KR101792959B1 - Adsorbent apparatus comprising ion exchange bed for high rate of adsorption - Google Patents
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Abstract
본 발명은 고속 이온교환층을 포함하는 흡착장치에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 이온교환 공정에 빠른 흡착속도를 갖는 흡착제를 적용하여 흡착효율을 증가시킨 고속 흡착 필터를 포함하는 흡착장치에 관한 것이다.
본 발명의 고속흡착제를 종래 이온교환 수지 흡착탑 유출부에 부착하면 이온교환수지의 파과범위를 증가시켜 흡착 효율을 증가시킨다. 또한 상대적으로 낮은 용량, 높은 단가를 갖는 고속흡착제의 소량 사용으로 흡착공정의 효율을 극대화 할 수 있다. 또한, 본 발명의 장치는 체류시간 10분 이하의 강한 조건에서도 이온교환수지 등 저속 흡착제가 높은 파과범위를 가진다. 따라서, 본 발명의 고속 흡착제를 저속 흡착제에 부가하여 사용하는 경우, 공정의 효율증가로 인해 흡착공정의 부피 감소, 시간당 처리량의 증가, 에너지 효율 증가를 기대할 수 있다.The present invention relates to an adsorption device comprising a fast ion exchange layer. More particularly, the present invention relates to an adsorption apparatus comprising a fast adsorption filter having an adsorption efficiency increased by applying an adsorbent having a fast adsorption rate to an ion exchange process.
Adhesion of the high-speed adsorbent of the present invention to the outlet of the conventional ion exchange resin adsorption column increases the breakage range of the ion exchange resin to increase the adsorption efficiency. In addition, the use of a small amount of a high-speed adsorbent having a relatively low capacity and a high unit price can maximize the efficiency of the adsorption process. In addition, the apparatus of the present invention has a high breakage range of a low-speed adsorbent such as an ion exchange resin even under a strong condition of a residence time of 10 minutes or less. Therefore, when the high-speed adsorbent of the present invention is used in addition to the low-speed adsorbent, the volume of the adsorption process, the throughput per hour, and the energy efficiency can be expected to increase due to the increase of the efficiency of the process.
Description
본 발명은 고속 이온교환층을 포함하는 흡착장치에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 이온교환 공정에 빠른 흡착속도를 갖는 흡착제를 적용하여 흡착효율을 증가시킨 고속 이온교환층을 포함하는 흡착장치에 관한 것이다.The present invention relates to an adsorption device comprising a fast ion exchange layer. More particularly, the present invention relates to an adsorption apparatus comprising a fast ion exchange layer with an increased adsorption efficiency by applying an adsorbent having a fast adsorption rate to an ion exchange process.
용액 내 금속 이온을 제거 또는 회수하기 위해서는 침전, 흡착(이온교환 포함), 여과, 액-액 추출 방법이 사용된다. 그 중 이온교환법은 단순한 공정, 큰 에너지 효율의 장점을 가져 주로 낮은 농도의 이온조건에서 많이 사용된다. 이온교환법에 주로 사용되는 이온교환수지는 1930년대부터 연구 개발되어 용도에 따른 다양한 종류, 높은 흡착량을 가진다. 그러나 저가의 이온교환수지는 큰 직경으로 느린 흡착속도를 가져 연속공정의 부피 증가 또는 처리 속도 감소가 발생한다. 반면 작은 직경의 이온교환수지 또는 이온교환섬유는 높은 흡착속도를 가지나 높은 가격으로 흡착공정의 비용을 증가시킨다. 특히 이온교환섬유는 이온교환수지보다 빠른 흡착속도를 보이나 낮은 흡착량으로 인하여 단위부피당 처리가능 총액의 부피가 낮다. In order to remove or recover the metal ions in the solution, precipitation, adsorption (including ion exchange), filtration and liquid-liquid extraction are used. Among them, the ion exchange method has advantages of a simple process and a great energy efficiency, and is mainly used in a low concentration ion condition. Ion exchange resin, which is mainly used in ion exchange, has been researched and developed since the 1930s, and has various kinds and high adsorption amounts depending on the application. However, low-priced ion exchange resins have a large diameter and a slow adsorption rate, resulting in a volume increase or a reduction in the processing speed of the continuous process. Small diameter ion exchange resin or ion exchange fiber, on the other hand, has a high adsorption rate but increases the cost of the adsorption process at high cost. Particularly, ion exchange fiber has a faster adsorption rate than ion exchange resin, but the volume of the total treatable amount per unit volume is low due to low adsorption amount.
[특허문헌][Patent Literature]
한국공개특허 10-2014-0019379호Korean Patent Publication No. 10-2014-0019379
본 발명은 종래 이온교환 수지의 낮은 흡착 효율을 개선할 수 있는 장치 및 방법을 제공하는 것이다.The present invention provides an apparatus and a method capable of improving the low adsorption efficiency of conventional ion exchange resins.
본 발명은 낮은 체류 시간을 가지는 이온교환 수지 흡착 공정에 부착되어 이온교환 수지의 흡착능력을 최대한 사용할 수 있는 장치를 제공하는 것이다.Disclosure of Invention Technical Problem [8] The present invention provides an apparatus capable of adhering to an ion exchange resin adsorption process having a low residence time to maximize the adsorption capacity of an ion exchange resin.
본 발명은 흡착제의 처리 속도 및 효율을 높일 수 있는 장치를 제공하는 것이다.An object of the present invention is to provide an apparatus capable of increasing the processing speed and efficiency of the adsorbent.
본 발명의 하나의 양상은 One aspect of the present invention is
저속 흡착제층 및 상기 저속 흡착제층 유출부에 형성된 고속 흡착제층을 포함하는 흡착장치에 관계한다. A low velocity adsorbent layer and a fast adsorbent layer formed in the outflow portion of the low velocity adsorbent layer.
상기 고속 흡착제층은 상기 저속 흡착제층 보다 흡착속도가 2배 이상 빠른 흡착제층이다.The high-speed adsorbent layer is an adsorbent layer having an adsorption rate two times faster than the low-speed adsorbent layer.
상기 저속 흡착제층은 고속 흡착제층 보다 흡착량이 1.3배 이상 많은 흡착제층이다.The low-speed adsorbent layer is an adsorbent layer having an adsorption amount 1.3 times or more higher than that of the high-speed adsorbent layer.
다른 양상에 본 발명은 In another aspect,
이온교환 수지 흡착탑의 유출부 후단에 부착되고, 상기 이온교환 수지 흡착탑보다 흡착속도가 2배 이상 빠른 고속 흡착제 필터에 관계한다.The present invention relates to a high-speed adsorbent filter attached to a downstream end of an outlet portion of an ion exchange resin adsorption tower and having an adsorption rate two times faster than that of the ion exchange resin adsorption tower.
상기 고속 흡착제 필터는 상기 이온교환 수지에 비해 흡착량이 0.8배 이하이다.The adsorption amount of the high-speed adsorbent filter is 0.8 times or less as compared with the ion exchange resin.
본 발명의 고속흡착제를 종래 이온교환 수지 흡착탑 유출부에 부착하면 이온교환수지의 파과범위를 증가시켜 흡착 효율을 증가시킨다. 또한 상대적으로 낮은 용량, 높은 단가를 갖는 고속흡착제의 소량 사용으로 흡착공정의 효율을 극대화 할 수 있다. 또한, 본 발명의 장치는 체류시간 10분 이하의 강한 조건에서도 이온교환수지 등 저속 흡착제가 높은 파과범위를 가진다. 따라서, 본 발명의 고속 흡착제를 저속 흡착제에 부가하여 사용하는 경우, 공정의 효율증가로 인해 흡착공정의 부피 감소, 시간당 처리량의 증가, 에너지 효율증가를 기대할 수 있다.Adhesion of the high-speed adsorbent of the present invention to the outlet of the conventional ion exchange resin adsorption column increases the breakage range of the ion exchange resin and increases the adsorption efficiency. In addition, the use of a small amount of a high-speed adsorbent having a relatively low capacity and a high unit price can maximize the efficiency of the adsorption process. In addition, the apparatus of the present invention has a high breakage range of a low-speed adsorbent such as an ion exchange resin even under a strong condition of a residence time of 10 minutes or less. Therefore, when the high-speed adsorbent of the present invention is used in addition to the low-speed adsorbent, the volume of the adsorption process, the throughput per hour, and the energy efficiency can be expected to increase due to the increase of the efficiency of the process.
도 1은 본 발명의 흡착장치를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 흡착장치의 다른 구현예이다.
도 3은 실험 1에서의 Cd 흡착량을 나타낸 것이다.
도 4는 이온교환수지의 직경에 따른 흡착속도를 나타낸 것이다.
도 5는 실험 2의 유출 농도를 표시하였다.
도 6에 실험 3의 유출 농도를 표시하였다. Fig. 1 shows an adsorption apparatus of the present invention.
2 is another embodiment of the adsorption apparatus of the present invention.
3 shows the adsorption amount of Cd in
Fig. 4 shows the adsorption rate depending on the diameter of the ion exchange resin.
Figure 5 shows the runoff concentration of Run 2.
The effluent concentration of Experiment 3 is shown in Fig.
본 발명은 하기의 설명에 의하여 모두 달성될 수 있다. 하기의 설명은 본 발명의 바람직한 구체예를 기술하는 것으로 이해되어야 하며, 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. The present invention can be all accomplished by the following description. The following description should be understood to describe preferred embodiments of the present invention, but the present invention is not necessarily limited thereto.
도 1 및 도 2는 본 발명의 흡착장치를 나타낸다. 도 1 및 도 2를 참고하면, 본 발명의 흡착장치는 저속 흡착제층(10) 및 고속 흡착제층(20)을 포함한다. 1 and 2 show an adsorption apparatus of the present invention. 1 and 2, the adsorption apparatus of the present invention comprises a low-velocity
도 1과 같이, 본 발명의 흡착장치는 하나의 흡착탑에 저속 흡착제층(10)과 고속 흡착제층(20)이 연속으로 형성된 2단 구조일 수 있다. 또한, 도 2와 같이, 본 발명의 흡착장치는 저속 흡착제층으로 이루어진 흡착장치 후단에 별도로 고속의 흡착제 장치를 부착하거나 연결하는 구조일 수 있다.1, the adsorption apparatus of the present invention may have a two-stage structure in which a low-speed
예를 들면, 상기 저속 흡착제층은 이온교환수지가 충진된 흡착탑이고, 고속 흡착제층은 상기 흡착탑 유출부에 장착된 고속의 흡착능을 가진 이온교환섬유 흡착층일 수 있다.For example, the low-speed adsorbent layer may be an adsorption tower filled with an ion-exchange resin, and the high-speed adsorbent layer may be an ion-exchange fiber adsorption layer having high-speed adsorption capability mounted on the adsorption tower outlet portion.
상기 흡착제층은 흡착제가 흡착탑에 충진되어 층을 형성하는 것을 나타내며, 또한, 필터 카트리지 형태로 흡착탑에 사용되는 것도 포함한다. The adsorbent layer indicates that the adsorbent is filled in the adsorption tower to form a layer, and also includes those used in the adsorption tower in the form of a filter cartridge.
상기 흡착제 필터는 필터링 능력이 있는 섬유, 비드, 이온교환 수지를 나타낼 수 있으며, 또한, 이들이 카트리지 내에 패킹되어 있는 것을 나타낼 수 있다. The adsorbent filter may exhibit a filterable fiber, bead, ion exchange resin, and may also indicate that they are packed in the cartridge.
상기 고속 흡착제층은 상기 저속 흡착제층 보다 흡착속도가 2 배 이상, 바람직하게는 5배 이상 빠른 흡착제층이다. 상기 고속 흡착제층이 저속 흡착제층보다 흡착속도가 2배 이상 빠르면, 저속 흡착제층만으로는 사용효율이 낮은 조건에서 사용효율을 증가시킬 수 있다.The high-speed adsorbent layer is an adsorbent layer whose adsorption rate is two times or more, preferably five times or more faster than the low-speed adsorbent layer. If the adsorbing speed of the high-speed adsorbent layer is higher than that of the low-speed adsorbent layer by two times or more, the low-speed adsorbent layer alone can increase the use efficiency under low use efficiency conditions.
상기 고속 흡착제층의 부피는 전체 흡착제층 부피의 50% 이하인 것을 사용할 수 있다.The volume of the high-speed adsorbent layer may be 50% or less of the volume of the entire adsorbent layer.
상기 흡착제의 흡착속도는 회분식평가에서 pseudo-first-order 모델과 pseudo-second-order 모델의 속도상수 k1 또는 k2로 평가할 수 있으며, 흡착제 층의 흡착속도는 연속식 평가에서 Thomas 모델의 속도상수 kTH로 평가 할 수 있다.The adsorption rate of the adsorbent can be evaluated by the pseudo-first-order model and the pseudo-second-order model rate constants k 1 or k 2 in the batch evaluation, and the adsorption rate of the adsorbent layer is determined by the rate constant of the Thomas model k TH .
본 발명에서는 저속 흡착제층 후단 유출부에 상기 고속 흡착제층을 형성하거나 부착한다. In the present invention, the high-speed adsorbent layer is formed or adhered to the downstream outlet of the low-speed adsorbent layer.
저속 흡착제층 단독으로 사용하는 경우(체류시간이 낮은 경우), 흡착공정에서, 유체 내의 회수 대상 금속이 흡착제에 의하여 흡착되기 전에 유체가 저속 흡착제층을 빠르게 통과한다. 때문에 짧은 장치 가동시간에서부터 낮은 농도이지만 파과농도 이상의 회수 대상 금속이 유출된다. 이때 저속 흡착층의 흡착용량은 남아 있으나 공정의 파과기준에 도달하게 된다. 따라서 파과범위까지 사용되는 흡착제는 전체 흡착제의 일부분(50% 이하)이다. In the case of using the low-speed adsorbent layer alone (when the retention time is low), in the adsorption step, the fluid quickly passes through the low-speed adsorbent layer before the metal to be recovered in the fluid is adsorbed by the adsorbent. Therefore, the metal to be recovered is leaked from the short operation time of the apparatus at a low concentration but above the breakthrough level. At this time, although the adsorption capacity of the low-speed adsorption layer remains, it reaches the breaking criteria of the process. Thus, the adsorbent used up to the breakthrough is a fraction (less than 50%) of the total adsorbent.
이에 반해, 본원발명과 같이, 저속 흡착제층 유출부 후단에 고속 흡착제층을 부착하면 저속 흡착제층에서 유출되는 파과농도 이상이지만 초기 용액농도 보다 낮은 회수 대상 금속을 고속 흡착제층으로 흡착할 수 있다. 결과적으로 높은 흡착용량을 보이며 저속인 흡착제의 흡착용량 대부분이 파과범위까지 사용 가능하다.On the other hand, when the high-speed adsorbent layer is attached to the downstream end of the low-speed adsorbent layer outlet as in the present invention, the metal to be recovered having a breakthrough concentration higher than that of the low-speed adsorbent layer but lower than the initial solution concentration can be adsorbed to the high-speed adsorbent layer. As a result, it shows high adsorption capacity and most of the adsorption capacity of low-speed adsorbent can be used up to the breakthrough range.
상기 저속 흡착제층은 고속 흡착제층 보다 흡착량이 1.3배 이상, 바람직하게는 1.4배 이상인 흡착제층이다. 1.3 배 이상인 경우 보다 높은 파과범위를 가질 수 있기 때문이다.The low-speed adsorbent layer is an adsorbent layer having an adsorption amount 1.3 times or more, preferably 1.4 times or more than that of the high-speed adsorbent layer. 1.3 times or more, it can have a higher breaking range.
상기 저속 흡착제층의 체류 시간이 20분 이하, 바람직하게는 10분 이하일 수 있다. The residence time of the low-speed adsorbent layer may be 20 minutes or less, preferably 10 minutes or less.
상기 고속 흡착제는 직경이 400㎛ 이하, 바람직하게는 250㎛ 이하일 수 있다. 고속 흡착제와 저속 흡착제의 직경 차가 100~600 ㎛ 일 수 있다. 상기 고속 흡착제와 저속 흡착제의 직경 비가 1 : 2~200 범위일 수 있다.The high-speed adsorbent may have a diameter of 400 mu m or less, preferably 250 mu m or less. The difference in diameter between the high-speed adsorbent and the low-speed adsorbent may be 100 to 600 mu m. The diameter ratio of the high-speed adsorbent to the low-speed adsorbent may range from 1: 2 to 200.
상기 고속 흡착제는 앞에서 상술한 조건을 만족하는 것을 사용할 수 있다. 예를 들면, 상기 고속 흡착제는 상술한 조건을 만족하는 이온교환섬유, 직경 400㎛ 이하의 이온교환 수지, 중공섬유 등을 포함할 수 있다.As the high-speed adsorbent, those satisfying the above-mentioned conditions can be used. For example, the high-speed adsorbent may include ion exchange fibers satisfying the above-mentioned conditions, ion exchange resins having a diameter of 400 m or less, hollow fibers, and the like.
예를 들면, 고속 흡착제용 이온교환 섬유는 표면에 카르복실기가 도입된 폴리아크릴로나이트릴 섬유 및 상기 섬유 표면에 가교되어 코팅된 아민기-함유 양이온성 폴리머층을 포함한다. For example, the ion exchange fiber for a high-speed adsorbent includes a polyacrylonitrile fiber having a carboxyl group introduced into its surface and an amine group-containing cationic polymer layer crosslinked and coated on the fiber surface.
상기 폴리아크릴로나이트릴 섬유는 상기 흡착제의 내부 지지체를 형성하고, 상기 아민기-함유 양이온성 폴리머층은 내부 지지체인 상기 섬유 표면을 코팅하여 외부층을 형성한다.The polyacrylonitrile fibers form an inner support of the adsorbent, and the amine group-containing cationic polymer layer forms an outer layer by coating the fiber surface as an inner support.
상기 코팅은 섬유 표면에 도입된 카르복실기와 상기 폴리머의 아민기 사이의 흡착 반응으로 이루어진다. 외부층을 형성하는 폴리머층은 양이온성의 관능기를 다수개 구비하므로 높은 흡착속도를 보여준다.The coating comprises an adsorption reaction between a carboxyl group introduced on the fiber surface and an amine group of the polymer. The polymer layer forming the outer layer has a high adsorption rate because it has a plurality of cationic functional groups.
다른 양상에서, 본 발명은 이온교환 수지 흡착탑의 유출부 후단에 부착되고, 상기 이온교환 수지 흡착탑보다 흡착속도가 2 배 이상 빠른 고속 흡착장치에 관계한다.In another aspect, the present invention relates to a fast adsorber attached to a downstream end of an outlet portion of an ion exchange resin adsorption tower and having an adsorption rate two times faster than the ion exchange resin adsorption tower.
상기 고속 흡착 장치는 상기 이온교환 수지에 비해 흡착량이 0.8배 이하일 수 있다.The fast adsorption device may have an adsorption amount of 0.8 times or less as compared with the ion exchange resin.
상기 이온교환 수지 흡착탑의 체류 시간이 20분 이하일 수 있다.The residence time of the ion exchange resin adsorption tower may be 20 minutes or less.
상기 이온교환 흡착탑과 상기 고속 흡착 장치의 부피비가 1 : 0.01~1 범위일 수 있다. The volume ratio of the ion exchange column to the fast adsorption device may be in the range of 1: 0.01 to 1.
상기 고속 흡착 장치는 장섬유 또는 단섬유 형태의 이온교환섬유, 직경 400㎛ 이하의 이온교환수지, 활성탄, 제올라이트, 및 생체흡착제로 구성되는 군에서 선택되는 고속 흡착제가 충진된 것으로서, 상기 고속 흡착제의 직경과 상기 이온교환 흡착탑에 충진되는 흡착제의 직경의 비가 1 : 2~200 범위일 수 있다. The fast adsorption device is packed with a fast adsorbent selected from the group consisting of ion exchange fibers in the form of long fibers or short fibers, ion exchange resins having a diameter of 400 m or less, activated carbon, zeolite, and a bioabsorbent, The ratio of the diameter to the diameter of the adsorbent to be filled in the ion exchange column may be in the range of 1: 2 to 200.
상기 고속흡착제는 앞에서 상술한 고속 흡착제를 참고할 수 있다.The above-mentioned high-speed adsorbent can be referred to the above-mentioned high-speed adsorbent.
이하에서, 실시예를 들어 본 발명에 대하여 더욱 상세하게 설명할 것이나, 이들은 단지 본 발명의 바람직한 구현예를 예시하기 위한 것으로, 실시예가 본 발명의 범위를 제한하는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the following examples, but they should be construed as merely illustrative of preferred embodiments of the present invention, and the examples do not limit the scope of the present invention.
실험 Experiment 1 ; 흡착속도One ; Adsorption rate 측정( Measure( 회분식Batch ))
흡착평가 방법: Cd(NO3)2를 증류수에 녹여 Cd 농도가 100 mg/L인 용액을 제조하였다. 이 용액 2 L에 이온교환섬유 또는 이온교환수지 0.1 g을 넣어 15시간 동안 각 시간별로 용액의 Cd 농도를 ICP-AES로 분석하였다. 분석된 용액의 Cd 농도로 아래의 물질수지식을 이용하여 흡착량을 계산하였다.Adsorption evaluation method: Cd (NO3) 2 was dissolved in distilled water to prepare a solution having a Cd concentration of 100 mg / L. The Cd concentration of the solution was analyzed by ICP-AES for 15 hours by adding ion-exchange fiber or 0.1 g of ion-exchange resin to 2 L of this solution. The amount of adsorbed Cd was calculated using the following material knowledge as the Cd concentration of the analyzed solution.
q = (Ci - Cf)×V/Mq = (Ci - Cf) x V / M
kinetic 평가는 pseudo-first-order 모델과 pseudo-second-order 모델을 사용하였으며, 결과를 도 3과 표 1에 나타내었다.The kinetic evaluation was performed using a pseudo-first-order model and a pseudo-second-order model. The results are shown in FIG. 3 and Table 1.
(L/min)k 1
(L / min)
도 3과 표 1을 참고하면, 흡착속도상수는 이온교환섬유인 Fiban K-1이 이온교환수지인 001X8 NA보다 35배 이상 높은 값을 보여 Fiban K-1이 높은 흡착속도를 가지고 있음을 확인할 수 있다. Referring to FIG. 3 and Table 1, the adsorption rate constant was found to be 35 times higher than that of the ion exchange resin, Fiban K-1, which is an ion exchange resin, 001X8 NA, indicating that Fiban K-1 has a high adsorption rate have.
이온교환수지의 직경에 따른 흡착속도의 변화는 도 4와 표 2에 나타내었다.The changes in the adsorption rate with the diameter of the ion exchange resin are shown in FIG. 4 and Table 2.
도 4와 표 2를 참고하면, 이온교환수지의 흡착속도상수는 이온교환수지의 직경이 감소함에 따라 증가하여 작은 직경의 이온교환수지일수록 빠른 흡착속도를 가지는 것을 확인 할 수 있었다. 이 후 실험에서는 느린 흡착속도를 가진 이온교환수지 001X8 NA를 저속 흡착층에 적용하여 진행하였다. Referring to FIG. 4 and Table 2, the adsorption rate constant of the ion exchange resin increased with decreasing the diameter of the ion exchange resin, and it was confirmed that the adsorption rate of the ion exchange resin with a smaller diameter was faster. In the subsequent experiments, an ion exchange resin with a slow adsorption rate of 001X8 NA was applied to the slow adsorption layer.
실시예Example 1 One
도 2의 b의 구조를 가지는 흡착탑 구조로 실험을 하였다. 저속 흡착제로는 이온교환수지인 001X8 NA(제조사: Jiangsu Suqing Water Treatment engineering Group)를 사용하였다. 그리고, 저속 흡착제 후단에 이온교환섬유인 Fiban K-1(제조사: Institute of Physical Organic Chemistry National Academy of Sciences)과 이온교환수지인 Amberlite IR-120, Dowex HCR-W2, Dowex 50WX8-100, Dowex 50WX8-400(제조사: Sigma-Aldrich)을 각각 연결하여 사용하였다. 또한 흡착공정을 통과하는 회수 용액은 100 mg Cd/L을 사용하였다. 하기 실험조건에 따라 Cd 용액의 유속과 각 충진층의 비율을 다르게 하였다. The experiment was carried out with the structure of the adsorption tower having the structure of FIG. 2 (b). As the low-speed adsorbent, 001X8 NA (manufacturer: Jiangsu Suqing Water Treatment Engineering Group), which is an ion exchange resin, was used. Dowex 50WX8-100, Dowex 50WX8-100, and Dowex 50WX8-100, which are ion exchange fibers, Fiban K-1 (manufacturer: Institute of Physical Organic Chemistry National Academy of Sciences) and ion exchange resins Amberlite IR-120, Dowex HCR- 400 (manufacturer: Sigma-Aldrich) were connected to each other. The recovered solution passing through the adsorption process was 100 mg Cd / L. The flow rate of the Cd solution and the ratio of each filling layer were made different according to the following experimental conditions.
실험 2 : 유출 농도 측정(연속식, 높은 체류 시간)Experiment 2: Measurement of effluent concentration (continuous, high residence time)
실험 1에서 느린 흡착속도를 가진 이온교환수지(001X8 NA, resin)와 빠른 흡착속도를 가진 이온교환섬유(Fiban K-1, fiber)를 선정하여 사용하였다. 다만, 본 실험에서는 수지를 단독으로 사용한 경우와 수지 후단에 섬유를 충진하여 사용한 경우(도 2의 b 흡착 구조, resin + fiber)에 대해 각각 Cd 유출 농도를 측정하였다. 도 5에 실험 2의 유출 농도를 표시하였다. In
실험조건: 수지충진 부피 1.57 ml, 섬유충진 부피 0.16 ml, 유속 3 ml/min, 체류시간 34.6 초, 수지의 충진 밀도는 0.43 g/L, 섬유의 충진 밀도는 1.14 g/L임.Experimental conditions: resin filling volume of 1.57 ml, fiber filling volume of 0.16 ml, flow rate of 3 ml / min, retention time of 34.6 seconds, packing density of resin is 0.43 g / L and packing density of fiber is 1.14 g / L.
실험의 Cd 유출 파과농도는 오염물질의 배출허용기준인 Cd 0.1 mg/L를 기준으로 분석하였다. 도 5를 참고하면, 수지 단독으로 사용한 경우에 초기 10분(9.55 bed volume)부터 1.90 mg/L의 Cd 유출 농도를 보였다. 이에 반해, 수지층 후단에 섬유층을 충진한 경우는 560분(968.8 bed volume)까지 Cd유출 농도가 0 mg/L로 매우 우수한 성능을 보여주었다.The Cd effluent concentration in the experiment was analyzed based on Cd 0.1 mg / L, the emission limit of pollutants. Referring to FIG. 5, when the resin was used alone, the Cd efflux concentration was 1.90 mg / L from the initial 10 minutes (9.55 bed volume). On the other hand, when the fiber layer was packed at the rear end of the resin layer, the Cd effluent concentration was 0 mg / L to 560 minutes (968.8 bed volume).
도 5에 의하면, 소량의 고속흡착제를 유출부에 위치하는 경우 전체흡착공정의 파과범위를 100배 이상 증가시킬 수 있음을 알 수 있다. According to FIG. 5, it can be seen that, when a small amount of high-speed adsorbent is located in the outflow portion, the breakage range of the entire adsorption process can be increased 100 times or more.
실험 3 : 유출 농도 측정(연속식, 낮은 체류 시간)Experiment 3: Measurement of effluent concentration (continuous, low residence time)
실험 1과 동일한 이온교환수지(001X8 NA, resin)을 저속 흡착층에, 이온교환섬유(Fiban K-1, fiber)와 이온교환수지(Amberlite IR-120, Dowex HCR-W2, Dowex 50WX8-100, Dowex 50WX8-400)를 각각 후단층(고속 흡착층)에 적용하여 사용하였다. 본 실험에서는 수지와 섬유를 각각 단독으로 사용한 경우와 수지 후단에 섬유를 충진하여 사용한 경우(도 2의 b 흡착 구조, resin + fiber), 섬유층 후단에 수지층을 충진하여 사용한 경우(fiber+resin), 고속 흡착층에 흡착속도가 다른 이온교환수지를 사용한 경우에 대해 각각 Cd 유출 농도를 측정하였다. 결과를 도 6과 표 3에 나타내었다.Ion exchange resin (Amberlite IR-120, Dowex HCR-W2, Dowex 50WX8-100, Fiban K-1, fiber) and ion exchange resin (001X8 NA, resin) Dowex 50WX8-400) was applied to the rear monolayer (fast adsorption layer). In this experiment, when the resin and fiber were used alone or when the fiber was packed at the rear end of the resin (b adsorption structure, resin + fiber in FIG. 2) , And the Cd effluent concentration was measured for an ion exchange resin having a different adsorption rate in the fast adsorption layer. The results are shown in FIG. 6 and Table 3.
실험조건 : 전체소재 충진 부피 4.7 ml(저속 흡착층 2.35 ml, 고속 흡착층 2.35 ml), 유속 25 ml/min, 체류시간 11.3 초, 저속 흡착층의 충진 밀도는 0.43 g/L, 고속 흡착층의 충진밀도는 Fiban K-1이 0.18 g/L, Amberlite IR-120이 0.45 g/L, Dowex HCR-W2가 0.81 g/L, Dowex 50WX8-100이 0.39 g/L, Dowex 50WX8-400이 0.38 g/L임.Experimental conditions were as follows: the total material filling volume was 4.7 ml (low velocity adsorption layer 2.35 ml, fast adsorption layer 2.35 ml), flow rate 25 ml / min, retention time 11.3 sec, packing density of low velocity adsorption layer 0.43 g / The filling density was 0.18 g / L for Fiban K-1, 0.45 g / L for Amberlite IR-120, 0.81 g / L for Dowex HCR-W2, 0.39 g / L for Dowex 50WX8-100, 0.38 g / / L.
실험기준을 파과기준 Cd 0.1 mg/L로 분석하면 다음과 같다. 도 6을 참고하면, 순수한 수지만 충진한 흡착공정은 초기 5분(26.60 bed volume)부터 1.64 mg/L의 매우 높은 Cd 유출 농도를 보였으며, 순수한 섬유만 충진한 흡착공정은 40분(212.77 bed volume)부터 0.58 mg/L의 Cd 유출 농도를 보였다. 또한, 본 발명과 반대로 고속 흡착제층인 이온교환섬유층 후단 유출부에 저속 흡착제층인 이온교환수지 충진층을 형성한 경우에 초기 20분(106.38 bed volume)부터 0.60 mg/L 의 Cd 유출 농도를 보여주고 있다. 이에 반해, 본 발명의 흡착공정(resin+fiber)은 100분(531.91 bed volume)부터 0.34 mg/L의 Cd 유출 농도를 보여 가장 우수한 흡착효율을 보여준다.The experimental criteria were as follows: Cd 0.1 mg / L. Referring to FIG. 6, the adsorption process filled with only pure resin showed a very high Cd efflux concentration of 1.64 mg / L from the initial 5 minutes (26.60 bed volume) volume) showed a Cd efflux concentration of 0.58 mg / L. In addition, when the ion exchange resin packing layer, which is a low-speed adsorbent layer, was formed in the downstream end of the ion exchange fiber layer, which is a high-speed adsorbent layer, the Cd effluent concentration was 0.60 mg / L from the initial 20 minutes (106.38 bed volume) Giving. In contrast, the adsorption process (resin + fiber) of the present invention showed a Cd efflux concentration of 0.34 mg / L from 100 minutes (531.91 bed volume), showing the best adsorption efficiency.
도 5의 실험은 체류시간이 31.4초, 도 6의 실험은 체류시간이 11.3초의 조건에서 진행된 경우로서, 이들 실험 결과를 참고하면, 본 발명의 흡착 장치나 공정은 높은 체류시간뿐만 아니라 낮은 체류시간에서도 우수한 성능을 보여준다. 5, the retention time was 31.4 seconds and the retention time was 11.3 seconds in the experiment of FIG. 6. Referring to these experimental results, the adsorption apparatus or the process of the present invention was found to have not only a high retention time but also a low retention time And also shows excellent performance.
표 3을 참고하면, 고속 흡착층에 사용되는 흡착제의 흡착속도에 따라 흡착효율이 달라진다. 가장 빠른 흡착속도를 가진 Fiban K-1이 가장 우수한 성능을 보였으며, Dowex 50WX8-400, Dowex 50WX8-100, Amberlite IR-120, Dowex HCR-W2 순으로 높은 성능을 보였다. 고속흡착제 층의 흡착속도가 증가함에 따라 우수한 흡착 성능을 보여준다.Referring to Table 3, the adsorption efficiency varies depending on the adsorption rate of the adsorbent used in the fast adsorption layer. Fiban K-1, which has the fastest adsorption rate, showed the best performances in the order of Dowex 50WX8-400, Dowex 50WX8-100, Amberlite IR-120 and Dowex HCR-W2. As the adsorption rate of the high-speed adsorbent layer increases, the adsorption performance is excellent.
또한, 표 2와 표 3을 참고하면, 저속 흡착제층으로 사용된 001X8 NA(흡착속도 상수 0.0186 (L/min))에 비해 2 배 이상의 흡착속도 상수값을 가지는 Dowex 50WX8-100, Dowex 50WX8-400, Fiban K-1(이온교환섬유)는 파과범위가 132.98, 319.15, 531.91 bed volume으로 파과범위가 5배 이상 증가하였다. 반면, 저속 흡착제층인 001X8 NA 단독으로 사용하는 경우나 저속 흡착제층에 비해 흡착속도가 2 배 이내인 Dowex HCR-W2, Amberlite IR-120를 후단에 연결하는 경우에는 파과범위가 각각 26.60 bed volume(단독 사용), 53.19 bed volume 이내로 거의 변화가 없다.Also, referring to Tables 2 and 3, Dowex 50WX8-100, Dowex 50WX8-400 (adsorption rate constant 0.0186 (L / min)), which has a adsorption rate constant value twice or more as compared with 001X8 NA , And Fiban K-1 (ion-exchange fiber) had breakthrough ranges of 132.98, 319.15, and 531.91 bed volumes, respectively. On the other hand, when Dowex HCR-W2 and Amberlite IR-120, which have a low adsorbent layer of 001X8 NA alone or adsorption rate of less than 2 times of the low-speed adsorbent layer, are connected to the downstream, the breakage range is 26.60 bed volume Alone), there is little change within 53.19 bed volumes.
표 2와 표 3을 참고하면, 고속 흡착제층으로 사용되는 이온교환수지나 섬유의 직경을 400㎛ 이하, 바람직하게는 250㎛ 이하로 사용하는 것이 파과범위를 높일 수 있음을 확인할 수 있다. Referring to Tables 2 and 3, it can be seen that the use of ion-exchange resin or fibers used as a high-speed adsorbent layer with a diameter of 400 mu m or less, preferably 250 mu m or less, can increase the breakage range.
본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 용이하게 이용될 수 있으며, 이러한 변형이나 변경은 모두 본 발명의 영역에 포함되는 것으로 볼 수 있다.It will be understood by those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims.
Claims (2)
이온교환 수지가 충진된 저속 이온교환층 ; 및
상기 저속 이온교환층 유출부에 부착되고, 상기 저속 이온교환층의 흡착속도 상수값보다 2 배 이상의 흡착속도 상수값을 가지는 고속 이온교환층을 포함하고,
상기 고속 이온교환층은 직경이 250㎛ 이하인 이온교환수지, 중공섬유, 이온교환섬유, 활성탄, 제올라이트 또는 생체흡착제가 충진되고, 상기 고속 이온교환층에 충진된 이온교환수지, 중공섬유, 이온교환섬유, 활성탄, 제올라이트 또는 생체흡착제의 직경과 상기 저속이온교환층에 충진되는 이온교환 수지의 직경 비가 1 : 2~200 범위이고,
상기 저속 이온교환층은 상기 고속 이온교환층 보다 흡착량이 1.3배 이상 많으며,
상기 고속 이온교환층은 상기 저속 이온교환층의 파과범위를 증가시켜 흡착 효율을 높이는 것을 특징으로 하는 흡착장치.
An adsorption apparatus for removing metal ions or recovering metal in a solution, the adsorption apparatus comprising:
A slow ion exchange layer filled with an ion exchange resin; And
A fast ion exchange layer attached to the outlet of the slow ion exchange layer and having an adsorption rate constant that is at least twice the adsorption rate constant of the slow ion exchange layer,
Wherein the fast ion exchange layer is made of an ion exchange resin filled with an ion exchange resin having a diameter of 250 mu m or less, a hollow fiber, an ion exchange fiber, an activated carbon, a zeolite or a biological adsorbent, , The diameter of the activated carbon, the zeolite or the bioabsorbent and the diameter ratio of the ion exchange resin filled in the slow ion exchange layer is in the range of 1: 2 to 200,
Wherein the slow ion exchange layer has an adsorption amount 1.3 times or more higher than that of the fast ion exchange layer,
Wherein the fast ion exchange layer increases the breakthrough range of the slow ion exchange layer to increase the adsorption efficiency.
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