KR101441610B1 - 음이온교환수지의 성능평가 방법 및 온라인 성능평가 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 이온교환수지탑에 의해 정수되는 탈이온수 관리방법에 관한 것으로서, 음이온교환수지의 성능평가 방법 및 음이온교환수지 온라인 성능평가 장치를 제공한다.
상기 음이온교환수지의 성능평가 방법은 음이온교환수지의 기능기인 아민화합물의 양이온 농도와 탈이온수의 전기전도도, 전유기탄소의 병행 측정을 특징으로 하며, 병행 측정된 전기전도도, 전유기탄소 및 아민화합물의 양이온 농도를 바탕으로 음이온교환수지의 성능을 분류한 지표설정 단계를 포함한다.
본 발명은 용출된 음이온교환수지 기능기의 농도를 측정함으로써, 음이온교환수지의 노후화 정도를 직접적으로 평가할 수 있으며, 음이온교환수지 기능기의 농도 측정과 전기전도도 및 전유기탄소(Total Organic Carbon, TOC) 측정을 병행함으로써, 전기전도도만을 이용하여 계통수를 관리하는 것과 비교하여, 전기전도도 상승 요인을 빠르고 정확하게 파악할 수 있고, 음이온교환수지의 온라인 성능평가 장치를 통해 실시간으로 음이온교환수지의 성능을 모니터링 함으로써, 사용 가능한 범위 내에서 최대한 음이온교환수지를 사용할 수 있어, 수지교환 주기의 연장이나 운전에 필요한 비용 저감을 가늠할 수 있다. 따라서 보다 안정적인 계통수 관리를 도모할 수 있다.
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Description
본 발명은 음이온교환수지의 성능평가 방법과 음이온교환수지 온라인 성능평가 장치 및 이를 이용한 계통수의 관리방법에 관한 것이다.
화력 발전소나 원자력 발전소에서는 발전 터빈을 구동시킨 후의 증기를 해수 등으로 냉각시켜 복수로 만들고, 이 복수를 가열하여 다시 증기로 발전 터빈의 구동에 이용하여 순환을 반복하고 있다. 순환되는 계통 내의 물은 각종 불순물 이온이나 산화철 미립자(클러드) 등에 의해 오염된다. 이 때문에 탈이온수는 부식방지와 스케일 부착방지, 방사능 저감방지, 절연의 관점에서 고도로 정화할 필요가 있다. 이러한 순환수계의 도중에는 혼상식 복수 탈염장치, 분말상 혹은 입상 이온교환수지 필터, 중공계 필터 등 각종 복수정화장치가 단독 혹은 조합하여 사용되고 있다. 이 중 이온교환수지법은 제염효과가 우수하고 공정이 단순하며 조작이 간편하기 때문에 광범위하게 활용되고 있다[특허문헌 1].
발전소에서의 이온교환수지는 일반적으로 H형 혹은 NH4형의 강산성 양이온교환수지와 OH형의 강염기성 음이온교환수지의 혼상 형태로 조합하여 사용한다[특허문헌 1]. 이온교환수지는 탈이온수에 포함된 Na+, Cl-, SO4 2 -, CO3 2 -, HCO3 - 이온 등 모든 용해성 이온 오염물을 이온교환 원리로 제거하며, 클러드 등의 금속산화물 불순물은 여과작용이나 물리 흡착 원리로 제거한다. 반복적인 사용으로 인한 이온교환수지의 성능저하는 상기와 같은 불순물을 완전히 제거하지 못하게 되어, 부식물 생성, 스케일 부착, 낮은 절연 효과, 온도 및 압력 상승 등의 장애를 일으킨다. 따라서 정확한 성능평가를 통해 교체시기를 판단하는 것은 탈이온수의 수질관리에 있어 매우 중요한 사항이다.
현재 발전소 계통수의 관리는 탈이온수의 온도, 압력, 보충수의 양, 용존 산소량, pH 측정, 이온교환수지탑 출구수의 전기전도도 검사 및 정기검사 시 양이온교환수지의 폴리스티렌술폰산 용출시험과 음이온교환수지의 반응속도 시험을 채택하여 성능평가를 하고 있다. 이중 이온교환수지는 이온교환수지탑의 출구수의 전기전도도 값과 정기검사 시 양이온교환수지의 폴리스티렌술폰산 용출시험과 음이온교환수지의 반응속도 시험으로 이온교환수지의 성능을 평가하고 있다.
이온교환수지의 성능 저하를 일으키는 주요인은 유기물에 의한 오염으로 밝혀졌으며, 가장 유력한 유기물 오염요인으로 이온교환수지의 용출된 기능기로서 양이온교환수지의 기능기인 폴리스티렌술폰산과 음이온교환수지의 기능기인 아민화합물이 제기되고 있다[특허문헌 2]. 특히, 양이온교환수지의 기능기인 폴리스티렌술폰산으로 인한 오염 연구가 많이 제시되었으나, 이와는 반대로 음이온교환수지가 양이온교환수지보다 경시변화, 산화제, 고온, 불가역 팽윤, 유기물에 대한 오염 등으로 인해 더 쉽게 기능기 분해가 일어난다고 주장하는 문헌도 있다. 그 외에 이온교환수지의 성능 저하로 인한 외부에서 유입된 유기물과 방식제와 부자재 등도 요인으로 제기되고 있다.
탈이온수의 이온량은 다음과 같은 메커니즘에 의해서 증가된다. 탈이온수 내의 철 이온이나 구리 이온을 흡착한 양이온교환수지는 중금속 이온의 촉매작용과 용존 산소나 공기중의 산소와의 접촉에 의해 산화 분해되어 양이온교환수지 모체구조의 일부인 스티렌술폰산의 올리고머나 저분자 폴리머로 이루어진 기능기 용출물을 생성한다. 상기 양이온교환수지 기능기 용출물은 고온하에서 열분해 되어 CO2와 SO4 2 -를 생성하여 탈이온수의 이온량을 증가시키고, 음이온교환수지의 표면에 흡착되어 음이온교환수지의 성능 저하도 가져온다. 양이온교환수지 기능기 용출물 뿐만 아니라, 다른 유기물들도 이와 같은 메커니즘을 통해 탈이온수의 이온량을 증가시킨다[특허문헌 2]. 또한 일반 수처리 장치 내 이온교환처리 장치에 있어서는 발전소 내 복수 탈염장치에서의 현상과는 역으로, 음이온교환수지가 양이온교환수지에 영향을 주어, 양이온교환수지의 반응 속도가 저하되는 현상도 확인되었다[특허문헌 1].
즉, 상기와 같이 이온교환수지탑 내의 오염원은 주로 이온성 물질로서, 현재 이온교환수지탑에 의하여 정수되는 탈이온수의 이상유무를 측정하는 가장 유의적인 요소로 전기전도도가 알려져 있다. 그러나 전기전도도 값은 이온교환수지로부터 용출되는 다양한 불순물뿐만 아니라, 계통의 부식 등으로 인한 금속산화물, 공기의 유입으로 인한 탄산염 류 등 탈이온수 내의 이온량에 영향을 주는 요인은 매우 다양하므로, 탈이온수의 이상 유무는 알 수 있으나, 이온교환수지의 이상 원인 파악은 용이하지 않다는 단점이 있으며, 용출시험 및 반응속도 시험은 실시간 모니터링을 할 수 없고, 이온교환수지의 기능기 탈착 정도의 판단이 간접적이라는 단점이 있다.
[1] 대한민국 등록특허 제 10-0765998
[2] 대한민국 등록특허 제 10-0937533
이에, 본 발명은 계통수의 이상요인을 보다 정확하고 빠르게 파악하고자 종래 기술의 문제점인 간접적이고 간헐적인 이온교환수지의 성능평가를 직접적이고 실시간 모니터링이 가능한 이온교환수지 평가 방법 및 이온교환수지 성능 평가 장치를 제공하고자 한다.
본 발명자는 국내 발전소에 이온교환수지탑 내의 탈이온수의 지속적인 전기전도도 값의 상승 요인을 밝히는 과정에서 전기전도도 값이 상승하면서, 전유기탄소(Total Organic Carbon, TOC) 값이 커지는 것을 확인하고, 상기 전유기탄소(Total Organic Carbon, TOC) 값의 상승요인이 이온교환수지탑의 음이온교환수지의 기능기임을 밝혀내어, 본 발명을 완성하였다.
상기 전기전도도는 현재 이온교환수지탑에 의하여 정수되는 탈이온수의 이상유무를 측정하는 가장 유의적인 요소이다. 상기 전기전도도 값은 일정 간격의 두 전극 사이에 전압을 가할 때 발생하는 전류의 크기를 측정하는 것으로서, 수용액 중 이온의 농도와 이온의 유동성(mobility)의 함수에 따라 달라진다. 따라서, 탈이온수의 전기전도도 변화를 측정하면 계통 내의 이온 농도 변화를 판단할 수 있다.
상기 전유기탄소(Total Organic Carbon, TOC)는 수중에 존재하는 유기물의 주된 구성 물질인 탄소량을 말하는 것으로서, 수질의 유기물 오염 정도를 나타내는 지표이다. 따라서, 전유기탄소(Total Organic Carbon, TOC)를 통해 계통 내 유기물의 농도 변화를 판단할 수 있다. 그러나 상기 전유기탄소(Total Organic Carbon, TOC)는 이온성 탄소의 농도와 비이온성 탄소의 농도의 합으로써, 이온성 탄소와 비이온성 탄소의 비중을 알 수 는 없다.
한편, 전유기탄소(Total Organic Carbon, TOC) 중 이온성 탄소만이 전기전도도 값에 영향을 주므로, 전유기탄소(Total Organic Carbon, TOC)가 상승한다고 해서 전기전도도가 항상 상승하는 것은 아니다.
따라서, 본 발명은 계통수의 전기전도도, 전유기탄소(Total Organic Carbon, TOC) 및 음이온교환수지 기능기의 농도 측정을 병행함으로써, 탈이온수의 이상 요인을 빠르고 정확하게 파악하고자 한다.
이에, 본 발명은 전기전도도, 전유기탄소 및 음이온교환수지 기능기의 농도 측정을 특징으로 하는 음이온교환수지의 성능평가 방법 및 음이온교환수지의 온라인 성능평가 장치와 이를 이용한 계통수의 관리방법을 제공하고자 한다.
상기 음이온교환수지의 성능평가 방법은 음이온교환수지의 기능기의 농도와 탈이온수의 전기전도도, 전유기탄소(Total Organic Carbon, TOC)의 병행 측정을 특징으로 하며, 병행 측정된 전기전도도, 전유기탄소 및 아민화합물의 양이온 농도를 바탕으로 음이온교환수지의 성능을 분류한 지표설정 단계를 포함한다.
본 발명에 따른 음이온교환수지의 성능평가 방법은 목적에 따라, 일상적으로는 이온교환수지탑의 출구수를 분석대상으로 하지만, 이온교환수지탑의 입구수와 출구수에 대해 각각 측정할 수도 있으며, 이온교환수지탑의 출구수의 전기전도도 값이 상승세일 경우에만 실시할 수도 있다. 또한, 전기전도도의 상승이 있을 경우에는 전기전도도와 더불어 전유기탄소 (Total Organic Carbon, TOC) 및 음이온교환수지 기능기의 농도 측정을 병행할 수 있다.
상기 음이온교환수지 기능기는 아민화합물일 수 있다. 아민화합물은 1급 아민, 2급 아민, 3급 아민, 4급 암모늄 및 이들의 OH- 이온 또는 Cl- 이온이 결합된 형태의 것으로서, 수용액에서는 양이온의 형태일 수 있다. 음이온 교환수지의 기능기로 가장 많이 사용되는 아민화합물은 3급 아민이며, 상기 3급 아민에는 트리메틸아민(Trimethylamine), 트리에틸아민(Triethylamine) 등이 있다.
상기 탈이온수는 화력 발전소 또는 원자력 발전소의 설비에 있어서 이온교환수지탑을 통해 정수된 탈이온수일 수 있다. 이에 제한되지 않으나, 상기 이온교환수지탑은 강염기성 이온교환수지와 강산성 이온교환수지의 혼상 형태로 조합된 혼합이온교환 장치일 수 있다.
상기 음이온교환수지 기능기의 농도 측정방법은 이온 크로마토그래피를 통한 아민화합물의 분리 단계를 포함한다.
상기 아민화합물은 수용액에서 양이온의 형태로 존재할 수 있다.
상기 이온 크로마토그래피는 컬럼 내에서 고정상과 이동상, 분석 물질간의 이온 친화도 차이에 따라 이온의 이동속도에 차이가 생기게 되어 분리가 일어나는 원리를 이용한 것으로서, 이온성 물질을 원래의 상태로 분리가 가능하며 선택성을 조절할 수 있는 장점이 있어, 이온성 물질 분리 방법으로 현재 가장 많이 사용된다. 상기 고정상과 이동상은 이온 크로마토그래피에서 통상적으로 사용되는 양이온 분석에 적합한 고정상과 이동상일 수 있다. 예를 들어, 고정상의 기능기가 카르복실레이트(carboxylate)일 수 있으며, 이동상으로는 메탄설포닉에시드 (methansulfonic acid)일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 또한, 상기 이온 크로마토그래피로부터 분리된 아민화합물의 이온 검출을 위해 분광광도계(VIS-UV 등), 전기화학검출기, 전기전도도 검출기를 사용할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 바람직하게는 일반적으로 발전소에서 계통수의 이온성 물질에 대한 농도 변화의 측정에 사용하고 있는 전기전도도 검출기를 사용할 수 있다.
상기 지표는 전기전도도, 전유기탄소 및 용출된 음이온교환수지의 기능기의 농도를 바탕으로 음이온교환수지의 성능을 분류한 것으로서, 음이온교환 수지의 사용한계를 예측하기 위한 것이다. 세부항목으로 크게 안전구간 및 위험구간으로 나눌 수 있으며, 상기 안전구간은 안전모드 및 음이온교환수지의 교체 준비모드로 나누며, 상기 위험구간은 음이온교환수지의 교체 준비모드, 교체모드, 긴급모드로 나뉜다. 상기 지표는 음이온 교환수지의 오염 정도를 판단하는 기준으로서 음이온 교환수지의 교환 스케줄의 책정에 이용할 수 있다. 단, 수처리 관리에 따른 세부항목은 특별히 제한되지 않고, 필요에 의해 추가, 삭제할 수 있으며, 어느 정도 오염된 시점에서 음이온교환수지를 교환할지는 요구되는 탈이온수의 수질에 따라 변화하므로, 개별 구체적으로 판단하여야 한다.
본 발명의 또 다른 구체 예로서, 상기 음이온교환수지의 온라인 성능평가 장치는 전기전도도, 전유기탄소 및 아민화합물의 양이온 농도를 측정할 수 있는 측정부(4~8); 측정부의 구동을 제어할 수 있는 제어부(9); 및 상기 측정부와 제어부의 정보를 제공받아 표시하는 표시부(10)를 포함한다.
이하, 도 3은 음이온교환수지의 온라인 성능평가 장치를 모식화한 도면이다.
상기 측정부는 전기전도도 센서(2a, 2b), 전유기탄소 측정기(11) 및 아민화합물의 양이온 농도를 측정할 수 있는 장치(측정부 내로 탈이온수의 주입을 위한 유량 조절밸브(3a, 3b); 탈이온수의 전처리를 위한 필터(4); 탈이온수의 주입 및 이동상(6)의 주입조절을 위한 펌프(5); 양이온 분석용 이온교환수지가 충진된 분리관(7); 및 이온 분석에 적합한 검출기(8))를 포함할 수 있다.
상기 전기전도도 센서(2a, 2b) 및 전유기탄소(Total Organic Carbon, TOC) 측정기(11)는 이에 제한되지 않으나, 발전소에서 통상적으로 사용하거나, 시판되는 별도의 장치일 수 있다. 다만, 상기 전기전도도 센서 및 전유기탄소 측정기는 본 발명의 음이온교환수지 온라인 성능평가 장치의 제어부를 통해, 구동이 제어될 수 있다. 상기 구동의 제어에 관해서는 하기의 제어부에 자세히 설명된다.
상기 아민화합물의 양이온 농도를 측정할 수 있는 장치는 측정부 내로 탈이온수의 주입을 위한 유량 조절밸브(3a, 3b); 탈이온수의 전처리를 위한 필터(4); 탈이온수의 주입 및 이동상(6)의 주입조절을 위한 펌프(5); 양이온 분석용 이온교환수지가 충진된 분리관(7); 및 이온 분석에 적합한 검출기(8))를 포함하며, 하기에 각 부분별로 설명하고자 한다.
상기 유량 조절밸브(3a, 3b)는 T자 모형일 수 있다. 이는 이온교환수지탑에만 탈이온수가 흐를 수 있도록 하거나, 이온교환수지탑과 음이온교환수지의 온라인 성능평가 장치에 동시에 탈이온수가 흐를 수 있도록 하기 위한 것으로서, 이에 제한되지 않는다.
상기 탈이온수의 전처리를 위한 필터(4)는 HPLC(high performance liquid chromatography)를 이용한 분석에 적합하지 않은 물질을 걸러내기 위한 것으로서, 통상의 필터를 사용할 수 있다. 바람직하게는 양이온분석용 컬럼에 적합한 필터를 사용할 수 있으며, 보다 바람직하게는 나일론 필터를 사용할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
상기 펌프(5)는 필터를 통과한 탈이온수의 분리관으로의 주입 및 이온 크로마토그래피에 사용되는 이동상(6)의 주입을 위한 것으로서, 통상의 펌프를 사용할 수 있다.
상기 분리관(7)은 양이온 분석에 적합한 통상의 이온교환컬럼을 사용할 수 있다. 바람직하게는 이온교환수지탑에서 이용하고 있는 것과 동일한 이온교환수지가 충전된 것이 좋으나, 이에 제한되지 않는다.
상기 검출기는 통상의 검출기를 사용할 수 있다. 바람직하게는 이온 분석에 적합한 검출기를 사용할 수 있으며, 보다 바람직하게는 전기전도도 검출기일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
상기 제어부는 측정부의 구동을 제어하는 기능; 및 측정부에서 산출된 전기전도도와 전유기탄소 및 아민화합물의 양이온 농도의 측정값을 본 발명에 따른 지표와 대응시켜 음이온교환수지의 성능을 표시부로 전송하는 기능을 갖는 것을 특징으로 한다.
보다 구체적으로, 본 발명에 따른 음이온교환수지의 온라인 성능평가 장치는 하기와 같이 이루어진다.
본 발명에 따른 음이온교환수지의 온라인 성능평가 장치는 필요에 따라, 일상적으로는 이온교환수지탑의 출구수를 분석대상으로 하지만, 이온교환수지탑의 입구수와 출구수에 대해 각각 측정할 수도 있으며, 이온교환수지탑의 출구수의 전기전도도 값이 상승세일 경우에만 실시할 수도 있다. 또한 전기전도도 값의 상승이 있을 경우에는 전기전도도와 더불어 전유기탄소 (Total Organic Carbon, TOC) 및 음이온교환수지 기능기의 농도 측정을 병행할 수 있다.
상기 전기전도도는 발전소 내에서 통상적으로 사용되는 전기전도도 센서를 통해 측정되거나, 별도의 시판되는 전기전도도 센서로 측정할 수 있으며, 측정된 전기전도도는 발명의 제어부로 전송될 수 있다. 또한 본 발명의 음이온교환수지의 온라인 성능평가 장치의 제어부에 의해서 가동이 제어될 수도 있다.
상기 전유기탄소(Total Organic Carbon, TOC)는 시판되는 전유기탄소(Total Organic Carbon, TOC) 측정기(11)를 통해 별도로 측정할 수 있으며, 측정된 전유기탄소는 발명의 제어부로 전송될 수 있다. 또한, 본 발명의 음이온교환수지의 온라인 성능평가 장치의 제어부에 의해 전유기탄소 측정기의 가동이 제어될 수도 있다.
상기 아민화합물의 양이온 농도는 유량 조절밸브를 통해 유입된 입구수/출구수는 필터(4)를 통해 1차로 불순물을 제거한 후, 일정량만 이온교환수지탑의 음이온교환수지와 동일한 이온교환수지가 충진된 이온 크로마토그래피 컬럼인 분리관(7)에 주입된다. 필터(4)를 통과한 계통수의 분리관(7)으로 주입 및 이동상(6)의 분리관(7)으로 주입은 펌프(5)를 통해 이루어진다. 분리관(7)을 통해 분리된 물질은 검출기(8)에 의해 검출된다.
또한 상기 제어부(9)는 상기에 따라 측정된 이온교환수지탑의 입구수/출구수의 전기전도도, 전유기탄소(Total Organic Carbon, TOC) 및 아민화합물의 양이온 농도를 내장된 지표에 대응시킨 후, 그 결과를 표시부에 전송할 수 있다.
상기 표시부는 제어부에서 전송한 음이온교환수지의 성능을 표시하는 것을 특징으로 하며, 실시간으로 음이온교환수지의 성능을 확인할 수 있다.
본 발명의 또 다른 구체예로서, 본 발명은 또한 상기 음이온교환수지의 성능평가 방법과 온라인 성능평가 장치를 이용한 계통수 관리 방법에 관한 것이다.
상기 계통수는 화력 발전소, 원자력 발전소 및 수력 발전소, 뿐만 아니라 폐수처리장치 및 하수처리장치와 같이 이온교환수지탑이 장착된 탈염장치에 의해 관리되는 모든 물을 의미할 수 있다. 바람직하게는, 화력발전소나 PWR형 원자력 발전소의 복수 탈염장치에 의해 관리되는 탈이온수를 의미하나, 이에 제한되지 않는다.
상기 계통수 관리방법은 용출된 음이온교환수지의 기능기의 농도를 측정함으로써, 음이온교환수지의 노후화 정도를 직접적으로 평가할 수 있으며, 음이온교환수지 기능기의 농도 측정과 전기전도도 및 전유기탄소(Total Organic Carbon, TOC) 측정을 병행함으로써, 전기전도도만을 이용하여 계통수를 관리하는 것과 비교하여, 전기전도도 상승 요인을 빠르고 정확하게 파악할 수 있고, 음이온교환수지의 온라인 성능평가 장치를 통해 실시간으로 음이온교환수지의 성능을 모니터링 함으로써, 사용 가능한 범위 내에서 최대한 음이온교환수지를 사용할 수 있어, 수지교환 주기의 연장이나 운전에 필요한 비용 저감을 가늠할 수 있다. 따라서 보다 안정적인 계통수 관리를 도모할 수 있다.
본 발명은 용출된 음이온교환수지의 기능기의 농도를 측정함으로써, 음이온교환수지의 노후화 정도를 직접적으로 평가할 수 있으며, 음이온교환수지 기능기의 농도 측정과 전기전도도 및 전유기탄소(Total Organic Carbon, TOC) 측정을 병행함으로써, 전기전도도만을 이용하여 계통수를 관리하는 것과 비교하여, 전기전도도 상승 요인을 빠르고 정확하게 파악할 수 있고, 음이온교환수지의 온라인 성능평가 장치를 통해 실시간으로 음이온교환수지의 성능을 모니터링 함으로써, 사용 가능한 범위 내에서 최대한 음이온교환수지를 사용할 수 있어, 수지교환 주기의 연장이나 운전에 필요한 비용 저감을 가늠할 수 있다. 따라서, 보다 안정적인 계통수 관리를 도모할 수 있다.
도 1은 탈이온수 중 트리메틸아민(Trimethylamine)의 이온크로마토그램을 나타낸 도면이다.
도 2는 트리메틸아민(Trimethylamine) 표준용액을 이용하여 작성된 검정곡선이다.
도 3은 음이온교환수지의 온라인 성능평가 장치를 모식화한 도면이다.
도 2는 트리메틸아민(Trimethylamine) 표준용액을 이용하여 작성된 검정곡선이다.
도 3은 음이온교환수지의 온라인 성능평가 장치를 모식화한 도면이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
[실시예]
실험예 1: 트리메틸아민(Trimethylamine)의 분석법 확립
음이온교환수지의 기능기로 가장 많이 사용되는 3급 아민의 일종인 트리메틸아민의 분석법을 확립하였다.
별도의 유기용매를 통한 전처리 없이 나일론 필터를 사용해 단순 여과한 탈이온수를 분석대상으로 하였다. 상기 여과한 탈이온수는 이온 크로마토그래피와 전기전도도를 이용해 농도를 측정하였다. 양이온 분석용 이온교환수지가 충진된 CS 17 분리관과 메탄설포닉엑시드(methanesufonic acid, MSA)를 포함한 이동상을 사용하여, 분리하였으며, 메탄설포닉엑시드(methanesufonic acid, MSA)의 농도를 시간에 따라 변화시키는 기울기 용리법을 사용하였다. 보다 구체적인 분석조건은 하기의 표 1 및 표 2에 기재하였다. 그 결과 도 1의 트리메틸아민의 이온크로마토그램과 같이 트리메틸아민의 분리를 최적화하였다. 도 2는 본 발명의 분석법에 따라 트리메틸아민 표준용액을 사용하여 작성한 검정곡선으로서, 검출한계는 0.1 mg/kg이고, 농도 변화에 대한 검출기 신호의 상관계수(R2)가 0.9994로 상당히 우수한 농도 경향성을 보임을 알 수 있다.
Model | Dionex, ICS-3000 |
Eluent | MSA gradient (EGC) |
Column | CG17 + CS17 (4 mm) |
Suppressor | CSRS-300 (18 mA) |
Flow rate | 1.2 mL/min |
Sample loop | 500 uL |
Time(min) | MSA conc. (mM) |
0.0 | 3 |
3.5 | 3 |
12.0 | 6 |
15.0 | 6 |
20.0 | 40 |
24.0 | 40 |
실험예 2: 음이온교환수지의 성능평가 지표 설정
원자력발전소의 고정자 탈이온수 수질관리는 1차적으로 이온농도 변화로 인한 전기전도도 값에 따라 평가되며, 상기 이온 농도 변화의 주요인은 이온교환수지가 발생시킬 수 있는 전유기탄소(TOC, total orgarnic carbon)로 알려져 있다. 하기 표 3은 지속적인 전기전도도 상승으로 인해 문제가 되고 있는 원자력발전소의 고정자 탈이온수 전기전도도와 TOC의 상관관계로서, 결국 원자력발전소 고정자 탈이온수의 전기전도도 증가는 TOC 농도 증가와 연관된다는 것을 확인하였다.
전기전도도(uS) | TOC(ug/kg) |
0.07 | 259 |
0.12 | 420 |
0.177 | 550 |
0.202 | 657 |
본 발명에서는 음이온교환수지의 기능기인 트리메틸아민의 정량값과 탈이온수의 전기전도도, TOC의 상관관계를 바탕으로 음이온교환수지의 성능평가 지표를 설정하고자 한다.
상기 지표 설정에 이용된 전기전도도 및 TOC값은 실제 원자력 발전소에서 온라인 시스템으로 측정된 것이며, 트리메틸아민의 정량값은 오프라인으로 본원발명의 분석법에 따라 측정된 것이다.
전기전도도(uS) | 지표 | TOC(㎍/㎏) | 트리메틸아민농도(mg/㎏) | |
0 | 안전구간 |
안전 모드 |
- | - |
0.07 | 259 | 0.32 | ||
0.1 | 350 | 0.44 | ||
0.15 | 교체준비 모드 |
490 | 0.64 | |
0.2 | 위험구간 | 교체모드 | 640 | 0.84 |
0.3 | 긴급모드 | 927 | 1.24 |
일반적으로, 순수한 물의 전기전도도는 0.07 uS 이며, 안전한 탈이온수의 전기전도도는 0.1 uS 이내이다. 이에 따라, 상기 표 4는 트리메틸아민의 농도에 따른 음이온교환수지의 성능을 분류해보았다. 트리메틸아민의 농도가 0 mg/kg 이상 0.5 mg/kg 미만일 때는 안전모드, 0.6 mg/kg 이상 0.8 mg/kg 미만일 때는 음이온교환수지의 교체준비모드, 0.8 mg/kg 이상 1.0 mg/kg 미만일 때는 음이온교환수지의 교체모드, 1.0 mg/kg 이상 2.0 mg/kg 미만 일 때는 긴급모드, 2.0 mg/kg 이상일 때는 발전소를 멈춤모드로 설정하였다
실험예 3: 실제 원자력발전기의 탈이온수의 비교
본 발명에 따른 분석법 및 지표에 따라, 현재 안정적으로 운전되는 정상 원자력발전소의 탈이온수와, 증류수를 기준으로 지속적인 전기전도도 상승으로 문제시 되는 비정상 원자력발전소의 탈이온수를 표 5에 비교하였다.
전기전도도 (Чs) |
TOC (㎍/㎏) |
트리메틸아민농도 (mg/㎏) |
지표 | |
증류수 | 0.07 | 260 | 0.32 | 안전모드 |
탈이온수 1 (정상) |
0.07 | 260 | 0.32 | 안전모드 |
탈이온수 2 (비정상) |
0.177 | 550 | 0.72 | 교체준비모드 |
Claims (8)
- 이온교환수지탑에 의해 정수되는 탈이온수에 대한 전기전도도, 전유기탄소(Total Organic Carbon, TOC) 및 3급 아민화합물의 양이온 농도를 측정하는 단계를 포함하는 음이온교환수지의 성능평가 방법.
- 제1항에 있어서,
상기 3급 아민화합물의 양이온 농도를 측정하는 단계는 탈이온수로부터 이온 크로마토그래피를 통한 아민화합물을 분리하는 단계를 포함하는 음이온교환수지의 성능평가 방법.
- 제1항에 있어서,
전기전도도, 전유기탄소(Total Organic Carbon, TOC) 및 아민화합물의 양이온 농도값을 근거로 음이온 교환수지의 성능을 평가하는 지표를 설정하는 단계를 추가로 포함하는 음이온교환수지의 성능평가 방법.
- 제3항에 있어서,
상기 지표는 안전모드, 음이온교환수지 교체 준비모드, 음이온교환수지 교체모드 및 긴급모드를 포함하고, 상기 안전모드는 아민화합물의 양이온 농도가 0 mg/kg 이상 0.5 mg/kg 미만, 음이온교환수지 교체준비모드는 0.6 mg/kg 이상 0.8 mg/kg 미만, 음이온교환수지의 교체모드는 0.8 mg/kg 이상 1.0 mg/kg 미만, 음이온교환수지의 긴급모드는 1.0 mg/kg 이상 2.0 mg/kg 미만인 음이온교환수지의 성능평가 방법.
- 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 따른 음이온교환수지의 성능평가 방법을 이용하여 음이온교환수지를 교체하는 것을 포함하는 계통수의 관리방법.
- 이온교환수지탑에 의해 정수되는 탈이온수의 전기전도도, 전유기탄소 및 3급 아민화합물의 양이온 농도를 측정하는 측정부;
상기 측정부의 구동을 제어하는 제어부; 및
상기 측정부와 상기 제어부의 정보를 제공받아 표시하는 표시부를 포함하는 음이온교환수지의 온라인 성능평가 장치.
- 제6항에 따른 음이온교환수지의 온라인 성능평가 장치를 이용하는 것을 특징으로 하는 계통수의 관리방법.
- 삭제
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