KR102259712B1 - 전기 탈이온 장치 및 순수 제조 장치 - Google Patents

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Abstract

종래의 고성능 전기 탈이온 장치보다, 더욱 붕소 제거 성능이 개선된 전기 탈이온 장치를 제공한다. 음극 및 양극과, 그 음극과 양극 사이에 복수의 카티온 교환막과 아니온 교환막을 배열함으로써 교대로 형성된 농축실 및 탈염실을 갖고, 그 탈염실에 이온 교환 수지가 충전된 전기 탈이온 장치에 있어서, 그 이온 교환 수지가 평균 입경 100~300 ㎛ 의 이온 교환 수지인 전기 탈이온 장치. 바람직하게는 이 이온 교환 수지의 균일 계수는 1.1 이하이다.

Description

전기 탈이온 장치 및 순수 제조 장치{ELECTRODEIONIZATION DEVICE AND PURE WATER PRODUCTION DEVICE}
본 발명은 피처리수 중의 붕소를 고도로 제거할 수 있는 전기 탈이온 장치 및 순수 제조 장치와, 이 전기 탈이온 장치를 사용한 탈이온수의 제조 방법에 관한 것이다.
시수 (市水), 지하수, 공업용수 등의 원수로부터 초순수를 제조하는 초순수 제조 장치는 기본적으로, 전처리 장치, 일차 순수 제조 장치 및 이차 순수 제조 장치로 구성된다. 전처리 장치는 응집, 부상, 여과, 제탁막 장치 등으로 구성된다. 일차 순수 제조 장치는 활성탄 흡착탑, 자외선 (UV) 산화 장치, 화학적 산화 장치, 탈기 장치 등 중의 1 종 또는 2 종 이상의 장치와 탈염 장치로 구성된다. 탈염 장치는 역침투 (RO) 막 분리 장치, 전기 탈이온 장치, 이온 교환 장치 (혼상식 이온 교환 장치 내지는 이온 교환 순수 장치) 의 1 종 혹은 2 종 이상의 조합에 의해 구성된다. 이차 순수 제조 장치는 일차 순수 제조 장치와 동일한 장치 단위를 적절히 조합한 것이며, 일반적으로는 저압 UV 산화 장치, 혼상식 이온 교환 장치 및 한외 여과 (UF) 막 분리 장치로 구성된다.
이들의 각 장치 단위에 있어서, 원수의 탈염은 RO 막 분리 장치, 전기 탈이온 장치 및 혼상식 이온 교환 장치로 행해진다. 원수 중의 미립자의 제거는 RO 막 분리 장치 및 UF 막 분리 장치로 행해진다. TOC 성분의 제거는 RO 막 분리 장치, 이온 교환 순수 장치, 저압 UV 산화 장치로 행해진다.
최근, 초순수 제조에 있어서, 붕소에 대해서는 예를 들어 1 ppt 이하라는 엄격한 수질이 요구되고 있다.
RO 막 분리 장치와 전기 탈이온 장치의 조합에 있어서, 붕소 제거율이 높은 전기 탈이온 장치 (예를 들어 쿠리타 공업 (주) 제조「KCDI－UPz」등) 도 제안되어 있지만, 이와 같은 고성능의 전기 탈이온 장치이더라도 그 붕소 제거율은 99.9 % 정도이다. 이 때문에, 예를 들어, 붕소 농도 20 ppb 정도의 피처리수를 RO 막 분리 장치로 처리하여 붕소 농도 10 ppb 정도의 RO 투과수를 얻고, 이것을 붕소 제거율 99.9 % 의 전기 탈이온 장치로 처리해도, 얻어지는 처리수 (탈이온수) 의 붕소 농도는 10 ppt 밖에 되지 않아, 붕소 농도 1 ppt 이하의 처리수를 얻을 수 없다.
일반적인 전기 탈이온 장치는 음극과 양극 사이에 복수의 카티온 교환막과 아니온 교환막을 교대로 배열함으로써, 농축실과 탈염실을 교대로 형성하고, 탈염실에 이온 교환 수지를 충전하여 이루어지고, 나아가 농축실에도 이온 교환 수지가 충전된 것도 제공되고 있다.
종래의 전기 탈이온 장치에 있어서, 탈염실, 나아가서는 농축실에 충전되는 이온 교환 수지는 입경 500~600 ㎛ 정도의 것이고, 또 대부분의 경우, 입경의 균일성에 대한 고려는 이루어지지 않았다.
예를 들어, 특허문헌 1 의 실시예에서는 전기 탈이온 장치의 탈염실에 아니온 교환 수지로서 미츠비시 화학 (주) 제조「다이아이온 (등록상표) SA10A」(평균 입경 540 ㎛) 과, 카티온 교환 수지로서 미츠비시 화학 (주) 제조「다이아이온 (등록상표) SK1B」(평균 입경 620 ㎛) 을 충전하고 있다.
특허문헌 2 에는 탈염실에, 입경이 상이한 복수의 균일 입경을 갖는 이온 교환 수지 입자군의 혼합물로서, 최대의 균일 입경을 갖는 이온 교환 수지 입자군의 입경이, 최소의 균일 입경을 갖는 이온 교환 수지 입자군의 입경의 1.5 배 이상인 것이 충전된 탈이온수 제조 장치가 제안되어 있다. 특허문헌 2 에서는 최소의 균일 입경을 갖는 이온 교환 수지 입자군의 입경이 30~600 ㎛ 라고 되어 있지만, 실시예에서 구체적으로 사용한 이온 교환 수지는 평균 입경이 630 ㎛ 인 카티온 교환 수지와, 평균 입경 220 ㎛ 의 카티온 교환 수지와, 평균 입경 575 ㎛ 의 아니온 교환 수지의 25/22.5/52.5 (중량비) 의 혼합물이다.
특허문헌 3 의 실시예에서는 탈염실에 평균 입경이 600 ㎛ 인 카티온 교환 수지와 평균 입경이 550 ㎛ 인 아니온 교환 수지를 바인더로 성형한 이온 교환 성형체를 탈염실에 충전한 것이 기재되어 있다.
일본 공개특허공보 2001－113281호 일본 공개특허공보 평10－258289호 일본 공개특허공보 2002－1345호
본 발명은 종래의 고성능 전기 탈이온 장치보다, 더욱 붕소 제거 성능이 개선된 전기 탈이온 장치와, 이 전기 탈이온 장치를 사용한 탈이온수의 제조 방법 및 순수 제조 장치를 제공하는 것을 과제로 한다.
본 발명자들은 상기 과제를 해결하기 위하여 예의 검토를 거듭한 결과, 전기 탈이온 장치의 탈염실, 나아가서는 농축실에 충전하는 이온 교환 수지로서, 종래 이용되고 있는 이온 교환 수지보다 입경이 작고, 균일한 입경의 이온 교환 수지를 사용함으로써, 피처리수 중의 붕소를 고도로 제거할 수 있음을 알아냈다.
본 발명은 이와 같은 지견에 기초하여 달성된 것이며, 이하를 요지로 한다.
［1］음극 및 양극과, 그 음극과 양극 사이에 복수의 카티온 교환막과 아니온 교환막을 배열함으로써 교대로 형성된 농축실 및 탈염실을 가지고, 그 탈염실에 이온 교환 수지가 충전된 전기 탈이온 장치에 있어서, 그 이온 교환 수지가 평균 입경 100~300 ㎛ 의 이온 교환 수지인 것을 특징으로 하는 전기 탈이온 장치.
［2］［1］에 있어서, 상기 이온 교환 수지의 균일 계수가 1.1 이하인 것을 특징으로 하는 전기 탈이온 장치.
［3］［1］또는［2］에 있어서, 상기 이온 교환 수지가 아니온 교환 수지와 카티온 교환 수지의 혼합 수지인 것을 특징으로 하는 전기 탈이온 장치.
［4］［3］에 있어서, 상기 이온 교환 수지가, 상기 탈염실의 통수 방향의 입구측에 있어서, 아니온 교환 수지：카티온 교환 수지 = 60~90：40~10 (건조 중량비) 의 혼합 수지이고, 출구측에 있어서, 아니온 교환 수지：카티온 교환 수지 = 40~60：60~40 (건조 중량비) 의 혼합 수지인 것을 특징으로 하는 전기 탈이온 장치.
［5］［1］내지［4］중 어느 하나에 있어서, 상기 농축실에 평균 입경 100~300 ㎛ 의 이온 교환 수지가 충전되어 있는 것을 특징으로 하는 전기 탈이온 장치.
［6］［5］에 있어서, 상기 농축실에 충전된 이온 교환 수지의 균일 계수가 1.1 이하인 것을 특징으로 하는 전기 탈이온 장치.
［7］［5］또는［6］에 있어서, 상기 농축실에 충전된 이온 교환 수지가 아니온 교환 수지와 카티온 교환 수지의 혼합 수지인 것을 특징으로 하는 전기 탈이온 장치.
［8］［7］에 있어서, 상기 농축실에 충전된 이온 교환 수지가, 아니온 교환 수지：카티온 교환 수지 = 40~70：60~30 (건조 중량비) 의 혼합 수지인 것을 특징으로 하는 전기 탈이온 장치.
［9］［1］내지［8］중 어느 하나에 기재된 전기 탈이온 장치의 상기 탈염실에 피처리수를 통수하고, 그 탈염실의 유출수의 일부를 상기 농축실에, 그 탈염실의 통수 방향과 역방향으로 통수하고, 잔부를 처리수로 하여 배출하는 것을 특징으로 하는 탈이온수의 제조 방법.
［10］［1］내지［8］중 어느 하나에 기재된 전기 탈이온 장치와, 그 전기 탈이온 장치의 전단에 설치된 역침투막 분리 장치를 구비하는 것을 특징으로 하는 순수 제조 장치.
본 발명에 의하면, 피처리수 중의 붕소를 고도로 제거할 수 있고, 붕소 농도 1 ppt 이하의 처리수를 얻을 수 있게 된다.
이하에, 본 발명의 실시형태를 상세하게 설명한다.
본 발명은 전기 탈이온 장치의 탈염실에 평균 입경 100~300 ㎛ 로, 바람직하게는 균일 계수가 1.1 이하인 이온 교환 수지를 충전하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 평균 입경 100~300 ㎛ 라는 종래 이용되고 있는 평균 입경 500~600 ㎛ 정도의 이온 교환 수지보다 작은 입경의 이온 교환 수지를 사용하는 것에 의한 전기 탈이온 장치의 붕소 제거 성능의 향상 효과의 작용 기구의 상세는 분명하지 않지만 이하와 같이 생각된다.
입경 500~600 ㎛ 정도의 종래품에 대해, 평균 입경 100~300 ㎛ 의 작은 입경의 이온 교환 수지를 사용하면, 동일량의 이온 교환 수지에 대해, 붕소의 흡착 제거에 관여하는 이온 교환 수지의 표면적은 4~5 배가 되어, 이온 교환 수지에 흡착된 붕소가 이온 교환 수지의 표면을 따라 농축실로 배출되는 효율이 크게 향상된다.
이 경우에 있어서, 균일 계수 1.1 이하의 균일한 입경의 이온 교환 수지를 사용함으로써, 작은 입경의 이온 교환 수지를 사용하여도 탈염실내에 충전했을 때의 공극률은 큰 입경의 이온 교환 수지를 사용한 경우와 거의 동등하게 할 수 있고, 탈염실내의 통수차압의 증가를 억제할 수 있어 바람직하다.
탈염실에 충전하는 이온 교환 수지의 평균 입경이 300 ㎛ 를 초과하면 작은 입경의 이온 교환 수지를 사용하는 것에 의한 본 발명의 효과를 충분히 얻을 수 없다. 한편, 평균 입경이 100 ㎛ 보다 작은 이온 교환 수지는 취급성이나 통수 저항의 면에서 바람직하지 않은 경우가 있고, 또 입수 용이성의 관점에서도 이온 교환 수지의 평균 입경은 100 ㎛ 이상으로 한다. 본 발명에서 사용하는 이온 교환 수지의 평균 입경은 150~250 ㎛ 의 범위인 것이 바람직하다.
본 발명에서 사용하는 이온 교환 수지는 상기와 같이, 입경이 균일한 것이 바람직하고, 이온 교환 수지의 균일 계수는 1.1 이하, 특히 1.05 이하인 것이 바람직하다. 이온 교환 수지의 균일 계수의 하한은 1.0 이다. 여기서, 이온 교환 수지의 균일 계수는 정법, 예를 들어, 미츠비시 화학 주식회사 이온 교환 수지 사업부 발행「다이아이온 매뉴얼 I」제 4 판 (평성 20년 10월 10일) 제 70~71 페이지에 기재된 공지된 산출법에 따라 산출할 수 있다.
상기의 평균 입경 및 균일 계수를 만족하는 이온 교환 수지로서는 시판품을 사용할 수 있다. 예를 들어, 후술하는 실시예의 항에 기재된 이온 교환 수지를 사용할 수 있다. 시판되는 큰 입경의 이온 교환 수지를 분쇄, 분급, 입도 조정하여 사용해도 된다.
탈염실에는 통상, 이온 교환 수지로서 아니온 교환 수지와 카티온 교환 수지의 혼합 수지가 충전된다. 따라서, 이 아니온 교환 수지와 카티온 교환 수지의 각각이 전술한 평균 입경과 균일 계수를 만족하는 것이 바람직하고, 아니온 교환 수지의 평균 입경과 카티온 교환 수지의 평균 입경은 거의 동등 (여기서, 동등하다는 것은 평균 입경의 차이가 100 ㎛ 이하인 것을 가리킨다.) 하고, 균일 계수에 대해서도 거의 동등 (여기서, 동등하다는 것은 균일 계수의 차이가 0.05 이하인 것을 가리킨다.) 한 것이 바람직하다.
탈염실에 충전하는 아니온 교환 수지와 카티온 교환 수지의 혼합 수지의 혼합 비율은 아니온 교환 수지：카티온 교환 수지 = 60~90：40~10, 특히 60~80：40~20 (건조 중량비) 의 범위인 것이 바람직하다. 탈염실에 충전되는 혼합 수지는 상기 혼합 비율의 범위에 있어서, 모든 지점에 있어서 동일해도 되고, 탈염실의 통수 방향의 입구측과 출구측에서 상이해도 된다. 예를 들어, 탈염실의 통수 방향의 입구측 (상류측) 의 통수 유로의 길이 중 1/2~1/3 의 영역에 있어서는 아니온 교환 수지：카티온 교환 수지 = 60~90：40~10, 바람직하게는 70~80：30~20 (건조 중량비) 의 혼합 수지를 충전하고, 그 밖의 지점 (출구측의 지점) 에는 아니온 교환 수지：카티온 교환 수지 = 40~60：60~40, 바람직하게는 50~60：50~40 (건조 중량비) 의 혼합 수지를 충전해도 된다.
이와 같이 함으로써, 입구측에서 아니온이 효과적으로 제거되어 알칼리 분위기가 되므로, 탄산, 실리카, 붕소가 보다 이온화하기 쉬워져, 전기 탈이온 장치에 의해 제거되기 쉬워진다.
본 발명의 전기 탈이온 장치는 높은 붕소 제거율을 실현하기 위해서, 농축실에도 이온 교환 수지를 충전하는 것이 바람직하다. 농축실에 충전하는 이온 교환 수지도 역시, 탈염실에 충전하는 이온 교환 수지와 동일한 이유로, 평균 입경 100~300 ㎛, 바람직하게는 150~250 ㎛ 이고, 균일 계수 1.1 이하, 바람직하게는 1.0~1.05 의 이온 교환 수지인 것이 바람직하다.
농축실에 충전하는 이온 교환 수지도, 아니온 교환 수지와 카티온 교환 수지의 혼합 수지가 바람직하다. 특히, 아니온 교환 수지：카티온 교환 수지 = 40~70：60~30, 바람직하게는 50~70：50~30 (건조 중량비) 의 혼합 수지인 것이 바람직하다.
본 발명의 전기 탈이온 장치는 상기와 같이, 탈염실, 바람직하게는 나아가 농축실에 충전하는 이온 교환 수지로서 특정한 이온 교환 수지를 사용하는 것 이외에는 음극과 양극 사이에 복수의 카티온 교환막과 아니온 교환막을 교대로 배열함으로써, 농축실과 탈염실을 교대로 형성한 일반적인 전기 탈이온 장치와 동일한 구성이 된다.
탈염실의 두께 (탈염실을 구획 형성하는, 인접하는 아니온 교환막과 카티온 교환막의 거리) 는 이온의 이동 효율, 즉 이동거리의 관점에서는 얇은 편이 바람직하고, 장치 제작의 용이성 관점에서는 두꺼운 편이 바람직하다. 탈염실의 바람직한 두께는 2.0~8.0 mm 이다.
농축실의 두께는 탈염실의 두께와 동등하게 하는 것이 바람직하다.
본 발명의 탈이온수의 제조 방법은 이와 같은 본 발명의 전기 탈이온 장치에 피처리수를 통수하여 탈이온 처리하는 방법이다. 전기 탈이온 장치의 탈염실에 피처리수를 통수하고, 처리수 (탈염실의 유출수) 의 일부, 예를 들어 10~30 % 정도를 농축실에, 탈염실의 통수 방향과 역방향으로 통수하는 것이, 높은 붕소 제거율을 얻는 데에 있어서 바람직하다. 그 때의 통수 속도는 붕소 제거율과 처리 효율의 관점에서, 탈염실의 통수 LV 는 50~150 m/hr, 농축실의 통수 LV 는 10~30 m/hr 정도인 것이 바람직하다.
피처리수의 통수 처리시의 전기 탈이온 장치의 전류 밀도는 500 mA/dm2 이상, 예를 들어 1000~1500 mA/dm2 로 하는 것이 바람직하다.
본 발명의 전기 탈이온 장치는 특히, 순수 제조 장치의 RO 막 분리 장치의 후단에 설치하는 전기 탈이온 장치로서 바람직하게 사용된다. RO 막 분리 장치로부터의 붕소 농도 10~20 ppb 정도의 RO 투과수를 본 발명의 전기 탈이온 장치로 처리하여 붕소 농도 1 ppt 이하의 처리수를 효율적으로 얻을 수 있다.
본 발명의 순수 제조 장치는 RO 막 분리 장치와 그 후단의 본 발명의 전기 탈이온 장치를 갖는 것이면 된다. RO 막 분리 장치는 1 단으로 한정하지 않고, 2 단 이상의 다단으로 설치되어 있어도 된다. 또, RO 막 분리 장치의 전단에, 활성탄 탑이나 응집, 부상, 여과, 제탁막 장치 등의 전처리 장치를 설치해도 된다. RO 막 분리 장치와 전기 탈이온 장치 사이에 UV 산화 장치나 탈기막 장치를 설치해도 된다. 전기 탈이온 장치의 후단에 UV 산화 장치나 혼상식 이온 교환 장치, 나아가 UF 막 분리 장치를 설치해도 된다.
실시예
이하에 실시예를 들어 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다.
［실시예 1］
아니온 교환 수지로서 미츠비시 화학 (주) 제조「다이아이온 (등록상표) UMA150」(평균 입경 200 ㎛, 균일 계수 1.03) 을, 카티온 교환 수지로서 미츠비시 화학 (주) 제조「다이아이온 (등록상표) UBK550」(평균 입경 200 ㎛, 균일 계수 1.05) 을 이용하고, 양극과 음극 사이에 복수의 아니온 교환막과 카티온 교환막을 교대로 배열하고, 농축실과 탈염실을 교대로 형성한 전기 탈이온 장치 (쿠리타 공업 (주) 제조 「KCDI－UPz」) 를, 탈염실 및 농축실의 통수 방향이 연직 방향이 되도록 설치하고, 탈염실 및 농축실에 이하와 같은 이온 교환 수지를 충전했다. 탈염실 및 농축실의 두께는 5 mm 이고, 이온 교환 수지의 충전 높이는 60 cm 로 했다.
탈염실 ： 입구측의 30 cm 의 통수 유로에는 아니온 교환 수지：카티온 교환 수지 = 8：2 (건조 중량비) 의 혼합 수지를 충전하고, 그 이후의 출구측의 통수 유로에는 아니온 교환 수지：카티온 교환 수지 = 5：5 (건조 중량비) 의 혼합 수지를 충전했다.
농축실 ： 아니온 교환 수지：카티온 교환 수지 = 5：5 (건조 중량비) 의 혼합 수지를 충전했다.
이 전기 탈이온 장치에 전류 밀도 1200 mA/dm2 로 전류를 흘리고, 붕소 농도 10 ppb 의 피처리수를, 탈염실에 LV = 100 m/hr 로 하향류 통수시키고, 탈염실의 유출수의 20 % 를 농축실에 LV = 20 m/hr 로 상향류 통수시키고, 잔부를 처리수로서 빼냈다.
얻어진 처리수 (탈염실 유출수) 의 붕소 농도는 1 ppt 이하이고, 붕소 제거율 99.99 % 를 달성할 수 있었다.
［비교예 1］
실시예 1 에 있어서, 아니온 교환 수지 및 카티온 교환 수지로서 각각 입경이 500~600 ㎛ 인 것을 사용한 것 이외에는 동일한 구성으로 된 전기 탈이온 장치에, 동일 조건으로 피처리수를 통수시킨 결과, 얻어진 처리수의 붕소 농도는 9 ppt 이고, 붕소 제거율은 종래 장치와 마찬가지로 99.9 % 였다.
본 발명을 특정한 양태를 사용하여 상세하게 설명했지만, 본 발명의 의도와 범위를 일탈하지 않고 여러 변경이 가능한 것은 당업자에게 자명하다.
본 출원은 2015 년 2월 17 일자로 출원된 일본 특허 출원 2015－028736 에 기초하였으며 그 전체가 인용에 의해 원용된다.

Claims (10)

  1. 음극 및 양극과, 상기 음극과 양극 사이에 복수의 카티온 교환막과 아니온 교환막을 배열함으로써 교대로 형성된 농축실 및 탈염실을 가지고, 상기 탈염실에 이온 교환 수지가 충전된 전기 탈이온 장치에 있어서,
    상기 이온 교환 수지가 평균 입경 150~250 ㎛ 이고, 균일 계수가 1.1 이하의 이온 교환 수지인 것을 특징으로 하는 전기 탈이온 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 이온 교환 수지가 아니온 교환 수지와 카티온 교환 수지의 혼합 수지인 것을 특징으로 하는 전기 탈이온 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 이온 교환 수지가, 상기 탈염실의 통수 방향의 입구측에 있어서, 아니온 교환 수지：카티온 교환 수지 = 60~90：40~10 (건조 중량비) 의 혼합 수지이고, 출구측에 있어서, 아니온 교환 수지：카티온 교환 수지 = 40~60：60~40 (건조 중량비) 의 혼합 수지인 것을 특징으로 하는 전기 탈이온 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 농축실에 평균 입경 100~300 ㎛ 의 이온 교환 수지가 충전되어 있는 것을 특징으로 하는 전기 탈이온 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 농축실에 충전된 이온 교환 수지의 균일 계수가 1.1 이하인 것을 특징으로 하는 전기 탈이온 장치.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 농축실에 충전된 이온 교환 수지가 아니온 교환 수지와 카티온 교환 수지의 혼합 수지인 것을 특징으로 하는 전기 탈이온 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 농축실에 충전된 이온 교환 수지가, 아니온 교환 수지：카티온 교환 수지 = 40~70：60~30 (건조 중량비) 의 혼합 수지인 것을 특징으로 하는 전기 탈이온 장치.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 기재된 전기 탈이온 장치의 상기 탈염실에 피처리수를 통수하고, 상기 탈염실의 유출수의 일부를 상기 농축실에, 상기 탈염실의 통수 방향과 역방향으로 통수하고, 잔부를 처리수로 하여 배출하는 것을 특징으로 하는 탈이온수의 제조 방법.
  9. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 기재된 전기 탈이온 장치와, 상기 전기 탈이온 장치의 전단에 설치된 역침투막 분리 장치를 구비하는 것을 특징으로 하는 순수 제조 장치.
  10. 삭제
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