KR101280357B1 - 탈염 농축수 및 폐염수를 재이용하는 이온교환 연수 시스템 및 공정 - Google Patents

탈염 농축수 및 폐염수를 재이용하는 이온교환 연수 시스템 및 공정 Download PDF

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Abstract

본 발명은 탈염 농축수 및 폐염수를 재이용하는 이온교환 연수 시스템 및 이온교환 연수공정에 관한 것으로서, 그 시스템은, 이온교환수지가 충진되어, 유입되는 원수를 연화시켜 처리수로 배출하는 이온교환수지탑(100); CDI 또는 R/O장치로 구성되는 탈염장치(210)와 탈염 농축수를 재 농축하는 전기농축장치가 구비되어, 상기 이온교환수지탑(100)의 처리수 중 일부가 상기 탈염장치(210)를 통과하여 이온을 제거한 후 상기 이온교환수지탑(100)의 처리수와 합해지도록 마련되는 탈염부(200); 상기 이온교환수지탑(100) 내로 재생용액을 유입시켜 상기 이온교환수지가 재생되도록 하는 재생부(300); 상기 이온교환수지탑(100)의 재생시 발생하는 폐염수를 재생하여 상기 재생부(300)로 유입되도록 하는 폐염수 재생부(400);를 포함하며, 이온교환수지탑과 탈염장치를 하이브리드(hybrid)로 사용하고, 탈염장치의 농축수를 이온교환수지의 재생에 사용하며, 이온교환수지의 재생용액을 재이용함으로써, 물속의 경도는 물론 증발잔류물을 제거할 수 있어 두 가지 정수방법의 장점을 취할 수 있는 효과가 있다.

Description

탈염 농축수 및 폐염수를 재이용하는 이온교환 연수 시스템 및 공정{ion-exchange water softening system and process re-using concentrate and brine waste}
본 발명은 경도 및 증발잔류물이 높은 중대형 정수장이나 보일러 수 제조공정 등에 사용하기 위한 탈염(Desalination) 농축수 및 폐염수를 재이용하는 이온교환 연수 시스템 및 공정에 관한 것이다.
일반적으로, 지하수에는 각종 미네랄이 녹아 있다. 하지만 칼슘과 마그네슘화합물이 물속에 많이 녹아 있으면, 경수 즉, 센물로 분류가 되고 경도가 일정농도 이상이 되면 먹는 물로 부적합하여, 이를 제거하지 않으면 식수로 사용할 수 없게 된다.
물속의 경도를 제거하는 방법이 여러 가지가 있는데, 역삼투막을 이용하거나 이온교환수지를 이용하는 방법이 사용되고 있다. 종래 '역삼투막과 전기산화법을 이용한 무방류 정수장치'가 대한민국 등록특허 제0670769호(2011.1.11)에 제시되어 있다. 그러나 이는 시설비나 운영비 등 상당한 비용이 소요된다.
소형시설에서 많이 사용하는 간편한 방법으로 이온교환수지를 이용하여 경도를 제거하는 방법이 있다. 종래 '경수연화장치 및 그 이온교환수지 재생방법'이 대한민국 등록특허 제0418861호(2004.2.3)에 제시되어 있다.
그러나 이온교환수지 방법은 이온교환수지를 소금용액으로 재생하기 때문에 많은 소금소모량이 필요하며, 관리의 불편함과 소금용액이 폐수로 발생하는 등의 여러 가지 문제점이 있다. 또한, 소형장치는 큰 문제가 되지 않지만 대용량을 처리할 때 이 소비되는 소금값 등 관리비용과 폐수처리 비용이 고가이다. 그래서 이온교환수지를 재생할 때 사용되는 소금용액에 포함된 염화칼슘을 제거하여 재생용액을 재이용할 수 있는 기술이 필요하다.
또한, 이온교환수지의 단점은 경도는 제거하지만 증발잔류물은 낮출 수 없다. 그 이유는 경도물질이 나트륨 이온으로 교체되어 제거하기 때문에 증발잔류물은 낮출 수 없는 것이다.
반면에 축전식탈이온(Capacitive Deionization; CDI라 칭한다)는 "이온선택성 축전식 탈염 전극 및 이를 포함하는 CDI전극 모듈"대한민국 특허 제 10-1237258호에 나타낸 바와 같이 전기이중층 원리를 이용한 탈염기술로 증발잔류물을 낮출 수 있고, 탈염 농축수의 농축 율이 90% 정도 되고, 추가 농축이 가능하다.
한편, 이온교환수지에 의한 연수공정을 예를 들면 다음과 같다.
R-Na(이온교환수지) + Ca(HCO3)2 -> R2-Ca(이온교환수지) + 2NaHCO3
이온교환수지의 Na 이온과 칼슘이온이 교환되면서 경도를 제거하게 된다. 일정 유량이 통과되면 이온교환수지가 포화 흡착하여 더 이상 경도 물질을 제거할 수 없게 되면 소금용액으로 재생하여 다시 사용한다.
소금용액으로 이온교환수지를 재생하면 그 재생용액 속에는 염화칼슘이 생성되게 된다.
재생공정은 다음과 같다.
R2-Ca(이온교환수지) + 2NaCl -> 2R-Na + CaCl2
일반적으로 재생하는 소금용액은 약 10% 농도이며, 사용된 소금용액의 약 5% 정도가 CaCl2이고, 나머지 NaCl이 약 5% 정도 되는 것으로 알려져 있다.
이 재생폐수의 양이 얼마 되지 않는 경우 그대로 방류하는 것이 일반적이지만, 그 양이 많은 경우 그대로 버릴 때 환경적인 영향을 줄 수 있기 때문에 문제가 된다. 그러므로 재생폐수가 대용량인 경우 폐수를 재활용하는 방안의 연구가 지속적으로 이루어지고 있다.
따라서 본 발명에서는 탈염 농축수와 재생 폐수를 재활용하는 방법 및 시스템을 제시하고자 한다. 폐수를 재이용하여 폐수의 양을 획기적으로 줄일 수 있을 뿐만 아니라, 재생용액으로 사용되는 소금의 양을 줄이는 방법에 관한 것이다.
대한민국 등록특허 제0670769호(2011.1.11, '역삼투막과 전기산화법을 이용한 무방류 정수장치') 대한민국 등록특허 제0418861호(2004.2.3, '경수연화장치 및 그 이온교환수지 재생방법') 대한민국 등록특허 제1237258호 (2013.2.20, '이온선택성 축전식 탈염 전극 및 이를 포함하는 CDI전극 모듈')
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 이온교환수지탑과 CDI장치 또는 역삼투장치(Reverse Osmosis; RO라 칭한다)로 구성되는 탈염장치를 하이브리드(hybrid)로 사용하고, 탈염장치의 농축수를 그대로 이용하거나 농축수를 다시 재 농축하여 사용할 수 있다. 이때 농축수를 전기농축장치로 재 농축할 수 있으며 전기농축장치는 CDI나 ED(Electrodialysis)를 이용한다. 농축수를 전기농축장치(250)를 통하여 1%이상으로 재 농축하면 이온교환수지를 재생하는 소금용액 농도와 비슷한 농도가 되므로 농축수를 이온교환수지의 재생에 효율적으로 사용이 가능하며, 이온교환수지를 재생한 폐염수도 역시 재이용함으로써, 물속의 경도는 물론 증발잔류물을 제거할 수 있는 두 가지 정수방법의 장점을 취하는 하이브리드 방식의 탈염 농축수 및 폐염수를 재이용하는 이온교환 연수 시스템 및 공정을 제공하는 데 그 목적이 있다.
본 발명에 따른 탈염 농축수 및 폐염수를 재이용하는 이온교환 연수 시스템은, 이온교환수지가 충진되어, 유입되는 원수를 연화시켜 처리수로 배출하는 이온교환수지탑(100), 탈염장치(210)가 구비되어, 상기 이온교환수지탑(100)의 처리수 중 일부가 상기 탈염장치(210)를 통과하여 이온을 제거한 후 상기 이온교환수지탑(100)의 처리수와 합해지도록 마련되는 탈염부(200), 상기 이온교환수지탑(100) 내로 재생용액을 유입시켜 상기 이온교환수지가 재생되도록 하는 재생부(300), 상기 이온교환수지탑(100)의 재생시 발생하는 폐염수를 재생하여 상기 재생부(300)로 유입되도록 하는 폐염수 재생부(400)를 포함하여 구성된다.
이때, 상기 이온교환수지탑(100)은 하부로 원수가 유입되고, 상부로 처리수가 배출될 수 있다.
또한 상기 탈염부(200)는, 상기 탈염장치(210)에 의해 농축된 농축수가 저장되고, 전기농축장치(250)에 의해 재 농축되어 1%이상의 농축수로 만들어 놓았다가 필요시 상기 농축수를 상기 이온교환수지탑(100)의 상부로 유입시켜 상기 이온교환수지가 재생되도록 마련되는 농축수 저장탱크(230)를 포함할 수 있다.
이와 더불어, 상기 폐염수 재생부(400)는, 상기 폐염수가 유입되고, 유입된 폐염수를 재생염수로 재생하여 상기 재생부(300)로 유입되도록 하는 폐염수 재생반응기(410)와, 상기 폐염수 재생반응기(410) 내로 소다회를 투입하도록 마련되는 소다회탱크(430)와, 상기 폐염수 재생반응기(410) 내로 응집제를 투입하도록 마련되는 응집제탱크(450)와 상기 폐염수 재생반응기(410) 내의 침전물을 탈수하여 슬러지로 처리하는 탈수기(470)를 포함하여 구성될 수 있다.
또한, 상기 재생부(300)는, 상기 재생염수 중 일부가 유입되고, 재생염수와 소금탱크로 투입하여 포화소금용액을 제조하고 원수를 섞어 재생용액으로 제조하여 상기 이온교환수지탑(100) 내로 유입되도록 하는 소금저장탱크(310)와, 상기 소금저장탱크(310) 내로 상기 포화소금용액을 공급하는 포화소금용액 공급부(330)와, 상기 이온교환수지탑(100) 내로 상기 재생용액 유입시 염산을 투입하기 위한 염산 투입부(350)를 포함할 수 있다.
이때, 이온교환수지를 통과한 처리수의 일부를 탈염장치(210)를 통과시켜 이온을 제거한 다음, 상기 처리수와 합해지도록 하는 정수공정을 포함할 수 있다.
또한, 상기 탈염장치(210)의 농축수를 그대로 사용하거나 전기농축장치(250)로 1%이상으로 재 농축하여 상기 이온교환수지의 재생용액으로 사용하는 재생공정을 포함할 수 있으며, 상기 이온교환수지의 재생에 이용된 폐염수를 소다회로 처리하여 탄산칼슘과 염화나트륨으로 변화시켜, 상기 탄산칼슘은 제거하고 상기 염화나트륨이 포함된 재생염수를 상기 이온교환수지의 재생용액으로 사용하는 폐염수 재생공정을 포함할 수 있다.
이때, 상기 폐염수 재생공정시, 상기 폐염수의 pH가 7 내지 8이 될 때까지 상기 소다회를 투입할 수 있다.
이와 더불어, 상기 재생염수는 상기 이온교환수지의 재생용액으로 사용하는 재생염수 재이용 공정을 포함할 수 있으며, 상기 재생염수 재이용 공정시, 상기 재생염수에 염산을 투입하여 pH가 7이 되도록 하여 상기 이온교환수지의 재생용액으로 사용할 수 있다.
또한, 상기 이온교환수지탑(100)는 내부에 이온교환수지 상태확인부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 탈염 농축수 및 폐염수를 재이용하는 이온교환 연수공정이다.
본 발명의 탈염농축수 및 폐염수를 재이용하는 이온교환 연수 시스템 및 공정에 따르면, 다음과 같은 효과가 있다.
물속에 녹아있는 경도 유발물질인 칼슘과 마그네슘 등을 이온교환수지탑을 통과시켜 제거하고, 처리수의 일부를 CDI 또는 RO장치로 구성되는 탈염장치에 통과시켜 증발잔류물을 제거함으로써, 증발잔류물과 경도를 동시에 제거할 수 있다.
또한, 탈염장치에서 발생하는 농축수를 재생용액으로 사용함으로써, 소금용액의 소비를 획기적으로 줄일 수 있어 경제적이다.
나아가, 폐염수(소금용액 폐수)를 탄산칼슘으로 침전시켜 제거한 후 재사용함으로써, 폐염수를 재활용하여 그만큼 폐수가 발생하지 않아 주변 환경을 보존할 수 있으며, 이에 따른 폐수 량을 감소시킬 수 있고, 저장시설, 관리비용 등을 대폭 줄일 수 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 탈염 농축수 및 폐염수를 재이용하는 이온교환 연수 시스템을 도시한 개념도.
도 2는 도 1의 정수공정 시를 도시한 도면.
도 3은 도 1의 재생공정 시를 도시한 도면.
도 4는 도 1의 폐염수 재생공정 시를 도시한 도면.
도 5는 재생염수 재이용 공정 시를 도시한 도면.
이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 탈염 농축수 및 폐염수를 재이용하는 이온교환 연수 시스템은, 도 1에 도시한 바와 같이 이온교환수지탑(100)과 탈염부(200)와 재생부(300)와 폐염수 재생부(400)를 포함하여 구성된다.
이온교환수지탑(100)은 내부공간을 가지는 밀폐된 구조로서, 통상 페키드베드를 사용하며, 내부에는 이온교환수지가 충전되어 있다. 본 실시예에서는 이온교환수지탑(100)의 하부로 원수가 유입되고, 상부로 경도가 제거된 처리수가 배출되며, 이온교환수지에 의해 원수유입부(110)로부터 유입되는 원수를 연화시켜 처리수로 배출한다. 배출된 처리수는 처리수 저장탱크(130)로 유입되어 저장된다. 이때, 배출되는 처리수가 처리수 저장탱크(130)로 저장되기 전에 일부를 분기하여 하기에서 설명할 탈염부(200)를 통과하여 정수되도록 한다.
탈염부(200)는 CDI 또는 R/O장치로 구성되는 탈염장치(210)와 농축수 재농축 전기농축장치(250) 및 농축수 저장탱크(230)를 포함한다.
탈염장치(210)에 이온교환수지탑(100)의 처리수 중 일부가 통과되어, 이온을 제거한 후 이온교환수지탑(100)의 처리수와 합해지도록 마련되어 있다.
농축수 저장탱크(230)는 탈염장치(210)의 농축수가 저장되고, 저장된 농축수를 전기농축장치(250)로 농축하여 5-10%로 재 농축한 다음 필요시 농축수를 이온교환수지탑(100)의 상부로 유입시켜 이온교환수지가 재생되도록 마련되어 있다.
재생부(300)는 이온교환수지탑(100) 내로 재생용액을 유입시켜 이온교환수지가 재생되도록 하며, 본 실시예에서는 소금저장탱크(310)와 포화소금용액 공급부(330)와 염산 투입부(350)를 포함한다.
소금저장탱크(310)는 하기에서 설명할 폐염수 재생부(400)에 의해 재생되는 재생염수 중 일부가 유입되고, 재생염수를 이용하여 소금저장탱크의 소금을 용해하여 포화소금용액을 제조하고, 포화소금용액에 다시 원수를 섞어 재생용액으로 제조하여 이온교환수지탑(100) 내로 유입되도록 한다. 본 실시예에서는 원수유입부(110)로부터 유입되는 원수를 분기하여 하기에서 설명하는 포화소금용액을 희석하여 재생용액을 제조하는 희석수를 공급하도록 마련되어 있다.
포화소금용액 공급부(330)는 소금저장탱크(310)의 상부에 설치되어 포화소금용액 희석수로 사용하며 필요시 포화용액 제조에 사용할 수 있다.
염산 투입부(350)는 이온교환수지탑(100) 내로 재생용액의 유입시 염산을 투입하기 위하여 마련된다. 본 실시예에서는 소금저장탱크(310)로부터 이온교환수지탑(100)으로 재생용액이 공급되는 라인에 염산 투입부(350)가 설치되어 있고,
폐염수 재생부(400)는 이온교환수지탑(100)의 재생시 발생하는 폐염수를 재생하여 재생부(300)로 유입되도록 하며, 본 실시예에서는 폐염수 재생반응기(410)와 소다회탱크(430)와 응집제탱크(450)와 탈수기(470)를 포함한다.
폐염수 재생반응기(410)는 폐염수가 유입되고, 유입된 폐염수를 재생염수로 재생하여 재생부(300)의 소금저장탱크(310) 내로 유입되도록 한다. 폐염수 재생반응기(410) 내에는 교반을 위한 교반기(411)와 pH 측정을 위한 pH미터(413)가 설치되어 있다.
소다회탱크(430)는 폐염수 재생반응기(410) 내로 소다회를 투입하도록 마련되어 있다.
응집제탱크(450)는 폐염수 재생반응기(410) 내로 응집제를 투입하도록 마련되어 있다.
탈수기(470)는 폐염수 재생반응기(410) 내의 침전물을 탈수하여 슬러지로 처리하도록 마련되어 있다.
상기와 같이 구성된 본 발명 바람직한 실시예에 따른 이온교환 연수시스템의 작동은 다음과 같이 이루어진다.
이온교환수지탑(100)을 통과한 처리수는 이온교환수지에 의해 경도는 제거되었지만 증발잔류물은 그대로 남아 있다. 그 이유는 물속에 Ca(HCO3)2 로 존재하던 이온을 이온교환수지를 이용하여 2Na(HCO3)로 형태만 바뀌었기 때문이다.
따라서, 이온교환수지탑(100)을 통과한 처리수의 일부를 탈염장치(210)로 통과시켜, 물속의 모든 이온을 제거함으로써 증발잔류물이 제거되고, 증발잔류물이 제거된 물은 다시 이온교환수지탑(100) 만을 통과한 처리수와 합해져서 처리수 저장탱크로 보내진다.
이때, 이온교환수지탑(100)을 통과한 처리수의 일부만이 탈염장치(210)로 보내지기 때문에 탈염장치(210)의 용량은 크지 않아도 되므로 처리수의 전체를 처리하는 것에 비하여 장치비용과 운전비용이 현저히 낮아진다.
또한, 탈염장치(210)로 유입되는 물은 이온교환수지탑(100)을 통과하여 경도가 제거된 처리수이므로 탈염장치는 스케일이 발생하지 않고, 안전하게 운전이 가능하다.
한편, 탈염장치(210)의 농축수는 전기농축장치(250)에 의해 1%이상으로 재농축되어 이온교환수지의 재생용액으로 사용이 가능하다. 이는 농축수가 경도가 제거된 Na(HCO3) 농축수로서 이온교환수지를 재생하는데 도움을 줄 수 있기 때문이다. 즉, 초기 농도가 약 500ppm일 경우 5배 이상 농축하면, 약 2,500ppm, 0.25% 짜리 소금용액과 같은 역할을 하게 되는 것이다. 그러나 전기농축장치(250)로 이 농축수를 재 농축하여 1%이상으로 농축하면 이온교환수지 재생 소금농도와 같으므로 재생이 잘 된다.
따라서, 이온교환수지를 통과한 처리수를 일부 탈염장치(210)로 다시 통과시켜 처리수를 얻어 이온교환수지만을 통과한 처리수와 섞어서 증발잔류물을 낮추고, 동시에 탈염장치(210)를 통과하여 버려지는 농축수는 재 농축하여 이온교환수지의 재생용액으로 일부 사용함으로써, 이온교환수지의 재생에 필요한 소금용액을 절약할 수 있다.
나아가, 이온교환수지의 재생에 이용되고 버려지는 폐염수 속에 존재하는 CaCl2 또는 MgCl2는 소다회(Na2CO3)로 처리하여 탄산칼슘(CaCO3)과 NaCl로 변화시키고, 그 중 용해도가 낮은 탄산칼슘은 침전시켜 제거한 후 나머지 NaCl은 다시 이온교환수지의 재생에 재이용함으로써, 재생에 필요한 소금의 사용량은 줄이고 동시에 버리는 폐수의 양은 줄일 수 있다.
재생에 사용한 폐염수의 재이용공정을 보면 다음과 같다.
CaCl2 + Na2CO3 -> 2NaCl + CaCO3(침전)
MgCl2 + Na2CO3 -> 2NaCl + MgCO3(침전)
이온교환수지탑(100)을 재생할 경우 보통 5-10%의 염수를 사용하는데, 본 발명에서 사용되는 재생염수는 10% 염수를 사용하였고, 재생 후 폐염수는 약 5%의 CaCl2와 5%의 NaCl로 구성되고, 그 중 CaCl2를 소다회를 이용하여 탄산칼슘으로 침전시킨 후 제거하여 염수를 다시 재이용하는 것이다.
이때, 상기 이온교환수지탑(100)의 재생시기를 결정할 때에 이온교환수지의 이온상태를 확인하기 위한 이온교환수지 상태확인부재(미도시)를 더 포함할 수 있다. 이러한 이온교환수지 상태확인부재는 이온교환수지에 부착되어 있는 Na이온의 양을 측정하기 위한 다양한 수단을 사용할 수 있다. 예를 들어, 상기 이온교환수지탑(100)내부의 Na이온의 양을 직접 측정하거나, 이온교환수지에 흡착된 Mg이온 및 Ca이온의 흡착량을 계산을 통하여 이온교환수지의 상태를 확인할 수 있다.
이하, 상기와 같이 구성된 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이온교환 연수공정을 설명하면 다음과 같다.
정수공정
도 2와 같이 정수공정 시에는 이온교환수지를 통과한 처리수의 일부를 탈염장치(210)를 통과시켜 이온을 제거한 다음, 이온교환수지를 통과한 처리수와 합해지도록 한다.
이때 이온교환수지(100)는 물속의 칼슘이온과 마그네슘이온 등을 제거한다. 그 제거 메카니즘의 예는 다음과 같다. (R은 이온교환수지임)
R-Na(이온교환수지) + Ca(HCO3)2 -> R2-Ca(이온교환수지) + 2NaHCO3
R-Na(이온교환수지) + Mg(HCO3)2 -> R2-Mg(이온교환수지) + 2NaHCO3
그러므로 이온교환수지 처리수는 대부분 NaHCO3 로 구성되어 있고 경도가 제거된 상태이므로 탈염장치(210)의 스케일을 일으키지 않아 장치운전에 문제가 없다. 동시에 탈염장치(210)를 통과한 물은 보통 이온을 98%이상 제거하였으므로 이온교환수지 처리수와 합하여지면 그 만큼 증발잔류물이 제거된 처리수가 된다.
재생공정
이온교환수지는 이온교환용량만큼만 경도를 제거할 수 있으므로 일정시간이 지나면 더 이상 경도물질을 제거할 수 없게 된다.
이렇게, 이온교환수지가 포화되어 더 이상 경도물질을 제거하지 못하게 되면 재생하여 다시 사용할 수 있으며, 재생용액은 소금용액을 사용할 수 있다.
본 실시예의 재생공정에서는, 도 3과 같이 탈염장치(210)의 농축수를 재생용액으로 사용한다. 농축수는 경도가 모두 제거되었고, 나트륨 이온으로 이온교환수지의 재생에 이용할 수 있기 때문이다. 예를 들어, 원수의 TDS(총이온농도)농도가 500ppm이면 약 5배 정도 농축된 탈염 농축수는 2,500ppm이 되고, 이는 이온교환수지를 재생시키는데 사용될 수 있다. 또는 이 농축수를 전기농축장치(250)로 농축하여 1%이상으로 재 농축하면 재생효율이 높아진다.
탈염장치(210)의 재 농축수는 농축수 저장탱크(230)게 저장되었다가 펌프(231)를 이용하여 이온교환수지의 재생용액으로 일부 사용할 수 있으며, 그 외에 이온교환수지의 재생용액은 5% 내지 10%의 소금용액으로 이온교환수지탑(100)의 상부에서 하부로 흘러 보내 이온교환수지를 재생한다.
재생공정은 다음과 같다.
R2-Ca(이온교환수지) + 2NaCl -> 2R-Na + CaCl2
R2-Mg(이온교환수지) + 2NaCl -> 2R-Na + MgCl2
이렇게, 소금용액으로 이온교환수지를 재생하면 그 속에는 염화마그네슘(MgCl2)이나 염화칼슘(CaCl2)이 생성되게 된다. 10%의 염도의 소금용액으로 재생한다면 평균적으로 약 5% 소금용액(NaCl)과 약 5%의 염화칼슘(CaCl2)으로 구성된 폐염수가 만들어진다. 이 폐염수는 보통은 폐수로 버려야하지만 그 양이 많을 때 주변 환경에 영향을 줄 수 있을 뿐 아니라 상당한 양의 소금용액 즉, 5%의 염수와 5%의 염화칼슘 용액을 버려야 하는 문제가 있다. 따라서, 다음과 같은 폐염수 재생공정이 이루어진다.
폐염수 재생공정
도 4와 같이, 이온교환수지의 재생시 사용되고 만들어지는 소금용액(NaCl)과 염화칼슘(CaCl2)으로 구성된 폐염수는 폐염수 재생 반응기로 보내진다. 폐염수 재생 반응기에서는 폐염수 중에서 염수(NaCl)를 제외한 염화칼슘(CaCl2)이나 염화마그네슘(MgCl2)을 제거하는 공정이다.
그 반응식은 다음과 같다.
CaCl2 + Na2CO3 -> 2NaCl + CaCO3↓
또는 MgCl2 + Na2CO3 -> 2NaCl + MgCO3↓
폐염수를 재생하는 방법은 먼저, 소다회탱크(430)에서 펌프(431)를 이용하여 소다회를 투입하는데, 이때 교반기(411)로 교반하면서 투입하며, 투입하는 양은 pH미터(413)를 통해 pH에 따라 조정한다.
이렇게, 소다회를 투입하면 pH가 올라가게 되는데, 처음에는 pH 변화가 나타나지 않다가 염화칼슘이나 염화마그네슘이 모두 제거되면 그때부터 pH가 올라간다. 본 실시예에서는 약 7 내지 8이 될 때까지 소다회를 투입하도록 설정하며, pH 7.5가 가장 바람직하다.
소다회는 염화칼슘이나 염화마그네슘과 빠르게 반응하며, pH로 재생용액 속에 녹아있는 염화칼슘이나 염화마그네슘의 양을 추정하여 조정할 수 있다. 소다회를 과량 넣으면 염화칼슘은 완벽하게 제거되지만 후에 이 소다회가 재생용액에 남아있을 경우 다음 재생 시에 이온교환수지탑(100)에서 소다회가 탄산칼슘으로 침전될 수 있기 때문에 과량 투입하는 것은 바람직하지 않다.
다음으로, 소다회를 투입한 후 응집제탱크(450)의 응집제를 펌프(451)를 통하여 정량 투입한다. 이렇게 응집제를 투입하여 침전물의 크기를 크게 함으로써, 침강속도를 빠르게 할 수 있다. 본 실시예에서 응집제는 PAC 고분자 응집제나 황산반토와 같은 무기응집제를 사용할 수 있다.
이렇게, 응집제가 투입되면, 1시간 이내로 빠르게 응집되어 탄산칼슘이 하부로 침강된다.
마지막으로, 탄산칼슘의 침강이 끝난 후 하부의 침전물은 탈수기(470)를 통해 탈수하여 슬러지로 처리한다. 상등액은 염화칼슘이 제거된 염수이므로 다음 이온교환수지의 재생시 염수로 재사용한다.
상기와 같은 방법으로, 이온교환수지의 재생에 이용된 폐염수를 소다회로 처리하여 탄산칼슘과 염화나트륨으로 변화시켜, 탄산칼슘은 제거하고 염화나트륨이 포함된 재생염수를 이온교환수지의 재생용액으로 사용한다.
재생염수 재이용 공정
도 5와 같이, 재생염수 재이용 공정에서는 폐염수 재생공정에서 만들어진 재생염수 중 일부는 포화소금용액을 만들기 위하여 소금저장탱크(310)로 보내어진다.
즉, 재생염수가 소금을 녹여 포화소금용액을 만들 때 사용하며 투입된다. 이때, 재생염수 속에 남아 있는 소량의 소다회는 포화용액의 소금용액 중 칼슘이온과 결합하여 탄산칼슘으로 침전되어 소금용액 속의 경도물질을 제거한다. 따라서, 소다회 양을 조절하면 순도가 낮은 소금을 사용해도 무관하며, 천일염 경우와 같이 염분량이 88%인 경우에도 사용이 가능하다.
따라서, 폐염수 재생공정시 소다회의 양을 늘려 폐염수의 pH를 적정 값까지 올린 다음, 이 용액으로 소금포화용액을 만들면 순도가 낮은 소금 속에 들어있던 칼슘이온을 침전하여 제거하므로 고순도 정제소금을 사용하는 효과를 취할 수 있다. 소다회의 양은 소금의 순도에 따라 조절하여 사용 가능하다.
재생염수의 일부는 재생염수와 함께 섞여 9% 내지 11% 농도의 재생용액으로 제조하여 이온교환수지탑(100)의 이온교환수지를 재생할 때 재생용액으로 사용한다.
이때, 재생용액 속에 소다회가 일부 남아있는 것을 방지하기 위해 재생염수에 염산(HCl)을 투입하여 pH가 7이 되도록 하여 이온교환수지의 재생용액으로 사용한다.
이러한 방법으로 재생 폐염수 중에서 소다회가 남아있지 않도록 관리를 할 수 있다. 그렇지 않으면 이 소다회가 이온교환수지탑(100)에서 경도물질과 만나서 탄산칼슘이 침전되어 이온교환수지탑(100) 내에 존재할 수 있다.
재생염수 재이용 공정을 통하여 폐염수를 재이용할 때 필요에 따라 최대 80%까지 폐염수를 재활용할 수 있으며, 폐염수의 회수율은 필요에 따라 조정 가능하다.
상기와 같은 탈염 농축수 및 폐염수를 재이용하는 이온교환 연수 시스템 및 공정에 따르면, 물속에 녹아있는 경도유발물질인 칼슘과 마그네슘 등을 이온교환수지탑(100)을 통화시켜 제거하고, 처리수의 일부를 탈염장치(210)를 통과시켜 증발잔류물을 제거함으로써, 증발잔류물과 경도를 동시에 제거할 수 있다
또한, 탈염장치(210)에서 발생하는 농축수를 재생용액으로 사용함으로써, 소금용액의 소비를 획기적으로 줄일 수 있어 경제적이다.
나아가, 폐염수(소금용액 폐수)를 탄산칼슘으로 침전시켜 제거한 후 재사용함으로써, 폐염수를 재활용하여 그만큼 폐수가 발생하지 않아 주변 환경을 보존할 수 있으며, 이에 따른 폐수량을 감소시킬 수 있고, 저장시설, 관리비용 등을 대폭 줄일 수 있다.
실시예
이온교환수지탑 일 처리량 30톤, CDI장치 일 처리량 15톤, 재생부와 폐염수 재생부를 갖는 시스템의 실시예는 다음과 같다.
정수공정에서 사용된 이온교환수지탑 충전량은 120L이며 원수의 경도 200ppm이고 TDS(총용존고형물양) 500ppm을 시간당 1.5톤의 유속으로 20시간 통과시켜 경도물질을 제거한 다음 일부(50%)는 CDI 장치로 구성되는 탈염장치로 이온을 제거한 후 이온교환수지를 통과한 처리수(50%)와 합하도록 하였다. 탈염 농축수는 다음 재생시 사용하기 위하여 별도의 탱크에 저장하였다. 이 농축수의 양은 1.5톤이고 TDS는 5배 농축된 2,500ppm(0.25%) 이었다. 이 농축수 일부를 전기농축장치(250)를 이용하여 약 5%로 농축하였다. 이 농축수에 포함된 염의 농도를 소금양으로 환산하면 약 2.4kg 이었다.
상기 합하여 얻어진 처리수의 경도와 TDS를 측정한 결과 경도는 5ppm 이었고 TDS는 265ppm 으로 경도는 약 98%, TDS는 약 50% 제거 되었다.
처음 포화 흡착된 이온교환수지탑은 10%의 소금용액을 120L로 재생하였다. 재생한 폐염수 중 초기 20%(24L)는 버리고 나머지 80%(96L)는 회수하였다.
회수한 폐염수에 Na2CO3를 pH가 7.5정도가 될 때까지 교반하면서 투입하였다. 이때 들어간 Na2CO3의 양은 약 4.8Kg 이었으며 18% PAC 응집제를 약 5mL 투입한 후 석출된 CaCO3의 양은 약 4.6kg이었다. 상등액의 염도를 측정한 결과 약 9.9% 이었다. 상기용액을 농축수 10% 24리터와 폐염수에서 재생한 10%의 96리터로 다음 재생용액을 준비하였다.
상기 정수공정을 다시 반복한 후 이온교환수지를 재생할 때는 상기 탱크에 저장된 탈염 농축수와 폐염수를 재생한 재생용액으로 이온교환수지탑을 재생하였다. 결론적으로 추가로 사용된 소금의 양은 없었으며 탈염 농축수 일부를 농축하고 폐염수를 재생하여 이온교환수지를 재생할 수 있었다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 청구범위의 균등 범위 내에서 다양한 수정 및 변형 가능함은 물론이다.
100 : 이온교환수지탑 200 : 탈염부
210 : 탈염장치 230 : 농축수 저장탱크
250 : 전기농축장치
300 : 재생부
310 : 소금저장탱크 330 : 포화소금용액 공급부
350 : 염산 투입부 400 : 폐염수 재생부
410 : 폐염수 재생반응기 430 : 소다회탱크
450 : 응집제탱크 470 : 탈수기

Claims (12)

  1. 이온교환수지가 충진되어, 유입되는 원수를 연화시켜 처리수로 배출하는 이온교환수지탑(100);
    탈염장치(210)가 구비되어, 상기 이온교환수지탑(100)의 처리수 중 일부가 상기 탈염장치(210)를 통과하여 이온을 제거한 후 상기 이온교환수지탑(100)의 처리수와 합해지도록 마련되는 탈염부(200);
    상기 이온교환수지탑(100) 내로 재생용액을 유입시켜 상기 이온교환수지가 재생되도록 하는 재생부(300);
    상기 이온교환수지탑(100)의 재생시 발생하는 폐염수를 재생하여 상기 재생부(300)로 유입되도록 하는 폐염수 재생부(400);를 포함하는 탈염 농축수 및 폐염수를 재이용하는 이온교환 연수 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 이온교환수지탑(100)은 하부로 원수가 유입되고, 상부로 처리수가 배출되는 것을 특징으로 하는 탈염 농축수 및 폐염수를 재이용하는 이온교환 연수 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 탈염부(200)는,
    상기 탈염장치(210)의 농축수를 재 농축하는 전기농축장치(250), 필요시 상기 농축수를 상기 이온교환수지탑(100)의 상부로 유입시켜 상기 이온교환수지가 재생되도록 마련되는 농축수 저장탱크(230)를 포함하는 것을 특징으로 하는 탈염 농축수 및 폐염수를 재이용하는 이온교환 연수 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 폐염수 재생부(400)는,
    상기 폐염수가 유입되고, 유입된 폐염수를 재생염수로 재생하여 상기 재생부(300)로 유입되도록 하는 폐염수 재생반응기(410)와,
    상기 폐염수 재생반응기(410) 내로 소다회를 투입하도록 마련되는 소다회탱크(430)와,
    상기 폐염수 재생반응기(410) 내로 응집제를 투입하도록 마련되는 응집제탱크(450)와,
    상기 폐염수 재생반응기(410) 내의 침전물을 탈수하여 슬러지로 처리하는 탈수기(470)를 포함하는 것을 특징으로 하는 탈염 농축수 및 폐염수를 재이용하는 이온교환 연수 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 재생부(300)는,
    상기 재생염수 중 일부가 유입되고, 재생염수와 소금탱크로 투입하여 포화소금용액을 제조하고 원수를 섞어 재생용액으로 제조하여 상기 이온교환수지탑(100) 내로 유입되도록 하는 소금저장탱크(310)와,
    상기 소금저장탱크(310) 내로 상기 포화소금용액을 공급하는 포화소금용액 공급부(330)와,
    상기 이온교환수지탑(100) 내로 상기 재생용액 유입시 염산을 투입하기 위한 염산 투입부(350)를 포함하는 것을 특징으로 하는 탈염 농축수 및 폐염수를 재이용하는 이온교환 연수 시스템.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 이온교환수지탑(100)은
    내부에 이온교환수지 상태확인부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 탈염 농축수 및 폐염수를 재이용하는 이온교환 연수 시스템.
  7. 이온교환수지탑(100), 탈염부(200), 재생부(300) 및 폐염수 재생부(400)를 포함하는 이온교환 연수 시스템을 이용한 이온교환 연수공정은,
    이온교환수지를 통과한 처리수의 일부를 탈염장치(210)를 통과시켜 이온을 제거한 다음, 상기 처리수와 합해지도록 하는 정수공정을 포함하는 탈염 농축수 및 폐염수를 재이용하는 이온교환 연수공정.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 탈염장치(210) 및 전기농축장치(250)을 통과한 농축수를 상기 이온교환수지의 재생용액으로 사용하는 재생공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 탈염 농축수 및 폐염수를 재이용하는 이온교환 연수공정.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 이온교환수지의 재생에 이용된 폐염수를 소다회로 처리하여 탄산칼슘과 염화나트륨으로 변화시켜, 상기 탄산칼슘은 제거하고 상기 염화나트륨이 포함된 재생염수를 상기 이온교환수지의 재생용액으로 사용하는 폐염수 재생공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 탈염 농축수 및 폐염수를 재이용하는 이온교환 연수공정.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 폐염수 재생공정시,
    상기 폐염수의 pH가 7 내지 8이 될 때까지 상기 소다회를 투입하는 것을 특징으로 하는 탈염 농축수 및 폐염수를 재이용하는 이온교환 연수공정.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 재생염수는 포화소금용액과 원수와 섞여 9% 내지 11% 농도의 재생용액으로 제조하여 상기 이온교환수지의 재생용액으로 사용하는 재생염수 재이용 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 탈염 농축수 및 폐염수를 재이용하는 이온교환 연수공정.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 재생염수 재이용 공정시,
    상기 재생염수에 염산을 투입하여 pH가 7이 되도록 하여 상기 이온교환수지의 재생용액으로 사용하는 것을 특징으로 하는 탈염 농축수 및 폐염수를 재이용하는 이온교환 연수공정.
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