KR20050102641A - 전기 탈이온 장치 및 그 운전 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 농축실로부터 붕소의 농도 확대를 제어하고, 이에 따라 극저붕소 농도의 생산수를 얻을 수 있는 전기 탈이온 장치와 그 운전 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. 원수는 탈염실(16)에 도입되고, 탈염실(16)로부터는 생산수가 추출된다. 이 생산수의 일부는 농출실(15)에 탈염실(16)의 통수 방향과는 역방향으로 향류 일과식으로 통수되고, 농축실(15)의 유출수는 계외로 배출된다. 탈염실(16)의 생산수 추출측에 농축실(15)의 유입구가 마련되어 있고, 탈염실(16)의 원수 유입측에 농축실(15)의 유출구가 마련되어 있다. 농축실로부터 유출되는 농축수의 붕소 농도는 생산수의 붕소 농도의 500배 이하 또는, 10 ppb 이하이다.

Description

전기 탈이온 장치 및 그 운전 방법{ELECTRIC DEIONIZATION APPARATUS AND METHOD OF OPERATING THE SAME}
본 발명은, 붕소 농도가 낮은 생산수 또는 음이온 농도가 낮은 생산수를 생산하기 위한 전기 탈이온 장치 및 그 운전 방법에 관한 것이다.
순수, 초순수 등을 제조하는 분야 등에 있어서 전기 탈이온 장치가 이용되고 있다. 평판형의 전기 탈이온 장치는 양극과, 음극과, 이 양극과 음극 사이에 농축실과 탈염실(희석실)을 교대로 형성하도록 교대로 배치된 평막(平膜)형의 양이온 교환막 및 음이온 교환막을 갖는다. 탈염실에는 이온 교환 수지 등의 이온 교환체가 충전되어 있다. 이 탈염실에 탈염 처리하여야 하는 물이 유통되어, 물 속 이온이 이온 교환막을 투과하여 탈염실로부터 농축실로 이동한다.
특허 공개 2002-205069호에는, 실리카 농도 및 붕소 농도가 낮은 생산수를 생산하기 위해서, 농축수로서 원수보다 실리카 또는 붕소 농도가 낮은 물을 탈염실의 탈이온수 추출구에 가까운 쪽부터 이 농축실 안으로 도입시키는 동시에, 이 농축실 중 탈염실의 원수 입구에 가까운 쪽으로부터 유출시키고, 이 농축실로부터 유출된 농축수의 적어도 일부를 계외(系外)로 배출하는 것이 기재되어 있다.
상기 공보에서는, 농축수로서 원수보다 실리카 또는 붕소 농도가 낮은 물을 이용하고, 더구나 이와 같이 수질이 양호한 물을 탈염실의 탈이온수(생산수) 추출측에서부터 원수 유입측을 향하는 방향으로 농축실에 통수시킴으로써, 실리카와 붕소 농도를 극저농도까지 저감시킨 고수질 생산수를 얻을 수 있다.
도 1은 실시예에 따른 전기 탈이온 장치의 모식적인 단면도이다.
도 2는 도 1의 전기 탈이온 장치의 통수 계통도이다.
도 3은 별도의 실시예에 따른 전기 탈이온 시스템의 통수 계통도이다.
도 4는 또 다른 실시예에 따른 전기 탈이온 시스템의 통수 계통도이다.
도 5는 다른 실시예에 따른 전기 탈이온 시스템의 통수 계통도이다.
도 6은 실시예에 따른 전기 탈이온 시스템의 통수 계통도이다.
도 7a는 별도의 실시예에 따른 전기 탈이온 장치의 개략적인 사시도이고, 도 7b는 계통도이다.
도 8은 제3 양태의 실시예에 따른 전기 탈이온 장치의 모식적인 단면도이다.
도 9는 도 8의 전기 탈이온 장치의 통수 계통도이다.
도 10은 별도의 실시예에 따른 전기 탈이온 시스템의 통수 계통도이다.
도 11은 또 다른 실시예에 따른 전기 탈이온 시스템의 통수 계통도이다.
도 12는 다른 실시예에 따른 전기 탈이온 시스템의 통수 계통도이다.
도 13은 실시예에 따른 전기 탈이온 시스템의 통수 계통도이다.
도 14는 실시예에 따른 전기 탈이온 시스템의 통수 계통도이다.
도 15는 실시예에 따른 전기 탈이온 시스템의 통수 계통도이다.
도 16은 실시예에 따른 전기 탈이온 시스템의 통수 계통도이다.
본 발명은, 농축실로부터의 붕소의 농도 확산을 충분히 억제하고, 이에 따라 극저붕소 농도의 생산수를 얻을 수 있는 전기 탈이온 장치의 운전 방법과 전기 탈이온 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다. 또한, 본 발명은 농축실로부터의 탄산 이온 등의 음이온의 농도 확산을 충분히 억제하고, 이에 따라 극저탄산 농도의 생산수를 얻을 수 있는 전기 탈이온 장치의 운전 방법과 전기 탈이온 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 제1 양태에 따른 전기 탈이온 장치의 운전 방법은, 양극과 음극 사이에 이온 교환막에 의해 농축실과 탈염실이 구획된 전기 탈이온 장치의 운전 방법으로서, 농축수를 상기 농축실로 유통시키는 동시에, 원수를 피처리수로서 탈염실로 유통시키고, 생산수로서 상기 탈염실로부터 추출하는 운전 방법에 있어서, 상기 농축실로부터 유출되는 농축수의 붕소 농도를 생산수의 붕소 농도의 500배 이하 또는 10 ppb 이하로 하는 것을 특징으로 하는 것이다.
본 발명의 제2 양태에 따른 전기 탈이온 장치는, 양극과 음극 사이에 이온 교환막에 의해 농축실과 탈염실이 구획되고, 농축수가 상기 농축실로 유통되며, 원수가 피처리수로서 탈염실로 유통되어, 생산수로서 추출되는 전기 탈이온 장치에 있어서, 상기 농축실로부터 유출되는 농축수의 붕소 농도를 생산수의 붕소 농도의 500배 이하 또는 10 ppb 이하로 하는 수단을 구비한 것을 특징으로 하는 것이다.
제1 및 제2 양태에서는, 붕소 농도가 현저히, 낮은 예컨대 0.1 ppb 이하의 고순도 생산수를 제조하기 위해서, 농축실로부터 유출되는 농축수의 붕소 농도를 낮춘다.
피처리수가 흐르는 방향을 따라서 복수 개의 탈염실 및 농축실이 마련되는 경우에는, 가장 하류측의 농축실로부터 유출되는 농축수의 붕소 농도를 가장 하류측의 탈염실로부터 유출되는 생산수의 붕소 농도의 500 배 이하 또는 10 ppb 이하로 하는 것이 바람직하다. 이에 따라, 농축실의 출구 근방에서도 농축실에서부터 탈염실을 향하는 붕소 농도 구배가 비교적 작아지고, 농축실에서부터 탈염실로의 붕소의 확산이 억제되며, 생산수의 붕소 농도를 낮출 수 있다.
제1 및 제2 양태에서는, 전기 탈이온 장치에 도입되는 원수를 전처리하는 것이 바람직하고, 특히 수돗물 등의 원수를 MF막 등에 의한 제독이나, 활성탄 등의 탈염소 처리 후, RO 처리를 행하는 것이 바람직하다. 또한 탈기(脫氣) 처리를 하여도 좋다.
특히, 생산수의 붕소 농도를 0.005 ppb 이하로 하는 경우에는, 2단 RO(역침투) 처리를 행하고, 전기 탈이온 장치 급수의 부하를 낮추는 것(예컨대 3 ppb 이하)이 더 바람직하다.
탈염실에는 이온 교환체가 충전되어 있어도 좋다.
양질의 물을 저전기 전도도, 고비저항의 물로서 농축실에 통수하면 농축실의 전기 저항이 높아지고, 전류치를 확보하지 못할 가능성이 있다. 그래서, 농축실에도 이온 교환 수지 등의 이온 교환체나, 활성탄 또는 그 밖의 전기 도전체를 충전하여 필요 전류를 확보하도록 하여도 좋다.
본 발명의 제3 양태에 따른 전기 탈이온 장치의 운전 방법은, 탈이온 장치의 운전 방법으로서, 피처리수를 상기 탈염실로 유통시키고, 농축수를 상기 농축실로 유통시키는 운전 방법에 있어서, 상기 농축수로서 음이온 제거 처리 수단으로 처리된 저 음이온 농도수를 탈염실 출구에 가까운 쪽부터 상기 농축실에 유입시키는 동시에, 탈염실 입구에 가까운 쪽부터 유출시키도록 상기 농축실로 유통시키는 것을 특징으로 하는 것이다.
본 발명의 제4 양태에 따른 전기 탈이온 장치는, 양극과 음극 사이의 이온 교환막에 의해 농축실과 탈염실이 구획되고, 피처리수가 상기 탈염실로 유통되며, 농축수가 상기 농축실로 유통되는 전기 탈이온 장치에 있어서, 상기 농축수를 탈염실 출구에 가까운 쪽부터 상기 농축실에 유입시키는 동시에, 탈염실 입구에 가까운 쪽으로부터 유출시키도록 농축수 도입 수단 및 유출 수단이 마련되어 있고, 또한 상기 농축실로 유입되는 농축수로부터 음이온을 제거하는 수단이 마련되어 있는 것을 특징으로 하는 것이다.
제3 및 제4 양태에서는, 탄산 등의 음이온 농도가 현저히 낮은 고순도 생산수를 제조하기 위해서, 농축실에 공급되는 농축수의 탄산 등의 음이온 농도를 낮춘다.
이에 따라, 농축실의 출구 근방에서도 농축실에서부터 탈염실을 향하는 음이온 농도 구배가 비교적 작아지고, 농축실에서부터 탈염실로의 탄산의 확산이 억제되어 생산수의 탄산 농도를 낮출 수 있다.
제3 및 제4 양태에서는, 농축실로 유입되는 농축수의 모든 무기 탄산 농도를 50 ppb 이하로 함으로써, 농축실에서부터 탈염실로의 탄산 이온의 농도 구배에 의한 확산을 억제하고, 모든 무기 탄산 농도가 현저히 낮은 생산수를 생산하는 것이 가능해진다.
제3 및 제4 양태에서는, 농축실로 유입되는 농축수의 실리카 농도를 100 ppb 이하로 하고, 또한 붕소 농도를 10 ppb 이하로 하여 이들 이온의 농축실에서부터 탈염실로의 농도 구배에 의한 확산을 억제하고, 생산수 속의 실리카 농도 및 붕소를 현저히 낮출 수 있다.
농축수로 유입되는 농축수 속의 모든 무기 탄산 농도나, 실리카 농도 혹은 붕소 농도를 저하시키기 위해서, 탈염실로부터 유출되는 생산수의 일부를 농축수로서 이용하여도 좋다. 또한, 농축실로 공급되는 물을 이온 교환 장치나 전기 탈이온 장치로 처리하여도 좋다.
농축실에 유입하는 농축수 속의 모든 무기 탄산 농도를 저하시키기 위해, 탈기막 장치 등의 탈기 수단을 이용하여도 좋다.
제3 및 제4 양태에서는, 원수를 음이온 제거 처리한 후, 탈염실에 공급하여도 좋고, 이에 따라 생산수의 음이온 농도를 더 저하시킬 수 있다. 이 음이온 제거 처리로서는, 역침투 처리 및 탈기 처리가 적합하며, 특히 다단(多段)으로 역침투 처리하고, 탈기 처리하는 것이 더 적합하다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 형태를 상세히 설명한다.
도 1은 제1 및 제2 양태의 일례를 도시하는 전기 탈이온 장치(10')의 모식적인 단면도이다. 이 전기 탈이온 장치는 전극[양극(11), 음극(12)] 사이에 복수의 음이온 교환막(A막)(13) 및 양이온 교환막(C막)(14)을 교대로 배열하여 농축실(15)과 탈염실(16)을 교대로 형성한 것이며, 탈염실(16)에는 이온 교환 수지, 이온 교환 섬유 혹은 크라프트 교환체 등으로 이루어지는 음이온 교환체 및 양이온 교환체가 혼합 혹은 복층형으로 충전되어 있다.
농축실(15)과, 양극실(17) 및 음극실(18)에도, 이온 교환체, 활성탄 또는 금속 등의 전기 전도체가 충전되어 있다.
원수는 탈염실(16)로 도입되어, 탈염실(16)로부터는 생산수가 추출된다. 이 생산수의 일부는 농축실(15)에 탈염실(16)의 통수 방향과는 역방향으로 향류 일과식(向流 一過式)으로 통수되고, 농축실(15)의 유출수는 계외로 배출된다. 즉, 이 전기 탈이온 장치에서는, 농축실(15)과 탈염실(16)이 교대로 병설되고, 탈염실(16)의 생산수 추출측에 농축실(15)의 유입구가 마련되어 있으며, 탈염실(16)의 원수 유입측에 농축실(15)의 유출구가 마련되어 있다. 생산수의 일부는 양극실(17) 입구측으로 송급되며, 그리고 양극실(17)의 유출수는 음극실(18)의 입구측으로 송급되어, 음극실(18)의 유출수는 배수로서 계외로 배출된다.
이와 같이, 농축실(15)에 생산수를 탈염실(16)과 향류 일과식으로 통수함으로써, 농축실(15) 안의 농축수의 농도가 생산수 추출측만큼 낮아지게 되고, 농도 확산에 의한 탈염실(16)에 대한 영향이 작아져, 붕소 등의 이온 제거율을 비약적으로 높일 수 있다.
이 실시예에서는, 농축실에 생산수를 통수함으로써, 전기 탈이온 장치의 전기 저항이 높아지기 때문에, 농축실에도 이온 교환체 등의 전도체가 충전되어 있다. 이에 따라, 농축수에 식염 등의 전해질을 첨가하여 전기 저항을 낮출 필요가 없어진다.
도 1의 전기 탈이온 장치(10')에서는 전극실(17, 18)에도 생산수를 공급하고 있지만, 전극실(17, 18)에도 농축실(15)과 마찬가지로 전류 확보를 위해, 이온 교환체나 활성탄, 또는 전기 도전체인 금속 등을 충전하는 것이 바람직하다. 이에 따라, 초순수 등의 고수질의 물을 통수하여도 필요 전류를 확보하는 것이 가능해진다.
전극실에서는, 특히 양극실에서의 염소나 오존 등의 산화제의 발생이 일어나기 때문에, 충전물로서는 이온 교환 수지 등을 이용하는 것보다 활성탄을 이용하는 것이 장기적으로 바람직하다. 전극실에 도 1과 같이 생산수를 공급하는 경우는 전극실 공급수에 C1-가 거의 없기 때문에, 염소의 발생을 방지할 수 있으므로 충전물이나 전극의 장기간 안정화를 위해서는 바람직하다.
도 2는 이 도 1의 전기 탈이온 장치(10')의 탈염실 및 농축실에 대한 통수 계통을 간략화하여 도시한 것이다. 도시한 바와 같이, 원수가 탈염실(16)에 통수되어 생산수가 된다. 생산수의 일부가 농축실(15)에 통수되어, 농축 배수로서 배출된다. 농축실 안의 물이 흐르는 방향은 탈염실(16) 안의 물이 흐르는 방향과 반대(향류)이다.
이 농축 배수의 붕소 농도를 생산수의 붕소 농도의 500배 이하, 또는 10 ppb 이하로 함으로써, 생산수의 붕소 농도가, 예컨대 0.1 ppb 이하 정도까지 현저히 낮아지고, 붕소 농도 0.05 ppb 이하의 극저농도 생산수를 더 생산하는 것이 가능해진다.
도 7a는 제2 양태의 다른 예에 관한 전기 탈이온 장치(10")의 다른 실시예를 도시하는 개략적인 사시도이고, 도 7b는 동일한 장치의 통수 계통도이다.
도시한 바와 같이, 이 전기 탈이온 장치(10")는, 양극(11)과 음극(12) 사이에 양이온 교환막과 음이온 교환막을 교대로 배열하여 농축실(15)과 탈염실(16)을 교대로 형성한 점에 있어서는 도 1의 전기 탈이온 장치(10')와 유사한 구성으로 되어 있지만, 농축실(15)이 칸막이 벽(15S)에 의해 2개 이상(도 7a, 7b에 있어서는 2개)의 농축수 유통부(15a, 15b)로 구획되고, 각 농축수 유통부(15a, 15b)의 농축수의 통수 방향이 탈염실(16) 안의 통수 방향과 교차하는 방향으로 되어 있는 점이 도 1의 전기 탈이온 장치(10')와 다르다.
즉, 도 7a 및 도 7b에 있어서 탈염실(16)은, 도 7a에서의 상측이 입구측, 하측이 출구측이며, 물은 탈염실(16) 안을 위에서 아래를 향해 흐른다.
한편, 농축실(15) 안에는, 이 탈염실(16) 안의 통수 방향과 교차하는 방향[도 7a에서는 직교 방향(또한, 이 직교 방향이란 반드시 엄밀한 것이 아니라, 80∼100° 정도의 범위를 포함함)]으로 연장되는 칸막이 벽(15S)이 설치되고, 농축실(15) 안은 도면에 있어서 상하 2단으로 분획되며, 각 농축수 유통부(15a, 15b) 각각에서 도면의 앞쪽부터 뒤쪽으로 통수가 행하여진다.
도 7b에 도시한 바와 같이, 탈염실(16)로부터 추출된 생산수의 일부는 펌프에 의해 순환되는 농축수 유통부(15b)의 순환계로 도입되어, 생산수 추출측인 농축수 유통부(15b)를 순환한다. 이 순환계의 순환 농축수의 일부가 펌프에 의해 순환되는 농축수 유통부(15a)의 순환계로 도입되고, 원수 유입측인 농축수 유통부(15a)를 순환하며, 그 일부는 계외로 배출된다.
이 전기 탈이온 장치(10")에 있어서도, 생산수가 생산수 추출측의 농축수 유통부(15b)를 순환한 후, 원수 유입측인 농축수 유통부(15a)로 유입되어 순환하고, 그 후에 계외로 배출됨으로써, 결과적으로 농축수는 생산수의 추출측에서부터 원수 유입측으로 통수되고, 그 후에 일부가 계외로 배출됨으로써, 도 1에 도시하는 탈염실과의 향류 일과식 통수의 경우와 유사한 효과가 나타난다.
농축실을 칸막이 벽으로 구획하여 형성하는 농축수 유통부는 3개 이상이어도 좋다. 칸막이 벽의 수를 증가시키는 것에 의한 부재 수의 증가, 장치 구성의 복잡화 등을 고려한 경우, 농축실 안을 2개 또는 3개의 농축수 유통부로 구획하는 것이 바람직하다.
도 7a 및 도 7b의 전기 탈이온 장치(10")에 있어서도, 농축수 유통부(15b)로부터 배출되는 농축 배수의 붕소 농도를 생산수의 붕소 농도의 500배 이하, 또는 10 ppb 이하로 함으로써, 생산수의 붕소 농도가 예컨대 0.1 ppb 이하 정도까지 현저히 낮아지고, 붕소 농도 0.05 ppb 이하의 극저농도 생산수를 더 생산하는 것이 가능해진다.
전기 탈이온 장치를 다단으로 설치하고, 원수를 다단으로 탈이온 처리함으로써, 상기한 바와 같이 붕소 농도가 현저히 낮은 생산수를 확실하게 생산할 수 있고, 0.005 ppb 이하의 초극저농도의 생산수를 생산하는 것도 가능하다.
이와 같이 도 3 내지 도 6은 전기 탈이온 장치를 다단으로 설치한 전기 탈이온 시스템의 통수 계통도이며, 어느 것이든 제1 전기 탈이온 장치(1)와 제2 전기 탈이온 장치(2)가 직렬로 접속되어 있다. 장치(1, 2)는 상기 장치(10', 10") 중 어느 것이라도 좋다.
도3의 전기 탈이온 시스템에서는, 붕소 농도가 3 ppb인 원수가 제1 전기 탈이온 장치의 탈염실(16A)에 통수되어 붕소 농도가 0.1 ppb인 1차 생산수가 된다. 이 1차 생산수가 제2 전기 탈이온 장치의 탈염실(16B) 및 농축실(15B)에서 분류된다. 농축실(15A, 15B)의 농축수 유통 방향은 탈염실(16A, 16B)과 병류 방향이다. 상기 탈염실(16B)로부터 붕소 농도가 0.01 ppb인 2차 생산수(생산수)가 추출된다. 제2 전기 탈이온 장치(2)의 농축실(15B)로부터 유출되는 농축수는 붕소 농도가 1 ppb로 낮은 것이며, 그 일부는 상기 농축실(15B)의 입구측에서 순환되고, 나머지 부분은 예컨대 원수로 복귀된다.
제1 전기 탈이온 장치(1)의 농축실(15A)로부터의 농축 배수는 붕소 농도가 30 ppb로 높은 것이며, 일부는 상기 농축실(15A)의 입구측으로 복귀되고, 나머지 부분은 농축 배수로서 배출된다.
도 4의 전기 탈이온 시스템에서는, 제1 전기 탈이온 장치(1)의 탈염실(16A)로부터의 붕소 농도가 0.1 ppb인 1차 생산수의 전량을 제2 전기 탈이온 장치(2)의 탈염실(16B)로 통수하고, 붕소 농도가 0.005 ppb 이하인 2차 생산수로 하고 있다. 이 2차 생산수의 일부를 농축실(15B)로 향류 방식으로 통수한다. 농축실(15B)로부터 유출되는 붕소 농도가 1 ppb인 2차 농축수는, 예컨대 원수로 복귀된다.
제1 전기 탈이온 장치(1)의 농축실(15A)에는 원수가 병류 방식으로 통수되어, 붕소 농도가 30 ppb인 1차 농축수로 되어 배출된다.
도 5의 전기 탈이온 시스템에 있어서는, 원수의 전량이 장치(1)의 탈염실 16A, 16B의 순으로 흘러 붕소 농도가 0.005 ppb 이하인 2차 생산수가 된다. 또한, 탈염실(16A)로부터 유출된 1차 생산수의 붕소 농도는 0.05 ppb 이다. 탈염실(16B)로부터 유출된 2차 생산수의 일부는 농축실 15B, 15A의 순서로 각각 향류 방식으로 통수되고, 붕소 농도가 15 ppb인 농축 배수로서 배출된다. 농축실(15B)로부터 유출되는 1차 농축수의 붕소 농도는 0.25 ppb 이다.
도 6의 전기 탈이온 시스템에서는, 원수의 전량이 탈염실(16A)에 공급되고 붕소 농도가 0.02 ppb인 1차 생산수로 된다. 1차 생산수의 일부는 농축실(15A)에 향류 방식으로 통수되고, 붕소 농도가 30 ppb인 농축 배수로서 배출된다. 1차 생산수의 나머지 부분은 탈염실(16B)에 통수되고, 붕소 농도가 0.005 ppb 이하인 2차 생산수로 된다. 이 2차 생산수의 일부는 농축실(15B)에 향류 방식으로 통수되고, 붕소 농도가 0.2 ppb인 2차 농축수로서 유출된다. 이 2차 농축수는, 예컨대 원수로 복귀된다.
도 3 내지 도 6과 같이 다단으로 전기 탈이온 장치를 설치하는 경우, 제1 전기 탈이온 장치(1)의 탈염실의 두께는 7 mm 이상, 특히 8 내지 30 mm이며, 제2 전기 탈이온 장치(2)의 탈염실의 두께는 7 mm 미만, 특히 2 내지 5 mm이고, 제1 전기 탈이온 장치(1)에 의해 실리카, 붕소 등의 약전해 물질 및 경도 성분이 제거되고, 제2 전기 탈이온 장치(2)에 의해 실리카 및 붕소가 더 제거된다. 제2 전기 탈이온 장치(2)는 전단(前段)의 전기 탈이온 장치(1)로부터 누설된 알카리 성분을 제거하기 때문에, 고수질 처리수를 얻을 수 있다.
제1 전기 탈이온 장치(1)의 탈염실의 두께를 7 mm 이상으로 함으로써, 상기 장치(1)의 탈염실(16A) 안의 pH가 상승하고, 실리카나 붕소 등의 약 전해질 및 경도 성분이 효율적으로 제거된다.
상기 실시예에서는 생산수를 농축실에 공급함으로써, 탈염실 출구측에 위치하는 농축실 안의 붕소 농도를 저하시키고 있지만, 생산수를 이용하는 대신에, 혹은 생산수와 병용하여 농축실 공급수를 탈붕소 처리한 물로 하여도 좋다.
붕소 제거 수단은 이온 교환 수지나 붕소 흡착 수지를 이용하는 방법이나, 역침투막을 이용하는 방법 등 어느 것이든 좋다.
이상과 같이, 제1 및 제2 양태의 전기 탈이온 장치 및 그 운전 방법에 의하면 붕소 농도가 현저히 낮은 생산수를 확실하게 생산하는 것이 가능해진다.
도 8은 본 발명의 제3 양태의 실시예를 도시하는 전기 탈이온 장치(10)의 모식적인 단면도이다. 이 전기 탈이온 장치(10)는 전극[양극(11), 음극(12)] 사이에 복수의 음이온 교환막(A막)(13) 및 양이온 교환막(C막)(14)을 교대로 배열하여 농축실(15)과 탈염실(16)을 교대로 형성한 것이며, 탈염실(16)에는 이온 교환 수지, 이온 교환 섬유 혹은 크래프트 교환체 등으로 이루어지는 음이온 교환체 및 양이온 교환체가 혼합 혹은 복층형으로 충전되어 있다.
농축실(15), 양극실(17) 및 음극실(18)에도, 이온 교환체, 활성탄 또는 금속 등의 전기 도전체가 충전되어도 좋다.
피처리수는 탈염실(16)로 도입되고, 탈염실(16)로부터는 생산수가 추출된다. 피처리수의 일부는 음이온 제거 수단(9)으로 송출되어, 음이온 제거 처리된다. 이 음이온 제거 처리 수단(9)에 의해 음이온이 제거된 물은 농축실(15)에 탈염실(16)의 통수 방향과는 역방향으로 향류 일과식으로 통수되고, 농축실(15)의 유출수는 계외로 배출된다.
이 전기 탈이온 장치에서는, 농축실(15)과 탈염실(16)이 교대로 병설되어, 탈염실(16)의 생산수 추출측에 농축실(15)의 유입구가 설치되어 있고, 탈염실(16)의 원수 유입측에 농축실(15)의 유출구가 설치된다. 이에 따라, 농축수는 농축실(15)에 대하여 탈염실 출구측(도 8의 아래쪽)으로부터 유입되고, 탈염실 입구측(도 8의 상측)으로부터 유출된다.
음이온 제거 수단(9)으로부터 유출된 물의 일부는 양극실(17)의 입구측으로 송급되고, 양극실(17)의 유출수는 음극실(18)의 입구측으로 송급되며, 음극실(18)의 유출수는 배수로서 계외로 배출된다. 양극실(17)의 입구수는 음이온 제거 수단을 거치지 않은 피처리수라도 좋다.
이와 같이, 음이온 제거 처리수를 탈염실(16)과 향류 일과식으로 농축실(15)에 통수함으로써, 생산수 추출측만큼 농축실(15) 안의 농축수의 농도가 낮아지고, 농도 확산에 의한 탈염실(16)에의 영향이 작아지며, 강음이온뿐만 아니라 탄산, 실리카, 붕소 등의 약음이온의 제거율도 비약적으로 높일 수 있다. 이 전기 탈이온 장치에 따르면, 비저항이 18 MΩ·cm 이상의 생산수를 생산하는 것이 가능하다.
농축실에 통수되는 음이온 제거 처리수의 도전율이 낮고, 전기 탈이온 장치의 전기 저항이 높아지는 경우에는, 농축실에 이온 교환체 등의 도전체를 충전한다. 이에 따라, 농축수에 식염 등의 전해질을 첨가하여 전기 저항을 낮출 필요가 없어진다. 전극실(17, 18)에도 전류 확보를 위해, 이온 교환체나 활성탄, 또는 전기 도전체인 금속 등을 충전하는 것이 바람직하다. 이에 따라, 초순수 등의 고수질의 물을 통수하여도 필요 전류를 확보하는 것이 가능해진다.
전극실에서는, 특히 양극실에서의 염소나 오존 등의 산화제 발생이 일어나기 때문에, 충전수로서는 이온 교환 수지 등을 이용하는 것보다 활성탄을 이용하는 것이 장기적으로 바람직하다. 또한, 전극실에 도 8과 같이 생산수를 공급하는 것은 전극실 공급수에 C1-가 거의 없기 때문에 염소의 발생을 방지할 수 있으므로, 충전물이나 전극의 장기간 안정화를 위해서는 바람직하다.
도 9는, 이 도 8의 전기 탈이온 장치의 탈염실 및 농축실에의 통수 계통을 간략화하여 도시한 것이다. 도시한 바와 같이, 피처리수가 탈염실(16)에 통수되어 생산수가 된다. 피처리수의 일부가 음이온 제거 처리 후, 농축실(15)에 통수되어, 농축 배수로서 배출된다. 농축실 안의 물이 흐르는 방향은 탈염실(16) 안의 그것과는 반대(향류)이다.
이 음이온 제거 수단(9)에 의해, 모든 무기 탄산 농도를 50 ppb 이하, 바람직하게는 30 ppb 이하로 함으로써, 생산수 속의 모든 무기 탄산 농도가 현저히 낮아진다. 또한, 음이온 제거 수단(9)에 의해 실리카 농도를 100 ppb 이하, 바람직하게는 80 ppb 이하로 하고, 붕소 농도를 10 ppb 이하, 바람직하게는 8 ppb 이하로 함으로써, 생산수 속의 실리카 농도 및 붕소 농도를 현저히 저하시킬 수 있다.
상기 음이온 제거 수단(9)으로서는, 탈기막 장치, 탈탄산탑, 진공 탈기탑 등의 탈기 장치 외에, 역침투막 분리 장치, 전기 투석 장치, 음이온 교환체를 포함하는 이온 교환 수지탑 등의 이온 교환 장치 또는 전기 탈이온 장치가 예시된다.
탄산 제거를 위해, 탈기막, 탈탄산탑, 진공 탈기탑 등의 탈기 수단을 포함하는 것이 바람직하다. 특히 진공 흡인 방식(예컨대 20 Torr 이하), 또는 질소 등에 의한 스위프 방식, 혹은 양자를 행하는 탈기막 처리 장치는 탄산 제거 효율에 우수하다.
도 10은 음이온 제거 수단(9)으로서 전기 탈이온 장치(8)를 채용한 경우의 일례를 도시하는 계통도이다. 이 전기 탈이온 장치(8)는 양극과 음극 사이에 음이온막(8a)과 양이온막(8c)에 의해 탈염실(8D)과 농축실(8A, 8B)을 형성한 것이다. 피처리수는 각각의 실(8A, 8B, 8D)로 병류로서 유통되고, 탈염실(8D)로부터의 탈염수와 농축실(8B)로부터의 농축수가 전기 탈이온 장치(10)의 농축실(15)의 탈염실 출구측에 공급되며, 탈염실 입구측으로부터 유출된다. 이 전기 탈이온 장치(8)에서는 탈염실(8D)의 음이온 막(8a)측의 농축실(8A)과 양이온 막(8c)측의 농축실(8B)이 있어, 농축실(8A)에 농축된 음이온 성분만 배출되어, 양이온이 농축된 농축실(8B)은 탈염실(8D)로부터의 탈염수와 함께, 전기 탈이온 장치(10)의 농축실(15)에 공급된다. 이 전기 탈이온 장치(8)는 이와 같이 음이온 성분만을 제거, 저감하는 것이다.
본 발명에서는, 탈염실에 공급되는 피처리수로서 음이온 제거 처리된 것을 이용하여도 좋고, 이와 같이 함으로써, 탈염실의 음이온 부하가 경감되기 때문에, 약 음이온 농도가 저레벨이 된 생산수를 더 얻을 수 있다. 이 음이온 제거 처리로서는, 탈기 처리, 역침투 처리 등이 적합하다. 활성탄에 의해 유기 성분을 흡착 제거하거나, 염소를 이온화하는 것도 적합하다.
탈염실로의 급수로부터 음이온 제거 처리에 의해 탄산 이온을 제거하는 경우에는, 음이온 제거 수단으로서 탈기 수단(특히 막 탈기 장치)을 이용하는 것이 특히 바람직하다. 또한, 탈기 처리수의 일부를 탈기 장치 입구로 재순환시켜 탄산 제거 효율을 올리는 것이 바람직하다.
탄산 제거를 위한 탈기 처리에 있어서는 유입수를 산성으로 하고, 바람직하게는 pH 4 내지 PH 6, 더욱 바람직하게는 pH 4 내지 PH 5로 조정하여 탄산 제거 효율을 올리는 것이 바람직하다.
탈기 막의 가스측을 진공 펌프로 흡인하는 경우에는, 진공도를 50 Torr 이하, 더욱 바람직하게는 20 Torr 이하로 하는 것이 탄산 제거 효율을 올리는 점에서 바람직하다.
원수를 역침투 처리(이하 RO 처리라고 하는 경우가 있음)하는 경우, 다단, 예컨대 2단으로 처리를 행함으로써, 탄산, 실리카, 붕소 등의 약 음이온 성분을 충분히 저감시키는 것이 바람직하다.
이 경우, 1단째 및/또는 2단째의 RO 입구수를 알카리성(pH 8 내지 PH 10)으로 함으로써, 약 음이온 성분의 제거 효율이 향상된다.
이 알카리성으로 하기 위한 알카리 생성 수단으로서, 특허 공개 2001-113281호에 교시되어 있는 탈염실 두께 7 mm 이상(바람직하게는 15 mm)으로 음이온/양이온의 혼합 이온 교환체를 충전한 전기 탈이온 장치를 이용하여도 좋다. 이와 같이 하면 알칼리 생성과 동시에, 약 음이온 성분도 저감된다. 이러한 전기 탈이온 장치는 1단째와 2단째의 RO 장치 사이에 배치되는 것이 바람직하다.
전처리로서는, 상기 2단 RO 처리와 탈기 처리를 포함하는 것이 초고순도의 초순수, 예컨대 비저항 18.2 MΩ·cm 이상, 실리카 농도 0.05 ppb 이하, 붕소 0.005 ppb 이하의 처리수를 얻기에는 특히 적합하다.
전술의 전처리 장치를 전기 탈이온 장치(10)의 전단에 배치한 구성예를 도 4 내지 도 7에 도시한다.
도 11에서는, 원수를 전처리 장치로서의 탈기막 장치(101)에 의해 탈기하여 전기 탈이온 장치(10)의 피처리수로 되어 있다. 또한, 탈기막 장치(101)의 탈기 처리수 일부는 상기 장치(101)의 상류측으로 반송되어, 반복 처리되어 있다.
도 12에서는, 원수를 전처리 장치로서의 활성탄 흡착탑(102)과 2단 RO 장치(103, 103)에 통수하여 피처리수로 되어 있다.
도 13에서는, 원수를 활성탄 흡착탑(102), 제1 RO 장치(103), 전기 탈이온 장치(104), 제2 RO 장치(103)로 처리하여 전기 탈이온 장치(10)의 피처리수로 되어 있다. 또한, 전기 탈이온 장치(104)로서는, 예컨대 특허 공개 2001-113281호의 전기 탈이온 장치를 이용할 수 있지만, 이것으로만 한정되는 것은 아니다.
도 14에서는, 원수를 활성탄 흡착탑(102), 2단 RO 장치(103, 103), 탈기막 장치(101)에 의해 처리하고, 전기 탈이온 장치(10)의 피처리수로 되어 있다.
본 발명에서는, 농축실에 공급되는 농축수로부터 음이온을 제거하는 수단은 전기 탈이온 장치(10) 그 자체로도 좋다. 즉, 도 15와 같이, 피처리수의 전량을 전기 탈이온 장치(10)의 탈염실(16)로 유통시켜, 그 생산수의 일부를 농축실(15)로 탈염실 출구측으로부터 탈염실 입구측을 향하여 유통시켜도 좋다.
본 발명에서는, 전기 탈이온 장치(10)를 다단으로 설치하고, 원수를 다단으로 탈이온 처리하여도 좋다.
도 16은 장치(10)와 동일 구조인 전기 탈이온 장치(10A, 10B)를 다단으로 설치한 전기 탈이온 시스템의 통수 계통도이며, 제1 전기 탈이온 장치(10A)와 제2 전기 탈이온 장치(10B)가 직렬로 접속되어 있다.
도 16의 전기 탈이온 시스템에서는, 피처리수가 제1 전기 탈이온 장치(10A)의 탈염실(16A)에 통수되어 1차 생산수가 된다. 이 1차 생산수가 제2 전기 탈이온 장치(10B)의 탈염실(16B)로 유통된다. 농축실(15A, 15b)의 농축수 유통 방향은 탈염실(16A, 16B)과 향류 방향이다. 상기 탈염실(16B)로부터의 2차 생산수(생산수)가 추출되어, 그 일부가 농축실(15B)에 공급된다. 제2 전기 탈이온 장치(10B)의 농축실(15B)로부터 유출되는 농축수는 음이온 농도가 낮은 것이며, 상기 농축실(15A)에 공급된다.
제1 전기 탈이온 장치(1)의 농축실(15A)로부터의 유출수는 농축 배수로서 배출된다.
본 발명의 제3, 제4 양태에서는, 탈염실의 두께는 2 내지 7 mm, 유속은 LV= 60 내지 120 m/h, SV= 100 내지 200/h가 바람직하다. 농축실의 두께는 2 내지 7 mm, 유속은 LV= 10 내지 30 m/h, SV= 25 내지 50/h가 바람직하다. 탈염실, 농축실 모두 이온 교환체가 충전되고, 특히 음이온 양이온의 혼합으로 충전되어 있고, 전류 밀도 300 내지 700 mA/dm2로 운전되는 것이 바람직하다. 농축실에 공급하는 물은, 순환 펌프 등으로 농축실 입구에 재순환시키지 않고, 일과식 형태로 하는 것이 바람직하다.
도 16과 같이 복수의 탈염실에 직렬로 통수하는 경우에는, 특히 최종단 탈염실의 두께는 2 내지 7 mm, 유속은 LV= 60 내지 120 m/h, SV= 100 내지 200/h가 바람직하다.
이상과 같이, 본 발명의 전기 탈이온 장치 및 그 운전 방법에 의하면 음이온 농도, 특히 모든 무기 탄산 농도가 현저히 낮은 생산수를 확실하게 생산하는 것이 가능해진다.

Claims (21)

  1. 양극과 음극 사이에 이온 교환막에 의해 농축실과 탈염실이 구획된 전기 탈이온 장치의 운전 방법으로서,
    농축수를 상기 농축실에 유통시킴과 함께, 원수를 피처리수로서 탈염실에 유통시키고, 생산수로서 상기 탈염실로부터 추출하는 운전 방법에 있어서,
    상기 농축실로부터 유출되는 농축수의 붕소 농도를 생산수의 붕소 농도의 500배 이하 또는 10 ppb 이하로 하는 것을 특징으로 하는 전기 탈이온 장치의 운전 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 농축실 및 탈염실이 피처리수가 흐르는 방향을 따라서 복수개 설치되어 있고, 피처리수가 흐르는 방향의 가장 하류측의 농축실로부터 유출되는 농축수의 붕소 농도를, 가장 하류측의 탈염실로부터 유출되는 생산수의 붕소 농도의 500배 이하 또는 10 ppb 이하로 하는 것을 특징으로 하는 전기 탈이온 장치의 운전 방법.
  3. 제1항에 있어서, 생산수의 일부를 농축실에 공급하는 것을 특징으로 하는 전기 탈이온 장치의 운전 방법.
  4. 제1항에 있어서, 농축실에 공급하는 농축수를 탈염실 출구에 가까운 쪽부터 공급하고, 탈염실 입구에 가까운 쪽부터 유출시키는 것을 특징으로 하는 전기 탈이온 장치의 운전 방법.
  5. 양극과 음극 사이에 이온 교환막에 의해 농축실과 탈염실이 구획되고, 농축수가 상기 농축실에 유통되며, 원수가 피처리수로서 탈염실에 유통되고, 생산수로서 취출되는 전기 탈이온 장치에 있어서,
    상기 농축실로부터 유출되는 농축수의 붕소 농도를 생산수의 붕소 농도의 500배 이하, 또는 10 ppb 이하로 하는 수단을 구비한 것을 특징으로 하는 전기 탈이온 장치.
  6. 제5항에 있어서, 복수개의 탈염실이 직렬로 마련되어 있고, 마지막 탈염실에 대하여 이온 교환막을 통해 이격된 농축실로부터의 농축수의 붕소 농도를 마지막 탈염실 생산수의 붕소 농도의 500배 이하, 또는 10 ppb 이하로 하는 것을 특징으로 하는 전기 탈이온 장치.
  7. 제5항에 있어서, 농축실에 공급하는 농축수는 탈염실 출구에 가까운 쪽부터 공급되고, 탈염실 입구에 가까운 쪽부터 유출되는 것을 특징으로 하는 전기 탈이온 장치.
  8. 제5항에 있어서, 생산수의 일부를 농축수로서 농축실에 유통시키는 수단을 구비한 것을 특징으로 하는 전기 탈이온 장치.
  9. 제5항에 있어서, 농축실에 공급되는 물로부터 붕소를 제거하는 수단을 구비한 것을 특징으로 하는 전기 탈이온 장치.
  10. 양극과 음극 사이에 이온 교환막에 의해 농축실과 탈염실이 구획된 전기 탈이온 장치의 운전 방법으로서,
    피처리수를 상기 탈염실에 유통시키고, 농축수를 상기 농축실에 유통시키는 운전 방법에 있어서,
    상기 농축수로서, 음이온 제거 처리 수단으로 처리된 저 음이온 농도수를 탈염실 출구에 가까운 쪽부터 상기 농축실에 유입시킴과 함께, 탈염실 입구에 가까운 쪽부터 유출시키도록 상기 농축실에 유통시키는 것을 특징으로 하는 전기 탈이온 장치의 운전 방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 음이온 제거 처리 수단으로 처리된 저 음이온 농도수의 전체 무기 탄산 농도가 50 ppb 이하인 것을 특징으로 하는 전기 탈이온 장치의 운전 방법.
  12. 제10항에 있어서, 상기 음이온 제거 처리로 처리된 저 음이온 농도수의 실리카 농도가 100 ppb 이하인 것을 특징으로 하는 전기 탈이온 장치의 운전 방법.
  13. 제10항에 있어서, 상기 음이온 제거 처리로 처리된 저 음이온 농도수의 붕소 농도가 10 ppb 이하인 것을 특징으로 하는 전기 탈이온 장치의 운전 방법.
  14. 제10항에 있어서, 상기 탈염실로부터 유출되는 생산수의 일부를 농축실에 공급하는 것을 특징으로 하는 전기 탈이온 장치의 운전 방법.
  15. 제10항에 있어서, 상기 음이온 제거 처리 수단이 탈기 수단을 갖는 것을 특징으로 하는 전기 탈이온 장치의 운전 방법.
  16. 제10항에 있어서, 상기 음이온 제거 처리 수단이 이온 교환 장치 또는 전기 탈이온 장치를 갖는 것을 특징으로 하는 전기 탈이온 장치의 운전 방법.
  17. 제10항에 있어서, 원수를 음이온 제거 처리하고, 이 처리수를 피처리수로서 상기 탈염실에 공급하는 것을 특징으로 하는 전기 탈이온 장치의 운전 방법.
  18. 제17항에 있어서, 상기 원수를 역침투 처리 및 탈기 처리에 의해 음이온 제거 처리하는 것을 특징으로 하는 전기 탈이온 장치의 운전 방법.
  19. 양극과 음극 사이에 이온 교환막에 의해 농축실과 탈염실이 구획되고,
    피처리수가 상기 탈염실에 유통되며, 농축수가 상기 농축실에 유통되는 전기 탈이온 장치에 있어서,
    상기 농축수를 탈염실 출구에 가까운 쪽부터 상기 농축실에 유입시킴과 함께 탈염실 입구에 가까운 쪽부터 유출시키도록 농축수 도입 수단 및 유출 수단이 마련되어 있고,
    상기 농축실에 유입하는 농축수로부터 음이온을 제거하는 수단이 마련되어 있는 것을 특징으로 하는 전기 탈이온 장치.
  20. 제19항에 있어서, 상기 음이온을 제거하는 수단은 음이온 제거 처리 후의 전체 무기 탄산 농도를 50 ppb 이하로 하는 것을 특징으로 하는 전기 탈이온 장치.
  21. 제19항에 있어서, 상기 탈염실에 공급되는 물로부터 음이온을 제거하는 수단을 구비한 것을 특징으로 하는 전기 탈이온 장치.
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