KR20060114711A - 폐수의 크로마토그래피 분리에 의한 플루오라이드 및암모니아의 선택적 제거 - Google Patents

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Abstract

본 발명에서는 추가적인 산업적 사용을 위해 또는 환경 규제에 따르기 위해 산업 조작 동안 생성된 폐수 스트림으로부터 플루오라이드를 제거하는 방법을 개시한다. 상기 방법은, 상기 폐수 스트림중의 전체 이온으로부터 플루오라이드 및 플루오로실리케이트 이온의 제거를 분리하여 처리 효율성을 개선시키고 비용을 감소시킨다. 이온-교환 크로마토그래피를 사용하여, 상기 폐수 스트림중의 양이온/음이온과 선택적으로 결합하는 하전된 수지를 함유하는 하나 이상의 컬럼을 통해 상기 폐수 스트림을 통과시킴으로써 플루오라이드 및 플루오로실리케이트 이온을 제거한다. 상기 플루오라이드 이온은 컬럼으로부터 세정된 후, 다른 공정에서 사용하거나 제거하기 위해 모은다.

Description

폐수의 크로마토그래피 분리에 의한 플루오라이드 및 암모니아의 선택적 제거{SELECTIVE FLUORIDE AND AMMONIA REMOVAL BY CHROMATOGRAPHIC SEPARATION OF WASTEWATER}
많은 산업 조작은 종종 플루오르화수소산으로서 또는 암모늄 플루오라이드와 같은 플루오라이드 염으로서 플루오라이드를 이용한다. 예를 들어, 알루미나 및 실리카 에칭, 세정 등 및 반도체 제조에서 다량의 플루오르화수소산 및 기타 플루오라이드 화합물을 이용한다. 당분야에 잘 공지된 이유로 인해 물 방출을 제어하는 요소로서, 생성된 폐수는 플루오라이드 이온을 제거하기 위해 처리되어야 할 필요가 있다. 또한, 플루오르화수소산(HF)을 사용하는 경우, 반도체 제조자들은 종종 극도로 순수한 플루오르화수소산을 필요로 한다.
전형적인 반도체 제조자는 일일 평균 10000 갤런(gallon)의 혼합된 산성 플루오라이드 폐기물을 생성할 수 있다. 그러나, 이러한 광대한 양의 플루오라이드 이온 폐기물의 생성은 심각한 폐기 문제를 제기한다. 플루오라이드 폐기물은 처리 및 폐기의 측면에서 점점 긴급해지는 환경적 조절에 속하게 된다. 따라서, 산업은 폐기물 용액을 도시 폐수 처리 시스템에 도입시키기 전에 상기 용액의 플루오라이드 함량을 크게 감소시켜야 한다.
챔버 세정 기체로서 불소의 사용이 증가됨에 따라, 폐기물의 부피도 증가될 것이 기대된다. 플루오라이드 처리를 위한 최신 기법의 실행은, 희석된 스트림을 직접 칼슘 플루오라이드(Ca(OH)2) 첨가로 처리함으로써 불용성 칼슘 플루오라이드(CaF2) 염으로서 플루오라이드를 침전시키거나, 또는 칼슘 클로라이드(CaCl2) 및 나트륨 하이드록사이드(NaOH)의 첨가에 의해 칼슘 플루오라이드를 형성시키는데 초점을 맞추고 있다.
반응은 하기 반응식 1에 따라 진행된다:
2Ca(OH)2 + 2HF + H2SO4 = CaF2 + CaSO4·2H2O + 2H2O
상기 반응식에서 보는 바와 같이, 슬러지(sludge)는 건조 중량을 기준으로 단지 45%의 칼슘 플루오라이드(CaF2)를 함유하고, 나머지는 상대적으로 온화한 CaSO4이다.
상기 처리 기구는 몇 개의 단점을 갖는다. 물에서 (Ca(OH)2)의 용해도는 대략 1,600ppm이다. 따라서, Ca(OH)2의 첨가는 Ca(OH)2의 슬러리의 주입을 전형적으로 야기할 수 있다. 상기 슬러리는, 칼슘 플루오라이드(CaF2) 침전을 위해 시드(seed)로서 작용하는, 입자 크기 10 내지 15㎛의 Ca(OH)2 입자를 갖는다. 물에 존재하는 설페이트는, 칼슘 설페이트(CaSO4)가 높은 가용성이 아니기 때문에 또한 침전한다. 또한, CaSO4는 염 분자에 부착된 두 개의 물분자를 갖기 때문에, 침전된 고형물은 매우 점성질이고, 여과 프레스(filter press)에서 잘 여과되지 않는다. 그 결과, 여과 프레스 조작은 압력 상승에 기인하여 조급하게 중단해야할 필요가 있어, 과량의 수분을 케이크에 남길 수 있다. 이들 시스템의 추가적인 제한은, 상기 시스템이 달성할 수 있는 플루라이드 이온 농도의 수준이다. 전형적으로, 약간의 알칼리 pH에서, 대략 20ppm의 CaF2는 여전히 물에서 용해된다. 반응물(특히, 칼슘 및 알칼리성 소스)의 과량의 투여 수준에서, 10 내지 12ppm 낮은 수준의 플루오라이드가 달성될 수 있다. 그러나, 전세계의 일부 지역에서, 플루오라이드의 방출 한계는 2-ppm 수준 아래로 낮아지고 있다. 상기 수준은 CaF2의 낮은 용해도 제한 때문에 침전 메커니즘에 의해 기술적으로 달성될 수 없다.
또한, 케이크화된 칼슘 플루오라이드가 고함량의 규소를 실리카로서 함유하기 때문에, 이 방법이 사용된 후 플루오라이드를 회수하는 것은 반도체 제조자들에게 매우 어렵다. 실리카는 많은 반도제 제조 공정상에 부정적인 영향을 미치기 때문에, 케이크화된 칼슘 플루오라이드에서 실리카의 존재는 원료로서 그의 가치를 무효화한다. 따라서, 재활용 또는 회수가 허용가능하지 않기 때문에 통상적인 플루오라이드 케이킹 시스템으로부터의 모든 플루오라이드는 반도체 제조자가 사용할 수 없다.
상기 문제 이외에, 산업은 암모늄 이온을 함유하는 폐기물 스트림을 단리하고 처리하는 방법을 요구한다. 최신 기술은 훨씬 많은 보수 관리를 요하고 매우 효율적이지 않은 생물학적 여과기를 사용한다.
미국 특허 제 5,876,685 호는 10ppm 초과의 플루오라이드 이온, 기타 음이온의 혼합물, 플루오르화규소산, 규산, 실리케이트 또는 사불화규소 형태의 규소를 함유하고, 선택적으로 착화 금속 플루오라이드를 함유하는 용액에 함유된 실질적으로 모든 플루오라이드 이온을 제거 및 정제하여 플루오르화수소산을 제조하는 방법을 개시하고 있다.
발명의 개요
폐수 스트림에 포함된 실질적으로 모든 플루오라이드 이온을 제거하는 것을 포함하는 폐수 스트림을 처리하는 방법으로서, 강산 양이온 수지에 폐수 스트림을 통과시킴으로써 상기 폐수 스트림중의 양이온을 수소 이온으로 교환하는 단계; 설페이트 형태의 강염기 음이온 수지에 상기 폐수 스트림을 통과시킴으로써 상기 폐수 스트림으로부터 헥사플루오로실리케이트를 제거하는 단계; 유리 염기 형태의 3급 아민기를 갖는 약염기 음이온 수지에 상기 폐수 스트림을 통과시킴으로써 상기 폐수 스트림으로부터 산을 제거하는 단계; 및 유리 염기 형태의 약염기 음이온 수지에 상기 폐수 스트림을 통과시킴으로써 상기 폐수 스트림으로부터 플루오르화수소산을 제거하는 단계를 포함하는 폐수 스트림의 처리 방법이 제공된다.
폐수 스트림에 포함된 실질적으로 모든 플루오라이드 이온을 제거하는 것을 포함하는 폐수 스트림을 처리하는 방법으로서, 강산 양이온 수지에 알루미늄 염 용액을 통과시킴으로써 수소 이온을 함유하는 강산 양이온 수지중의 수소 이온을 알 루미늄 이온과 교환하는 단계; 상기 강산 양이온 수지를 물로 세정하는 단계; 및 상기 강산 양이온 수지에 상기 폐수 스트림을 통과시킴으로써 상기 폐수 스트림으로부터 플루오르화수소산을 제거하는 단계를 포함하는 폐수 스트림의 처리 공정이 제공된다.
도 1은 한 실시양태에 따른 공정의 흐름도이다.
본 발명의 방법은, 추가적인 산업적 사용을 위해 또는 환경 규제에 따르기 위해 산업 조작 동안 생성된 폐수 스트림으로부터 플루오라이드를 제거하기 위해 적용가능하다. 상기 방법은 폐수 스트림중의 전체 이온으로부터 플루오라이드 및 플루오로실리케이트 이온의 제거를 분리함으로써 처리 효율성을 개선시키고 비용을 감소시킨다. 이온-교환 크로마토그래피를 사용하여, 폐수 스트림중의 양이온/음이온과 선택적으로 결합하는 하전된 수지를 함유하는 하나 이상의 컬럼을 통해 폐수 스트림을 통과시킴으로써 플루오라이드를 제거한다. 상기 플루오라이드는 컬럼으로부터 세정된 후, 다른 공정에서 사용하거나 제거하기 위해 모은다.
한 실시양태에서, 플루오라이드(F-) 폐기물은 4 단계 (컬럼) 이온 크로마토그래피 교환 분리 방법을 통해 혼합된 산 폐기물 스트림을 유동시킴으로써 혼합된 산 폐기물 스트림으로부터 분리된다. 제 1 컬럼은 암모늄과 같은 양이온을 수소 이온과 교환함으로써 스트림중의 임의의 염을 상응하는 산으로 전환시킨다. 제 2 예비조건화된 컬럼은 헥사플루오로실리케이트(SiF6)를 선택적으로 제거하는 반면, 제 3 컬럼은 크로마토그래피 분리에 의해 산 ― 질산(HNO3), 아세트산((HOAc), 염산(HCl) 및 황산(H2SO4)을 제거한다. 제 4 컬럼은 플루오르화수소산(HF)만을 제거한다. 이 방법은 플루오라이드 화합물만 함유하고, 설페이트에 의해 생성된 초과 슬러지를 제거하고, 연속 조작에 기인한 칼슘 플루오라이드(Ca(OH)2)가 과잉 투여된, 욕(bath)으로서 농축된 스트림의 처리를 용이하게 한다.
제 1 컬럼에서, 폐수 스트림은 다이-비닐 벤젠과 가교결합된 폴리스타이렌과 같은 설폰산 잔기를 갖는 강산 양이온 수지에 의해 처리되고, 이러한 수지의 예는 푸롤라이트(Purolite) C-100(미국 펜실베니아주 발라 킨위드 소재의 푸롤라이트 컴퍼니(Purolite Company))이다. 많은 강 양이온 수지가 상기 공정에 사용될 수 있음을 주의해야 한다. 이 컬럼은 폐수 스트림중의 모든 양이온을 수소 이온과 교환한다. 생성된 폐수 스트림은 희석된 농도의 황산, 질산, 아세트산, 염산, 플루오르화수소산 및 플루오르화규소산을 함유한다. 상기 컬럼에는 암모늄 이온 모니터 또는 미분 pH 모니터가 장착된다. 암모늄 이온 모니터가 사용되는 경우, 암모늄 이온의 유출은 컬럼 소진을 나타내고, 상기 컬럼은 강산으로 재생될 수 있다. 재생 동안 사용된 강산의 선택은 사용자에 의해 결정된다. 사용자가 재생제 폐기물을 수송하고자 하는 경우, 상기 컬럼은 황산으로 재생될 수 있고, 이는 비료 산업에 판매될 수 있는 암모늄 설페이트 염 용액을 생성한다. 사용자가 그 부위에서 암모늄을 파괴하고자 하는 경우, 상기 컬럼은 염산으로 재생될 수 있고, 재생제 폐기물은 DC(직류) 전류의 영향 하에서 전해조 챔버에서 처리되어, 클로라이드를 하이드로클로라이트로 변화시키고, 이어서 암모니아와 반응하여, 결국에는 모노-, 다이-, 및 트라이-클로라민 반응 공정을 통해 이를 질소 기체로 전환한다.
제 2 컬럼에서, 산성화된 폐수 스트림은 다이-비닐 벤젠과 가교결합된 폴리스타이렌과 같이 4급 아민기를 함유하는 강염기 음이온과 처리된다. 이러한 수지의 예는 푸롤라이트 A-400 또는 A-600(미국 펜실베니아주 발라 킨위드 소재의 푸롤라이트 컴퍼니)이다. 이 수지는 황산으로 처리되어 더욱 표준인 수산화물 형태보다 설페이트 형태로 된다. 이는 양이온을 제거하고, 이를 수소 이온으로 대체함으로써 염을 산으로 해리할 수 있는(염 분리) 임의의 유형의 강염기 설페이트 음이온 수지가 사용될 수 있음을 주의해야 한다. 이가 설페이트 이온은, 폐수 스트림에서 보다 높은 당량을 갖는 음이온을 제외한 임의의 기타 음이온이 수지에 의해 흡착되는 것을 방지한다. 이러한 음이온의 예는 반도체 웨이퍼의 규소 또는 이산화규소 부위 및 HF의 존재로부터 형성된 헥사플루오로실리케이트 이온일 수 있다. SiF6의 당량은, 설페이트의 48과 대조적으로 71이다. 상기 수지는 SiF6을 설페이트로 교환하여, 플루오르화규소산 대신 황산을 생성한다. 상기 컬럼은, 실리카 격변(breakthrough)을 모니터하고 재생의 요구를 신호화하기 위한 실리카 모니터가 장착될 수 있다. 재생은 강 설페이트 염기 음이온에 먼저 염산을 첨가하는 단계에 이어서 황산을 첨가하는 단계를 포함한 2-단계 공정일 수 있다. 재생제 폐기물을 모으고, 칼슘 플루오라이드, 또는 칼슘 클로라이드 및 나트륨 하이드록사이드(NaOH)을 천천히 첨가하면서 작은 배치 처리 시스템에서 처리하여 칼슘 실리케이트(CaSiO3), 실리카 및 CaF2의 혼합물을 침전시킨다. 이어서 상기 슬러지는 압착되고 처분될 수 있다.
제 3 컬럼에서, 제 2 단계로부터 처리된 폐수 스트림은 양이온 및 헥사플루오로실리케이트를 함유하지 않는 모든 산을 함유한다. 이 폐수 스트림은 HF 이외의 산의 제거를 위해 처리된다. 컬럼에서 사용된 수지는 유리 염기 형태의 3급 아민기를 함유하는 약염기 음이온이다. 즉, 수지상의 교환가능한 음이온은 가용성 양이온이 이와 결합되지 않기 때문에 유리 염기인 수산화 이온이다. 상기 양이온만이 불용성 이온 교환 수지이다. 이러한 수지의 예는 푸롤라이트 A-845(미국 펜실베니아주 발라 킨위드 소재의 푸롤라이트 컴퍼니)이다. 부분적인 강염기 기의 존재 여부와 상관없이, 대부분의 약염기 음이온 수지가 사용될 수 있다는 것을 주의해야 한다.
HF는 초기에는 기타 모든 산과 함께 수지상의 수산화 이온 대신에 흡착된다. 따라서, 초기에는 컬럼 용리물은 매우 낮은 전도성을 갖고(탈이온화된 품질의 물), 이는 실질적으로 모든 산이 흡착되는 것을 나타낸다. 이 낮은 전도성 조건은 모든 수산화 이온이 폐수 스트림중의 음이온에 의해 필수적으로 대체할 때까지 지속된다. HF의 당량이 제 2 단계 수지 처리로부터 유래된 상술한 산중에서 가장 낮기 때문에, HF는 보다 높은 당량의 산이 컬럼으로 유입됨에 따라 치환된다. 이는 거의 희석된 HF로만 구성된 처리된 폐수 스트림을 생성한다. 상기 수지가 소진되는 경우를 탐지하기 위해(즉, HF 다음으로 가장 느슨하게 유지되는 이온이 치환되는 경우), 상기 컬럼은 용리물 스트림에서 클로라이드 이온의 존재를 확인하는 클로라이드 모니터를 가질 수 있다. 상기 클로라이드 이온은, 상기 컬럼이 더 이상 HF 용리물만을 생성할 수 없다는 것을 나타내고, 이는 상기 수지의 재생의 요구를 신호화한다. 이어서, 생성된 폐수 스트림은 제 4 단계에 의해 처리된다.
재생은 제 3 단계 수지에 매우 희석된 NaOH 용액을 펌핑함을 포함한다. NaOH의 양은 수산화 이온과의 완전한 대체를 위해 요구되는 화학양론적인 값의 대략 110%일 수 있다. 재생된 폐기물은 대부분 설페이트, 클로라이드, 나이트레이트의 나트륨 염을 포함하고, 임의의 표준 산 폐기물 중화 시스템으로 배출될 수 있다. 매우 약한 산인 아세트산이 폐수에 존재하는 경우 컬럼에 의해 클로라이드 전에 방출될 것임을 주의해야 한다.
제 4 컬럼은 본 공정에 사용될 수 있는 푸롤라이트 A-845 또는 푸롤라이트 A-103(미국 펜실베니아주 발라 킨위드 소재의 푸롤라이트 컴퍼니)와 같은 수산화물 형태의 임의의 약염기 음이온 수지를 이용함으로써 폐수 스트림으로부터 HF를 제거한다. 이러한 수지의 또 다른 예는 레일렉스(Reillex) 425P 중합체(미국 인디애나주 인디애나폴리스 소재의 레일리 인더스트리즈(Reilly Industries))이다. 이 수지는 매우 높은 HF 흡착 능력을 확인하였다(공급된 습식 수지 1리터 당 2.5 당량(eq/ℓ) 대 다른 약염기 음이온 수지 1.6 eq/ℓ). 상기 수지는 초기에는 탈이온수를 생성하는데, 이는 상기 수지가 존재할 수 있는 실질적으로 모든 아세트산, 및 모든 HF를 흡착하기 때문이다. 그러나, 보다 많은 양의 HF가 상기 수지에 접촉할수록, 상기 아세트산이 HF에 의해 대체될 것이고, 용리물 스트림이 아세트산을 함유할 것이다. 이 스트림은 산 폐기물 중화 시스템으로 이송될 수 있다.
이 컬럼의 재생은 사용자의 필요에 기초하여 상이한 구성을 가질 수 있다. 사용자가 물을 재사용하기를 원한다면, 전도성 모니터가 용리물 출구에 설치되고, 이는 물중의 전체 이온수에 의해 제어되는 물의 전기 저항을 측정함으로써 재생의 요구를 신호화한다. 이온 교환 수지가 소진되고 나면, 더 이상 이온을 흡착할 수 없어 배출수의 전도성이 증가한다. 사용자가 물의 재사용에 관심이 없고 최대한의 플루오라이드 제거를 원한다면, 상기 컬럼은 재생의 요구를 신호화하기 위해 플루오라이드 이온 모니터가 장착될 수 있을 것이다. 둘 중 어떠한 경우라도, 염산으로 재생을 수행하여 산성 HF 용액을 생성한 후 NaOH에 의해 수지를 재생하거나, NaOH만으로 재생을 수행하여 NaF/NaOH 혼합물을 수득할 수 있다. HCl 용리 웨이브가 분리되는 경우, 폐기물은 대부분 HF로 구성된다. 상기 HF 폐기물은 탱크에 모여서 Ca(OH)2 용해도 한계보다 낮은 농도에서 Ca(OH)2를 첨가함으로써 회분식 처리되어, 칼슘 플루오라이드(CaF2) 결정이 Ca(OH)2 결정 시드 없이 성장하도록 허용할 것이다. 다르게는, 칼슘 클로라이드(CaCl2)는 화학양론적인 양으로 첨가되고, pH는 최적 CaF2 용해도를 유지하도록 조정될 수 있다. 일부 실시양태에서, 상기 pH 값은 약 4 내지 약 5이다. 따라서 형성된 CaF2 결정은 여과하기 매우 쉽고, 그 슬러지는 매우 적은 물을 함유하기 때문에 효율적으로 농축된다.
한 실시양태에서, 알루미늄 이온에 의해 충전된 모든 허용가능한 양이온 용량(capacity)을 갖는 양이온 교환 수지를 사용하는 시스템이 사용되어 플루오라이드 이온을 함유하는 폐수 스트림을 정제한다. 상기 수지는 이온 교환 수지의 반응성 매트릭스 내에서 플루오라이드 이온과 알루미늄 이온의 착체화 반응을 용이하기 함으로써 폐수중의 플루오라이드 이온을 선택적으로 제거하기 위해 사용된다. 상기 시스템은 예컨대 통상적인 플루오라이드 침전 시스템의 배출 말단에서 발견되는 중성 또는 약간의 알칼리성 pH 폐수에서 사용하기에 적합하다.
후술하는 하기 실시양태는 사용자에게 폐수에서 보다 낮은 수준의 플루오라이드가 생성되도록 허용한다. 상기 방법은 강산 양이온 이온 교환 수지를 사용하는 것을 포함하고, 특정 실시양태에서는 상기 수지의 반응성 매트릭스 내에서 알루미늄 플루오라이드 착체의 형성을 위한 킬레이트제로서 균일한 입자 크기를 갖는다. 다른 실시양태에서, 상기 수지는 비-균일한 비드 크기를 갖는다. 비-균일한 비드 크기를 갖는 수지의 예는, IR 120(미국 펜실베니아주 필라델피아 소재의 롬 앤 하스 컴퍼니(Rohm & Hass Co.)); 푸롤라이트 C-100(미국 펜실베니아주 발라 킨위드 소재의 푸롤라이트 컴퍼니)이다. 균일한 비드 크기를 갖는 수지의 예는 푸롤라이트 PFC-100(미국 펜실베니아주 발라 킨위드 소재의 푸롤라이트 컴퍼니); 마라톤 시리즈(미국 미시간주 미들랜드 소재의 다우 케미컬 컴퍼니(Dow Chemical Company)); 및 앰버제트 시리즈(미국 펜실베니아주 필라델피아 소재의 롬 앤 하스 컴퍼니)이다.
한 실시양태에서, 수소 이온을 함유하는 강산 양이온 수지는 알루미늄 클로라이드 또는 알루미늄 설페이트와 같은 가용성 알루미늄 염의 용액으로 처리된다. 알루미늄의 임의의 가용성 염이 사용될 수 있음을 주의해야 한다. 한 실시양태에서, 상기 양은 수지 1ℓ당 알루미늄으로서 알루미늄의 약 1 내지 약 3 당량일 것이다. 또 다른 실시양태에서, 상기 양은 최근 1.2 당량/ℓ로 측정된 알루미늄에 대한 시험된 수지 용량에 매우 근접할 것이다. 수지로부터 수소 이온은 알루미늄 이온과 교환되고, 알루미늄 염의 약간의 잔류물을 함유하는 강산은 컬럼으로부터 용리물로서 생성된다. 한 실시양태에서, 1 베드 체적의 알루미늄 염 용액의 부피가 사용된다. 이어서 상기 컬럼은 대략 1 베드 체적의 탈이온수로 세정된다.
컬럼에서 강 양이온 수지로 세정된 탈이온수 및 강산 양이온 수지에 통과된 가용성 알루미늄 염 용액으로부터의 전체 폐기물은 모여서 탱크에 저장된다.
강산 양이온 수지에 통과된 알루미늄 염의 음이온에 해당하는 농축된 무기산이 강산 양이온 수지에 통과된 가용성 알루미늄 염 용액에 첨가되고, 컬럼에서 강 양이온 수지를 세정하는 탈이온수는 6중량%의 강산 용액을 사용하여 재생된다. 하나의 예로서, 알루미늄 클로라이드가 염으로서 사용되는 경우, 염산은 재생제로서 사용된다.
플루오라이드 이온을 함유하는 폐수 스트림은 약 16 베드 체적/시간의 체적 속도, 또는 대략적으로 2갤런/분(gpm)/수지 1입방 피트의 속도로 컬럼을 통해 통과된다. 플루오라이드 이온 탐지기는 컬럼의 소진을 신호로 알릴 수 있다.
전술한 바와 같이, 재생제 폐기물은 모여서 칼슘 플루오라이드, 또는 칼슘 클로라이드 및 나트륨 하이드록사이드와 처리하기 위한 침전 시스템으로 이송되어 칼슘 플루오라이드, 알루미늄 하이드록사이드, 및 칼슘 알루미네이트 염의 혼합물을 침전시킨다. 상기 공정을 반복하기 위해, 가용성 알루미늄 염 용액이 강산 양이온 수지에 첨가된다.
시스템 구성은 사용자의 요구 사항에 따라 변할 수 있다. 한 실시양태에서 상기 구성은 프라이머리-폴리셔-스탠바이 디자인(Primary-Polisher-Standby design)에서 세 개의 강산 양이온 수지의 컬럼을 갖는다. 사용 사이클 동안, 폐수 스트림은 먼저 프라이머리 컬럼을 통해 흐르고, 두 번째로 폴리셔 컬럼을 통해 흐른다. 플루오라이드 센서는 프라이머리 컬럼으로부터 용리물을 모니터하고, 프라이머리 컬럼의 소진을 신호로 알린다. 이 지점에서, 폐수 스트림은 전환되어 다음 폴리셔 컬럼에 이어서 스탠바이 컬럼을 통해 통과된다. 폐수 스트림이 통과된 후, 프라이머리 컬럼은 강산 양이온 수지에 통과된 알루미늄 염의 음이온에 해당되는 농축된 무기산을 펌핑함으로써 재생된다. 재생이 완결된 후, 재생된 프라이머리 컬럼은 새로운 스탠바이 컬럼이 된다.
또다른 실시양태에서, 상기 구성은 각각 두 개의 컬럼의 두 개의 트레인(한 개는 사용, 한 개는 대기)을 갖고, 이 때 한 컬럼이 프라이머리이고 나머지가 폴리셔 컬럼이다. 플루오라이드가 프라이머리 컬럼의 용리물에서 플루오라이드 탐지기에 의해 탐지되는 경우, 폐수 흐름은 대기 트레인으로 전환되고, 소진된 트레인은 전술한 바와 같은 농축된 무기산으로 재생된다. 무기산(재생제)은 먼저 폴리셔 컬럼, 이어서 프라이머리 컬럼을 통해 펌핑된다.
도 1은 설페이트, 클로라이드, 플루오라이드, 아세테이트, 암모늄, 수소, 나이트레이트, 포스페이트, 헥사플루오로실리케이트, 실리케이트, 나트륨, 칼륨, 유기 아민, 테트라메틸암모늄의 이온중 적어도 일부를 함유하는 산성 폐수 혼합물이 제 1 컬럼으로 도입되는(단계 1) 한 실시양태의 일반적인 공정도를 도시한다. 상기 폐수는, 강산 양이온 수지가 실질적으로 모든 양이온, 예컨대 암모늄, 나트륨, 칼륨, 테트라메틸암모늄을 제거하고, 상기 양이온을 수소 이온과 대체하는 제 1 컬럼을 통해 통과하여, 강한 산성인 폐수를 배출하게 한다(단계 2). 제 1 컬럼에서 수지 소진은 제 1 컬럼으로부터 입구와 출구 사이에 pH 강하가 일어나지 않는 것으로 신호가 보내진다. 제 1 컬럼으로부터의 폐수는, 제 2 컬럼으로 유입되는데, 이 때 제 2 컬럼에서는 설페이트 형태의 4급 아민 수지를 함유하는 강염기 음이온을 사용하여 헥사플루오로실리케이트 및 일부 포스페이트가 제거된다(단계 3). 제 2 컬럼에서 상기 수지의 소진은 용리물상에서 실리카 분석기를 사용함으로써 측정된다. 일부 포스페이트를 제외한 모든 기타 산은 제 3 컬럼으로 폐수와 함께 통과한다.
제 3 컬럼은 초기에는 유리 염기 형태의 3급 아민기를 함유하는 약염기 음이온 수지를 사용함으로써 실질적으로 모든 음이온을 제거시켜 탈이온수를 수득한다(단계 4). 상기 수지가 음이온으로 완전하게 로딩되고 나면, 추가적인 음이온은 수지상에 흡착되는 임의의 플루오라이드를 대체할 것이다. 용리물은 실질적으로 HF만으로 이루어지고, 필요한 경우 수지상에 흡착된 HF가 거의 남지 않거나 존재하지 않을 때까지 아세트산이 초기 폐수에 존재한다. 이것이 일어나기 때문에, 아세테이트 및 HF뿐만 아니라 클로라이드 이온이 통과할 것이고, 이는 수지 소진을 나타낸다. HF 이온 및 존재하는 경우 컬럼 3의 용리 폐수로부터의 아세트산은 하이드록사이드 형태의 임의의 약염기 음이온 수지를 사용하여 컬럼 4에서 제거된다(단계 5). 플루오라이드 분석기가 사용되어 배출 용액을 모니터링하여 수지가 소진되는 경우를 측정할 수 있다.
제 1 칼럼은 황산으로 재생될 수 있고(단계 6), 이는 암모늄 설페이트 염 또는 염산을 생성한다. 제 2 컬럼은, 강 설페이트 염기 음이온 수지에 염산에 이어서 황산을 첨가하는 것을 포함하는 2-단계 공정을 사용하여 재생될 수 있다(단계 7). 제 3 컬럼의 재생(단계 8)은 제 3 단계 수지에 매우 희석된 NaOH 용액을 펌핑하는 것을 포함한다. 제 4 컬럼의 재생(단계 9)은 염산으로 수행되어 산성 HF 용액을 생성하여 이어서 NaOH로 수지를 재생하거나, NaOH만으로 재생을 수행하여 NaF/NaOH 혼합물을 수득한다.
본원에 개시된 실시양태는 단순히 예일 뿐이며 당분야의 숙련자들은 본 발명의 진의 및 범위에서 벗어나지 않고 다양하게 변경 및 개질시킬 수 있음을 이해할 것이다. 모든 이러한 변경 및 개질은 본원에서 개시된 바와 같은 본 발명의 범위 이내에 포함되고자 한다. 또한, 개시된 모든 실시양태는 반드시 선택적인 것은 아니며, 본 발명의 다양한 실시양태가 조합되어 바람직한 특징을 제공할 수 있다.

Claims (21)

  1. 폐수 스트림에 함유된 실질적으로 모든 플루오라이드 이온을 제거하는 것을 포함하는 폐수 스트림의 처리 방법으로서,
    (1) 상기 폐수 스트림을 강산 양이온 수지에 통과시킴으로써 상기 폐수 스트림중의 양이온을 수소 이온과 교환하는 단계;
    (2) 상기 폐수 스트림을 설페이트 형태의 강염기 음이온 수지에 통과시킴으로써 상기 폐수 스트림으로부터 헥사플루오로실리케이트를 제거하는 단계;
    (3) 상기 폐수 스트림을 유리 염기 형태의 3급 아민기를 갖는 약염기 음이온 수지에 통과시킴으로써 상기 폐수 스트림으로부터 산을 제거하는 단계;
    (4) 상기 폐수 스트림을 유리 염기 형태의 약염기 음이온 수지에 통과시킴으로써 상기 폐수 스트림으로부터 플루오르화수소산을 제거하는 단계를 포함하는, 폐수 스트림의 처리 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    플루오르화수소산 이외의 산이 HNO3, HOAc, HCl 및 H2SO4로 구성된 군으로부터 선택되는 폐수 스트림의 처리 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 강산 양이온 수지가 설폰산 잔기를 함유하는 폐수 스트림의 처리 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 강산 양이온 수지에 통과되는 상기 폐수 스트림을 모니터링하여 암모늄 이온 격변(breakthrough)을 검사하는 단계를 추가로 포함하는 폐수 스트림의 처리 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 모니터링이 상기 수지로 유입되고 배출되는 상기 폐수 스트림의 미분 pH를 모니터하는 단계를 포함하는 폐수 스트림의 처리 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 강산 양이온 수지에, 황산 또는 염산중 하나 이상을 통과시킴으로써 상기 강산 양이온 수지를 재생하는 것을 추가로 포함하는 폐수 스트림의 처리 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 강염기 음이온 수지가 4급 아민기를 함유하는 폐수 스트림의 처리 방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    단계 (2)가, 상기 강염기 음이온 수지에 통과되는 상기 폐수 스트림을 모니터링하여 실리카 격변을 검사하는 것을 추가로 포함하는 폐수 스트림의 처리 방법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    단계 (2)가, 상기 강염기 음이온 수지에, 염산에 이어 황산을 통과시킴으로써 상기 강염기 음이온 수지를 재생하는 것을 추가로 포함하는 폐수 스트림의 처리 방법.
  10. 제 1 항에 있어서,
    단계 (3)이, 강염기 음이온 수지에 통과되는 상기 폐수 스트림을 모니터링하여 클로라이드 격변을 검사하는 것을 추가로 포함하는 폐수 스트림의 처리 방법.
  11. 제 1 항에 있어서,
    단계 (3) 및 (4)가 유리 염기 형태의 3급 아민기를 갖는 상기 약염기 음이온 수지를 수산화나트륨 용액으로 재생하는 것을 추가로 포함하는 폐수 스트림의 처리 방법.
  12. 제 1 항에 있어서,
    단계 (4)가 상기 약염기 음이온 수지에 통과되는 상기 폐수 스트림을 모니터링하여 전기 저항을 검사하는 것을 추가로 포함하는 폐수 스트림의 처리 방법.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 강염기 음이온 수지에 통과되는 상기 폐수 스트림을 모니터링하여 플루오라이 드 격변을 검사하는 것을 추가로 포함하는 폐수 스트림의 처리 방법.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 약염기 음이온 수지에 염산을 통과시킴으로써 상기 약염기 음이온 수지를 재생하는 것을 추가로 포함하는 폐수 스트림의 처리 방법.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 제거된 플루오르화수소산에 용해도 한계 미만의 농도로 Ca(OH)2 또는 CaCl2중의 하나 이상을 첨가하는 것을 추가로 포함하는 폐수 스트림의 처리 방법.
  16. 폐수 스트림에 함유된 실질적으로 모든 플루오라이드 이온을 제거하는 것을 포함하는 폐수 스트림의 처리 방법으로서,
    (1) 강산 양이온 수지에 알루미늄 염의 용액을 통과시킴으로써 수소 이온을 포함하는 강산 양이온 수지중의 수소 이온을 알루미늄 이온과 교환하는 단계;
    (2) 상기 강산 수지를 물로 세정하는 단계;
    (3) 상기 알루미늄 이온 교환된 강산 양이온 수지에 상기 폐수 스트림을 통과시킴으로써 상기 폐수 스트림으로부터 플루오르화수소산을 제거하는 단계를 포함하는 폐수 스트림의 처리 방법.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 알루미늄 염이 알루미늄 클로라이드 또는 알루미늄 설페이트 중의 하나 이상이고, 상응하는 산이 각각 염화수소 또는 황산수소인 폐수 스트림의 처리 방법.
  18. 제 16 항에 있어서,
    상기 교환 및 세정으로부터 전체 유출수(runoff)를 탱크에서 모으는 것을 추가로 포함하는 폐수 스트림의 처리 방법.
  19. 제 16 항에 있어서,
    상기 교환 및 세정으로부터 전체 유출수 및 무기산의 혼합물을 상기 강산 양이온 수지에 첨가하는 것을 추가로 포함하는 폐수 스트림의 처리 방법.
  20. 제 16 항에 있어서,
    상기 강산 음이온 수지에 통과되는 상기 폐수 스트림을 모니터링하여 플루오라이드 격변을 검사하는 것을 추가로 포함하는 폐수 스트림의 처리 방법.
  21. 제 16 항에 있어서,
    상기 강산 양이온 수지에 통과되는 알루미늄 염에 상응하는 농축된 무기산을 상기 강산 음이온 수지에 통과시킴으로써 상기 강산 양이온 수지를 재생하는 것을 추가로 포함하는 폐수 스트림의 처리 방법.
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