KR20120035531A - 축전식 탈염전극을 이용한 초순수 제조장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 축전식 탈염(Capacitive deionization ; CDI)전극 모듈을 이용한 초순수 제조장치에 관한 것이다.
본 발명의 초순수 제조장치는 원수에 함유되어 있는 미립자나 유기물을 제거하는 전처리공정; 용존 유기물이나 이온들을 제거하여 약품제조용(pharmaceutical-grade)의 초순수를 만드는 메이크업(Make-up) 시스템공정; 극미량의 유기물을 UV로 산화시켜 제거한 후 이온교환수지와 ultrafiltration(UF)를 거쳐 최종의 반도체 제조용(semiconductor-grade)의 초순수를 제조하는 폴리싱(polishing) 시스템공정으로 구성되며, 이 때 상기 메이크업 시스템공정을 수행하는 장치는 역삼투(reverse osmosis ; RO)막과 축전식 탈염(capacitive deionization ; CDI)전극 모듈을 포함하여 이루어지게 된다.
본 발명의 초순수 제조장치는 원수에 함유되어 있는 미립자나 유기물을 제거하는 전처리공정; 용존 유기물이나 이온들을 제거하여 약품제조용(pharmaceutical-grade)의 초순수를 만드는 메이크업(Make-up) 시스템공정; 극미량의 유기물을 UV로 산화시켜 제거한 후 이온교환수지와 ultrafiltration(UF)를 거쳐 최종의 반도체 제조용(semiconductor-grade)의 초순수를 제조하는 폴리싱(polishing) 시스템공정으로 구성되며, 이 때 상기 메이크업 시스템공정을 수행하는 장치는 역삼투(reverse osmosis ; RO)막과 축전식 탈염(capacitive deionization ; CDI)전극 모듈을 포함하여 이루어지게 된다.
Description
본 발명은 축전식 탈염(Capacitive deionization ; CDI)전극 모듈을 이용한 초순수 제조 장치를 제조하는 방법에 관한 것으로, 원수에 함유되어 있는 미립자나 유기물을 제거하는 전처리 공정; 용존 유기물이나 이온들을 제거하여 약품제조용(pharmaceutical-grade)의 초순수를 만드는 메이크업(Make-up)시스템 공정; 극미량의 유기물을 UV로 산화시켜 제거한 후 이온교환수지와 ultrafiltration(UF)를 거쳐 최종의 반도체 제조용(semiconductor-grade)의 초순수를 제조하는 폴리싱(polishing)시스템 공정으로 구성되며, Make-up시스템 공정을 역 삼투(reverse osmosis ; RO)막과 축전식 탈염(capacitive deionization ; CDI)전극 모듈로 이루어진 것에 관한 것이다.
물속에 존재하는 미립자, 유기물, 이온성 물질들을 완전히 제거하여 이론적으로 18,000,000Ωㆍcm(18.2 ㏁ㆍcm)의 비저항을 갖는 물을 초순수라고 한다. 초순수는 반도체나 전자기기의 제조, 의약품 제조, 식품제조, 화력 또는 원자력 발전소 등 다양한 산업의 생산공정에서 대량으로 사용되고 있다. 특히 반도체산업의 경우 안정적으로 고품질의 초순수를 생산할 수 있는 시스템은 고집적도의 반도체 생산에 필수적이다.
초순수에 포함된 불순물의 양에 따라 초순수는 크게 반도체 등급(semiconductor-grade, 전기저항 18.0 ㏁ㆍcm 이상)과 의약품 등급(pharmaceutical-grade, 전기저항 1㏁ㆍcm 이상)으로 구분한다. 반도체 등급의 초순수는 주로 반도체, LCD 등의 전자산업에서 사용되고, 의약품 등급의 초순수는 제약 및 바이오텍 생산 공정이나 발전소 등에 이용된다.
수돗물이나 지하수로부터 초순수를 제조하는 공정은 원수에 함유되어 있는 미립자를 제거하기 위한 전처리 장치, 용존 유기물 제거 장치, 그리고 이온을 제거하는 탈염장치 등으로 구성되어 있다. 일반적인 초순수 제조의 전체 공정은 크게 전처리(pre-treatment), 1차 처리(make-up), 그리고 폴리싱(polishing) 단계인 2차 처리 공정으로 이루어져 있다. 전처리 공정은 필터(filter)나 매체(media)를 이용해 원수에 포함된 미립자 및 유기물을 제거하고, 메이크업(make-up) 시스템에서는 용존 유기물이나 이온들을 제거함으로써 의약품 등급의 초순수를 얻게 된다. 이후 폴리싱 시스템에서는 UV를 이용해 극미량의 유기물을 UV로 산화시켜 제거한 후 이온교환수지와 초미세여과(ultrafiltration ,UF)를 거쳐 최종 반도체 등급의 초순수를 제조한다.
현재 메이크업 시스템은 이온교환수지(IER), 역삼투(RO), 전기탈이온(EDI) 기술들을 조합하여 다단 이온교환수지(multiple IER), 2단 RO (double RO), 그리고 RO와 EDI를 조합한 RO-EDI 시스템이 선택적으로 적용하고 있다. 이온교환수지법은 주기적으로 수지의 재생이 필요하고 그 과정에서 화학약품의 사용과 다량의 염폐액이 발생하는 문제점이 있어 점차 사용이 제한되고 있는 추세이며, RO는 미량의 이온을 제거하기 위해 다량의 물을 멤브레인을 통해 이동시켜야 되기 때문에 에너지 소모량이 높은 단점이 있다.
현재 초순수 제조공정의 메이크업 시스템 중에서 가장 앞선 기술로 RO-EDI 시스템이 적용되고 있지만 이온교환막을 사용하는 장치의 특성상 장치비가 높다는 단점을 갖고 있으며, 이온교환수지를 충진하는 과정이 복잡하고 운전이 복잡하다는 것도 문제점으로 지적되고 있다. 더 중요한 점은 EDI 장치의 농축조에서 이온농도가 증가할 때 이온들이 다시 희석조로 이동하여 탈염 효율이 감소하는 문제점을 유발하게 된다. 따라서 이러한 EDI 기술의 문제점을 해결할 수 있는 새로운 초순수 제조기술이 요구되고 있다.
그러므로 전기흡착(electrosorption)의 원리를 이용한 새로운 탈염 기술인 축전식 탈염(capacitive deionization, CDI) 기술에 대한 연구가 선진국을 중심으로 활발히 진행되고 있다. CDI 기술은 전극에 낮은 전위(약 1.5 V 이하)를 인가하면 전극과 이온들 간의 정전기적인 인력으로 수용액 중의 양이온은 음극 표면에, 음이온은 양극 표면에 흡착하게 된다. 전극에 흡착된 이온의 양이 포화 상태에 이르면 전극은 더 이상 이온들을 흡착할 수 없게 되고 흡착된 이온들을 탈착시켜 전극을 재생하는 과정을 거치게 된다. 전극의 재생은 두 전극을 쇼트시키거나 역전위를 줌으로써 가능하기 때문에 전극의 재생 과정이 매우 간편하고 재생 과정에서 화학물질을 첨가하지 않아도 되는 장점이 있다.
전기흡착 기술은 낮은 전극 전위에서 운전되기 때문에 기존의 탈염 공정들에 비해 에너지 소모량이 매우 낮아 차세대 핵심 탈염 기술로 평가되고 있다. 염수(TDS: 3000 ppm 정도) 의 탈염에 가장 많이 적용되는 RO 공정의 경우 약 2.3 kWh/m3의 에너지가 소비되고 유입수의 농도가 매우 낮은 경우에 적용되는 EDI 장치의 경우에도 약 1 kWh/m3의 에너지가 소모되는 것으로 보고되었다. 반면 CDI 공정은 유입수의 염농도에 따라 0.05 ~ 0.2 kWh/m3 의 에너지가 소모되는 것으로 알려져 있어 기존 탈염 기술에 비해 에너지 소모량을 획기적으로 절감할 수 있는 기술이다. CDI 기술은 전극 전위의 변화만으로 흡착과 탈착이 이루어지기 때문에 공정의 운전이 단순하고, 운전 과정에서 2차 오염물질을 배출하지 않는 환경친화적인 탈염 기술이다. 또한 전극 사이의 간격을 최소로 좁힐 수 있기 때문에 저농도 염수의 탈염에서도 매우 효과적이어서 초순수를 제조하는데 가장 적합한 공정으로 판단된다.
본 발명은 기존 초순수 제조장치의 메이크업(make-up) 시스템에 사용되는 기술들의 문제점들을 해결하고자 발명된 것으로, 에너지 소비량을 획기적으로 절감할 수 있는, 축전식 탈염전극을 이용한 초순수 제조장치를 제공함에 있다.
또한, 본 발명은 초순수 제조장치의 메이크업 시스템의 RO-CDI 시스템으로 RO를 통해 원수에 포함된 미량의 유기물과 이온성 물질을 일부 제거하고 처리수를 CDI에 통과시켜 이온성 물질을 완전히 제거시켜 pharmaceutical-grade의 초순수를 제조할 수 있는, 축전식 탈염전극을 이용한 초순수 제조장치를 제공함에 있다.
더불어, 본 발명은 전극 전위의 변화만으로 흡착과 탈착이 이루어지기 때문에 공정의 운전이 단순하고, 운전 과정에서 2차 오염물질을 배출하지 않는 환경친화적인, 축전식 탈염전극을 이용한 초순수 제조장치를 제공함에 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 축전식 탈염전극을 이용한 초순수 제조장치는, 원수를 여과시켜 원수에 포함된 미립자와 유기물을 제거하는 전처리장치(1); 상기 전처리장치(1)를 통과하여 여과처리된 여과수를 저장하는 여과수 저장탱크(2); 상기 여과수 저장탱크(2)로부터 여과수를 공급받아 역삼투막을 통과시켜 정밀여과처리하여 정수수로 만드는 역삼투막 분리기(3); 상기 역삼투막 분리기(3)에서 배출된 정수수에 양ㆍ음이온을 포함하는 이물질을 제거하는 탈이온처리를 수행하여 P급 순수(pharmaceutical-grade pure water)로 만드는 축전식 탈염장치(4); 상기 축전식 탈염장치(4)에서 배출된 순수를 저장하는 P급 순수 저장탱크(5); 상기 P급 순수 저장탱크(5)로부터 순수를 공급받아 미생물 번식이 억제되도록 자외선 살균을 수행하는 자외선 살균기(6); 상기 자외선 살균기(6)에서 배출된 순수를 공급받아 용존 이온을 제거하는 탈이온처리장치(7); 상기 탈이온처리장치(7)에서 배출된 순수를 공급받아 UF막(ultrafiltration membrane)을 통과시켜 초정밀여과처리하여 S급 순수(semiconductor-grade pure water)를 만드는 UF막 분리기(8); 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이 때, 상기 초순수 제조장치는 상기 역삼투막 분리기(3)에서 처리 투과되지 못하고 농축된 농축수가 재처리되도록 상기 여과수 저장탱크(2)로 반송하여 재회수시키는 제1재회수관(9); 상기 UF막 분리기(8)에서 처리 투과되지 못하고 농축된 농축수가 재처리되도록 상기 P급 순수 저장탱크(5)로 반송하여 재회수시키는 제2재회수관(10); 을 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 전처리장치(1)는 원수가 다층 여과기 및 활성탄 여과기를 순차 통과하는 제1방식, 원수가 역세용 정밀여과기 및 역세용 한외여과기를 순차 통과하는 제2방식, 원수가 회전 또는 진동막 분리기를 통과하는 제3방식 중 선택되는 적어도 어느 한 가지 이상의 방식을 사용하여 원수의 전처리 여과를 수행하는 것을 특징으로 한다. 이 때, 상기 전처리장치(1)가 제2방식으로 원수의 전처리 여과를수행할 때, 상기 역세용 정밀여과기 또는 상기 역세용 한외여과기는 폴리슬폰(polysulfone), 폴리프로필렌(polypropylene), 폴리에틸렌(polyethylene), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 폴리아미드(polyamide) 중 선택되는 어느 한 가지 재질의 막 형태로 형성되며, 중공사형, 관형 또는 평판형으로 이루어져 0.01㎛ 내지 1㎛ 범위 내의 직경을 가지는 기공을 가지는 정밀여과막 또는 한외여과막을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 역삼투막 분리기(3)는 역삼투막을 이용하여 여과수를 정수하는 역삼투막 모듈(31) 및 여과수를 높은 압력으로 공급하는 고압펌프(32)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 축전식 탈염장치(4)는 다수 개의 다공성 탄소 전극 또는 금속산화물 전극이 배열되어 이루어지는 CDI(capacitive deionization) 모듈(41) 및 상기 CDI 모듈(41)에 전력을 공급하는 파워 서플라이(42)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다. 이 때, 상기 CDI 모듈(41)은 양극이 인가되는 양전극과, 음극이 인가되는 음전극과, 정수수가 유통될 수 있도록 상기 양전극 및 상기 음전극 사이에 구비되어 정수수 유통 공간을 확보하는 스페이서를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다. 이 때, 상기 CDI 모듈(41)은 적층형 또는 두루마리 형태로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 CDI 모듈(41)은 상기 전극에 1V 내지 2V 범위 내의 전극 전위를 인가하여 상기 전극 표면에서의 흡착 반응에 의해 정수수 내의 양이온 및 음이온을 제거하여 정수수를 P급 순수로 만드는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 CDI 모듈(41)은 상기 전극에 이온 물질이 포화 흡착되었을 경우, 상기 전극에 0V 또는 역전위를 인가하여 흡착된 이온을 탈착시켜 상기 전극을 재생하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 자외선 살균기(6)는 발광 파장 범위가 170nm 내지 400nm인 자외선 램프를 사용하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 탈이온처리장치(7)는 이온성실리카와 중탄산이온을 포함하는 이온성 이물질이 제거되도록, 양이온수지와 음이온수지가 혼합된 혼성식 이온교환수지가 수용되어 순수를 통과시키는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 UF막 분리기(8)는 폴리슬폰(polysulfone), 폴리프로필렌(polypropylene), 폴리에틸렌(polyethylene), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 폴리아미드(polyamide) 중 선택되는 어느 한 가지 재질의 막 형태로 형성되며, 중공사형, 관형 또는 평판형으로 이루어져 0.01㎛이하의 직경을 가지는 기공을 가지는 한외여과막을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 초순수 제조장치에 의하면, 본 발명의 초순수 제조장치 내 메이크업 시스템인 탈이온장치에 있어서 RO 장치와 축전식 탈염장치로 구성되어 있어 기존의 초순수 제조장치에 비해 에너지소모량을 절감할 수 있는 큰 장점이 있다. 또한 본 발명에 의하면 전극 전위의 조절만으로 흡착과 탈착이 이루어지기 때문에 공정 운전이 크게 단순화된다는 장점 또한 있다. 또한 본 발명에 의한 초순수 제조기술은 운전 과정에서 2차 오염물질을 배출하지 않아 환경친화적이며, 더불어 저농도의 염수의 탈염효과가 우수하고 초순수를 경제적으로 제조할 수 있다는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 초순수제조장치의 전체적인 공정도
도 2는 본 발명의 탈이온처리공정도
도 3은 셀 전위에 따른 CDI 처리수의 전기전도도와 전기저항 변화
도 4는 유입수의 전해질 농도에 따른 처리수의 전기전도도와 전기저항 변화
도 5는 셀 전위에 따른 CDI 처리수의 pH 변화
도 2는 본 발명의 탈이온처리공정도
도 3은 셀 전위에 따른 CDI 처리수의 전기전도도와 전기저항 변화
도 4는 유입수의 전해질 농도에 따른 처리수의 전기전도도와 전기저항 변화
도 5는 셀 전위에 따른 CDI 처리수의 pH 변화
이하, 상기한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 축전식 탈염전극을 이용한 초순수 제조장치를 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 초순수 제조장치를 도시한 것으로, 본 발명의 초순수 제조장치에서의 공정은 도시된 바와 같이 전처리공정(pretreatment), 탈이온처리공정(make-up) 및 고순도화처리공정(polishing)을 통해 수돗물, 지하수 등과 같은 원수를 S급 순수(semiconductor-grade pure water)로 만들게 된다. 도 1에 도시되어 있는 바와 같이, 본 발명의 초순수 제조장치는 전처리장치(1), 여과수 저장탱크(2), 역삼투막 분리기(3), 축전식 탈염장치(4), P급 순수 저장탱크(5), 자외선 살균기(6), 탈이온처리장치(7), UF막 분리기(8)를 포함하여 이루어지며, 여기에 제1재회수관(9) 및 제2재회수관(10)을 더 포함하여 이루어질 수 있다.
이 때, 상기 전처리공정은 원수가 상기 전처리장치(1)를 통과하면서 여과수가 됨으로써 이루어지게 되며, 상기 탈이온처리공정은 여과수가 상기 역삼투막 분리기(3) 및 상기 축전식 탈염장치(4)를 순차적으로 통과하면서 P급 순수(pharmaceutical-grade pure water)가 됨으로써 이루어지게 되며, 상기 고순도화처리공정은 P급 순수가 상기 자외선 살균기(6), 상기 탈이온처리장치(7) 및 상기 UF막 분리기(8)를 순차적으로 통과하면서 S급 순수가 됨으로써 이루어지게 된다. 이 때, 상기 제1회수관(9) 및 상기 제2회수관(10)을 통해 여과처리되지 않은 농축수가 재회수되는 재회수공정(reclamation)이 더 수행됨으로써 여과 효율을 보다 높일 수 있다. 이하에서 각부에 대하여 보다 상세히 설명한다.
상기 전처리장치(1)는 수돗물이나 지하수와 같은 원수를 여과시켜 원수에 포함된 미립자와 유기물을 제거하는 역할을 한다. 즉 상기 전처리장치(1)는 원수에 포함된 이물질을 1차적으로 여과하는 전처리공정(pretreatment)을 수행하는 것으로, 이와 같이 함으로써 원수를 여과수로 만들게 된다. 상기 전처리장치(1)에서 사용되는 전처리 여과 방식은, 원수가 다층 여과기 및 활성탄 여과기를 순차 통과하는 제1방식, 원수가 역세용 정밀여과기 및 역세용 한외여과기를 순차 통과하는 제2방식, 원수가 회전 또는 진동막 분리기를 통과하는 제3방식 중 선택되는 적어도 어느 한 가지 이상의 방식이 사용될 수 있다. 다층 여과기 및 활성탄 여과기를 사용하는 제1방식의 경우, 원수가 마이크로필터를 통과한 후 활성탄을 통과하면서 이물질이 활성탄에 흡착되도록 함으로써 여과되도록 할 수 있다. 또는, 상기 전처리장치(1)가 상기 제2방식으로 원수의 전처리 여과를 수행할 경우, 상기 역세용 정밀여과기 및 상기 역세용 한외여과기는 각각 원수가 정밀여과막 및 한외여과막을 포함하여 이루어지게 되는데, 이 때 상기 정밀여과막 또는 상기 한외여과막은, 폴리슬폰(polysulfone), 폴리프로필렌(polypropylene), 폴리에틸렌(polyethylene), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 폴리아미드(polyamide) 중 선택되는 어느 한 가지 재질의 막 형태로 형성되며, 중공사형, 관형 또는 평판형으로 이루어져 0.01㎛ 내지 1㎛ 범위 내의 직경을 가지는 기공을 가지도록 형성되는 것이 바람직하다.
상기 여과수 저장탱크(2)는, 상기 전처리장치(1)를 통과하여 여과처리된 여과수를 저장하며, 상기 역삼투막 분리기(3)는 상기 여과수 저장탱크(2)로부터 여과수를 공급받아 역삼투막을 통과시켜 정밀여과처리하여 정수수로 만드는 역할을 한다. 여기에서, 상기 제1재회수관(9)은 상기 역삼투막 분리기(3)에서 처리 투과되지 못하고 농축된 농축수가 재처리되도록 상기 여과수 저장탱크(2)로 반송하여 재회수시킴으로써 여과 효율을 보다 높이게 된다. 이후, 상기 역삼투막 분리기(3)의 보다 상세한 구조 및 역할에 대해서 다시 설명한다.
상기 축전식 탈염장치(4)는 상기 역삼투막 분리기(3)에서 배출된 정수수에 양ㆍ음이온을 포함하는 이물질을 제거하는 탈이온처리를 수행하여 P급 순수(pharmaceutical-grade pure water)로 만드는 역할을 한다. 여과수가 상기 역삼투막 분리기(3) 및 상기 축전식 탈염장치(4)를 통과함으로써 P급 순수가 되는 과정이 바로 탈이온처리공정(make-up)인데, 이 공정이 본 발명의 핵심이 되는 것으로, 역시 이후에 보다 상세히 설명하기로 한다.
상기 P급 순수 저장탱크(5)는 상기 축전식 탈염장치(4)에서 배출된 순수를 저장한다. 상기 P급 순수 저장탱크(5)로부터 배출된 P급 순수는 이하의 자외선 살균기(6), 탈이온처리장치(7) 및 UF막 분리기(8)를 순차적으로 통과하면서 S급 순수가 되며, 이 과정이 바로 고순도화처리공정(polishing)이다.
상기 자외선 살균기(6)는 상기 P급 순수 저장탱크(5)로부터 순수를 공급받아 미생물 번식이 억제되도록 자외선 살균을 수행한다. 이 때 상기 자외선 살균기(6)는 발광 파장 범위가 170nm 내지 400nm인 일반적인 자외선 램프를 사용하면 된다.
상기 탈이온처리장치(7)는 상기 자외선 살균기(6)에서 배출된 순수를 공급받아 용존 이온을 제거하게 된다. 보다 상세히 설명하자면, 상기 탈이온처리장치(7)는 양이온수지와 음이온수지가 혼합된 혼성식 이온교환수지가 수용되어 상기 이온교환수지로 순수를 통과시킴으로써, 이온성실리카와 중탄산이온을 포함하는 이온성 이물질이 제거되도록 한다.
상기 UF막 분리기(8)는 상기 탈이온처리장치(7)에서 배출된 순수를 공급받아 UF막(ultrafiltration membrane)을 통과시켜 초정밀여과처리하여 최종적으로 S급 순수(semiconductor-grade pure water)를 만들게 된다. 이 때, 상기 UF막 분리기(8)는 한외여과막을 포함하여 이루어지게 되는데, 상기 한외여과막은 폴리슬폰(polysulfone), 폴리프로필렌(polypropylene), 폴리에틸렌(polyethylene), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 폴리아미드(polyamide) 중 선택되는 어느 한 가지 재질의 막 형태로 형성되며, 중공사형, 관형 또는 평판형으로 이루어져 0.01㎛이하의 직경을 가지는 기공을 가지도록 형성되는 것이 바람직하다.
또한 여기에서, 상기 제2재회수관(10)은 상기 UF막 분리기(8)에서 처리 투과되지 못하고 농축된 농축수가 재처리되도록 상기 P급 순수 저장탱크(5)로 반송하여 재회수시킴으로써 여과 효율을 보다 높이게 된다.
도 2는 본 발명의 탈이온처리공정도를 도시한 것이다. 본 발명의 초순수 제조장치에서 탈이온처리공정은 상술한 바와 같이 상기 역삼투막 분리기(3) 및 상기 축전식 탈염장치(4)에 의하여 이루어진다.
상기 역삼투막 분리기(3)는, 도 2에 도시되어 있는 바와 같이, 역삼투막을 이용하여 여과수를 정수하는 역삼투막 모듈(31) 및 여과수를 높은 압력으로 공급하는 고압펌프(32)를 포함하여 이루어지게 된다. 상기 역삼투막 모듈(31)은 도 2에 도시되어 있는 바와 같이 상기 여과수 저장탱크(2)와 연결되어 여과수를 공급받는 여과수 공급관과, 역삼투막을 이용하여 정수된 정수수 및 여과 처리가 되지 못한 농축수를 각각 배출하는 배출구가 구비되게 된다. 상기 역삼투막 모듈(31)을 통하여 정수된 정수수는 상기 축전식 탈염장치(4)로 공급되게 되며, 농축수 및 (걸러진 이물질과 같은) 폐기물은 배출되어 버려지거나 또는 상기 제1회수관(9)을 통해 상기 여과수 저장탱크(2)로 재회수됨으로써 재정수가 이루어지게 된다. 상기 고압펌프(32)는 여과수가 공급되는 라인 상에 배치되어 높은 압력으로 상기 역삼투막 모듈(31)에 여과수가 공급되도록 함으로써, 여과수가 원활하게 공급되도록 함과 동시에 역삼투에 의한 정수 효율을 높여 주는 역할을 한다.
상기 축전식 탈염장치(4)는, 역시 도 2에 도시되어 있는 바와 같이, 다수 개의 다공성 탄소 전극 또는 금속산화물 전극이 배열되어 이루어지는 CDI(capacitive deionization) 모듈(41) 및 상기 CDI 모듈(41)에 전력을 공급하는 파워 서플라이(42)를 포함하여 이루어지게 된다.
상기 CDI 모듈(41)에 대하여 보다 상세히 설명하자면 다음과 같다. 상기 CDI 모듈(41)은, 양극이 인가되는 양전극과, 음극이 인가되는 음전극과, 정수수가 유통될 수 있도록 상기 양전극 및 상기 음전극 사이에 구비되어 정수수 유통 공간을 확보하는 스페이서를 포함하여 이루어지게 된다. 여기에서 양전극 및 음전극은 물론 서로 다른 재질로 이루어질 수도 있으며, 또는 동일한 재질로 이루어진 전극이되 단지 양극/음극이 각각 인가됨으로써 구분되도록 이루어질 수도 있다. 상기 CDI 모듈(41)은, 이와 같은 양전극, 음전극 및 스페이서가 적층된 형태로서 이루어질 수도 있고, 또는 이러한 양전극, 음전극 및 스페이서가 말려져 있는 형태인 두루마리 형태로 이루어질 수도 있다. 이러한 구조는 일반적인 전지나 연료전지 등에서 일반적으로 널리 사용되고 있는 구조인 바, 상세한 설명은 생략하기로 한다.
이와 같은 형태로 이루어지는 상기 CDI 모듈(41)은, 상기 전극에 1V 내지 2V 범위 내의 전극 전위를 인가하게 된다. 그러면 상기 스페이서를 통해 유통되는 정수수 내의 양이온 및 음이온이, 상기 전극 표면에서의 흡착 반응에 의해 제거되게 되며, 이에 따라 정수수를 상기 CDI 모듈(41)을 통과시킴으로써 비저항이 10MΩㆍ㎝ 정도가 되는 P급 순수를 얻을 수 있게 되는 것이다. 이와 같이 상기 CDI 모듈(41)은 상기 전극 표면에 전위 인가를 통해 이온 물질을 흡착함으로써 탈이온처리공정을 수행하게 되는데, 이 때 상기 전극에 이온 물질이 포화 흡착되었을 경우, 상기 전극에 0V 또는 역전위를 인가하여 흡착된 이온을 탈착시켜 상기 전극을 재생하도록 함으로써 상기 CDI 모듈(41)의 수명을 훨씬 연장할 수 있다.
상기 CDI 모듈(41)에는 3방(3-way) 밸브가 구비됨으로써, 흡착 공정 시에는 정수수를 탈이온처리하여 P급 순수를 만들어 배출하고, 탈착 공정 시에는 전극으로부터 탈착되어 나온 이온들이 포함되어 있는 농축수를 다른 방향으로 배출시하며, 이와 같이 흡착과 탈착이 반복되도록 하여 초순수의 제조가 이루어지게 된다.
더불어, 상기 CDI 모듈(41)로 정수수가 유입되는 라인에 유량계(43)를 더 구비시킴으로써, 보다 정량적인 계측 및 공정이 이루어질 수 있도록 하는 것이 바람직하다.
이하는 본 발명의 구체적인 설명을 위하여 일예를 들어 설명하는 바, 본 발명이 하기 실험예에 한정되는 것은 아니다.
[실험예]
축전식 탈염 장치를 이용해 초순수의 제조 가능성을 확인하기 위해 CDI 단위 셀을 제작하여 탈염실험을 수행하였다. 평판형 탄소전극을 10 x 10 cm2로 절단한 후 음극용 탄소전극 표면에 양이온교환막(Neosepta CMX, Astom Co., Japan), 그리고 양극용 탄소전극 표면에 음이온교환막(Neosepta CMX, Astom Co., Japan)을 결합하고 이온교환막들 사이에 유입수가 지나갈 수 있도록 스페이서를 끼워 CDI 단위 셀을 구성하였다. 탄소전극의 중앙에 1cm의 구멍을 뚫어 유입수가 탄소전극의 가장자리에서 유입되어 스페이서를 통과한 후 전극의 중앙으로 유출될 수 있도록 유로를 형성하였다.
정량펌프를 이용해 제작된 셀에 유입수를 20 mL/min의 일정한 속도로 공급하면서 축전식 탈염실험을 수행하였다. 유입수의 농도에 따른 영향을 살펴보기 위하여 10, 25, 50 ppm NaCl을 제조하여 탈염실험에 사용하였다.
일정전위 전해장치(Potentiostat, WPG100, WonA Tech Co.)를 이용해 미리 설정된 전위를 인가하면서 셀에 공급된 전류를 1초 간격으로 자동 측정하였으며 유출부에 전기전도도 미터를 자동 데이터 수집기(midi Logger GL200, Graph Tech Co.)에 연결하여 1초 간격으로 유출수의 전기전도도를 측정하였다. 탈염실험은 셀 전위를 0.8, 1.0,1.2, 1.5 V로 변화시켜 가면서 수행하였다. 각각의 셀 전위를 15분 동안 인가하면서 탈염을 진행한 후 곧바로 0.0 V로 셀 전위를 변화시켜 3분 동안 탈착시켰다.
도 3은 10 ppm NaCl을 공급하면서 탈염실험한 결과 전위에 따른 유출수의 전기전도도와 전기저항을 나타낸 것이다. 유입수의 전기전도도는 17.5 μS/cm이었지만 1.5 V의 전위를 인가했을 때 유출수는 0.1 μS/cm 까지 감소하는 것을 얻을 수 있었다. 이는 유출수의 전기저항이 10 MΩㅇcm로 CDI 공정이 초순수를 제조하는데 매우 효과적으로 작동할 수 있다는 것을 보여주고 있다.
도 4는 1.5 V의 셀 전위에서 유입수의 농도를 변화했을 때 유출수의 전기전도도와 전기저항을 나타낸 것이다. 유입수의 농도가 증가하면서 유출수의 전기전도도가 증가하지만 25 ppm까지는 대략 1 μS/cm 정도의 초순수를 얻을 수 있었다. 실제로 초순수를 제조하기 위해 CDI 공급되는 유입수는 전 단계에서 RO 장치를 이용해 일차적으로 이온들이 분리된 처리수가 공급되기 때문에 유입수의 농도는 20 ppm 이하가 공급된다. 따라서 CDI 장치를 이용해 10 MΩㅇcm 이상의 초순수를 간편하고 안정적으로 얻을 수 있을 것으로 판단된다.
CDI 장치를 이용한 초순수의 제조에서 가장 고려해야 할 점 중의 하나가 처리수의 pH 변화이다. CDI 기술은 탄소전극을 이용하기 때문에 전극에서의 반응으로 처리수의 pH 변화가 일어날 수 있다. 도 5는 셀 전위 0.8, 1.5 V에서 탈염실험을 진행하는 동안 처리수의 pH 변화를 나타낸 것이다. 그림에서 보는바와 같이 모든 전위영역에서 처리수의 pH가 매우 안정적으로 유지됨을 확인할 수 있다.
이상의 실험결과로부터 CDI 장치는 매우 낮은 농도의 전해질 용액을 탈염하는데 매우 효과적으로 사용될 수 있다는 것을 확인할 수 있었다. 또한 유입수의 농도가 낮기 때문에 흡착시간을 늘릴 수 있다는 장점과 함께 전극반응도 일어나지 않아 안정적인 처리수질을 얻는데도 매우 효과적인 공정임을 확인할 수 있었다. 이와 같이 CDI 장치는 기존의 초순수 제조에 사용되는 EDI 장치의 문제점들을 모두 해결할 수 있기 때문에 EDI를 대체할 수 있는 획기적인 기술임을 분명히 알 수 있다.
본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.
1 : 전처리장치 2 : 여과수 저장탱크
3 : 역삼투막 분리기
31 : 역삼투막 모듈 32 : 고압펌프
4 : 축전식 탈염장치 41 : CDI 모듈
42 : 파워서플라이 43 : 유량계
5 : P급 순수 저장탱크 6 : 자외선 살균기
7 : 탈이온처리장치 8 : UF막 분리기
9 : 제1재회수관 10 : 제1재회수관
3 : 역삼투막 분리기
31 : 역삼투막 모듈 32 : 고압펌프
4 : 축전식 탈염장치 41 : CDI 모듈
42 : 파워서플라이 43 : 유량계
5 : P급 순수 저장탱크 6 : 자외선 살균기
7 : 탈이온처리장치 8 : UF막 분리기
9 : 제1재회수관 10 : 제1재회수관
Claims (13)
- 원수를 여과시켜 원수에 포함된 미립자와 유기물을 제거하는 전처리장치(1);
상기 전처리장치(1)를 통과하여 여과처리된 여과수를 저장하는 여과수 저장탱크(2);
상기 여과수 저장탱크(2)로부터 여과수를 공급받아 역삼투막을 통과시켜 정밀여과처리하여 정수수로 만드는 역삼투막 분리기(3);
상기 역삼투막 분리기(3)에서 배출된 정수수에 양ㆍ음이온을 포함하는 이물질을 제거하는 탈이온처리를 수행하여 P급 순수(pharmaceutical-grade pure water)로 만드는 축전식 탈염장치(4);
상기 축전식 탈염장치(4)에서 배출된 순수를 저장하는 P급 순수 저장탱크(5);
상기 P급 순수 저장탱크(5)로부터 순수를 공급받아 미생물 번식이 억제되도록 자외선 살균을 수행하는 자외선 살균기(6);
상기 자외선 살균기(6)에서 배출된 순수를 공급받아 용존 이온을 제거하는 탈이온처리장치(7);
상기 탈이온처리장치(7)에서 배출된 순수를 공급받아 UF막(ultrafiltration membrane)을 통과시켜 초정밀여과처리하여 S급 순수(semiconductor-grade pure water)를 만드는 UF막 분리기(8);
를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 축전식 탈염전극을 이용한 초순수 제조장치.
- 제 1항에 있어서, 상기 초순수 제조장치는
상기 역삼투막 분리기(3)에서 처리 투과되지 못하고 농축된 농축수가 재처리되도록 상기 여과수 저장탱크(2)로 반송하여 재회수시키는 제1재회수관(9);
상기 UF막 분리기(8)에서 처리 투과되지 못하고 농축된 농축수가 재처리되도록 상기 P급 순수 저장탱크(5)로 반송하여 재회수시키는 제2재회수관(10);
을 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 축전식 탈염전극을 이용한 초순수 제조장치.
- 제 1항에 있어서, 상기 전처리장치(1)는
원수가 다층 여과기 및 활성탄 여과기를 순차 통과하는 제1방식,
원수가 역세용 정밀여과기 및 역세용 한외여과기를 순차 통과하는 제2방식,
원수가 회전 또는 진동막 분리기를 통과하는 제3방식
중 선택되는 적어도 어느 한 가지 이상의 방식을 사용하여 원수의 전처리 여과를 수행하는 것을 특징으로 하는 축전식 탈염전극을 이용한 초순수 제조장치.
- 제 3항에 있어서, 상기 전처리장치(1)가 제2방식으로 원수의 전처리 여과를수행할 때, 상기 역세용 정밀여과기 또는 상기 역세용 한외여과기는
폴리슬폰(polysulfone), 폴리프로필렌(polypropylene), 폴리에틸렌(polyethylene), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 폴리아미드(polyamide) 중 선택되는 어느 한 가지 재질의 막 형태로 형성되며, 중공사형, 관형 또는 평판형으로 이루어져 0.01㎛ 내지 1㎛ 범위 내의 직경을 가지는 기공을 가지는 정밀여과막 또는 한외여과막을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 축전식 탈염전극을 이용한 초순수 제조장치.
- 제 1항에 있어서, 상기 역삼투막 분리기(3)는
역삼투막을 이용하여 여과수를 정수하는 역삼투막 모듈(31) 및 여과수를 높은 압력으로 공급하는 고압펌프(32)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 축전식 탈염전극을 이용한 초순수 제조장치.
- 제 1항에 있어서, 상기 축전식 탈염장치(4)는
다수 개의 다공성 탄소 전극 또는 금속산화물 전극이 배열되어 이루어지는 CDI(capacitive deionization) 모듈(41) 및 상기 CDI 모듈(41)에 전력을 공급하는 파워 서플라이(42)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 축전식 탈염전극을 이용한 초순수 제조장치.
- 제 6항에 있어서, 상기 CDI 모듈(41)은
양극이 인가되는 양전극과, 음극이 인가되는 음전극과, 정수수가 유통될 수 있도록 상기 양전극 및 상기 음전극 사이에 구비되어 정수수 유통 공간을 확보하는 스페이서를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 축전식 탈염전극을 이용한 초순수 제조장치.
- 제 7항에 있어서, 상기 CDI 모듈(41)은
적층형 또는 두루마리 형태로 이루어지는 것을 특징으로 하는 축전식 탈염전극을 이용한 초순수 제조장치.
- 제 6항에 있어서, 상기 CDI 모듈(41)은
상기 전극에 1V 내지 2V 범위 내의 전극 전위를 인가하여 상기 전극 표면에서의 흡착 반응에 의해 정수수 내의 양이온 및 음이온을 제거하여 정수수를 P급 순수로 만드는 것을 특징으로 하는 축전식 탈염전극을 이용한 초순수 제조장치.
- 제 6항에 있어서, 상기 CDI 모듈(41)은
상기 전극에 이온 물질이 포화 흡착되었을 경우, 상기 전극에 0V 또는 역전위를 인가하여 흡착된 이온을 탈착시켜 상기 전극을 재생하는 것을 특징으로 하는 축전식 탈염전극을 이용한 초순수 제조장치.
- 제 1항에 있어서, 상기 자외선 살균기(6)는
발광 파장 범위가 170nm 내지 400nm인 자외선 램프를 사용하는 것을 특징으로 하는 축전식 탈염전극을 이용한 초순수 제조장치.
- 제 1항에 있어서, 상기 탈이온처리장치(7)는
이온성실리카와 중탄산이온을 포함하는 이온성 이물질이 제거되도록, 양이온수지와 음이온수지가 혼합된 혼성식 이온교환수지가 수용되어 순수를 통과시키는 것을 특징으로 하는 축전식 탈염전극을 이용한 초순수 제조장치.
- 제 1항에 있어서, 상기 UF막 분리기(8)는
폴리슬폰(polysulfone), 폴리프로필렌(polypropylene), 폴리에틸렌(polyethylene), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 폴리아미드(polyamide) 중 선택되는 어느 한 가지 재질의 막 형태로 형성되며, 중공사형, 관형 또는 평판형으로 이루어져 0.01㎛이하의 직경을 가지는 기공을 가지는 한외여과막을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 축전식 탈염전극을 이용한 초순수 제조장치.
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