KR20190057377A - 탈이온수 제조 시스템, 전기식 탈이온수 제조장치 및 탈이온수 제조방법 - Google Patents

탈이온수 제조 시스템, 전기식 탈이온수 제조장치 및 탈이온수 제조방법 Download PDF

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Abstract

원수가 공급되어서 탈이온수를 제조하는 탈이온수 제조 시스템은, 원수가 공급되는 역침투막장치(RO 장치)와, 이온교환막으로 구획되어서 역침투막장치의 투과수가 공급되는 탈염실을 포함하는 전기식 탈이온수 제조장치(EDI 장치)를 포함한다. EDI 장치에 있어서, 탈염실의 내부에 이온교환체가 충전되고, 이온교환막의 적어도 일부 및 이온교환체의 적어도 일부 중 적어도 한쪽 표면에 다가 금속을 포함하는 입자가 흡착되어 있다.

Description

탈이온수 제조 시스템, 전기식 탈이온수 제조장치 및 탈이온수 제조방법
본 발명은, 탈이온수의 제조에 관한 것으로, 특히, 탈이온수 제조 시스템, 전기식 탈이온수 제조장치 및 탈이온수 제조방법에 관한 것이다.
이온교환수지 등의 이온교환체에 피처리수를 통수시켜서 이온교환반응에 의해 탈이온을 행하는 탈이온수 제조 시스템이 알려져 있다. 이러한 시스템은, 일반적으로, 이온교환체를 갖는 장치를 구비해서 이온교환체에 의한 이온교환반응을 이용해서 탈이온수를 생성한다. 그러나, 이온교환체를 갖는 장치에서는, 이온교환체의 이온교환기가 포화되어 탈염 성능이 저하되었을 때에, 산이나 알칼리 등의 약제에 의해서 이온교환체를 재생하는 처리, 즉, 재생 처리를 행할 필요가 있다. 재생 처리는, 이온교환체에 흡착한 카티온(양이온)이나 아니온(음이온)을, 산 혹은 알칼리에 유래하는 수소 이온(H+), 수산화물 이온(OH-)로 치환시키고, 이것에 의해 이온교환체의 탈염 성능을 부활시키는 처리이다. 따라서, 이온교환체를 이용하는 탈이온수 제조장치는, 연속 운전을 행할 수 없고, 재생 처리를 위한 약제 보충의 수고도 든다는 과제를 지닌다. 이 과제를 해결하는 것으로서, 최근, 약제에 의한 재생이 불필요한 전기식 탈이온수 제조장치(EDI(ElectroDeIonization) 장치라고도 칭함)가 개발되어, 실용화되고 있다.
EDI 장치는, 전기영동과 전기 투석을 조합시킨 장치이며, 음이온만을 투과시키는 음이온 교환막과 양이온만을 투과시키는 양이온 교환막 사이에 이온교환체를 충전시켜 탈염실을 구성하고, 탈염실에서부터 보아서 음이온 교환막 및 양이온 교환막의 외측에 각각 농축실을 배치하고, 또한, 그들의 외측에, 양극을 구비하는 양극실과 음극을 구비하는 음극실을 배치한 구조를 갖는다. 탈염실에 충전되는 이온교환체는 음이온 교환체 및 양이온 교환체 중 적어도 한쪽이다. 탈염실에서는 양극을 향한 쪽에 음이온 교환막이 배치되고, 음극을 향한 쪽에 양이온 교환막이 배치된다. 농축실에 이온교환체를 충전시켜도 되고, 양극실에 양이온 교환체를 충전해도 되며, 음극실에 음이온 교환체를 충전시켜도 된다.
EDI 장치에 의해 피처리수로부터 탈이온수를 제조하기 위해서, 양극과 음극 사이에 직류 전압을 인가한 상태에서, 탈염실에 피처리수를 통수시킨다. 그러면, 피처리수 중의 이온 성분은 탈염실 내의 이온교환체에 흡착되게 되고, 탈이온화 처리, 즉, 탈염 처리가 행해지는 것이 된다. 그 결과, 탈염실로부터 탈이온수가 유출된다. 이때 탈염실에서는, 이종의 이온교환성 물질 간의 계면, 즉, 음이온 교환체와 양이온 교환체의 계면, 음이온 교환체와 양이온 교환막의 계면, 음이온 교환막과 양이온 교환체의 계면, 및 음이온 교환막과 양이온 교환막의 계면에 있어서, 인가 전압에 의해서 하기 식에 나타낸 바와 같이 물의 해리 반응이 일어나, 수소 이온 및 수산화물 이온이 생성된다.
H2O → H+ ＋ OH-
이 해리 반응에 의해서 생성된 수소 이온과 수산화물 이온에 의해서, 먼저 탈염실 내의 이온교환체에 흡착되어 있던 이온 성분이 이온교환되어서 이온교환체로부터 유리된다. 유리한 이온 성분 중 음이온은, 음이온 교환막까지 전기영동되어 음이온 교환막에 의해 전기 투석되어서, 탈염실로부터 보아서 양극에 가까운 쪽의 농축실을 흐르는 농축수에 배출된다. 마찬가지로 유리된 이온 성분 중 양이온은, 양이온 교환막까지 전기영동되어 양이온 교환막에 의해 전기 투석되어서, 탈염실로부터 보아서 음극에 가까운 쪽의 농축실을 흐르는 농축수에 배출된다. 결국, 탈염실에 공급된 피처리수 중의 이온 성분은 농축실로 이행되어 배출되게 되고, 동시에 탈염실의 이온교환체도 재생되게 된다.
이와 같이 EDI 장치로는, 직류 전압의 인가에 의해서 생기는 수소 이온 및 수산화물 이온이, 이온교환체를 재생하는 산 및 알칼리의 재생제로서 연속적으로 작용한다. 이때문에, EDI 장치에서는, 외부에서부터 공급되는 약제에 의해서 재생 처리를 행하는 것은 기본적으로 불필요하여, 약제에 의한 이온교환체의 재생을 행하는 일 없이 연속 운전을 행할 수 있다.
상기에서는, [농축실(C)|음이온 교환막(AEM)|탈염실(D)|양이온 교환막(CEM)|농축실(C)]로 이루어진 기본구성이 양극과 음극 사이에 배치되어 있는 것으로 하였다. 이 기본구성을 셀 세트라 부른다. 실제로는, 전극 간에 이러한 셀 세트를 복수개 병치시키고, 전기적으로는 복수개의 셀 세트가 일단을 양극으로 하고, 타단을 음극으로 해서 직렬 접속되도록 해서 처리 능력의 증대를 도모하는 것이 일반적이다. 이 경우, 인접하는 셀 세트 간에 이웃하는 농축실을 공유할 수 있으므로, EDI 장치의 구성으로서는, [양극실|C|AEM|D|CEM|C|AEM|D|CEM|C|AEM|D|CEM|…|C|음극실]의 구성이 된다. 또한, 양극실과 그에 인접하는 농축실 사이에 양이온 교환막을 설치하고, 음극실과 그에 인접하는 농축실 사이에는 음이온 교환막을 설치할 경우가 많다. 또한, 이러한 직렬 구조에 있어서, 양극실에 가장 가까운 탈염실에 대해서는, 양극실과의 사이에 독립적인 농축실을 개재시키는 일 없이 양극실 자체를 농축실로서도 기능시킬 수 있다. 마찬가지로, 음극실에 가장 가까운 탈염실에 대해서는, 음극실과의 사이에 농축실을 개재시키는 일 없이 음극실 자체를 농축실로서도 기능시킬 수 있다. 직류 전압의 인가에 의해서 소비하는 전력을 억제하기 위해서는, 각 농축실, 양극실 및 음극실에도 이온교환체를 충전시켜 전기 저항을 낮추는 것이 바람직하다.
EDI 장치를 구비하는 탈이온수 제조 시스템에 있어서 불순물 농도가 현저하게 낮은 탈이온수를 얻기 위해서는, EDI 장치에 공급되는 피처리수로서, 불순물을 미리 어느 정도까지 감소시킨 물을 이용하는 것이 바람직하다. 이때문에, EDI 장치의 전단에 예를 들면 역침투(RO)막장치를 설치해서 탈이온수 제조 시스템을 구성하고, 역침투막장치를 통과한 물을 피처리수로서 EDI 장치에 공급하는 것이 행해지고 있다. 그러나, 피처리수의 도전율이 작아져, 예를 들어, 5μS/㎝ 이하가 되면, 물의 해리 반응을 생기게 하므로 EDI 장치에 인가하지 않으면 안되는 전압이 높아진다. 보다 불순물 농도가 낮은 탈이온수를 얻고자 하여 도전율이 보다 작은 피처리수를 이용하면, 양극과 음극 사이를 흐르는 전류가 일정하다고 하면, EDI 장치에 인가하지 않으면 안되는 전압, 즉, 운전 전압이 보다 높아진다. 운전 전압이 높아지면, 그 만큼, 소비 전력도 증대한다.
전술한 바와 같이, EDI 장치에 의한 탈이온수의 연속적인 제조에 있어서 중요한 역할을 하는 것이, 탈염실 내에서의 물의 해리 반응이다. 물의 해리 반응이 효율적으로 행해지면, 피처리수의 도전율이 작을 경우이어도 EDI 장치에의 인가 전압을 낮게 억제할 수 있으므로, 고순도의 탈이온수를 낮은 소비 전력으로 제조하는 것이 가능하게 된다.
EDI 장치의 탈염실 내에서의 물의 해리 반응을 촉진시키기 위하여, 몇 가지 기술이 제안되어 있다. 특허문헌 1은, EDI 장치에 있어서, 양이온 교환막의 탈염실 측의 막 표면 혹은 탈염실 내에 충전하는 이온교환수지에, 수산화마그네슘 등의 금속수산화물을 담지시키는 것을 개시하고 있다. 특허문헌 2는, EDI 장치에 있어서, 양성 이온교환체로서 작용하는 금속산화물 또는 금속수산화물을, 용적비율로 1 내지 50%의 비율로 탈염실 내의 이온교환체에 혼재시키는 것을 개시하고 있다.
JP 2000-350991 A JP 2001-340865 A
그러나, 특허문헌 1에 기재된 장치에서는, 탈염실 내에 담지시킨 금속수산화물이, 물의 해리에 의해서 발생한 수소 이온에 의해서 용해되므로, 장기간에 걸쳐서 안정적으로 성능을 유지시키는 것이 어렵다. 특허문헌 2에 기재된 장치에서는, 이온교환체에 혼재시킨 금속산화물이나 금속수산화물이 이종의 이온교환체의 계면에 확실히 존재하는 것은 아니기 때문에, 수 해리의 촉진 효과를 최대한까지 발휘시킬 수 없다.
본 발명의 목적은, 상기와 같은 종래의 탈이온수 제조 시스템의 과제를 감안해서, 도전율이 작은 피처리수를 전기식 탈이온수 제조장치에 공급했을 때이더라도, 보다 안정적이면서도 효율적으로 물의 해리 반응을 촉진시켜 고순도의 탈이온수를 낮은 소비 전력으로 제조하는 것이 가능한 탈이온수 제조 시스템 및 탈이온수의 제조 방법과, 탈이온수 제조 시스템에 있어서 적합하게 이용할 수 있는 전기식 탈이온수 제조장치를 제공하는 것에 있다.
본 발명의 다른 목적은, 전기식 탈이온수 제조장치에 있어서 이용되는 이온교환막 및 이온교환체 중 적어도 한쪽을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 양상에 따르면, 원수가 공급되어서 탈이온수를 제조하는 탈이온수 제조 시스템은, 원수가 공급되는 역침투막장치와, 이온교환막으로 구획되어 역침투막장치의 투과수가 공급되는 탈염실을 포함하는 전기식 탈이온수 제조장치를 구비하고, 탈염실의 내부에 이온교환체가 충전되어, 이온교환막의 적어도 일부 및 이온교환체의 적어도 일부 중 적어도 한쪽 표면에 다가 금속을 포함하는 입자가 흡착되어 있다.
본 발명의 다른 양상에 따르면, 전기식 탈이온수 제조장치(EDI 장치)는, 양극을 구비한 양극실과 음극을 구비한 음극실 사이에 적어도 1개의 탈염실을 구비하고, 탈염실은 양극을 향한 쪽에 위치하는 음이온 교환막과 음극을 향한 쪽에 위치하는 양이온 교환막에 의해서 구획되어, 탈염실 내에 음이온 교환체 및 양이온 교환체 중 적어도 한쪽이 충전되어 있는 EDI 장치에 있어서, 음이온 교환막, 양이온 교환막, 음이온 교환체 및 양이온 교환체 중 적어도 하나의 표면에 다가 금속을 포함하는 입자를 흡착시킨 것을 특징으로 한다.
다가 금속, 즉, 양이온이 되었을 때의 이온가가 2 이상인 금속 원소는, 물의 해리 반응의 촉매로서 작용한다. 본 발명에서는, 탈염실 내의 음이온 교환체, 양이온 교환체, 음이온 교환막 및 양이온 교환막 중 적어도 하나의 표면에 대해서 다가 금속을 포함하는 입자를 흡착시키는 것에 의해, 탈염실 내에서의 이종의 이온교환성 물질 간의 계면에, 수 해리 반응의 촉매로서 작용하는 다가 금속을 확실히 존재시킬 수 있게 된다. 이때문에, 본 발명에서는, 다가 금속에 의한 수 해리 반응의 촉진 효과를 최대한 얻을 수 있다. 또한, 다가 금속을 포함하는 입자는, 입자의 형상을 갖는 것에 의해, 탈염실 내의 이온교환체나 이온교환막에 대해서 흡착되었 때에 그들의 표면을 덮어버릴 우려가 없기 때문에, 탈이온에 관한 이온교환의 반응성이나 이온의 투과성의 손실을 최소한으로 억제할 수 있다.
본 발명의 또 다른 양상에 따르면, 탈이온수 제조방법은, 전술한 본 발명의 EDI 장치를 사용하는 탈이온수의 제조 방법에 있어서, 탈염실에 있어서의 전류밀도가 0.3A/dm2 이상 10A/dm2 이하가 되도록 양극과 음극 사이에 직류 전압을 인가하면서 탈염실에 피처리수를 흐르게 해서 탈이온수를 얻는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 양상에 따르면, 탈이온수 제조방법은, 양극을 구비한 양극실과 음극을 구비한 음극실 사이에 적어도 1개의 탈염실을 구비하고, 탈염실은 양극을 향한 쪽에 위치하는 음이온 교환막과 음극을 향한 쪽에 위치하는 양이온 교환막에 의해서 구획되어, 탈염실 내에 음이온 교환체 및 양이온 교환체 중 적어도 한쪽이 충전되어 있는 EDI 장치를 이용한 탈이온수의 제조 방법에 있어서, 음이온 교환막, 양이온 교환막, 음이온 교환체 및 양이온 교환체 중 적어도 하나의 표면에 다가 금속을 포함하는 입자를 흡착시키는 공정과, 흡착시키는 공정 이후, 양극과 음극 사이에 직류 전압을 인가하면서 탈염실에 피처리수를 흐르게 해서 탈이온수를 얻는 공정을 포함한다.
본 발명의 또 다른 양상에 따르면, EDI 장치용 이온교환막은, 음이온 교환체 및 양이온 교환체 중 적어도 한쪽이 충전되어 있는 적어도 1개의 탈염실을 양극을 구비한 양극실과 음극을 구비한 음극실 사이에 구비하는 EDI 장치에 있어서 이용되고, 탈염실에 있어서 양극을 향한 쪽에 위치해서 탈염실을 구획하는 음이온 교환막, 탈염실에 있어서 음극을 향한 쪽에 위치해서 탈염실을 구획하는 양이온 교환막 및 탈염실 내를 더욱 소탈염실로 구획하는 중간 이온교환막 중 적어도 하나인 이온교환막에 있어서, 이온교환막의 표면에 다가 금속을 포함하는 입자를 흡착시킨 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 양상에 따르면, EDI 장치용 이온교환체는, 양극을 구비한 양극실과 음극을 구비한 음극실 사이에 적어도 1개의 탈염실을 구비하고, 탈염실은 양극을 향한 쪽에 위치하는 음이온 교환막과 음극을 향한 쪽에 위치하는 양이온 교환막에 의해서 구획되어 있는 EDI 장치에 있어서 이용되고, 음이온 교환체 및 양이온 교환체 중 적어도 한쪽을 포함해서 탈염실 내에 충전되는 이온교환체에 있어서, 이온교환체의 표면에 다가 금속을 포함하는 입자를 흡착시킨 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 다가 금속을 포함하는 입자를 EDI 장치의 탈염실 내의 이온교환체 또는 이온교환막에 흡착시킴으로써, 후술하는 실시예 등으로부터도 명백하게 되는 바와 같이, 다가 금속을 포함하는 입자를 이용하지 않는 EDI 장치에 비해서, 보다 안정적이면서도 효율적으로 물의 해리 반응을 촉진시킬 수 있고, 이것에 의해 저전력으로 고순도의 탈이온수를 제조할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명에 의거한 탈이온수 제조 시스템의 구성을 나타낸 도면이다.
도 2는 탈이온수 제조 시스템의 구성의 다른 예를 나타낸 도면이다.
도 3은 탈이온수 제조 시스템의 구성의 또 다른 예를 나타낸 도면이다.
도 4는 전기식 탈이온수 제조장치(EDI 장치)의 기본적인 형태를 나타낸 모식단면도이다.
도 5A는 다가 금속을 포함하는 입자에 의한 수 해리의 촉진을 설명하는 도면이다.
도 5B는 다가 금속을 포함하는 입자에 의한 수 해리의 촉진을 설명하는 도면이다.
도 6은 본 발명에 의거한 EDI 장치의 다른 형태를 나타낸 모식단면도이다.
도 7은 본 발명에 의거한 EDI 장치의 또 다른 형태를 나타낸 모식단면도이다.
도 8은 본 발명에 의거한 EDI 장치의 또 다른 형태를 나타낸 모식단면도이다.
도 9는 본 발명에 의거한 EDI 장치의 또 다른 형태를 나타낸 모식단면도이다.
도 10은 본 발명에 의거한 EDI 장치의 또 다른 형태를 나타낸 모식단면도이다.
도 11은 다가 금속을 포함하는 입자에 의한 수 해리의 촉진을 설명하는 도면이다.
도 12는 본 발명에 의거한 EDI 장치의 또 다른 형태를 나타낸 모식단면도이다.
도 13은 본 발명에 의거한 EDI 장치의 또 다른 형태를 나타낸 모식단면도이다.
다음에, 본 발명의 바람직한 실시형태에 대해서, 도면을 참조해서 설명한다.
도 1은, 본 발명에 의거한 탈이온수 제조 시스템의 구성을 나타내고 있다. 이 탈이온수 제조 시스템은, EDI 장치(10)를 구비하는 것이지만, 불순물 농도를 충분히 저감시킨 탈이온수를 얻기 위하여, EDI 장치(10)의 전단에, 2단 직렬로 설치된 역침투(RO)막장치(51, 52)를 구비하고 있다. 역침투막장치(51, 52)는, 각각, 그 내부에 역침투막(53, 54)을 구비하고 있다. 1단째의 역침투막장치(51)에는 펌프(55)를 개재해서 원수가 공급되고 있고, 역침투막장치(51) 내의 역침투막(53)을 통과한 물, 즉, 투과수가 2단째의 역침투막장치(52)에 공급된다. 2단째의 역침투막장치(52)의 투과수가 피처리수로서 EDI 장치(10)에 공급되게 되어 있다. 2개의 역침투막장치(51, 52)를 직렬로 접속한 구성은, 전체로서, 각각 역침투막(53, 54)을 구비하는 장치를 2단 직렬로 접속한 구성으로 되어 있다. 본 실시형태의 탈이온수 제조 시스템에 이용되는 역침투막장치(51, 52)는, 순수 제조 등에 이용되는 일반적인 것이다. 또한, 도시한 펌프(55), 역침투막장치(51, 52), EDI 장치(10)의 사이에는, 필요에 따라서, 탱크나 펌프, 연화나 탈염을 목적으로 하는 이온교환수지장치, 탈탄산을 목적으로 하는 탈탄산탑이나 막 탈기장치, 부가해서 약물주입설비 등이 적당히 추가되어서 배치되어 있어도 된다.
원수로서는, 수돗물, 우물물, 하천수, 공업용수 등이 사용된다. EDI 장치(10)에는, 피처리수 이외에, 후술하는 바와 같이 공급수가 공급되고 있다. 공급수는, 예를 들면 역침투막장치로부터 얻어진 투과수이어도 되고, EDI 장치에서 처리된 물, 즉, 탈이온수이어도 된다. 여기에서는, 2단의 역침투막장치(51, 52)를 설치하고 있지만, 도 2에 나타낸 바와 같이, 1단의 역침투막장치(52)만을 EDI 장치(10)의 전단에 설치하도록 해도 된다.
도 1에 나타낸 시스템보다도 더 불순물 농도를 저감시킨 탈이온수를 얻기 위해서는, EDI 장치를 2단 직렬로 접속해도 된다. 도 3은, 도 1에 나타낸 탈이온수 제조 시스템에 있어서, 역침투막장치(52)와 EDI 장치(10) 사이에, 추가의 EDI 장치(15)를 배치한 것이다. EDI 장치(15)로서는, EDI 장치(10)와 같은 구성인 것을 이용할 수 있고, 다른 구성인 것을 이용할 수도 있다. 역침투막장치(52)의 투과수가 EDI 장치(15)의 탈염실(23)에 공급되고, EDI 장치(15)의 탈염실(23)로부터 흐르는 물이 피처리수로서 EDI 장치(10)의 탈염실에 공급된다. 또한, 도시한 펌프(55), 역침투막장치(51, 52), EDI 장치(10, 15)의 사이에는, 필요에 따라서, 탱크나 펌프, 연화나 탈염을 목적으로 하는 이온교환수지장치, 탈탄산을 목적으로 하는 탈탄산탑이나 막 탈기장치, 부가해서 약물주입설비 등이 적당히 추가되어서 배치되어 있어도 된다.
도 3에 나타낸 구성의 경우, 2단째가 되는 EDI 장치(10)에 공급되는 피처리수의 도전율은, 이미 예를 들어 1μS/㎝ 이하로 극히 작은 값으로 되어 있다. EDI 장치를 이용해서 탈이온수를 제조할 경우, 피처리수의 도전율이 작을 경우에 EDI 장치의 운전 전압이 높아지는 경향이 있지만, 후단의 EDI 장치(10)로서 본 발명에 의거한 후술하는 EDI 장치를 이용하는 것에 의해, 이 EDI 장치(10)의 운전 전압을 낮은 채로 할 수 있다. 1단째가 되는 추가의 EDI 장치(15)에 공급되는 피처리수의 도전율은 비교적 크므로, 추가의 EDI 장치(15)로서는, 후술하는 EDI 장치가 아니라 일반적인 EDI 장치를 이용할 수도 있다.
도 1, 도 2 및 도 3에 나타낸 탈이온수 제조 시스템의 각각에 있어서, EDI 장치(10)에의 피처리수의 도전율은, 예를 들면 10μS/㎝ 이하이고, 5μS/㎝ 이하인 것이 바람직하며, 3μS/㎝ 이하인 것이 보다 바람직하고, 1μS/㎝ 이하인 것이 더욱 바람직하다.
다음에, 전술한 탈이온수 제조 시스템에 있어서 이용되는, 본 발명에 의거한 EDI 장치(10)에 대해서 설명한다. EDI 장치(10)에서는, 양극(11)을 구비한 양극실(21)과, 음극(12)을 구비한 음극실(25) 사이에, 양극실(21)의 측에서부터 순서대로, 농축실(22), 탈염실(23) 및 농축실(24)이 설치되어 있다. 양극실(21)과 농축실(22)은 양이온 교환막(31)을 사이에 두고 인접하고, 농축실(22)과 탈염실(23)은 음이온 교환막(32)을 사이에 두고 인접하며, 탈염실(23)과 농축실(24)은 양이온 교환막(33)을 사이에 두고 인접하고, 농축실(24)과 음극실(25)은 음이온 교환막(34)을 사이에 두고 인접하고 있다. 따라서 탈염실(23)은, 양극(11)을 향한 쪽에 위치하는 음이온 교환막(32)과, 음극(12)을 향한 쪽에 위치하는 양이온 교환막(33)에 의해 구획되게 된다. 탈염실(23) 내에는, 음이온 교환체 및 양이온 교환체 중 적어도 한쪽이 충전되어 있다. 여기에서 나타낸 예에서는, 탈염실(23) 내에는, 음이온 교환체와 양이온 교환체가 상호 혼합되어서, 즉, 혼상 구성으로 충전되어 있다. 또한 이 EDI 장치(10)에서는, 양이온 교환체가 양극실(21) 내에 충전되고, 음이온 교환체가 농축실(22, 24) 및 음극실(25) 내에 충전되어 있다. 여기에서의 음이온 교환체로서는 예를 들면 음이온 교환 수지가 사용되고, 양이온 교환체로서는 예를 들면 양이온 교환 수지가 사용된다. 또, 양극실(21), 농축실(22, 24) 및 음극실(25)에는, 반드시 음이온 교환체 또는 양이온 교환체를 충전할 필요는 없다. 도 4는, 도 1에 나타낸 탈이온수 제조 시스템에 이용되는 EDI 장치(10)의 단면 구성을 모식적으로 나타내고 있다. 도 4에 있어서, 전극실(21, 25), 농축실(22, 24) 및 탈염실(23) 내에 그려진 소원은, 그것들의 실내에 충전되는 음이온 교환체 및 양이온 교환체를 나타내고 있다. 또 도 4에서는, 음이온 교환체와 음이온 교환막에는 서로 동일한 빗금이 부여되고, 양이온 교환체와 양이온 교환막에는 서로 동일한 빗금이 부여되어 있지만, 음이온 교환체와 양이온 교환체는, 다른 빗금이 부여되는 것에 의해 구별해서 그려져 있다. 빗금에 의한 음이온 교환체와 양이온 교환체의 구별, 및 음이온 교환막과 양이온 교환막의 구별은, 본 명세서에 첨부되는 각 도면에 있어서 공통이다.
이하의 설명에 있어서, 음이온 교환체와 양이온 교환체를 총칭해서 이온교환체라고 지칭하고, 음이온 교환막과 양이온 교환막을 총칭해서 이온교환막이라 지칭한다. 따라서, 이온교환체는 음이온 교환체 및 양이온 교환체 중 적어도 한쪽인 것이고, 이온교환막은 음이온 교환막 및 양이온 교환막 중 적어도 한쪽인 것이다.
또한 이 EDI 장치(10)에서는, 탈염실(23)에 있어서, 탈염실(23)에 설치되는 이온교환체의 적어도 일부 및 이온교환막(음이온 교환막(32) 및 양이온 교환막(33))의 적어도 일부 중 적어도 한쪽 표면에 다가 금속을 포함하는 입자가 흡착되어 있다. 여기에서 말하는 다가 금속을 포함하는 입자란, 다가 금속, 즉, 양이온이 되었을 때의 이온가가 2 이상인 금속 원소를 포함하고, 음이온 교환체, 양이온 교환체, 음이온 교환막 혹은 양이온 교환막에 대하여 흡착되고, 그리고 흡착된 후에는 용이하게는 기계적으로 이탈되지 않는 입자이다. 여기에서 이용되는 다가 금속으로서는, 수 해리의 촉매로서 작용하는 것이면, 특별히 한정되는 것은 아니고, 또 1종류의 금속이어도, 복수 종류의 금속이 포함되어 있어도 된다. 다가 금속으로서 이용되는 금속 원소로서는, 예를 들어, 마그네슘, 칼슘, 알루미늄, 크롬, 망간, 철, 니켈 등을 들 수 있다. 이와 같이 "다가 금속을 포함하는 입자"는, 수 해리의 촉매로서 작용하는 것이라고 여겨지므로, 이하, 특별히 단정되지 않는 한, "다가 금속을 포함하는 입자"를 단지 "촉매 입자"라 지칭한다.
촉매 입자는, 음이온 교환체, 양이온 교환체, 음이온 교환막 혹은 양이온 교환막의 표면에 대해서 흡착되기 쉬운 것이면 특별히 한정되는 것은 아니다. 촉매 입자가 무기물질일 경우, 흡착의 용이함의 관점에서, 촉매 입자가 무기 이온교환재료인 것이 바람직하다. 무기 이온교환재료란, 접촉하고 있는 전해질 용액 중의 이온을 취입하고, 대신에 자기가 가진 이온을 방출함으로써 이온 종의 교환을 행하는 능력, 즉, 이온교환능력을 갖는 무기물질이다. 무기 이온교환재료인 촉매 입자가 음이온 교환체, 양이온 교환체, 음이온 교환막 혹은 양이온 교환막의 표면에 대해서 흡착되기 쉬운 것은, 촉매 입자가, 음이온 교환체, 양이온 교환체, 음이온 교환막 혹은 양이온 교환막의 표면에 대해서, 이들 표면에 존재하는 이온교환기를 개재해서 흡착되기 때문인 것으로 추측된다.
무기 이온교환재료인 촉매 입자의 예로서, 다가 금속을 포함하는 규산염을 바람직하게 이용할 수 있고, 그러한 규산염으로서는, 예를 들어, 규산알루미늄, 규산마그네슘, 규산칼슘, 규산칼슘 마그네슘, 각종 알루미노규산염, 각종 규산염 광물을 들 수 있고, 이들 중에서 하나 이상을 단독으로 혹은 혼합해서 사용할 수 있다. 그 중에서도 규산염 광물은, 화학적인 안정성이 우수하고, 특히 음이온 교환체나 음이온 교환막에 강하게 흡착되므로, 보다 안정한 성능을 기대할 수 있다. 또한, 규산염 광물은 천연의 광석에 포함되므로, 선택지가 많고, 비용면에서도 유리하다. 이러한 규산염 광물로서, 예를 들어, 불석, 활석, 카올리나이트, 제올라이트 등을 들 수 있고, 그 중에서도 세피오라이트(CAS번호(Chemical Abstract Service registry number): 63800-37-3, 조성식: Mg8Si12O30(OH)4(OH2)4·8H2O), 규회석(CAS번호: 13983-17-0, 조성식: CaSiO3), 애터펄자이트(attapulgite)(CAS번호: 12174-11-7, 조성식: (Mg, Al)5Si8O20·4H2O) 등은 흡착성이 높기 때문에, 보다 적합하게 이용된다. 촉매 입자로서, 애터펄자이트, 세피오라이트 및 규회석 중 적어도 하나로 이루어진 것을 이용하는 것이 보다 바람직하다. 또, 애터펄자이트, 세피오라이트 및 규회석은, 바늘 형상 입자의 형태인 것이 알려져 있다. 규산염 광물이 음이온 교환체 등에 흡착되기 쉬운 것은, 규산염 광물의 표면에 존재하는 예를 들어 하이드록시기 혹은 산소 원자에 대해서, 음이온 교환체에 포함되는 아미노기나 제4급 암모늄기 등의 음이온 교환기가 정전적으로 서로 끌리기 때문인 것으로 추측된다.
이온교환체 혹은 이온교환막에 대한 촉매 입자의 흡착은, 예를 들어, 촉매 입자를 분산시킨 물에 이온교환체 혹은 이온교환막을 침지함으로써 용이하게 행할 수 있다. 또한, 기존의 EDI 장치의 탈염실에 대해서 촉매 입자를 분산시킨 물을 공급함으로써, 그 탈염실 내의 이온교환체 혹은 이온교환막에 대해서 촉매 입자를 흡착시킬 수 있다. 따라서, 기존의 EDI 장치를 본 발명에 의거한 EDI 장치로 개조하는 것도 용이하고, 기존의 EDI 장치를 본 발명에 의거한 EDI 장치로 개조한 후에 탈이온수를 제조하는 것도 본 발명의 범주에 포함되는 것이다.
촉매 입자의 입자 직경은 특별히 한정되는 것은 아니다. 각각의 촉매 입자의 입자 직경은, 예를 들어, 주사형 전자현미경(SEM)에 의해 1000 내지 20000배 정도의 배율로 그 촉매 입자를 관찰하고, 얻어진 상에 있어서 계측을 행하는 것에 의해서 구할 수 있다. 촉매 입자의 형상이 완전한 구가 아닐 경우에는, 최대 직경을 입자 직경으로 한다. 예를 들면 촉매 입자가 바늘 형상 입자일 경우에는, 그 장축의 길이를 입자 직경으로 한다. 촉매 입자의 입자 직경의 범위는, 관찰 시야가 다른 10개소의 SEM 화상에 있어서 촉매 입자의 입자 직경을 계측하고, 계측된 입자 직경의 최소값으로부터 최대값까지의 범위로 한다. 본 발명에서는, 입자 직경의 범위가 예를 들면 0.01㎛ 이상 100㎛ 이하인 바와 같은 촉매 입자를 이용하는 것이 바람직하며, 0.02㎛ 이상 10㎛ 이하인 바와 같은 촉매 입자를 이용하는 것이 보다 바람직하다.
촉매 입자의 입자 직경이 지나치게 크면, 이온교환체나 이온교환막의 표면에 적절하게 흡착·고정되지 않게 되는 동시에, 이종의 이온교환성 물질의 계면의 거리를 지나치게 넓히기 때문에, 수 해리 반응을 충분히 촉진시킬 수 없게 될 가능성이 있다. 한편, 촉매 입자의 입자 직경이 지나치게 작으면, 촉매 입자가 이온교환체나 이온교환막의 표면을 조밀하게 덮어서 이온교환체나 이온교환막에서의 이온교환반응이나 이온 이동을 저해하는 등의 문제를 일으킬 가능성이 있다.
여기서 탈염실(23)에 충전되는 이온교환체에 대해서 설명한다. 탈염실(23)에 충전할 수 있는 이온교환체의 종류는, 특정한 것으로 한정되는 것은 아니지만, 상기에 예시한 바와 같이, 이온교환수지가 바람직하다. 여기에서 말하는 이온교환수지란, 3차원적인 망상 구조를 가진 고분자 모체에, 이온교환능력을 갖는 작용기, 즉, 이온교환기를 도입한 합성 수지이다. 통상 사용되는 이온교환수지는, 입자 직경이 0.4 내지 0.8㎜ 정도인 구형의 입자이다. 이온교환수지의 고분자 모체로서는, "스타이렌계"라고 불리는 스타이렌-다이비닐벤젠의 공중합체나, "아크릴계"라고 불리는 아크릴산-다이비닐벤젠의 공중합체 등이 있다.
이온교환수지는, 이온교환기가 산성을 나타내는 양이온 교환 수지와, 염기성을 나타내는 음이온 교환 수지로 대별되고, 또한, 도입되는 이온교환기의 종류에 따라, 강산성 양이온 교환 수지, 약산성 양이온 교환 수지, 강염기성 음이온 교환 수지, 약염기성 음이온 교환 수지 등이 있다. 강염기성 음이온 교환 수지로서는, 예를 들어, 제4급 암모늄기를 이온교환기로서 갖는 것이 있고, 약염기성 음이온 교환 수지로서는, 예를 들어, 제1급 아민, 제2급 아민 혹은 제3급 아민을 이온교환기로서 갖는 것이 있다. 강산성 양이온 교환 수지로서는, 예를 들어, 설폰산기를 이온교환기로서 갖는 것이 있고, 약산성 양이온 교환 수지로서는, 예를 들어, 카복실기를 이온교환기로서 갖는 것이 있다. 탈염실에 충전되는 이온교환수지로서는 이들 어느 종류의 것도 이용할 수 있지만, 이온교환수지가 갖는 이온교환기에 대하여 촉매 입자가 흡착되는 바와 같은, 이온교환수지와 촉매 입자의 조합을 선택하는 것이 바람직하다.
탈염실(23) 내의 이온교환체에 대한 촉매 입자의 흡착량은, 이온교환체의 체적을 100%로 하는 체적비로 나타내면, 0.0001체적% 이상 1체적% 미만으로 하는 것이 바람직하며, 0.0125체적% 이하로 하는 것이 보다 바람직하다. 촉매 입자의 흡착량을 지나치게 크게 하면, 이 촉매 입자가 오히려 EDI 장치(10) 내에서의 이온교환반응이나 이온 이동을 저해할 가능성이 있다.
다음에, 도 4에 나타낸 EDI 장치(10)에 의한 탈이온수의 제조에 대해서 설명한다.
종래의 EDI 장치의 경우와 마찬가지로, 양극실(21), 농축실(22, 24) 및 음극실(25)에 공급수를 통수하고, 양극(11)과 음극(12) 사이에 직류 전압을 인가한 상태에서, 탈염실(23)에 피처리수를 통수한다. 피처리수를 탈염실(23)에 통수하면, 피처리수 중의 이온 성분은 탈염실(23) 내의 이온교환체에 흡착되고, 탈이온화 처리가 행해져서, 탈염실(23)로부터, 처리된 물로서, 탈이온수가 유출된다. 이때 탈염실(23)에서는, 인가 전압에 의해 이종의 이온교환성 물질 간의 계면에서 물의 해리 반응이 일어나, 수소 이온 및 수산화물 이온이 생성되고, 수소 이온과 수산화물 이온에 의해, 먼저 탈염실(23) 내의 이온교환체에 흡착되어 있던 이온 성분이 이온교환되어서 이온교환체로부터 유리된다. 유리된 이온 성분 중 음이온은 음이온 교환막(32)을 개재해서 양극에 가까운 쪽의 농축실(22)로 이동되어, 이 농축실(22)로부터 농축수로서 배출되고, 양이온은 양이온 교환막(33)을 개재해서 음극에 가까운 쪽의 농축실(24)로 이동되어, 이 농축실(24)로부터 농축수로서 배출된다. 결국, 탈염실(23)에 공급된 피처리수 중의 이온 성분은 농축실(22, 24)로 이행해서 배출되고, 동시에, 탈염실(23)의 이온교환체도 재생된다. 또, 양극실(21) 및 음극실(25)로부터는 전극수가 배출된다.
도 4에 나타낸 EDI 장치(10)에서는, 전술한 바와 같이, 탈염실(23) 내에 설치되는 이온교환체, 음이온 교환막(32) 및 양이온 교환막(33) 중 적어도 하나의 표면에 다가 금속을 포함하는 입자 즉, 촉매 입자가 흡착되어 있다. 이 촉매 입자는, 탈염실(23) 내에 있어서의 이종의 이온교환성 물질의 계면에 존재하게 되지만, 촉매 입자에 포함되는 다가 금속은 물의 해리 반응을 촉진하는 촉매로서 작용하기 때문에, 이 EDI 장치(10)에서는, 효율적으로 물의 해리 반응을 행하게 할 수 있다. 따라서, 탈염실(23) 내의 이온교환체의 재생도 효율적으로 행할 수 있게 되고, EDI 장치(10)에의 인가 전압을 억제하면서 저전력으로 고순도의 탈이온수를 제조할 수 있게 된다. 또 인가 전압을 낮게 할 수 있는 만큼, 탈염실(23)에서의 높은 전류밀도, 예를 들어, 0.3A/dm2 이상 10A/dm2 이하라고 하는 전류밀도에서의 장치 운전이 가능하게 된다.
도 5A 및 도 5B는, 촉매 입자에 의한 물의 해리 반응을 모식적으로 나타내고 있다. 여기에서는 음이온 교환체(42)에 촉매 입자(43)가 흡착하고 있는 것으로 한다. 양이온 교환체(41)와 음이온 교환체(42)에 의해, 이종 이온교환성 물질의 계면이 구성되어 있을 경우에는, 도 5A에 나타낸 바와 같이, 이 계면에 있어서의 물의 해리가 촉진되어서, 음이온 교환체(42) 측에 수산화물 이온이, 양이온 교환체(41) 측에 수소 이온이 효율적으로 생성된다. 마찬가지로, 음이온 교환체(42)와 양이온 교환막(33)의 계면에서는, 도 5B에 나타낸 바와 같이, 음이온 교환체(42) 측에 수산화물 이온이, 양이온 교환막(33) 측에 수소 이온이 효율적으로 생성된다. 이 EDI 장치(10)에 따르면, 이온교환막과 이온교환체의 계면에서의 물의 해리도 촉진시킬 수 있다.
이상, 본 발명에 의거한 EDI 장치(10)의 기본적인 구성을 설명했지만, 본 발명은 각종 구성의 EDI 장치에 널리 적용할 수 있는 것이다. 이하, 본 발명을 적용할 수 있는 EDI 장치의 구성예를 설명한다. 어느 것에 있어서도, 적어도 탈염실(23)의 이온교환체 혹은 이온교환막에 대해서, 다가 금속을 포함하는 입자, 즉, 촉매 입자가 흡착되어 있다. 이하에 설명하는 EDI 장치는, 도 1, 도 2 및 도 3의 어느 것인가에 나타낸 탈이온수 제조 시스템에 있어서의 EDI 장치(10)로서 사용할 수 있는 것이다.
도 6은 본 발명에 의거한 EDI 장치의 다른 형태를 나타내고 있다. 전술한 바와 같이 EDI 장치로는, [농축실|음이온 교환막(AEM)|탈염실|양이온 교환막(CEM)|농축실]로 이루어진 기본구성(즉, 셀 세트)을 양극과 음극 사이에 복수개 병치할 수 있다. 이때, 인접하는 셀 세트 간에 이웃하는 농축실을 공유할 수 있다. 도 6에 나타낸 EDI 장치는, 도 4에 나타낸 장치에 있어서, 이와 같이 셀 세트를 복수 배열한 것이며, 음이온 교환막(32), 탈염실(23), 양이온 교환막(33) 및 농축실(24)로 1개의 셀 세트가 구성되는 것으로서, 이 셀 세트를 양극실(21)에 가장 가까운 농축실(22)과 음극실(25) 사이에 N개 배치한 것이다. 여기에서 N은 1 이상의 정수이다. 양극실(21)에는 양이온 교환 수지(CER)가 충전되고, 농축실(22, 24)과 음극실(25)에는 음이온 교환 수지(AER)이 충전되고, 탈염실(23)에는 음이온 교환 수지와 양이온 교환 수지가 혼상(MB)으로 충전되어 있다. 양극실(21)에 외부에서부터 물을 공급하는 것은 아니고, 음극실(25)의 출구수가 양극실(21)에 공급되게 되어 있다. 또한, 도 4에 나타낸 것과 달리, 탈염실(23) 내에서의 물의 흐름 방향은, 그 양측의 농축실(22, 24)에서의 물의 흐름 방향에 대하여 향류로 되어 있다.
도 7은 본 발명에 의거한 EDI 장치의 또 다른 형태를 나타내고 있다. 이 EDI 장치는 도 4에 나타낸 것과 마찬가지의 것이지만, 탈염실(23) 내에 있어서, 피처리수의 입구에 가까운 영역에 음이온 교환 수지를 배치하고, 출구에 가까운 영역에서는 음이온 교환 수지와 양이온 교환 수지를 혼상으로 설치하고 있다. 당연한 것이지만, 음이온 교환막(32), 탈염실(23), 양이온 교환막(33) 및 농축실(24)로 1개의 셀 세트가 구성되는 것으로 하여, 이 셀 세트를 양극실(21)에 가장 가까운 농축실(22)과 음극실(25) 사이에 N개 배치할 수 있다. 여기에서도 N은 1 이상의 정수이다.
도 8에 나타낸 EDI 장치는, 도 7에 나타낸 것과 마찬가지의 것이지만, 탈염실(23)을 그 속에서의 물의 흐름 방향에 따라서 4개의 영역으로 나누고, 피처리수의 입구의 위치부터 순서대로, 양이온 교환 수지, 음이온 교환 수지, 양이온 교환 수지, 음이온 교환 수지로 놓이도록, 각각의 영역에 이온교환수지를 배치한 것이다. 즉, 도 8에 나타낸 EDI 장치는, 물의 흐름 방향에 따라 양이온 교환 수지층과 음이온 교환 수지층이 교대로 배치된 복층상 구성의 이온교환체를 탈염실(23)에 구비하는 것이다. 또한, 도 8에 나타낸 EDI 장치에서는, 도 7에 나타낸 것과는 달리, 탈염실(23) 내에서의 물의 흐름 방향은, 그 양측의 농축실(22, 24)에서의 물의 흐름 방향에 대하여 향류로 되어 있다.
도 9에 나타낸 EDI 장치는, 도 7에 나타낸 것과 마찬가지의 것이지만, 탈염실(23)을 그 속에서의 물의 흐름 방향에 따라서 3개의 영역으로 나누고, 피처리수의 입구의 위치부터 순서대로, 음이온 교환 수지, 양이온 교환 수지, 음이온 교환 수지로 놓이도록, 각각의 영역에 이온교환수지를 배치한 것이다. 도 9에 나타낸 EDI 장치에 있어서도, 탈염실(23) 내의 이온교환체는 복층상 구성으로 되어 있다.
본 발명에 의거한 EDI 장치에서는, 각 탈염실에 있어서 양극을 향한 쪽의 음이온 교환막과 음극을 향한 쪽의 양이온 교환막 사이에 중간 이온교환막(IIEM)을 설치하고, 중간 이온교환막에 의해서 그 탈염실을 제1 소탈염실 및 제2 소탈염실로 구획하고, 제1 소탈염실 및 제2 소탈염실 중 한쪽의 소탈염실에 피처리수가 공급되어서 한쪽의 소탈염실로부터 유출되는 물이 다른 쪽의 소탈염실로 유입되도록, 제1 및 제2 소탈염실을 연통 배치할 수 있다. 중간 이온교환막으로서는, 음이온 교환막 및 양이온 교환막을 모두 사용할 수 있다. 이때, 양극에 가까운 쪽의 소탈염실을 제1 소탈염실, 음극에 가까운 쪽의 소탈염실을 제2 소탈염실로 하면, 제1 소탈염실에는 적어도 음이온 교환체가 충전되고, 제2 소탈염실에는 적어도 양이온 교환체가 충전된다. 촉매 입자는, 각각 소탈염실 내의 이온교환체, 중간 이온교환막, 제1 소탈염실의 양극을 향한 쪽에 설치되는 음이온 교환막, 및 제2 소탈염실의 음극을 향한 쪽에 설치되는 양이온 교환막 중 적어도 하나에 흡착된다.
도 10은 이와 같이 탈염실을 중간 이온교환막에 의해서 2개의 소탈염실로 구획한 EDI 장치의 예를 나타내고 있다. 이 EDI 장치는, 도 6에 나타낸 EDI 장치에 있어서의 각 탈염실(23)을 중간 이온교환막(36)에 의해서 제1 소탈염실(26)과 제2 소탈염실(27)로 구획한 구성을 갖는다. 이 예에서는, 중간 이온교환막(36)으로서, 음이온 교환막이 사용되고 있다. 양극(11)에 가까운 쪽의 제1 소탈염실(26)에는 음이온 교환 수지가 충전되고, 음극(12)에 가까운 쪽의 제2 소탈염실(27)에는 양이온 교환 수지가 충전되어 있다. 피처리수는 우선 제2 소탈염실(27)에 공급되고, 제2 소탈염실(27)로부터의 출구수가, 제2 소탈염실(27)에서의 물의 흐름과 병류가 되도록, 제1 소탈염실(26)에 공급되고, 제1 소탈염실(26)로부터, 처리 후의 물로서, 탈이온수가 얻어진다. 제1 및 제2 소탈염실(26, 27)에서의 물의 흐름에 대하여, 양극실(21), 농축실(22, 24) 및 음극실(25)에서의 물의 흐름은 향류로 되어 있다.
도 11은 도 10에 나타낸 EDI 장치에 있어서의 촉매 입자에 의한 물의 해리 반응을 모식적으로 나타내고 있다. 여기에서는 음이온 교환막인 중간 이온교환막(36)에 촉매 입자(43)가 흡착되는 것으로 한다. 양이온 교환체(41)와 중간 이온교환막(36)에 의해서, 이종 이온교환성 물질의 계면이 구성되어 있을 경우에는, 도시한 바와 같이, 이 계면에 있어서의 물의 해리가 촉진되어서, 중간 이온교환막(36) 측에 수산화물 이온이, 양이온 교환체(41) 측에 수소 이온이 효율적으로 생성된다.
도 12는 이와 같이 탈염실을 중간 이온교환막에 의해서 2개의 소탈염실로 구획한 EDI 장치의 다른 예를 나타내고 있다. 이 EDI 장치는, 도 7에 나타낸 EDI 장치에 있어서의 각 탈염실(23)을 중간 이온교환막(36)에 의해서 양극(11)에 가까운 쪽의 제1 소탈염실(26)과 음극(12)에 가까운 쪽의 제2 소탈염실(27)로 구획한 것이며, 제1 소탈염실(26)에는 음이온 교환 수지를 충전하고, 제2 소탈염실(27)에는 음이온 교환 수지와 양이온 교환 수지를 혼상으로 충전한 것이다. 피처리수는 제1 소탈염실(26)에 공급되고, 제1 소탈염실(26)의 출구수가 제2 소탈염실(27)에 이송되어, 제2 소탈염실(27)로부터 탈이온수가 얻어진다. 중간 이온교환막(36)에는 예를 들면 음이온 교환막이 사용된다.
도 13에 나타낸 EDI 장치는, 도 12에 나타낸 EDI 장치에 있어서의 제2 소탈염실(27)에 있어서, 음이온 교환 수지와 양이온 교환 수지를 혼상으로 설치하는 것이 아니라, 제2 소탈염실(27)의 입구에 가까운 영역에 양이온 교환 수지를 배치하고, 출구에 가까운 영역에 음이온 교환 수지를 배치하도록 한 것이다.
[ 실시예 ]
이하, 본 발명을 실시예 및 비교예에 의거해서, 더욱 상세히 설명한다. 실시예 및 비교예에서는, 전술한 구성의 탈이온수 제조 시스템 혹은 EDI 장치를 조립하고, 이들 탈이온수 제조 시스템 혹은 EDI 장치를 실제로 동작시켰다. 이들 실시예 및 비교예에서는, 조립 시 촉매 입자를 사용할지의 여부를 선택하는 것에 의해, 촉매 입자의 사용의 유무에 의한 본 발명에 의한 효과를 확인하였다.
[실시예 1 및 비교예 1]
실시예 1 및 비교예 1에서 사용한 EDI 장치는, 도 6에 나타낸 EDI 장치에 있어서, 양극실(21)과 음극실(25) 사이에 있어서의 음이온 교환막(AEM)(32), 탈염실(23), 양이온 교환막(CEM)(33) 및 농축실(24)로 이루어진 기본구성(셀 세트)의 반복 횟수 N을 3으로 한 것이다. 양극실(21)에는 양이온 교환 수지(CER)를 충전하고, 각 농축실(22, 24) 및 음극실(25)에는 음이온 교환 수지(AER)를 충전하고, 탈염실(23)에는 양이온 교환 수지와 음이온 교환 수지를 혼상(MB)으로 해서 충전하였다. 양이온 교환 수지에는, 이온교환기로서 설폰산기를 갖는 스타이렌계의 강산성 양이온 교환 수지인 앰버라이트(등록상표)IR120B(다우케미컬사 제품, 겉보기 밀도의 참고값: 약 840g/ℓ)를 사용하고, 음이온 교환 수지에는, 이온교환기로서 제4급 암모늄기를 갖는 스타이렌계의 강염기성 음이온 교환 수지인 앰버라이트(등록상표) IRA402BL(다우케미컬사 제품, 겉보기 밀도의 참고값: 약 715g/ℓ)을 사용하였다. 양이온 교환막에는 셀레미온(SELEMION)(등록상표)CME(AGC엔지니어링사 제품)를 사용하고, 음이온 교환막에는 셀레미온(등록상표)AME(AGC엔지니어링사 제품)를 사용하였다. 여기서 사용한 양이온 교환막 및 음이온 교환막은, 모두 불균질 이온교환막이다. 불균질 이온교환막이란, 입상 이온교환수지를 미분으로 하고, 이것을 열가소성 또는 열경화성 결합제로 응고시켜서 막 형상으로 성형한 것이며, 기계적 강도는 균질 이온교환막에 비해서 일반적으로 우수하다. 이것에 대하여, 균질 이온교환막은, 이온교환수지 자체를 막 형상으로 성형한 것이다.
비교예 1에서는, 촉매 입자를 흡착시키고 있지 않은 음이온 교환 수지를 탈염실(23)에 이용했지만, 실시예 1에서는, 이하의 처리 방법으로 미리 음이온 교환 수지에 대해서 촉매 입자에 의한 처리를 행하고, 처리 후의 음이온 교환 수지를 양이온 교환 수지와 혼합해서 탈염실(23)에 충전하였다. 음이온 교환 수지에 대한 처리에 이용하는 입자로서, 실시예 1에서는, 음이온 교환 수지에 흡착되는 입자를 사용해서 음이온 교환 수지의 처리를 행하고, 그 결과, 해당 입자를 음이온 교환 수지의 표면에 흡착시켰다. 또, 어느 쪽의 경우에 있어서도, 양극실(21), 농축실(22, 24) 및 음극실(25)에 충전되는 이온교환수지로서는, 입자를 흡착시키고 있지 않은 것을 사용하였다.
다음에, 실시예 1에서 사용한 입자에 대해서 구체적으로 설명한다.
실시예 1에서는, 다가 금속인 마그네슘과 알루미늄을 포함한 규산염 광물인 애터펄자이트를 촉매 입자로서 사용하였다. SEM에서 20000배로 확대해서 관찰한 바, 실시예 1에서 사용한 애터펄자이트의 입자 직경의 범위는 0.02 내지 10㎛였다. 애터펄자이트는 바늘 형상 입자이므로, 그 장경(長徑)을 입자 직경으로 하였다. 같은 SEM화상으로 계측한 바, 사용한 애터펄자이트의 단경(短頸)의 범위는 0.01 내지 1㎛였다. 단경이란, 장경의 중앙의 위치에서 장경과 직교하는 방향에서의 길이이다. 실시예 1에서 사용한 애터펄자이트(CAS번호: 12174-11-7)는, 일반적인 조성식이 (Mg, Al)5Si8O20·4H2O로 기재되는 것이며, 규소와 마그네슘과 알루미늄의 비가 이산화규소(SiO2)와 산화마그네슘(MgO)과 산화알루미늄(Al2O3)의 질량비로 환산하여, SiO2:MgO:Al2O3=65:13:12인 것이다.
(음이온 교환 수지의 처리방법)
순수에 입자를 분산시켜, 그 속에 음이온 교환 수지를 침지 후, 교반하면서 음이온 교환 수지의 표면에 입자를 흡착시키는 처리를 행하였다. 이때 사용하는 입자의 양은, 음이온 교환 수지 1ℓ에 대해서 300㎎으로 하였다. 처리한 음이온 교환 수지는 순수로 잘 세정하고, 물기를 빼고 나서 사용하였다.
처리 후의 음이온 교환 수지에 대하여, 유도 결합 플라즈마(ICP) 발광 분광 분석법을 이용해서 애터펄자이트의 정량을 행한 바 음이온 교환 수지에 흡착하고 있던 애터펄자이트의 질량은 음이온 교환 수지 1ℓ에 대해서 190㎎이었다. 애터펄자이트의 비중이 2.4g/㎤인 것으로부터, 흡착된 애터펄자이트의 체적의 음이온 교환 수지의 체적에 대한 비율은 0.0079%인 것으로 된다. 음이온 교환 수지의 밀도는 수분 함유율로 변화될 수 있지만, 전술한 겉보기 밀도 715g/ℓ를 사용하면, 음이온 교환 수지에 대한 애터펄자이트의 질량비는 0.027질량%가 된다.
실시예 1 및 비교예 1에 있어서의 EDI 장치의 사양과, 통수 유량, 인가 전압, 공급수의 수질 등의 운전 조건은, 이하와 같다. 또, 이하의 설명에 있어서, 피처리수 유량은 EDI 장치에 있어서의 복수의 탈염실(23)에 공급되는 피처리수의 유량의 총량이고, 전극실 유량은 양극실(21)과 음극실(25)에 공급되는 공급수의 유량이며, 농축수 유량은 복수의 농축실(22, 24)에 공급되는 공급수의 유량의 합이다.
·탈염실: 치수 300×100×10㎜ 혼상(MB) 충전(체적비: 양이온 교환 수지/음이온 교환 수지=1/1)
·농축실: 치수 300×100×5㎜ 음이온 교환 수지(AER) 충전
·양극실: 치수 300×100×4㎜ 양이온 교환 수지(CER) 충전
·음극실: 치수 300×100×4㎜ 음이온 교환 수지(AER) 충전
·피처리수 유량: 180ℓ/h
·농축수 유량: 30ℓ/h
·전극수 유량: 10ℓ/h
·공급수 및 피처리수: 역침투막(RO) 투과수, 도전율 5±1μS/㎝
·인가 전류값: 0.9A
·인가 전류밀도: 0.3A/dm2
실시예 1 및 비교예 1의 장치에 대해서, 상기 조건에서의 1000시간의 운전을 행하고, 운전 전압과 얻어진 탈이온수의 비저항을 비교하였다. 결과를 표 1에 나타낸다.
실시예 1 비교예 1
음이온교환수지에 흡착시킨 입자 애터펄자이트 없음
운전전압[V] 11.9 23.2
비저항[㏁·㎝] 17.1 9.0
실시예 1과 촉매 입자를 사용하지 않은 비교예 1을 비교하면, 분명히 실시예 1 쪽이 운전 전압, 수질 모두 양호하기 때문에, 본 발명의 기본적인 효과를 확인할 수 있었다.
실시예 1에서는, 탈염실에 이용되는 음이온 교환 수지에 촉매 입자를 흡착시켰지만, 또한, EDI 장치를 구성하는 각 전극실이나 농축실에 사용되는 이온교환수지의 전부 또는 일부에 촉매 입자를 흡착시키도록 해도 된다.
[실시예 2-1, 2-2 및 비교예 2]
실시예 2-1, 2-2 및 비교예 2에서 사용한 EDI 장치는, 도 10에 나타낸 EDI 장치에 있어서, 양극실(21)과 음극실(25) 사이에 있어서의 음이온 교환막(32), 제1 탈염실(26), 중간 이온교환막(IIEM)(36), 제2 소탈염실(27), 양이온 교환막(33) 및 농축실(24)로 이루어진 기본구성(셀 세트)의 반복 횟수 N을 3으로 한 것이다. 양극실(21) 및 제2 소탈염실에는 양이온 교환 수지를 충전하고, 각 농축실(22, 24), 제1 소탈염실(26) 및 음극실(25)에는 음이온 교환 수지를 충전하였다. 제1 소탈염실(26)과 제2 소탈염실(27)을 구획하는 중간 이온교환막(36)에는, 음이온 교환막을 사용하였다. 음이온 교환 수지, 양이온 교환 수지, 음이온 교환막 및 양이온 교환막으로서는, 각각, 실시예 1에서 사용한 것과 같은 것을 사용하였다. 단, 음이온 교환 수지에 대해서는 촉매 입자를 흡착시키고 있지 않다. 특히, 실시예 2-1, 2-2에서는, 이하의 처리 방법으로 미리 음이온 교환막에 본 발명에서 말하는 촉매 입자를 흡착시키고, 촉매 입자를 흡착시킨 음이온 교환막을 중간 이온교환막(36)으로서 이용하였다. 음이온 교환막(32, 34)이나 양이온 교환막(31, 33)에는 촉매 입자의 흡착을 행하고 있지 않다. 촉매 입자로서, 실시예 1에서 이용한 바와 같은 규격의 애터펄자이트를 사용하였다. 비교예 2에서는, 음이온 교환막에의 촉매 입자의 흡착을 행하고 있지 않다.
(음이온 교환막의 처리 방법)
순수 1ℓ에 대해서 촉매 입자를 0.2g 분산시키고, 그 속에 음이온 교환막을 침지 후, 교반하면서 음이온 교환막의 표면에 촉매 입자를 흡착시켰다. 처리한 음이온 교환막은 순수로 잘 세정하고, 물기를 빼고 나서 사용하였다.
실시예 2-1, 2-2 및 비교예 2에 있어서의 EDI 장치의 사양과, 통수 유량, 인가 전압, 공급수의 수질 등의 운전 조건은, 이하와 같다.
· 제1 소탈염실: 치수 300×100×10㎜ 음이온 교환 수지(AER) 충전
· 제2 소탈염실: 치수 300×100×10㎜ 양이온 교환 수지(CER) 충전
·인가 전류값: 0.9A (실시예 2-1, 비교예 2), 30A (실시예 2-2)
·인가 전류밀도: 0.3A/dm2(실시예 2-1, 비교예 2), 10A/dm2(실시예 2-2)
·농축실, 양극실, 음극실, 피처리수 유량, 농축수 유량, 전극수 유량, 공급수 및 피처리수에 대해서는, 실시예 1과 같게 하였다.
실시예 2-1, 2-2 및 비교예 2의 장치에 대해서, 상기 조건에서의 1000시간의 운전을 행하여, 운전 전압과 얻어진 탈이온수의 비저항을 비교하였다. 결과를 표 2에 나타낸다.
실시예 2-1 실시예 2-2 비교예 2
음이온교환수지에 흡착시킨 입자 애터펄자이트 애터펄자이트 없음
인가전압[V] 0.9 30 0.9
인가전류밀도[A/dm2] 0.3 10 0.3
운전전압[V] 12.1 58.1 189.3
비저항[㏁·㎝] 16.3 17.4 15.5
실시예 2-1과 비교예 2를 비교하면, 실시예 2-1 쪽이 운전 전압, 수질 모두 양호했기 때문에, 탈염실이 중간 이온교환막에 의해서 2개의 소탈염실로 구획된 EDI 장치의 구성이어도, 탈염실을 구획하지 않을 경우와 마찬가지로 본 발명의 효과가 얻어지는 것을 확인할 수 있었다. 게다가, 탈염실에 충전되는 이온교환체뿐만 아니라, 탈염실을 구획하는 이온교환막에 촉매 입자를 흡착시키는 것에 의해서도 마찬가지의 효과를 얻을 수 있는 것도 확인할 수 있었다. 실시예 2-2와 비교예 2를 비교하면, 실시예 2-2 쪽이 전류밀도 10A/dm2로 높은 설정에도 불구하고 운전 전압, 수질 모두 양호했기 때문에, 적어도 전류밀도가 0.3 내지 10A/dm2의 범위에 있어서, 본 발명에 의한 현저한 효과가 얻어지는 것을 알 수 있다.
전술한 실시예 1,2-1, 2-2에서는, 일례로서 음이온 교환 수지 혹은 음이온 교환막에 촉매 입자를 흡착시켰을 경우의 결과를 나타냈지만, 양이온 교환 수지 혹은 양이온 교환막에 흡착하는 촉매 입자를 선택했을 경우이어도 마찬가지의 효과가 얻어지는 것은 말할 필요도 없다. 또 전술한 실시예에서 이용한 이온교환막은, 모두 불균질 이온교환막이었지만, 균질 이온교환막을 이용했을 경우이어도 마찬가지의 효과가 얻어지는 것은 말할 필요도 없다. 또한, 전술한 실시예에서는 촉매 입자를 흡착시키는 처리를 실시한 이온교환막을 사용했지만, 촉매 입자를 미리 흡착시킨 이온교환수지를 사용해서 성형한 이온교환막을 사용해도, 전술한 실시예에서 나타낸 것과 마찬가지의 효과가 얻어지는 것은 말할 필요도 없다. 촉매 입자를 미리 흡착시킨 이온교환수지를 사용해서 성형한 이온교환막을 사용하는 경우도, 본 발명의 범주에 포함되는 것이다.
마찬가지로 전술한 실시예 2-1, 2-2에서는, EDI 장치에서 사용되는 음이온 교환막 중, 탈염실을 더욱 소탈염실로 구획하는 중간 이온교환막에 대하여 그 전체면에 촉매 입자를 흡착시켰지만, EDI 장치에서 다른 이온교환막에 대해서도 촉매 입자를 흡착시켜도 되고, 또한, 이온교환막의 편면이나 이온교환막의 특정한 개소에만 촉매 입자를 흡착시켜도 된다. 특히 실시예 2-1, 2-2에서는 탈염실을 소탈염실로 구획하는 중간 이온교환막으로서 음이온 교환막을 선택했지만, 양이온 교환막을 중간 이온교환막으로서 사용할 경우에도 본 발명의 효과가 얻어지는 것은 말할 필요도 없다. 그 경우, 양이온 교환막에 촉매 입자를 흡착시킬지, 혹은 어느 쪽인가의 소탈염실에 충전되는 음이온 교환 수지에 촉매 입자를 흡착시킬지를 적절하게 선택할 수 있다.
[실시예 3 및 비교예 3]
실시예 3 및 비교예 3에서는, 실시예 1 및 비교예 1의 EDI 장치와 같은 구성이며, 탈염실, 농축실, 양극실 및 음극실의 치수나 그들에 충전되는 이온교환수지도 실시예 1과 같지만, 셀 세트의 반복 횟수 N을 1로 한 EDI 장치를 사용하였다. 실시예 3의 장치에 있어서, 사용한 촉매 입자는 실시예 1에서 사용한 것과 같은 규격의 것이고, 음이온 교환 수지의 처리 방법도 실시예 1의 경우와 같이 하였다.
피처리수 및 공급수로서, 도전율이 1μS/㎝ 이하인 순수를 사용하고, 피처리수 유량을 60ℓ/h, 농축수 유량을 10ℓ/h, 전극수 유량을 10ℓ/h로 설정하였다. 그리고, 표 3의 인가 전류밀도의 난에 나타낸 인가 전류밀도가 되도록 EDI 장치에 전압을 인가하고, 1시간이 경과한 시점에서의 운전 전압을 구하였다. 결과를 표 3에 나타낸다. 표 3에 있어서 화살표는 측정 시의 전압의 거동을 나타낸 것이며, 우향 화살표(→)는 안정 경향이었던 것을 나타내고, 상향 화살표(↑)는 상승 경향이 있었던 것을 나타내고 있다. 화살표에 의해서 전압의 거동을 나타낸 것은, 이것 이후의 각 표에 있어서도 마찬가지이다.
실시예 3 비교예 3
음이온교환수지에 흡착시킨 입자 애터펄자이트 없음
인가전류밀도[A/dm2] 0.3 10 0.3 10
운전전압[V] 4.0→ 17→ 4.7↑ 30↑
실시예 3과 비교예 3의 결과로부터, 피처리수의 도전율이 작다면 비교예 3에서는 운전 전압의 상승 경향이 발현되고, 촉매 입자에 의한 처리를 행하지 않을 경우에는 운전 전압이 현저하게 상승하여, 실용적인 인가 전류밀도에서의 운전을 행할 수 없는 것이 판명되었다.
[실시예 4 및 비교예 4]
실시예 3 및 비교예 3과 같은 EDI 장치이지만, 탈염실에 충전되는 이온교환체로서, 이온교환기로서 제4급 암모늄기를 갖는 스타이렌계의 강염기성 음이온 교환 수지인 앰버라이트(등록상표)IRA402BL(다우케미컬사 제품, 겉보기의 밀도의 참고값: 약 715g/ℓ)만을 사용하고, 탈염실을 단상 구성인 것으로 하였다. 실시예 4에서 사용하는 음이온 교환 수지에 대해서는, 미리, 실시예 1에서 설명한 방법과 같은 처리를 행하여, 그 표면에 애터펄자이트를 흡착시켰다. 피처리수 및 공급수로서 실시예 3과 같은 것을 사용하고, 각 실에의 통수 유량도 실시예 3과 같이 해서, 표 4의 인가 전류밀도의 난에 나타낸 인가 전류밀도가 되도록 EDI 장치에 전압을 인가하고, 1시간이 경과한 시점에서의 운전 전압을 구하였다.
실시예 4 비교예 4
음이온교환수지에 흡착시킨 입자 애터펄자이트 없음
인가전류밀도[A/dm2] 0.3 0.8 0.3 0.8
운전전압[V] 4.3→ 5.3→ 61↑ 97↑
실시예 4 및 비교예 4의 결과로부터, 실시예 1, 3과 같이 혼상의 이온교환수지를 탈염실에 충전할 경우에 비해서, 단상의 이온교환수지를 충전할 경우에, 촉매 입자를 흡착시키는 것의 효과가 특히 증대되는 것을 알 수 있었다.
[실시예 5]
도 1에 나타낸 탈이온수 제조 시스템을 조립하였다. 탈이온수 제조 시스템에 설치되는 EDI 장치로서는, 실시예 2-1에서 이용한 EDI 장치에 있어서 셀 세트의 반복 횟수 N을 5로 한 것을 사용하였다. 사용하는 이온교환수지 및 이온교환막, 각 실의 치수 등도 실시예 2-1과 같지만, 이온교환막에의 촉매 입자의 흡착은 행하지 않았다. 그 대신에, EDI 장치에서 사용되는 음이온 교환 수지에 대하여, 미리, 실시예 1에서 나타낸 방법과 같은 방법으로 애터펄자이트를 흡착시켜, 실시예 2-1에서는 음이온 교환막이었던 중간 이온교환막을 양이온 교환막으로 변경하였다. 이 구성으로 함으로써, 제1 소탈염실의 애터펄자이트를 흡착시킨 음이온 교환 수지와 중간 이온교환막 사이에서 수 해리 반응을 촉진시키는 것이 가능하게 된다. 실시예 5에서는, 2단의 역침투막장치를 통과한 투과수를 EDI 장치의 피처리수로서 사용하고 있고, 그 도전율은 2±1μS/㎝이며, 나트륨 농도는 100μg/ℓ이고, 실리카 농도는 50μg/ℓ였다. 공급수로서는 역침투막투과수를 사용하였다.
피처리수 유량을 800ℓ/h, 농축수 유량을 80ℓ/h, 전극수 유량을 20ℓ/h로 하고, 인가 전류밀도를 0.5A/dm2로 해서, EDI 장치로부터 유출되는 탈이온수의 수질과 운전 전압을 구하였다. 결과를 표 5에 나타낸다.
실시예 5
탈이온수의 수질[㏁·㎝] 17.9
인가전류밀도[A/dm2] 0.5
운전전압[V] 19→
실시예 5의 결과로부터, 2단의 역침투막장치를 통과한 투과수과 같이 잔류 이온 농도가 낮아서 도전율이 낮은 피처리수를 이용할 경우이어도, EDI 장치에 있어서의 전류밀도를 크게 하는 것이 가능하게 되고, 또한, 피처리수의 유량도 크게 될 수 있는 것을 알 수 있었다. EDI 장치에 있어서의 셀 세트당의 피처리수 유량으로 비교하면, 실시예 5에서의 유량은, 실시예 2에서의 유량의 2.67배가 된다.
[실시예 6]
도 3에 나타낸 탈이온수 제조 시스템을 조립하였다. 이 탈이온수 제조 시스템에는, 직렬로 접속된 2개의 EDI 장치(10, 15)가 이용되지만, 어느 쪽의 EDI 장치(10, 15)에도 실시예 5에서 설명한 것과 같은 EDI 장치를 사용하였다. 2단으로 접속된 막침투 장치(51, 52)를 구비하는 동시에 2단의 EDI 장치(10, 15)를 사용하고 있는 것에 의해, 2단째의 EDI 장치(10)에 공급되는 피처리수는, 비저항이 16±2MΩ·㎝(즉, 도전율은 0.0635± 0.008μS/㎝)로 매우 도전율이 작고, 또한, 그 붕소 농도는, 1± 0.2μg/ℓ였다. 1단째의 EDI 장치(15)의 공급수로서는, 역침투막투과수를 사용하고, 2단째의 EDI 장치(10)의 공급수에는, 1단째의 EDI 장치(15)의 처리수, 즉, 1단째의 EDI 장치(15)로부터의 탈이온수를 사용하였다.
1단째의 EDI 장치(15)에 있어서의 피처리수 유량을 570ℓ/h, 농축수 유량을 50ℓ/h, 전극수 유량을 20ℓ/h로 하고, 2단째의 EDI 장치(10)에 있어서의 피처리수 유량을 500ℓ/h, 농축수 유량을 50ℓ/h, 전극수 유량을 20ℓ/h로 하였다. EDI 장치(10, 15)에서의 인가 전류밀도를 모두 0.8A/dm2로 하고, 2단째의 EDI 장치(10)로부터의 흘러나오는 탈이온수의 수질 및 붕소 농도와 운전 전압을 구하였다. 결과를 표 6에 나타낸다.
실시예 6
탈이온수의 수질[㏁·㎝] 18.2
탈이온수의 붕소농도[ng/ℓ] 10 미만
인가전류밀도[A/dm2] 0.8
운전전압[V] 14→
EDI 장치를 2단 접속해서 불순물 농도가 극히 낮은 탈이온수를 얻고자 할 경우, 2단째의 EDI 장치에 공급되는 피처리수의 도전율이 낮으므로 2단째의 EDI 장치의 운전 전압이 상승하는 것이 염려되지만, 실시예 6의 결과로부터, 본 발명에 의거한 EDI 장치를 사용함으로써, 운전 전압의 상승을 억제할 수 있는 것을 알 수 있었다. 본 발명에 의거하면, 보다 고순도의 탈이온수를 용이하게 얻을 수 있게 된다. 또한, 붕소는 통상의 탈염 처리에 의해서는 제거가 어려운 원소로서 알려져 있지만, 실시예 6에 따르면, ng/ℓ의 정도까지 제거할 수 있는 것을 알 수 있었다.
[실시예 7]
도 1에 나타낸 탈이온수 제조 시스템을 조립하였다. 탈이온수 제조 시스템에 설치되는 EDI 장치로서는, 도 8에 나타낸 EDI 장치를 사용하고, 셀 세트의 반복 횟수 N을 5로 하였다. 피처리수의 흐름에 따라 상류측에서부터 양이온 교환 수지층, 음이온 교환 수지층, 양이온 교환 수지층 및 음이온 교환 수지층이 이 순서로 배치되도록, 탈염실을 복층상 구성으로 하였다. 사용한 이온교환막 및 이온교환수지는, 실시예 1의 경우와 같고, 음이온 교환 수지에 대해서는, 미리, 실시예 1과 같은 처리 방법에 의해 애터펄자이트를 흡착시켰다. 탈염실, 농축실, 양극실 및 음극실의 치수도 실시예 1의 경우와 마찬가지이다. 실시예 7에서는, 2단의 역침투막장치를 통과한 투과수를 EDI 장치의 피처리수로서 사용하고 있고, 그 도전율은 1.5± 0.2μS/㎝였다. 공급수로서는, 역침투막투과수를 사용하였다.
피처리수 유량을 1000ℓ/h, 농축수 유량을 100ℓ/h, 전극수 유량을 20ℓ/h로 하고, 인가 전류밀도를 0.6A/dm2로 하고, 1000시간의 운전 후의 운전 전압을 측정한 바, 18V였다.
실시예 1과 실시예 7을 비교하면, 셀 세트당의 운전 전압은 실시예 1에서는 4.0V인 것에 대해 실시예 7에서는 3.6V였다. 실시예 7에서의 전류밀도는 실시예 1에서의 전류밀도의 2배이며, 게다가 피처리수의 도전율은 실시예 7쪽이 낮은데도 불구하고, 셀 세트당의 운전 전압은 실시예 7쪽이 실시예 1보다도 낮은 것은, 탈염실 내의 이온교환체의 구성을 혼상 구성으로 하는 것보다도 복층상 구성으로 함으로써, 음이온 교환 수지에 애터펄자이트를 흡착시키는 것의 현저한 효과가 얻어지는 것을 나타내고 있다. 또한, EDI 장치 셀 세트당의 피처리수 유량으로 비교하면, 실시예 7에서의 유량은 실시예 1에서의 유량의 3.33배가 된다.
10, 15: 전기식 탈이온수 제조장치(EDI 장치)
11: 양극 12: 음극
51,52: 역침투막장치 21: 양극실
22,24: 농축실 26: 제1 소탈염실
27: 제2 소탈염실 23: 탈염실
25: 음극실 31,33: 양이온 교환막(CEM)
32,34: 음이온 교환막(AEM) 36: 중간 이온교환막(IIEM)
41: 양이온 교환체 42: 음이온 교환체
43: 촉매 입자

Claims (26)

  1. 원수가 공급되어서 탈이온수를 제조하는 탈이온수 제조 시스템으로서,
    원수가 공급되는 역침투막장치; 및
    이온교환막으로 구획되어 상기 역침투막장치의 투과수가 공급되는 탈염실을 포함하는 전기식 탈이온수 제조장치를 포함하되,
    상기 탈염실의 내부에 이온교환체가 충전되고,
    상기 이온교환막의 적어도 일부 및 상기 이온교환체의 적어도 일부 중 적어도 한쪽 표면에 다가 금속을 포함하는 입자가 흡착되어 있는 탈이온수 제조 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 탈염실에 충전되는 상기 이온교환체는, 음이온 교환체 및 양이온 교환체 중 어느 한쪽인, 탈이온수 제조 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 탈염실에 있어서, 상기 탈염실에서의 물의 흐름 방향을 따라서 양이온 교환체와 음이온 교환체가 교대로 배치되어 있는, 탈이온수 제조 시스템.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 역침투막장치는, 각각 역침투막을 구비하는 장치를 2단 직렬로 접속한 구성을 갖는, 탈이온수 제조 시스템.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전기식 탈이온수 제조장치의 상기 탈염실에 공급되는 상기 투과수에 있어서의 나트륨 농도가 100 ㎍/ℓ 이하이며, 실리카 농도가 50㎍/ℓ 이하인, 탈이온수 제조 시스템.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전기식 탈이온수 제조장치의 상기 탈염실에 공급되는 상기 투과수의 도전율이 3μS/㎝ 이하인, 탈이온수 제조 시스템.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 역침투막장치와 상기 전기식 탈이온수 제조장치 사이에 추가의 전기식 탈이온수 제조장치를 구비하고,
    상기 역침투막장치의 투과수가, 상기 추가의 전기식 탈이온수 제조장치의 탈염실을 경유해서 상기 전기식 탈이온수 제조장치의 상기 탈염실에 공급되는, 탈이온수 제조 시스템.
  8. 제7항에 있어서, 상기 전기식 탈이온수 제조장치의 상기 탈염실로부터 배출되는 탈이온수 중의 붕소 농도가 10 ng/ℓ 이하가 되도록 상기 전기식 탈이온수 제조장치가 운전되는, 탈이온수 제조 시스템.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 입자는 규산염으로 이루어진, 탈이온수 제조 시스템.
  10. 제9항에 있어서, 상기 입자는 규산알루미늄, 규산마그네슘, 규산칼슘, 규산칼슘 마그네슘, 알루미노규산염 및 규산염 광물 중 적어도 하나로 이루어진, 탈이온수 제조 시스템.
  11. 제10항에 있어서, 상기 입자는, 애터펄자이트, 세피오라이트 및 규회석 중 적어도 하나로 이루어진, 탈이온수 제조 시스템.
  12. 양극을 구비한 양극실과 음극을 구비한 음극실 사이에 적어도 1개의 탈염실을 구비하고, 상기 탈염실은 상기 양극을 향한 쪽에 위치하는 음이온 교환막과 상기 음극을 향한 쪽에 위치하는 양이온 교환막에 의해서 구획되고, 상기 탈염실 내에 음이온 교환체 및 양이온 교환체 중 적어도 한쪽이 충전되어 있는 전기식 탈이온수 제조장치에 있어서,
    상기 음이온 교환막, 상기 양이온 교환막, 상기 음이온 교환체 및 상기 양이온 교환체 중 적어도 하나의 표면에 다가 금속을 포함하는 입자를 흡착시킨 것을 특징으로 하는, 전기식 탈이온수 제조장치.
  13. 제12항에 있어서, 상기 입자는 규산염으로 이루어진, 전기식 탈이온수 제조장치.
  14. 제13항에 있어서, 상기 입자는 규산알루미늄, 규산마그네슘, 규산칼슘, 규산칼슘 마그네슘, 알루미노규산염 및 규산염 광물 중 적어도 하나로 이루어진, 전기식 탈이온수 제조장치.
  15. 제14항에 있어서, 상기 입자는 애터펄자이트, 세피오라이트 및 규회석 중 적어도 하나로 이루어진, 전기식 탈이온수 제조장치.
  16. 제12항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 입자가 상기 음이온 교환막 및 상기 음이온 교환체의 적어도 한쪽 표면에 흡착되어 있는, 전기식 탈이온수 제조장치.
  17. 제12항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 음이온 교환막 및 상기 양이온 교환막 중 적어도 한쪽이 불균질 이온교환막인, 전기식 탈이온수 제조장치.
  18. 제12항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 음이온 교환체 및 상기 양이온 교환체의 체적에 대한 상기 입자의 체적이 1체적% 미만인, 전기식 탈이온수 제조장치.
  19. 제12항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 탈염실에 상기 음이온 교환체 및 상기 양이온 교환체 중 어느 한쪽이 충전되는, 전기식 탈이온수 제조장치.
  20. 제12항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 탈염실에 있어서, 상기 탈염실에서의 물의 흐름 방향을 따라서 상기 음이온 교환체와 상기 양이온 교환체가 교대로 배치되어 있는, 전기식 탈이온수 제조장치.
  21. 제12항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 탈염실은, 상기 음이온 교환막과 상기 양이온 교환막 사이에 위치하는 중간 이온교환막을 구비해서 상기 중간 이온교환막에 의해서 제1 소탈염실 및 제2 소탈염실로 구획되고, 상기 음이온 교환막과 상기 중간 이온교환막에 의해서 구획되는 상기 제1 소탈염실에는 적어도 상기 음이온 교환체가 충전되며, 상기 양이온 교환막과 상기 중간 이온교환막에 의해서 구획되는 상기 제2 소탈염실에는 적어도 상기 양이온 교환체가 충전되고, 상기 제1 소탈염실 및 상기 제2 소탈염실 중 한쪽의 소탈염실에 상기 피처리수가 공급되어서 상기 한쪽의 소탈염실로부터 유출되는 물이 다른 쪽의 소탈염실로 유입되도록, 상기 제1 소탈염실 및 상기 제2 소탈염실이 연통하고 있는, 전기식 탈이온수 제조장치.
  22. 제21항에 있어서, 상기 입자가 상기 중간 이온교환막의 표면에 흡착되어 있는, 전기식 탈이온수 제조장치.
  23. 제12항 내지 제22항 중 어느 한 항의 전기식 탈이온수 제조장치를 사용하는 탈이온수의 제조 방법으로서,
    상기 탈염실에 있어서의 전류밀도가 0.3A/dm2 이상 10A/dm2 이하가 되도록 상기 양극과 상기 음극 사이에 상기 직류 전압을 인가하면서 상기 탈염실에 피처리수를 흐르게 해서 탈이온수를 얻는 것을 특징으로 하는 탈이온수의 제조 방법.
  24. 양극을 구비한 양극실과 음극을 구비한 음극실 사이에 적어도 1개의 탈염실을 구비하고, 상기 탈염실은 상기 양극을 향한 쪽에 위치하는 음이온 교환막과 상기 음극을 향한 쪽에 위치하는 양이온 교환막에 의해서 구획되고, 상기 탈염실 내에 음이온 교환체 및 양이온 교환체 중 적어도 한쪽이 충전되어 있는 전기식 탈이온수 제조장치를 이용한 탈이온수의 제조 방법으로서,
    상기 음이온 교환막, 상기 양이온 교환막, 상기 음이온 교환체 및 상기 양이온 교환체 중 적어도 하나의 표면에 다가 금속을 포함하는 입자를 흡착시키는 공정과,
    상기 흡착시키는 공정 이후, 상기 양극과 상기 음극 사이에 직류 전압을 인가하면서 상기 탈염실에 피처리수를 흐르게 해서 탈이온수를 얻는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 탈이온수의 제조 방법.
  25. 음이온 교환체 및 양이온 교환체 중 적어도 한쪽이 충전되어 있는 적어도 1개의 탈염실을 양극을 구비한 양극실과 음극을 구비한 음극실 사이에 구비하는 전기식 탈이온수 제조장치에 있어서 이용되고, 상기 탈염실에 있어서 상기 양극을 향한 쪽에 위치해서 상기 탈염실을 구획하는 음이온 교환막, 상기 탈염실에 있어서 상기 음극을 향한 쪽에 위치해서 상기 탈염실을 구획하는 양이온 교환막 및 상기 탈염실 내를 더욱 소탈염실로 구획하는 중간 이온교환막 중 적어도 1개인 이온교환막에 있어서,
    상기 이온교환막의 표면에 다가 금속을 포함하는 입자를 흡착시킨 것을 특징으로 하는, 전기식 탈이온수 제조장치용 이온교환막.
  26. 양극을 구비한 양극실과 음극을 구비한 음극실 사이에 적어도 1개의 탈염실을 구비하고, 상기 탈염실은 상기 양극을 향한 쪽에 위치하는 음이온 교환막과 상기 음극을 향한 쪽에 위치하는 양이온 교환막에 의해서 구획되어 있는 전기식 탈이온수 제조장치에 있어서 이용되고, 음이온 교환체 및 양이온 교환체 중 적어도 한쪽을 포함해서 상기 탈염실 내에 충전되는 이온교환체에 있어서,
    상기 이온교환체의 표면에 다가 금속을 포함하는 입자를 흡착시킨 것을 특징으로 하는, 전기식 탈이온수 제조장치용 이온교환체.
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