KR19990073947A - 용존 산소 제거장치 및 이를 이용한 용존 산소 제거 방법 - Google Patents

Abstract

용존 산소 제거 장치에 관한 것으로서, 하우징, 상기 하우징 내부에 평행하게 위치하고, 상기 하우징의 상부와 하부에 양 끝단이 각각 고정되며, 공기를 투과하는 다수의 중공사 고분자막, 상기 하우징의 상부에 위치하며 상기 하우징에 용액을 유입하기 위한 용액 유입부, 상기 하우징의 하부에 위치하며 상기 하우징으로부터 용존 산소량이 감소된 용액을 유출시키기 위한 용액 유출부, 상기 하우징의 상부에 위치하며 상기 고분자막으로부터 공기를 유출시키기 위한 공기 유출부 및 상기 공기 유출부에 연결되어 있으며, 상기 고분자막 내부의 압력을 감소시키기 위한 압력 감소 수단을 포함하는 용존 산소 제거 장치를 제공한다. 이러한 용존 산소 제거 장치는 보일러 공정, 반도체 공정 및 기타 일반 산업 자재를 이용한 건설 등의 용존 산소 제거가 필요한 여러 공정에 적용 가능하다.

Description

용존 산소 제거 장치 및 이를 이용한 용존 산소 제거 방법

[산업상 이용 분야]

본 발명은 용존 산소 제거 장치 및 이를 이용한 용존 산소 제거 방법에 관한 것으로서, 상세하게는 공기를 선택적으로 투과하는 분리막을 이용한 용존 산소 제거 장치 및 용존 산소 제거 방법에 관한 것이다.

[종래 기술]

일반 산업 혹은 가정용 보일러 등에서 사용되는 물 속에는 20℃의 온도에서 8ppm 정도의 산소가 용해되어 있으며, 이러한 용존 산소는 보일러의 배관 부식 및 스케일(scale) 형성의 원인이 될 뿐만 아니라, 보일러의 압력 증가를 저해하는 원인이 되기도 한다. 또한 대규모 건물내의 수도관은 미관상 벽내부에 설치하는데 10년 정도 사용하고 나면, 물 속의 용존 산소에 의하여 수도관이 산화 부식되어 적수(赤水)를 발생시키므로 이를 교체하기 위한 대공사를 하게 되는 문제가 있다. 수도관을 교체하지 않고 용존 산소를 제거하기 위하여는 용존 산소를 제거할 수 있는 화학 약품을 수도관에 첨가할 수도 있으나, 용존 산소를 제거하기 위하여 화학 약품을 수도관내에 첨가하는 방법은 인체에 유해하므로 실질적으로 이용할 수 없다. 또한 반도체 공정에서 사용되는 초순수의 비저항치를 증가시키는 용존 산소는 반드시 제거할 필요가 있으므로, 저가로 간단하게 용존 산소를 제거할 수 있는 다양한 장치가 개발되고 있다.

종래의 용존 산소를 제거하기 위한 방법으로는 가스분압차를 이용하는 물리적 방법과 환원제를 사용하는 화학적 방법이 주로 사용되고 있다. 상기 물리적 방법에는 물에 대한 산소의 용해도가 고온에서 현저히 감소하는 성질을 이용한 가열식 탈기법과 물을 진공탈기탑에서 뿌려주면서 탈기하는 진공 탈기법이 있다.

이러한 물리적 방법 중 한 예가 일본 특허 공개 평 3-154601호에 개시되어 있다. 상기 특허에 기술되어 있는 방법은 진공 탈기 처리조, 가스 투과막 장치 및 상기 가스 투과막 장치로 산소를 포함하고 있지 않은 가스를 투과시켜 막내의 수중의 용존 산소의 몰분율을 감소시키는 장치를 이용하여 용존 산소를 제거하는 방법이다. 상기의 특허에서는 실리콘 고무, 폴리에틸렌계 수지, 폴리올레핀계 수지, 폴리우레탄계 수지 등의 다공성 소수성 물질의 막을 사용한 것으로 기술되어 있다. 그러나 상기의 특허에서는 여러 개의 진공 탈기 처리조를 설치함에 따라 그 공정이 복잡하고 산소를 포함하지 않는 가스의 가압을 수행함으로서 막을 경유한 처리 용액 내에 존재하는 가스를 재탈포해야하는 등의 단점이 있다.

또한 상기 화학적 방법은 아황산나트륨(Na₂SO₃)이나 히드라진 등의 환원제를 투입하여 용존산소와 화학반응을 일으켜 제거하는 방법이다. 이러한 화학적 방법 중 한 예가 일본 특허 공개 평 4-190893 호에 개시되어 있다. 이 특허에 개시되어 있는 방법은 산소가 용존된 피처리수와 환원제로 산소 흡습성 물질을 함유한 용액을 소수성 다공성 물질에 녹여 접촉시킴으로서 용존 산소를 소정의 농도까지 유지하는 것을 특징으로 하는 수중 용존산소 농도 제어 방법이다. 상기의 특허에서 소수성 다공질 물질막은 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 에틸렌테트라플로라이드, 폴리비닐클로라이드(PVC)이고 그 형태상 평막 또는 중공사막 형태로 구성된다. 산소를 흡수할 수 있는 물질은 아황산나트륨(Na₂SO₃₎, 디티온산염(di-thionite), 피로가롤(pyrogallol), 황화나트륨(Na₂S), 아스코르브산 나트륨(sodium ascorbate), 시스테인(cysteine) 등을 사용하였다. 그러나 상기한 방법은 탈기 장치의 보존에 계속적인 노력이 요구되며 또한 환원제를 계속적으로 적절히 투입하여야 하는 단점이 있다.

본 발명은 상기한 문제를 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 수중의 공기를 선택적으로 투과하는 분리막을 이용하여 수중의 용존 산소를 제거할 수 있는 용존 산소 제거 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 설비 및 설치가 간단한 장비를 이용하여 수중의 용존 산소를 제거할 수 있는 용존 산소 제거 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 간단한 공정으로 짧은 시간 내에 수중의 용존 산소량을 감소시킬 수 있는 용존 산소 제거 방법을 제공하는 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 용존 산소 제거 장치의 개략도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

10 : 막모듈 20 : 공기 유출부

30, 35 : 제1 및 제2 에폭시포팅층 40 : 용액 유입부

45 : 용액 유출부 50 : 하우징

60 : 중공사 고분자막 70 : 압력 감소 수단

75 : 압력 조절 밸브 80 : 용존 산소 측정 장치

90 : 용액 유량 조절 밸브 100 : 용액 공급 펌프 110 : 처리조

[과제를 해결하기 위한 수단]

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 하우징; 상기 하우징 내부에 평행하게 위치하고, 상기 하우징의 상부와 하부에 양 끝단이 각각 고정되며, 공기를 투과시키는 다수의 중공사 고분자막; 상기 하우징의 상부에 위치하며 상기 하우징에 용액을 유입하기 위한 용액 유입부; 상기 하우징의 하부에 위치하며 상기 하우징으로부터 용존 산소량이 증가된 용액을 유출시키기 위한 용액 유출부; 상기 하우징의 상부에 위치하며 상기 고분자막으로부터 공기를 유출시키기 위한 공기 유출부; 및 상기 공기 유출부에 연결되어 있으며, 상기 고분자막 내부의 압력을 감소시키기 위한 압력 감소 수단을 포함하는 용존 산소 제거 장치를 제공한다.

본 발명은 또한 처리 용액을 공기 투과성 고분자막의 외부로 순환시키는 공정; 및 상기 고분자막의 내부의 압력을 감소시키는 공정을 포함하는 용존 산소의 제거 방법을 제공한다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 관해 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 용존 산소 제거 장치의 단면도이다. 도 1에 있어서, 도면 부호 10은 고분자막을 이용한 막모듈, 도면 부호 20은 공기 유출부, 도면 부호 30 및 35는 각각 제1 및 제2 에폭시포팅층, 도면 부호 40은 용액 유입부, 도면 부호 45는 용존 산소가 감소된 용액 유출부, 도면 부호 50은 막모듈의 하우징, 도면 부호 60은 중공사 고분자막을 나타낸다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 용존 산소 제거 장치의 막모듈(10)은 관 형상의 하우징(50)내에 하우징(50)과 평행하게 배치된 다수의 고분자막(60)을 포함한다. 상기 고분자막(60)은 상기 막모듈(10)내로 유입된 물 등의 용액으로부터 공기, 바람직하기로는 산소를 우세하게 투과할 수 있는 막이면 어느 것이나 사용할 수 있다. 상기 고분자막(60)은 제1 및 제2 에폭시포팅층(30, 35)에 의하여 상기 하우징(50)의 상부와 하부에 각각 고정되어 있다. 상기 제2 에폭시포팅층(35)의 상부에는 막모듈에서 용존 산소량이 감소된 물을 유출하기 위한 용액 유출부(45)가 형성되어 있으며, 상기 제1 에폭시포팅층(30)의 상부와 하부에는 고분자막(60) 내부로부터 공기, 특히 산소를 배출하기 위한 공기 유출부(20)와 막모듈로 물을 공급하기 위한 용액 유입부(40)가 각각 형성되어 있다.

또한 본 발명의 용존 산소 제거 장치는 상기 고분자막(60)의 내부 압력을 감소시키기 위한 압력 감소 수단(70)과 압력 조절 밸브(75)를 더욱 포함한다. 상기 압력 조절 밸브(75)는 고분자막(60)내의 진공도 혹은 감압의 정도를 조절하기 위한 밸브로서 상기 압력 감소 수단(70)과 막모듈(10) 사이에 설치되어 있으며, 수동 또는 전기적으로 제어된다. 상기 압력 감소 수단(70)으로는 고분자막(60)내의 압력을 -76㎝Hg까지 감압할 수 있는 펌프가 바람직하게 사용된다.

또한 상기 용액 유입부(40)에는 처리조(110)로부터 용액 유입부(40)를 통하여 막모듈(10)내로 처리 용액을 공급하기 위한 용액 공급 펌프(100)가 연결 설치되어 있으며, 상기 용액 유입부(40)와 용액 공급 펌프(100) 사이에는 수동으로 또는 전기적으로 작동되는 용액 유량 조절 밸브(90)가 설치되어 막모듈(10) 내로 공급되는 처리용액의 유량을 조절할 수 도 있다. 상기 용액 공급 펌프(100)에는 펌프(100)의 작동으로 인한 발생 열을 감소시키기 위하여 냉각장치를 더욱 부착하여 공급용액의 온도증가를 방지할 수 도 있다.

항온으로 유지되는 처리조(110)는 처리 용액인 물을 공급하는 공급조로서 용존 산소 측정 장치(80)가 부착되어 있다. 여기서 상기 처리조(110)를 항온으로 유지하는 이유는 용존 산소의 농도가 온도에 따라 변화하기 때문이며, 본 발명에서는 용액 온도를 20℃로 유지하였다. 상기 용존 산소 측정 장치(80)는 용존 산소량 설정 수단을 더욱 포함할 수 있으며, 상기 설정 수단은 압력 조절 밸브(75) 및 용액 유량 조절 밸브(90)를 각각 전기적으로 제어하여 상기 고분자막(60)내의 진공도 및 상기 막모듈(10)로 공급되는 용액의 유량을 조절할 수 있다. 본 발명에서는 용존 산소 측정 장치(80)로 모델 DOM-1000(Nihon Denchi Kabushiki Kaisha)의 산소 농도 측정기를 사용하였다. 이 측정기의 산소 측정범위는 0∼80ppm이고 사용 온도 범위는 0∼40℃ 범위이며 막모듈을 접촉하고 난 뒤의 용액내의 용존산소를 측정하는 장치이다. 상기한 바와 같이 용존산소는 처리용액의 온도에 따라 영향을 받는데 통상의 물의 경우에 산소 농도는 20℃에서 9.5ppm(또는 9.5㎎/ℓ) 정도이다.

본 발명의 막모듈(10)에 사용되는 고분자막(60)은 산소, 질소 또는 수증기를 투과하나 물은 투과하지 않는 특징을 가지고 있으며, 형태상 비대칭 중공사막의 구조를 가지는 것이 바람직하다. 여기서 비대칭막이란 동일한 재질로서 막단면중 어느 일정 부분은 일정 두께를 가진, 표면에 핀홀(pinhole)같은 결함이 없는 필름형태의 층으로(필름층) 이루어지고, 나머지 일정 부분은 다공성층으로 구성된 막을 말한다. 상기 필름층은 일반적으로 치밀하고 두껍게 제조되기 때문에 기체에 대한 투과도가 낮은 단점을 가지고 있으며, 다공성층은 혼합기체에 있어서 어느 특정 기체성분에 대한 선택도가 낮다는 단점을 가진다. 따라서 분리하고자 하는 특정 기체 성분에 대하여 선택도와 투과도를 증가시키기 위하여 필름층과 다공성층으로 구성된 비대칭막을 주로 사용하게 된다. 또한 필름층의 표면에 존재할지도 모르는 핀홀 등과 같은 결함을 제거하기 위하여 상기의 고분자막 위에 다른 고분자 물질 또는 실리콘을 본 발명자들에 의하여 출원된 국내 출원번호 제 97-27692 호에 기재된 방법에 따라 적층하여 복합막으로도 사용할 수 있다. 상기 복합막을 만들기 위하여 사용되는 고분자물질로는 폴리스티렌, 폴리에틸렌이민, 폴리부틸아크릴레이트, 폴리페닐렌옥사이드, 폴리비닐알콜, 폴리아크릴로니트릴로 이루어진 군중에서 1종 이상 선택된 물질을 사용하는 것이 바람직하다. 또한 상기 고분자막의 산소/질소의 투과율이 1.0-6.0 사이의 값을 가지는 것이 바람직하다. 상기 고분자막(60)은 중공사 고분자막의 부피를 관의 부피로 나눈 값인 패킹 밀도가 0.5 이상에서 1 미만이 되도록 상기 하우징(50)에 팩킹되는 것이 바람직하지만, 이러한 수치가 본 발명을 한정하는 것은 아니다.

이와 같은 구성을 갖는 본 발명의 용존 산소 제거 장치의 작용을 설명하면 다음과 같다.

처리 용액을 처리조(110)로부터 용액 공급 펌프(100)를 통하여 고분자막(60)의 외부로 순환시킴과 동시에 막모듈(10) 내부와 연결된 압력 조절 밸브(75)가 부착된 압력 감소 수단(70)을 통하여 고분자막(60) 내부의 압력을 감소시킨다. 이때 막 내부의 압력이 대기압 이하로 감소함에 따라 막이 자체적으로 가지고 있는 산소선택성에 의해 용존 산소가 막내부로 투과하여 진공이 걸린 방향으로 배출된다. 본 발명에 있어서는 투과된 산소 배출 흐름과 용액의 흐름이 서로 반대인 향류식 접촉을 하도록 하는 것이 바람직하다.

본 발명의 용존 산소 제거 정도는 하기한 3가지 방식으로 조절될 수 있다.

제1 조절 방법은 압력 조절 밸브(75)를 조절하여 고분자막(60) 내부에 작용하는 진공도 혹은 감압의 정도를 변화시켜, 막내부로의 투과되는 용존 산소의 양을 변화시키는 방법이다. 감압 정도를 증가시킬수록 막내부와 외부 사이에 용존산소에 대한 분압의 차가 증가하여 용존 산소 제거율은 증가하게 된다. 전기적으로 작동하는 경우 용존 산소 측정 장치(80)로부터의 출력신호를 압력 조절 밸브(75)의 입력신호로 수신하도록 하여 설계할 수 있는데, 예를 들면 용존 산소 측정 장치(80)의 설정치가 용존 산소 측정치보다 낮은 경우 조절밸브의 작동을 감압이 증가하는 방향으로 설계하여 용존 산소를 제거할 수 있고, 그 반대인 경우 감압이 감소하는 방향으로 설계할 수 있다.

제2 조절 방법은 일정한 감압 조건이 되도록 압력 조절 밸브(75)를 조절하고, 처리조(110)와 용액 공급 펌프(100)로부터 공급되는 용액의 유량을 용액 유량 조절 밸브(90)를 조절하여 용존 산소의 제거량을 조절하는 방법이다. 용액 유량 조절 밸브(90)를 이용하여 용액 유량 또는 유속을 증가시킬수록 접촉시간이 감소하여 용존 산소의 감소량은 줄어들게 된다. 이 경우 특별히 난류를 형성하지는 않는데 통상 난류를 형성시켜 막과의 접촉을 보다 향상시키게 되면 용존 산소를 더욱더 감소시킬 수는 있으나 본 발명에 있어서 이를 한정하지는 않는다. 또한 압력 조절 밸브(75)와 마찬가지로, 전기적으로 작동되는 경우 용존 산소 측정 장치(80)로부터의 출력신호를 용액 유량 조절 밸브(90)의 입력신호로 수신하도록 하여 설계할 수 있다.

제3 조절 방법은 본 발명에서의 사용된 막의 산소/질소 선택도를 변경하여 용존 산소량을 조절하는 방법이다. 막이 가지는 산소/질소 선택도가 용존산소 제거에 영향을 주기 때문이며 산소/질소 선택도가 클수록 제거율은 향상된다.

본 발명의 용존 산소 증가 장치를 이용하되, 고분자막 내부의 진공도, 용액 조절 유량 및 고분자막의 종류를 변화시키면서 용존 산소량을 측정한 결과는 아래와 같다.

(시험예 1)

본 발명의 제1 조절 방법을 이용하여 일정 처리 시간 하에서 초기 막모듈 내부에 걸린 진공도를 조절하면서, 밸브를 통하여 조절되는 유량을 12ℓ/min으로, 물의 온도를 20.4℃로 일정하게 한 뒤 용존산소를 측정하였다. 사용된 막은 산소/질소 투과율이 1인 막이고 막면적은 공히 1㎡으로 하였다.

진공도[㎝Hg]	용액조절유량[ℓ/min]	용존산소량[ppm 또는 ㎎/ℓ]	사용막 산소/질소 투과율	처리시간[hr]
-15	12	7.8	1	1
-30	12	4.5	1	1
-60	12	2.3	1	1
-76	12	1.8	1	1

상기의 결과로부터 순환하는 용액의 조절유량을 동일하게 한 경우, 진공도를 증가시킴에 따라 용존산소량이 뚜렷하게 감소함을 알 수 있다.

(시험예 2)

본 발명의 제2 조절 방법을 이용하여 일정 처리 시간 하에 초기 막모듈 내부의 진공도를 -76㎝Hg로 하고 물의 온도를 20.4℃로 유지한 뒤 용액 유량 조절 밸브를 통하여 순환하는 용액의 유량을 변화시키면서 용존산소량의 변화를 측정하였다. 사용된 막은 상기 시험예 1과 동일하다.

진공도[㎝Hg]	용액순환유량[ℓ/min]	용존산소량[ppm 또는 ㎎/ℓ]	사용막 산소/질소 투과율	처리시간[hr]
-76	12	1.8	1	1
-76	24	3.7	1	1

상기의 결과에서도 마찬가지로 순환용액유량의 증가에 따른 유속의 증가에 따라 물과 막과의 접촉시간의 감소로 인하여 용존산소는 증가함을 알 수 있으며 진공을 걸지 않은 용액의 용존 산소량이 9.4ppm인 것에 비하여 월등히 우수한 성능을 나타낸다.

(시험예 3)

본 발명의 제3 조절 방법으로, 상기 시험예 1의 조건과 동일한 조건하에서 산소/질소 투과율이 1인 막과 산소/질소투과율이 5인 막을 사용한 각각의 경우에 대하여 용존산소의 변화를 측정하였다. 사용된 막면적은 공히 1㎡으로 하였으며 그 결과를 아래에 나타내었다.

진공도[㎝Hg]	용액순환유량[ℓ/min]	용존산소량[ppm 또는 ㎎/ℓ]	사용막 산소/질소 투과율	처리시간[hr]
-76	12	1.8	1	1
-76	12	0.5	5	1

상기의 결과에서도 진공도 및 용액순환유량을 일정하게 하였을 경우 사용된 막의 조건에 따라 용존산소량이 변화됨을 알 수 있으며, 산소/질소 투과율이 높은 막을 사용함에 따라 용존산소량이 동일조건하에서 보다 월등히 감소함을 알 수 있다.

(대조예 1)

물을 사용하고 진공을 걸지 않은 상태에서 모듈내로 물을 일정유량의 유속으로 순환하였을 경우에 대하여 용존 산소를 측정하였다. 처리용액으로는 20.4℃의 물을 사용하였으며 그 결과를 아래에 나타내었다.

진공도[㎝Hg]	용액조절유량[ℓ/min]	용존산소[ppm]
없음	12	9.4

발명의 용존 산소 감소 장치 및 감소 방법은 공정이 단순하고 또한 처리시간이 짧으며 용존산소 제거율이 우수하며, 보일러 공정, 반도체 공정 및 기타 일반산업 공정 등, 용존 산소 제거가 필요한 여러 공정에 적용 가능하다.

Claims (6)

1. 하우징;

   상기 하우징 내부에 평행하게 위치하고, 상기 하우징의 상부와 하부에 양 끝단이 각각 고정되며, 공기를 투과하는 다수의 중공사 고분자막;

   상기 하우징의 상부에 위치하며 상기 하우징에 용액을 유입하기 위한 용액 유입부;

   상기 하우징의 하부에 위치하며 상기 하우징으로부터 용존 산소량이 감소된 용액을 유출시키기 위한 용액 유출부;

   상기 하우징의 상부에 위치하며 상기 고분자막으로부터 공기를 유출시키기 위한 공기 유출부; 및

   상기 공기 유출부에 연결되어 있으며, 상기 고분자막 내부의 압력을 감소시키기 위한 압력 감소 수단;

   을 포함하는 용존 산소 제거 장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 고분자막은 산소 및 질소를 투과하며, 산소/질소의 투과율이 1.0-6.0의 값을 나타내는 것인 용존 산소 제거 장치.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 용액 유입부를 통하여 상기 하우징으로 유입되는 용액을 담고 있으며, 상기 용액 유출부로부터 유출되는 용액을 저장하는 처리조;

   상기 고분자막 내부의 진공도를 조절하기 위한 압력 조절 밸브;

   상기 용액 유입부로 유입되는 용액의 양을 제어하기 위한 용액 유량 조절 밸브; 및

   상기 처리조 내에 위치하며, 상기 처리조 내의 용액의 용존 산소량을 측정하며, 상기 압력 조절 밸브 또는 용액 유량 조절 밸브를 전기적으로 제어하기 위한 용존 산소량 설정 수단을 가지는 용존 산소 측정 장치를 더욱 포함하는 것인 용존 산소 제거 장치.
4. 처리 용액을 산소 및 질소를 투과하며 산소/질소의 투과율이 1.0 - 6.0인 공기 투과성 고분자막의 외부로 순환시키는 공정; 및 상기 고분자막의 내부의 압력을 감소시키는 공정;

   을 포함하는 용존 산소의 제거 방법.
5. 제 4 항에 있어서, 상기 고분자막의 상부에 위치한 압력 조절 밸브를 조절하여 상기 고분자막에서 유출되는 공기의 양을 제어하여 상기 용액으로부터 배출되는 산소의 양을 증가시키는 공정을 더욱 포함하는 용존 산소의 제거 방법.
6. 제 4 항에 있어서, 상기 고분자막의 일측단에 위치한 용액 유량 조절 밸브를 조절하여 상기 고분자막의 외부로 순환하는 용액의 양을 제어하여 상기 용액으로부터 배출되는 산소의 양을 증가시키는 공정을 더욱 포함하는 용존 산소의 제거 방법.