KR100716532B1 - 수중 용존산소 제거장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 계통수에 용존되어 있는 산소를 효율적으로 제거할 수 있는 수중 용존산소 제거장치에 관한 것으로서, 실린더 형태의 하우징 내에 축방향으로 공급수의 유입과 분산 및 처리수를 배출할 수 있도록 구성된 다공성 튜브가 내재되어 있으며, 그 다공성 튜브의 내부에 설치되어 있는 차단막에 의해 분배관과 통합관으로 구별된다. 또한 이러한 다공성 튜브에는 친수처리된 폴리에틸렌(PE) 부직포층과 팔라듐(Pd)촉매가 담지되어 있는 시트형태의 활성탄소섬유층, 다공성 중공사막을 폴리프로필렌(PP)섬유를 이용하여 직조한 시트형태의 중공사막층, 그리고 다시 팔라듐촉매가 담지되어 있는 시트형태의 활성탄소섬유층과 폴리에틸렌 부직포층으로 여러겹 적층되어 있는 형태로 감겨 있다. 이와 같이 개발된 수중 용존산소 제거장치는 분배관을 통해 유입된 공급수 중의 용존산소가 상기의 반응층에서 흡착-해리과정을 거치고, 중공사막으로부터 일정 유량으로 공급되는 환원제 즉, 수소에 의한 환원반응을 통해 물분자로 환원될 수 있도록 고안된 장치로써, 처리공정과 장치가 비교적 간단하고, 이를 계통수의 용존산소 제거공정에 활용할 경우 우수한 제거효율을 기대할 수 있게 된다.

수중 용존산소 제거장치, 부직포, 금속촉매담지 활성산소섬유시트, 중공사막, 수소

Description

수중 용존산소 제거장치{Apparatus for the removal of dissolved oxygen from water}

도 1은 본 발명에 따른 수중 용존산소 제거장치를 나타내는 도면이다.

도 2는 본 발명에 따른 수중 용존산소 제거장치의 중공사막층을 나타내는 도면이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 하우징 11 : 물공급부

12 : 다공성 튜브 12a : 분배관

12b : 통합관 12c : 기공

13 : 차단막 14 : 물 배출부

15 : 수소 유입부 16 : 수소 배출부

20 : 반응층 21 : 부직포층

22 : 금속촉매담지층 22a : 폴리프로필렌(PP) 섬유

23 : 중공사막층

본 발명은 수중 용존산소 제거장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 촉매 담지수지와 분리막 조합을 통해 반도체 세정수 및 발전소의 보일러 냉각수 등 공업용수에 용해되어 있는 산소를 제거할 수 있는 수중 용존산소 제거장치에 관한 것이다.

일반적으로, 일반 산업 혹은 가정용 보일러 등에서 사용되는 물 속에는 20℃의 온도에서 8ppm 정도의 산소가 용해되어 있으며, 이러한 용존 산소는 보일러의 배관 부식 및 스케일(scale) 형성의 원인이 될 뿐만 아니라, 보일러의 압력 증가를 저해하는 원인이 되기도 한다.

또한, 대규모 건물내의 수도관은 미관상 벽내부에 설치하는데 10년 정도 사용하고 나면, 물 속의 용존 산소에 의하여 수도관이 산화 부식되어 적수(赤水)를 발생시키므로 이를 교체해야 되는 문제가 있다.

이러한 문제점을 해결하기 위해서는 수중의 용존산소를 제거할 수 있는 화학 약품을 수도관에 첨가할 수도 있으나, 용존산소를 제거하기 위하여 화학 약품을 수도관내에 첨가하는 방법은 인체에 유해하므로 실질적으로는 거의 불가능하다.

또한, 반도체 공정에서 세정수로 사용되는 초순수의 비저항값을 증가시키는 용존산소는 반드시 제거할 필요가 있으므로, 저가로 간단하게 초순수에 용존되어 있는 산소를 제거할 수 있는 다양한 장치들이 개발되고 있다.

종래의 수중 용존산소 제거방법으로는 기계적 탈기법, 환원제 처리법, 촉매 담지수지 처리법, 탈기막 처리법 등이 있다.

여기서, 상기 기계적 탈기법은 진공감압 탈기법과 가열 탈기법으로 구분할 수 있는 바, 상기 진공감압 탈기법은 원자력 발전소에서 증기 발생기 용수중의 용존산소를 제거하기 위해 지금까지 가장 많이 적용하고 있는 방법으로서, 그 운전 원리는 진공으로 유지되는 충전탑 상부에서 용수를 분사시켜 탑 내부에서 기체분압을 감소시킴으로써 산소 기체를 포함한 비응축성 기체들을 제거하는 방법인데, 산소제거율을 높이기 위해서는 충전탑을 2단 이상으로 설치하여야 한다.

이때, 용존산소 제거 효율은 진공도, 충전탑 크기, 수온 등에 따라 영향을 받게 되며, 충전탑 크기를 결정짓는 충전물은 단위부피당 넓은 표면적을 갖는 것이 바람직한데, 상기 충전물로부터는 불순물의 용출이 없어야 하며 충전탑에서의 산소, 질소, 이산화탄소를 충분히 제거할 수 있도록 진공펌프에 증기인젝터를 이용하여 장치의 진공도를 일정수준이상 유지하여야 한다.

그러나, 보통 진공탈기방법에 의해 처리된 용수는 30 ~ 40ppb범위의 용존산소 농도를 갖는 것으로 알려져 있으나 실제로는 밀봉장치부분에서의 공기유입으로 인해 용존산소 농도가 그 이상 되며, 또한 계통을 진공으로 유지하기 위하여 특수한 밀봉장치가 요구될 뿐만 아니라, 충전탑의 내부 진공을 유지하기 위하여 고가의 장치 비용과 유지보수 비용이 요구된다.

한편, 가열 탈기법은 수중에서의 기체 용해도는 헨리법칙에 따라 기상에서 그 기체의 분압에 비례함에 따라 기상에서의 기체분압을 낮춤으로서 수용액에서 용존기체를 제거할 수 있으며, 기체의 용해도는 온도의 영향을 받아 수온이 증가함에 따라 감소하는데, 이러한 원리를 이용하여 가열탈기기에서 급수를 가열하고, 증기와 혼합하여 기체분압을 낮춤으로서 용존기체를 제거하는 방법이다.

그러나, 상기 가열탈기기의 최적 운전으로 수중 용존산소를 7ppb미만까지 낮출 수는 있으나 스팀의 열원이 없는 곳에서는 적용이 불가능하다는 문제점이 있다.

또한, 환원제 처리법은 수중에서 하이드라진과 같은 환원제를 이용한 산소 제거 화학반응으로서, 반응 부산물로는 질소 기체와 물분자가 생성되어 금속 재질 부식에 영향을 미치지 않기 때문에 수중 용존산소 제거 방법으로 광범위하게 활용되어지고 있다.

N₂ H₄ + O₂ →N₂+ 2H₂O

하이드라진을 환원제로 사용할 경우, 용존산소 1ppm당 요구되는 하이드라진 용량이 1ppm으로서 약품 사용량도 비교적 적은 편이나, 비교적 높은 수온(80℃ 이상)에서만 반응이 진행되기 때문에 상온에서는 용존산소의 제거가 매우 어려우며, 또한 환경 문제로 인하여 사용상에 많은 제약을 받고 있다.

한편, 상기 촉매담지수지 처리법은 활성물질을 비표적이 넓은 고체표면에 고착시킨 후 촉매탑에 충전시켜 이 반응기에 반응물 유체를 통과시켜 연속적으로 원하는 반응을 진행시키는 공정이다.

수중의 용존산소를 제거하기 위한 대표적인 촉매담지수지 공정으로는 활성탄 촉매공정과 이온교환수지에 귀금속을 담지시킨 Pd/resin 촉매공정이 있다.

이때 환원제로는 하이드라진이나 수소기체를 사용한다.

탈기막 처리법은 진공 탈기 처리조, 분리막 접촉기 모듈 등을 이용하여 수중 용존 산소의 몰분율을 감소시키는 방법으로 이 때 사용되어지는 분리막 접촉기는 주로 폴리프로필렌(PP) 및 폴리메틸펜텐(PMP) 등과 같은소수성의 고분자를 이용하여 제조된 다공성 중공사막를 사용한다.

그런데, 상기 탈기막 처리법은 다른 공정들에 비해 공정설비나 운전조건들이 비교적 간단하나 이와 같은 물리적 탈기방법만으로는 일정 농도 이상의 용존산소 제거가 어렵다는 한계점을 갖고 있다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 발명한 것으로서, 촉매담지수지 처리법과 탈기막 처리법을 혼성한 장치를 이용하여 간단한 공정을 통해 짧은 시간 내에 용존 산소량을 감소시켜 용존산소 제거효율을 향상시킬 수 있는 고효율의 수중 용존산소 제거장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

이하, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 대해 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 따른 수중 용존산소 제거장치는, 일측의 물 공급부를 통해 공급수가 공급되며, 수평 축방향으로 설치된 다공성 튜브 및, 상기 다공성 튜브의 일측은 물을 분배시키는 분배관의 기능으로, 타측은 물을 하나로 흡수하여 배출시키는 통합관의 기능을 갖도록 상기 다공성 튜브를 분리하는 차단막을 포함하는 실린더 형상의 하우징과;

상기 다공성 튜브를 통해 유입된 공급수 중의 용존산소는 다공성 튜브에 시트형태로 여러 겹으로 적층되어 있는 금속촉매담지층 즉, 활성탄소섬유층에 침착되어 있는 금속촉매에 의해 흡착-해리가 일어나고, 그와 동시에 시트형태로 직조된 소수성의 중공사막 접촉기로부터 공급되어지는 환원제 즉, 수소와 환원 반응을 통해 물분자로 환원될 수 있도록 구성된 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 구성에 대해 상세하게 설명하면 다음과 같다.

첨부한 도 1은 본 발명에 따른 용존산소 제거장치를 나타내는 도면으로서, 하우징과 부직포, 시트형태의 금속촉매담지층 및 직조된 중공사막층이 단면 형태로 절개되었음을 보이고 있다.

또한, 도 2는 본 발명에 따른 수중 용존산소 제거장치의 시트형태로 직조된 중공사막층을 나타내는 도면이다.

본 발명에 따른 수중 용존산소 제거장치는 촉매담지수지 처리법과 탈기막 처리법을 혼성한 장치로서 간단한 공정을 통해 짧은 시간 내에 용존 산소량을 감소시킬 수 있는 발명이다.

더욱 상세하게는, 도 1에 도시된 바와 같이, 양쪽이 차단되어 있는 실린더 형상의 하우징(10) 내에는, 일정한 유속의 공급수가 유입되도록 설치된 그 하우징(10) 일측의 물 공급부(11)와 다공성 튜브(12)가 그 하우징(10)의 축방향으로 구성 되어 있으며, 이 다공성 튜브(12)의 중앙 위치에는 일정 두께의 차단막(baffle) (13)이 형성되어 있다.

이때, 상기 다공성 튜브(12)에 있어서, 상기 물 공급부(11)로부터 차단막(13)까지는 물이 다공성 튜브(12)의 기공(12c)을 통해 밖으로 일정하게 분산되도록 분배관(distribution tube)(12a)의 역할과 상기 차단막(13)으로부터 물 배출부(14)까지는 분산된 물이 다시 유입되어 배출될 수 있도록 하는 통합관 (collection tube) 12b)의 역할을 하도록 이루어져 있다.

이와 같은 다공성 튜브(12)의 외부 표면에는 부직포(nonwoven fabric)가 감싸여 있는 부직포층(21)과, 그 부직포층(21) 위로 금속촉매가 침착되어 있는 시트(sheet) 형태의 활성탄소섬유가 감싸여 있는 금속촉매담지층(22)이 적층되어 있다.

그리고, 그 금속촉매담지층(22) 위에는 폴리프로필렌(PP) 섬유를 이용하여 일정 간격으로 직조(fabric)되어 수소공급부(미도시)로부터 수소를 일정한 유속으로 균일하게 분산 공급하는 소수성의 다공성 중공사막이 감싸여 있는 시트 형태의 중공사막층(23)이 적층되고, 다시 금속촉매담지층(22), 부직포층(21) 순서로 겹겹이 적층되어 있는 반응층(20)의 수직단면이 링 형상으로 구성되어 있다.

즉, 상기 시트 형태의 모듈부품의 구성, 즉 반응층(20)은 차단막(13)과 같은 두께로 이루어지는 바, 각각의 층에 접착제를 바르고 두루마리 형태로 감는 방법을 통해 나선형으로 권취된 형태(spiral wound)로 구성된다.

그리고, 상기 반응층(20)의 양쪽은 물의 공급 및 배출에 관여하는 다공성 튜브(12) 및 수소가 공급되는 중공사막층(23)을 제외하고는 밀봉수단(접착제 등)을 통해 밀봉되어 있다.

여기서, 상기 반응층(20) 중, 상기 부직포(nonwoven)층(21)은 친수성 처리된 다공의 폴리스타일렌(polystylene) 소재로 이루어져 있으며, 공급수의 원활한 분배와, 금속촉매담지층(22)의 활성탄소섬유에 부착되어 있는 금속촉매의 분리 및 처리조(100)로의 유출 가능성을 방지하기 위한 목적으로 사용된다.

상기 금속촉매담지층(22)인 활성탄소섬유시트(metal catalytic impregnated ACF sheet)는 전처리된 팔라듐(paradum, Pd), 플래티늄(platinum), 코발트(cobalt) 중의 하나 또는 이들의 합금을 금속촉매 전구체로 사용하여 일정량 물에 용해시키고, 직조된 활성탄소섬유를 침적시킨 후 건조과정을 통해 수분을 제거한 다음, 금속화합물의 유기성분을 제거하기 위하여 350℃에서 6시간 동안 처리하여 금속촉매가 침착된 상태로 제조하게 된다.

또한, 상기 중공사막층(23)은 기공(22b) 크기가 약 0.01㎛, 기공율이 약 20%되는 소수성 고분자인 폴리비닐리덴플루오라이드(polyvinylidene fluoride, PVDF)재질의 중공사막을 건습방사공정을 통해 제조하게 된다.

이때, 상기 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF) 외에도, 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌크로르트리프로르에틸렌(ECTFE), 폴리트리 프로르에틸렌(PTFE) 및 폴리메틸펜텐(PMP, TPX) 등을 사용하게 된다.

이렇게 제조된 PVDF 중공사막을 직경이 약 0.3㎜의 폴리프로필렌(polypropylene, PP) 섬유(22a)를 이용하여 일정 간격으로 직조(fabric)하되, 도 2에 도시된 바와 같이, 그 중공사막이 서로 일정한 간격을 두고 배치되어 연결되도 록 한다.

이와 같이 제조된 각각의 모듈부품의 구성요소들을 이용하여 시트(sheet)형태로 적층하게 된다.

상기와 같이 적층된 시트는 부직포층(21), 금속촉매담지층(22), 중공사막층(23), 그리고 다시 금속촉매담지층(22), 부직포층(21) 순으로 이루어지게 된다.

이와 같은 구성을 갖는 본 발명에 따른 수중 용존산소 제거장치의 작용에 대해 설명하면 다음과 같다.

먼저, 산소가 용해되어 있는 공급수가 물공급부(11)를 통해 다공성 튜브(12)로 공급되는 바, 다공성 튜브(12)의 기공(12c)을 통해 직각 방향으로 일정하게 분산된다.

상기 분산된 물은 부직포층(21), 금속촉매담지층(22)과 중공사막층(23), 그리고 다시 금속촉매담지층(22), 부직포층(21) 순으로 경유하여 차단막(13)과 하우징(10)의 내부벽면(shell side) 사이의 틈을 통해 다시 통합관(12b) 기능을 갖는 다공성 튜브(12)로 유입된 후 물 배출부(14)를 통해 유출되도록 되어 있다.

한편, 소수성의 다공성 중공사막의 내부관(tube side)으로는 공급수와 향류방향(countercurrent)으로 수소 유입부(15)로부터 수소가 공급되어 수소 배출부(16)를 통해 배출되도록 되어 있다.

이렇게 상기 다공성 튜브(12)를 통해 반응층(20)으로 분산되는 공급수는 그 속에 용해되어 있는 산소가 금속촉매담지층(22)의 활성탄소섬유시트 내에 부착되어 있는 금속촉매에 의해 흡착-해리과정 즉, 2개의 산소원자로 해리가 되는 활성화 과 정을 거치게 되고, 중공사막층(23)의 소수성의 다공성 중공사막을 통해 일정한 유량으로 분산 공급되는 수소는 상기 중공사막의 기공(22b)을 통해 그 외부 표면과 접해 있는 활성탄소섬유시트 즉, 금속촉매담지층(22)에 유입되어 환원반응을 하게 된다.

그 결과, 물 속에 용해되어 있는 활성화과정을 거친 산소와, 환원제로서의 수소가 환원반응을 통해 물분자로 환원되어 물 배출부(14)로 배출된다.

이하, 본 발명을 실시예에 의거하여 더욱 상세하게 설명하겠는 바, 본 발명이 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다.

실시예 및 비교예

본 발명에 따른 수중 용존산소 제거장치를 이용하여 처리조 내에 용해되어 있는 용존산소 제거를 위한 실험을 실시하였다.

실험 조건 :

- 모듈 직경 : 5㎝, 모듈 길이 : 20㎝

- 유속 : 50cc/min

- 공급수의 용존산소 농도 : 8ppm

실시예

- 중공사막 및 막재질 : 자체 제조, 폴리비닐리덴플루오라이드 (polyvinylidene fluoride, PVDF)

- 중공사막 기공 크기 및 기공율 : 0.01㎛, 20%

- 금속촉매 : 팔라듐(paradum, Pd)

- 처리결과 : 용존 산소 농도 → 0.008ppm

비교예 : 탈기막 모듈

- 중공사막 및 막재질 : Memtech사(호주), 폴리프로필렌(polypropylene, PP)

- 중공사막 기공크기 및 기공율 : 0.03㎛, 40%

- 진공도 : 15 Torr

- 처리결과 : 용존산소 농도 → 1ppm

실험 결과를 통해, 종래의 탈기막 모듈에 의한 용존산소 제거효율에 비해 본 발명에 따른 실시예가 매우 우수한 결과를 얻을 수 있었다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 수중 용존산소 제거장치에 의하면, 용존산소를 제거하는 처리 공정 및 시간을 절약할 수 있을 뿐만 아니라, 용존산소 제거효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims (5)

1. 일측의 물 공급부를 통해 공급수가 공급되며, 수평 축방향으로 설치된 다공성 튜브 및, 상기 다공성 튜브의 일측은 물을 분배시키는 분배관의 기능으로, 타측은 물을 다시 유입하여 배출시키는 통합관의 기능을 갖도록 상기 다공성 튜브를 분리하는 차단막을 포함하는 실린더 형상의 하우징과;

   상기 다공성 튜브를 통해 유입된 공급수의 용존산소가 금속촉매에 의해 흡착-해리과정을 거치고, 그 용존산소와 환원제로서의 수소가 서로 환원반응을 통해 물분자로 환원될 수 있도록 하는 다공성 튜브에 감긴, 다수의 섬유층이 적층된 반응층을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 수중 용존산소 제거장치.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 반응층은 환원제인 수소를 공급하는 소수성의 다공성 중공사막층과, 상기 시트형태로 직조된 중공사막층 상,하에 적층되어 용존산소의 활성화 과정을 도모하는 활성탄소섬유시트(ACF sheet)로 이루어진 금속촉매담지층을 포함하여 적층된 구조인 것을 특징으로 하는 수중 용존산소 제거장치.
3. 청구항 2에 있어서,

   상기 중공사막층의 중공사막 재질은 소수성 고분자인 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF), 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌크로르트리프로르에틸렌(ECTFE), 폴리트리 프로르에틸렌(PTFE) 및 폴리메틸펜텐(PMP, TPX) 중, 선택된 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는 수중 용존산소 제거장치.
4. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,

   상기 반응층은 그 상부 및 하부에 친수성 처리된 다공의 폴리스타일렌(polystylene) 소재인 부직포를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수중 용존산소 제거장치.
5. 청구항 2에 있어서,

   상기 중공사막층은 중공사막이 일정 간격을 두고 배치되어 연결되도록 폴리프로필렌(PP)섬유를 이용하여 직조한 것을 특징으로 하는 수중 용존산소 제거장치.

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