KR20100012697A - A regenerant for ion exchange resin of water softner in substitution for sodium cloride - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 연수기용 이온교환수지의 소금 대용 재생제에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 나노 크기의 실리카 입자를 제조한 후 표면을 양이온 기능기로 작용기화시킴으로써 제조할 수 있는 소금을 대체할 수 있는 연수기용 이온교환수지의 재생제에 관한 것이다.The present invention relates to a salt substitute regeneration agent of the ion exchange resin for water softeners, and more particularly for water softeners that can replace the salt that can be prepared by functionalizing the surface with a cationic functional group after the production of nano-sized silica particles. The present invention relates to a regenerant of an ion exchange resin.
이온교환수지를 이용한 연수기의 제조는 가장 범용화된 시스템으로 경제성과 효율 면에서 가장 우수한 시스템으로 상용화되어 있다. 그러나 이온교환수지의 재생시 사용되는 소금이 하수로 방류될 경우 나트륨 이온은 땅의 수분침투를 줄이고 염소는 식물에 독성을 줄 수 있는 단점을 가진다. 또한, 염은 배관의 부식을 촉진하며, 때에 따라서는 독성을 가진 염소화합물이 형성될 위험성도 가진다. 이러한 문제점 때문에 최근 캘리포니아지역에서는 소금재생을 이용한 연수기 사용을 법으로 금지하고자 하는 움직임을 보이고 있다. The manufacture of water softener using ion exchange resin is the most generalized system and is commercialized as the best system in terms of economy and efficiency. However, when the salt used in the regeneration of the ion exchange resin is discharged into the sewage, sodium ions reduce the water penetration of the ground and chlorine has the disadvantage of toxic to plants. In addition, salts promote corrosion in pipes and, in some cases, toxic chlorine compounds. Because of these problems, the recent movement in California has banned the use of water softeners using salt regeneration.
그러나, 이온교환수지의 탁월한 경도제거 효과와 경제성 측면에서 고려할 때 이를 만족시키면서 대체할만한 기술은 아직까지 없다고 보여진다. However, considering the excellent hardness removal effect and economical efficiency of the ion exchange resin, it seems that there is no replacement technology yet.
이에 본 발명자는 상기와 같은 점을 고려하여 이온교환수지를 이용하면서 재생용 물질을 소금 대신 다른 물질로 대체하고자 연구하던 중, 이온과 같이 거동 가능하며 표면에 양전하를 가지고 있을 뿐만 아니라 경도 물질과 이온교환을 할 수 있는 물질이 나트륨 이온을 대체할 수 있을 것이라 기대하고 양이온 기능기를 가진 나노입자를 제조한 후, 표면을 양이온 기능기인 트리메틸암모늄기, 트리부틸암모늄기, 테트라데실다이메틸암모늄기, 다이데실메틸암모늄기, 아미노에틸아미노프로필프로필기로 작용기화(functionalization)시켜 소금을 대신하여 이온교환수지의 재생제로 제공할 수 있음을 확인함으로써 본 발명을 완성하게 되었다.Therefore, the present inventors are considering the above point, while researching to replace the recyclable material with another material instead of salt while using an ion exchange resin, it can behave like ions and has a positive charge on the surface, as well as hardness materials and ions. It is expected that a material that can be exchanged can replace sodium ions, and after preparing nanoparticles having a cationic functional group, the surface is cationic functional group trimethylammonium group, tributylammonium group, tetradecyldimethylammonium group, didecylmethylammonium group The present invention was completed by confirming that functionalization with aminoethylaminopropylpropyl group can be used as a regenerant of an ion exchange resin in place of salt.
따라서, 본 발명의 목적은 나노 크기의 실리카 입자를 제조한 후 표면을 양이온 기능기로 작용기화(functionalization)시켜 소금을 대체할 수 있는 연수기용 이온교환수지의 재생제를 제공하고자 하는 것이다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a regenerant of the soft water ion exchange resin that can replace salt by functionalizing the surface with a cationic functional group after preparing the nano-sized silica particles.
하나의 양태로서, 본 발명은 나노 크기의 실리카 입자 표면에 양이온 기능기가 작용기화(functionalization)되어 부착되어 있는, 소금을 대체할 수 있는 연수기용 이온교환수지의 재생제를 제공한다.In one aspect, the present invention provides a regeneration agent of an ion exchange resin for a softener that can replace salt, in which a cationic functional group is functionalized and attached to the surface of nano-sized silica particles.
본 발명은 실리카 나노 입자 표면에 양이온 기능기가 부착된 연수기용 이온화수지의 재생제를 제공한다.The present invention provides a regenerating agent for an ionizing resin for a softener having a cationic functional group attached to a surface of silica nanoparticles.
본 발명에서 상기 나노 입자는 50 nm 내지 500 nm의 크기일 수 있다.In the present invention, the nanoparticles may have a size of 50 nm to 500 nm.
본 발명에서 상기 실리카 나노입자는 초음파분해처리를 통해 에탄올에 재분산되어 사용될 수 있다.In the present invention, the silica nanoparticles may be redispersed in ethanol through ultrasonication.
본 발명에서, 상기 양이온 기능기는 암모늄기, 트리메틸암모늄기, 트리부틸암모늄기, 테트라데실다이메틸암모늄기, 다이데실메틸암모늄기 및 아미노에틸아미노프로필프로필기로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상이다.In the present invention, the cationic functional group is at least one selected from the group consisting of an ammonium group, trimethylammonium group, tributylammonium group, tetradecyldimethylammonium group, didecylmethylammonium group and aminoethylaminopropylpropyl group.
다른 하나의 양태로서, 본 발명은 실리카 나노입자와 양이온 기능기를 가진 실란화합물을 반응시켜 연수기용 이온화수지의 재생제용으로 사용하기 위한 양이온 기능기가 부착된 실리카 나노입자를 제조하는 방법을 제공한다.As another aspect, the present invention provides a method for preparing silica nanoparticles having a cationic functional group for use as a regeneration agent of an ionizing resin for a softener by reacting the silica nanoparticles with a silane compound having a cationic functional group.
본 발명의 일 실시예로서, 상기 양이온 기능기가 부착된 실리카 나노입자를 제조하는 방법은 실리카 나노입자의 에탄올 분산용액과 양이온 기능기를 가진 실란화합물을 볼텍스 믹서로 혼합함으로써 수행할 수 있다.As an embodiment of the present invention, the method for preparing the silica nanoparticles with the cationic functional group may be performed by mixing the ethanol dispersion solution of the silica nanoparticles and the silane compound having the cationic functional group by a vortex mixer.
본 발명의 또 다른 일 실시예로서, 상기 양이온 기능기가 부착된 실리카 나노입자를 제조하는 방법은 하기 단계를 포함할 수 있다:As another embodiment of the present invention, the method for preparing the silica nanoparticles to which the cationic functional group is attached may include the following steps:
실리카 나노입자를 에탄올에 넣고 초음파분해처리(sonication)를 통해 분산시키는 단계;Dispersing the silica nanoparticles in ethanol through sonication;
상기 분산액으로부터 침전물을 제거하고 에탄올로 희석시키는 단계;Removing the precipitate from the dispersion and diluting with ethanol;
상기 희석액에 양이온 기능기를 가진 실란화합물을 첨가하여 교반하는 단계; 및Adding and stirring the silane compound having a cationic functional group to the diluent; And
반응이 종료되면 용매를 제거하는 단계.Removing the solvent when the reaction is complete.
본 발명에서, 상기 양이온 기능기를 가진 실란화합물은 N-트리에톡시실릴-N,N,N-트리메틸암모늄 클로라이드(N-triethoxysilyl-N,N,N-trimethylammonium chloride), N-트리메톡시실릴프로필-N,N,N-트리메틸암모늄 클로라이드(N-trimethoxysilylpropyl-N,N,N-trimethylammonium chloride), 테트라데실디메틸(3-트리메톡시실릴프로필)암모늄 클로라이드(tetradecyldimethyl(3-trimethoxysilylpropyl)ammonium chloride), N-트리메톡시실릴프로필-N,N,N-트리-n-부틸암모늄 클로라이드(N-trimethoxysilylpropyl-N,N,N-tri-n-butylammonium chloride), N,N,-디데실-N-메틸-N-(3-트리메톡시실릴프로필)암모늄 클로라이드(N,N-didecyl-N-methyl-N-(3-trimethoxysilylpropyl)ammonium chloride), N-(트 리메톡시실릴프로필)이소티오우로늄 클로라이드(N-trimethoxysilylpropyl)isothiouronium chloride), 3-(N-스티릴메틸-2-아미노에틸아미노)프로필트리메톡시실란 하이드로클로라이드(3-(N-styrylmethyl-2-aminoethylamino)propyltrimethoxysilane hydrochloride) 및 N-(트리메톡시실릴에틸)벤질-N,N,N-트리메틸암모늄 클로라이드(N-(trimethoxysilylethyl)benzyl-N,N,N-trimethylammonium chloride)로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상이다.In the present invention, the silane compound having a cationic functional group is N-triethoxysilyl-N, N, N-trimethylammonium chloride (N-triethoxysilyl-N, N, N-trimethylammonium chloride), N-trimethoxysilylpropyl -N, N, N-trimethylammonium chloride (N-trimethoxysilylpropyl-N, N, N-trimethylammonium chloride), tetradecyldimethyl (3-trimethoxysilylpropyl) ammonium chloride, N-trimethoxysilylpropyl-N, N, N-tri-n-butylammonium chloride, N, N, -didecyl-N- M-N- (3-trimethoxysilylpropyl) ammonium chloride (N, N-didecyl-N-methyl-N- (3-trimethoxysilylpropyl) ammonium chloride), N- (trimethoxysilylpropyl) isothiouronium N-trimethoxysilylpropyl) isothiouronium chloride) 3- (N-styrylmethyl-2-aminoethylamino) propyltrimethoxysilane hydrochloric acid (3- (N-styrylmethyl-2-aminoethylamino) propyltrimethoxysilane hydrochloride) and N- (trimethoxysilylethyl) benzyl-N, N, N-trimethylammonium chloride (N- (trimethoxysilylethyl) benzyl-N, N, N- trimethylammonium chloride) at least one member selected from the group consisting of:
다른 하나의 양태로서, 본 발명은 또한 연수기용 이온화수지를 실리카 나노 입자 표면에 양이온 기능기가 부착된 연수기용 이온화수지의 재생제에 침지시켜 연수기용 이온화수지를 재생하는 방법을 제공한다.In another aspect, the present invention also provides a method for regenerating a softener ionizer by immersing the softener ionizer in a regenerant of the softener ionizer resin having a cationic functional group attached to the surface of the silica nanoparticles.
이하, 본 발명의 구성을 더욱 상세하게 설명한다.EMBODIMENT OF THE INVENTION Hereinafter, the structure of this invention is demonstrated in detail.
현재 연수기에 적용되고 있는 이온교환수지는 일반적으로 표면의 기능기가 설폰산기(sulfonic acid)(-SO3 -)이고 여기에 나트륨 이온이 결합되어 있는 형태를 띤다. 상기와 같은 Na형의 양이온교환수지에 원수(경수)를 통과시키게 되면 하기 반응식 1과 같이 원수 중의 Ca2 +, Mg2 +가 수지 중의 Na+이온과 교환(흡착)되어 연수가 생성되게 된다. 연수기용 이온교환수지의 재생은 상기 반응의 역반응이다. Ion exchange resins are generally of surface functional groups sulfonic acid groups, which is applied to the current water softener (sulfonic acid) (- SO 3 -) , and take the form which is in sodium ion bonded to it. Let it passes through the raw water (hard water) to the cation exchange resin in Na-form as described above to the reaction scheme 1 Ca 2 +, in the raw water, such as Mg 2 + is Na + ion-exchange (adsorption) in the resin is so soft water is produced. The regeneration of the ion exchange resin for the softener is the reverse reaction of the reaction.
상기와 같은 연수 반응에서 나트륨 이온 대신에 양이온 기능기로 치환된 입자타입의 재생제를 사용한다면 나트륨 이온의 사용을 충분히 대체할 수 있을 것이다. 또한 입자상태의 재생제는 회수가 가능하므로 이를 사용한다면 자동재생 및 재순환 타입의 연수 시스템이 제공 가능하게 된다.In the softening reaction, if a particle type regenerant substituted with a cationic functional group is used instead of sodium ions, the use of sodium ions may be sufficiently substituted. In addition, the regenerant in the particulate state can be recovered, so if used, it is possible to provide an automatic regeneration and recirculation type softening system.
즉, 나트륨 이온의 양이온 성능을 대체할 수 있는 That is, it can replace the cation performance of sodium ions 기능기를Function 가지면서, 통수시 외부로 배출되지 않도록 생성된 입자타입의 재생제를 사용한다면, 재생빈도를 If you use a particle-type regenerator that has been created so as not to be discharged to the outside during water passage, 획기Breakthrough 적으로 줄일 수 있게 된다. Can be reduced.
도 1a는 현재 사용하고 있는 연수기 시스템을 도식화한 것이며, 도 1b는 Na+ 대신 양이온 기능기가 부착된 실리카 비드(50~500 nm)를 사용하여 재생시 소금사용을 배제하는 시스템을 보여준다. 여기서 실리카 비드의 역할은 연수기에서 양이온 기능기가 외부로 배출되는 것을 막기 위한 것으로, UF 필터 등을 연수 시스템 하단에 설치할 경우 효과적으로 외부 배출을 방지할 수 있다.Figure 1a is a schematic of the water softener system currently in use, Figure 1b shows a system that eliminates the use of salt during regeneration using silica beads (50 ~ 500 nm) attached to the cationic functional group instead of Na + . Here, the role of silica beads is to prevent the cationic functional groups from being discharged to the outside from the softener, and when the UF filter or the like is installed at the bottom of the softening system, the external discharge can be effectively prevented.
실리카 비드에 부착시킬 기능기는 그 선택성을 고려하는 것이 중요하다.It is important to consider the selectivity of the functional groups to be attached to the silica beads.
양이온 교환물질인 SO3 -의 양이온에 대한 선택성은 다음과 같은 순서를 갖는다.The selectivity for the cation of SO 3 − , a cation exchanger, is in the following order.
Ba2 + > Pb2 + > Sr2 + > Ca 2 + > Ni2 + > Cd2 + > Cu2 + > Co2 + > Zn2 + > Mg 2 + > Ag+ > Cs+ > K+ > NH 4 + > Na + > H+ Ba 2 + > Pb 2 + > Sr 2 + > Ca 2 + > Ni 2 + > Cd 2 + > Cu 2 + > Co 2 + > Zn 2 + > Mg 2 + > Ag + > Cs + > K + > NH 4 + > Na + > H +
또한, 음이온 교환수지에 대하여 가장 일반적인 음이온의 선택성 순서는 다음 과 같다.In addition, the order of selectivity of the most common anions with respect to the anion exchange resin is as follows.
SO 4 2 - > I- > NO3 - > CrO4 2 - > Br- > Cl - > OH- SO 4 2 -> I -> NO 3 -> CrO 4 2 -> Br -> Cl -> OH -
상기와 같은 선택성을 감안하여 실리카 나노 입자에 부착하고자 하는 기능기는 Na+ 이온과 유사한 이온세기를 가지는 것을 선택할 수 있다. In view of the above selectivity, the functional group to be attached to the silica nanoparticles may be selected to have an ionic strength similar to that of Na + ions.
본 발명에서 Na+ 이온과 유사한 이온세기를 가지는 것의 구체적인 예로는 암모늄기, 범용 음이온교환수지에 사용되고 있는 기능기 중 트리메틸암모늄기(trimetylammonium), 트리부틸암모늄기, 테트라데실다이메틸암모늄기, 다이데실메틸암모늄기, 아미노에틸아미노프로필프로필기를 들 수 있다. Specific examples of the ionic strength similar to Na + ions in the present invention include ammonium group, trimethylammonium group, tributylammonium group, tetradecyldimethylammonium group, didecylmethylammonium group, amino among functional groups used in general purpose anion exchange resin. Ethyl amino propyl propyl group is mentioned.
양이온에 대한 선택성을 먼저 고려해 볼 때, 암모늄기와 트리메틸암모늄기, 트리부틸암모늄기, 테트라데실다이메틸암모늄기, 다이데실메틸암모늄기, 아미노에틸아미노프로필프로필기 등이 유사한 특성을 가지는 것으로 예측할 수 있으며, 따라서 선택성의 순서는 Ca2 +>Mg2 +>양이온 기능기>Na+이고 따라서 경도 교환시 트리메틸암모늄기, 트리부틸암모늄기, 테트라데실다이메틸암모늄기, 다이데실메틸암모늄기, 아미노에틸아미노프로필프로필기 등의 양이온 기능기는 경도 물질과 용이하게 교환될 수 있게 된다. Considering the selectivity for the cation first, it can be predicted that the ammonium group, trimethylammonium group, tributylammonium group, tetradecyldimethylammonium group, didecylmethylammonium group, aminoethylaminopropylpropyl group, and the like have similar characteristics. The order is Ca 2 + > Mg 2 + > cation functional group> Na + . Therefore, cationic functional groups such as trimethylammonium group, tributylammonium group, tetradecyldimethylammonium group, didecylmethylammonium group, aminoethylaminopropylpropyl group, etc. It can be easily exchanged with the hardness material.
또한 , 트리부틸암모늄기, 테트라데실다이메틸암모늄기, 다이데실메틸암모늄기, 아미노에틸아미노프로필프로필기 등의 양이온 기능기가 가지는 음이온에 대한 선택성은 SO4 2 - > Cl- > OH-이므로, 다른 어떤 음이온이 존재하더라도 SO4 2 -와 강하게 결합하여 Na+ 이온의 역할을 대신할 수 있게 된다. Further, tributyl ammonium, tetradecyl dimethyl ammonium, di-decyl methyl ammonium group, aminoethyl selectivity to the anion having groups cationic functionality, such as aminopropyl-propyl group is SO 4 2 -> Cl -> OH - Since, any anion other the Even if present, it binds strongly with SO 4 2 - to replace the role of Na + ions.
본 발명에서 나노입자의 실리카(SiO2) 제조는 하기 반응식 2의 stober method를 이용하여 제조할 수 있으나 이에 제한되지 않는다.Silica (SiO 2 ) production of nanoparticles in the present invention can be prepared using the stober method of Scheme 2, but is not limited thereto.
본 발명에서 실리카 나노입자 표면에 경도 물질 제거용 양이온 기능기를 부착시키는 것은 실리카 나노입자와 양이온 기능기를 가진 실란화합물을 반응시킴으로써 수행될 수 있다.In the present invention, attaching the cationic functional group for removing the hardness material on the surface of the silica nanoparticles may be performed by reacting the silica nanoparticles with the silane compound having the cationic functional group.
구체적인 양태로서, 본 발명에서 실리카 나노입자 표면에 경도 물질 제거용 양이온 기능기를 부착시키는 것은 하기 반응식 3과 같이 실리카 나노입자와 트리메틸암모늄트리에톡시실란을 반응시킴으로써 수행될 수 있다.As a specific embodiment, in the present invention, attaching the cationic functional group for removing the hardness material on the surface of the silica nanoparticles may be performed by reacting the silica nanoparticles with trimethylammonium triethoxysilane as in Scheme 3 below.
본 발명은 나노 크기의 실리카 입자를 제조한 후 표면을 양이온 기능기인 트 리메틸암모늄기, 트리부틸암모늄기, 테트라데실다이메틸암모늄기, 다이데실메틸암모늄기, 아미노에틸아미노프로필프로필기 등으로 작용기화시킴으로써 제조할 수 있는 소금을 대체할 수 있는 연수기용 이온교환수지의 재생제를 제공할 수 있는 매우 뛰어난 효과를 가진다.The present invention is prepared by preparing nano-sized silica particles and functionalizing the surface with cationic functional groups such as trimethylammonium group, tributylammonium group, tetradecyldimethylammonium group, didecylmethylammonium group, aminoethylaminopropylpropyl group and the like. It has a very good effect of providing a regenerant of the water exchanger ion exchange resin that can replace the salt.
이하, 실시예를 통해 본 발명의 구성 및 효과를 보다 더 구체적으로 설명하고자 하나, 이들 실시예는 본 발명의 예시적인 기재일뿐 본 발명의 범위가 이들 실시예에만 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the configuration and effects of the present invention will be described in more detail with reference to examples, but these examples are merely illustrative of the present invention, and the scope of the present invention is not limited only to these examples.
실시예Example 1: 400 1: 400 nmnm 실리카 나노 입자 제조 Silica nanoparticles manufacturing
균일한 크기의 실리카 나노입자는 Stober method로 제조하였다. 이는 실리콘 알콕사이드를 가수분해반응시켜 제조하는 방법으로 제법은 다음과 같았다.Silica nanoparticles of uniform size were prepared by Stober method. This method was prepared by hydrolysis reaction of silicon alkoxide.
먼저, 에탄올 168 mL, 수산화암모늄 51.2 mL 및 탈이온수 100 mL를 강력하게 교반하여 혼합용액을 제조하였다. 상기 혼합용액에 TEOS(Tetraethoxysilane) 20 mL를 1분 동안 서서히 첨가한 후 48시간 동안 교반하였다.First, 168 mL of ethanol, 51.2 mL of ammonium hydroxide and 100 mL of deionized water were vigorously stirred to prepare a mixed solution. 20 mL of TEOS (Tetraethoxysilane) was slowly added to the mixed solution for 1 minute and then stirred for 48 hours.
반응이 종료되면 3회 원심분리를 통해 세척을 수행하여 400 nm 실리카 나노 입자를 제조하였다. 제조된 실리카 나노입자는 초음파분해처리를 통해 에탄올에 재분산시켜 보관하였다.When the reaction was completed, washing was performed by centrifugation three times to prepare 400 nm silica nanoparticles. The prepared silica nanoparticles were re-dispersed in ethanol through sonication and stored.
실시예Example 2: 60 2: 60 nmnm 실리카 나노 입자 제조 Silica nanoparticles manufacturing
먼저, 에탄올 450 mL에 TEOS(Tetraethoxysilane) 25 mL를 넣고 20 분 동안 교반하였다.First, 25 mL of TEOS (Tetraethoxysilane) was added to 450 mL of ethanol and stirred for 20 minutes.
상기 교반액에 수산화암모늄(NH4OH) 20 mL를 1분 동안 서서히 첨가한 후 24시간 동안 교반하였다.20 mL of ammonium hydroxide (NH 4 OH) was slowly added to the stirred solution for 1 minute, followed by stirring for 24 hours.
반응이 종료되면 회전 증발기(rotary evaporator)로 용매를 제거하였다. 그 결과 약간 푸르스름한 흰 색의 고체 생성물을 얻었다.After the reaction was completed, the solvent was removed by a rotary evaporator. The result was a slightly bluish white solid product.
상기와 같이 생성된 생성물을 분쇄기로 분쇄하여 실리카 나노입자를 제조하였다. 제조된 실리카 나노입자는 코니칼 튜브에 담아 보관하였다.Silica nanoparticles were prepared by pulverizing the product produced as described above with a grinder. The prepared silica nanoparticles were stored in conical tubes.
실시예Example 3: 400 3: 400 nmnm 실리카 나노입자에 양이온 Cation on Silica Nanoparticles 기능기Function 부착 Attach
실시예 1에서 제조한 실리카 나노입자의 에탄올 분산용액에 하기 화학식 1의 구조를 가진 N-트리에톡시실릴-N,N,N-트리메틸암모늄 클로라이드를 0.05M의 농도로 첨가하고 볼텍스 믹서(Voltex mixer)로 혼합하여 실리카 나노입자의 표면에 트리메틸암모늄 기능기가 단일층으로 자가 부착됨으로써 양이온 기능기가 부착된 실리카 나노입자 용액을 제조할 수 있었다. To the ethanol dispersion solution of silica nanoparticles prepared in Example 1, N-triethoxysilyl-N, N, N-trimethylammonium chloride having the structure of Formula 1 was added at a concentration of 0.05 M and a vortex mixer By mixing with), a trimethylammonium functional group was self-attached to the surface of the silica nanoparticles as a single layer to prepare a silica nanoparticle solution to which a cationic functional group was attached.
실시예Example 4~7: 60 4-7: 60 nmnm 실리카 나노입자에 양이온 Cation on Silica Nanoparticles 기능기Function 부착 Attach
상기 실시예 2에서 제조한 실리카 나노입자 10 g에 에탄올 200 mL를 넣고 3 시간 동안 초음파분해처리(sonication)를 통해 에탄올에 실리카 나노입자를 분산시켰다.200 mL of ethanol was added to 10 g of the silica nanoparticles prepared in Example 2, and the silica nanoparticles were dispersed in ethanol through sonication for 3 hours.
상기 분산액으로부터 침전물을 제거하고 실리카 나노입자 콜로이드 용액의 전체 부피가 300 mL가 되도록 에탄올로 희석시켰다.The precipitate was removed from the dispersion and diluted with ethanol such that the total volume of silica nanoparticle colloidal solution was 300 mL.
상기 희석액에 하기 표 1에 기재된 양이온 기능기를 가진 실란화합물 15 mL 를 각각 첨가하여 24 시간 동안 교반하였다.15 mL of the silane compound having a cationic functional group shown in Table 1 was added to the dilution solution, followed by stirring for 24 hours.
반응이 종료되면 회전 증발기로 용매를 제거하였다. 그 결과, 약간 노랗고 불투명한 잔류물이 남았다. 이를 탈이온수 300 mL에 넣어 3 시간 동안 초음파분해처리함으로써 재분산시켰다.After the reaction was completed, the solvent was removed by a rotary evaporator. As a result, a slightly yellow and opaque residue remained. It was redispersed by sonication for 3 hours in 300 mL of deionized water.
실험예Experimental Example 1: 본 발명 소금 대용 재생제의 이온교환수지 재생능력 평가 1: Evaluation of ion exchange resin regeneration capacity of salt substitute regenerator of the present invention
경도물질로 포화 흡착된 이온교환수지(ion exchange resin, IER)를 준비하였다. An ion exchange resin (IER) was saturated and adsorbed with a hardness material.
먼저, 상기 실시예 3에서 제조한 양이온 기능기가 부착된 실리카 나노입자 용액의 재생능력을 평가하였다.First, the reproducibility of the silica nanoparticle solution with a cationic functional group prepared in Example 3 was evaluated.
이를 위하여, 상기 경도물질로 포화 흡착된 이온교환수지 20 g을 상기 실시예 3에서 제조한 양이온 기능기가 부착된 실리카 나노입자 용액 200 mL에 넣고 5분 동안 침지시켜 이온교환수지를 재생시켰다. To this end, 20 g of the ion exchange resin saturated with the hardness material was added to 200 mL of the silica nanoparticle solution with the cationic functional group prepared in Example 3 to immerse for 5 minutes to regenerate the ion exchange resin.
실시예 3의 실리카 나노입자 용액을 이용하여 재생된 이온교환수지 위에 부착된 암모늄으로 활성화된 실리카 나노입자의 모습을 도 2에 나타내었다.The silica nanoparticles activated with ammonium attached on the regenerated ion exchange resin using the silica nanoparticle solution of Example 3 are shown in FIG. 2.
실시예 3의 실리카 나노입자 용액을 이용하여 재생된 이온교환수지의 경도제거성능을 테스트하였다. 이때 유속은 534 mL/min (선속도: 60 m/hr), 단면적은 5.1 ㎠, 사용된 이온교환수지 무게는 130 g이었다(도 3). 그 결과, 도 4와 같이 1분 통수 후 경도제거율은 19%였으며 1시간 통수 후 경도제거율은 13%로 나타났다.The hardness removal performance of the regenerated ion exchange resin was tested using the silica nanoparticle solution of Example 3. At this time, the flow rate was 534 mL / min (line speed: 60 m / hr), the cross-sectional area is 5.1 cm 2, the weight of the ion exchange resin used was 130 g (Figure 3). As a result, as shown in FIG. 4, the hardness removal rate after 19 minutes was 19%, and the hardness removal rate after 13 minutes was 13%.
또한, 실시예 4 내지 7에서 제조한 실리카 나노입자 용액의 재생능력을 평가하였다.In addition, the reproducibility of the silica nanoparticle solution prepared in Examples 4 to 7 was evaluated.
이를 위하여, 상기 경도물질로 포화 흡착된 이온교환수지 20 g을 상기 실시예 4 내지 실시예 7에서 제조한 양이온 기능기가 부착된 실리카 나노입자 용액 200 mL에 넣고 1 시간 동안 교반함으로써 이온교환수지를 재생시켰다. To this end, 20 g of the ion exchange resin saturated with the hardness material is added to 200 mL of the silica nanoparticle solution with the cationic functional group prepared in Examples 4-7, and stirred for 1 hour to regenerate the ion exchange resin. I was.
상기와 같이 재생된 이온교환수지를 탈이온수로 세척한 후 오븐에서 건조한 다음 경도제거율을 테스트하였다.The ion exchange resin regenerated as described above was washed with deionized water, dried in an oven, and tested for a hardness removal rate.
경도제거율을 측정하기 위하여, 상기와 같이 재생된 후 세척한 다음 건조된 이온교환수지 3 g을 100 ppm의 경도를 가진 수도수에 넣고 5 분 동안 혼합한 다음 상기 혼합액 100 mL에 대해 경도 적정(hardness titration)을 실시하였다.In order to measure the hardness removal rate, 3 g of the dried ion exchange resin, which was regenerated and washed as described above, was added to tap water having a hardness of 100 ppm, mixed for 5 minutes, and then subjected to hardness titration for 100 mL of the mixed solution. titration).
각 재생제의 경도제거율 비교를 위하여 새이온교환수지를 이용하여서도 경도제거율을 측정하였으며, 또한 Na+와의 비교를 위하여 NaCl 포화 수용액을 이용하여 재생된 이온교환수지를 이용하여서도 경도제거율을 측정하였다.The hardness removal rate was also measured using a cation exchange resin to compare the hardness removal rate of each regenerant, and the hardness removal rate was also measured using an ion exchange resin regenerated using a saturated aqueous NaCl solution for comparison with Na + . .
그 결과를 도 5와 같이 그래프로 나타내었다. The results are shown graphically as shown in FIG.
도 5를 통해 알 수 있듯이, 본 발명은 소금에는 다소 못미치지만 상당한 수준의 경도제거율을 보임을 확인할 수 있었다.As can be seen from Figure 5, the present invention was found to be a bit less than the salt, but showed a significant level of hardness removal rate.
상기와 같이 실험 결과 경도제거율이 기대에 미치지 못한 것은 실리카표면의 기능기와 양이온교환수지의 술폰기 사이의 이온결합력이 크기 때문으로 해석되며, 두 이온 사이의 결합력을 약하게 만들 수 있는 기술을 개발한다면 만족할 만한 경도제거율을 나타낼 것으로 판단되었다. As a result of the experiment, the hardness removal rate did not meet the expectations because the ionic bonding force between the functional surface of the silica and the sulfone group of the cation exchange resin was large. It was judged that the hardness removal rate would be good.
이상 상기 실시예 및 실험예를 통해 설명한 바와 같이, 본 발명은 나노 크기의 실리카 입자를 제조한 후 표면을 양이온 기능기로 작용기화시킴으로써 제조할 수 있는 소금을 대체할 수 있는 연수기용 이온교환수지의 재생제를 제공할 수 있는 매우 뛰어난 효과를 가지므로 연수기산업상 매우 유용한 발명인 것이다.As described above through the above examples and experimental examples, the present invention regenerates the ion exchange resin for water softener which can replace the salt which can be prepared by preparing nano-sized silica particles and functionalizing the surface with a cationic functional group. It is a very useful invention in the water softener industry because it has a very good effect to provide the agent.
도 1a는 현재 사용하고 있는 Na+를 이용한 연수기용 이온화수지를 이용한 연수 시스템을 도식화한 것이다. FIG. 1A is a schematic diagram of a softening system using ionizer resin for softener using Na + .
도 1b는 Na+ 대신 본 발명의 양이온 기능기가 부착된 실리카 비드를 사용함으로써 소금사용을 배제하는 연수 시스템을 도식화한 것이다.Figure 1b is a schematic diagram of a soft water system that eliminates salt use by using silica beads with a cationic functional group of the present invention instead of Na + .
도 2는 본 발명에서 제공하는 소금 대용 재생제 중 하나인, N-트리에톡시실릴-N,N,N-트리메틸암모늄 클로라이드를 이용하여 양이온 기능기가 부착된 실리카 나노입자를 이용하여 재생된 이온교환수지를 SEM으로 측정함으로써, 재생된 이온교환수지 위에 부착된 암모늄으로 활성화된 실리카 나노입자의 모습을 보여주는 사진도이다.2 is an ion exchange regenerated using silica nanoparticles to which a cationic functional group is attached using N-triethoxysilyl-N, N, N-trimethylammonium chloride, which is one of the salt substitutes provided in the present invention. It is a photograph showing the appearance of activated silica nanoparticles with ammonium attached on the regenerated ion exchange resin by measuring the resin by SEM.
도 3은 본 발명 소금 대용 재생제인 N-트리에톡시실릴-N,N,N-트리메틸암모늄 클로라이드를 이용하여 양이온 기능기가 부착된 실리카 나노입자로 재생된 이온교환수지의 경도제거성능 테스트를 수행하기 위한 장치를 보여주는 사진도이다.Figure 3 is to perform the hardness removal performance test of the ion exchange resin regenerated by silica nanoparticles with a cationic functional group using N-triethoxysilyl-N, N, N-trimethylammonium chloride as a salt substitute regeneration of the present invention A photograph showing the device for
도 4는 본 발명 소금 대용 재생제인 N-트리에톡시실릴-N,N,N-트리메틸암모늄 클로라이드를 이용하여 양이온 기능기가 부착된 실리카 나노입자로 재생된 이온교환수지의 경도제거성능 테스트 결과를 나타내는 그래프이다.Figure 4 shows the hardness removal performance test results of the ion exchange resin regenerated with silica nanoparticles with a cationic functional group using N-triethoxysilyl-N, N, N-trimethylammonium chloride as a salt substitute regeneration of the present invention It is a graph.
도 5는 양이온 기능기의 종류에 따른 각 재생제의 경도제거율을 비교한 그래프이다. 이때 대조구로 새이온교환수지와 NaCl 포화 수용액을 이용하여 재생된 이온교환수지에 대한 경도제거율 측정 결과도 나타내었다.5 is a graph comparing the hardness removal rate of each regeneration agent according to the type of cationic functional group. In this case, the hardness removal rate of the regenerated ion exchange resin using the ion exchange resin and saturated aqueous NaCl solution was also shown as a control.
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KR1020080074236A KR20100012697A (en) | 2008-07-29 | 2008-07-29 | A regenerant for ion exchange resin of water softner in substitution for sodium cloride |
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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KR101985629B1 (en) * | 2018-10-16 | 2019-06-05 | 서울대학교산학협력단 | Ion exchange absorbent having high selective adsorption ability for nitrate ion and method for preparing the same |
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2008
- 2008-07-29 KR KR1020080074236A patent/KR20100012697A/en not_active Application Discontinuation
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