KR20070070454A - 이온 교환 장치 및 그의 운전 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 이온 교환 장치 및 그의 운전 방법에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는 저렴하고 데이터의 신뢰성이 높은 pH 측정 장치, 전기전도도 측정 장치 및/또는 경도 측정 장치를 이용함으로써 양이온 교환수지의 수명을 신뢰성 있게 인지할 수 있도록 한 이온 교환 장치 및 그의 운전 방법에 관한 것이다.

이들 pH 측정 장치, 전기전도도 측정 장치 및 경도 측정 장치는 데이터의 신뢰도가 높기 때문에 양이온 교환수지의 수명에 관하여 믿을 수 있는 자료를 제공하여 장치의 운전비용 절감에 기여하고, 가격이 저렴하기 때문 이온 교환 장치를 저렴하게 구성할 수 있는 장점이 있다.

이온 교환 장치, 양이온 교환 수지, pH, 전기전도도, 경도

Description

이온 교환 장치 및 그의 운전 방법 {Ion exchange unit and operation method of the same}

도 1a 내지 도 1d는 본 발명의 일 실시예에 따른 이온 교환 장치를 나타낸 개념도이다.

도 2는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 이온 교환 장치를 나타낸 개념도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 공급 배관 20 : 배출 배관

22 : 매니폴드 배관 24 : 이송 배관

100 ∼ 104 : 이온교환 반응기 110 ∼ 114 : 양이온 교환수지

120 ∼ 125 : pH 측정 장치 130 ∼ 135 : 전기전도도 측정 장치

140 : 경도 측정 장치

본 발명은 이온 교환 장치 및 그의 운전 방법에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는 양이온 교환수지의 수명을 신뢰성 있게 알 수 있도록 함으로써 경제적인 운 전이 가능한 이온 교환 장치 및 그의 운전 방법에 관한 것이다.

탈이온수(deionized water)는 산업상 예를 들면, 정밀한 화학반응이 개재되는 단위 공정의 세정수를 비롯하여 매우 다양한 분야에서 다양한 목적으로 이용되고 있으며 이러한 탈이온수의 수요는 날로 증가하고 있는 실정이다.

상기 탈이온수를 제조하는 종래의 공정은 이온교환을 통해 원수에 포함된 양이온 및 음이온을 제거하는 것이었다. 이와 같은 이온교환은 이온교환 반응기 내부에 충전된 이온교환수지를 원수와 접촉시킴으로써 수행되는 것이다.

상기 이온교환수지는 반응이 진행됨에 따라 이온교환성능이 저하되어 이온교환반응에 일정시간 사용한 이후에는 새로운 이온교환수지 충전물로 교체해 주어야 한다. 이러한 교체시점을 결정하기 위해 종래에는 이온교환 반응기 후단에 나트륨 이온 분석기 및/또는 경도(hardness) 분석기를 구비하여 이들 분석기에서 나트륨의 농도가 과도하게 검출되거나 경도가 과도하게 감지되면 이온교환 수지의 교체를 결정하였다.

그러나, 나트륨 이온 분석기는 정기적으로 검정(calibration)하여 주어야 하는 것은 물론 불안정하게 변화하는 베이스라인(baseline)을 수시로 조정하여야 하는 불편이 있었으며 이러한 불편은 분석 데이터의 신뢰도를 떨어뜨리는 주된 원인이었다. 즉, 나트륨 이온 분석기의 베이스라인을 정기적으로 검정하더라도 모종의 외란(external disturbance)에 의해 베이스라인이 흔들릴 수 있는데 이런 경우에 일일이 재검정하여야 하는 불편은 물론 이러한 외란과 이온교환수지의 수명 종료가 명확히 식별되지 않아 아직 수명이 다하지 않은 이온교환수지도 교체되는 경우가 있어 비경제적이었다. 또한, 종래의 나트륨 이온 분석기는 고가의 장비여서 분석 시스템을 구축하는 데 많은 비용이 요구되는 단점이 있었다.

본 발명이 이루고자 하는 첫 번째 기술적 과제는, 양이온 교환수지의 수명을 신뢰성 있게 알 수 있도록 하는 저렴한 이온 교환 장치를 제공하는 것이다.

본 발명이 이루고자 하는 두 번째 기술적 과제는, 상기 양이온 교환수지의 교체시에도 조업을 중단할 필요없이 계속적으로 운전할 수 있는 이온 교환 장치를 제공하는 것이다.

본 발명이 이루고자 하는 세 번째 기술적 과제는, 상기 이온 교환 장치의 운전 방법을 제공하는 것이다.

본 발명은 상기 첫 번째 기술적 과제를 이루기 위하여, 공급수를 공급받는 공급 배관; 상기 공급 배관에 연결되고, 공급수 내에 포함된 양이온을 제거하는 양이온 교환수지가 충전된 이온 교환 반응기; 상기 이온 교환 반응기에 연결되고, 양이온이 제거된 처리수를 배출하는 배출 배관; 및 상기 배출 배관에 연결된 pH 측정 장치를 포함하는 이온 교환 장치를 제공한다.

본 발명의 이온 교환 장치는 상기 배출 배관에 연결된 전기전도도 측정 장치를 더 포함하는 것일 수 있다.

또한, 본 발명의 이온 교환 장치는 상기 공급 배관에 연결된 pH 측정 장치 및 상기 공급 배관에 연결된 전기전도도 측정 장치를 더 포함하는 것일 수 있다.

또한, 본 발명의 이온 교환 장치는 상기 이온 교환 반응기의 배출 배관에 연결된 경도(hardness) 측정 장치를 더 포함하는 것일 수 있다.

이상과 같이 본 발명의 이온 교환 장치는 검정(calibration)이 불필요한 pH 측정 장치, 경도 측정 장치 및/또는 전기전도도 측정 장치를 이용하기 때문에 분석 데이터의 신뢰도가 높을 뿐만 아니라, 이러한 분석 장치는 가격이 저렴하기 때문에 시스템을 경제적으로 구축할 수 있다.

본 발명은 상기 두 번째 기술적 과제를 이루기 위하여, 공급수를 공급받는 공급 배관; 상기 공급 배관에 병렬로 연결되고, 공급수 내에 포함된 양이온을 제거하는양이온 교환수지가 각각 충전된 2 이상의 이온 교환 반응기; 상기 이온 교환 반응기에 각각 연결되고 양이온이 제거된 처리수를 배출하는 2 이상의 배출 배관; 상기 2 이상의 배출배관에 연결되고 배출되는 처리수를 수집하는 매니폴드(manifold) 배관; 상기 매니폴드 배관에 연결되고 수집된 처리수를 공정으로 이송하는 이송 배관; 상기 배출 배관에 각각 연결된 2 이상의 pH 측정 장치; 상기 배출 배관에 각각 연결된 2 이상의 전기전도도 측정 장치; 상기 이송 배관에 연결된 경도 측정 장치; 상기 공급 배관에 연결된 pH 측정 장치; 및 상기 공급 배관에 연결된 전기전도도 측정 장치를 포함하는 이온 교환 장치를 제공한다.

상기 이온 교환 장치는 2 이상의 이온교환 반응기를 이용하기 때문에 어느 한 이온교환 반응기의 이온 교환 수지를 교체하더라도 전체 이온 교환 장치의 조업을 중단할 필요 없이 이온 교환 수지를 교체하는 이온교환 반응기의 운전만 중단시킨 채 나머지 이온교환 반응기는 정상 운전할 수 있는 장점이 있다.

본 발명은 상기 세 번째 기술적 과제를 이루기 위하여, 공급 배관을 통하여 공급받은 공급수 중의 양이온을 이온 교환 반응기 내에 충전된 양이온 교환수지로 제거하여 양이온이 제거된 처리수를 배출 배관을 통하여 배출하고, 상기 처리수의 pH를 측정하여 pH가 5 이상이면 상기 양이온 교환수지를 교체하는 이온 교환 장치의 운전 방법을 제공한다.

또한, 상기 처리수의 전기전도도를 측정하여 전기전도도가 100 μS/cm 이하이면 상기 양이온 교환수지를 교체하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 처리수의 경도를 측정하여 경도가 0.05를 초과하면 상기 양이온 교환수지를 교체하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 공급수 및 처리수의 pH를 각각 측정하여 공급수의 pH 값에서 처리수의 pH 값을 뺀 값이 4 이하이면 상기 양이온 교환수지를 교체하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 공급수 및 처리수의 전기전도도를 각각 측정하여 공급수의 전기전도도에서 처리수의 전기전도도를 뺀 값이 50 μS/cm 이하이면 상기 양이온 교환수지를 교체하는 것이 바람직하다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 그러나, 다음에 예시하는 본 발명의 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 상술하는 실시예에 한정되는 것은 아니고, 서로 다른 형태로 구현될 수 있다. 본 발명의 실시예는 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되어지는 것이다.

도 1a 내지 도 1d는 각각 본 발명의 일 실시예에 따른 이온 교환 장치의 개념도이다.

도 1a를 참조하면 이온 교환 반응기(100)는 양이온 교환수지(110)로 충전되어 있다. 상기 양이온 교환수지(110)는 예를 들면, -SO₃H, -COOH와 같은 산성 작용기를 포함하는 통상의 이온 교환수지이면 되고 특별히 한정되지 않는다.

상기 이온 교환 반응기(100)에 공급 배관(10)을 통하여 공급된 공급수는 양이온 교환수지(110)와 접촉하면서 공급수 중에 포함된 Na⁺, Mg²⁺, K⁺, 및 Ca²⁺과 같은 양이온은 양이온 교환수지(110)의 수소이온과 교환된다. 그러므로, Na⁺, Mg²⁺, K⁺, 및 Ca²⁺과 같은 양이온이 제거된 처리수 중의 수소이온 농도는 공급수보다 높게 되고 처리수의 pH는 공급수의 pH보다 낮아진다.

양이온 교환수지(110)의 수명이 다하면 Na⁺, Mg²⁺, K⁺, 및 Ca²⁺과 같은 양이온과 이온교환될 수 있는 수소이온이 양이온 교환수지(110)에 더 이상 남아있지 않으므로 처리수 내의 수소이온 농도가 감소하며 이에 따라 처리수의 pH가 높아진다. 상기 처리수의 pH는 3 내지 4의 범위를 유지하는 것이 바람직하고 상기 처리수의 pH가 5 이상이면 양이온 교환수지(110)를 교체하여 주는 것이 바람직하다. 이러한 pH의 변화는 상기 이온교환 반응기(100)와 연결된 배출 배관(20)에 구비된 pH 측정 장치(120)를 이용하여 측정할 수 있다. 상기 pH 측정 장치(120)는 특별히 한정되지 않으며 통상의 pH 미터를 이용할 수 있다.

도 1b를 참조하면 상기 이온교환 반응기(100)와 연결된 배출 배관(20)에 전기전도도 측정 장치(130)를 더 포함할 수 있다. 상기 전기전도도 측정 장치(130)와 상기 pH 측정 장치(120)의 선후 관계는 어느 것이 먼저 와도 무방하다.

상기 전기전도도는 양이온 교환수지(110)의 성능이 저하됨에 따라 감소하게 되며, 150 μS/cm 내지 200 μS/cm로 유지되는 것이 바람직하고, 100 μS/cm 이하가 되면 양이온 교환수지(110)를 교체하는 것이 바람직하다.

상기 이온 교환 장치에 공급되는 상기 공급수(10)의 성분은 계절적 또는 기상적 요인과 같은 외부적 요인에 따라 변화하기 때문에 이러한 변화가 배출수(20)의 성분에 영향을 미칠 수 있다. 따라서, 배출수(20)의 성분뿐만 아니라 공급수(10)의 성분도 함께 모니터링하여 이온 교환 수지(110)의 수명을 결정함에 고려할 필요가 있다.

도 1c를 참조하면 상기 이온교환 반응기(100)에 연결된 공급 배관에 pH 측정 장치(125) 및 전기전도도 측정 장치(135)를 더 구비할 수 있다. 이러한 시스템은 이온교환 반응기(100)에 연결된 공급 배관 및 배출 배관에서의 pH 및 전기전도도를 측정하여 이를 이온교환 반응기(100) 내부에 충전된 양이온 교환수지(110)의 수명을 결정하는 데 활용할 수 있다. 즉, 이온교환 반응기(100)에 연결된 공급 배관 및 배출 배관에서의 pH 차이 및 전기전도도 차이를 계산하여 소정 범위를 벗어나면 양이온 교환수지(110)의 수명이 다하였다고 판단하고 교체를 결정하는 것이다.

보다 구체적으로 살펴보면, 상기 공급 배관(10) 내의 공급수 및 상기 배출 배관(20) 내의 처리수의 pH를 각각 측정하여 공급수의 pH 값에서 처리수의 pH 값을 뺀 값이 4 이하이면 이온교환성능이 현저히 감소된 것으로 평가하여 양이온 교환수지(110)를 교체하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 공급 배관(10) 내의 공급수 및 상기 배출 배관(20) 내의 처리수의 전기전도도를 각각 측정하여 공급수의 전기전도도에서 처리수의 전기전도도를 뺀 값이 50 μS/cm 이하이면 이온교환성능이 현저히 감소된 것으로 평가하여 상기 양이온 교환수지(110)를 교체하는 것이 바람직하다.

도 1d를 참조하면 상기 이온교환 반응기(100) 후단에 경도 측정 장치(140)를 더 포함할 수 있다. 상기 경도 측정 장치(140)와 상기 전기전도도 측정 장치(130), 및 상기 pH 측정 장치(120)의 선후 관계는 어느 것이 먼저 와도 무방하다.

상기 경도는 물 100 cc당 산화칼슘이 1 ml 포함된 것을 1로 삼으며, 상기 경도가 0.05를 초과하면 양이온 교환수지(110)를 교체하는 것이 바람직하다.

본 발명의 다른 일 실시예를 도 2에 나타내었다. 도 2를 참조하면, 공급수를 4 개의 이온 교환 반응기(101, 102, 103, 104)에 공급 배관(10)을 통하여 각각 병렬적으로 공급하고, 각 이온 교환 반응기(101, 102, 103, 104)는 이를 처리한 처리수를 배출 배관(20)을 통하여 배출한다.

특히, 4 개의 이온 교환 반응기(101, 102, 103, 104) 중 3 개를 가동하고 1 개를 대기시켜 두는 운전 방법을 이용할 수 있다. 본 운전 방법에서는 대기하는 1 개의 이온 교환 반응기에 대하여 대기하는 동안 이온 교환 수지를 교체하고 기타 유지 보수 활동을 할 수 있다. 그런 후, 나머지 3 개의 이온 교환 반응기 중 이온 교환 수지의 교체가 필요한 이온 교환 반응기가 발생하면 그 이온 교환 반응기의 조업을 중단하고 대기하던 이온 교환 반응기를 가동할 수 있다.

이와 같은 이온 교환 수지(111, 112, 113, 114)의 교체가 필요한지의 여부에 관한 결정은 앞서 설명한 바와 같이 pH 측정 장치(121, 122, 123, 124, 125), 전기전도도 측정 장치(131, 132, 133, 134, 135) 및/또는 경도 측정 장치(140)로 측정한 데이터를 활용하여 내릴 수 있다.

상기 pH 측정 장치(121, 122, 123, 124), 및 전기전도도 측정 장치(131, 132, 133, 134)는 각 배출 배관(20)에 각각 설치되는 것이 바람직하다. 왜냐하면, 각 이온교환 반응기(101, 102, 103, 104) 내의 이온 교환 수지(111, 112, 113, 114)의 상태를 각각 점검하여야 하기 때문이다.

상기와 같은 배출 배관(20)을 통하여 배출되는 처리수는 상기 배출 배관(20)에 연결된 매니폴드(manifold) 배관(22)을 통해 수집된다. 상기 매니폴드 배관(22)을 통해 수집된 처리수는, 예를 들면, 세정과 같은 공정에서 사용하기 위해 이송 배관(24)을 통하여 이송된다. 상기 이송 배관(24)에 경도 측정 장치(140)를 설치할 수 있다.

또한, 상기 pH 측정 장치(125), 및 전기전도도 측정 장치(135)는 공급 배관(10)에 설치된다. 공급 배관(10)에 설치된 pH 측정 장치(125)에서 측정된 pH 값과 배출 배관(20)에 설치된 pH 측정 장치(121, 122, 123, 124)에서 측정된 pH 값을 비교하여 각 이온 교환 반응기(101, 102, 103, 104) 내의 이온 교환 수지(111, 112, 113, 114)의 교체 여부를 판단할 수 있다. 또한, 공급 배관(10)에 설치된 전기전도도 측정 장치(135)에서 측정된 전기전도도 값과 배출 배관(20)에 설치된 전기전도 도 측정 장치(131, 132, 133, 134)에서 측정된 전기전도도 값을 비교하여 각 이온 교환 반응기(101, 102, 103, 104) 내의 이온 교환 수지(111, 112, 113, 114)의 교체 여부를 판단하는 데 참고할 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명은 저렴하고 데이터의 신뢰성이 높은 pH 측정 장치, 전기전도도 측정 장치 및/또는 경도 측정 장치를 이용함으로써 양이온 교환수지의 수명을 신뢰성 있게 인지할 수 있도록 함으로써 이온 교환 장치의 경제적인 운전이 가능하게 하는 효과가 있다.

Claims (10)

1. 공급수를 공급받는 공급 배관;

   상기 공급 배관에 연결되고, 공급수 내에 포함된 양이온을 제거하는 양이온 교환수지가 충전된 이온 교환 반응기;

   상기 이온 교환 반응기에 연결되고, 양이온이 제거된 처리수를 배출하는 배출 배관; 및

   상기 배출 배관에 연결된 pH 측정 장치를 포함하는 이온 교환 장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 배출 배관에 연결된 전기전도도 측정 장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이온 교환 장치.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 공급 배관에 연결된 pH 측정 장치 및 상기 공급 배관에 연결된 전기전도도 측정 장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이온 교환 장치.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 배출 배관에 연결된 경도(hardness) 측정 장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이온 교환 장치.
5. 공급수를 공급받는 공급 배관;

   상기 공급 배관에 병렬로 연결되고, 공급수 내에 포함된 양이온을 제거하는양이온 교환수지가 각각 충전된 2 이상의 이온 교환 반응기;

   상기 이온 교환 반응기에 각각 연결되고 양이온이 제거된 처리수를 배출하는 2 이상의 배출 배관;

   상기 2 이상의 배출배관에 연결되고 배출되는 처리수를 수집하는 매니폴드(manifold) 배관;

   상기 매니폴드 배관에 연결되고 수집된 처리수를 공정으로 이송하는 이송 배관;

   상기 배출 배관에 각각 연결된 2 이상의 pH 측정 장치;

   상기 배출 배관에 각각 연결된 2 이상의 전기전도도 측정 장치;

   상기 이송 배관에 연결된 경도 측정 장치;

   상기 공급 배관에 연결된 pH 측정 장치; 및

   상기 공급 배관에 연결된 전기전도도 측정 장치를 포함하는 이온 교환 장치.
6. 공급 배관을 통하여 공급받은 공급수 중의 양이온을 이온 교환 반응기 내에 충전된 양이온 교환수지로 제거하여 양이온이 제거된 처리수를 배출 배관을 통하여 배출하고,

   상기 처리수의 pH를 측정하여 pH가 5 이상이면 상기 양이온 교환수지를 교체하는 이온 교환 장치의 운전 방법.
7. 제 6 항에 있어서, 상기 처리수의 전기전도도를 측정하여 전기전도도가 100 μS/cm 이하이면 상기 양이온 교환수지를 교체하는 것을 특징으로 하는 이온 교환 장치의 운전 방법.
8. 제 6 항에 있어서, 상기 처리수의 경도를 측정하여 경도가 0.05를 초과하면 상기 양이온 교환수지를 교체하는 것을 특징으로 하는 이온 교환 장치의 운전 방법.
9. 제 6 항에 있어서, 상기 공급수 및 처리수의 pH를 각각 측정하여 공급수의 pH 값에서 처리수의 pH 값을 뺀 값이 4 이하이면 상기 양이온 교환수지를 교체하는 것을 특징으로 하는 이온 교환 장치의 운전 방법.
10. 제 6 항에 있어서, 상기 공급수 및 처리수의 전기전도도를 각각 측정하여 공급수의 전기전도도에서 처리수의 전기전도도를 뺀 값이 50 μS/cm 이하이면 상기 양이온 교환수지를 교체하는 것을 특징으로 하는 이온 교환 장치의 운전 방법.

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