KR20170047342A - 물과 적어도 하나의 휘발성 산성 및/또는 염기성 물질을 함유하는 혼합물로부터 물을 분리시키기 위한 방법 - Google Patents

물과 적어도 하나의 휘발성 산성 및/또는 염기성 물질을 함유하는 혼합물로부터 물을 분리시키기 위한 방법 Download PDF

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Abstract

·산-염기 반응에 의하여 적어도 하나의 휘발성 산성 물질을 대응하는 비-휘발성 염기성 물질로 변환하고, 그리고/또는 적어도 하나의 염기성 물질을 대응하는 비-휘발성 산성 물질로 변환하며(2);·적어도 하나의 비-휘발성 산성 물질 및/또는 적어도 하나의 비-휘발성 염기성 물질로부터 물을 분리시킴으로써(3), 물과 적어도 하나의 휘발성 산성 물질 및/또는 적어도 하나의 휘발성 염기성 물질을 함유하는 혼합물로부터 물을 분리시키기 위한 방법이 개시된다.

Description

물과 적어도 하나의 휘발성 산성 및/또는 염기성 물질을 함유하는 혼합물로부터 물을 분리시키기 위한 방법{METHOD FOR SEPARATING WATER FROM A MIXTURE CONTAINING WATER AND AT LEAST ONE VOLATILE ACIDIC AND/OR BASIC SUBSTANCE}
본 발명은, 물과 적어도 하나의 휘발성 산성 물질 및/또는 적어도 하나의 휘발성 염기성 물질을 함유하는 혼합물로부터 물을 분리시키기 위한 방법에 관한 것이다.
물과 산성 또는 염기성 물질들을 함유하는 혼합물들로부터 물을 분리시키기 위한 방법들은 물 처리에서, 예컨대, 많은 공업 분야들에서 생성되는 소위 폐수 또는 공정수의 경우에 커다란 중요성을 갖는다.
산성 또는 염기성 물질들이 분리될 물의 생리화학 특성들과 유사한 생리화학 특성들을 갖는 대응하는 혼합물로부터 물의 열적 분리 또는 처리가 특히 어렵다. 이는 휘발성 산성 또는 염기성 물질들, 즉, 통상적인 휘발성 산들 또는 염기들에 특히 적용된다.
대응하는 혼합물들로부터 물을 분리시키기 위해 현재까지 사용되는 통상적인 접근법들, 특히, 증류 또는 정류 공정들은 개선될 필요가 있는데, 그 이유는 일반적으로, 공정 및 플랜트 엔지니어링(plant engineering) 둘 모두의 관점들로부터 그러한 접근법들이 복잡하며 비효율적이기 때문이다.
본 발명의 목적은, 물과 적어도 하나의 휘발성 산성 물질 및/또는 적어도 하나의 휘발성 염기성 물질을 함유하는 혼합물로부터 물을 분리시키기 위한 개선된 방법을 제공하는 것이다.
이 목적은 하기의 단계들:
산-염기 반응에 의하여 적어도 하나의 휘발성 산성 물질을 대응하는 비-휘발성 염기성 물질로 변환하고, 그리고/또는 적어도 하나의 염기성 물질을 대응하는 비-휘발성 산성 물질로 변환하는 단계, 및
적어도 하나의 비-휘발성 산성 물질 및/또는 적어도 하나의 비-휘발성 염기성 물질로부터 물을 분리시키는 단계
를 포함하는 전술된 유형의 방법에 의해 달성된다.
방법은, 물과 적어도 하나의 휘발성 산성 물질 또는 적어도 하나의 휘발성 염기성 물질을 함유하는 혼합물로부터 물을 분리시키기 위한 특별한 기술적 접근법을 구성한다. 그러므로, 방법은 물 처리를 위한 공정인 것으로 지칭되거나 또는 간주되거나, 또는 물 처리를 위한 공정에서 구현될 수 있다.
하기에서는, 휘발성 산성 물질들 또는 휘발성 염기성 물질들이 특히, 물의 생리화학 특성들과 유사한 생리화학 특성들을 갖는 산들 및/또는 염기들을 지칭하는 것으로 이해될 것이다. 특히, 휘발성 산성 물질들 또는 휘발성 염기성 물질들은, 특정 압력, 특히 대기압 및 특정 온도, 특히 25℃의 온도에 기반하여, 즉, 통상적으로 표준 조건들 하에서, 물의 끓는점 영역 내의 끓는점 및/또는 물의 증기압 영역 내의 증기압을 갖는 산들 및/또는 염기들로서 이해될 것이다. 이는 예컨대, 그러므로 대응하는 휘발성 산성 물질로서 사용될 수 있는 과산화아세트산(peracetic acid)에, 그리고 그러므로 대응하는 휘발성 염기성 물질로서 사용될 수 있는 암모니아(ammonia)에 적용된다.
특히, 물과 적어도 하나의 휘발성 산성 물질 또는 적어도 하나의 휘발성 염기성 물질을 함유하는 대응하는 혼합물은, 과산화아세트산과 혼합된 헹굼물이 생성되는 습식 무균 충전(wet aseptic filling) 또는 암모니아와 혼합된 보일러(boiler) 급수가 생성되는 수증기 생산과 같은 적어도 하나의 공업 공정으로부터의 폐수일 수 있다.
방법의 제 1 단계에서, 개개의 휘발성 산성 물질들은 산-염기 반응에 의하여, 이 개개의 휘발성 산성 물질들에 공액이거나 또는 대응하는 비-휘발성 염기성 물질로 변환된다. 유사하게, 개개의 휘발성 염기성 물질들은 산-염기 반응에 의하여, 이 개개의 휘발성 염기성 물질들에 공액이거나 또는 대응하는 비-휘발성 산 물질로 변환된다. 그러므로, 통상적으로, 휘발성 산들은 산-염기 변환 반응에서 이 휘발성 산들 각각에 대응하는 염기들로 변환되며, 휘발성 염기들은 산-염기 변환 반응에서 이 휘발성 염기들 각각에 대응하는 산들로 변환된다. 이 경우, 대응하는 염기성 또는 산성 물질들이 휘발성 산성 또는 염기성 물질들과 상이한 생리화학 특성들을 나타내고, 특히, 대응하는 염기성 또는 산성 물질들이 휘발성이 아니어야 한다는 것이 본질적으로 중요하다.
예로서, 이 원리는 휘발성 산성 물질들에 대하여 더욱 상세히 이제 설명될 것이다. 물론, 동일한 내용이 휘발성 염기성 물질들에 또한 적용된다.
pH-조절 물질들의 첨가 없이, 그리고 대응하게 낮은 산성도로, 특히, 휘발성 산성 물질들이 생리화학 평형에 있을 때, 이 휘발성 산성 물질들은 적어도, 대체로 이 휘발성 산성 물질들의 비해리 형태로 혼합물에서 본래 존재한다. 혼합물에 함유된 휘발성 산성 물질들 또는 이 휘발성 산성 물질들의 대다수는, 양성자(들) 또는 수소 양이온(cation)(들)(이는 적어도
Figure pct00001
의 정의에 따라, 일반적으로 산들의 산성 특성들의 특징임)을 아직 공여하지 않았으며, 이러한 이유로, 위에서 언급된 바와 같이, 이들은 비해리 형태로 본래 존재한다.
비해리 상태에서, 휘발성 산성 물질들은 공유 결합 특성들을 나타내는데, 즉, 물질들의 산성 성질을 책임지는 화학 원소들은 대체로 공유 결합된다. 개개의 휘발성 산성 물질들은, 개개의 산성 물질들을 형성하는 화학 원소들의 상이한 전기음성도들에 기인하는 쌍극자 효과들로 본질적으로 제한되는 비교적 약한 외부 전하를 나타낸다.
휘발성 산성 물질들을 이 휘발성 산성 물질들 각각에 대응하는 비-휘발성 염기성 물질들로 변환하는 것은 이 휘발성 산성 물질들의 생리화학 특성들이 크게 변하게 한다. 휘발성 산성 물질들을 이 휘발성 산성 물질들에 대응하는 비-휘발성 염기성 물질들로 변환하는 것은 위에서 언급된 바와 같이 산-염기 반응에 의하여 수행되며, 해리, 즉, 양성자들의 공여를 야기한다. 대응하는 비-휘발성 염기성 물질들은 양성자 또는 양성자들의 공여 때문에 사실상 이온성(ionic)이다. 대응하는 비-휘발성 염기성 물질들은 비교적 강한 외부 전하를 이제 나타낸다. 그러므로, 대응하는 비-휘발성 물질들은 더욱 강하게 수화될 수 있다. 대응하는 수화 공정들에 의해 대응하는 비-휘발성 염기성 물질들 주위에 형성되는 수화 껍질들은, 특히 이 비-휘발성 염기성 물질들의 대응하는 휘발성 산성 물질들과 비교하여 이들 물질들이 훨씬 덜 휘발성이 되게 한다.
그러므로, 개개의 휘발성 산성 물질들 또는 염기성 물질들을 각각 대응하는 비-휘발성 염기성 물질들 또는 산성 물질들로 변환하기 위해 수행될 개개의 산-염기 반응에 대한 제 1 공정 단계와 관련하여, 혼합물에 본래 함유된 휘발성 산성 물질들 또는 염기성 물질들의, 각각 대응하는 비-휘발성 염기성 물질들 또는 산성 물질들로의 가능한 한 완전한 변환을 달성하기 위하여, 적절한 반응 파트너(partner)들 및 적절한 공정 매개변수들, 즉, 특히, pH, 온도, 압력 등을 선택하는데 주의해야 한다.
방법의 제 2 단계에서, 비-휘발성 산성 물질(들) 또는 비-휘발성 염기성 물질(들)로부터 물이 분리된다. 일반적으로, 물과 비-휘발성 산성 또는 염기성 물질들을 함유하는 대응하는 혼합물로부터 물의 단일 또는 다단식 분리를 수행하는 것을 가능하게 하는 모든 공정은 물의 분리를 위해 사용될 수 있다. 바람직하게는, 비-휘발성 산성 물질(들) 또는 비-휘발성 염기성 물질(들)로부터 물의 분리는 열적으로 수행된다. 그러므로, 방법은 물과 적어도 하나의 휘발성 산성 물질 및/또는 적어도 하나의 휘발성 염기성 물질을 함유하는 혼합물로부터 물의 열적 분리를 위한 방법으로 지칭되거나 또는 간주될 수 있다. 기본적으로, 물론, 물로부터 비-휘발성 산성 물질(들) 또는 비-휘발성 염기성 물질(들)을 분리시키는 것이 또한 가능하다.
예컨대, 물의 분리와 관련하여, 적어도 하나의 비-휘발성 산성 물질 및/또는 적어도 하나의 비-휘발성 염기성 물질로부터 물의 분리가, 물이 기체 상태로 변환되는 적어도 하나의 증발 공정에 의하여 또는 물이 기체 상태로 변환되는 적어도 하나의 기화 공정에 의하여 이루어도록 하는 것이 가능하다. 그러므로, 개개의 비-휘발성 산성 또는 염기성 물질들로부터 물을 분리시키는 공정에서, 이제 상이한 생리화학 특성들, 즉, 특히 상이한 휘발도가 사용되며, 상기 특성들은, 적절한 공정 매개변수들, 특히 온도 및 압력을 선택함으로써, 비교적 휘발성의 물만을 기체 상태로 변환하고 그에 따라 비-휘발성 산성 또는 염기성 물질들로부터 물을 분리시키는 것을 가능하게 한다. 잔여 비-휘발성 산성 또는 염기성 물질들은 농축물 또는 농축물 흐름으로 농축될 수 있다.
물의 분리가 수행되는 온도 또는 압력 레벨(level)에 따라, 상기 분리는 (개개의 압력 레벨에서 물의 끓는점 위에서의) 적어도 하나의 증발 공정 또는 (개개의 압력 레벨에서 물의 끓는점 아래에서의) 적어도 하나의 기화 공정에 의하여 수행될 수 있다. 적어도 하나의 기화 공정에 의한 분리는 에너지의(energetic) 관점으로부터 특히 유리하고 효율적인 원리이다.
위에서 언급된 바와 같이, 물의 분리는 일반적으로 열적으로 수행되는데, 즉, 방법은 바람직하게는, 물과 적어도 하나의 휘발성 산성 물질 및/또는 적어도 하나의 휘발성 염기성 물질을 함유하는 혼합물로부터 물의 열적 분리를 위한 공정이다.
적어도 하나의 증발 공정에 의하여 또는 적어도 하나의 기화 공정에 의하여 기체 상태로 변환되는 물은 적어도 하나의 응결 공정에 의하여 추가로 재응결되며 따라서 다시 액체 상태로 변환될 수 있다. 대응하게, 적어도 하나의 증발 공정 또는 적어도 하나의 기화 공정은, 적어도 하나의 증발 단계 또는 적어도 하나의 기화 공정, 뿐만 아니라 기체 상태로 변환된 물이 (재)응결되는 적어도 하나의 응결 공정과 유사한 적어도 하나의 응결 단계를 포함하는 공정에서 이루어질 수 있다. 그러한 공정들은, 예컨대, MSF로 축약되는 "다단 플래시 증류(multistage flash distillation)" 또는 MED로서 축약되는 "다중효용 증류(multi-effect distillation)"와 같은 이름들로 알려져 있다. 그러나, 유체 혼합물에 함유된 물이 기화 공정들에 의해 이 유체 혼합물로부터 분리되고 후속하여 재응결되는 것에 따른 공정이 또한 알려져 있다.
적어도 하나의 휘발성 산성 물질을 대응하는 비-휘발성 염기성 물질로 변환하기 위한 개개의 산-염기 반응은 유리하게는, 휘발성 산성 물질의 pK 값을 초과하는 pH에서 수행된다. 유사하게, 적어도 하나의 휘발성 염기성 물질을 대응하는 비-휘발성 산성 물질로 변환하기 위한 개개의 산-염기 반응은 유리하게는, 휘발성 염기성 물질의 pK 값 미만의 pH에서 수행된다. 기본적으로, (본래) 혼합물의 pH는 이 (본래) 혼합물 안에 함유된 휘발성 산성 물질들 또는 휘발성 염기성 물질들이 해리 형태인지 또는 비해리 형태인지 여부를 결정한다. 그러므로, 혼합물의 pH는, 개개의 휘발성 산성 물질들 또는 개개의 휘발성 염기성 물질들이 각각 대응하는 비-휘발성 염기성 물질들 또는 비-휘발성 산성 물질들로 변환되는 개개의 산-염기 반응의 평형을, 개개의 비-휘발성 염기성 물질들 또는 산성 물질들의 방향으로 조절하거나 또는 시프팅(shifting)하기 위한 필수 매개변수를 구성한다.
그러므로, 혼합물은 바람직하게는, 개개의 산-염기 반응을 수행하기 위해, 즉, 적어도 하나의 추가 산성 물질 또는 산의 첨가 또는 도징(dosing)에 의해 그리고/또는 적어도 하나의 추가 염기성 물질 또는 염기를 첨가하거나 또는 도징(dosing)함으로써 산-염기 반응의 평형을 개개의 비-휘발성 염기성 물질들 또는 산성 물질들의 방향으로 시프팅하기 위해 요구되거나 또는 적절한 pH로 조절된다.
휘발성 산성 물질을 대응하는 비-휘발성 염기성 물질로 변환하기 위한 산-염기 반응의 pH를 휘발성 산성 물질의 pK 값을 초과하는 pH로 조절함으로써, 산-염기 반응의 평형은 이 휘발성 산성 물질에 대응하는 비-휘발성 염기성 물질의 방향으로 상당한 정도로 시프팅된다(shifted). 통상적으로, pH는 휘발성 산성 물질의 pK 값을 적어도 하나의 pH 단위만큼 초과하는 레벨로 조절되어야 한다. pH를 조절하는 것, 즉, 이 경우, 증가시키는 것은 통상적으로, 바람직하게는 수산화칼륨(potassium hydroxide) 또는 수산화나트륨(sodium hydroxide)과 같은 강한 염기들을 첨가함으로써 수행된다. 상이한 pK 값들을 갖는 휘발성 산성 물질들의 혼합물의 경우, pH가 최고 pK 값을 갖는 휘발성 산성 물질의 pK 값을 초과하도록 이 pH가 선택되어야 한다. 이러한 방식으로, 혼합물에 함유된 휘발성 산성 물질들 전부가 해리되고 그들 각각에 대응하는 비-휘발성 염기성 물질들에 따라 변환되는 것이 보장될 수 있다.
유사하게, 휘발성 염기성 물질을 대응하는 비-휘발성 산성 물질로 변환하기 위한 산-염기 반응의 pH를 휘발성 염기성 물질의 pK 값 미만의 레벨로 설정함으로써, 산-염기 반응의 평형은 대응하는 비-휘발성 산성 물질의 방향으로 크게 시프팅된다. 통상적으로, 이 경우, pH도 또한, 적어도 하나의 pH 단위만큼 휘발성 염기성 물질의 pK 값 미만의 레벨로 조절되어야 한다. pH를 조절하는 것, 즉, 이 경우, 증가시키는 것은 통상적으로, 바람직하게는 염산 또는 황산과 같은 강한 산들을 첨가함으로써 수행된다. 상이한 pK 값들을 갖는 휘발성 염기성 물질들의 혼합물의 경우, pH가 최저 pK 값을 갖는 휘발성 염기성 물질의 pK 값 미만이 되도록 이 pH가 선택되어야 한다. 이러한 방식으로, 혼합물에 함유된 휘발성 염기성 물질들 전부가 이 휘발성 염기성 물질들 각각에 대응하는 비-휘발성 산성 물질들로 변환되는 것이 보장될 수 있다.
여기서, 선택적으로 상이한 pK 값들을 갖는 복수의 휘발성 산성 또는 염기성 물질들의 혼합물을 인식할 수 있기 위하여, 바람직하게는 혼합물의 비례 화학 조성이 결정되어야 한다는 것이 언급되어야 한다. 예컨대, 이 목적을 위해, 분광 검사들, 특히, UV/VIS 분광 검사들이 혼합물에 대해 수행될 수 있다. 또한, 혼합물의 비례 화학 조성에 따른 특정 매개변수들, 이를테면, 전기 전도도를 결정하며, 선택적으로, 상기 매개변수들을 레퍼런스(reference) 값들과 비교함으로써 혼합물의 비례 화학 조성에 대한 결론들을 도출하는 것을 생각할 수 있다.
위로부터, 휘발성 산성 물질들의 각각 대응하는 비-휘발성 염기성 물질들로의 변환을 위한 원하는 산-염기 반응이 적어도 하나의 염기의 첨가에 의해 제어되거나 또는 레귤레이팅되어서(regulated), 이에 따라 혼합물의 pH가 증가될 수 있다는 것을 알 수 있다. 유사하게, 휘발성 염기성 물질들을 각각 대응하는 비-휘발성 산성 물질들로 변환하기 위한 원하는 산-염기 반응이 적어도 하나의 산의 첨가에 의해 제어되거나 또는 레귤레이팅되어서, 이에 따라 혼합물의 pH가 감소될 수 있다. 물론, 추가 공정 매개변수들, 즉, 특히, 온도 및 압력에 의하여 개개의 산-염기 반응 또는 이 산-염기 반응의 평형에 (추가적으로) 영향을 끼치는 것이 또한 가능하다.
유리하게는, 적어도 하나의 추가 산의 첨가 또는 도징, 및/또는 적어도 하나의 추가 염기의 첨가 또는 도징은 혼합물의 (본래) pH에 따라 수행된다. 그러므로, 혼합물의 본래 pH는 적절한 검사들에 의하여, 즉, 혼합물의 pH와 상관가능하거나 또는 상관되는 적어도 하나의 매개변수, 이를테면, 전기 전도도를 사용하여 직접적으로 또는 간접적으로 결정되어야 한다.
그러므로, 혼합물의 pH 및/또는 이 pH와 상관가능하거나 또는 상관되는 혼합물의 적어도 하나의 매개변수, 바람직하게는 전기 전도도를 바람직하게는 계속해서 결정하는 것이 유리하다. pH 및/또는 이 pH와 상관되는 적어도 하나의 매개변수의 결정은, 적어도 하나의 추가 산 및/또는 적어도 하나의 추가 염기의 첨가 이전에 그리고/또는 이후에 수행될 수 있다. 모든 경우들에서, 추가 산들 및/또는 염기들의 첨가의 조절 또는 제어는 혼합물의 pH를 수반하는 개개의 결정 결과에 따라 수행된다.
pH 또는 이 pH와 상관되는 매개변수가 추가 산들 또는 염기의 첨가 이전에만 또는 이후에만 결정된다면, 일반적으로, 혼합물을 원하는 pH로 조절하기 위해 추가 산들 또는 염기들의 어떤 비율 또는 어떤 추가 농도가 요구되는지가 결정될 수 있다. 추가 산들 또는 염기들의 첨가 이전에 그리고 이후에 pH 또는 이 pH와 상관되는 매개변수를 결정함으로써, 혼합물의 pH는 더욱 정밀한 방식으로 조절될 수 있는데, 그 이유는 추가 산(들) 또는 염기(들)의 첨가가 혼합물의 pH에 대해 실제로 어떤 효과를 가졌는지가 결정될 수 있어서, 상기 첨가를 비례적으로 또는 농도에 대하여 조절하거나 또는 적응시키는 것이 선택적으로 가능하기 때문이다.
첨가된 또는 첨가될 적어도 하나의 추가 산, 및/또는 첨가된 또는 첨가될 적어도 하나의 추가 염기는 과용량(excess dosage)으로 첨가될 수 있다.
이러한 방식으로, 산-염기 반응에서 변환되지 않은 휘발성 산성 또는 염기성 물질들을 순환 공정에 의하여 재활용하고, 후속하는 산-염기 반응에서, 대응하는 휘발성 산성 또는 염기성 물질들의, 그들의 대응하는 비-휘발성 염기성 또는 산성 물질들로의 변환을 위해 이 변환되지 않은 휘발성 산성 또는 염기성 물질들을 사용하는 것이 과용량에 의하여 선택적으로 가능하다. 게다가, 이 과용량은 또한, 혼합물의 특정 pH를 보장하는 것을 가능하게 하며, 이 특정 pH는, 위에서 언급된 바와 같이, 대응하는 휘발성 산성 또는 염기성 물질들의, 그들의 각각 대응하는 비-휘발성 염기성 또는 산성 물질들로의 원하는 변환을 위해 본질적으로 중요하다.
과용량으로부터 시작해, 농축물 흐름을 방류시키기 직전에, 여분의 산들 또는 염기들의 첨가를 중단시키는 것이 또한 가능하다. 농축물 흐름의 방류는, 개개의 산성 또는 염기성 물질들의 pK 값에서 한 단위만큼 초과하거나 또는 미만의 pH에서 수행될 수 있다. 방류 이후에, 추가 산들 또는 염기들이 다시 첨가되어 과용량 레벨이 회복될 수 있다. 휘발성 산성 또는 염기성 물질들의 각각 대응하는 비-휘발성 염기성 또는 산성 물질들로의 변환을 위한 개개의 산-염기 반응들의 프레임워크(framework) 내에서, 소금들이 형성될 수 있다. 대응하는 농축물 흐름에 통상적으로 함유되는 소금들은 다양한 방식들로 사용될 수 있다. 바람직하게는, 각각 대응하는 비-휘발성 물질이 소금으로서 형성되며 상기 소금을 사용하는, 적어도 하나의 바람직하게는 공업용의 삼차 공정에 공급되는 것이 제공된다. 이와 관련하여, 순수하게 예로서, 음식들로의 첨가를 위한 소금으로서 또는 상 변화 재료로서 공업적으로 또는 경제적으로 적용될 수 있는 수산화나트륨액을 이용한 아세트산(acetic acid)의 중화에서 형성되는 아세트산나트륨(sodium acetate)이 언급될 수 있다.
본 발명은 추가로, 설명된 방법을 수행하기 위한 디바이스(device)에 관한 것이다. 디바이스는, 산-염기 반응에 의하여 적어도 하나의 휘발성 산성 물질을 대응하거나 또는 공액인 비-휘발성 염기성 물질로 변환하고, 그리고/또는 산-염기 반응에 의하여 적어도 하나의 휘발성 염기성 물질을 대응하는 비-휘발성 산성 물질로 변환하기 위한 적어도 하나의 장치, 특히, 반응기, 및 적어도 하나의 비-휘발성 산성 물질 및/또는 적어도 하나의 비-휘발성 염기성 물질로부터 물을 분리시키기 위한 적어도 하나의 장치, 특히, 반응기를 포함한다. 전자 장치 및/또는 후자 장치는 물 처리 플랜트에 통합될 수 있다.
방법에 관한 모든 설명들은 디바이스에 유사하게 적용된다.
본 발명에 관한 추가 장점들, 특징들, 및 세부사항들은 아래에서 그리고 도면에 의하여 설명되는 실시예들로부터 도출될 수 있다. 도면은 하기를 도시한다:
도 1 및 도 2는 본 발명의 실시예에 따른, 물과 적어도 하나의 휘발성 산성 물질 및/또는 적어도 하나의 휘발성 염기성 물질을 함유하는 혼합물로부터 물을 분리시키기 위한 방법을 수행하기 위한 디바이스의 개략적 다이어그램(diagram)들이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른, 물과 적어도 하나의 휘발성 산성 물질, 통상적으로 산, 및/또는 적어도 하나의 휘발성 염기성 물질, 통상적으로 염기를 함유하는 혼합물로부터 물을 분리시키기 위한 방법을 수행하기 위한 디바이스(1)의 개략적 다이어그램이다.
이에 따라, 디바이스(1)에 의하여 수행될 수 있는 방법은 산들 또는 염기들을 함유하는 수성 혼합물들 또는 수용액들의 처리를 위해 사용된다. 산성 및 염기성 수성 혼합물들 둘 모두가 디바이스(1)에 의하여 준비될 수 있다.
특히, 혼합물은 산, 특히 과산화아세트산과 물을 본질적으로 함유하는, 예컨대 습식 무균 충전에서 생성되는 산성 수용액일 수 있거나, 또는 염기, 특히 암모니아와 물을 본질적으로 함유하는, 예컨대 수증기 생산에서 생성되며 보일러 급수로 지칭되는 염기성 수용액일 수 있다.
디바이스(1)는 산-염기 반응에 의하여 적어도 하나의 휘발성 산성 물질을 대응하거나 또는 공액인 비-휘발성 염기성 물질로 변환하거나 또는 적어도 하나의 휘발성 염기성 물질을 대응하는 비-휘발성 산성 물질로 변환하기 위한 장치(2) 또는 반응기를 포함한다. 디바이스(1)는 앞서 형성된 비-휘발성 산성 또는 염기성 물질들로부터 물을 분리시키기 위한 장치(3) 또는 반응기를 더 포함한다. 도 2와 관련하여 아래에서 추가로 알 수 있는 바와 같이, 적어도 장치(3)는 적어도 하나의 증발 단계 또는 적어도 하나의 기화 단계, 뿐만 아니라 적어도 하나의 응결 단계를 포함하는, 물의 처리를 위한 공정의 일부일 수 있다.
디바이스(1)를 이용할 수 있거나 또는 이 디바이스(1)를 이용하여 수행될 있는 방법이, 휘발성 산성 물질, 본 경우 과산화아세트산(CH3COOOH)과 물을 함유하는, 준비될 산성 수용액에 기반하여 먼저 설명될 것이다.
방법의 제 1 단계에서, 휘발성 산성 물질은 산-염기 반응에 의하여, 이 휘발성 산성 물질에 공액이거나 또는 대응하는 비-휘발성 염기성 물질로 변환된다. 휘발성 산성 물질은 혼합물에서 대체로 이 휘발성 산성 물질의 비해리 형태로 본래 존재한다. 과산화아세트산 분자들의 대다수는 산성 특성들의 양성자 또는 수소 양이온 특징을 아직 공여하지 않았다.
비해리 상태에서, 휘발성 산성 물질은 공유 성질을 갖는다. 휘발성 산성 물질은, 이 휘발성 산성 물질을 구성하는 화학 원소들의 상이한 전기음성도들에 기인하는 쌍극자 효과들로 본질적으로 제한되는 비교적 약한 외부 전하 또는 부분 전하를 나타낸다. 휘발성 산성 물질의 휘발도는 이것에 의해 본질적으로 결정된다.
휘발성 산성 물질의 대응하는 비-휘발성 염기성 물질로의 변환에 의해, 생리화학 특성들이 크게 변한다. 휘발성 산성 물질의 대응하는 비-휘발성 염기성 물질(CH3COOO-)로의 변환은 아래에 제시되는 산-염기 반응에 의하여 이루어지며, 휘발성 산성 물질의 해리, 즉, 양성자들의 공여를 유발한다:
Figure pct00002
휘발성 산성 물질에 대응하는 비-휘발성 염기성 물질(CH3COOO-)은 사실상 이온성이다. 이에 따라, 비-휘발성 염기성 물질은 비교적 강한 외부 전하를 이제 나타낸다. 그러므로, 비-휘발성 염기성 물질은 더욱 강하게 수화될 수 있다. 비-휘발성 염기성 물질 주위의 수화 공정들로 인해 형성되는 수화 껍질은, 특히 이 비-휘발성 염기성 물질의 대응하는 휘발성 산성 물질과 비교하여 이 비-휘발성 염기성 물질이 훨씬 덜 휘발성이 되게 한다.
준비될 염기성 수용액으로부터 그리고 그에 따라 휘발성 염기성 물질, 본 경우 암모니아(NH3)와 물을 함유하는 혼합물로부터 시작해, 휘발성 염기성 물질은 산-염기 반응에 의하여 공액이거나 또는 대응하는 비-휘발성 산성 물질로 유사하게 변환된다.
휘발성 염기성 물질은 혼합물에서 이 휘발성 염기성 물질의 비-양성자화 형태로 본래 존재한다. 암모니아 분자들의 대다수는 염기성 특성들의 양성자 수용 특징을 본래 경험하지 않았다.
비-양성자화 상태에서, 휘발성 염기성 물질은 공유 결합 특성들을 갖는다. 그러므로, 휘발성 염기성 물질은, 이 휘발성 염기성 물질을 구성하는 화학 원소들의 상이한 전기음성도들에 기인하는 쌍극자 효과들로 또한 본질적으로 제한되는 비교적 약한 전하 또는 부분 전하를 나타낸다. 이는 본질적으로, 휘발성 염기성 물질의 휘발도를 결정한다.
휘발성 염기성 물질의 대응하는 비-휘발성 산성 물질로의 변환에 의해, 생리화학 특성들이 크게 변한다. 휘발성 염기성 물질의 대응하는 비-휘발성 산성 물질(NH4 +)로의 변환은 아래에 제시되는 산-염기 반응에 의하여 이루어지며, 염기의 양성자화, 즉, 양성자들의 포착을 수반한다:
Figure pct00003
이 경우에도 또한, 휘발성 염기성 물질에 대응하는 비-휘발성 산성 물질(NH4 +)은 사실상 이온성이다. 이에 따라, 비-휘발성 산성 물질은 비교적 강한 외부 전하를 이제 나타낸다. 그러므로, 비-휘발성 산성 물질은 더욱 강하게 수화될 수 있다. 비-휘발성 산성 물질 주위에 수화 공정들로 인해 형성되는 수화 껍질은, 특히 이 비-휘발성 산성 물질의 대응하는 휘발성 염기성 물질(NH3)과 비교하여 이 비-휘발성 산성 물질이 훨씬 덜 휘발성이 되게 한다.
개개의 휘발성 산성 물질들 또는 염기성 물질들을 각각 대응하는 비-휘발성 염기성 물질들 또는 산성 물질들로 변환하기 위해 수행될 개개의 산-염기 반응에 대한 제 1 공정 단계와 관련하여, 혼합물에 본래 함유된 휘발성 산성 물질들 또는 염기성 물질들의, 각각 대응하는 비-휘발성 염기성 물질들 또는 산성 물질들로의 가능한 한 완전한 변환을 달성하기 위하여, 적절한 반응 파트너(partner)들 및 적절한 공정 매개변수들, 즉, 특히, pH, 온도, 압력 등을 선택하는데 주의해야 한다.
방법의 제 2 단계에서, 개개의 비-휘발성 산성 또는 염기성 물질로부터 물이 분리된다. 분리된 물은 장치(3)로부터 제품 흐름(PS)으로 방류되며, 비-휘발성 산성 또는 염기성 물질들은 농축물 흐름(KS)으로 방류된다. 일반적으로, 물과 비-휘발성 산성 또는 염기성 물질들을 함유하는 대응하는 혼합물로부터 물의 단일 또는 다단식 분리를 허용하는 모든 공정들은 물의 분리를 위해 사용될 수 있다. 혼합물로부터 물의 분리는 바람직하게는 열적으로 수행된다. 특정 공정이 도 2를 참조하여 더욱 상세히 아래에서 설명된다.
휘발성 산성 물질들을 대응하는 비-휘발성 염기성 물질들로 변환하기 위한 개개의 산-염기 반응은 휘발성 산성 물질들의 pK 값을 초과하는, 혼합물의 pH에서 수행된다. 유사하게, 휘발성 염기성 물질들을 대응하는 비-휘발성 산성 물질들로 변환하기 위한 개개의 산-염기 반응은 휘발성 염기성 물질들의 pK 값 미만의, 혼합물의 pH에서 수행된다. 그러므로, 혼합물은, 적어도 하나의 추가 산, 이를테면, 염산의 도징에 의해 또는 적어도 하나의 추가 염기, 이를테면, 수산화나트륨의 도징에 의해, 개개의 산-염기 반응을 수행하기 위해 요구되는 pH로 조절된다. 추가 산들 또는 염기들의 도징은 장치(2)로 이어지는 공급관(4)에 구성된 도징(dosing) 디바이스(5)에 의하여 수행된다.
혼합물의 pH를 조절함으로써, 산-염기 반응의 평형은 개개의 비-휘발성 산성 또는 염기성 물질들의 방향으로 시프팅될 수 있다. 통상적으로, 휘발성 산성 물질의 pK 값을 적어도 하나의 단위만큼 초과하는 pH에서 휘발성 산성 물질을 대응하는 비-휘발성 염기성 물질로 변환함으로써, pH가 조절된다. 이에 따라, 휘발성 염기성 물질의 대응하는 비-휘발성 산성 물질로의 변환시 pH는, 적어도 하나의 pH 단위만큼 휘발성 염기성 물질의 pK 값 미만의 레벨로 조절된다.
휘발성 과산화아세트산의 pK 값은 대략 8.2이며, 따라서 상기 과산화아세트산을 대응하는 비-휘발성 염기성 물질로 변환하기 위한 산-염기 반응은 적어도 9.2의 pH에서 수행되어야 한다. 위에서 언급된 바와 같이, 수산화나트륨과 같은 염기의 선택적 도징에 의해 pH가 조절, 즉, 이 경우 증가된다.
휘발성 암모니아의 pK 값은 대략 9.2이며, 따라서 상기 암모니아를 대응하는 비-휘발성 산성 물질로 변환하기 위한 산-염기 반응은 최대 8 pH에서 수행되어야 한다. 위에서 언급된 바와 같이, 염산과 같은 산의 선택적 도징에 의해 pH가 조절, 즉, 이 경우 감소된다.
혼합물이 선택적으로 상이한 pK 값을 갖는 복수의 휘발성 산성 또는 염기성 물질들을 함유하는 것이 가능하다. 이러한 이유로, 혼합물의 비례 화학 조성이 결정되어야 한다. 예컨대, 이 목적을 위해, 분광 검사들, 특히, UV/VIS 분광 검사들이 혼합물에 대해 수행될 수 있다. 혼합물의 비례 화학 조성에 따른 특정 매개변수들, 이를테면, 전기 전도도를 결정하며, 선택적으로, 상기 매개변수들을 레퍼런스(reference) 값들과 비교함으로써 혼합물의 비례 화학 조성에 대한 결론들을 도출하는 것이 또한 가능하다.
도징 디바이스(5)에 의한 추가 산들 또는 염기들의 가능한 도징은 바람직하게는 pH에 따라 수행되어야 한다. 이 경우, 적절한 pH 측정 디바이스들(6, 7)에 의하여, 즉, pH와 상관가능하거나 또는 상관되는 혼합물의 적어도 하나의 매개변수, 이를테면, 전기 전도도를 사용하여, 혼합물의 pH는 통상적으로 연속적인 방식으로 직접적으로 또는 간접적으로 결정된다.
도 1에서 알 수 있는 바와 같이, 제 1 pH 측정 디바이스(6)는 도징 디바이스(5)의 업스트림(upstream)에 구성된다. 제 2 pH 측정 디바이스(7)는 도징 디바이스(5)의 다운스트림(downstream)에 구성된다. 이에 따라, 혼합물의 pH는 추가 산들 또는 추가 염기들의 도징 이전에 그리고 이후에 결정될 수 있다. 도징은 pH 측정 디바이스(6, 7) 및 도징 디바이스(5)와 연관된 제어 유닛(8)에 의하여 정밀하게 제어되거나 또는 레귤레이팅될(regulated) 수 있다.
첨가될 추가 산들 또는 염기들은 과용량으로 첨가될 수 있다. 변환되지 않은 휘발성 산성 또는 염기성 물질들이 예컨대 순환 공정에서 후속하는 산-염기 반응에 대해 재활용되고, 대응하는 휘발성 산성 또는 염기성 물질들의 변환을 위해 사용될 수 있다는 점에서, 과용량은 특히 유리하다. 게다가, 이 과용량은 혼합물의 특정 pH를 보장하는 것을 또한 가능하게 하며, 이 특정 pH는, 휘발성 산성 또는 염기성 물질들의, 그들의 각각 대응하는 비-휘발성 염기성 또는 산성 물질들로의 원하는 변환을 위해 본질적으로 중요하다.
과용량에 기반하여, 농축물 흐름을 방류시키기 직전에, 추가 산들 또는 염기들의 공급을 중지하는 것이 또한 가능하다. 농축물 흐름의 방류는, 개개의 산성 또는 염기성 물질들의 pK 값을 한 단위만큼 초과하거나 또는 미만의 pH에서 수행될 수 있다. 방류 이후에, 추가 산들 또는 염기들의 공급은 재개되고, 과용량이 회복될 수 있다.
농축물 흐름(KS)에 함유되는, 개개의 산-염기 반응들에서 형성된 반응 소금들은 상기 소금들을 사용하는, 바람직하게는 공업용의 삼차 공정에 공급될 수 있다.
제 2 공정 단계에 따라 물을 분리시키기 위한 특수 공정이 도 2를 참조하여 아래에서 간단히 논의될 것이다. 공정은 응결 디바이스(9)에서 수행되는 응결 단계 및 이 응결 디바이스(9)에 병렬로 구성된 기화 디바이스(10)에서 수행되는 기화 공정을 포함한다.
비-휘발성 산성 또는 염기성 물질들로부터 분리될 물(미가공 물)은 공정에서 구현된 디바이스(1)로부터 응결 디바이스(9)를 통해 피딩되며(fed), 이 응결 디바이스(9)에서, 물은 그곳에서 지배적인 조건들 하에서 이루어지는 응결 동안에 열을 흡수하며, 그에 따라 냉각 매체로서의 역할을 한다.
가열된 물은 이후, 외부 열원(11), 통상적으로 열 교환기에 의해 추가로 가열되며, 이 외부 열원(11)에 의하여, 공업 공정들로부터의 폐열이 물에 전달되고 위로부터 기화 디바이스(10)에 피딩될 수 있다. 기화 디바이스(10)에서, 물은 적절한 기화 재료 위를 통과한다.
기화 디바이스(10)에서 다운스트림으로 흐르는 물의 온도는 최상부(head)로부터 최하부(foot)까지 감소하는데, 그 이유는 반대 방향으로 흐르는 공기로의 열 전달 및 기화에 의해 열이 물로부터 회수되기 때문이다. 이에 따라, 반대 방향으로 흐르는 공기의 온도는 기화 디바이스(10)의 최하부로부터 최상부까지 증가한다. 그러나, 정적 조건들 하의 안정된 동작에서, 공기의 온도는 기화 디바이스(10)의 동일한 영역에서 항상 물 온도 미만으로 유지된다. 그러므로, 떨어지는 물로부터, 떠오르는 공기로의 열 전달이 기화 디바이스(10)에서 이루어진다. 공기의 온도가 증가하기 때문에, 이 공기는 더 많은 수증기를 차지할 수 있다. 그러므로, 물과 공기는 향류 열 교환기를 구성한다.
기화 디바이스(10)를 통과한 이후에, 농축수는 냉각되고, 저장 탱크(tank)(도시되지 않음)에 공급된다. 또한, 그러한 저장 탱크의 다운스트림에서 냉각이 수행될 수 있다. 그러한 저장 탱크에서 pH가 조절될 수 있다. 과도하게 높은 농도를 방지하기 위하여, 농축수의 일부가 신선한 미가공 물로 교체될 수 있다.
무손실의 경우, 냉각에 의해 소산되는 열 출력은 공급된 열 에너지(energy)에서 디믹싱(demixing)에 요구되는 에너지를 뺀 것과 동일하다(엔트로피(entropy)의 변화). 에너지 관점으로부터, 이 공정은 특히 효율적이다.
본 발명이 바람직한 실시예에 기반하여 예시되고 더욱 상세히 설명되었지만, 본 발명은 개시된 예들에 의해 결코 제한되지 않으며, 본 발명의 보호 범위로부터 벗어나지 않고, 기술분야의 당업자에 의해 다른 변형들이 도출될 수 있다.

Claims (14)

  1. 물과 적어도 하나의 휘발성 산성 물질 및/또는 적어도 하나의 휘발성 염기성 물질을 함유하는 혼합물로부터 물을 분리시키기 위한 방법으로서,
    산-염기 반응에 의하여 상기 적어도 하나의 휘발성 산성 물질을 대응하는 비-휘발성 염기성 물질로 변환하고, 그리고/또는 상기 적어도 하나의 염기성 물질을 대응하는 비-휘발성 산성 물질로 변환하는 단계, 및
    상기 적어도 하나의 비-휘발성 산성 물질 및/또는 상기 적어도 하나의 비-휘발성 염기성 물질로부터 상기 물을 분리시키는 단계
    를 포함하는,
    물과 적어도 하나의 휘발성 산성 물질 및/또는 적어도 하나의 휘발성 염기성 물질을 함유하는 혼합물로부터 물을 분리시키기 위한 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 비-휘발성 산성 물질 및/또는 상기 적어도 하나의 비-휘발성 염기성 물질로부터 상기 물의 분리는 열적으로 수행되는,
    물과 적어도 하나의 휘발성 산성 물질 및/또는 적어도 하나의 휘발성 염기성 물질을 함유하는 혼합물로부터 물을 분리시키기 위한 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 비-휘발성 산성 물질 및/또는 상기 적어도 하나의 비-휘발성 염기성 물질로부터 상기 물의 분리는, 상기 물이 기체 상태로 변환되는 적어도 하나의 증발(evaporation) 공정에 의하여 또는 상기 물이 기체 상태로 변환되는 적어도 하나의 기화(vaporization) 공정에 의하여 이루어지는,
    물과 적어도 하나의 휘발성 산성 물질 및/또는 적어도 하나의 휘발성 염기성 물질을 함유하는 혼합물로부터 물을 분리시키기 위한 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 증발 공정 또는 상기 기화 공정에 의하여 기체 상태로 변환된 상기 물은 적어도 하나의 응결 공정에 의하여 액체 상태로 재변환되는,
    물과 적어도 하나의 휘발성 산성 물질 및/또는 적어도 하나의 휘발성 염기성 물질을 함유하는 혼합물로부터 물을 분리시키기 위한 방법.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    특정 압력, 특히 대기압 및 특정 온도, 특히 25℃의 온도에 기반하여, 물의 끓는점 범위 내의 끓는점 및/또는 물의 증기압 범위 내의 증기압을 갖는 적어도 하나의 휘발성 산성 물질 및/또는 적어도 하나의 휘발성 염기성 물질이 사용되는,
    물과 적어도 하나의 휘발성 산성 물질 및/또는 적어도 하나의 휘발성 염기성 물질을 함유하는 혼합물로부터 물을 분리시키기 위한 방법.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 휘발성 산성 물질을 상기 대응하는 비-휘발성 염기성 물질로 변환하기 위한 상기 산-염기 반응은 상기 휘발성 산성 물질의 pK 값을 초과하는 pH에서 수행되고, 그리고/또는
    상기 적어도 하나의 휘발성 염기성 물질을 상기 대응하는 비-휘발성 산성 물질로 변환하기 위한 상기 산-염기 반응은 상기 휘발성 염기성 물질의 pK 값 미만의 pH에서 수행되는,
    물과 적어도 하나의 휘발성 산성 물질 및/또는 적어도 하나의 휘발성 염기성 물질을 함유하는 혼합물로부터 물을 분리시키기 위한 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 혼합물은, 적어도 하나의 추가 산성 물질의 첨가 및/또는 적어도 하나의 추가 염기성 물질의 첨가에 의해, 개개의 산-염기 반응을 수행하기 위해 요구되는 pH로 조절되는,
    물과 적어도 하나의 휘발성 산성 물질 및/또는 적어도 하나의 휘발성 염기성 물질을 함유하는 혼합물로부터 물을 분리시키기 위한 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 추가 산성 물질의 첨가 및/또는 상기 적어도 하나의 추가 염기성 물질의 첨가는 상기 혼합물의 pH에 따라 수행되는,
    물과 적어도 하나의 휘발성 산성 물질 및/또는 적어도 하나의 휘발성 염기성 물질을 함유하는 혼합물로부터 물을 분리시키기 위한 방법.
  9. 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서,
    상기 혼합물의 pH 및/또는 상기 pH와 상관된 상기 혼합물의 적어도 하나의 매개변수, 특히, 전기 전도도는 상기 적어도 하나의 추가 산성 물질 및/또는 상기 적어도 하나의 추가 염기성 물질의 첨가 이전에 그리고/또는 이후에 결정되는,
    물과 적어도 하나의 휘발성 산성 물질 및/또는 적어도 하나의 휘발성 염기성 물질을 함유하는 혼합물로부터 물을 분리시키기 위한 방법.
  10. 제 7 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    첨가될 상기 적어도 하나의 추가 산성 물질 및/또는 첨가될 상기 적어도 하나의 추가 염기성 물질은 과용량(excess dosage)으로 첨가되는,
    물과 적어도 하나의 휘발성 산성 물질 및/또는 적어도 하나의 휘발성 염기성 물질을 함유하는 혼합물로부터 물을 분리시키기 위한 방법.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    소금 형태의 각각 대응하는 비-휘발성 물질이 형성되고, 상기 소금을 사용하는 적어도 하나의 특히 공업용의 삼차 공정에 공급되는,
    물과 적어도 하나의 휘발성 산성 물질 및/또는 적어도 하나의 휘발성 염기성 물질을 함유하는 혼합물로부터 물을 분리시키기 위한 방법.
  12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 혼합물의 비례 조성(proportional composition)이 결정되는,
    물과 적어도 하나의 휘발성 산성 물질 및/또는 적어도 하나의 휘발성 염기성 물질을 함유하는 혼합물로부터 물을 분리시키기 위한 방법.
  13. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    휘발성 산성 물질로서 과산화아세트산(peracetic acid)이 사용되고, 휘발성 염기성 물질로서 암모니아(ammonia)가 사용되는,
    물과 적어도 하나의 휘발성 산성 물질 및/또는 적어도 하나의 휘발성 염기성 물질을 함유하는 혼합물로부터 물을 분리시키기 위한 방법.
  14. 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 따른 방법을 수행하기 위한 디바이스(device)(1)로서,
    산-염기 반응에 의하여 적어도 하나의 휘발성 산성 물질을 대응하는 비-휘발성 염기성 물질로 변환하고, 그리고/또는 산-염기 반응에 의하여 적어도 하나의 휘발성 염기성 물질을 대응하는 비-휘발성 산성 물질로 변환하기 위한 적어도 하나의 장치(2), 특히, 반응기, 및
    상기 적어도 하나의 비-휘발성 산성 물질 및/또는 상기 적어도 하나의 비-휘발성 염기성 물질로부터 상기 물을 분리시키기 위한 적어도 하나의 장치(3), 특히, 반응기
    를 포함하는,
    디바이스(1).
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