KR20090094161A - 순수 제조 방법 및 장치 - Google Patents

순수 제조 방법 및 장치

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KR20090094161A
KR20090094161A KR1020097015468A KR20097015468A KR20090094161A KR 20090094161 A KR20090094161 A KR 20090094161A KR 1020097015468 A KR1020097015468 A KR 1020097015468A KR 20097015468 A KR20097015468 A KR 20097015468A KR 20090094161 A KR20090094161 A KR 20090094161A
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water
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요시테루 미스미
마사노부 오사와
시게아키 사토
히로시 이이즈카
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쿠리타 고교 가부시키가이샤
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Abstract

전기 탈이온 장치를 이용하여, 전기 탈이온에 의한 순수 제조와, 이온 교환에 의한 순수 제조를 실행한다. 양극(32)과 음극(31) 사이에 이온 교환막(33', 34, 33)을 배치함으로써, 농축실 겸 음극실(35), 탈염실(37) 및 양극측 농축실(40)을 마련하고, 각 실에 이온 교환 수지를 충전하여 이루어지는 전기 탈이온 장치를 갖는 순수 제조 장치를 개시한다. 통전을 정지하거나 또는 전류 밀도 1000 ㎃/dm2 이하가 되도록 통전 제어한 상태에서 농축실(40)에 피처리수를 통수시키고, 이 농축실(40) 내의 이온 교환 수지(38, 39)에 의해 이온 교환하여 이 농축실로부터 순수를 유출시킨다

Description

순수 제조 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR PRODUCING PURE WATER}
본 발명은, 순수 제조 장치에 관한 것이다. 구체적으로는, 본 발명은 발전 반응에 의해 생성한 수증기와 개질기에서의 연소 배출 가스중의 수증기의 응축수를 회수하고, 이 회수수를 수증기 개질용의 수증기원으로서 사용하기 위해, 전기 탈이온 장치를 설치한 연료 전지 발전 장치의 순수 제조 장치에 관한 것이다. 또한 본 발명은, 이 순수 제조 장치를 이용한 순수 제조 방법에 관한 것이다.
연료 전지 발전 장치는, 예컨대 도시가스, LP가스, 메탄올 등의 원연료가스를, 수증기 개질하여 수소 농후 가스로 개질하는 개질기와, 이 개질기에 의해 얻어진 개질 가스를 연료로 하여 발전시키는 연료 전지 본체를 구비하고 있다.
개질기에 의해 생성된 개질 가스는, 연료 전지의 부하 및 수소 이용율에 따라서, 연료 전지 내부에서 소비되고, 잉여의 수소를 포함하는 가스는 오프가스(연료 배출 가스)로서 개질기에 유도된 후에 버너에서 연소되며, 개질 에너지로서 소비되도록 구성되는 경우가 많다.
도 6은, 일본 특허 공개 제2001-176535호의 종래 기술의 란에 기재된 인산형 연료 전지 발전 장치에서의 수처리 장치의 기본적인 계통도이다.
연료 전지 본체(1)는, 인산 전해질층을 협지하는 연료극(1b) 및 공기극(1a)으로 이루어지는 단위셀과, 이 단위셀을 복수개 중첩할 때마다 배치되는 냉각관을 갖는 냉각판(1c)을 구비하고 있다.
개질기(2)는, 원연료 공급계를 경유하여 공급되는 천연가스 등의 원연료를, 수증기 분리기(5)에서 분리되고 수증기 공급계를 경유하여 공급되는 수증기와 함께, 촉매층(2a)의 촉매 하에서, 버너에서의 오프가스 연소에 의한 연소열에 의해 가열하여, 수소 농후 가스로 개질하여 개질 가스를 생성한다.
개질기(2)에서 생성된 상기 개질 가스는, CO 변성기(變成器)(4)를 갖는 개질 가스 공급계를 경유하여 연료 전지 본체(1)의 연료극(1b)에 공급된다. 연료극(1b)에서 유출되며, 전지 반응에 기여하지 않은 수소를 포함하는 오프가스는, 오프가스 공급계를 경유하여 개질기(2)의 버너에 연료로서 공급된다.
또한, 개질기(2)의 버너에는, 도시하지 않는 연소 공기 공급용의 블로워가 접속되어 있다. 개질기(2)로부터 나온 연소 배출 가스는, 물 회수용의 응축기(6)로 보내지고, 물 회수 후 배출된다. 회수수는, 회수수 탱크(7)에 보내진다.
또한, 연료 전지 본체(1)에는, 공기극(1a)에 공기를 공급하는 블로워(23)를 구비한 공기 공급계와, 전지 반응 후의 수증기를 포함하는 공기를 상기 물 회수용의 응축기(6)에 공급하는 공기 배출계가 접속되어 있다.
연료 전지 본체(1)의 냉각판(1c)의 냉각관에는, 연료 전지 본체(1)의 발전 시에 냉각수를 순환시키기 위해, 수증기 분리기(5), 냉각수 순환 펌프(22)를 구비한 냉각수 순환계가 접속되어 있다.
상기 수증기 분리기(5)에서는, 연료 전지 본체(1)의 냉각관으로부터 배출된 물과 증기의 이상류(二相流)를, 수증기와 냉각수로 분리한다. 여기서 분리된 수증기는, 상기 개질기(2)를 향하는 원연료와 혼입되도록 송출된다. 이 때, 원래의 압력이 낮은 원연료와 혼합하기 위해, 이젝터 펌프(3)를 사용하고 있다. 이 이젝터 펌프(3)는, 증기를 구동 유체로 하고, 원연료를 피구동 유체로 한다. 원연료 공급계는, 일반적으로, 도시하지 않는 탈황기를 구비한다.
상기와 같이, 수증기 개질에는, 순수가 필요하게 된다. 또한 인산형의 연료 전지에서는, 연료 전지의 냉각수로서, 순수의 가압수를 사용하는 것이 일반적이고, 이 때, 냉각수로는, 전기 전도도가 낮고 실리카 등의 광물계 이물이 적은 순수가 사용된다.
연료 전지의 냉각에는 물 이외의 냉매를 이용하는 경우도 있지만, 적어도 개질기에서의 개질용 수증기로서 순수가 소비되기 때문에, 항상, 순수를 공급해야 한다. 이 때문에, 연료 전지의 공기 오프가스와 개질기의 연소 배출 가스중의 수증기를, 응축기에 의해 응축수로서 회수한 후, 물 순화 장치에 통수시켜 순수화하는 것이 일반적이다.
이 물 순화 장치로서 이온 교환식 물 순화 장치를 이용하는 경우, 일반적으로 전기 전도율이 0.5 μS/㎝∼1 μS/㎝ 이상으로 되었을 때, 2000 h∼3000 h 정도의 발전 시간 간격으로 물 순화 장치를 교환해야 하고, 번잡한 물 순화 장치의 수지 교환이 필요해져, 수지 재생 비용이 발생하는 문제가 있었다.
그래서, 도 6에서는, 이온 교환식 물 순화 장치 대신에, 수지 교환이 필요없는 전기 탈이온 장치(10)를 채용하고 있다.
이 전기 탈이온 장치(10)의 주요부는, 이온 교환막(10c)에 의해 처리실(10a)과 농축실(10b)로 분리되어 있고, 회수수 탱크(7)로부터 펌프(20)를 통해 도입된 회수수의 음이온 및 양이온은, 각각 음이온 교환막 및 양이온 교환막을 통수하여 농축실(10b)에 모이며, 그 후, 농축 배수로서 계 밖으로 배출되도록 구성되어 있다. 그 결과, 처리실(10a)의 출구측에서는 연속적으로 순수가 생성되고, 급수 펌프(21)에 의해 수증기 분리기(5)에 보내진다.
또한, 처리실 통수량을 유지하면서, 순수 공급량의 변동에 대응할 목적으로, 펌프(20)의 흡입측으로 처리수(순수)를 리사이클시키고 있다.
이 순환계에 설치한 체크 밸브(24)는, 회수수 탱크(7) 안의 회수수가, 전기 탈이온 장치(10)를 경유하지 않고, 급수 펌프(21)를 통해 직접 수증기 분리기(5)에 공급되는 것을 방지하기 위한 것이다.
농축 배수는, 처리실측 통수량과 비교하여 1/3 정도로 크게 적기 때문에, 농축실측 계통에도, 처리실측과 마찬가지로 농축수 순환 펌프(10d)를 설치하여, 농축수를 리사이클시킴으로써, 농축실 통수량을 확보하면서, 농축 배수량을 적정히 확보하도록 하고 있다.
도 6에서는, 미네랄 제거 장치(9)가 전기 탈이온 장치(10)의 입구측에 설치되어 있다. 전기 탈이온 장치(10)는 이온 교환막을 사용하고 있기 때문에, 전기 탈이온 장치에 도입되는 처리수 중의 스케일링 물질은 저농도여야 하며, 예컨대 실리카는 수 ppm 이하의 조건으로 되어 있어, 스케일링 물질 제거를 위해 미네랄 제거 장치(9)가 설치된다.
또한, 이 일본 특허 공개 제2001-176535호의 도 2에는, 상기 전기 탈이온 장치와 병렬로 이온 교환식 물 순화 장치를 설치하고, 전기 탈이온 장치로부터의 탈이온수의 수질이 저하된 경우에 이온 교환식 물 순화 장치에 통수하여 수질 악화를 방지하는 구성이 기재되어 있다.
그런데, 본 출원인은, 전극간의 인가 전압을 낮게 하여도, 필요량의 전류를 흘려, 충분히 막 이온 처리를 행할 수 있는 전기 탈이온 장치를 일본 특허 공개 제2004-82092호로써 제안하고 있다.
특허문헌 1: 일본 특허 공개 제2001-176535호
특허문헌 2: 일본 특허 공개 제2004-82092호
상기 도 6과 같이 전기 탈이온 장치에서 연료 전지 발전 장치 회수수의 수처리를 행하여 순수를 제조하고 연료 전지에 공급하는 경우, 연료 전지 발전 장치의 운전 가동시에는 연료 전지 발전 장치로부터의 배출수가 없어 순수를 공급할 수 없다. 전술한 바와 같이 전기 탈이온 장치와 병렬로 이온 교환식 물 순화 장치를 설치한 경우에는, 이 이온 교환식 물 순화 장치에 의해 순수를 연료 전지 발전 장치에 공급하는 것이 가능하다. 그러나, 이 경우에는, 전기 탈이온 장치와 이온 교환식 물순화 장치를 병설해야 하기 때문에, 설비가 대규모가 되고, 비용도 커진다.
도 1은 4실 구조의 전기 탈이온 장치의 전기 탈이온에 의한 순수 제조 운전예를 도시하는 계통도이다.
도 2는 도 1의 전기 탈이온 장치의 전기 탈이온에 의한 다른 순수 제조 운전예를 도시하는 계통도이다.
도 3은 도 1의 전기 탈이온 장치를 이용한 이온 교환 방식에 의한 순수 제조 운전예를 도시하는 계통도이다.
도 4는 도 1의 전기 탈이온 장치를 이용한 이온 교환 방식에 의한 다른 순수 제조 운전예를 도시하는 계통도이다.
도 5는 도 1의 전기 탈이온 장치를 이용한 이온 교환 방식에 의한 다른 순수 제조 운전예를 도시하는 계통도이다.
도 6은 종래예에 따른 연료 전지 발전 장치의 계통도이다.
도 7은 다른 실시형태에 따른 전기 탈이온 장치의 전기 탈이온에 의한 순수 제조 운전예를 도시하는 계통도이다.
도 8은 도 7의 전기 탈이온 장치의 전기 탈이온에 의한 다른 순수 제조 운전예를 도시하는 계통도이다.
도 9는 도 7의 전기 탈이온 장치를 이용한 이온 교환 방식에 의한 순수 제조 운전예를 도시하는 계통도이다.
본 발명은, 전기 탈이온 장치를 이용하여, 전기 탈이온에 의한 순수 제조와, 이온 교환에 의한 순수 제조를 실행할 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.
제1 형태의 순수 제조 장치는, 양극과 음극 사이에 이온 교환막을 배치함으로써, 적어도 음극측 농축실, 탈염실 및 양극측 농축실을 마련하고, 각 실에 이온 교환체를 충전하여 이루어지는 전기 탈이온 장치를 갖는 순수 제조 장치로서, 농축실과 탈염실 중 적어도 하나에 피처리수를 통수시키며, 이들 실의 내부의 이온 교환체에 의해 이온 교환하여 이 실로부터 순수를 유출시키는 이온 교환식 순수 제조 운전 모드의 실행 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 것이다.
제2 형태의 순수 제조 장치는, 제1 형태에 있어서, 상기 이온 교환식 순수 제조 운전 모드의 실행 수단에 대한 통전을 정지하거나, 또는 전류 밀도를 1000 ㎃/dm2 이하로 조정하는 통전 제어 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 것이다.
제3 형태의 순수 제조 장치는, 제1 형태 또는 2 형태에 있어서, 상기 전기 탈이온 장치가, 음극과 양극 사이에, 제1 양이온 교환막과, 음이온 교환막과, 제2 양이온 교환막이 이 순서로 배치되고, 상기 음극과 제1 양이온 교환막 사이에 농축실 겸 음극실이 설치되며, 제1 양이온 교환막과 음이온 교환막 사이에 탈염실이 설치되고, 음이온 교환막과 제2 양이온 교환막 사이에 농축실이 설치되며, 제2 양이온 교환막과 양극 사이에 양극실이 설치되어 이루어지는 전기 탈이온 장치인 것을 특징으로 하는 것이다.
제4 형태의 순수 제조 장치는, 제3 형태에 있어서, 상기 이온 교환식 순수 제조 운전 모드에서, 피처리수가 상기 음이온 교환막과 제2 양이온 교환막 사이의 상기 농축실을 통수하는 것을 특징으로 하는 것이다.
제5 형태의 순수 제조 장치는, 제3 형태에 있어서, 상기 이온 교환식 순수 제조 운전 모드에서, 피처리수가 상기 농축실 겸 음극실을 통수하고, 계속해서 상기 음이온 교환막과 제2 양이온 교환막 사이의 상기 농축실을 통수하는 것을 특징으로 하는 것이다.
제6 형태의 순수 제조 장치는, 제3 형태에 있어서, 상기 이온 교환식 순수 제조 운전 모드에서, 피처리수가 상기 탈염실을 통수하는 것을 특징으로 하는 것이다.
제7 형태의 순수 제조 장치는, 제1 형태 내지 제5 형태 중 어느 하나의 형태에 있어서, 상기 농축실에 이온 교환체로서 음이온 교환체와 양이온 교환체의 혼상(混床)이 충전되어 있는 것을 특징으로 하는 것이다.
제8 형태의 순수 제조 장치는, 제1 내지 제5 형태 중 어느 하나의 형태에 있어서, 상기 농축실에, 상류측으로부터 양이온 교환체와 음이온 교환체가 이 순서로 교대로 충전되는 것을 특징으로 하는 것이다.
제9 형태의 순수 제조 장치는, 제1 형태에 있어서, 상기 탈염실에, 상류측으로부터 양이온 교환체와 음이온 교환체가 이 순서로 교대로 충전되는 것을 특징으로 하는 것이다.
제10 형태의 순수 제조 방법은, 양극과 음극 사이에 이온 교환막을 배치함으로써, 적어도 음극측 농축실, 탈염실 및 양극측 농축실을 마련하고, 각 실에 이온 교환체를 충전하여 이루어지는 전기 탈이온 장치를 이용하여 순수를 제조하는 방법으로서, 농축실 및 탈염실 중 적어도 하나에 피처리수를 통수시키며, 이 실의 내부의 이온 교환체에 의해 이온 교환하여 이 실로부터 순수를 유출시키는 이온 교환식 순수 제조 운전을 행하는 것을 특징으로 하는 것이다.
제11 형태의 순수 제조 방법은, 제10 형태에 있어서, 상기 이온 교환식 순수 제조 운전에 대한 통전이 정지되거나, 또는 전류 밀도가 1000 ㎃/dm2 이하가 되도록 통전 제어된 상태로 실행되는 것을 특징으로 하는 것이다.
제12 형태의 순수 제조 방법은, 제10 형태 또는 제11 형태에 있어서, 상기 피처리수는, 수돗물, 우물물, 공업용수를 제탁 처리 및 탈염소 처리한 물인 것을 특징으로 하는 것이다.
제13 형태의 순수 제조 방법은, 제10 내지 제12 형태에 있어서, 상기 전기 탈이온 장치는 연료 전지 발전 장치의 회수수의 순화용이고, 상기 연료 전지 발전 장치의 기동 시에 상기 전기 탈이온 장치에 의해 이온 교환식 순수를 제조하며, 제조한 순수를 연료 전지 발전 장치에 공급하는 것을 특징으로 하는 것이다.
제1 형태의 순수 제조 장치 및 제10 형태의 순수 제조 방법에 의하면, 전기 탈이온 장치에 충전된 이온 교환체를 이용하여, 이온 교환에 의한 순수를 제조할 수 있다. 따라서, 전기 탈이온 장치와 이온 교환 장치를 병설하지 않고 이온 교환 처리에 의한 순수를 공급할 수 있다.
또한, 이온 교환 처리 운전을 행함으로써, 전기 탈이온 장치의 이온 교환체에는 나트륨이온, 염소이온 등의 양이온이나 음이온이 축적되지만, 이들 이온은, 그 후, 전기 탈이온 장치를 전기 탈이온 처리로 운전했을 때에 제거되어, 이온 교환체가 재생된다.
제2 형태의 순수 제조 장치 및 제11 형태의 순수 제조 방법에 의하면, 피처리수에 포함되는 스케일 원인 이온이 음극이나 각 이온 교환막 표면에 잘 농축되지 않기 때문에, 음극이나 이온 교환막에의 스케일 부착을 방지할 수 있다.
제2 형태 내지 제4 형태의 순수 제조 장치에 이용되는 전기 탈이온 장치는, 상기 일본 특허 공개 제2004-82092호에 기재한 전기 탈이온 장치이고, 전극간의 인가 전압을 낮게 하여도 충분히 전기 탈이온 처리된 순수를 제조할 수 있다.
이 전기 탈이온 장치는, 탈염실이 1실이고, 이 탈염실의 양측에는 각각 양극측 농축실과 음극실 겸 농축실이 배치되며, 이 양극측 농축실 옆에 양극실이 배치되어 있기 때문에, 전극간 거리가 작고, 전극간의 인가 전압이 낮다.
이 전기 탈이온 장치에서는, 양극측 농축실과는 별개로 양극실이 설치되고, 양자가 제2 양이온 교환막에 의해 이격되어 있기 때문에, 양극측 농축실로부터 양극실으로의 Cl- 이온의 이동이 저지된다. 이 때문에, 양극실 내에서 발생하는 Cl2는, 양극실 내에 도입된 전극수중 Cl-에만 유래하는 것이 되기 때문에, 양극실에서의 Cl2 발생량이 현저하게 적다. 이 때문에, 양극실 내에 충전된 양이온 교환 수지 등의 도전체나, 양극실을 향하는 제2 양이온 교환막이 Cl2에 의해 열화되는 것이 방지된다.
이온 교환 처리에 의한 순수 제조를 위해 피처리수가 통수하는 농축실은, 음이온 교환체와 양이온 교환체의 혼상으로 하거나, 또는 상류측으로부터 양이온 교환체와 음이온 교환체를 교대로 충전하는 것이 바람직하다. 교대 적층 방식의 장점에 대해서는, 도면을 참조하여 후에 상술한다.
이하, 도면을 참조하여 실시형태에 대해서 설명한다. 도 1은 실시형태에 따른 전기식 탈이온 장치의 개략적인 종단면도이다.
음극(31)과 양극(32) 사이에, 제1 양이온 교환막(33)과, 음이온 교환막(34)과, 제2 양이온 교환막(33')을 1장씩 배치하고, 음극(31)과 제1 양이온 교환막(33) 사이에 농축실 겸 음극실(35)을 형성하며, 제1 양이온 교환막(33)과 음이온 교환막(34) 사이에 탈염실(37)을 형성하고, 음이온 교환막(34)과 제2 양이온 교환막(33') 사이에 농축실(40)을 형성하며, 제2 양이온 교환막(33')과 양극(32) 사이에 양극실(36)을 형성하고 있다.
농축실 겸 음극실(35), 농축실(40) 및 양극실(36)에는 각각 이온 교환 수지가 충전되어 있다. 이 농축실 겸 음극실(35)과 농축실(40)에는, 이온 교환 수지가 음이온 교환 수지(39)와 양이온 교환 수지(38)를 교대로 배치한 적층형으로 충전되어 있지만, 혼상형이어도 상관없다. 양극실(36)에는 양이온 교환 수지(38)가 충전되어 있다. 탈염실(37)에는 양이온 교환 수지(38)와 음이온 교환 수지(39)가 혼상형으로써 충전되어 있지만, 적층형이어도 상관없다.
탈염실(37)의 일단측에는 원수(응축수)의 유입구가 형성되고, 타단측에는 탈이온되어 생성된 순수의 유출구가 형성되어 있다.
양극실(36)의 일단측에는 전극수의 유입구가 형성되어 있다. 이 실시형태에서는 탈염실(37)로부터 유출된 순수의 일부를 분취하여, 전극수로서 이용하고 있다.
양극실(36)의 유출수는 농축실(40)의 일단측에서 유입되고, 농축실의 타단측에서 유출된다. 농축실(40)의 유출수는, 농축실 겸 음극실(35)의 일단측에서 유입되고, 그 타단측에서 농축수 겸 음극전극수로서 배출된다.
순수 공급 효율을 올리기 위해서는, 피처리수(전처리한 수돗물 등)의 보급 공정을 가능한 한 단시간에 끝내고 통상의 운전 공정에 복귀시키는 것이 바람직하다. 따라서, 보급 공정에서의 피처리수의 농축실로의 통수 속도가 빠른 것이 바람직하고, 예컨대 SV20[h-1] 이상인 것이 바람직하다. 단 SV100[h-1]을 초과하면, 피처리수의 탈염이 충분히 행해지지 않기 때문에, SV는 20[h-1]∼100[h-1]인 것이 바람직하다.
이러한 통수 속도로 피처리수를 농축실에 공급함에 있어서, 농축실 내의 이온 교환 수지가 단일형이 아니라 혼상형이나 적층형인 경우는, 피처리수의 농축실에 대한 통수 방향은 하향류인 것이 바람직하다. 상향류로 통수하게 되면, 혼상형이나 적층형으로 충전하고 있던 수지의 배치가 무너져 버릴 우려가 있기 때문에 바람직하지 않다.
각 실(35, 37, 40, 36)의 유입구 및 유출구에는, 밸브가 있는 배관이 접속되고, 이 밸브의 개폐나 유로 전환에 의해 각 실에 대한 통수(通水)가 제어된다. 이 밸브의 제어 수단과 통전 제어 수단에 의해, 순수 제조 장치의 운전 실행 수단이 구성되어 있다. 이 운전 실행 수단은 수동 조작되어도 좋고, 컴퓨터 등에 의해 조작되어도 좋다.
이 전기 탈이온 장치에서는, 이온 교환 수지의 충전 구조를 적층형으로 함으로써, 통전 시의 전기 저항이 작아지기 때문에, 처리 효율이 향상되고, 장치의 소형화를 도모할 수 있다. 이 때문에 혼상형보다 적층형이 더 바람직하다. 또한, 이 경우, 혼합되어 있는, 적층형의 음이온 수지와 양이온 수지의 각 층은 순수한 음이온 수지층이나 양이온 수지층인 것이 바람직하지만, 전압이 지나치게 상승하지 않을 정도이면 음이온 리치의 수지층이나 양이온 리치의 수지층이어도 상관없다.
또한, 적층형의 경우, 우선 양이온 교환 수지에 물이 접촉하는 것이 바람직하다. 즉, 상류측으로부터 양이온 교환 수지→음이온 교환 수지→양이온 교환 수지→음이온 교환 수지의 순서대로 하는 편이 바람직하다. 이것은, 음이온 교환 수지가 최상류이면, 이온 교환 처리 운전 모드에서 생성된 OH 이온이 피처리수 중에 포함되는 Mg 이온과 반응하여, 음이온 교환 수지 중에 Mg(OH)2 스케일이 생성될 우려가 있기 때문이다.
다음에, 이 장치의 운전 모드에 대해서 설명한다.
<전기 탈이온 처리 운전 모드>
이 전기 탈이온 처리 운전 모드의 일형태에 있어서는, 양극(32)과 음극(31) 사이에 전압을 인가하여 통전한 상태에서 원수(응축수)를 탈염실(37)에 도입하고, 순수로서 취출한다. 상기와 같이, 순수를 양극실(36)에 도입하고, 순차적으로 농축실(40) 및 농축실 겸 음극실(35)에 유통시킨다. 원수 중의 양이온은 제1 양이온 교환막(33)을 투과하고, 음극 전극수에 혼입하여 배출된다. 원수 중의 음이온은 음이온 교환막(34)을 투과하여 농축실(40)로 이동하고, 농축실 유출수에 혼입하여 농축실 겸 음극실(35)을 경유하여 배출된다.
또한, 전기 탈이온 운전을 행하는 통수 형태로서는, 도 2와 같이 하여도 좋다.
이 도 2에서는, 양극(32)과 음극(31) 사이에 전압을 인가하여 통전한 상태에서, 원수(응축수)를 탈염실(37)에 통수시키고, 탈염실(37)의 유출수의 주요부를 순수로서 얻으며, 일부를 분취하여, 각각 농축실 겸 음극실(35), 농축실(40) 및 양극실(36)을 통수시킨다.
<이온 교환 처리 운전 모드>
이 전기 탈이온 장치를 이용하여, 이온 교환 처리에 의해 순수를 제조하는 방법에 대해서 이하에 설명한다.
이 경우에는, 통전을 정지하거나 또는 전류 밀도가 1000 ㎃/dm2 이하가 되도록 통전량을 조정한 상태로 도 3, 도 4 또는 도 5와 같이 통수를 행한다. 전류 밀도가 1000 ㎃/dm2를 초과하면 음극이나 이온 교환막 표면에 스케일 발생의 원인이 되는 이온이 농축되는 것으로 추정되고, 이것에 의해 음극이나 이온 교환막 표면에 스케일이 부착될 우려가 있기 때문에 바람직하지 않다. 동일한 이유로, 전류 밀도는 600 ㎃/dm2 이하인 것이 보다 바람직하다. 단 통전을 정지하는 것이 보다 확실하게 스케일의 발생을 방지할 수 있고, 통전량의 제어가 간단해지기 때문에, 가장 바람직하다.
도 3에서는, 피처리수를 양극측의 농축실(40)에 통수시키고, 양극측의 농축실(40)의 유출수를 순수로서 얻고 있다.
또한, 보다 고순도의 순수가 요구되는 경우에는, 도 4와 같이 통수시켜도 좋다. 도 4에서는, 피처리수를 양극측의 농축실(40)에 통수시키고, 양극측의 농축실(40)의 유출수를 농축실 겸 음극실(35)에 더 통수시켜, 농축실 겸 음극실(35)의 유출수를 순수로서 얻고 있다.
도 5에서는, 피처리수를 농축실 겸 음극실(35)에 통수시킨 후, 양극측의 농축실(40)에 통수시키고, 이 농축실(40)의 유출수를 순수로서 얻는다. 단, 도 5와 같이, 농축실 겸 음극실(35)에 먼저 피처리수를 공급하도록 한 경우, 피처리수에 포함되는 Mg 이온이 농축실 겸 음극실의 이온 교환 수지에 포획되고, 그 후 전기 탈이온 처리 운전을 행하면, 농축실 겸 음극실(35) 내의 pH가 알칼리측이 되어, 농축실 겸 음극실(35) 내에서 스케일을 형성할 우려가 있다. 한편, 도 4의 통수 방식으로 한 경우에는, 이러한 스케일이 방지된다. 즉, 피처리수를 그대로 농축실 겸 음극실(35)에 공급하는 것이 아니라, 양극측의 농축실(40)에 통수시켜 산성으로 한 후에 농축실 겸 음극실(35)에 공급함으로써, 농축실 겸 음극실(35)의 pH가 중화되어, 스케일 생성 조건의 pH 영역으로 되지 않기 때문에 보다 바람직하다.
또한, 이와 같이 2실에 통수시키면, 압력 손실이 크고, 펌프에 따른 부하가 커지기 때문에, 2실에 통수시키는 것은 필요한 경우만으로 하는 것이 바람직하다.
피처리수를 탈염실(37)에 통수시키지 않는 것은, 탈염실(37)의 이온 교환 수지를 오염시키지 않기 위해서이다.
도 7∼도 9는 다른 실시형태에 따른 전기식 탈이온 장치의 개략적인 종단면도이다.
농축실 겸 음극실(35) 및 양극실(36)에는 각각 양이온 교환 수지(38)가 충전되어 있다. 농축실(40)에는 음이온 교환 수지(39)가 충전되어 있다. 탈염실(37)에는 양이온 교환 수지(38)와 음이온 교환 수지(39)가 유동 방향으로 교대로 적층하도록 충전되어 있고, 최상류측에는 양이온 교환 수지가 배치되어 있다.
탈염실(37)의 일단측에는 원수의 유입구가 형성되고, 타단측에는 순수의 유출구가 형성되어 있다.
양극실(36)의 일단측에는 원수 또는 탈이온수의 유입구가 형성되어 있다. 양극실(36)의 유출수는 농축실(40)의 일단측에서 유입되고, 농축실의 타단측에서 유출된다. 농축실(40)의 유출수는, 농축실 겸 음극실(35)의 일단측에서 유입되고, 그 타단측에서 농축수 겸 음극 전극수로서 배출된다.
그 외의 구성은 전술한 실시형태와 동일하며, 동일 부호는 동일 부분을 나타내고 있다.
다음에, 이 장치의 운전 모드에 대해서 설명한다.
<전기 탈이온 처리 운전 모드>
이 전기 탈이온 처리 운전 모드의 일형태에서는, 도 7과 같이, 양극(32)과 음극(31) 사이에 전압을 인가하여 통전한 상태에서 원수(응축수)를 탈염실(37)에 도입하고, 순수로서 취출한다. 상기와 같이, 순수를 양극실(36)에 도입하고, 순차적으로 농축실(40) 및 농축실 겸 음극실(35)에 유통시킨다. 원수중의 양이온은 제1 양이온 교환막(33)을 투과하고, 음극 전극수에 혼입하여 배출된다.
또한, 전기 탈이온 운전을 행하는 통수 형태로서는, 도 8과 같이 하여도 좋다.
이 도 8에서는, 원수(응축수)를 탈염실(37)에 통수시키고, 탈염실(37)의 유출수의 주요부를 순수로서 얻고, 일부를 분취하여, 각각 농축실 겸 음극실(35), 농축실(40) 및 양극실(36)에 통수시킨다.
<이온 교환 처리 운전 모드>
이 전기 탈이온 장치를 이용하여, 이온 교환 처리에 의해 순수를 제조하기 위해서는, 도 9와 같이, 통전을 정지하거나 또는 전류 밀도가 1000 ㎃/dm2 이하가 되도록 통전 제어한 상태로, 피처리수를 탈염실(37)에 통수시키고, 그 유출수를 순수로서 얻는다. 전류 밀도가 1000 ㎃/dm2를 초과하면 음극이나 이온 교환막의 표면에 스케일 발생의 원인이 되는 이온이 응축되는 것으로 추정되고, 이것에 의해 음극이나 이온 교환막의 표면에 스케일이 부착될 우려가 있기 때문에 바람직하지 않다. 같은 이유로, 전류 밀도는 600 ㎃/dm2 이하인 것이 보다 바람직하다. 단 통전을 정지하는 것이 확실하게 스케일의 발생을 방지할 수 있고, 통전량의 제어가 간단해지기 때문에 가장 바람직하다.
<교대 운전>
상기한 이온 교환에 의한 순수 제조 운전을 행한 후, 전기 탈이온에 의한 순수 제조 운전으로 되돌아간다. 이것에 의해, 이온 교환 수지를 전기적으로 재생할 수 있다.
이 전기 탈이온 운전 모드 도중에서, 연료 전지 발전 장치의 순수 보유량이 저하된 경우에는, 이온 교환 운전을 행하여 순수를 보급하고, 계속해서 전기 탈이온 운전 모드로 되돌아간다.
[연료 전지 발전 장치의 순수 공급 시스템으로서의 이용]
상기한 각 연료 전지 발전 장치를 순수 공급 시스템으로서 이용하는 경우, 전기 탈이온 장치의 현장 설치에 앞서서, 전기 탈이온 장치를 시운전하고, 각 실의 이온 교환 수지를 재생하여 전기 탈이온 장치를 가동해 두는 것이 바람직하다.
현장 설치 후, 상기 도 3, 도 4, 도 5 또는 도 9와 같이 통수시켜 순수를 제조하고, 이 순수를 이용하여 연료 전지 발전 장치를 기동시킨다. 기동 후에는, 전기 탈이온 장치를 전기 탈이온 운전시킨다.
이러한 기동 시에 전기 탈이온 장치에 공급하는 피처리수로서는, 수돗물, 우물물, 공업용수 등을 전처리한 것이 적합하고, 전처리로서는 적어도 탈염소 처리와 제탁 처리를 행하는 것이 바람직하며, 구체적으로는 예컨대 활성탄 처리와, 정밀 여과 또는 한외 여과 등의 막 여과를 행한다.
[그 외의 형태]
상기 전기 탈이온 장치는, 실(35, 37, 40, 36)의 4실 구조로 되어 있지만, 농축실 겸 음극실, 탈염실, 농축실 겸 양극실의 3실 구조의 전기 탈이온 장치를 이용하여도 좋다. 이 경우, 이온 교환에 의한 순수 제조 모드에서는, 어느 하나의 농축실 겸 전극실에 피처리수를 흘린다. 물론, 양쪽의 농축실 겸 음극실에 직렬로 통수시켜도 좋다. 이 경우, 먼저 농축실 겸 양극실에 통수시키면, 농축실 겸 음극실에서의 스케일 생성을 방지할 수 있다.
현재 보일러의 공급수 처리에는, 보급수 처리로서 주로 연수기가 이용되고, 복수(復水) 처리로서 순수 장치가 이용되고 있다. 본 발명은 이들 양쪽 장치의 기능을 1대로 구비하는 것이 가능하다. 즉 보일러 용수 보급시에는, 수돗물을 본 발명에 의해 정화 처리한 순수를 보급하고, 보일러 운전시의 복수 정화에서도 본 발명의 순수를 보급하는 것이 가능하다. 본 발명을 적용하면, 장치를 소형화할 수 있고, 또한 연수기를 위한 염수 보급과, 순수 장치로부터의 산알칼리 재생 폐수 처리가 필요 없게 되어, 환경 부하 저감에 공헌할 수 있다.
실시예
이하, 실시예 및 비교예에 대해서 설명한다.
실시예 1 및 비교예 1에서는 4실 구조의 전기 탈이온 장치를 이용하여, 도 2에 도시하는 통수 방식으로 전기 탈이온에 의한 순수를 제조하였다. 또한 실시예 1에서의 수돗물 정화는 도 3에 도시하는 통수 방식으로 행했다.
[실시예 1]
1) 전기 탈이온 장치의 가동
저항율 1 MΩ·㎝의 순수를 2.3 L/h로 탈염실에 공급, 탈염실 출구수 중 2 L/h를 생산수로서 얻었다. 또한 나머지의 0.3 L/h를 3등분하여, 나머지의 각 실에 공급하며, 각 출구수를 배수하였다. 전극에 0.1A의 직류 전류를 인가하여 통수를 시작하고, 생산수가 16 MΩ·㎝에 달한 시점에서 가동 완료하였다.
2) 수돗물 정화(이온 교환 처리)
필요한 수돗물 정화를, 양극측의 농축실에 충전한 이온 교환 수지로 행하였다.
우선, 수돗물을 활성탄으로 탈염소한 후, 정밀 필터로 제탁하고, 0.3 L/h로 양극측의 농축실에 공급한다. 양극측 농축실의 출구수 저항율을 측정한 바 대략 3 MΩ·㎝로 양호한 수질이며, 약 1.0 L의 순수를 얻을 수 있었다. 또한 수돗물을 정화하고 있는 동안에는, 통전을 정지하였다.
3) 모의(模擬) 응축수 정화(전기 탈이온 처리)
원수로서, 연료 전지로부터 얻어지는 응축수의 모의수를 준비하고, 2)에서 수돗물을 정화한 전기 탈이온 장치에 의해 전기 탈이온 처리하였다. 모의액은 염화나트륨과 탄산가스를 순수에 용해하고, 전기 전도율이 1 mS/m 정도가 되도록 조제하였다.
모의수를 탈염실에 공급하고, 직류 전압 인가도 포함하여, 상기 1)의 가동 시와 같은 조건으로 통수시키고, 처리하였다. 이 결과 6 MΩ·㎝의 수질을 얻을 수 있었다.
모의 응축수의 통수를 약 일주일간 계속시켰다. 그동안, 양호한 수질의 순수를 얻었다.
4) 수돗물 정화, 모의 응축수 정화의 반복
공정 3)의 모의 응축수 정화 후에, 공정 2)의 수돗물 정화와 공정 3)의 모의 응축수 정화를 교대로 실시하고, 총 5회 반복하였다. 5회 반복함으로써, 수돗물 정화로 얻어지는 순수의 양이 서서히 저하되었지만, 5회째에 얻어진 순수량은 1회째의 대략 75% 정도로 실용적이었다.
또한 수돗물 정화로 얻어지는 순수가 모의 응축수 정화로 얻어지는 순수보다 수질이 좋지 않은 원인으로서는 이하의 것이 추정된다. 즉 모의 응축수 정화에 있어서는, 탈염실에 충전되어 있는 이온 교환 수지는 항상 전기적으로 재생되어 있는 데 대하여, 양극측의 농축실에 충전되어 있는 이온 교환 수지는 탈염실로부터 음이온 교환막을 투과한 각종 음이온에 의해 약간 더러워져 있어, 재생 효율이 상대적으로 낮기 때문에, 수돗물 정화에서의 이온 교환의 효율이 상대적으로 낮은 것으로 생각할 수 있다.
또한, 모의 응축수를 정화하여 얻은 순수 수질은 거의 일정한 6 MΩ·㎝ 정도로 양호하고, 전기 탈이온 기능도 양호하여, 연속하여 순수를 얻을 수 있었다.
[비교예 1]
전기 탈이온 장치의 양극측의 농축실에 충전되어 있는 것과 동일량의 혼상 이온 교환 수지 약 40 mL를 재생 처리 후 컬럼에 충전하고, 본 발명과 같은 용량의 수돗물, 모의 응축수를 공급하여 정화 성능을 조사하였다. 이 결과, 1회째의 수돗물 정화 후, 모의 응축수 정화 처리 도중에서 파과(破過)되어, 사용할 수 없게 되었다.
이하, 실시예 2 및 비교예 2에 대해서 설명한다. 또한, 이 실시예 2 및 비교예 2에서는 4실 구조의 전기 탈이온 장치를 이용하여, 도 8에 도시하는 통수 방식으로 전기 탈이온에 의한 순수를 제조하였다. 또한, 실시예 2에서의 수돗물 정화는 도 9에 도시하는 통수 방식으로 행하였다.
[실시예 2]
1) 전기 탈이온 장치의 가동
실시예 1과 같은 방법에 의해, 전기 탈이온 장치를 가동하였다.
2) 수돗물 정화(이온 교환 처리)
필요한 수돗물 정화를, 탈염실에 충전한 이온 교환 수지로 행하였다.
우선, 수돗물을 활성탄으로 탈염소한 후, 정밀 필터로 제탁하고, 탈염실에 0.3 L/h 공급하였다. 이 탈염실의 출구수의 저항율을 측정한 바 대략 6 MΩ·㎝로 양호한 수질이며, 약 1.0 L의 순수를 얻을 수 있었다. 또한 수돗물을 정화하고 있는 동안에는, 통전을 정지하였다.
3) 모의 응축수 정화(전기 탈이온 처리)
원수로서 연료 전지로부터 얻어지는 응축수의 모의수를 준비하고, 2)에서 수돗물을 정화한 전기 탈이온 장치에 의해 전기 탈이온 처리하였다. 모의액은 염화나트륨과 탄산가스를 순수에 용해하고, 전기 전도율이 1 mS/m 정도가 되도록 조제하였다.
모의수를 탈염실에 공급하고, 직류 전압 인가도 포함하여, 상기 1)의 가동 시와 같은 조건으로 통수시키고, 처리하였다. 이 결과 수돗물 정화시와 동등한 6 MΩ·㎝의 수질을 얻을 수 있었다.
모의 응축수의 통수를 약 일주일간 계속시켰다. 그 동안, 양호한 수질의 순수를 얻었다.
4) 수돗물 정화, 모의 응축수 정화의 반복
공정 3)의 모의 응축수 정화 후, 공정 2)의 수돗물 정화와 공정 3)의 모의 응축수 정화를 교대로 실시하고, 총 5회 반복하였다. 5회 반복함으로써, 수돗물 정화에 의해 얻어지는 순수의 양이 서서히 저하되었지만, 5회째에 얻어진 순수량은 1회째의 대략 70% 정도로 실용적이었다.
또한, 모의 응축수를 정화하여 얻은 순수 수질은 거의 일정한 6 MΩ·㎝ 정도로 양호하고, 전기 탈이온 기능도 양호하여, 연속하여 순수를 얻을 수 있었다.
[비교예 2]
전기 탈이온 장치의 탈염실에 충전되어 있는 것과 동일한 양의 혼상 이온 교환 수지 약 20 mL를 재생 처리 후 컬럼에 충전하고, 본 발명과 같은 용량의 수돗물과, 모의 응축수를 공급하여 정화 성능을 조사하였다. 이 결과, 1회째의 수돗물 정화 후, 모의 응축수 정화 처리 도중에서 파과되어, 사용할 수 없게 되었다.
본 발명을 특정한 형태를 이용하여 상세히 설명했지만, 본 발명의 의도와 범위를 벗어나지 않으면서 여러 가지 변경이 가능한 것은 당업자에게 명백하다.
또한, 본 출원은 2006년 12월 27일부로 출원된 일본 특허 출원(일본 특허 출원 제2006-351564호) 및 2006년 12월 27일부로 출원된 일본 특허 출원(일본 특허 출원 제2006-351565호)에 기초하고, 그 전체를 인용하고 있다.

Claims (13)

  1. 양극과 음극 사이에 이온 교환막을 배치함으로써, 적어도 음극측 농축실, 탈염실 및 양극측 농축실을 마련하고, 각 실에 이온 교환체를 충전하여 이루어지는 전기 탈이온 장치를 포함하는 순수 제조 장치로서,
    농축실과 탈염실 중 어느 하나 또는 양자 모두에 피처리수를 통수시키며, 상기 실의 내부의 이온 교환체에 의해 이온 교환하여 상기 실로부터 순수를 유출시키는 이온 교환식 순수 제조 운전 모드의 실행 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 순수 제조 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 이온 교환식 순수 제조 운전 모드의 실행 수단에 대한 통전을 정지하거나, 또는 전류 밀도를 1000 ㎃/dm2 이하로 조정하는 통전 제어 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 순수 제조 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 전기 탈이온 장치는,
    음극과 양극 사이에, 제1 양이온 교환막과, 음이온 교환막과, 제2 양이온 교환막이 이 순서로 배치되고,
    상기 음극과 제1 양이온 교환막 사이에 농축실 겸 음극실이 설치되며,
    제1 양이온 교환막과 상기 음이온 교환막 사이에 탈염실이 설치되고,
    상기 음이온 교환막과 제2 양이온 교환막 사이에 농축실이 설치되며,
    상기 제2 양이온 교환막과 상기 양극 사이에 양극실이 설치되어 이루어지는 전기 탈이온 장치인 것을 특징으로 하는 순수 제조 장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 이온 교환식 순수 제조 운전 모드에서는, 피처리수가 상기 음이온 교환막과 제2 양이온 교환막 사이의 상기 농축실을 통수하는 것을 특징으로 하는 순수 제조 장치.
  5. 제3항에 있어서, 상기 이온 교환식 순수 제조 운전 모드에서는, 피처리수가 상기 농축실 겸 음극실을 통수하고, 계속해서 상기 음이온 교환막과 제2 양이온 교환막 사이의 상기 농축실을 통수하는 것을 특징으로 하는 순수 제조 장치.
  6. 제3항에 있어서, 상기 이온 교환식 순수 제조 운전 모드에서는, 피처리수가 상기 탈염실을 통수하는 것을 특징으로 하는 순수 제조 장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 농축실에 이온 교환체로서 음이온 교환체와 양이온 교환체의 혼상(混床)이 충전되어 있는 것을 특징으로 하는 순수 제조 장치.
  8. 제1항에 있어서, 상기 농축실에, 상류측으로부터 양이온 교환체와 음이온 교환체가 이 순서로 교대로 충전되는 것을 특징으로 하는 순수 제조 장치.
  9. 제1항에 있어서, 상기 탈염실에, 상류측으로부터 양이온 교환체와 음이온 교환체가 이 순서로 교대로 충전되는 것을 특징으로 하는 순수 제조 장치.
  10. 양극과 음극 사이에 이온 교환막을 배치함으로써, 적어도 음극측 농축실, 탈염실 및 양극측 농축실을 마련하고, 각 실에 이온 교환체를 충전하여 이루어지는 전기 탈이온 장치를 이용하여 순수를 제조하는 방법으로서,
    농축실과 탈염실 중 어느 하나 또는 양자 모두에 피처리수를 통수시키며, 상기 실의 내부의 이온 교환체에 의해 이온 교환하여 상기 실로부터 순수를 유출시키는 이온 교환식 순수 제조 운전을 행하는 것을 특징으로 하는 순수 제조 방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 이온 교환식 순수 제조 운전에 대한 통전이 정지되거나, 또는 전류 밀도가 1000 ㎃/dm2 이하가 되도록 통전 제어된 상태로 실행되는 것을 특징으로 하는 순수 제조 방법.
  12. 제10항에 있어서, 상기 피처리수는, 수돗물, 우물물 또는 공업용수를 제탁 처리 및 탈염소 처리한 물인 것을 특징으로 하는 순수 제조 방법.
  13. 제10항에 있어서, 상기 전기 탈이온 장치는 연료 전지 발전 장치의 회수수의 순화용이고,
    상기 연료 전지 발전 장치의 기동시에 상기 전기 탈이온 장치에 의해 이온 교환식 순수를 제조하며, 제조한 순수를 연료 전지 발전 장치에 공급하는 것을 특징으로 하는 순수 제조 방법.
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