KR101227852B1 - 연수기 - Google Patents

Abstract

처리 용량을 종래에 비해 증가된 전기 탈이온화 방식의 연수기가 개시된다. 본 발명에 따른 연수기는 양이온교환막과 음이온교환막 사이에 이온교환물질이 충전된 탈염실과 양이온 및 음이온교환막 외측에 구성되는 농축실이 스택 구조로 배열되고, 스택 구조의 외측에 음극과 양극이 각각 마련되는 연수기에 있어서, 탈염실에 이온교환물질을 이온교환수지로 충전할 경우에는 내측은 액상이고 외측은 고상인 캡슐 형태나, 내외측의 밀도가 다르거나, 이온교환기를 외측에 집중시킨 형태로 설치함으로써, 이온교환수지 입자 크기가 크더라도 이온의 흡착 및 이동속도를 모두 증가시켜 처리 용량을 현저하게 늘릴 수 있다. 또한, 이온교환물질을 이온교환섬유로 충전할 경우에는 직물 형태나 두께가 서로 다른 형태나, 중공이 구비된 형태나, 표면에 요철이 마련된 형태나, 방향성을 구비하는 등의 다양한 형태로 설치함으로써, 상기와 마찬가지로 이온 흡착 및 이동속도를 증가시켜 처리 용량을 현저하게 늘릴 수 있다.

Description

연수기{Water Softener}

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라 이온교환수지를 채용한 EDI 방식의 연수기를 개략적으로 도시한 도면이다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이온교환수지를 개략적으로 도시한 도면이다.

도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따라 이온교환섬유를 채용한 EDI 방식의 연수기를 개략적으로 도시한 도면이다.

*도면의 주요부분에 대한 부호 설명*

10..연수기 11..양이온 교환막

12..음이온 교환막 15..양극

16..음극 20..이온교환물질

21..이온교환수지 22..이온교환섬유

R1,R3,R5R7..농축실 R2,R4,R6..탈염실

본 발명은 연수기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 전기 탈이온화 방 식(EDI)의 연수기에 관한 것이다.

연수기란 수돗물에 포함되어 있는 경수 성분인 Ca^{2 +}, Mg^{2 +}, Fe^{3 +} 등을 물리화학적으로 저감시켜 물의 성질을 변환시킨 것을 말한다.

연수기의 연수 방식으로는 크게 이온교환수지 방식, 축전 탈이온화 방식, 전기 탈이온화 방식을 들 수 있다.

이온교환수지 방식(Ion Exchange Resin; IER)은 이온교환수지를 이용하여 이온 상태의 경수 성분이 수지에 붙어 있는 Na⁺ 이온과 서로 교환되도록 하는 것으로, 경수 성분을 제거한 후에는 NaCl 용액을 주입하여 재생시켜야 한다. 이러한 이온교환수지 방식은 비용이 저렴하다는 장점은 있으나, 연수화된 물에 다량의 Na 이온이 포함되어 있기 때문에 환경을 오염시킬 수 있다는 단점이 있다.

축전 탈이온화 방식(Capacitive deionization;CDI)은 다공성 전극에 전압을 인가한 후 이온의 전기적 특성을 이용하여 매질 속의 이온 성분을 제거하는 것으로서, 경수 성분을 제거한 후에는 전압 인가를 하지 않거나 또는 반대 극성을 걸어 전극에 흡착되어 있던 경수 성분을 매질과 함께 배출해야 한다. 이러한 CDI 방식은 이온교환수지 방식에 비해 비용이 비싸며, 처리할 수 있는 유량이 상대적으로 적다는 단점이 있다.

전기 탈이온화 방식(Electro deionization; EDI)은 상술한 이온교환수지 방식과 축전 탈이온화 방식을 혼합한 것으로서, 이온교환수지를 이용하여 이온 교환 능력을 전기 탈이온화 방식보다 높였으며, 이온교환막을 이용하여 소금 재생 대신 전기적 재생 방식을 취함으로써 화학 부산물 없이 자동 재생되는 장점이 있다. 하지만, 축전 탈이온화 방식과 마찬가지로 처리할 수 있는 유량이 상대적으로 적다는 단점이 있었다.

본 발명은 상술한 종래기술의 문제점들을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 처리 용량을 종래에 비해 증가시킬 수 있는 EDI 방식의 연수기를 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연수기는 양이온교환막과 음이온교환막 사이에 이온교환물질이 충전된 탈염실과 양이온 및 음이온교환막 외측에 구성되는 농축실이 스택 구조로 배열되고, 스택 구조의 외측에 음극과 양극이 각각 마련되는 연수기에 있어서, 이온교환물질은 이온교환수지로 마련되되 내측은 이온 흡착 효율이 크고 외측은 이온 흡착 효율이 작도록 마련되는데 예를 들면, 내측은 액상이며 외측은 고상인 캡슐 형태로 마련되거나, 내측의 밀도가 외측의 밀도보다 작거나, 이온교환기가 외측에 밀집되도록 마련될 수 있다.

또한, 본 발명의 다른 측면에 따르면 양이온교환막과 음이온교환막 사이에 이온교환물질이 충전된 탈염실과 양이온 및 음이온교환막 외측에 마련되는 농축실이 스택 구조로 배열되고, 스택 구조의 외측에 음극과 양극이 각각 마련되는 연수기에 있어서, 이온교환물질은 섬유 형태로 마련되되 직물 형태로 마련되거나, 두께가 서로 다른 섬유를 혼합하여 사용되거나, 중공을 구비하거나, 이온교환수지와 혼 합하여 사용되거나, 표면에 요철이 형성되거나, 방향성을 갖도록 설치되는 연수기가 제공된다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연수기를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

도 1 내지 도 3은 본 발명에 따른 연수기를 개략적으로 도시한 도면이다. 도면을 참조하면, 연수기(10)는 양이온 교환막(11)과 음이온 교환막(12) 사이에 이온교환물질(20)을 충전하여 이루어지는 탈염실(R2,R4,R6)과, 탈염실(R2,R4,R6)의 양측에 설치되는 농축실(R1,R3,R5,R7)과, 농축실(R1,R3,R5,R7)의 양 외측에 설치되는 양극(15)과 음극(16)으로 이루어진다.

탈염실은 통상 모듈 형상으로 제작되기 때문에 도시된 바와 같이 복수개(R2,R4,R6)를 스택 구조로 적층할 수 있다. 스택 구조의 경우 양이온 교환막(11)과 음이온 교환막(12)은 교대로 배치된다.

본 발명에 따르면, 탈염실(R2,R4,R6)에 충전되는 이온교환물질(20)은 폴리프로필렌, 폴리스틸렌 등에 이온교환기를 갖는 단량체를 도입하여 제조되는 것으로, 이온교환수지(granules)(21) 또는 섬유(fiber)(22) 형태로 사용된다.

이온교환물질(20)을 이온교환수지(21) 형태로 이용할 경우에는, 도 2의 (a)에 도시한 바와 같이 내부(21a)는 액상으로 하고 외부(21b)는 고상으로 한 캡슐 형태로 만드는 것이 바람직하다. 이것은, 이온교환수지는 입자가 커질수록 표면적이 축소되어 이온의 흡착이 어려워지는 반면 이온전달은 쉬워지기 때문이다. 따라서, 캡슐 형태로 이온교환수지를 만들게 되면, 고체에서보다 액체에서 이온 흡착 속도 가 빠르기 때문에, 입자가 크더라도 이온전달 속도는 그대로 유지하면서 이온 흡착 효율은 향상시킬 수 있다.

대안으로는, 이온교환수지 입자 내외의 밀도 예컨대, 입자의 내측은 밀도를 작게 하고 외측은 밀도를 크게 하거나, 또는 도 2의 (b)와 같이 이온교환기(21c)를 입자의 외측에 집중 배치함으로써 동일한 효과를 얻을 수 있다. 여기서, 이온교환기로는 SO₃ ^-, COO^-, PO₃ ^-, HPO₂ ^- 등의 양이온기와, NH₃ ^-, RNH₂ ^-, R₃N^-, R₃P^- 등의 음이온기를 예로 들 수 있다.

한편, 이온교환물질(20)은 도 3에 도시된 바와 같이 가교결합이 없어 이온의 이동속도가 빠르며, 비표면적이 커서 이온 흡착이 높은 이온교환섬유(22) 형태로 사용할 수도 있다.

이온교환섬유(22)의 경우 여러 가지 형태로 탈염실(R2,R4,R6)에 충전될 수 있다. 일례로 이온교환섬유(22)는 직물 형태로 사용될 수 있다. 섬유가 직물형태로 되면, 설치가 용이하며 유수(流水)에 대한 저항이 적기 때문에 연수 생산성이 향상된다.

또한, 이온교환섬유(22)는 두께가 서로 다른 섬유로 마련될 수 있다. 두께가 서로 다르게 되면 유수에 대한 저항이 적기 때문에 연수 생산성이 향상된다.

또한, 이온교환섬유(22)는 중공 형태로 마련될 수 있다. 중공의 이온교환물질은 표면적이 증가하기 때문에 이온의 흡착 속도가 크게 빨라져 연수 생산성이 현저하게 향상된다.

또한, 이온교환섬유(22)는 이온교환수지(granules)와 혼합하여 사용될 수 있다. 섬유와 수지를 혼합하게 되면 단일 물질을 충전할 때보다 유수에 대한 저항이 적기 때문에 연수 생산성이 향상된다.

또한, 이온교환섬유(22)는 표면에 요철을 형성하여 마련될 수 있다. 요철 표면은 표면적이 증가하기 때문에 이온의 흡착 속도가 크게 빨라져 연수 생산성을 향상시킨다.

또한, 이온교환섬유는 방향성을 갖는 것을 채용할 수 있다. 이온교환섬유가 방향성을 갖게 되면, 특히 유수에 대해 직각 방향으로 배치될 경우에는 이온의 이동속도가 빨라지게 된다.

그러면, 상기와 같은 구조를 갖는 연수기의 동작을 설명하기로 한다. 이하에서 각 탈염실(R2,R4,R6)과 농축실(R1,R3,R5,R7)은 통틀어 채널이라고 한다. 경수는 각 채널(R1~R7)로 동시 공급되며, 탈염실 채널(R2,R4,R6)에서는 연수가 배출되고, 농축실 채널(R1,R3,R5,R7)에는 이온이 다량 함유된 경수(농축수)가 배출된다.

탈염실 채널(R2,R4,R6)과 농축실 채널(R1,R3,R5,R7)을 보다 구체적으로 살펴보면, 먼저 탈염실 채널(R2,R4,R6)에 유입되는 경수에 포함된 이온 Ca^{2 +}, Mg^{2 +}, H⁺, SO₄ ^-, OH^-등은 이온교환물질(20)(이온교환수지(21) 또는 이온교환섬유(22))에 흡착되며, 흡착된 각 이온들 중 Ca^{2 +}, Mg^{2 +}, H⁺와 같은 양이온들은 양이온 교환막(11)을 통과하여 음극(16) 측으로 이동하게 되고, SO₄ ^-, OH^-등과 같은 음이온들은 음이온 교환막(12)을 통과하여 양극(15) 측으로 이동하게 된다. 따라서 탈염실 채널(R2,R4,R6)을 빠져나오는 물은 연수 성질을 띄게 된다.

한편, 농축실 채널(R1,R3,R5,R7)로 유입되는 경수에 포함된 이온 Ca^{2 +}, Mg²⁺, H⁺, SO₄ ^-, OH^- 등과 탈염실(R2,R4,R6)로부터 이동된 이온들은 양극(15)과 음극(16)에서 가해지는 힘에 의해 양이온 교환막(11)과 음이온 교환막(12) 측으로 이동은 되지만 교환막(15,16)은 통과하지 못하기 때문에, 농축실 채널(R1,R3,R5,R7)을 빠져나오는 물은 다량의 이온이 함유되어 있는 농축수이다. 특히, 채널(R1)에서는 H₂SO₄가 다량 배출되고, 채널(R7)에서는 Ca(OH)₂가 다량 배출된다.

한편, 상술한 연수기는 경수 성분이 다량 포함되어 있는 지역에서 물을 사용하는 가전 제품 예컨대, 세탁기, 식기 세척기 등에 적용되어 제품의 수명을 연장시킬 수 있는데 특히, 세탁기의 경우, 상술한 연수기에 의해 생산되는 연수의 성질이 매우 우수하기 때문에 실제 사용할 때에는 연수된 물과 경수를 혼합하여 사용하게 된다.

이상 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 EDI 방식의 연수기는 탈염실에 이온교환물질을 이온교환수지로 충전할 경우에는 내측은 액상이고 외측은 고상인 캡슐 형태나, 내외측의 밀도가 다르거나, 이온교환기를 외측에 집중시킨 형태로 설치함으로써, 이온교환수지 입자 크기가 크더라도 이온의 흡착 및 이동속도를 모 두 증가시켜 처리 용량을 현저하게 늘릴 수 있다.

또한, 이온교환물질을 이온교환섬유로 충전할 경우에는 직물 형태나 두께가 서로 다른 형태나, 중공이 구비된 형태나, 표면에 요철이 마련된 형태나, 방향성을 구비하는 등의 다양한 형태로 설치함으로써, 상기와 마찬가지로 이온 흡착 및 이동속도를 증가시켜 처리 용량을 현저하게 늘릴 수 있다.

Claims (11)

1. 양이온교환막과 음이온교환막 사이에 이온교환물질이 충전된 탈염실과 양이온 및 음이온교환막 외측에 구성되는 농축실이 스택 구조로 배열되고, 스택 구조의 외측에 음극과 양극이 각각 마련되는 연수기에 있어서,

   상기 이온교환물질은 이온교환수지로 마련되되, 내측은 이온 흡착 효율이 크고 외측은 이온 흡착 효율이 작도록 마련되도록 상기 이온교환수지는 내측은 액상이며 외측은 고상인 캡슐형태로 마련되는 것을 특징으로 하는 연수기.
2. 삭제
3. 제 1항에 있어서,

   상기 이온교환수지는 내측의 밀도가 외측의 밀도보다 작은 것을 특징으로 하는 연수기.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 이온교환수지는 이온교환기가 외측에 밀집되도록 마련되는 것을 특징으로 하는 연수기.
5. 양이온교환막과 음이온교환막 사이에 이온교환물질이 충전된 탈염실과 양이온 및 음이온교환막 외측에 마련되는 농축실이 스택 구조로 배열되고, 스택 구조의 외측에 음극과 양극이 각각 마련되는 연수기에 있어서,

   상기 이온교환물질은 섬유 형태로 마련되며, 하나의 방향으로 방향성을 가지도록 배치되는 것을 특징으로 하는 연수기.
6. 제 5항에 있어서,

   상기 이온교환물질은 직물 형태로 충전되는 것을 특징으로 하는 연수기.
7. 제 5항 또는 제 6항에 있어서,

   상기 이온교환물질은 두께가 서로 다른 섬유를 혼합하여 사용하는 것을 특징으로 하는 연수기.
8. 제 5항에 있어서,

   상기 이온교환물질은 중공을 구비하는 것을 특징으로 하는 연수기.
9. 제 5항에 있어서,

   상기 이온교환물질은 이온교환수지와 혼합하여 사용되는 것을 특징으로 하는 연수기.
10. 제 5항에 있어서,

    상기 이온교환물질은 표면에 요철이 형성되는 것을 특징으로 하는 연수기.
11. 삭제

Images