KR20050118298A - 연속 전기탈이온화 장치 및 방법 - Google Patents

연속 전기탈이온화 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에 의한 정수 방법은 최소한 한 개의 역삼투 유닛을 통하여 원수를 통과시켜 물 생성수와 배출수를 생산하는 단계와;
역삼투 유닛으로부터의 생성수를 연속 전기탈이온화 유닛의 희석 스트리임으로 투입하는 단계와;
제1 통과 역삼투 유닛으로부터 공급된 배출수를 연수기로 투입하여, 제1 통과 삼투 유닛으로부터 공급된 배출수보다 보다 적은 경질 물질를 갖는 물을 생산하는 단계와;
상기 연수기로부터 공급된 물을 연속 전기탈이온화 유닛의 농축 스트리임 내로 투입하는 단계를 구비하며,
상기 연속 전기탈이온화 유닛은 희석 스트리임으로부터 공급된 물을 더 정제하는 것을 특징으로 한다.
역삼투 유닛에서, 원수는 두개의 부분 즉, 배출 부분 물과 생성 부분 물로 나누어 진다. 역삼투 유닛에서, 배출 부분 물은 더 농축되고, 그리고 배출 부분 물의 물 분자가 최소한 한 개의 막을 경유하여 생성 부분 물 내로 공급되면서 희석된다. 배출 부분 물은 역삼투 유닛을 경유하면서 배출 부분 물이 되고, 생성 부분 물은 역삼투 작용을 거치면서 생성수이 되는 것이다.

Description

연속 전기탈이온화 장치 및 방법{apparatus and method for continuous electrodeionization}
본 발명은 조합 역삼투/연속 전기탈이온화 물 처리 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 고품질의 물을 생산하기 위한 조합 역삼투/연속 전기탈이온화 물 처리 시스템에 관한 것이다.
소정의 특성을 갖는 고품질의 물을 생산하기 위한 필요 조건들은 전자 산업, 전력 산업 및 약학 산업과 관련이 있다. 반도체 산업을 위한 물 순도 필요조건은 여러 산업 분야에서도 가장 엄격하다. 이와 같은 물의 일반적인 사용 방법은 오염도를 줄이기 위하여 원수 공급 (상수도 공급과 같은)에 있어 소정의 처리 과정을 필요로 한다. 고품질의 물 처리 과정과 상기 과정을 실시하기 위한 하드웨어 장치들은 복잡하고 고가이다. 전자 산업 및 반도체 산업용의 ASTM D 5127-99 표준안에는 현재의 고품질 물에 대한 규정이 소개되어 있다.
이온 교환 수지가 탈이온 물을 생산하기 위하여 일반적으로 사용되어 오고 있다. 물의 정제를 위하여 사용될 수 있는 다른 잘 알려진 공정들은 증류, 전기 투석, 역삼투 및 액체 크로마토그래피 방법들이 있다. 이러한 이온 교환 공정은 취급하기가 위험한 독성 화학품을 포함하고 있다. 사용된 화학품을 제거할 때는 환경을 고려하여 안전하게 이루어져야 한다. 이점에 있어서, 최근에는 자체 발생 기능을 갖는 탈이온화 장치가 많은 관심을 끌고 있다. 독성 화학품 사용을 피하기 위하여, 이온 교환 수지의 탈이온화 기능과 이온 교환막의 전기투석 기능들이 화학품 재발생이 없는 고품질의 탈이온수를 제조하기 위한 전기탈이온장치에 함께 조합되어 사용된다 (미국 특허 번호 6,274,019). 전기탈이온화는 물을 탈이온화하기 위하여 이온 교환수지, 이온 교환막 및 전기를 이용하는 물 정제기술이다(이에 대하여 보다 구체적인 내용은, 윌킨스 에프 씨 및 멕코넬 피 에이의 "마이크로 전자등급의 물을 제조하기 위한 연속 탈이온화" 솔리드 스테이트 기술 pp87 - 92, 1988 8월을 참조). 전기탈이온화는 정제 영역 내에 이온 교환 수지의 존재 여부에 의하여 전기투석 방법과 구분된다. 다른 종래 기술에 의하면, 미국 특허 번호 2,796,395; 2,947,688; 2,923,674; 3,014,855; 3,384,568 및 4,165,273에는 사린(saline)을 정제하기 위하여 전기탈이온화 방법과 이온 교환 수지의 방법을 조합하여 사용하고 있다.
미국 특허 번호 2,689,826; 2,815,320; 3,149,061; 3,291,713; 3,330,750 및많은 다른 특허는 전기탈이온화의 사용에 대하여 공개하고 있다. 미국 특허 번호 6,632,745는 상업적으로 성공한 전기탈이온화 장치를 공개하고 있다. 셀 쌍(cell pair)이라고 불리는 기본 반복 요소(basic repeating element)는 정제 영역을 구비하며, 상기 정제 영역의 각 측면은 음이온막 및 양이온막이 결합되어 있으며, 혼합층 (mixed bed) 이온 교환 수지 및 농축 영역(윌킨스 및 멕코넬을 참조)을 구비하고 있다. 전기탈이온화 장치 내로 공급되는 물은 최소한 3개의 부분으로 분리된다. 그 중 적은 분량의 물은 전극으로 흐르며, 많은 분량의 물은 정제 영역을 통하여 흐르며, 나머지 물은 농축 영역을 따라 통과한다. 직류 전위의 영향에 의하여, 전화 영역 내의 이온들은 인근의 농축 영역 내로 이동한다. 수지로 채워진 정제 영역 내로 이동하는 이온들은 전위 변화 방향에 있는 수지 및 이온 교환막을 통하여 농축 영역 내로 이동한다(리앙, 엘 에쓰, 우드 제이 및 하스 더불류의 "발전소에 있어서 전기탈이온화 시스템의 설계 및 성능", 초고품질의 물 pp 41-48, 1992년 10월을 참조). 결과적으로, 물에 있는 이온들은 정제 영역 내에서 고갈되며, 인근 농축 영역에 집중하게 된다. 제3번째 스트리임은 그 스트리임이 흘러 감에 따라 전극으로부터 가스를 제거하고, 전극들을 통하여 흘러가는 전극 스트리임이다. 정제된 공급물의 정제 정도에 따라 시스템 복구가 결정된다. 역삼투 제품을 갖는 종래의 전기탈이온화 시스템에 있어서, 밀도 스트리임은 80 내지 95%(리앙 외 다수를 참조)의 범위로 내에서 소정의 복구를 구현하기 위하여 재순환될 수 있다. 미국특허 6,193,869는 모듈 유형의 시스템 설계 이용에 관한 기술을 공개하고 있다.
전원 공급은 일정한 전류 또는 일정한 전압 공급이 될 수 있다. 현재로서는, 전기탈이온화 장치는 일정한 전압 전원 공급을 이용하여 작동하는 것에 관한 것이다. 상기 전원 공급에서, 전류는 일정한 전압을 유지하기 위하여 가변적이다. 불행하게도, 전기탈이온화 장치의 전기 임피던스는 모듈의 사용 연한에 따라 증가한다. 이와 같은 임피던스의 증가는 전기탈이온화 장치의 사용 연한이 증가할 수 록, 상기 장치를 통하여 흐르는 전류는 일정한 전압이 공급될 때 감소한다는 것을 의미한다 (미국 특허 6,365,023을 참조). 상기와 같은 작용에 따라 전기탈이온화 장치를 이용하여 좋지 않은 물 수질을 얻게 된다. 이와 유사하게, 낮은 임피던스를 가지며, 일정한 전압에서 작동하는 새로운 전기탈이온화 장치는 대단히 높은 전류를 발생시킬 수 있다. 여기서, 전기탈이온화 장치의 스케일링(scaling) 현상은 장치에 공급되는 필요한 전류보다 더 많은 전류가 공급되는 곳에는 문제가 될 수 있다. 전기탈이온화 장치의 임피던스는 온도가 감소함에 따라 증가한다. 결과적으로, 스케일링의 위험 정도는 겨울철에 낮을 수 있다. 미국 특허 6,365,023은 일정한 전류 전원 공급의 이용에 대한 기술을 공개하고 있다. 이온의 제거는 일정한 전기 전류를 이론적으로 최소 전류 값인 약 1.5 내지 15배의 범위 내로 공급하여 달성된다.
전기탈이온화 장치에 있어서, 음이온 및 양이온 교환막 사이에 위치하는 가스켓(gasket)은 정제 영역을 구성한다. 미국 특허 4,632,745, 4,747,929, 4,925,541, 4,931,160, 4,956,071은 전기탈이온화 장치의 가스켓 설계 기술을 공개하고 있다. 여기서, 가스켓에 따라 우수한 유체 흐름과 전기 전류 공급이 결정되며, 가스켓은 유체 흐름에 있어서 낮은 압력 저하 특성을 갖는다 (미국 특허 6,123,823을 참조).
미국 특허 4,925,541은 플레이트 및 프레임 전기탈이온화 장치 및 방법을 공개하고 있다. 상기 플레이트 및 프레임 장치는 그 크기가 크고, 큰 용기를 밀봉하는 어려움으로 인하여 누출의 단점이 있다. 나선형 권선 모듈(미국 특허 5,376,253 및 라이헨 피, 알론소 에스 및 알트 에이치 피에 의한 "최신의 모듈 유형의 전기탈이온화 기술을 이용한 고품질의 물 생산" 고품질 물 유럽, 암스텔담 1996) 및 헬리컬 형상의 모듈 (미국 특허 6,190,528)이 공개되어 있다.
이온 교환 물질들은 일반적으로 양이온 교과 수지 및 음이온 교환 수지의 혼합물이다 (미국 특허 4,632,745를 참조), 그리고 이러한 수지들의 상호 교차하는 레이어들은 미국 특허 5,858,191 및 5,308,467에 공개되어 있다. 반대 이온 (counter-ions)들을 교환하기 위한 그들의 능력으로 인하여, 이온 교환 수지들은 전기적으로 전도성을 갖는다(Heymann E., 및 O'Donnell I. J., Journal of Colloid Science, Volume 4, pp 395, 1949). 수지로 채워진 정제 영역들에 의하여 이온들은 높은 저항성을 갖는 고도의 정제 용액에서 낮은 저항 전기 경로를 생성하여 이온 교환 비드들을 따라 이동하게 된다 (Griffin C의 "고순도 물의 생산에 있어서 연속 탈이온화 이용에 있어 개선 기술" ultrapure water, pp 52-60, 1991 여름을 참조). 소정의 경로가 주변의 벌크 용액을 경유하는 경로보다 전기 저항이 훨씬 낮은 이온 교환 수지 비드(beads)들을 경유하여 형성되어, 장치로부터 이온들을 제거하게 된다(Ganzi G C의 "Ion pure (상표) 연속 탈이온화 공정: 전기 전류 분배의 성능 효과, 80차 AIChE 미팅, 워싱턴 DC 제공, 1988년 11월 참조). 강한 해리 이온 교환 수지들은 리터 당 0.1 그램 상당량의 염화 나트륨을 포함하는 수용액과 동일한 정도인 약 100 옴-센티미터 크기의 전기 저항을 갖는다. 미국 특허 5,593,563은 캐소드 영역에서 금속 입자 및/또는 탄소 입자와 같은 전자 전도 입자들의 이용 기술을 공개하고 있다. 미국 특허 5,868,915는 화학품, 온도 및 그들의 전해 영역에서 잔류물 저항 인공 탄소질 흡수 입자(0.5 - 1.0 밀리미터 직경), 정제 영역 또는 농축 영역을 공개하고 있다. 가스의 존재, 좋지 않은 흐름 분포, 낮은 온도 및/또는 전해 영역에서의 낮은 전도성 액체들은 전기 전류 분배를 저해하며, 탈이온화 효능을 저감시킨다.
혼합층 이온 교환 재료들이 사용되는 곳에서는, 정제 영역의 두께는 수지를 경유하여 막으로 이송되는 불순물 이온의 이송 효능을 최대화하기 위하여 충분할 정도로 박형이어야 한다 (미국 특허 6,197,174). 보다 박형인 희석 영역은 보다 높은 제조 비용을 요구한다. 미국 특허 4,636,296은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 음이온 및 양이온 교환 수지의 교차 레이어를 포함하는 전기탈이온 장치를 공개하고 있다. 미국 특허 6,197,174는 음이온 및 양이온 수지들의 한 개의 혼합층 위상 및 상기 혼합층 위상에 인접한 최소한 한 개의 단일 위상의 사용 기술에 대하여 공개하고 있다. 미국 특허 6,156,180은 가변 영역 내에서 제2 이온 교환 수지 물질의 분산된 클러스터 위상을 갖는 제1 이온 교환 수지 물질의 연속 위상의 이용에 관한 기술을 공개하고 있다. 이와 같은 구성은 두께를 증가시키고 그리고 정제 영역의 크기를 증가시켜, 정제 영역에 보다 많은 수지가 위치하도록 하며, 주어진 유속에 대하여 필요한 막을 감소시키는 역할을 한다.
불균일한 비드(bead) 크기를 갖는 수지들이 정제 영역에 위치하게 되면, 이온 교환 속도가 증가하고, 이에 따라 보다 우수한 염 성분을 제거하는 작용을 가져온다(Griffin 참조). 상기의 결과는 수지 표면 영역에서 증가와, 시스템 내의 전기 회로에서의 수지 활성 정도에서 실질적인 효과 증가로 인하여 발생한다. 미국 특허 5,308,466은 수지 및 막의 저항을 저하시키기 위하여 낮은 상호교차 이온 교환 수지 또는 막의 사용에 대한 기술을 공개하고 있다. 상기와 같은 수지 또는 막은 보다 높은 상호 교차 정도를 갖는 수지 및 막들과 비교하여, 보다 큰 침투성 물 성분과, 보다 큰 기공 크기 및 감소된 전하 밀도를 갖는다. 미국 특허 5,858,191은 전기 전류 분포, 수지 생성 정도, 탈이온 성능을 개선하기 위하여 음이온 침투성 막 내에서 유형 2 음이온 교환 수지 물질 단독으로 또는 유형 1 음이온 교환 수지 물질과 함께 사용하는 기술을 공개하고 있다. 그리고, 미국특허 6,284,124는 상호 교차하는 레이어들 사이에서 전도성 차이를 감소시키기 위하여 정제 영역에서 도핑된 양이온 교환 수지 및 유형 1 음이온 교환 수지 물질의 사용 기술을 공개하고 있다. 미국 특허 6,312,577는 보다 높게 교차 연결되어 있으며 고품질의 물 성분(content)을 갖는 마이크로 기공성 이온 교환 수지의 이용 기술을 공개하고 있다. 상기 시스템은 약하게 이온화된 이온들, 특히 실리카를 제거하기 위한 개선된 방법을 제공한다.
이온들이 공급 물 내에 존재하게 되면, 이온들이 농축 영역 내로 이동함에 따라 전하는 정제 영역을 통과하게 된다. 이러한 이온들이 제거됨에 따라, 소정의 포인트(point)는 불충분한 이온들이 전극에서 발생되는 전하들을 이동시킬 수 있는 전기탈이온 시스템 내에 있게 된다.
셀(shells)에서 저항이 충분하게 증가 되어, 결과적으로 전압이 증가하게 된다. 정제 챔버 내에 서로 다른 세기 인가되는 전압은 물이 H+ 및 OH_ 이온들로 분해할 때까지 증가하게 된다(Byrne W. 물 처리 백과사전, Volume X: EDR & EDI, Version U 1.0, Wes Byrne 및 Company for Educational Advancement (CEA) 1999). 전기 탈이온화 장치에 있어서, H+ 및 OH_ 이온들은 물 분해에 의하여 만들어지며, 정제 영역 내에 채워진 이온 교환 수지들을 연속하여 재생성하게 되어, 전기탈이온화 장치는 효율적으로 물을 탈이온화하게 된다. 희석 영역에서의 높은 전압은 물을 분해시키는 역할을 할 뿐만 아니라, 역삼투 시스템을 경유하는 낮은 분자 무게를 갖는 유기물을 파괴하게 된다 (Auerswald, D.의 "역삼투/연속 전기탈이온화 시스템의 성능을 최적화하기" Ultrapure Water, pp 35-52, 1996 5월/6월). 공급물로부터 이온을 방출하기 위하여 필요한 이론적인 양보다 더 많은 전기 전류가 공급되어, 정제 영역 내에서 물을 분해하여 이온 교환 수지들을 연속적으로 생성하게 된다. 96500 coulombs(1 Faraday) 만큼의 통과는 이론적으로 한 개의 화학 등가를 갖는 한 개의 염의 이동을 가능하게 한다. 정제 영역에서 인근의 농축 영역으로의 이온 제거 메카니즘은 수지 위상으로의 이온 확산과, 수지 위상 내에서 정제 영역의 접속(Bounding) 막에 전기 전도가 발생한다.보다 높은 이온 제가 속도를 얻기 위하여, 양이온 교환 수지는 수소 형태로 존재해야 하며, 그리고 음이온 교환 수지는 수산화물 형태로 존재해야 한다. 물이 이온으로부터 떨어져 상대적으로 자유로운 상태로 존재하는 정제 영역의 단부에서, 전기장 내에서 물의 분해가 일어나서 수소와 수산화물 이온들이 발생한다. 물의 분해로부터 발생하는 H+ 및 OH_ 이온 생성에 의하여 수지들이 수소와 수산화물의 형태로 존재하게 된다. 나아가, 생성된 형태의 수지들은 약하게 이온화된 물질과 반응을 하여, 그 물질의 이동을 가능하게 한다 (Ganzi 설명 참조). 양이온과 음이온 교환 수지의 혼합물의 자연적인 성질에 따라 높은 순도의 수지가 재생성되고, 원하지 않은 다른 것들도 재생성된다. 물 분해에 있어 균일한 분배를 성취하는 것은 어려운 문제이고, 상기와 같은 성취를 위해서 구조를 설계에 많은 노력이 필요하다 (미국 특허 6,241, 5,858,191, 5,868,915 및 5,308,467 참조).
스케일링은 전기탈이온화 장치의 국지적인 영역, 즉 일반적으로 높은 pH가 존재하는 영역에서 발생한다. 경계 레이어에서의 pH는 전류에 따라 증가한다. 최소한 스케일링 발생을 방지하기, 스케일링 발생을 최소한 줄이기 위하여 충분히 낮은 전류가 필요하다. 전류가 너무 낮으면, 나쁜 수질의 물이 생산된다. 전류가 너무 높으면, 스케일링 발생이 증가한다 (미국 특허 6,365,023 참조). 전기 탈이온화 장치를 이용하는데 있어서 어려움은 캐소드 영역의 기본 환경과 접하는 액체 내에 칼슘, 마그네슘 및 중탄산염(bicarbonate) 이온들이 존재하기 때문에, 캐소드 영역 내에 용해가 되지 않는 스케일이 증착되는 것이다. 스케일링은 높은 물 복구 조건하에서 농축 영역에서 발생한다. 칼슘 카보네이트가 용액 내에 침전되도록, Langelier Saturation Index (LSI)는 양의 값이 되어야 한다. 캐소드 영역 내에서, pH 값은 LSI가 양의 값이 되도록 충분히 높일 수 있다. 역삼투를 이용하여 만든 물의 LSI는 항상 음의 값을 가진다. 여기서, LSI는 전기탈이온화 농도 스트리임에서 음의 값을 갖는다. 따라서, LSI 한개 만을 고려했을 때는, 농축 영역 내에서 발생하는 탄산칼슘의 침전을 기대할 수 없다. 이러한 현상은 각 영역의 조건들에 따라 설명될 수 있다(미국 특허 6,296,751 참조). 전기탈이온화 장치가 작동 중일 때는, 음이온 교환 막의 일 표면 근처가 알칼린화된다. 정제 장치로부터 음이온 교환 막 내부로 투입되는 CO3 또는 HCO3 - 및OH- 는 음이온 교환막 근처에 집중적으로 모이게 된다. 농축 영역 내의 물 속에 존재하며 경수의 원인이 되는 다원자 양이온이 생성되어 음이온 교환막으로 이동한다. 따라서, CO3 2 - 및 OH-는 CA2 +와 반응하여, 음이온 교환 막에 탄산칼슘으로 이루어진 스케일을 만들게 된다. 상기와 같이 스케일이 생성됨에 따라, 스택을 경유하는 전기 및 물의 흐름은 저항을 갖게 된다.
스케일이 형성되면, 스케일이 형성되는 영역에서의 전기적인 저항은 증가하고, 상기 영역의 단부에서 전기 전류의 흐름이 약해진다. 최악의 조건에서는, 이온을 제거하는데 필요한 충분한 전류가 장치의 최대 전압에 인가되지 않는 문제가 있으며, 처리된 물의 질이 나빠진다. 스케일 형성을 막는 방법은 보다 부드러운 물을 제공하여 공급 스트리임으로부터 다원자가 양이온을 제거하는 것이다. 전기탈이온 장치에서는, 시스템으로 공급되는 칼슘의 농도가 대단히 낮은 레벨로 한정할 것을 제안한다. 예를 들면 0.5ppm 이하로 한정된다 (미국 Filter Literature 번호 US2006). 미국 특허 5,308,466는 교환 수지를 포함하는 농축 영역을 이용하는 전기탈이온화장치를 공개하고 있다. 만약, 농축 영역이 이온 교환 수지들로 채워져 있으면, 음이온 교환막을 통하여 침투하는 OH- 이온들은 농축 영역으로 쉽게 이동하여, 스케일이 사라지게 된다(미국 특허 6,379,518). 알칼리성을 탄산으로 변화시키기 위하여 그리고 탄산염 및 황산염의 용해도를 증가시키기 위하여 소정의 산이 첨가될 수 있다. 산 용액을 농축 물에 산 용액을 추가하는 것은 미국 특허 6,274,019에 공개되어 있다. 농축 물에 산 용액을 추가하는 것은 농축 물 내의 경질 물질들의 용해도를 증가시키며, 스케일 형성을 막는 효과가 있다. 스케일의 침전을 억제하기 위하여 농축 영역 및 음이온 및 캐소드 영역에 스케일 억제제를 소정 양만큼 사용하는 기술은 미국 특허 6,056,878에 공개되어 있다. 물리적인 손상이 심한 스케일에 의하여 스택 요소들에 미칠 수 있다.
미국 특허 6,296,751은 전기탈이온화 장치에서 제1 및 제2 단계를 사용하는 기술을 공개하고 있다. 제1 단계 정제 영역은 음이온 교환 수지 또는 양이온 교환 수지 물질을 구비하고 있으며, 음이온 또는 양이온을 둘 중 한 개를 제거하지만, 다른 것은 제거하지 않는다. 제2 단계의 정제 영역은 제 단계로부터 충분한 정제 영역을 받아드리고, 다른 유형의 교환 이온 수지 또는 혼합 수지 물질을 포함하며, 역으로 전하된 이온들을 제거하게 된다. 제1 단계로부터의 농축은 제2 단계와 분리되어, 농축 영역 내에서 용해성 염의 스케일링을 방지하게 된다.
공급 스트리임 및 농축 스트리임을 위하여 반대편 흐름 방향을 이용하는 기술은 미국 특허 6,248,226에 공개되어 있다. 그리고, 미국 특허 6,149,788에는 스케일링을 억제하는 기술이 공개되어 있다. 상기 특허에는 농축 영역을 제1 및 제2 영역으로 분할하는 기공성 구성 또는 이온 전도막을 공개하고 있으며, 반대편 흐름 방향을 이용하는 기술과 함께 사용된다. 상기 기공성 구성 또는 이온 전도막은 농축 영역의 양이온 교환 측으로부터 농축 영역의 음이온 교환막의 방향으로 스케일 형성 금속 양이온의 이동을 효과적으로 막는 역할을 한다.
일반적으로 막 및 이온 교환 수지의 표면 위에 형성되는 콜로이드, 유기질 오염 물질 및 다른 불순물들에 의하여 전기 저항이 증가한다. 상기의 전기 저항 증가로 인하여, 스택 영역에서의 수력 저항을 증가시키고, 전류 효율은 감소하게 된다(미국특허 5,026,465 참조).
미국 특허 5,026,465에는 염기성 침전물, 콜로이드, 유기질 오염물 및 다른 불순물에 의한 스케일링 및 찌꺼기 형성을 감소시키기 위한 전기탈이온화 극성을 역으로 이용하는 기술이 공개되어 있다. 전기투석 공정에서 극성을 역으로 이용하는 기술은 미국 특허 2,863, 3,341,441, 4,115,225 및 4,381,232에 공개되어 있다.
본 발명은 단지 예시의 방법으로 그리고 다음에 첨부된 도면을 참조하여 제한함이 없이 기술된다.
도 1은 본 발명에 의한 물 정제 방법의 바람직한 일실시예를 도시하는 플로우 챠트.
제2도는 기초적인 연속 전기탈이온화 장치의 개략도이다.
제3도는 조합된 역삼투 및 연속 전기탈이온화 장치의 일실시예를 도시하는 플로우 챠트.
제4도는 조합된 역삼투 및 연속 전기탈이온 장치의 또 다른 실시예를 도시하는 플로우 챠트.
따라서, 본 발명의 목적은 물을 정제하기 위한 개선된 조합 역삼투 및 전기탈이온화 시스템을 제공하기 위한 것이며, 최소한 유용한 선택을 제공하기 위한 것이다.
따라서, 본 발명에 의한 정수 방법은 최소한 한 개의 역삼투 유닛을 통하여 원수를 통과시켜 생성수(PRODUCT WATER)와 배출수(REJECT WATER)를 생산하는 단계와;
역삼투 유닛으로부터의 생성수를 연속 전기탈이온화 유닛의 희석 스트리임으로 투입하는 단계와;
제1 통과 역삼투 유닛으로부터 공급된 배출수를 연수기로 투입하여, 제1 통과 삼투 유닛으로부터 공급된 배출수보다 보다 적은 경질 물질를 갖는 물을 생산하는 단계와;
상기 연수기로부터 공급된 물을 연속 전기탈이온화 유닛의 농축 스트리임 내로 투입하는 단계를 구비하며, 상기 연속 전기탈이온화 유닛은 희석 스트리임으로부터 공급된 물을 더 정제하는 것을 특징으로 한다.
역삼투 유닛에서, 원수는 두개의 부분 즉, 배출 부분 물과 생성 부분 물로 나누어 진다. 역삼투 유닛에서, 배출 부분 물은 더 농축되고, 그리고 배출 부분 물의 물 분자가 최소한 한 개의 막을 경유하여 생성 부분 물 내로 공급되면서 희석된다. 배출 부분 물은 역삼투 유닛을 경유하면서 배출수가 되고, 생성 부분 물은 역삼투 작용을 거치면서 생성수가 되는 것이다.
연속 전기탈이온화 장치는 음이온, 캐소드, 복수개의 양이온 교환막, 복소개의 음이온 교환막을 구비하고 있다. 음이온 및 양이온 교환막은 설치되어, 음이온 영역, 캐소드 영역, 최소한 두 개의 농축 영역 및 최소한 한개의 정제 영역을 형성한다. 이러한 영역들은 음이온과 캐소드 사이에 형성된다.제1 통과 역삼투 작용을 통하여 공급되는 배출수를 포함하는 농축 스트리임이 농축 영역, 음이온 영역 및 캐소드 영역에 제공된다. 역삼투 생성수의 공급 스트리임은 정제 영역으로 제공된다. 전기탈이온화 장치의 음이온 및 캐소드에 충분한 전원이 제공되면, 공급 스트리임 내의 음이온은 음이온 교환 막을 통하여, 농축 영역으로 흐르며, 그리고공급 스트리임 내의 양이온은 양이온 교환막을 통하여 농축 영역으로 흐른다. 상기와 같은 방법에 의하여, 정제 영역 내의 물에는 이온이 감소하게 된다. 물은 정제 영역을 통과하면서, 순수 생성수가 만들어진다.
제1 통과 역삼투 유닛으로부터 공급된 배출수가 연속 전기탈이온화 유닛로 공급되기 이전에, 경질 물질을 제거하기 위한 공정이 실시되어야 한다. 여기서, 네 가지의 서로 다른 연수화 공정들이 바람직하게 실시될 수 있다. 즉, 균일한 입자 크기와 강한 산성 양이온 수지를 포함하는 표준 역방향 흐름 연수기를 이용하는 방법, 카복실산기를 갖는 수지를 포함하는 약산성 양이온 교환기를 이용하는 방법과, 소정의 MR(Macroreticular) 수지 유형의 아미노포스폰 관능기 킬레이트 수지를 포함하는 이온 교환기를 이용하는 방법과, 소정의 MR 유형의 이미노디아세틱 산 관능기 킬레이트 수지를 포함하는 이온 교환기를 이용하는 방법이다.
도 1은 본 발명의 실험 연구에 사용된 고품질의 물 시스템을 도시한다. 상기 도면은 본 발명의 실시하기 위한 일실시예를 도시하는 플로우 챠트이다. 제1도에는, 생수 저장 탱크(1), 인-라인 정지형 혼합기(2), 멀티미디어 필터(3), 활성탄 필터(4), 1-마이크론 소형 카트리지 필터(5), 제1 통과 역삼투막 필터(6), 경질 물질를 제거하기 위한 이온 교환기(7), 제2 통과 역삼투막 필터(8), 침투 저장 탱크(9), 제1 UV TOC(토탈 유기 탄소) 저감기(10), 제1 막 탈가스장치(degassifier)(11), 연속 탈이온화기(CEDI)(12), 제1 혼합층 탈이온화기(13), 탈이온화된 물 저장 탱크(14), 플레이트 유형 가열 교환기(15), 제2 UV TOC 저감기(16), 희생(sacrificial) 연마 혼합층 탈이혼화기(17), 제2 막 디글래시피어(18), UV 살균 유닛(19), 0.1-마이크론 절대 카트리지 필터(20), 한외여과(ultrafilation) 막(21), 반송 라인에 설치된 UV 살균 유닛(22), 및 펌프(P1 내지P5)가 도시되어 있다.
일반적인 수도물이 생수 저장 탱크(1)에 저장되고, 고체 성분의 부유물을 제거하기 위하여 멀티미디어 필터(3)를 경유하여 다단계로 수직으로 설치된 원심력 펌프(P1)를 이용하여 펌핑된다. 응집제(PAC)가 고형 부유물을 응고시키기 위하여 멀티미디어 필터(3) 앞에 추가된다. 인-라인 고정형 혼합기(2)는 물을 이용하여 응집제를 적절히 혼합하기 위하여 사용된다. 멀티미디어 필터(3)로부터 공급된 정수된 물은 활성탄 필터(4)를 경유하여, 유기성 물질 및 잔존하는 염소를 제거하게 된다. 아황산 수소나트륨이 활성탄 필터(4) 앞에 제공되어, 자유 상태의 염소 및 용해된 산소를 제거하게 된다. 활성탄 필터(4)로부터 공급된 처리수는 1-마이크론 카트리지 필터(5)를 경유하면서, 미세한 고형물을 제거하게 된다.
두 단계 통과 구조의 역삼투(RO) 시스템은 고압 흡입 다단계 수직 원심력 펌프(P2 및 P3), 제1 통과 역삼투막 필터(6) 및 제2 통과 역삼투막 필터(8)를 구비하고 있다. 수산화나트륨이 두 개의 통과 구조 사이에 첨가되어, 제2 통과 역삼투 필터(8) 내에서 약하게 이온화된 실리카, 보론 및 유기물의 배출에 대하여 막 필터의 성능을 향상하게 된다. 나선형 권선 폴리아미드 합성 역삼투 막을 이용하여 역삼투 필터(6 및 8)를 만든다. 제2 통과 역삼투막 필터(8)로부터 공급된 배출 스트리임은 제1 통과 공급 스트리임으로 재순환된다. 두 개의 통과 구조의 역삼투 시스템으로부터 공급된 침투성 물질(생성수)이 저장 탱크(9) 내로 침투하게 된다. 침투성 저장 탱크(9)로부터, 물이 다단계 수직 원심력 펌프(P4)에 의하여 제1 UV TOC 저감기(10)를 경유하여 펌핑되어, 물 속에 있는 유기물을 제거하게 된다. 제1 UV TOC 저감기(10)로부터 공급된 물은 제1 막 탈가스장치(11)를 경유하여 흐르면서, 용해성 가스 및 휘발성 유기물들이 제거된다. 최종적으로 물은 CEDI 유닛(12)를 경유하여 흐르며, 그리고 제1 혼합층 탈이온화기(13)를 경유하여, 물 속에 포함된 이온성 불순물들을 제거하게 된다.
보충 처리 공정으로부터 공급된 물은 탈이온화된 물 저장 탱크(14)에 공급된다. 상기 탱크(14)는 질소로 덮게 처리되어, 탱크 내부의 물이 외부 공기로부터 오염되지 않는다. 고압 흡입 다단계 수직 원심력 펌프(P5)를 이용하여 물이 펌핑되어, 물의 온도가 떨어지고 그리고 제2 UV TOC 저감기(16)을 경유하면서, 잔존하는 유기물들을 제거하게 된다. 제2 UV TOC 저감기(16)는 TOC를 연마 공정에서 기존 33% 재순환 속도로 서브-ppb 레벨까지 제거한다. 상기 제2 UV TOC 유닛(16)로부터 공급된 물은 희생 연마 혼합층 탈이온화기(17)를 경유하고, 다시 제2 막 탈가스장치(18)를 경유하게 된다. 희생 연마 혼합층 탈이온화기(17)에서의 수지는 재생되지 않는 유형이다. 희생 연마 혼합층 탈이온화기(17)는 이온성 불순물들을 ppt 레벨 수준까지 저감시킨다. 제2 막 탈가스장치(18)는 용해된 산소를 서브-ppb 레벨까지 떨어트린다. 제2 막 탈가스장치(18)는 UV 살균 유닛(19)를 경유하고, 다음에 0.1 마이크론 절대 카트리지 필터(20)를 경유한다. 여기서, UV 살균 유닛(19)는 고순도 물을 생산하기 위하여 사용되는 살균제이다. UV 살균 유닛(19)에 의하여 공급된 소독된 물은 0.1 마이크론 절대 카트리지 필터(20)에 공급되어, 극미세 입자들을 제거하게 된다. 한외여과 유닛(21)는 연마 공정에 설치되는 마지막 장비이다. 한외여과 유닛(21)로부터 공급된 생성수의 흐름, 압력, 온도, 저항, 입자수, TOC 및 용해 산소들이 연속적으로 감시된다. 사용 지점(Point-of-use)에서의 한외여과 유닛(21)는 초미세 입자들을 제거하는 작용을 더 실시하여, 미세입자들의 수를 50nm 사이즈 입자들을 중심으로 리터 당 300개 이하로 감소시킨다. POU로부터 되돌아 오는 물은 회수 UV 살균 유닛(22)를 경유하여 탈이온화 물 저장 탱크(14)로 공급되어, 살균된 상태를 유지하게 된다.
도 1은 두 개의 통과를 구조를 갖는 역삼투 시스템을 도시하고 있다. 이러한 역삼투 시스템은 각 시스템의 복구 능력을 개선하기 위하여 농축 단계의 필요성에 따라 단일의 형태로 또는 복수개의 연속 유닛 구조로 만들어질 수 있다. 더 많은 또는 더 적은 수의 역삼투 시스템이 사용될 수 있다. 예를 들면, 단지 한 개의 역삼투 시스템이 사용될 수도 있다.
제1 통과 역삼투 배출 스트리임이 연속 전기탈이온화 유닛에 제공되기 이전에, 배출 스트리임은 이온 교환 유닛(7)를 경유하면서, 경질 물질를 제거하게 된다. 이온 교환 유닛(7)는 배출 스트리임으로부터 다원자가 양이온들을 제거하게 된다. 상기와 같은 작용을 통하여, 전기탈이온화 장치에서 소정의 농축 스트리임 전도성을 얻게 된다. 이 경우 있어서, LSI(local Langelier Saturation Index)의 값이 농축 스트리임의 음의 값을 갖도록 제1 통과 배출 스트리임에서 다원자가 양이온들을 제거하는 것이 바람직하다. 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 네 개의 시스템 중 한 개의 시스템은 제1 통과 역삼투 배출 스트리임으로부터 경질 물질를 제거하기 위한 것이다. 표준 역방향 흐름 연수화, 약산성 양이온 수지를 경유하여/지나치는 통과에 의한 연수화, 소정의 아미노포스폰 또는 이미노디아세트산 작용기의 킬레이트 수지를 이용한 연수화 방법들이 있다.
바람직한 일실시예에 따르면, 물의 연수화 시스템은 균일한 입자 크기 강산성 양이온 수지를 포함하는 표준 역 방향 흐름 연수기를 이용할 때는, 강산성 양이온 수지는 나트륨의 형태를 하고 있다.
바람직한 일실시예에 따르면, 물 연수화 시스템은 물을 연수화 시키기 위하여 약산성 양이온 수지를 경유시키거나 또는 지나치게 하는 통과 방법을 이용할 때는, 약산성 양이온 수지는 나트륨 형태를 하고 있다.
물의 연수화는 칼슘 및 마그네슘 이온들을 제거하기 위하여 일반적으로 사용된다. 상기의 칼슘 및 마그네슘은 물을 경수화(스케일) 시키는 요소들이다. 표준 역방향 흐름 연수기는 대단히 효과적이고, 상대적으로 단순한 구성이다. 경수는 나트륨 형태의 강산성 양이온 교환수지를 경유하여 흐르고, 상기 교환 수지는 배출 가능한 칼슘 및 마그네슘 이온들을 배출되지 않는 나트륨 이온 성분으로 교체하는 역활을 한다. 칼슘 및 마그네슘 이온들을 흡수하기 위한 수지의 용량이 고갈될 때, 칼럼(column)은 서비스 흐름과 반대되는 방향으로 소금 용액으로 다시 생성된다. 역 방향 흐름 연수기를 통과한 이후에 가장 빠른 통과 역삼투 배출수에 있어서, 생산되는 물은 칼슘 탄삼염으로서 약 1.5ppm의 이하의 경도를 갖는다. 역 방향 연수기는 일단 다 사용하게 되면, 재생성될 필요가 있다. 재생성은 리터 당 약 150 그램의 수지에서 소정의 재생성 레벨로 10% 식염수 용액을 이용하여 실시된다.
경질 물질를 제거하기 위하여 나트륨 형태에서 약산성 양이온 수지를 이용하는 것은 카보소프트(carbosoft) 공정과 동일한 것이다. 높은 토탈 용해 고형물(TDS)을 갖는 물을 효과적으로 연수처리 하기 위하여, 나트륨 형태의 약산성 수지를 이용할 필요가 있다. 2단계의 재생성 단계를 구비하는 이와 같은 기술은 카보소프트 공정이라 불린다. 나트륨 형태를 이용함으로써, 종래의 강산성 양이온 교환기에 의하여 나타나는 것보다 높은 칼슘 및 마그네슘에 대한 선택성을 갖는다. 사용이 끝난 수지는 높은 산성도 레벨로 재생성되며, 수산화 나트륨으로 처리된다. 나트륨 사이클로 연수화하는 공정에서, 산으로 재생된 형태는 실제의 나트륨 형태로 직접적으로 변환된다. 수지는 수소의 형태에서 나트륨의 형태로 변환되었을 때 약 50 내지 60%의 확장도를 갖는다. 이온 교환 용기는 충분히 커서 이와 같은 확장을 수용할 수 있어야 한다. 나트륨 형태의 약산성 양이온 수지를 이용하면, 생산되는 물은 제1 통과 역삼투 배출수에 있어서 탄산칼슘으로서 약 0.5ppm 이하의 경도를 갖게 된다. 약산성 양이온 수지 내로 공급되는 공급 물은 수산화 나트륨 또는 나트륨 탄산염의 pH 값을 조정하여, 공급 물의 알칼리도를 전체 경도 레벨로 증가시킬필요가 있다. 약산성 양이온 수지의 사용이 다하면, 그것 역시 재생성이 필요하다. 상기 물질의 재생성을 위하여 약 110%의 재생성율로 5%의 염화수소산이 필요하다. 그 다음으로, 5%의 수산화 나트륨 용액으로 조정을 해야한다. 나쁜 압축을 피하기 위하여, 약산성 양이온 수지는 나트륨 변환을 위하여 상부 흐름(upflow) 기술을 필요로 한다.
아미노포스폰 또는 이미노디아세트산 관능기를 갖는 MR(Macroreticular) 유형의 킬레이트 수지는 칼슘, 마그네슘 및 스트론튬에 대한 높은 선택성 뿐만 아니라 나트륨과 같은 알칼리 금속성 이온에 대하여 중금속 양이온들을 갖는다. 상기와 같은 수지의 선택성으로 인하여, 물 스트리임으로부터 경질 물질를 ppb 레벨까지 낮출 수 있을 뿐만 아니라, 용액으로부터 중금속을 제거할 수 있다. 사용이 끝난 수지는 상대적으로 높은 산 레벨로 일차적으로 재생성되며, 그 이후에 수산화물로 처리가 된다. 나트륨 공정에 있어서 연수화에서 필요로 하는 것은, 산 재생성 형태가 실제 나트륨 형태로 직접적으로 변화되어야 하는 것이다. 상기와 같은 수지는 수소의 형태로부터 나트륨의 형태로 변환되었을 때 약 40 내지 50%의 팽창도를 갖는다. 이온 교환 용기는 상기와 같은 팽창을 수용할 정도로 충분히 커야 한다.
미세그물모양 타입의 아미노포스폰 그룹 킬레이트 수지를 사용하여 연화작용할 때 연화작용으로부터의 유출수는 대부분 첫번째 통과 역삼투(reverse osmosis) 배출 수로써의 탄산칼슘으로 약 25ppb 이하의 경도를 가진다. 미세그물모양 타입의 아미노포스폰 작용기 킬레이트 수지는 최적의 작동 효율로 15BV/h의 속도공간에서 반응한다. 미세그물모양 타입의 아미노포스폰 작용기 킬레이트 수지는 나트룸 전환을 위한 나쁜 압착을 막기 위해 업플로어 기술을 사용한다.
미세그물모양 타입의 이미노디아세테이트 작용기의 킬레이트 수지를 사용하여 연화작용할때 연화작용으로부터의 유출수는 대부분 첫번 째 통과 역삼투(reverse osmosis) 배출수로써의 탄산칼슘으로 약 25ppb 이하의 경도를 가진다. 미세그물모양 타입의 이미노디아세테이트기 그룹 킬레이트 수지는 최적의 작동 효율로 15BV/h의 속도공간에서 반응한다. 미세그물모양 타입의 이미노디아세테이트기 그룹 킬레이트 수지는 나트륨 전환을 위한 나쁜 압착을 막기위해 업플로어 기술을 사용한다.
도 2는 본 실험적 연구에 사용되어진 CEDI 장치(12) 부분의 절단면을 도시하고 있다. CEDI 부분(12)은 음극(24)을 제공하는 음극부(23)와 양극(26)을 제공하는 양극부(25)로 구성된다. 양이온 교환 막(27)과 음이온 교환 막(28)의 대다수는 정제부(29)와 농축부(30)를 형성하기위해 음극부(23)와 양극부(35)사이에 교차적으로 정리된다. 정제부(29)는 음이온이 투과용 막(28)에 의한 음극부분과 양이온 투과용 막(27)에 의한 양이온부분에 연결되어있다. 인접한 농축부(30)은 각각 음이온부에서 양이온 투과용 막(27)과 양이온부에서 음이온 투과용 막(28)에 의해 대응적으로 연결된다. 정제부(29)에서 이용되어지는 전기활성 배지는 음이온(31)과 양이온(32) 교환 수지 비드의 혼합을 포함한다. 이온 교환 물질(31 및 32) 각각은 비드로 부터 이온 교환 수지 입자이다. 두번째 통과 역 삼투 생성수는 실질적으로 동일한 크기의 수지 비드를 함유하는 정제부(29)에 들어가기에 앞서 제1의 UV TOC 환원제(10)와 제1의 막 탈가스장치(11)로 처리되어진다. 유사하게, 첫번째 통과 역삼투 배출수는 농축부(30)와 음이온부(23)와 양이온부(25)에 들어가기에 앞서 경질 물질을 제거하기 위해 이온교환 유닛(7)에 의해 더 처리된다.
연속 전기탈이온화장치 유닛은 최소한 1개의 정제부와 최소한 2개의 농축부를 포함한다.
이온교환 막은 시트 형상으로 제작되어진 이온교환수지로 만들어진다. 입자 고정값의 막은 반대이온에는 투과가능하고 같은 이온은 투과되지 않는다. 이온교환 막은 또한 물에 불투과성을 가지므로 벌크용액 흐름의 장벽으로써 기능하고 반면 전위의 영향 하에 반대이온의 변환을 가능하게 한다.
농축수의 감소와 순환에 의해, 물 사용 수지는 제거되고 농축부에서 적합한 이온 농축이 얻어진다. 그 부분에서의 농축 플로어레이트는 진동을 얻기에 충분해야하고, 요구되어지는 범위 내로 압력 강하를 유지해야 한다. 시스템으로부터 더 나은 물 회복을 얻기 위한 수단으로써의 흐름을 감소하기 위해 약간의 유연성은 가능하다. 농축 플로어의 어떤 퍼센테이지는 방출되어야 한다. 전농축수의 높은 전기적 전도성에 기인한 전기적 전류 흐름의 증가는 적용된 전압이 작아지게 해야 하므로 장치의 소비 전압을 감소시킨다. 농축된 흐름에서의 높은 전도성은 후방확산이 폐기물의 질을 제한할 수 있는 한 전류의 변환을 용이하게 한다. 농축 흐름의 증가하는 유속은 물때가 농축부에서 형성되는 것을 방지한다. 전통적인 시스템에 있어서, 농축부에서 이 물때 형성 비율을 감소시키기 위한 회복을 제한하는 것이 바람직하거나, 가능한한 후방 확산의 효과를 감소시키는 것이 바람직하다.
도 3에는, 본 발명에 의한 CEDI 유닛(12)를 더욱 상세히 도시하고 있다. 전기탈이온화 시스템을 위한 급수장치(feed)는 루프(43)를 농축하기 위한 공급 흐름(33)과 보충 흐름(37)의 2개의 흐름으로 분리된다. 처리되기 위한 물은 공급 흐름(33)으로부터 정제부(29)로 유입된다. 공급 흐름(33)은 시스템에서 정제부(29)를 통해 흘러들어감에 따라 중성화된다. 목표하는 폐수의 질을 얻기위해, 농축루프(34)내의 물은 얻어지는 전류에 있어서 충분히 전도성이 있어야 한다. 농축 루프(34)는 농축 용액을 순환하기 위한 펌프 P6, 배수(36)를 위한 농축 블리드오프 라인(35), 공급 흐름(33)으로부터의 보충 흐름(37), 그리고 이온교환 유닛(7)로 부터의 고 전도성 연수 보충 흐름(38)으로 구성된다. 이온교환 장치(7)는 표준 역 흐름 소프트너 이거나 또는 나트륨 폼에서의 약 산 양이온 교환자, 또는 대형그물모양 타입의 아미노포스폰기 또는 이미노디아세트산기 킬레이트 수지를 함유하는 이온 교환자가 될 수 있다. 압력 감소 밸브(PRV 41)는 농축물을 얻기위해 보출 흐름(38)에 사용되고 전기적 피드 흐름은 정제부 흡입구로 5 내지 10 psig 이하의 압력에서 유입된다. 적합한 물때 방지기는 실리카의 과포화에 의한 물때를 방지하기 위해 연화장치로 부터 배출 흐름에 주입된다. 내부 정지된 믹서(42)는 연화장치로부터 배출 흐름에 물때방지기의 적합한 믹싱을 얻기 위해 제공된다. 보충흐름(37)은 농축 흐름(39)의 충분한 수행을 위한 이온교환 유닛(7)로부터의 고 전도성 연수 보충 흐름(38)과 혼합된다. 농축 흐름(39)의 결과물은 농축부(30)로 유입되고 음이온부(23)와 양이온부(25)로 각각 유입된다. 전기 블리드오프 흐름(40)은 미량의 염소, 수소, 산소 가스를 함유하고 있기 때문에 배수(36)로 바뀐다.
도 4에 있어서, CEDI 유닛(12)는 농축 재순환없이 도시되고 있다. 이 구성은 본 발명의 실험적 연구에 사용되었다. 적은량의 농축수에 원래 존재하는, 경(hardness) 성분은 물이 순환되고 재사용됨에 따라 점차 농축되어지고 물때를 형성하기 위한 전기적 챔버에서 또는 농축 챔버에서 과시간 더욱 빨리 농축된다. 본발명에 따른 농축 루프에서의 한번 통과 장치(once-through operation)의 사용은 이러한 물때를 방지한다. 전기탈이온화 시스템의 공급은 공급 흐름(33)과 농축 흐름(39)과 혼합되는 보충 흐름(37)의 2개 흐름으로 분리된다. 처리되는 물은 공급 흐름(33)으로 부터 정제 챔버(29)로 유입된다. 공급 흐름(33)은 시스템에서 정제 챔버(29)로 흐름에 따라 중성화된다. 보충 흐름(37)은 농축흐름(39)의 충분한 수행을 위해 이온교환 유닛(7)로 부터 고 전도성 연수 보충 흐름(38)과 혼합된다. 이온교환 장치(7)는 표준 역 흐름 소프트너 이거나 또는 나트륨 폼에서의 약 산 양이온 교환자, 또는 대형그물모양 타입의 아미노포스폰기 또는 이미노디아세트산기 킬레이트 수지를 함유하는 이온 교환자가 될 수 있다. 압력 감소 밸브(PRV 41)는 농축물을 얻기위해 보충 흐름(38)에 사용되고 전기적 피드 흐름은 정제부 흡입구로 5 내지 10 psig 이하의 압력에서 유입된다. 적합한 물때방지기는 실리카의 과포화에 의한 물때를 방지하기 위해 연화장치로 부터 배출흐름에 주입된다. 내부 정지된 믹서(42)는 연화장치로부터 배출 흐름에 물때방지기의 적합한 믹싱을 얻기 위해 제공된다. 보충 흐름(37)은 농축 흐름(39)의 충분한 수행을 위한 이온교환 유닛(7)로부터의 고 전도성 연수 보충 흐름(38)과 혼합된다. 농축 흐름(39)의 결과물은 농축부(30)로 유입되고 음이온부(23)와 양이온부(25)로 각각 유입된다. 농축 블리드오프 흐름(35)과 전기적 블리드오프 흐름(40)은 배수로 전환된다.
화학적 농축 흐름에서 이온의 적합한 농도를 제공하기 위한 앞의 CEDI 유닛에, 예를 들어 식염수가 첨가된다. 첫 번째 통과 역삼투 유닛으로부터의 배출수는 고전도성을 지니는 CEDI의 농축 흐름을 위한 물을 제공한다. 첫 번째 통과 역삼투 배출수의 전도성은 화학물에 CEDI 농축 흐름을 첨가할 필요가 없이 충분히 높다. 이것은 비용측면과 화학적 핸들링에서 절감할 수 있게 한다. CEDI 농축 흐름의 부분으로써 첫 번째 통과 역삼투 배출수 사용의 잇점은 농축 흐름의 높은 전도성이 낮은 온도에서 CEDI가 기능하도록 하는 것이다. 농축 흐름의 고 전도성은 장치의 최대 전압 제한 범위 내에서 전기탈이온화 세포를 가로질러 전체 전압강하를 유지한다. 한편 다른 잇점은 CEDI 유닛의 농축 챔버에서 증가된 전도성에 의해 전기적 전류 흐름에 있어서의 일반적인 증가에 있다.
실시예
이하, 본 발명의 실시예와 더불어 본 발명을 상세히 설명한다. 본 발명의 설명에 있어서, 각각의 실시예는 전적으로 본 발명을 실시하는데 유용한 값이나 파라메타 또는 조건으로 해석되어야 하며 본 발명의 기술적 사상을 제한하는 않는다.
본 발명의 실시에 적용된 도시의 물 공급의 특성은 다음과 같다.
평균 공급 pH : 7.5
평균 공급수 온도 : 섭씨 28도(화씨 82도)
평균 총 용해체의 농도(TDS) : 240ppm
평균 공급 이산화규소 : 10ppm
평균 공급 붕소 : 50ppb
평균 총 유기화 카본(TOC) : 3.0ppm
도시 물은 원수저장탱크에 저장되어 있으며, 부유체를 감소시키기 위하여 다단 필터를 통과하도록 다단계의 수직 원심펌프에 의하여 토출된다. 부유체의 응고를 위하여 다단 필터 이전에 응고제가 부가되며, 인라인 믹서(in-line static-mixer)가 물과 응고제를 적당히 혼합할 수 있도록 제공된다. 탁도(turbidity), 15분 침수농도지수(Silt Dendity Index:SDI) 및 제타성능은 다단 필터의 성능을 결정할 수 있도록 측정된다.
이때, 탁도는 샘플수에서 투명상태의 부족을 측정하는 것이며, 탁도계측기는 샘플수에 있는 부유체 및 작은 입자들에 의하여 빛이 확산되는 것을 측정하는 것이다. 이 값은 일반적으로 NTU(Nephelometric Turbidity Unit) 장치를 통하여 읽어들일 수 있다.
탁도가 1.0을 초과하는 것은 막의 파울링이 증가하는 추세는 나타내는 것이다. 상기 SDI 테스트와 같이, 탁도는 단지 파울링 성능을 나타내는 것이다. 실질적으로, 빛이 통과하는 통로를 제공하도록 보다 투명한 파울링제가 있으나 탁도를 측정하는데 높게 나타내지는 않는다. 비록, 이들이 분석도구로써 완전하지는 못하더라도 탁도 및 SDI 측정은 RO 공급수의 특성에 대하여 매우 유용하다.
경험적 결과에 의하면, 유출수의 탁도는 2ppm PAC 레벨에서 약 0.1 NTU를 나타낸다. GLI의 Accu4 탁도계측 시스템이 다단 필터의 배출구측에서 탁도를 온-라인 모니터링하는데 사용되었으며, 이 시스템은 제로에서 100사이의 NTU 범위에 걸쳐서 연속적인 모니터링을 수행할 수 있는 자동측정범위를 가지고 있다.
또한, 폴란드 Chemetek사의 필터 분석기 모델 FPA-3300은 다양한 PAC 레벨에 걸쳐서 다단 필터의 배출구측에서 탁도를 온-라인 모니터링하는데 사용되었다. 경험적 결과에 의하여, 유출되고 있는 15분 SDI는 2ppm PAC 레벨에서 약 2.5로 나타낸다.
말번 인스투루먼트의 제타이져 300HS는 다단 필터의 배출구츨에서 제타성능을 오프-라인 모니터링하는데 사용되었다. 이때, 제타성능은 2ppm PAC 레벨에서 제로에 근접하게 나타났다.
상기 다단 필터로 부터 여과된 물은 잔여 염소 및 유기물을 제거하기 위하여 활성카본필터를 통과하게 된다.상기 화성카본필터를 통과하기 이전에 소정의 나트륨 아황산 수소나트륨이 제공되며, 자유 염소 및 용해 산소를 제거하는 기능을 수행한다. 활성카본필터를 통과하여 처리된 물은 1 마이크론 카트리지 필터를 거치게 되며, 이때 미세한 응고체들이 제거된다. 2.5 내지 3.0ppm 근처에서 상기 나트륨 아황산 수소나트륨은 염소를 완전히 제거시키며, 또한 용해산소의 레벨을 감소시킨다. 상기 활성카본을 통하여 생산되는 물은 총유기 카본(TOC) 레벨을 3.0ppm에서 1.8ppm으로 감축된다.
본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 전기탈이온화장치(12) 이전에 이온화 불순물을 제거하는데 하기 장치의 운영이 포함되어 있다.
즉, 제1 통로는 막 필터(6)의 삼투압을 바꾸어 주며, 상기 막 필터는 베슬 당 4개의 요소가 되도록 CPA 2-2040 막 재료(Hydranautics에 의해 제조됨)를 3:2의 배열로 구성한다. 삼투압을 바꾸는 상기 제1 통로는 1일 12 갤론 평방 피트(GFD)의 평균 유동율 및 재생율 70% 상태로 작용한다.
제2 통로는 막 필터(8)의 삼투압을 바꾸어 주며, 상기 막 필터는 베슬 당 4개의 요소가 되도록 CPA 2-2040 막 재료(Hydranautics에 의해 제조됨)를 2:1의 배열로 구성한다. 삼투압을 바꾸는 상기 제2 통로는 1일 17 갤론 평방 피트(GFD)의 평균 유동율 및 재생율 85% 상태로 작용한다. 결과적으로 전체 재생율은 약 66.5%이다.
제1 통로 역삼투압 시스템으로 부터 반출되는 스트리임의 음의 LSI를 원할하게 하기 위하여, 소정의 염산 2.0ppm dl 제1 통로공급수에 제공되었다.
본 발명의 실시예에 의하여 2중 통로에 의해 제조된 물의 일반적인 특징을 나타내면 다음과 같다.
평균 제조 pH : 5.2
평균 총 용해체의 농도(TDS) : 0.3 ppm
평균 제조 이산화규소 : 10ppb
평균 제조 붕소 : 8ppb
평균 총 유기화 카본(TOC) : 50ppb
전술한 바와 같이, 제1 통로 역삼투압 반출 스트리임을 위하여 여러 가지 연수장치를 사용하여 역삼투압/전기탈이온화 장치에 조합하여 다양한 재생율을 나타내는 전기탈이온화 장치를 구성한다. 상기 전기탈이온화 장치에서 D.C 전류는 최대 600 볼트의 출력전압을 가지는 정유기를 사용하여 4.6 Amps로 세팅하였다.
본 발명의 실시과정에서 사용되는 연수장치나 농축장치에 따라서 전기탈이온화장치의 성능도 강하게 영향을 받는 것으로 나타났다. 파일롯 테스트 장치의 각각의 작용결과는 실시예 1내지 5를 통하여 보다 명확하게 이해될 것이다.
장치(2)는 본 발명의 실시과정에서 붕소, 이산화규소, 칼륨, 칼슘 및 마그네슘의 요소분석을 위하여 사용되었다. 장치(2)는 플라즈마 질량 분광계에 결합되어 고해상도를 유도하며, 이는 여러 가지 다양한 매트릭스에 존재하는 특정 요소의 혼합물을 분석할 수 있다.
탈이온수에 있는 음이온 불순물을 분석하기 위하여 DX 500 이온-교환 색층분석(Ion-exchange Chromatograhpy:IC)이 사용되었으며, 2중통로 역삼투압 시스템의 입구 및 출구측에서 TOC 레벨을 모니터링하기 위하여 800 TOC 분석기(미국 Ionics Instrument Business Group, Boulder)를 활용하였다.
표 1은 도시의 물의 품질과 2중 통로 역삼투압 장치로서 처리하여 얻어진 투과된 물의 품질을 비교한 것이다.
상기 투과된 물은 공급수로 사용될 수 있으며 부분적으로 전기탈이온화물 제조 장치에서 각각 정제장치 및 농축장치를 통과하게 되는 농축수로 사용될 수 있다. 역삼투압장치의 제1통과 유출 스트리임은 표준 역류 연수기나 연산 양이온 수지를 통과하는 바, 이 경우 단단한 강도의 엘리먼트를 제거할 수 있도록 나트륨 형태나 적당한 킬레이트성 수지가 바람직하다. 제1 통로 반출 스트리임의 품질 또한 도표 1에 나타내었다. 전기탈이온화 물 제조장치에 있어서, 농축스트리임의 적당한 전도성은 적절한 반스케일 장치로 이산화규소의 과포화에 따르는 스케일링을 방지한 이후에 제1 통로 반출 스트리임의 연수를 사용하여 얻어진다.
<표 1 2 중 통로 역삼투압 장지의 평균 성능>
파라메터 도시의 물 RO 파라메타 물 제1 통로 반출수
pH 7.5 5.2 7.6
TDS, ppm 240 0.3 713
전기전도율,마이크로지멘스/cm 438 0.7 1335
섭씨온도(화씨온도) 28도(82도F) 28도(82도F) 28도(82도F)
칼슘, ppm 20.0 ND 59.7
마그네슘,ppm 2.4 ND 7.2
나트륨, ppm 50.0 ND 149.4
칼륨, ppm 3.0 ND 9.0
황산염, ppm 50.0 ND 149.3
염화 화합물, ppm 65.0 0.1 201.0
중탄산염, ppm 36.6 0.1 99.1
질산염, ppm 3.0 0.1 8.8
이산화규소,ppm 10.0 0.01 29.9
* ND는 장치의 검출한계 이하의 실제값을 나타냄
표 2는 본 발명의 실시예에 따른 전기탈이온화 물 제조 장치의 상세를 나타낸 것이다.
<표 2 전기탈이온화 장치의 성능>
파라메터 값
설정 유동율 12.5 갤론/분
공급자 GE Water Technologies, 52 Royal Road, Guelph, Ontario, Canada N1H1G3
모델번호 E-Cell MK-1E
허용 pH 5~9
최대 총 교환 음이온 CaCO3 25ppm
공급수의 최대 강도 CaCO3 0.25ppm
농축되는 최대 강도 CaCO3 5.0ppm
공급수의 최대 반응 이산화규소 500 ppb
농축되는 최대 반응 이산화규소 10ppm
공급수의 최대 TOC 500ppb
농축되는 최대 TOC 10ppm
공급수의 최대 자유 염소 0.05ppm
작동 온도 범위 40~100F
작온 압력 45~100psig
표 3은 전기탈이온화 장치에 대한 공급수에 대하여 각각의 파라메타를 관찰하여 나타낸 것이다.
<표 3 전기탈이온화 평균 공급수 파라메터>
파라메타 관찰 값 수용범위
총 교환 음이온(TAE),탄산칼슘 ppm 2.9 0~25.0
총 교환 양이온(TEC),탄산칼슘 ppm 0.4 0~25.0
이산화탄소 ppm 1.2 0~13.2
알칼리성, 탄산칼슘 ppm 0.1 0~20.0
강도,탄산칼슘 ppm <0.02 0~1.0
이산화규소,ppb 10 0~500
전기전도율,마이크로지멘스/cm 0.7 0~62.0
이 경우에 있어서, 제1 통로 역삼투압 반출 스트리임을 위하여 사용하는 연수 장치는 탈이온화 처리를 위하여 여러 가지로 적용할 수도 있다. 본 발명의 실시과정에서 농축장치를 통과하는 유동율은 4.5gpm으로 일정하게 유지하였다. 이와 같이 높은 유동율에서 농축 스트리임을 운영하는 것은 농축 장치 내에서 형성되는 스케일을 방지한다. 게다가, 농축수는 재순환되지 않은 반면에, 적당한 농축 유동률은 연수처리 제1 통로 역삼투압 반출 스트리임으로부터 유용할 수 있다.
농축수 내에 유기적으로 존재하는 단단한 구성요소들은 점진적으로 농축되며, 이 농축수는 순환 및 재사용되는 만큼 농축 챔버 EH는 전극챔버 내에 더욱 빠르게 침전된다. 농축 루프(loop)dp 있어서 일회 통과 작용을 사용하는 것은 그러한 스케일을 방지한다.
본 발명의 실시에 있어서, 제조되는 물의 유동율 또한 12.5gpm으로 일정하게 유지한다. 농축장치를 통하여 역삼투압장치로부터 제공되는 연수처리 제1 통로 반출 스트리임의 유동율은 전기탈이온화 물 제조 장치를 순환하는 여러 가지 재생으로부터 다양하게 얻을 수 있다. 각각의 결과는 30일 동안의 연속 작동 이후에 처리된 물의 스택 전압과 전기저항 및 농축챔버 또는 전극챔버에 침전되는 스케일을 관찰하여 평가된 것이다. 스케일은 장치에서 필요한 적정 전압이 최대 전압을 초과할 때 각각의 전극에서 이루어지는 전류의 흐름을 감축시킨다. 이 경우 이온을 제거하기 위하여 충분한 전류를 가용할 수 없으며, 처리된 물의 품질도 떨어지게 된다.
전기탈이온화 장치를 통과하는 D.C. 전류는 최대 출력 전압 600 볼트를 가지는 정류기를 사용하여 4.6Amps로 셋팅한 것이다.
실시예 1
제1 역삼투 배출 흐름으로부터 경질 물질을 제거하기 위해 표준형 역류 연수장치가 사용되었다. 이온 교환 수지는 술폰산 형태의 양이온 교환 수지이다. (상표명: Amberjet 1200 Na, Rohm and Haas) 최대 유량 7.0 gpm 과 8.0 시간 주기의 본 실험에는 외경이 250mm인 역류 연수장치가 사용되었다. 수지의 체적은 50 리터이고, 용기를 통과하는 공간 속도는 유량 7.0 gpm에서 32.4 BV/h 이다. 재생은 수지 1 리터당 150 g 의 10% 소금용액으로 행해졌다. 이와 같은 표준형 역류 연수장치에 의해 배출구에서 탄산 칼슘으로 약 1.5 ppm 의 경도가 얻어졌다. 연수의 전도율은 1300~1600 microsimens/cm 의 범위 내이었는데, 이와 같은 연수의 전도율은 공급원수의 약 3배에 이르는 것으로 이는 역삼투 시스템이 전체 재생율 66.5%에서 작동되었기 때문에 감압밸브로서 V82 형식(George Fischer 제품)이 표준형 역류 연수장치의 배출구 흐름에 사용됨으로써, 전기탈이온화 장치의 정제 구역의 입구 흐름에서의 수치보다 낮은 5에서 10 psig의 압력 하에 농축액과 전극봉 공급 흐름이 확실히 공급되도록 하였다.
정전 믹서를 이용하여 부식방지제 Pretreat Plus 0100(상표 : King Lee Technologies 의 제품)를 전기탈이온화 농축액 흐름에 분사함으로써 이산화규소의 중합과 침전을 지연되게 하였다. 이와 같은 부식방지제는 용해된 철/산화 알루미늄/이산화규소 복합체를 응집시키지 않으며, 4.5 ppm 수준의 투입량이 유용하다.
탈이온수 생산 장비에 의한 재생은 약 90%로 설정되었다. 실험 초기에는 최대 공급 전압 600 Volt 에 의해 2.9 Amp. 의 전류가 발생했으나, 전류값은 전압이 480 Volt 로 떨어지는 동안 4.6 Amp. 의 설정치까지 증가하여 실험시간(720 시간) 동안 이 수치가 유지되었다. 처리된 물의 비저항 값은 실험이 진행되는 동안 17.1 megaohm-cm 이상이 유지되었고, 물속의 이산화규소 수치는 10 ppb에서 100 ppt 이하로 감소하였다. 물속의 붕소 수치는 8 ppb에서 100 ppt 이하로 감소하였다. 이와 같은 일정한 전압과 처리된 물의 계속적으로 높게 형성되는 비저항은 침전 챔버와 전극봉 챔버 내에 심한 스케일이 발생하지 않는 것을 의미한다.
실시예 2
탈이온화 장치를 재생율 95% 로 작동시키는 예외적 조건하에, 상술한 표준형 역류 연수장치를 이용한 비교 실험이 행하여졌으며, 표준형 역류 연수장치에 의해 배출구 경도가 탄산 칼슘으로 약 1.5 ppm 이 얻어졌다. 연수의 전도율은 1300~1600 microsimens/cm 의 범위 내이었는데, 이와 같은 연수의 전도율은 공급원수의 약 3배에 이르는 것으로 이는 역삼투압 시스템이 전체 재생율 66.5% 에서 작동되었기 때문이다. 감압밸브로서 V82 형식(George Fischer 제품)이 표준형 역류 연수장치의 배출구 흐름에 사용됨으로써, 전기탈이온화 장치의 정제 구역의 입구 흐름에서의 수치보다 낮은 5에서 10 psig의 압력 하에 농축액과 전극봉 공급 흐름이 확실히 공급되도록 하였다. 다른 형태의 적절한 감압밸브가 사용될 수도 있을 것이다. 이 실험에서는 부식방지제 Pretreat Plus 0100(상표 : King Lee Technologies의 제품)의 투입을 사용량 4.5 ppm 수준으로 유지하였다. 최초 몇 시간 동안 600 Volt 의 허용 전압 하에 목표 작동 전류값 4.6 Amp. 의 전류가 흘렀으며, 그 이후 실험시간(720 시간) 동안 전류값은 1.8 Amp 까지 지속적으로 감소하였다. 처리된 물의 비저항 값 초기치는 16.8 megaohm-cm 이었으나, 160 시간의 작동 이후에 9.0 megaohm-cm 으로 감소하였고, 720 시간의 작동 이후에 12.0 megaohm-cm 이하로 더욱 감소하였다. 이와 같은 결과는 음이온 막의 침전 챔버 측의 스케일 형성을 명백하게 보여주는 것으로, 스케일의 침전 현상이 관찰되었으며 배관의 일부가 막혔다.
실시예 3
제1 역삼투 배출 흐름으로부터 경질 물질을 제거하기 위해 나트륨 형태의 약산성 양이온 수지가 사용되었다. 수산화 나트륨을 공급 흐름에 첨가하여 알칼리도가 전체 경도를 초과하도록 하였다. 이온교환 수지는 카르복시산 형태의 양이온 교환 수지(상표명:Amberlite IRC86, Rohm and Haas)이다. 최대 유량 8.0 gpm 과 20.0 시간 주기의 본 실험에서는 외경이 300 mm 인 약산성 양이온 교환기가 사용되었다. 수지의 체적은 75 리터이고, 용기를 통과하는 공간 속도는 유량 8.0 gpm 에서 24.0 BV/h 에 해당한다. 재생은 수지 1 리터 당 5%의 염화수소산 78 g 의 수준에서 이루어졌으며, 이는 110 %의 재생율과 동등한 수준이다. 다음으로는 수산화나트륨 처리에 의해 재생된 수지를 나트륨 형태로 변환한다. 나트륨 변환은 압축층 발생을 피하기 위해 상향류 방식으로 행해진다. 수지(수화물 형태로 공급됨)는 50에서 60%로 팽창하여 나트륨 형태가 되기 때문에 용기 크기도 그에 맞추어 정해진다. 이와 같은 나트륨 형태의 약산성 양이온 교환기에 의해 탄산 칼슘으로 약 0.5 ppm 의 배출구 경도가 얻어졌다. 연수의 전도율은 1300~1600 microsimens/cm 의 범위이며, 이와 같은 연수의 전도율은 공급원수의 약 3배에 이르는 것으로 이는 역삼투압 시스템이 전체 재생율 66.5% 에서 작동되었기 때문이다. 감압밸브로서 V82 형식(George Fischer 제품)이 약산성 양이온 교환기의 배출구 흐름에 사용됨으로써, 전기탈이온화 장치의 정제 구역의 입구 흐름에서의 수치보다 낮은 5에서 10 psig의 압력 하에 농축액과 전극봉 공급 흐름이 확실히 공급되도록 하였다.
이 실험에서는 부식방지제 Pretreat Plus 0100(상표 : King Lee Technologies의 제품)의 투입을 사용량 4.5 ppm 수준으로 유지하였다.
전기탈이온수 생산 장비에 의한 재생율은 약 95%로 설정되었다. 실험 시작 시에는 최대 공급 전압 600 Volt 에 의해 3.1 Amp. 의 전류가 발생되었으나, 전압이 460 Volt 로 떨어지는 사이에 전류값은 4.6 Amp. 의 설정값으로 증가하여 실험시간(720 시간) 동안 이 수준으로 유지되었다. 실험 시간동안 처리된 물의 비저항 값은 17.0 megaohm-cm 이상으로 유지되었으며, 물속의 이산화규소 수치는 10 ppb에서 100 ppt 이하로 감소하였다. 물속의 붕소 수치는 8 ppb에서 100 ppt 이하로 감소하였다. 이와 같은 일정한 전압과 계속적으로 높게 형성되는 처리된 물의 비저항은 침전 챔버와 전극봉 챔버 내에 심한 스케일이 발생하지 않는다는 것을 의미한다.
실시예 4
제1 역삼투 배출 흐름으로부터 경질 물질을 제거하기 위해 적절한 킬레이트 수지가 사용되었다. 이온 교환 수지는 거대 망상형의 아미노 포스폰산 작용기 수지(상표명 : Amberlite IRC 747, Rohm and Haas)이다. 이 기능군의 화학적 성질은 금속 이온과 화합물을 생성하는 것이다. Amberlite IRC 747은 물에 함유된 경질 물질과 기타 금속을 제거하는데 효과적인 수지이다. 이온 교환기는 공간 속도 15 BV/h 에서 작동된다. 나트륨 형태의 거대 망상형 아미노 포스폰산 작용기의 킬레이트 수지를 포함하는 이온 교환기에 의해 배출구 경도가 탄산 칼슘으로 약 25 ppb 가 얻어진다. 연수의 전도율은 1300~1600 microsimens/cm 의 범위 내이었는데, 이와 같은 연수의 전도율은 공급원수의 약 3배에 이르는 것으로 이는 역삼투압 시스템이 전체 재생율 66.5% 에서 작동되었기 때문이다. 감압밸브로서 V82 형식(George Fischer 제품)이 거대 망상형 아미노 포스폰산 작용기의 킬레이트 수지를 포함하는 이온 교환기의 배출구 흐름에 사용됨으로써, 전기탈이온화 장치의 정제 구역의 입구 흐름에서의 수치보다 낮은 5에서 10 psig의 압력 하에 농축액과 전극봉 공급 흐름이 확실히 공급되도록 하였다.
이 실험에서는 부식방지제 Pretreat Plus 0100(상표 : King Lee Technologies의 제품)의 투입을 사용량 4.5 ppm 수준으로 유지하였다.
전기탈이온수 생산 장비에 의한 재생율은 약 98%로 설정되었다. 실험의 시작시에는 최대 공급 전압 600 Volts 하에 3.2 Amp. 의 전류가 발생되었으나, 전압이 450 Volt 로 떨어지는 동안 전류값은 4.6 Amp. 에 이르렀으며 실험 시간(720 시간) 동안 그 값이 유지되었다. 실험시간 동안 처리된 물의 비저항 값은 17.4 megaohm-cm 이상으로 유지되었으며, 물속의 이산화규소 수치는 10 ppb에서 100 ppt 이하로 감소하였다. 물속의 붕소 수치는 8 ppb에서 100 ppt 이하로 감소하였다. 이와 같은 일정한 전압과 처리된 물의 계속적으로 높게 형성되는 비저항은 침전 챔버와 전극봉 챔버 내에 심한 스케일이 발생하지 않는다는 것을 의미한다.
실시예 5
제1 역삼투 배출 흐름으로부터 경질 물질을 제거하기 위해 적절한 킬레이트 수지가 사용되었다. 이온 교환 수지는 나트륨 형태의 거대 망상형 이미노디아세틱산 기능적 킬레이트 수지(상표명 : Amberlite IRC 740, Rohm and Haas)이다. 이 기능군의 화학적 성질은 금속 이온과 화합물을 생성하는 것이다. Amberlite IRC 748은 물에 함유된 경질 물질과 기타 금속을 제거하는데 효과적인 수지이다. 이온 교환기는 공간 속도 15 BV/h 에서 작동된다. 나트륨 형태의 거대 망상형 이미노디아세틱산 기능적 킬레이트 수지를 포함하는 이온 교환기에 의해 배출구 경도가 탄산 칼슘으로 약 25 ppb 가 얻어진다. 연수의 전도율은 1300~1600 microsimens/cm 의 범위 내이었는데, 이와 같은 연수의 전도율은 공급원수의 약 3배에 이르는 것으로 이는 역삼투압 시스템이 전체 재생율 66.5% 에서 작동되었기 때문이다. 감압밸브로서 V82 형식(George Fischer 제품)이 거대 망상형 이미노아세틱산 기능적 킬레이트 수지를 포함하는 이온 교환기의 배출구 흐름에 사용됨으로써, 전기탈이온화 장치의 정제 구역의 입구 흐름에서의 수치보다 낮은 5에서 10 psig의 압력 하에 농축액과 전극봉 공급 흐름이 확실히 공급되도록 하였다.
이 실험에서는 부식방지제 Pretreat Plus 0100(상표 : King Lee Technologies의 제품)의 투입을 사용량 4.5 ppm 수준으로 유지하였다.
전기탈이온수 생산 장비에 의한 재생율은 약 98%로 설정되었다. 실험의 시작시에는 최대 공급 전압 600 Volt 하에 3.1 Amp. 의 전류가 발생되었으나, 전압이 460 Volt 로 떨어지는 동안 전류값은 설정치인 4.6 Amp. 로 증가하여 실험시간(720 시간) 동안 그 값이 유지되었다. 실험시간 동안 처리된 물의 비저항 값은 17.3 megaohm-cm 이상으로 유지되었으며, 물속의 이산화규소 수치는 10 ppb에서 100 ppt 이하로 감소하였다. 물속의 붕소 수치는 8 ppb에서 100 ppt 이하로 감소하였다. 이와 같은 일정한 전압과 처리된 물의 계속적으로 높게 형성되는 비저항은 침전 챔버와 전극봉 챔버 내에 심한 스케일이 발생하지 않는다는 것을 의미한다.
실시예 4와 5에서 사용되는 거대망상형 수지는 삼투압 충격에 대한 높은 저항과 젤 타입 수지(예를 들면, 실시예 1 내지 3에서 사용된 수지) 보다 향상된 이온 교환 동역학의 장점을 갖는다.
상술한 내용은 본 발명의 바람직한 실시형태를 포함하는 것이며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 갖는 자에게 자명한 변경이나 수정은 본 발명 청구범위에 의해 정해지는 기술적 범위 내에 포함되는 것이다.

Claims (60)

  1. 최소한 한 개의 역삼투 유닛을 통하여 원수를 통과시켜 물 생성수와 배출수를 생산하는 단계와;
    역삼투 유닛으로부터의 생성수를 연속 전기탈이온화 유닛의 희석 스트리임으로 투입하는 단계와;
    제1 통과 역삼투 유닛으로부터 공급된 배출수를 연수기로 투입하여, 제1 통과 삼투 유닛으로부터 공급된 배출수보다 보다 적은 경질 물질를 갖는 물을 생산하는 단계와;
    상기 연수기로부터 공급된 물을 연속 전기탈이온화 유닛의 농축 스트리임 내로 투입하는 단계를 구비하며,
    상기 연속 전기탈이온화 유닛은 희석 스트리임으로부터 공급된 물을 더 정제하는 것을 특징으로 하는 정수 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 연수기는 표준 역방향 플로우 연수화(standard reverse flow softening)장치인 것을 특징으로 하는 정수 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 연수기는 약산성 양이온 수지를 통과하여 연수화되는 것을 특징으로 하는 정수 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 연수기는 적절한 킬레이트 수지(chelating resin)로 연수화되는 것을 특징으로 하는 정수 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 연수기후에, 상기 배출수에 스케일 방지제(antiscalant)가 첨가되는 것을 특징으로 하는 정수 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 역삼투 유닛으로부터의 상기 생성수는 상기 연속 전기탈이온화 유닛의 상기 희석된 스트리임으로 주입되기 이전에, 일차 UV TOC 공정을 통과하는 것을 특징으로 하는 정수 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    농축 및/또는 전극 체임버 내에서 스케일링을 최소화하기 위하여 상기 연속 전기탈이온화 동작은 상기 농축 스트리임을 단 한 번만 사용하는 것을 특징으로 하는 정수 방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 원수는 상기 제 1 역삼투 유닛 이전에 전처리 시스템을 통과하는 것을 특징으로 하는 정수 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 전처리는:
    상기 원수 내에 부유물질(suspended solid)을 응고시키기 위하여 상기 원수 내에 응고제를 혼합시키는 단계; 및
    상기 원수 내에 상기 부유물질을 제거하기 위하여 멀티미디어(multimedia) 필터를 통하여 상기 응고제를 가지는 상기 원수를 통과시키는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 정수 방법.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 원수로부터 유기 및 잔류 염소(residual chlorine)을 제거하기 위하여 상기 전처리는 상기 멀티미디어 필터로부터의 상기 생성수를 활성화된 탄소필터(activated carbon filter)를 통과시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 정수 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    미세한 입자(fine solids)를 제거하기 위하여 상기 전처리는 상기 활성화된 탄소 필터로부터 상기 생성수를 카트리지 필터(cartridge filter)를 통과시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 정수 방법.
  12. 제 8 항에 있어서,
    상기 전처리 시스템을 통하여 상기 원수를 통과시키는 단계가 대부분의 원수에 대하여 대략 0.05 ppm의 자유 염소 레벨(free chlorine level)을 획득하는 것을 특징으로 하는 정수 방법.
  13. 제 8 항에 있어서,
    상기 전처리 시스템을 통하여 상기 원수를 통과시키는 단계가 대부분의 원수에 대하여 대략 3.0 이하의 침리농도지수(silt density index)(15 분)을 획득하는 것을 특징으로 하는 정수 방법.
  14. 제 8 항에 있어서,
    상기 전처리 시스템을 통하여 상기 원수를 통과시키는 단계가 대부분의 원수에 대하여 대략 1.0 NTU 이하의 혼탁도(turbitity)를 획득하는 것을 특징으로 하는 정수 방법.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 역삼투 시스템이 대부분의 원수에 대하여 생성수의 pH 값을 대략 5와 9 사이로 유지하는 것을 특징으로 하는 정수 방법.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 역삼투 시스템은 대부분의 원수에 대하여 대략 62 마이크로-지멘스(micro-siemens)/cm 이하로 전도도(conductivity)를 유지하는 것을 특징으로 하는 정수 방법.
  17. 제 1 항에 있어서,
    상기 역삼투 시스템은 대부분의 원수에 대하여 대략 25 ppm 이하로 전체 교환가능한 음이온(anion)을 획득하는 것을 특징으로 하는 정수 방법.
  18. 제 1 항에 있어서,
    상기 역삼투 시스템은 대부분의 원수에 대하여 대략 25 ppm 이하로 전체 교환가능한 양이온(cation)을 획득하는 것을 특징으로 하는 정수 방법.
  19. 제 1 항에 있어서,
    상기 역삼투 시스템은 대부분의 원수에 대한 탄산 칼슘(calcium carbonate)에 대하여 대략 0.5 ppm 이하로 경도를 획득하는 것을 특징으로 하는 정수 방법.
  20. 제 1 항에 있어서,
    상기 역삼투 시스템은 대부분의 원수에 대하여 500 ppb 이하로 실리카 농도를 유지하는 것을 특징으로 하는 정수 방법.
  21. 제 1 항에 있어서,
    상기 역삼투 시스템은 대부분의 원수에 대하여 대략 300 ppb 이하의 붕소농도를 유지하는 것을 특징으로 하는 정수 방법.
  22. 제 1 항에 있어서,
    상기 역삼투 시스템은 대부분의 원수에 대하여 대략 0.01 ppm 이하로 철(iron), 망간(manganese) 및 황화수소 농도를 각각 유지하는 것을 특징으로 하는 정수 방법.
  23. 제 1 항에 있어서,
    상기 역삼투 시스템은 대부분의 원수에 대하여 500 ppb 이하로 전체 유기 양이온 농도를 유지하는 것을 특징으로 하는 정수 방법.
  24. 제 1 항에 있어서,
    상기 역삼투 시스템은 대부분의 원수에 대한 장치 검출레벨 이하로 오일 및 그리스(grease)를 제거하는 것을 특징으로 하는 정수 방법.
  25. 제 1 항에 있어서,
    상기 역삼투 시스템은 대부분의 원수에 대하여 대략 1.0 이하로 침리농도지수(15 분)를 획득하는 것을 특징으로 하는 정수 방법.
  26. 제 6 항에 있어서,
    상기 UV TOC 환원제(reducer)는 상기 역삼투 유닛으로부터 대부분의 생성수에 대하여 50 ppb 이하로 TOC를 가지는 UV TOC 생성수를 생성하는 것을 특징으로 하는 정수 방법.
  27. 제 6 항에 있어서,
    상기 UV TOC 생성수가 상기 연속 전기탈이온화 유닛의 상기 희석된 스트리임으로 유입되기 이전에, 일차 막 탈가스장치(degassifier)를 통과시키는 것을 특징으로 하는 정수 방법.
  28. 제 27 항에 있어서,
    상기 막 탈가스장치 생성수는 대부분의 UV TOC 생성수에 대하여 대략 100 ppb 이하의 용존산소량을 갖는 것을 특징으로 하는 정수 방법.
  29. 제 27 항에 있어서,
    상기 막 탈가스장치 대부분의 UV TOC 생성수에 대하여 대략 5 ppm 이하의 용존 이산화 탄소(carbon dioxide) 농도를 갖는 것을 특징으로 하는 정수 방법.
  30. 제 2 항에 있어서,
    상기 표준 역방향 플로우 연수기(standard reverse flow softener)는 상기 나트륨 폼(sodium form) 내에서 균일한 입자 크기의 강산성 양이온 수지를 함유하는 것을 특징으로 하는 정수 방법.
  31. 제 30 항에 있어서,
    상기 역삼투 유닛으로부터의 상기 제 1 통과 배출 스트리임을 상기 표준 역방향 플로우 연수기를 통과시키는 단계가 대부분의 제 1 통과 역삼투 배출수에 대한 탄산 칼슘에 대하여 대략 1.5 ppm 이하의 경도를 가지는 연수기 생성수를 획득하는 것을 특징으로 하는 정수 방법.
  32. 제 30 항에 있어서,
    상기 표준 역방향 플로우 연수기의 수지는 수지의 리터당 약 150 그램 내에서 재생레벨(regeneration level)로 10% 식염수 용액으로 배출한 후, 상기 표준 역방향 플로우 연수기의 수지이 재생되어 지는 것을 특징으로 하는 정수 방법.
  33. 제 3 항에 있어서,
    상기 약산성 양이온 수지는 상기 나트륨 폼 내에 카르복실 산 그룹을 함유하는 것을 특징으로 하는 정수 방법.
  34. 제 33 항에 있어서,
    대부분의 제 1 통과 역삼투 배출수에 대한 탄산 칼슘에 대하여 대략 0.5 ppm 이하로 상기 연수기 생성수 내에서 경도를 가지는 연수기 생성수를 생성하기 위하여 상기 역삼투 유닛으로부터 상기 제 1 통과 리젝트 스트리임을 상기 약산성 양이온을 통과시키는 단계가 수지를 교환하는 것을 특징으로 하는 정수 방법.
  35. 제 33 항에 있어서,
    알카리도(alkalinity)를 전체 경도 레벨까지 증가시키기 위하여 상기 역삼투 유닛으로부터 상기 제 1 통과 배출 스트리임을 상기 약산성 양이온 교환 수지를 통과시키는 단계는 수산화 나트륨(sodium hydroxide) 또는 탄산 나트륨(sodium carbonate) 중의 어느 하나를 사용하여 상기 공급수(feed water)의 pH 조정을 필요로 하는 것을 특징으로 하는 정수 방법.
  36. 제 33 항에 있어서,
    연수기 생성수를 생산하기 위하여 상기 역삼투 유닛으로부터 상기 제 1 통과 리젝트 스트리임을 상기 약산성 양이온 교환 수지를 통과시키는 단계가 베드 압축(bed compression)을 피하기 위하여 업플로우(upflow) 기법을 사용하는 것을 특징으로 하는 정수 방법.
  37. 제 33 항에 있어서,
    연수기 생성수를 생산하기 위하여 상기 역삼투 유닛으로부터 상기 제 1 통과 배출 스트리임을 상기 약산성 양이온 교환 수지를 통과시키는 단계가 상기 이온 교환 용기를 사이징(sizing) 하는데 수소로부터 나트륨 폼까지 스웰링 확장(swelling expansion)을 50 ~ 60 %로 잡는 것을 특징으로 하는 정수 방법.
  38. 제 33 항에 있어서,
    5 % 정도의 수산화 나트륨 용액으로 조절하여 대략 110 % 의 재생율로 5% 염산으로 배출한 후, 연수기 생성수를 생산하기 위하여 상기 역삼투 유닛으로부터 상기 제 1 통과 배출 스트리임을 상기 약산성 양이온 교환 수지를 통과시키는 단계가 재생될 필요가 있는 것을 특징으로 하는 정수 방법.
  39. 제 4 항에 있어서,
    상기 연수기는 상기 나트륨 폼 내에서 매크로레티귤라(macroreticular) 유형의 아미노포스폰 작용기의 (aminophosphonic function group) 킬레이팅 수지를 사용하는 것을 특징으로 하는 정수 방법.
  40. 제 39 항에 있어서,
    매크로레티귤라 유형의 아미노포스폰 작용기의 킬레이팅 수지를 통하여 상기 제 1 통과 역삼투 배출수를 유입시키는 단계가 대부분의 제 1 통과 역삼투 배출수에 대한 탄산 칼슘에 대하여 대략 25 ppb 이하로 상기 연수기 생성수 내에서 경도를 유지하는 것을 특징으로 하는 정수 방법.
  41. 제 39 항에 있어서,
    매크로레티귤라 유형의 아미노포스포폰 작용기의 킬레이팅 수지를 통하여 상기 제 1 통과 역삼투 배출수를 유입시키는 단계가 최적 동작 효율을 위하여 15 BV/h 정도의 공간 속도로 동작하는 것을 특징으로 하는 정수 방법.
  42. 제 39 항에 있어서,
    매크로레티귤라 유형의 아미노포스폰 작용기의 킬레이팅 수지를 통하여 상기 제 1 통과 역삼투 배출수를 유입시키는 단계가 베드 압축을 피하기 위하여 상기 나트륨 변환을 위하여 업플로우 기법을 사용하는 것을 특징으로 하는 정수 방법.
  43. 제 39 항에 있어서,
    매크로레티귤라 유형의 아미노포스폰 작용기의 킬레이팅 수지를 통하여 상기 제 1 통과 역삼투 배출수를 유입시키는 단계가 상기 이온 교환 용기를 사이징하는데 있어서 수로로부터 나트륨까지 대략 45 % 의 스웰링 확장으로 잡을 필요가 있는 것을 특징으로 하는 정수 방법.
  44. 제 4 항에 있어서,
    상기 연수기는 상기 나트륨 폼 내에서 매크로레티큘라 유형의 이미노디아세트산 작용기의 킬레이팅 수지를 사용하는 것을 특징으로 하는 정수 방법.
  45. 제 44 항에 있어서,
    상기 나트륨 폼에서 매크로레티귤라 유형의 이미노디아세트산 작용기의 킬레이팅 수지를 통하여 상기 제 1 역삼투 배출수를 유입시키는 단계는 대부분의 제 1 통과 역삼투 배출수에 대한 탄산 칼슘에 대하여 대략 25 ppb 이하로 상기 연수기 생성수 내에서 경도를 유지시키는 것을 특징으로 하는 정수 방법.
  46. 제 44 항에 있어서,
    상기 나트륨 폼에서 매크로레티귤라 유형의 이미노다이아세트산 작용기의 킬레이팅 수지를 통하여 상기 제 1 역삼투 배출수를 유입시키는 단계는 최적 동작 효율을 위하여 대략 15 BV/h 정도의 공간 속도로 동작하는 것을 특징으로 하는 정수 방법.
  47. 제 44 항에 있어서,
    상기 나트륨 폼에서 매크로레티귤라 유형의 이미노다이아세틱산기 그룹 킬레이팅 수지를 통하여 상기 제 1 역삼투 배출수를 유입시키는 단계는 베드 압축을 피하기 위하여 상기 나트륨 변환에 대한 업플로우 기법을 사용하는 것을 특징으로 하는 정수 방법.
  48. 제 44 항에 있어서,
    상기 나트륨 폼에서 매크로레티귤라 유형의 이미노다이아세틱산기 그룹 킬레이팅 수지를 통하여 상기 제 1 역삼투 배출수를 유입시키는 단계는 상기 이온 교환 용기를 사이징하는데 있어서 수소로부터 나트륨까지 대략 40 %의 스웰링 확장으로 잡는 것을 특징으로 하는 정수 방법.
  49. 제 1 항에 있어서,
    연수기을 통하여 상기 제 1 통과 역삼투 배출수를 유입한 수, 스케일 방지제를 상기 연수기 생성수에 1-25 ppm 범위로 첨가함으로써, 과포화로 인한 상기 전기탈이온화 유닛의 상기 농축 챔버 내에서 스케일링이 방지될 수 있는 것을 특징으로 하는 정수 방법.
  50. 제 1 항에 있어서,
    상기 소프트닝 장비의 상기 출구 스트리임 내에서 압력 감소 밸브의 사용으로 인하여 상기 정제 구획판(purifying compartment)의 입구 스트리임의 압력보다 낮은 5-10 psig 압력으로 상기 농축 및 전극 스트리임이 주입되는 것을 특징으로 하는 정수 방법.
  51. 제 1 항에 있어서,
    상기 연수기는 상기 나트륨 폼 내에서 균일한 입자 크기 강산 양이온 수지를 함유하는 표준 역방향 플로우 연수제이며, 상기 연속 전기탈이온화 유닛이 대략 90 %의 회복률을 획득하는 것을 특징으로 하는 정수 방법.
  52. 제 1 항에 있어서,
    상기 연수기는 상기 나트륨 폼 내에서 카르복실산 그룹을 가지는 수지를 함유하는 약산 양이온 교환기(exchanger)이며, 상기 연속 전기탈이온화 유닛이 대략 95 %의 회복률을 획득하는 것을 특징으로 하는 정수 방법.
  53. 제 1 항에 있어서,
    상기 연수기는 상기 나트륨 폼 내에서 적절한 매크로레티큘라 유형의 아미노포스폰 작용기의 킬레이팅 수지를 포함하는 이온 교환기이며, 상기 연속 전기탈이온화 유닛이 대략 98 %의 회복률을 획득하는 것을 특징으로 하는 정수 방법.
  54. 제 1 항에 있어서,
    상기 연수기는 상기 나트륨 폼 내에서 적절한 매크로레티큘라 유형의 이미노다이아세트산 작용기의 킬레이팅 수지를 포함하는 이온 교환기이며, 상기 연속 전기탈이온화 유닛이 대략 98 %의 회복률을 획득하는 것을 특징으로 하는 정수 방법.
  55. 제 1 항에 있어서,
    상기 역삼투 시스템이 60 내지 85 % 범위의 전체 회복률로 작동하는 경우, 상기 전기탈이온화 농축 스트리임은 상기 원수의 전도도의 대략 2.5 내지 대략 6.67 배의 전도도를 획득하는 것을 특징으로 하는 정수 방법.
  56. 제 1 항에 있어서,
    상기 연속 전기탈이온화 유닛으로부터 상기 정제된 물은 100 ppt 이하의 실리카 레벨을 갖는 것을 특징으로 하는 정수 방법.
  57. 제 1 항에 있어서,
    상기 연속 전기탈이온화 유닛은 대략 99% 정도로 실리카 배출(REJECTION)을 갖는 것을 특징으로 하는 정수 방법.
  58. 제 1 항에 있어서,
    상기 연속 전기탈이온화 유닛으로부터의 상기 정제된 물은 100 ppt 이하의 붕소 레벨을 갖는 것을 특징으로 하는 정수 방법.
  59. 제 1 항에 있어서,
    상기 연속 전기탈이온화 유닛은 대략 98.75 % 정도로 붕소 배출을 갖는 것을 특징으로 하는 정수 방법.
  60. 제 1 항에 있어서,
    상기 연속 전기탈이온화 디바이스는 25 ℃(77 ℉)에서 대략 17.0 메가옴-cm의 저항률(resistivity)을 갖는 것을 특징으로 하는 정수 방법.
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