KR101255262B1 - 초순수 제조용 전기 탈이온장치 - Google Patents

Abstract

본 발명에서 이온화 효율을 증대시킬 수 있는 초순수 제조용 전기 탈이온 장치를 개시한다.
본 발명에 따른 전기 탈이온 장치는, 초순수 제조를 위한 이온교환 장치에 있어서, 금속재질로 구성되고 원통형 또는 봉 형상의 제1 전극; 상기 제1 전극의 외주부를 따라 설치되고 부도체 재질로 구성되는 제2 격벽; 상기 제2 격벽으로부터 이격되어 제2 공간부를 형성하고 원통형 구조를 갖는 제2 이온 교환막; 상기 제2 이온 교환막으로부터 이격 설치된 원통형 구조의 제1 이온 교환막; 상기 제1 이온 교환막과 제2 이온 교환막 사이에 충진되는 이온 교환수지; 상기 제1 이온 교환막으로부터 제1 공간부를 형성하도록 이격 설치된 제1 격벽; 및 상기 제1 격벽의 외주부를 따라 설치된 금속재질의 제2 전극을 포함하는 것을 특징으로 한다.
따라서, 본 발명은 전극 및 이온 교환막을 원통형 구조로 제조하고, 원통의 중심점과 외주면 상에서 전극을 공급하도록 함에 따라, 양전극과 음전극 사이의 간격을 기존의 시스템 대비 1/2로 줄여 소비전력을 최소화할 수 있는 효과를 갖는다.

Description

초순수 제조용 전기 탈이온장치{ELECTRO-DEIONIZATION OF ULTRAPURE WATER}

본 발명은 초순수 제조장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 원통형 구조의 음(양) 이온교환막과, 이를 수용하도록 이격 설치된 원통형 구조의 양(음) 이온교환막을 형성하고, 각 이온교환막 사이로 이온교환수지를 충진시켜 원통의 중앙과 외주부에 직류 전원을 공급함으로써, 빠른 시간 내에 이온제거를 연속적으로 수행할 수 있는 초순수 제조용 전기 탈이온 장치에 관한 것이다.

일반적으로, 이온농도가 낮은 유입수를 전기투석공정으로 탈염할 때, 유입수의 전기저항과 동시에 농도분극으로 인한 전기저항이 급격하게 증가하게 되며, 따라서 전력소모와 탈염을 위해 소요되는 막면적이 증가하게 되어 경제성이 크게 떨어지게 된다. 더욱이, 강한 농도분극현상으로 부가적인 물분해 현상이 수반됨으로서 유입수의 조성과 막의 손상이 일어날 수 있다.

1955년부터 Walters, Weiser, Marek 등에 의해 전기투석의 탈염실에 이온전달을 촉진시킬 수 있는 이온교환수지를 충진함으로써, 전기저항을 줄이고 농도분극현상에 의해 발생된 수소이온과 수산화이온의 영향을 이온교환 작용에 의해 감소시킬 수 있었다. 이렇게 전기투석 장치의 탈염실에 이온교환수지와 같은 이온전도성 매개체를 설치한 공정을 전기탈이온 공정이라 한다.

전기탈이온 공정은 전기투석 장치의 탈염실에 이온교환물질(이온교환수지 또는 이온교환섬유 등)을 충진함으로서, 이온교환수지 공정의 장점인 높은 탈염효과와 전기투석의 장점인 폐수의 농축으로 폐수처리에 대한 환경부담을 획기적으로 줄일 수 있는 복합공정이다.

이와 같은 전기탈이온 공정을 위한 장치는 첨부된 특허문헌에서 인지될 수 있으며, 이를 도 1에 의거 상세히 설명하면 다음과 같다.

먼저, 종래 전기 탈이온 장치는 음극(1)과 양극(2) 사이에, 제1 양이온 교환막(3)과, 음이온 교환막(4)과, 제2 양이온 교환막(3')을 1장씩 배치하고 있다. 음극(1)과 제1 양이온 교환막(3) 사이에 농축실겸 음극실(5)을 형성하고, 제1 양이온 교환막(3)과 음이온 교환막(4) 사이에 탈염실(7)을 형성하고 있다. 음이온 교환막(4)과 제2 양이온 교환막(3') 사이에 농축실(10)을 형성하고, 제2 양이온 교환막(3')과 양극(2) 사이에 양극실(6)을 형성하고 있다.

농축실겸 음극실(5), 농축실(10) 및 양극실(6)에는 각각 양이온 교환수지(8)가 충전되어 있다. 이 농축실겸 음극실(5), 농축실(10) 및 양극실(6)에 충전되는 이온 교환수지는 음이온 교환수지나 음이온 교환수지와 양이온 교환수지를 혼합한 것이어도 좋지만, 특히 농축실겸 음극실(5) 및 양극실(6)에는 수지의 강도의 점에서는 양이온 교환수지를 이용하는 것이 바람직하다. 탈염실(7)에는 양이온 교환수지(8)와 음이온 교환수지(9)가 혼합 상태로써 충전되어 있다.

탈염실(7)의 일단측에는 원수의 유입구가 설치되고, 타단측에는 탈이온수의 유출구가 설치되어 있다. 양극실(6)의 일단측에는 원수 또는 탈이온수의 유입구가 설치되어 있다. 양극실(6)의 유출수는 농축실(10)로 그 일단측에서 유입되고, 타단측에서 유출된다. 농축실(10)의 유출수는 농축실겸 음극실(5)로 그 일단측에서 유입되고, 타단측에서 농축수겸 음극 전극수로서 배출된다.

또한, 음극(1)과 양극(2) 사이에 전압을 인가한 상태에서 원수를 탈염실(7)로 도입하고, 탈이온수로서 추출한다. 상기한 바와 같이, 원수 또는 상기 탈이온수를 양극실(6)로 도입하고, 순차적으로 농축실(10) 및 농축실겸 음극실(5)로 유통시킨다. 원수중의 양이온은 제1 양이온 교환막(3)을 투과하고, 음극 전극수에 혼입되어 배출된다. 원수중의 음이온은 음이온 교환막(4)을 투과하여 농축실(10)로 이동하고, 농축실 유출수에 혼입되어 농축실겸 음극실(5)을 거쳐 배출된다.

이와 같이 종래의 초순수 생산을 위한 탈이온 장치는 음전극과 양전극 사이에서 음이온 및 양이온을 추출하도록 각각의 교환막을 형성하고 있고, 교환막 사이에 양이온 교환수지 및 음이온 교환수지가 충진되어 있다. 따라서, 음전극과 양전극의 간격이 넓어서 소비되는 전력이 높아지는 문제가 있고, 또한 각 전극의 형상이 사각형상을 구현함에 따라 각 전극 사이에서 유도되는 전기장이 균일하지 못하여 교환수지를 통한 이온 교환의 효율이 저하된다. 즉, 전하는 금속체의 모서리부에 집중되기 때문에, 전극이 사각형상일 경우 네 개의 모서리에 집중되며, 이는 전극면에서 균일한 전기장을 형성하지 못하게 되는 것이다. 전기장은 교환막을 통해 음이온 또는 양이온을 유도하기 위한 것으로서, 전기장이 균일하지 못하면 그 효율이 저하될 수밖에 없다.

또한, 종래의 탈이온 장치는 두 전극 사이에 다수개의 교환막이 형성되고 각 교환막 사이에 교환수지가 장착되는 구조로서, 교환수지의 교체가 번거로운 문제가 발생한다. 실질적으로, 교환막과 교환수지는 셀 단위로 구성되어, 다수 개의 셀을 유지토록 하고, 각 셀의 교체가 용이하도록 설계되나, 다수 개의 셀을 교체할 수 있도록 시스템이 구현되어야 함에 따라, 구조의 복잡함이 야기되어 제조단가에 상승하는 문제가 있다.

1. 대한민국 등록특허 10-0643068, 등록일자 2006년 10월 31일, 발명의 명칭 '전기 탈이온 장치'.

본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위해 창출된 것으로, 본 발명의 목적은 전기 탈이온 장치의 구조를 원통형 구조로 제조하고, 원통의 중심점과 외주면 상에서 전극을 공급하도록 함에 따라, 양전극과 음전극 사이의 간격을 기존의 시스템 대비 1/2로 줄여 소비전력을 최소화할 수 있는 초순수 제조용 전기 탈이온 장치를 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은, 양전극과 음전극을 원통형으로 설계하여, 양전극 및 음전극 사이의 전기장이 균일하게 유도되도록 함으로써, 이온 교환의 효율을 높일 수 있는 초순수 제조용 전기 탈이온 장치를 제공함에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은, 음이온 교환막과 양이온 교환막을 원통형으로 구현하고 어느 하나의 교환막을 수용하도록 하고, 각 교환막 사이에 교환수지를 충진함으로써, 교환수지의 교체가 극히 용이하여 시스템의 제조단가를 격감시킬 수 있는 초순수 제조용 전기 탈이온 장치를 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 관점에 따른 초순수 제조용 전기 탈이온 장치는, 초순수 제조를 위한 이온교환 장치에 있어서, 금속재질로 구성되고 원통형 또는 봉 형상의 제1 전극; 상기 제1 전극의 외주부를 따라 설치되고 부도체 재질로 구성되는 제2 격벽; 상기 제2 격벽으로부터 이격되어 제2 공간부를 형성하고 원통형 구조를 갖는 제2 이온 교환막; 상기 제2 이온 교환막으로부터 이격 설치된 원통형 구조의 제1 이온 교환막; 상기 제1 이온 교환막과 제2 이온 교환막 사이에 충진되는 이온 교환수지; 상기 제1 이온 교환막으로부터 제1 공간부를 형성하도록 이격 설치된 제1 격벽; 및 상기 제1 격벽의 외주부를 따라 설치된 금속재질의 제2 전극을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 제1 전극 및 제2 전극의 전원 공급은, 자기장의 세기를 강화하기 위해 설정된 주파수의 펄스 신호로서, 20kHz 내지 25kHz의 주파수 신호를 갖는 것을 특징으로 한다.

전술된 바와 같이 본 발명에 따른 전기 탈이온 장치는, 전극 및 이온 교환막을 원통형 구조로 제조하고, 원통의 중심점과 외주면 상에서 전극을 공급하도록 함에 따라, 양전극과 음전극 사이의 간격을 기존의 시스템 대비 1/2로 줄여 소비전력을 최소화할 수 있는 효과를 갖는다. 또한, 양전극과 음전극을 원통형으로 설계됨에 따라, 양전극 및 음전극 사이의 전기장이 균일하게 유도되도록 함으로써, 이온 교환의 효율을 높일 수 있는 효과를 갖는다. 그리고, 교환수지의 교체가 극히 용이하여 시스템의 제조단가를 격감시킬 수 있는 효과를 제공한다.

도 1은 종래 전기 탈이온 장치의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 전기 탈이온 장치의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 도 2의 동작을 설명하기 위한 전기 탈이온 장치의 단면도이다.
도 4는 본 발명에 따른 전기 탈이온 장치의 전기 접속을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 구조 상태에 따른 실험 데이터 및 도 4에 대한 실험 결과를 나타낸 도면이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 예시도면에 의거 상세히 설명하면 다음과 같다.

먼저, 본 발명에서 제시하는 전기 탈이온 장치는 동일한 체적 내에서 양전극 및 음전극의 간격을 최소화하여 전기 탈이온 장치의 소비 전력을 격감시키고, 더불어 이온교환 수지의 적재 및 교환이 용이하도록 하여 시스템의 안정성을 높인다. 이러한 구조는 기존의 육면체 구조를 탈피하여 원통형 구조로 제시함으로써 달성된다. 또한, 원통형 구조로 인해 전기장의 형성이 매우 균일하게 유도될 수 있어, 탈이온의 효율을 높이게 된다.

그리고, 본 발명에서 제시하는 전기 탈이온 장치의 전원 공급을 직류 전원을 공급하지 아니하고, 펄스신호로서 공급하여 소비전력의 증가 없이 전기장의 세기를 높일 수 있도록 한다. 도 2는 본 발명에 따른 전기 탈이온 장치로써, 그 구조를 명확히 제시하고 있다. 이하에서 설명하는 용어 중, 제1 전극 및 제2 전극은 어느 하나의 전극이 양(+)전극이고, 나머지 하나의 전극이 음(-)전극이며, 전극의 극성이 상반되게 설계될 수 있음은 당연할 것이다. 따라서, 제1 전극을 +전극으로 상정하고, 제2 전극을 -전극으로 상정하여 설명하는 것은 설명의 편의성에 기인한 것으로, 시스템 설계에 따라 극성이 변경될 수 있을 것이다.

도시된 바와 같이, 금속재질로 구성되고 원통형 또는 봉 형상의 제1 전극(201)과, 상기 제1 전극(201)의 외주부를 따라 설치되고 부도체 재질로 구성되는 제2 격벽(213)과, 상기 제2 격벽(213)으로부터 이격되어 제2 공간부(217)를 형성하고 원통형 구조를 갖는 제2 이온 교환막(207)과, 상기 제2 이온 교환막(207)으로부터 이격 설치된 원통형 구조의 제1 이온 교환막(205)과, 상기 제1 이온 교환막(205)과 제2 이온 교환막(207) 사이에 충진되는 이온 교환수지(209)와, 상기 제1 이온 교환막(205)으로부터 제1 공간부(215)를 형성하도록 이격 설치된 제1 격벽(211)과, 상기 제1 격벽(211)의 외주부를 따라 설치된 금속재질의 제2 전극(203)으로 구성된다.

여기서, 이온 교환수지(209)를 포함하여, 제1 이온 교환막(205), 제2 이온 교환막(207)의 재질은 공지의 재질을 사용함에 따라, 별도의 구체적인 설명은 생략한다.

또한, 본 발명에 따른 전기 탈이온 장치는 이온 교환수지(209)의 사용량을 최소화하여 환경오염을 줄이도록 한다. 이는 이온교환수지 자체가 유기물이기 때문에 사용 중의 산화분해, 기계적 파쇄, 중합고리의 유출 등에 의해 유기물이 용출될 수 있다. 더욱이 대전되어 있는 미생물도 이온교환수지에 흡착되기 때문에 이온교환수지 표면이 미생물의 번식장소가 되어 정제된 물이 미생물에 의해 오염될 수 있다. 따라서, 전술한 제2 이온 교환막(207)과 제1 이온 교환막(205)의 간격을 효율 저하를 방지하지 않는 범위 내에서 최소화하여 이온 교환수지(209)의 사용량을 줄이도록 함이 바람직하다.

상기 제1 전극(201)을 양(+) 전극으로 적용할 경우, 상기 제2 이온 교환막(207)은 양이온 교환막 즉, 음이온이 양(+) 전극으로 흡착되도록 유도하기 위한 교환막으로 상정된다. 따라서, 상기 제2 전극(203)을 음(-) 전극으로 사용할 경우, 상기 제1 이온 교환막(205)은 양이온이 음(-) 전극으로 흡착되도록 유도하는 교환막으로 상정된다.

도 3은 본 발명에 따른 이온 교환장치의 단면도를 나타낸 도면이다. 도시된 바와 같이, 제1 이온교환막(205)과 제2 이온 교환막(207) 사이로 이온 교환수지(209)가 충진되며, 제2 이온 교환막(207)의 안측으로 제2 공간부(217)를 형성한 후, 중앙에 제1 전극(201)이 마련된다. 그리고, 상기 제1 이온 교환막(205)의 외주부 방향으로 제1 공간부(215)를 형성한 후, 제1 격벽(211)이 형성되고, 제1 격벽(211)의 외주부상으로 제2 전극(203)이 구비된다.

여기서, 상기 제1 전극(201)이 음(-) 전극이고, 제2 전극(203)이 양(+) 전극일 경우, 상기 이온 교환수지(209)로 공급되는 공급수는 제1 전극(201)과 제2 전극(203) 사이에서 발생하는 전기장에 수용된다. 따라서, 상기 이온 교환수지(209)는 공급수의 이온화를 유도하며, 제1 이온 교환막(207)을 통해 양극 이온(Na+)이 제2 공간부(217)로 이동한다.

또한, 상기 이온 교환수지(209)로부터 분리된 음(-) 이온(Cl-)은 제1 이온 교환막(205)을 통해 제1 공간부(215)로 이동한다. 제1 공간부(215) 및 제2 공간부(217)로 누출되는 각 이온수는 외부의 펌핑 시스템에 의해 배출되며, 이온 교환수지(209)를 통해 초순수가 생성된다.

한편, 본 발명에서는 제1 전극(201)과 제2 전극(203)으로 직류 전원을 공급함에 있어, 자기장의 세기를 강화하기 위해 펄스 형태의 신호를 공급한다. 이를 위해, 도 4와 같이 상기 제1 전극(201)과 제2 전극(203)으로 소정 주기의 펄스 신호를 공급하기 위한 펄스공급 회로(401)가 마련되며, 상기 펄스공급 회로(401)로부터 20kHz 내지 25kHz의 펄스신호를 공급함으로써, 에너지 소비량이 최적상태로 유지할 수 있다.

도 5는 본 발명의 구조와 기존 방식에 따른 실험 데이터를 나타낸 것으로, 첫 번째 항목에서는 이온 제거율이 80%에 도달하는 시간을 각각 측정하였다. 동일 조건의 실험을 위해, 전원 단자로 공급되는 전류/전압이 동일하도록 설정하였으며, 이온 교환수지의 사용량 또한 동일하게 설정하였다. 기존방식은 양 측부에 전극을 설치하고, 전극 사이에 이온 교환막을 형성하되, 이온 교환막 사이에 설정된 용량의 이온 교환수지를 충진하였다.

신규방식이라 함은, 본원 발명의 구조를 나타내는 것으로 원통형 구조의 두 개의 이온 교환막을 형성하고, 이온 교환막 사이에 이온 교환수지를 충진하였으며, 이온 교환수지의 충진량은 기존방식과 동일하였다. 이와 같은 두 가지의 구조를 가지고 이온 제거율이 80%에 도달하는 시간을 측정하는 것으로, 첫 번째 실험도표에서 인지되는 바와 같이, 본 발명에 따른 신규방식의 구조가 평균 0.72시간을 단축하였다. 즉, 원통형 구조의 이온교환 장치의 효율이 높음을 알 수 있었다.

두 번째 실험도표는 기존방식과 본 발명에 따른 신규방식의 소비전력을 측정한 것으로, 각 방식에 따른 구조는 전술한 바와 같은 상태이다. 기존 방식에서는 초순수 1톤을 생성하는데 소요된 전력량이 평균 2.16kWh/ton이고, 신규방식에 따라 초순수 1톤을 생성하는데 소요된 전력량은 평균 1.68kWh/ton이다. 따라서, 소비전력의 차이는 0.48kWh/ton으로 동일 구조에서 동일량의 초순수를 생산할 경우, 본 발명에 따른 원통형 구조에서 소비전력이 20%이상 감축되었음을 인지하였다.

한편, 본 발명에서의 전극단자는 직류 전원을 사용함에 있어 펄스 형태의 전원을 공급토록 하는데, 공급하는 펄스신호의 주파수에 따라 소비전력이 다소 변동하였는데, 세 번째 실험도표와 같이 8kHz의 주파수에서 1톤의 초순수를 생성하는데 1.6kWh가 소모되었다. 그리고, 펄스신호의 주파수를 10kHz로 상승할 경우, 초순수 생성에 소비되는 전력은 1.6kWh/ton이고, 펄스신호의 주파수를 12kHz로 상승할 경우, 초순수 생성에 소비되는 전력은 1.5kWh/ton으로 측정되었다.

그리고, 펄스신호의 주파수를 15kHz로 상승할 경우에는 측정된 바와 같이, 초순수 생성에 소비되는 전력이 1.2kWh/ton로 감소하였으며, 펄스신호의 주파수를 18kHz로 상승할 경우는, 소비 전력이 1.1kWh/ton로 감소하였음을 인지하였다. 계속하여 펄스신호의 주파수를 20kHz로 상승할 경우, 초순수 생성에 소비되는 전력은 1.2kWh/ton로 큰 변화가 없었으며, 펄스신호의 주파수를 23kHz로 상승할 경우에는, 인지되는 바와 같이 1.6kWh/ton으로 소비전력이 증가함으로 검출되었다.

이후, 펄스신호의 주파수를 25kHz로 상승할 경우에는, 1.6kWh/ton의 소비전력이 측정되었고, 펄스신호의 주파수를 28kHz로 상승할 경우, 초순수 생성에 소비되는 전력은 1.7kWh/ton로 측정되었다. 마지막으로, 펄스신호의 주파수를 30kHz로 상승할 경우, 초순수 생성에 소비되는 전력은 1.9kWh/ton로서 실질적으로 펄스신호가 아닌 직류신호를 공급한 경우에 비대 소비전력이 증가함을 알 수 있었다.

따라서, 본 실험에서와 같이 본원 발명에 따른 이온교환 장치는 전원 공급 주파수를 15kHz 내지 20kHz로 설정함이 적절할 것으로 판단되었으며, 더불어 원통형 구조의 이온교환 장치의 성능이 충분히 입증되었음으로 인지하였다.

201 : 제1 전극 203 : 제2 전극
205 : 제1 이온교환막 207 : 제2 이온교환막
209 : 이온교환 수지 211 : 제1 격벽
213 : 제2 격벽 215 : 제1 공간부
217 : 제2 공간부 401 : 펄스공급회로

Claims (5)

1. 초순수 제조를 위한 이온교환 장치에 있어서,
   금속재질로 구성되고 원통형 또는 봉 형상의 제1 전극;
   상기 제1 전극의 외주부를 따라 설치되고 부도체 재질로 구성되는 제2 격벽;
   상기 제2 격벽으로부터 이격되어 제2 공간부를 형성하고 원통형 구조를 갖는 제2 이온 교환막;
   상기 제2 이온 교환막으로부터 이격 설치된 원통형 구조의 제1 이온 교환막;
   상기 제1 이온 교환막과 제2 이온 교환막 사이에 충진되는 이온 교환수지;
   상기 제1 이온 교환막으로부터 제1 공간부를 형성하도록 이격 설치된 제1 격벽; 및
   상기 제1 격벽의 외주부를 따라 설치된 금속재질의 제2 전극을 포함하며;
   자기장의 세기를 강화하기 위해 15kHz 내지 20kHz 주파수의 펄스 신호를 상기 제1 전극 및 제2 전극으로 공급하는 것을 특징으로 하는 초순수 제조용 전기 탈이온장치.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 제1 전극은 양(+) 전극으로 접속하고, 상기 제2 전극은 음(-) 전극으로 접속되는 것을 특징으로 하는 초순수 제조용 전기 탈이온장치.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 제1 전극은 음(-) 전극으로 접속하고, 상기 제2 전극은 양(+) 전극으로 접속되는 것을 특징으로 하는 초순수 제조용 전기 탈이온장치.
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