KR20170137816A - 혼상 수지의 재생 - Google Patents

Abstract

이온-교환 분리 시스템 내에서, 단일 재생 칼럼은 매우 낮은 수준의 상호-오염으로, 음이온 및 양이온 수지의 분리 및 양이온 및 음이온 수지 둘 다의 재생을 제공한다. 재생 후 상기 칼럼 내 대부분의 상기 음이온 층은 인출되고, 대부분의 상기 양이온 층은 인출되지만, 상기 층 사이의 계면에 인접한 각각의 층의 일부분은 상기 칼럼 내에 잔존하여, 재생된 수지로부터 이들 상호-오염된 부분을 분리한다. 인출된, 재생된 음이온 및 양이온 수지는 다시 작동 용기 내로 배치된다.

Description

혼상 수지의 재생

본 발명은 혼상 분리기를 사용하는 물 처리에 관한 것이다. 특히 본 발명은 최소 상호-오염으로 혼상 분리기 내 양이온 및 음이온 수지의 재생에 관한 것이다.

이온-교환 수지는 상이한 분리, 정제 및 오염제거 공정에서 널리 사용된다. 통상의 예시는 물 연화 및 물 정제이다. 상기 수지는 오염물질을 제거하기 위한 이온 교환을 위해 물이 통과되는 작동 용기 내에서 음이온 수지 및 양이온 수지 둘 다를 함유하는 혼상(mixed bed)으로 종종 사용된다. 이온-교환 수지의 사용은 종종 천연 또는 인공 제올라이트 사용에 대한 대안이다.

상기 수지는 통상 적절한 유기 중합체 가령 폴리스티렌 설포네이트로부터 제조된, 작은 비드 (대략 0.5 내지 1 mm 직경)의 형태로 불용성 매트릭스 또는 지지체 구조를 형성한다. 통상 상기 수지 비드는 높은 표면적을 제공하도록 다공성이다. 비드 표면 상 이온의 트래핑은 이온 수지 상에 의해 수행된 이온 교환 공정에서 다른 이온의 동시 방출과 함께 발생한다.

이온 교환에서 사용된 음이온 수지는 음으로 대전되고, 음이온을 끌도록 강하게 또는 약하게 염기성이다. 양이온 수지는 양으로 대전되고 양이온을 끌도록 강하게 또는 약하게 산성이다.

이온 교환 공정에서 상기 수지 비드는 포화되기 때문에 주기적으로 재생되어야만 한다. 음이온 수지의 재생은 대표적으로 강염기성 용액, 가령 수성 소듐 히드록사이드으로 상기 수지 비드의 처리를 수반한다. 양이온 수지의 재생은 강산성 용액, 가령 염산 또는 황산으로 대표적으로 행해진다. 재생 동안 재생제 용액은 상기 수지 비드를 통해 통과되고 트래핑된 이온은 재생제 화학물질과 조합, 그에 의한 수지의 교환 용량의 재생에 의해, 방출된다.

혼상 수지는 작동 용기 내에서 상호혼합된 양이온 및 음이온 수지 둘 다를 포함한다. 재생이 필요할 때, 상기 양이온 수지 비드는 음이온 수지 비드로부터 분리되어야 하고, 이후 각각은 각각의 산성 재생제 또는 알칼리성 화학물질로 별도로 재생된다. 혼상 재생에 대한 공지의 공정은 혼상 수지를 작동 용기로부터, 특수 전용 분리 칼럼, 예를 들면 약 2 미터의 혼합된 수지상을 함유하도록 약 4 미터의 실린더 높이 (100% 자유 공간)를 가질 수 있는, 비교적 작은 직경의 키 큰 칼럼으로 수송하는 것을 포함하였다. 이 칼럼 내에서, 혼합된 매체의 상을 통해 위쪽으로, 물의 역류는 덜 조밀한 음이온 수지 비드가 양이온 수지 비드 위로 올라가고, 따라서 양이온 층과 분리되고 위쪽의 음이온 층을 형성하는 것을 야기한다.

양이온 및 음이온 수지의 재생은 이후 본 발명 이전의 몇 가지 상이한 공정에 의해 달성되었다. 하나의 공정에서 음이온 및 양이온 층은 알칼리성 용액을 음이온 층을 통해 아래쪽으로 통과시키고 동시에 산 용액을 상기 양이온 층을 통해 위쪽으로 유도시키면서 동시에 재생되었다. 각각의 이온 수지 층의 재생으로부터 소비된 두 재생제 화학물질은 모두 상기 두 층 사이의 계면 수준에서 하나 이상의 출구 포트를 통해 칼럼으로부터 유도시켰다. 음이온 및 양이온 수지를 이후 헹구고 상기 수지가 작동 용기로 복귀함에 따라 다시 혼합된다. 이 방법의 사용은 양이온 및 음이온 수지 층 사이의 계면 또는 분리 평면 위 및 아래에 있는 수지의 상당한 상호-오염 영역을 유발하였다. 상기 상호-오염은 혼상 수지가 작동 용기 내에서 오염물질을 제거함에 있어서 덜 효과적이도록 만들었다.

또다른 이전 방법은 위에서 논의된 바와 같이 물 역류를 사용하여 하나의 칼럼 내에서 음이온 및 양이온 수지를 분리하였지만, 이후 상기 두 층은 두 개의 상이한 칼럼으로 별도로 옮기고, 매우 적은 상호- 오염 (보통 약 0.2% 이하)으로 양이온 및 음이온 수지를 별도로 재생시켰다. 양이온 및 음이온 층의 인출과 함께 계면에 있는 혼합 존 및 이와 인접한 혼합 존을 분리 칼럼 내에 의도적으로 방치하였다. 혼합 존은 대표적으로 높이로 약 20 내지 30 cm 영역을 포함하였다. 일단 양이온 및 음이온 수지를 별도로 재생시키면, 이들을 혼합하고 및/또는 작동 용기로 다시 수송하였다.

상기한 3-칼럼 시스템의 변형에서, 2-칼럼 시스템이 또한 사용되었고, 여기서 음이온 수지 층은 제 2 칼럼 내로 재생 이전에 제거되고, 이후 제 2 칼럼 내에서 재생되고, 양이온 층은 분리 칼럼 내에 잔존하고 그 칼럼 내에서 재생되었다. 별도의 재생 후 상기 두 수지는 제 2 칼럼 내에서 혼합되고 이후 다시 작동 용기로 수송되었다. 다시, 상호-오염된 층은 분리 칼럼 내에 방치되었다.

특허 번호 4,191,644는 상기와 유사한 공정을 기술한다. 음이온 및 양이온 수지의 단일-칼럼 재생은 비효율적이고, 작동 용기 내로 복귀될 때 수지상 내에 대략 10% 상호-오염이 잔존한다. 2 또는 3개의 별도의 칼럼을 수반하는 재생은 깨끗하게 재생된 수지의 제조에 훨씬 더 효과적이지만 상당히 비싸다. 단지 단일 칼럼을 사용하는 효율적 재생을 달성하는 공정을 사용하는 것이 바람직하다.

본 발명의 요약

본 발명은 상기한 더욱 복잡하고 비싼 2-칼럼 및 3-칼럼 시스템의 수준 특성과 필적하는, 매우 낮은 상호-오염 수준을 가지는, 양이온 및 음이온 수지 둘 다의 분리 및 재생을 위한 단일 칼럼을 사용한다.

본 발명의 공정에서, 상기 혼상 수지는 단일 분리/재생 칼럼으로 옮겨진다. 그 칼럼에서, 상기 혼상 수지는 역류 (업플로우) 물을 사용하는 우선 분리되어, 상을 2 웰 층화 양이온 및 음이온 층으로 분리한다. 재생 산, 가령 HCl이, 양이온 층을 통해 분포되고, 염기, 가령 NaOH는 상기 음이온 층을 통해 분포된다. 소비된 산성 및 염기성 재생 액체는 상기 두 층 사이의 계면에서 수집되고 칼럼으로부터 제거된다. 바람직하게는 물 헹굼 단계가 이후 사용되고, 음이온 층을 통해 아래로 및 양이온 층을 통해 위로 유도될 수 있다.

다음, 그 층의 대부분인 웰 재생된 상단 음이온 층은 다시 작동 용기로 옮겨지고, 웰 재생된 바닥 양이온 층은 다시 작동 용기로 수송된다. 상기 두 층은 작동 용기 내에서 혼합된다.

중요하게는, 칼럼으로부터의 중간 존은 칼럼 내에 방치된다. 이 중간 존은 음이온 층의 바닥 컷 및 대략 서로 15 내지 20 cm인 양이온 층의 인접한 상단 컷을 포함하는데, 이 부분은 상당한 상호-오염, 따라서 덜 재생된 수지를 포함한다. 이는 계면 위로 15 내지 20 cm 위치로부터의 음이온 층을 인출하고, 이후 중간, 상호-오염된 존인 수지의 소정의 깊이가 잔존할 때까지, 바닥으로부터 양이온 층을 인출함에 의해 달성된다.

오염된 중간 층 또는 존은 단순히 칼럼 내에 잔존하고, 혼합된 수지의 또다른 배치가 재생용 칼럼에 도입된 때, 공정을 반복하여, 일관된 부피의 재생된 혼합된 수지가 각각의 재생 절차로 작동 용기에 복귀된다.

본 발명의 주요 목적은 2 또는 3개의 별도의 칼럼을 수반하는 더욱 복잡한 공정의 장점을 달성하면서도, 단일 칼럼 내에서 혼상 이온 교환 수지를 분리 및 재생하는 것이다. 본 발명의 이들 및 다른 목적, 장점 및 특징은 첨부 도면과 함께 고려되는, 다음 바람직한 구체예의 기술로부터 명백할 것이다.

도 1은 작동 용기로부터 분리/재생 칼럼으로의 혼상 수지의 수송을 나타내는 모식도이다.
도 2는 별개의 층인, 음이온 수지 층 및 양이온 수지 층으로 분리되는 수지를 나타내는 모식도이다.
도 3는 칼럼 내로 도입되고 층 사이의 계면 수준으로부터 인출된 재생 화학물질을 나타내는 모식적 정면도이다.
도 4는 재생된 음이온 및 양이온 층을 통해 순환되는 헹굼물을 나타내는 유사한 모식도이다.
도 5는 음이온 층의 웰 재생된 주요 부분의 인출을 나타내고, 음이온 수지 층의 바닥으로부터의 잔류 층을 나타내는 유사한 모식도이다.
도 6는 칼럼으로부터 인출된 양이온 층의 주요 부분을 나타내고 음이온 층의 바닥 부분과 함께 양이온 층의 잔류 상단 부분을 나타내는 유사한 도면이고, 이들 두 층은 상당한 상호-오염을 갖는 중간 존이다.

바람직한 구체예의 기술

도면에서, 도 1는 이온 교환 물 처리를 위한 작동 용기 (10)를 나타낸다. 화살표 (12)는 혼상 이온 교환 수지 (14)의 수송을 나타내고, 이는 분리/재생 칼럼 (16) 내로 이온 교환 기간 후 본질적으로 포화된다. 본 발명에서 이 재생 칼럼 (16)은 음이온 및 양이온 수지의 분리 및 재생을 위한 유일한 칼럼이다. 상기한 바와 같이, 이온 수지 (14)는 대표적으로 매우 작은 중합체 비드이고, 기술적으로 0.5 mm 내지 1 mm 직경이다. 이 점에서 수지상 (14)은, 더 이상 완전히 효과적이지 않고 재생되어야만 하는 정도까지 작동 용기 내에서 오염물질을 제거하기 위해 교환된 이온을 가진다.

도 1은 또한 미리 결정된 계면 수준 (18)을 나타내는데, 이는 도입되는 수지 (14)의 공지의 부피로부터, 양이온 층 및 음이온 층이 분리된 후, 양이온 층 및 음이온 층 사이의 계면의 수준일 것이다. 이 수준에서 이후의 재생 및 헹굼 단계 동안 활성인, 액체에 대한 인출(draw-off)이 있다. 또한 추가로 아래에 설명된 바와 같이, 이전의 수지 배치 재생 절차로부터의 중간 잔류 층의 수준을 나타내는 점선 (20)이 보인다.

도 2는 분리를 야기하는 역류 이후, 두 개의 분리된 층, 양이온 수지 층 (24) 위의 음이온 수지 층 (22)을 나타내는 분리/재생 칼럼 (16)을 나타낸다. 화살표 (26)는 도 1에 나타낸 바와 같이 수지의 도입 후 상기 혼합된 수지를 통해 위로 유도된 역류 액체 (바람직하게는 물)를 나타낸다. 음이온 수지 비드는 양이온 수지 비드보다 덜 조밀하고, 따라서 업플루우 역류 물은 상기 수지 비드를 두 개의 별개의 층으로 분리한다. 상기 도면에 나타낸 바와 같이, 두 층 사이의 계면이 공지의 미리 결정된 계면 수준 (18)에서 발생한다. 역류 물은 오버플로우 (27)를 통해 칼럼 (16)을 빠져나간다. 칼럼 (16)은 상기 두 층보다 상당히 더 큰 높이임에 유의하라. 보통 상기 높이는 상기 층의 높이의 약 두 배이다. 예시로서, 상기 층 (22 및 24)은 약 4 미터의 전체 원통형 칼럼 높이의 약 2 미터를 차지할 수 있다.

도 3은 모식적으로 동시에 음이온 층 수지 및 양이온 층 수지의 재생을 나타낸다. 알칼리성 용액, 가령 소듐 히드록사이드는, 화살표 (28)에 의해 나타낸 바와 같이, 위로부터, 음이온 층 내로 아래로 도입된다. 동시에 (또는 아래 설명된 바와 같이 별도의 단계로서), 산성 용액, 가령 염산은, 화살표 (30)에 의해 나타낸 바와 같이 업플루우 재생제로서 도입된다. 상기 두 재생제 액체는 계면 (18)에서 만나고, 이들 소비된 화학물질은 방출 화살표 (32)에 의해 나타낸 바와 같이, 그 수준으로부터 방출된다. 이는 탱크 주변 주위의 하나 또는 몇 개의 포트를 통할 수 있다. 비록 일부 염기 용액은 양이온 층 내로 단거리를 투과하고, 작은 양의 산성 용액은 음이온 층 내로 약간 투과할 수는 있지만, 동시의 산성 재생제 업플루우 및 염기성 재생제 다운플로우는 거의 모든 소비된 재생제 액체가 출구 수준 (18)에서 빠져나가는 것을 야기한다. 널리 공지된 바와 같이, 알칼리성 재생제는 오염물질의 음으로 대전된 이온을 제거하여 음이온 수지를 재생하고, 산성 용액은 양이온 층의 양으로 대전된 이온을 제거하여 양이온 수지를 재생한다.

재생은 두 개의 연속적 단계로 또한 행해질 수 있는데 여기서 단지 하나의 화학물질이 하나의 수지 층 (음이온 층을 통해 부식성 또는 양이온 층을 통해 산)를 통해 도입되고, 반면 물은 계면 수준에서 상호-오염을 방지하기 위한 다른 층을 통해 도입된다.

도 4는 헹굼 단계를 나타내고 이에 의해 헹굼물은 화살표 (28및 30)에 의해 나타낸 바와 같이, 재생제처럼 동일한 경로를 통해 유도된다. 이는 화살표 (32)에서 나타낸 바와 같이, 계면에서 칼럼을 빠져나가는, 잔류하는 소비된 화학물질을 제거한다.

도 5는 화살표 (34) 에서 나타낸 바와 같이, 칼럼으로부터 대부분의 음이온 수지 층의 제거를 나타낸다. 화살표 (35)에 의해 나타낸 바와 같이 탱크 내에서 아래쪽으로 흐르는 수송 물에 의해 인출이 보조된다. 음이온 수지의 인출은 탱크 내에서 뒤의 음이온 수지 층의 선택된 작은 부분 (39)을 남기도록, 미리 결정된 수준 (38) (다중 출구 포트를 통해)으로부터이다. 이는 예를 들면, 계면 바로 위로 대략 15 내지 20 cm 깊이일 수 있고, 이 부분 (39)은 부분적으로는 재생 효과의 일부를 무효화하도록 계면 위에서 교차할 수 있는 반대의 화학물질 재생제로부터, 또한 이 영역을 오염시키는 일부 양이온 수지로부터 상당한 상호-오염을 가진다. 출구 포트의 시리즈로부터의 인출 도관은 미리 선택된 수준 (38)에 위치하고; 이 도관은 도시되지는 않았지만 인출 화살표 (34)에 의해 나타내어져 있다. 도 5는 또한 화살표 (40)로, 유동화 물이 칼럼의 바닥으로부터 위쪽으로 흐르는 것을 나타낸다. 이 업플로우는, 수송 물 (35)의 속도보다 낮은 속도이고, 34에서처럼 탱크로부터 매체를 수송하는 것을 돕기 위해 이동화되는 음이온 수지 매체를 유지한다. 양이온 수지 층 (24)은 제자리에 잔존한다.

다음, 도 6에 나타낸 바와 같이 양이온 수지 층의 주요 부분이 제거된다. 이 층은, 대표적으로 탱크의 바닥 판 위로 약 5 cm (이는 수송 동안 양이온 수지의 우수한 유동화를 허용한다)인, 42에서 나타낸 수준에서 탱크의 바닥으로부터 제거된다. 양이온 수지 매체는 그 수준에서 다중 출구 포트를 통해, 화살표 (44) 나타낸 바와 같이 (도관을 통한 수송을 나타냄) 탱크로부터 수송된다. 인출은 탱크 내에서 위쪽으로 흐르는, 화살표 (40)에 의해 나타낸 바와 같은 수송 물에 의해 보조된다. 압축 물은 낮은 속도에서 35에서 아래쪽으로 흐르는 것으로 나타났고, 양이온 층의 제거를 돕는다. 양이온 층의 인출이 측정되고, 잔류 층 (46), 주로 양이온 층 (24)의 상단으로부터의 양이온 수지 매체가 소정의 잔류하는 깊이에 있는 포인트에서 중단된다. 잔류 음이온 층 (39)과 함께, 이 잔류하는 양이온 층 (46)은 바람직하게는 약 15 내지 20 cm 깊이이다. 상기 층은 상당한 상호-오염을 가지고 따라서 상호-오염된 음이온 층 (39)과 함께 칼럼 내에 방치된다. 상기 두 층 (39 및 46)은, 함께 중간 존으로 불릴 수 있고, 도 1에 나타낸 수준 (20)에 도달하여, 분리 및 재생될 혼합된 수지의 다음 배치와 혼합된다.

본 발명은 따라서 단지 단일 탱크를 사용하여 혼합된 이온 교환 수지용2-칼럼 또는 3-칼럼 분리/재생 시스템의 장점을 달성한다. 본 발명은 종래의 재생 시스템보다 덜 복잡하고 덜 비싸다.

상기한 바람직한 구체예는 본 발명의 원리를 예시하는 의도이지만, 그 범위를 제한하는 의도가 아니다. 다른 구체예 및 이들 바람직한 구체예에 대한 변형은 본업계에서의 숙련가에게 명백하고 본 발명의 사상 및 범위로부터 벗어남 없이 행해질 수 있다.

Claims (9)

1. 양이온 및 음이온 수지를 가지는 혼상 분리기를 사용하는 이온 교환 물 처리 시스템에서, 최소 상호-오염으로 양이온 및 음이온 수지를 재생하는 방법, 이 방법은 다음을 포함함:
   상기 혼합된 수지를 작동 용기로부터 분리/재생 칼럼으로 수송하는 것,
   양이온 수지로부터의 역류 물의 업플루우를 사용하여 상기 음이온 수지를 분리하고, 따라서 상기 상을 2 웰 층화 양이온 및 음이온 층으로 상기 음이온 층을 위로 하여 분할하는 것,
   본질적으로 상기 음이온 및 양이온 층 사이의 계면에서 상기 칼럼으로부터 재생 산 및 알칼리성 액체를 인출하면서, 상기 음이온 층을 통해 아래로 재생 알칼리성 액체를 흘림에 의해 상기 음이온 수지 층을 재생하고, 상기 양이온 수지 층을 통해 위로 재생 산 액체를 흘림에 의해 상기 양이온 수지 층을 재생하는 것,
   각각의 재생된 층을 물로 헹구는 것,
   상기 양이온 수지 층의 상단 상에, 상기 칼럼 내에 잔류하는 상기 음이온 수지 층의 작은 바닥 부분을 남기면서, 상기 칼럼으로부터 본질적으로 모든 상기 음이온 수지 층을 인출하는 것,
   잔류 음이온 부분 아래, 상기 칼럼 내에 잔류하는 상기 양이온 수지 층의 작은 부분을 남기면서, 상기 칼럼으로부터 본질적으로 바닥에서 인출 수준으로부터, 상기 칼럼으로부터의 본질적으로 모든 상기 양이온 수지 층을 인출하는 것 및
   상기 분리/재생 칼럼 내에 상기 작은 음이온 수지 부분 및 상기 작은 양이온 부분이 잔류하도록 남겨서, 수지 재생의 연속 주기에서 양이온 및 음이온 수지의 혼합상이 되도록 하는 것,
   이에 의해 상기 수지는 단일 분리/재생 칼럼 내에서 최소 상호 오염으로 재생됨.
2. 제 1항에 있어서, 상기 음이온 수지 및 상기 양이온 수지는 상기 칼럼으로부터 인출된 후 다시 작동 용기로 직접 수송되는 방법.
3. 제 1항에 있어서, 상기 음이온 수지 층의 재생 및 상기 양이온 수지 층의 재생은 동시에 수행되는 방법.
4. 제 1항에 있어서, 음이온 수지 층의 인출 동안, 유동화 물이 상기 칼럼의 바닥을 통해 위로 및 상기 양이온 층을 통해 도입되어 상기 양이온 수지 층의 오염 방지를 돕는 방법.
5. 제 1항에 있어서, 상기 양이온 수지 층의 인출 동안, 유동화 물이 상기 양이온 수지 층을 통해 위로 상기 칼럼의 바닥으로부터 유도되는 방법.
6. 제 1항에 있어서, 음이온 수지 인출 동안, 수송 물이 상기 음이온 수지 층 위로부터 상기 칼럼 내에 도입되는 방법.
7. 제 1항에 있어서, 상기 양이온 수지 층에 대한 인출 수준은 상기 칼럼의 바닥 위로 약 5 cm여서, 양이온 수지 인출 동안 유동화 물의 업플루우에 의한 유동화를 허용하는 방법.
8. 제 1항에 있어서, 분리/재생 칼럼 내에 잔류하는 상기 음이온 및 양이온 부분은 각각 약 15 내지 20 cm 깊이인 방법.
9. 제 1항에 있어서, 상기 양이온 층의 상기 작은 부분으로서 잔류하는 상기 양이온 층의 미리 선택된 깊이를 남기도록 상기 양이온 수지 층의 인출을 측정하는 것을 포함하는 방법.

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