 격실(18') 내의 pH는 OH-의 발생으로 인해 증가한다. 양극액 격실(17')로부터 흘러 나오는 산성의 물이 음극액 격실(18')로 흘러 들어감으로써 음극액 격실(18') 내의 알칼리도가 중화될 수 있으며, 따라서 스케일(scale)의 형성으로 인한 손상을 피할 수 있다.
활성 탄소 또는 이온 교환 수지로 전극 격실을 채우는 것은 미국 특허 제5,868,915호에 개시되어 있다.
전술한 종래의 전기 탈이온화 장치는 실리카와 붕소를 극도로 높은 비율로 제거하지 못한다.
본 발명의 목적은 실리카와 붕소를 극도로 높은 비율로 제거하는 전기 탈이온화 장치 및 그 조작 방법과, 초고순도의 물을 생성하기 위한 전기 탈이온화 장치를 채용한 시스템을 제공하는 것이다.
도 1은 본 발명의 한 가지 실시 형태에 따른 전기 탈이온화 장치를 도시한 개략적인 단면도.
도 2는 종래의 전기 탈이온화 장치를 도시한 개략적인 단면도.
도 3a는 본 발명의 또 하나의 실시 형태에 따른 전기 탈이온화 장치를 개략적으로 도시한 사시도.
도 3b는 도 3a의 장치의 개략적인 흐름도.
도 4는 본 발명의 전기 탈이온화 장치를 채용한, 초고순도의 물을 생성하기 위한 시스템의 개략적인 흐름도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
11: 양극
12: 음극
13: 음이온 교환막
14: 양이온 교환막
15: 농축 격실
16: 탈염 격실
17: 양극액 격실
18: 음극액 격실
본 발명의 제1 태양에 따른 전기 탈이온화 방법은 양극이 있는 양극액 격실과, 음극이 있는 음극액 격실과, 적어도 하나의 농축 격실과, 적어도 하나의 탈염 격실을 구비한 전기 탈이온화 장치를 채용한다. 농축 격실과 탈염 격실은 적어도 하나의 음이온 교환막과 적어도 하나의 양이온 교환막을 교대로 배열함으로써 양극액 격실과 음극액 격실 사이에 형성된다. 탈염 격실은 이온 교환체로 채워지고, 농축 격실은 이온 교환체, 활성 탄소, 또는 도전체로 채워진다. 전극수가 양극액 격실과 음극액 격실로 흘러 들어간다. 농축수가 농축 격실로 흘러 들어간다. 원수가 탈염 격실로 흘러 들어가고, 탈이온수가 탈염 격실로부터 흘러 나온다. 농축수는 실리카 또는 붕소를 원수보다 낮은 농도로 포함한다. 농축수는 탈염 격실의 탈이온수용 유출구와 인접한 측부에서 농축 격실로 흘러 들어가고, 탈염 격실의 원수용 유입구와 인접한 측부에서 농축 격실로부터 흘러 나온다. 농축 격실로부터 흘러 나오는 농축수의 적어도 일부가 순환 시스템으로부터 배출된다.
본 발명의 제2 태양에 따른 전기 탈이온화 장치는 양극이 있는 양극액 격실과, 음극이 있는 음극액 격실과, 적어도 하나의 농축 격실과, 적어도 하나의 탈염 격실을 구비한다. 농축 격실과 탈염 격실은 적어도 하나의 음이온 교환막과 적어도 하나의 양이온 교환막을 교대로 배열함으로써 양극액 격실과 음극액 격실 사이에 교대로 형성된다. 탈염 격실은 이온 교환체로 채워지고, 농축 격실은 이온 교환체, 활성 탄소, 또는 도전체로 채워진다. 이 전기 탈이온화 장치는 전극수를 양극액 격실과 음극액 격실 내로 도입하기 위한 장치와, 농축수를 농축 격실 내로 도입하기 위한 농축수 도입 장치와, 탈이온수를 생성하기 위해 원수를 탈염 격실 내로 도입하기 위한 장치를 더 포함한다. 상기 농축수 도입 장치는 실리카 또는 붕소를 원수보다 낮은 농도로 함유하는 물을 탈염 격실의 탈이온수용 유출구와 인접한 측부에서 농축 격실 내로 도입한다. 농축수는 탈염 격실의 원수용 유입구와 인접한 측부에서 농축 격실로부터 흘러 나온다. 농축 격실로부터 흘러 나오는 농축수의 적어도 일부가 순환 시스템으로부터 배출된다.
본 발명에 따른 초고순도의 물을 생성하기 위한 시스템은 본 발명의 제2 태양에 따른 전기 탈이온화 장치를 포함한다.
생성수용 유출구 부근에서 농축 격실로 흘러 들어가는 농축수 중의 실리카 또는 붕소의 농도를 감소시키면 생성수 중의 실리카 또는 붕소의 농도가 감소한다.
실리카 또는 붕소를 원수보다 낮은 농도로 함유하는 농축수를 탈이온수(생성수)용 유출구와 인접한 측부에서 원수용 유입구와 인접한 측부를 향하는 방향으로 탈염 격실 내로 도입함으로써, 생성수의 실리카 또는 붕소의 농도가 크게 감소한다.
도전성이 낮고 저항이 큰 물을 농축 격실 내로 도입함으로써, 농축 격실 내의 물의 전기 저항이 증가한다.
농축 격실 내에 채워져 있는 이온 교환 수지, 활성 탄소, 또는 도전체와 같은 이온 교환체는 농축 격실의 전기 저항을 감소시켜 다량의 전류가 흐르게 한다.
이온 교환 수지 중에서 물이 해리됨으로써 생성되는 H+이온 및 OH- 이온은 전하를 운반해서 전극간 전압 상승을 방지하므로, 초고순도의 물과 같은 저항이 큰 물이 전기 탈이온화 장치 내를 흐를 때에도 전극 사이에서 충분한 전류가 흐르게 된다.
도 1에 도시된 전기 탈이온화 장치는 전극[양극(11), 음극(12)] 사이에 교대로 배열된 복수 개의 음이온 교환막(13)과 복수 개의 양이온 교환막(14)과, 농축 격실(15)과, 탈염 격실(16)을 구비한다. 농축 격실(15)과 탈염 격실(16)은 음이온 교환막(13)과 양이온 교환막(14) 사이에 각각 형성되어 있으며, 따라서 전극 사이에 교대로 배열되어 있다. 탈염 격실(16)은 이온 교환 수지, 이온 교환 섬유, 또는 그래프트 교환체로 제조된 음이온 교환체 및 양이온 교환체로 채워져 있다. 탈염 격실(16)에서 음이온 교환체 및 양이온 교환체는 혼합 상태 또는 다층 상태로 채워져 있다.
농축 격실(15), 양극액 격실(17) 및 음극액 격실(18)은 이온 교환체, 활성 탄소, 또는 금속과 같은 도전성 매체로 채워져 있다.
탈염 격실(16) 내로 원수가 도입된다. 탈염 격실(16)로부터 생성수가 취출된다. 생성수의 일부는 탈염 격실(16)의 흐름 방향과 반대 방향으로, 즉 단일 패스의 향류(single-pass counter-flow) 방식으로 농축 격실(15)로 흘러 들어간다. 농축 격실(15)로부터 흘러 나오는 물은 본 전기 탈이온화 장치의 시스템으로부터 배출된다. 농축 격실(15)에는 탈염 격실(16)의 생성수용 유출구와 동일한 측부 상에 유입구가 마련되어 있고, 탈염 격실(16)의 원수용 유입구와 동일한 측부 상에 유출구가 마련되어 있다. 생성수의 또 다른 일부는 양극액 격실(17)의 유입구로 공급된다. 양극액 격실(17)로부터 흘러 나오는 물은 음극액 격실(18)의 유입구로 공급된다. 음극액 격실(18)로부터 흘러 나오는 물은 시스템으로부터 폐수로서 배출된다.
생성수를 탈염 격실(16)에 대해 단일 패스의 향류 방식으로 농축 격실(15) 내로 도입함으로써, 농축 격실(15) 내의 농축수는 생성수용 유출구 부근에서 이온 농도가 가장 낮게 되므로, 농도 확산으로 인한 탈염 격실(16)로의 이온 확산이 제한되고 이온이 매우 높은 비율로 제거된다. 특히, 실리카와 붕소가 극도로 높은 비율로 제거된다.
종래의 전기 탈이온화 장치에서는, 농축수(농축 격실로부터 흘러 나오는 물)의 일부가 생성수의 회수를 개선하기 위해 도 2에 도시된 바와 같이 배출된다. 농축수의 나머지 부분은 농축 격실의 유입구로 순환된다. 종래의 장치에서는 농축 격실 내의 LV(선속도)가 80 m/hr 이상이다.
본 발명의 본 실시 형태에서는 이온 교환체가 농축 격실 내에 채워져 있기 때문에, 농축 격실 내의 LV가 20 m/hr 이하일 때에도 탈이온화 특성을 확보할 수 있다. 그 이유는 다음과 같다. 각각의 농축 격실에 스페이서를 배치하면, 농축 격실 내에 물의 흐름에 의해 막 상에 농축 실리카와 농축 붕소를 분산시켜야 한다. 그러나, 이온 교환체가 농축 격실 내에 채워져 있으면 이온 교환체를 통해 이온이 분산되므로 선속도(LV)가 높을 필요가 없다.
선속도가 높을 필요가 없으므로, 농축수가 단일 패스 방식으로 흐름에도 불구하고 생성수가 종래의 장치에 비해 더 많이 회수될 수 있다. 또한, 순환 펌프가 불필요하므로 장치가 더욱 저렴해질 수 있다.
생성수용 유출구에 해당하는 곳에서 흐르는 농축수의 실리카 농도는 가능한 한 낮은 것이 바람직하다. 실리카 농도는 생성수의 경우의 1000배 이하인 것이 바람직하다.
비록 필요한 전류를 확보하기 위한 농축 격실용 충전제는 활성 탄소일 수 있지만, 전술한 이온 확산 작용으로 인해서 활성 탄소보다는 이온 교환체를 사용하는 것이 바람직하다.
도 1에 도시된 전기 탈이온화 장치에서, 생성수의 일부가 전극 격실(17, 18)로도 공급된다. 원하는 전류를 확보하기 위해, 전극 격실(17, 18)에는 농축격실(15)과 마찬가지로 도전성 매체로서 이온 교환체, 활성 탄소, 또는 금속을 채운다. 이로써 수질과 무관하게 인가 전압이 일정해진다. 따라서, 초고순도의 물과 같이 높은 수질의 물이 흐를 때에도 원하는 전류를 확보할 수 있다.
전극 격실, 특히 양극액 격실에서, 염소 및 오존과 같은 산화제가 생성된다. 따라서, 충전제는 장기간 사용을 위해 이온 교환체보다는 활성 탄소인 것이 더욱 바람직하다. 충전제 및 전극의 장기간 안정성을 고려할 때, 도 1에 도시된 바와 같이 Cl-가 거의 또는 전혀 없는 생성수를 전극 격실 내로 공급하는 것이 전극 격실내 염소의 생성을 방지하기 때문에 바람직하다.
전극 격실에는 전술한 충전제를 채우지 않을 수도 있다. 예를 들면, 각 전극판의 물이 흐르는 측부 상에 전극수가 다공질 부분으로 투과할 수 있도록 하는 다공성 구조체가 마련된다. 이 경우, 전극판과 전극 격실은 일체부로서 형성되어 조립을 용이하게 할 수 있다.
내부가 분할되지 않은 농축 격실 내에서 농축수가 순환하면, 실리카와 붕소의 농도는 생성수 유출구 부근에서 더 높게 된다. 도 3a, 도 3b에 도시된 바와 같이 내부가 분할된 농축 격실 내에서 농축수가 순환하면, 농축 격실용 유출구와 인접한 측부의 농도가 농축 격실용 유출구와 인접한 측부의 농도보다 더 높으므로, 생성수의 품질이 도 1의 단일 패스 향류 구성에서 얻은 생성수의 품질과 거의 동일하다.
도 3a 및 도 3b에 도시된 전기 탈이온화 장치에는 양극(11)과 음극(12)이 있다. 이들 양극(11)과 음극(12) 사이에는 양이온 교환막과 음이온 교환막이 교대로배열되어 농축 격실(15)과 탈염 격실(16)을 교대로 형성하고 있다. 농축 격실(15)은 격벽(15S)에 의해 2개 이상(도 3a 및 도 3b에서는 2개)의 농축수 흐름부(15A, 15B)로 분할되어 있다. 각각의 농축수 흐름부(15A, 15B)에서 농축수가 흐르는 방향은 탈염 격실(16)에서의 흐름 방향과 교차한다.
도 3a에서 각각의 탈염 격실(16)은 상단부에 유입구가 있고 하단부에 유출구가 있어서 물이 수직 방향 아래로 흐른다.
농축 격실(15)에는 탈염 격실(16)에서의 흐름 방향과 교차하는 방향으로 연장되는 격벽(15S)이 마련되어 있다. 비록 도 3a에서는 상기 방향이 탈염 격실(16)의 흐름 방향과 직교하지만, 이 "직교"라는 용어는 80°내지 100°의 각도 범위를 포함한다. 농축 격실(15)의 내부는 격벽(15S)에 의해 도 3a에서 수직으로 배열되어 있는 2개의 단으로 분할되어 있다. 도 3a의 각 농축수 흐름부(15A, 15B) 내에서 물은 앞쪽으로부터 뒤쪽으로 흐른다.
도 3b에 도시된 바와 같이, 탈염 격실로부터 흘러 나온 생성수의 일부가 펌프에 의해 순환이 이루어지는 농축수 흐름부(15B)의 순환 시스템 내로 도입된다. 따라서, 이 생성수의 일부는 생성수용 유출구 부근의 농축수 흐름부(15B) 내에서 순환하게 된다. 순환 시스템으로부터의 순환 농축수의 일부는 펌프에 의해 순환이 이루어지는 농축수 흐름부(15A)의 순환 시스템 내로 도입된다. 따라서, 이 순환하는 농축수의 일부는 원수용 유입구 부근의 농축수 흐름부(15A) 내에서 순환하게 된다. 원수용 유입구와 인접한 농축수 흐름부(15A)로부터의 순환 농축수의 일부는 순환 시스템으로부터 배출된다.
도 3a 및 도 3b의 전기 탈이온화 장치에 있어서, 생성수의 일부가 생성수용 유출구와 인접한 농축수 흐름부(15B)의 순환 시스템으로 들어가 순환한 후에, 농축수 흐름부(15B)로부터의 순환수의 일부가 원수용 유입구와 인접한 순환수 흐름부(15A)의 순환 시스템 내로 들어가 순환하고 순환 시스템으로부터 배출된다. 이는 농축수가 생성수용 유출구의 측부로부터 원수용 유입구의 측부로 흐른 후, 순환 시스템으로부터 부분적으로 배출된다는 것을 의미한다. 따라서, 이 전기 탈이온화 장치는 농축 격실 내의 물이 탈염 격실에 대해 단일 패스 향류 방식으로 흐르는 도 1에 도시된 경우와 동일한 효과를 발휘한다.
농축 격실에는 격벽에 의해 형성된 농축수 흐름부가 3개 이상 있을 수 있다. 격벽 또는 부품의 개수 및 장치 구조의 복잡도의 증가를 고려하면, 농축 격실은 2개 또는 3개의 농축수 흐름부로 분할되는 것이 바람직하다.
이 전기 탈이온화 장치에서 실리카뿐만 아니라 붕소를 제거하기 위해, 탈염 격실의 두께를 가능한 한 작게 하는 것이 바람직하다. 탈염 격실의 두께는 5 mm 이하인 것이 바람직하다. 그러나, 투수성 및 제조 편의성을 고려하면 실제로 2 mm 이상인 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면, 농도 확산의 영향이 배제되면서, 전극 사이를 필요한 전류가 통과하고 실리카 및 붕소가 높은 비율로 제거된다. 전술한 농축 격실 및 전극 격실이 있는 본 발명의 장치에서 필요한 전류가 흐른다. 실리카 및 붕소의 제거 비율을 증가시키는 데에 필요한 전류는 10% 이하의 전류 효율에 해당하는 전류값이다. 실리카 및 붕소 제거 비율을 99.9% 이상으로 하기 위해 필요한 전류는 5%이하의 전류 효율에 해당하는 것이 바람직한 전류값이다. 전류 효율은 이하의 수학식으로 나타낼 수 있다.
전류 효율(%)=1.31[셀당 유량(L/분)][{원수의 상당 전도율(μS/cm)}-{처리된 물의 상당 전도율(μS/cm)}]/전류(A)
본 발명의 전기 탈이온화 장치에 따르면, 저항이 큰 물이 전기 탈이온화 장치 내로 원수로서 공급될 때와, 원수 중의 실리카와 붕소만을 추가로 감소시켜야 할 때에도 필요한 전류를 확보할 수 있다.
종래의 전기 탈이온화 장치에서 농축 격실과 전극 격실 중 어느 것에서도 전류가 흐르지 않는다면 전류가 장치를 통해 흐르지 않는다는 것을 주목해야 한다.
한편, 본 발명의 전기 탈이온화 장치는 저항이 큰 원수로부터 실리카 및 붕소를 제거할 수 있다. 따라서, 본 발명의 전기 탈이온화 장치는 다양한 종류의 물을 처리할 수 있다.
예를 들면, 본 발명의 전기 탈이온화 장치는 반도체 플랜트에서 제1의 순수한 물을 생성하기 위한 장치로서 채용할 수 있다. 이 제1의 순수한 물을 생성하기 위한 장치에 의해 생성되는 생성수가 소량만 소비되고 나머지는 원수의 저항을 크게 하기 위해 회수되어 원수로서 순환하는 때에도 필요한 전류를 확보할 수 있다. 따라서, 본 발명의 전기 탈이온화 장치는 안정적으로 시동할 수 있다.
본 발명의 전기 탈이온화 장치를 복수 개 직렬로 배열하고 원수를 이들 장치로 도입할 때에도, 후속 장치에 필요한 전류를 확보할 수 있다.
본 발명의 전기 탈이온화 장치는 초고순도의 물을 생성하는 공정에서 종종 "하위 시스템"이라고 부르는 제2의 순수한 물 생성 시스템으로도 채용할 수 있다. 본 발명의 전기 탈이온화 장치 내로 저항이 10 MΩ·cm 이상으로 큰 물을 원수로서 공급할 때에도 필요한 전류를 확보할 수 있다. 따라서, 본 발명의 전기 탈이온화 장치는 도 4에 도시된 바와 같이 데미너(demminer)(비재생 혼합 베드형 이온 교환 장치)를 대신하여 채용할 수 있다.
도 4의 하위 시스템에서, 저항이 10 MΩ·cm 이상인 제1의 순수한 물이 자외선 산화 장치(1)를 통해 전기 탈이온화 장치(2)의 탈염 격실(2A) 내로 도입된다. 전기 탈이온화 장치(2)로부터의 생성수는 초여과막 분리 장치(3)에서 처리되어 초고순도의 물을 생성한다. 전체적인 물의 균형을 고려하면, 초여과막 분리 장치(3)로부터의 농축수는 전기 탈이온화 장치(2)의 농축 격실(2B)로의 공급수로서 사용할 수 있다. 따라서, 전체적인 시스템의 물 사용 효율이 향상된다.
이하, 실시예 및 비교예를 설명한다.
실시예 1
수도물을 먼저 활성 탄소로 여과하고 역삼투 분리기로 처리한 후, 막 탈기 장치로 추가 처리하자 표 1에 나타낸 품질의 원수가 되었다. 이 원소를 탈염 격실이 2개, 농축 격실이 3개 있고 사양이 이하와 같은 도 1의 전기 탈이온화 장치로 탈이온화하였다. 이 전기 탈이온화 장치를 이하의 작동 조건 하에 작동시켰다.
[전기 탈이온화 장치의 사양]
탈염 격실의 높이: 66 cm
탈염 격실의 두께: 2.5 mm
농축 격실의 두께: 2.5 mm
탈염 격실용 충전제: 음이온 교환 수지 : 양이온 교환 수지 = 7 : 3 (체적 기준)인 혼합형 이온 교환 수지
농축 격실용 충전제: 음이온 교환 수지 : 양이온 교환 수지 = 7 : 3 (체적 기준)인 혼합형 이온 교환 수지
양극액 격실 및 음극액 격실용 충전제: 활성 탄소
[작동 조건]
전류: 2A (전류 효율 4%)
탈염 격실 SV: 130 hr-1
농축 격실 LV: 13 m/hr
생성수: 60 L/hr
농축 격실 내의 물: 9 L/hr
전극 격실 내의 물: 5 L/hr
물 회수: 81% (= 60 ÷(60 + 9 + 5) ×100)
생성수는 74 L/hr로 흘렀으며, 생성수 중 9 L/hr는 단일 패스 향류 방식으로 농축 격실 내로 도입하였고, 5 L/hr는 양극액 격실로 공급한 후 음극액 격실로 흘렀다.
결과적인 생성수는 잔류 실리카 및 잔류 붕소가 모두 표 1에 나타낸 검출 한계 미만이 되도록 실리카 및 붕소가 고도로 제거된 고순도의 물이었다.
이 실험에서 인가된 전압은, 탈염 격실: 1.28V ×2, 농축 격실: 1.28V ×3, 양극액 격실: 1.4V, 음극액 격실: 1.9V로, 총합 9.7V였다.
원수 생성수
실리카 (ppb) 300 0.1 이하(검출 한계 미만)
붕소 (ppb) 10 0.1 이하(검출 한계 미만)
전도율 (μS/cm) 10 -
저항 (MΩ·cm) - 18
실시예 2
규산 나트륨의 농도가 300 ppb(SiO2환산)가 되도록 초고순도의 물에 규산 나트륨을 첨가하여 원수를 준비한 점을 제외하고, 실시예 1과 동일한 조건 하에 탈이온화를 행하였다.
원수에 함유된 이온 농도가 낮아서 필요한 전류를 확보하기 어려웠다. 그러나, 생성수는 실리카의 농도가 0.1 ppb 이하(검출 한계 미만)가 될 정도로 순도가 높았다.
이 실험에서 인가된 전압도, 탈염 격실: 1.28V ×2, 농축 격실: 1.28V ×3, 양극액 격실: 1.4V, 음극액 격실: 1.9V로, 총합 9.7V였다.
비교예 1
농축수의 유량이 60 L/hr이고 농축수 배출 속도가 9 L/hr인 점을 제외하고는 실시예 1과 동일한 조건 하에서 도 2에 도시된 바와 같은 장치를 사용하여 실험을 행하였다.
생성수의 저항은 17 MΩ·m이고, 실리카의 농도는 6 ppb였다.
전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 전기 탈이온화 장치는 실리카 및 붕소가 고도로 제거된 고순도의 생성수를 생성한다. 종래의 전기 탈이온화 장치는 실리카 및 붕소를 충분히 제거할 수 없다.

Claims (20)

  1. 양극이 있는 양극액 격실과, 음극이 있는 음극액 격실과, 적어도 하나의 농축 격실과, 적어도 하나의 탈염 격실을 포함하는 전기 탈이온화 장치의 조작 방법으로서,
    상기 농축 격실과 탈염 격실은 적어도 하나의 음이온 교환막과 적어도 하나의 양이온 교환막을 배열함으로써 상기 양극액 격실과 음극액 격실 사이에 형성하고,
    상기 탈염 격실은 이온 교환체로 채우며,
    상기 농축 격실은 이온 교환체, 활성 탄소 및 전도체 중 적어도 하나로 채우고,
    상기 전기 탈이온화 장치는, 상기 양극액 격실 및 음극액 격실 내로 전극수를 공급하고, 상기 농축 격실 내로 농축수를 공급하고, 상기 탈염 격실 내로 원수를 공급하여 상기 탈염 격실로부터 탈이온수를 생성함으로써 탈이온수를 생성하며,
    상기 농축수는 실리카 및 붕소 중 적어도 하나를 원수보다 낮은 농도로 포함하고, 상기 농축수는 상기 탈염 격실의 탈이온수용 유출구와 인접한 측부에서 상기 농축 격실 내로 도입되고 상기 탈염 격실의 원수용 유출구와 인접한 측부에서 농축 격실로부터 흘러 나오며,
    상기 농축 격실로부터 흘러 나오는 농축수의 적어도 일부가 순환 시스템으로부터 배출되고,
    상기 탈염 격실의 두께는 2-5 mm인 것을 특징으로 하는 전기 탈이온화 장치의 조작 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 농축수는 상기 농축 격실 내에서 상기 탈염 격실 내의 물에 대해 단일 패스 향류 방식으로 흐르는 것인 전기 탈이온화 장치의 조작 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 전기 탈이온화 장치의 탈염된 물과, 이 탈염된 물을 이온 교환 장치와 같은 다른 장치에 의해 추가 처리함으로써 생성된 처리된 물과, 초고순도의 물 중 적어도 하나를 상기 농축 격실 내로 농축수로서 도입하는 것인 전기 탈이온화 장치의 조작 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 양극액 격실 및 음극액 격실은 활성 탄소, 이온 교환제 및 도전체 중 적어도 하나로 채워지는 것인 전기 탈이온화 장치의 조작 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 양극은 상기 양극액 격실을 형성하는 양이온 교환막과 접촉하고,
    상기 음극은 상기 음극액 격실을 형성하는 음이온 교환막과 접촉하며,
    상기 양극과 음극에는 전극수가 통과해서 흐르는 연속적인 다중 개구가 있는 다공성 구조체가 적어도 해당 이온 교환막과 접촉하는 측부에 각각 마련되는 것인 전기 탈이온화 장치의 조작 방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 농축 격실 내에서 상기 농축수의 선속도(LV)는 20m/hr 이하인 것인 전기 탈이온화 장치의 조작 방법.
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서, 전류는,
    전류 효율(%)=1.31[셀당 유량(L/분)][{원수의 상당 전도율(μS/cm)}-{처리된 물의 상당 전도율(μS/cm)}]/전류(A)
    으로 표현된 상기 전기 탈이온화 장치의 전류 효율이 10% 이하가 되는 전류값을 갖는 것인 전기 탈이온화 장치의 조작 방법.
  9. 제8항에 있어서, 전류는 전류 효율이 5% 이하인 전류값을 갖는 것인 전기 탈이온화 장치의 조작 방법.
  10. 양극이 있는 양극액 격실과,
    음극이 있는 음극액 격실과,
    적어도 하나의 음이온 교환막과 적어도 하나의 양이온 교환막을 배열함으로써 상기 양극액 격실과 음극액 격실 사이에 형성되는 적어도 하나의 농축 격실 및 적어도 하나의 탈염 격실과,
    상기 탈염 격실을 채우는 이온 교환체와,
    상기 농축 격실을 채우는, 이온 교환체, 활성 탄소 및 도전체 중 적어도 하나와,
    전극수를 상기 양극액 격실과 음극액 격실 내로 각각 도입하기 위한 장치와,
    농축수를 상기 농축 격실 내로 도입하기 위한 농축수 도입 장치와,
    탈이온수를 생성하기 위해 원수를 상기 탈염 격실 내로 공급하기 위한 장치를 포함하며,
    상기 농축수 도입 장치는 실리카와 붕소 중 적어도 하나를 상기 원수보다 낮은 농도로 함유하는 물을 상기 탈염 격실의 탈이온수용 유출구와 인접한 측부에서 상기 농축 격실 내로 도입하고,
    상기 농축수 도입 장치는 농축수를 상기 탈염 격실의 원수용 유출구와 인접한 측부에서 상기 농축 격실로부터 흘러 나가게 하며,
    상기 농축수 도입 장치는 상기 농축 격실로부터 흘러 나오는 농축수의 적어도 일부를 순환 시스템 외부로 배출시키고,
    상기 탈염 격실의 두께는 2-5 mm인 것을 특징으로 하는 전기 탈이온화 장치.
  11. 제10항에 있어서, 상기 농축수 도입 장치는 농축수를 상기 탈염 격실 내의 물에 대해 단일 패스 향류 방식으로 상기 농축 격실 내로 도입하는 것인 전기 탈이온화 장치.
  12. 제10항에 있어서, 상기 전기 탈이온화 장치에 의해 생성되는 탈염된 물과, 이 탈염된 물을 이온 교환 장치와 같은 다른 장치에 의해 추가 처리함으로써 준비되는 처리된 물과, 초고순도의 물 중 적어도 하나가 상기 농축 격실 내로 농축수로서 도입되는 것인 전기 탈이온화 장치.
  13. 제10항에 있어서, 상기 양극액 격실과 음극액 격실은 활성 탄소, 이온 교환체 및 도전체 중 적어도 하나로 채워지는 것인 전기 탈이온화 장치.
  14. 제10항에 있어서,
    상기 양극은 상기 양극액 격실을 형성하는 양이온 교환막과 접촉하고,
    상기 음극은 상기 음극액 격실을 형성하는 음이온 교환막과 접촉하며,
    상기 양극과 음극에는, 상기 양극액 격실과 음극액 격실에서 전극수가 통과해서 흐르는 연속적인 다중 개구가 있는 다공성 구조체가 적어도 해당 이온 교환막과 접촉하는 측부에 각각 마련되는 것인 전기 탈이온화 장치.
  15. 제10항에 있어서, 상기 농축 격실 내에서 상기 농축수의 선속도(LV)는 20 m/hr 이하인 것인 전기 탈이온화 장치.
  16. 삭제
  17. 제10항에 있어서, 전류는,
    전류 효율(%)=1.31[셀당 유량(L/분)][{원수의 상당 전도율(μS/cm)}-{처리된 물의 상당 전도율(μS/cm)}]/전류(A)
    으로 표현된 상기 전기 탈이온화 장치의 전류 효율이 10% 이하가 되는 전류값을 갖는 것인 전기 탈이온화 장치.
  18. 제17항에 있어서, 전류는 전류 효율이 5% 이하인 전류값을 갖는 것인 전기 탈이온화 장치.
  19. 제10항의 전기 탈이온화 장치를 포함하는 초고순도수 생성 장치.
  20. 제19항에 있어서, 상기 전기 탈이온화 장치로부터의 탈이온수가 도입되는 초여과막 분리 장치를 더 포함하고, 상기 초여과막 분리 장치로부터의 농축수는 상기 전기 탈이온화 장치의 농축 격실 내로 내로 도입되는 것인 초고순도수 생성 장치.
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