KR101526093B1 - 전기식 탈이온수 제조 장치 - Google Patents

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Abstract

스케일의 발생을 억제하면서, 고순도의 탈이온수를 제조 가능하게 한다. 탈염실 (D) 과, 탈염실 (D) 의 양 옆에 형성됨과 함께, 아니온 교환체가 충전된 1 쌍의 농축실 (C1, C2) 로 구성되는 탈염 처리부가 음극실 (E1) 과 양극실 (E2) 의 사이에 적어도 1 개 설치된 전기식 탈이온수 제조 장치로서, 탈염실 (D) 은, 이온 교환막에 의해, 농축실 (C1) 의 일방에 인접하는 제 1 소탈염실 (D-1) 과, 농축실 (C2) 에 인접하는 제 2 소탈염실 (D-2) 로 구획되고, 제 1 소탈염실 (D-1) 에는, 아니온 교환체가 충전되고, 제 2 소탈염실 (D-2) 에는, 피처리수가 마지막으로 통과하는 이온 교환체가 아니온 교환체로 되는 순서로, 아니온 교환체와 카티온 교환체가 충전되고, 제 2 소탈염실 (D-2) 에 충전되어 있는 아니온 교환체의 음극측에는, 바이폴라막 (4a) 이 그 아니온 교환막면이 아니온 교환체와 대향하는 방향으로 배치되어 있다.

Description

전기식 탈이온수 제조 장치{ELECTRIC DEVICE FOR PRODUCING DEIONIZED WATER}
본 발명은, 전기식 탈이온수 제조 장치에 관한 것으로, 특히 탈염실의 구조에 관한 것이다.
종래, 이온 교환체에 피처리수를 통수(通水)시켜 탈이온을 실시하는 탈이온수 제조 장치가 알려져 있다. 이와 같은 제조 장치에서는, 이온 교환체의 이온 교환기가 포화되어 탈염 성능이 저하되었을 때에, 산이나 알칼리와 같은 약제에 의해 이온 교환기의 재생을 실시할 필요가 있다. 구체적으로는, 이온 교환기에 흡착된 음이온이나 양이온을 산 또는 알칼리 유래의 H＋ 나 OH- 로 치환하는 처리가 필요해진다. 최근, 상기와 같은 운전 상의 불리한 점을 해소하기 위해, 약제에 의한 재생이 불필요한 전기식 탈이온수 제조 장치가 개발되어 실용화되고 있다.
전기식 탈이온수 제조 장치는, 전기 영동과 전기 투석을 조합시킨 장치이다. 일반적인 전기식 탈이온수 제조 장치의 기본 구성은 다음과 같다. 즉, 전기식 탈이온수 제조 장치는, 탈염실과, 그 탈염실의 양측에 배치된 1 쌍의 농축실과, 일방의 농축실의 외측에 배치된 양극실과, 타방의 농축실의 외측에 배치된 음극실을 갖는다. 탈염실은, 대향 배치된 아니온 교환막 및 카티온 교환막과, 그들 교환막의 사이에 충전된 이온 교환체 (아니온 교환체 또는/및 카티온 교환체) 를 갖는다. 이하, 전기식 탈이온수 제조 장치를 「탈이온수 제조 장치」라고 약칭하는 경우도 있다.
상기와 같은 구성을 갖는 탈이온수 제조 장치에 의해 탈이온수를 제조하려면, 양극실 및 음극실에 각각 형성되어 있는 전극간에 직류 전압을 인가한 상태로 탈염실에 피처리수를 통수시킨다. 탈염실에서는, 아니온 교환체에 의해 아니온 성분 (Cl-, CO3 2 -, HCO3 -, SiO2 등) 이, 카티온 교환체에 의해 카티온 성분 (Na＋, Ca2 ＋, Mg2＋ 등) 이 포착된다. 동시에, 탈염실 내의 아니온 교환체와 카티온 교환체의 계면에서 물의 해리 반응이 일어나, 수소 이온과 수산화물 이온이 발생한다 (2H2O → H＋ ＋ OH-). 이온 교환체에 포착된 이온 성분은, 이 수소 이온 및 수산화물 이온과 교환되어 이온 교환체로부터 유리된다. 유리된 이온 성분은 이온 교환체를 따라 이온 교환막 (아니온 교환막 또는 카티온 교환막) 까지 전기 영동하고, 이온 교환막에서 전기 투석되어 농축실로 이동한다. 농축실로 이동한 이온 성분은, 농축실을 흐르는 물에 의해 배출된다.
이상과 같이, 전기식 탈이온수 제조 장치에서는, 수소 이온과 수산화물 이온이 이온 교환체를 재생하는 재생제 (산이나 알칼리) 로서 연속적으로 작용한다. 이 때문에, 상기 서술한 바와 같은 약제에 의한 이온 교환체의 재생이 기본적으로는 불필요하고, 연속 운전이 가능하다.
그러나, 탈이온수 제조 장치를 연속 운전하면, 피처리수 중의 경도 성분이 석출되어, 탄산칼슘이나 수산화마그네슘 등의 스케일이 발생한다. 스케일은 특히, 음극실과 농축실을 격리하는 아니온 교환막의 농축실측 표면에서 발생한다. 또, 탈염실이 복수 형성되어 있는 경우에는, 2 개의 탈염실에 끼워진 농축실의 아니온 교환막 표면에서 스케일이 발생한다. 그 이유는 다음과 같다. 음극실 내에 있어서의 전기 분해에 의해 생성된 수산화 이온, 탈염실에 있어서의 물 해리 반응에 의해 생성된 수산화 이온이 통과함으로써, 농축실의 아니온 교환막 표면은 알칼리성으로 되어 있다. 그러면, 탈염실로부터 카티온 교환막을 통과해 온 경도 성분 (마그네슘 이온이나 칼슘 이온) 이, 알칼리성으로 되어 있는 아니온 교환막 표면에 있어서 반응하여, 수산화마그네슘이나 수산화칼슘이 생성된다. 농축수에 탄산 이온이 함유되어 있는 경우에는, 추가로 탄산칼슘이나 탄산마그네슘이 생성된다. 스케일이 발생하면, 스케일 발생 부분에 있어서의 전기 저항이 상승하여, 전류가 흐르기 어려워진다. 즉, 스케일의 발생이 없는 경우와 동일한 전류치를 흐르게 하기 위해서는 전압을 상승시킬 필요가 있어, 소비 전력의 증가를 초래한다. 또, 농축실 내에 있어서의 전류 밀도가 불균일해지는 경우도 있다. 또한, 스케일의 양이 더욱 증가하면, 통수 차압의 상승이 생김과 함께, 전기 저항이 더욱 상승한다. 이 경우, 이온 제거에 필요한 전류를 흘릴 수 없게 되어, 처리 수질의 저하를 초래한다. 더하여, 성장한 스케일이 이온 교환막의 내부에까지 침입하여, 이온 교환막을 손상시키는 경우도 있다.
그래서, 상기와 같은 스케일의 생성을 억제하는 방법의 하나로서, 농축실 내에 아니온 교환체를 충전하는 것이 제안되어 있다. 예를 들어, 특허문헌 1 에는, 농축실의 아니온 교환막측에 특정 구조의 아니온 교환체가 배치된 탈이온수 제조 장치가 개시되어 있다. 이 탈이온수 제조 장치에 의하면, OH- 의 농축수에의 확산 희석이, 다공성 아니온 교환체 표면에서 촉진되어 그 표면에 있어서의 OH- 농도의 신속한 저감이 도모된다. 한편, 경도 성분 이온은, 다공성 아니온 교환체의 내부에 침입하기 어려워진다. 이 결과, OH- 와 경도 성분 이온이 접촉하여 반응하는 기회가 저감되어, 스케일의 석출이나 축적이 억제된다.
또, 특허문헌 2 에는, 물 투과성이 상이한 이온 교환체의 층이 농축실 내에 2 층 이상 형성되고, 또한, 물 투과성이 작은 이온 교환체의 층이 아니온 교환막측에 배치되어, 그 층의 적어도 표면에 아니온 교환기를 갖는 탈이온수 제조 장치가 개시되어 있다. 이 탈이온수 제조 장치에 의하면, 물 투과성이 큰 층을 이동해 온, 경도 성분을 많이 함유하는 농축수가 물 투과성이 작은 층에 도달하면, 그 농축수의 이동력이 저감된다. 이 결과, 경도 성분을 많이 함유하는 농축수가 음이온 교환막의 농축실측 표면에 유입되는 것이 방지되어 스케일의 석출이나 축적이 억제된다.
일본 공개특허공보 2001-225078호 일본 공개특허공보 2002―1345호
그러나, 탈이온수 제조 장치에서는, 농축실에 아니온 교환체를 충전함으로써 스케일의 생성을 회피할 수 있었다고 해도, 스케일의 생성과는 다른 다음과 같은 문제가 발생한다. 농축수에 함유되는 탄산이나 실리카로 대표되는 약산 아니온 성분이 농축실과 탈염실을 구획하는 이온 교환막을 통과하여 처리수 중에 확산되어, 처리수의 순도를 저하시킨다. 이러한 처리수의 순도 저하는, 농축실에 아니온 교환체가 충전되어 있는 경우에 의해 현저하게 나타나게 된다. 이하, 탄산과 실리카를 예로서 구체적으로 설명한다.
일반적으로, 카티온 교환막은 카티온만 선택적으로 투과시키는 이온 교환막이다. 그 원리는, 막 자체에 - (마이너스) 전하를 가지게 하고, - 전하를 갖는 아니온에 대해 반발력을 작용하게 하여 투과를 저지하는 것이다. 한편, 탄산 (이산화탄소) 이나 실리카는 수용액 중에서 각 이온종의 형태를 취하며, 그것들은 평형 상태에 있다.
CO2 ⇔ HCO3 - ⇔ CO3 2 -
SiO2 ⇔ Si(OH)4 ⇔ Si(OH)3O-
상기와 같은 평형 상태에 있어서 각 이온종이 전체에 차지하는 비율은, pH 에 의해 크게 변화한다. pH 가 낮은 영역에서는 탄산이나 실리카의 대부분은 이온화되어 있지 않은, 요컨대 전하를 가지지 않은 상태에서 CO2, SiO2 로서 존재하고 있다.
이 때문에, pH 가 낮은 영역에서 카티온 교환막을 사용하여 탄산이나 실리카의 이동을 저지하려고 해도, - 전하에 의한 반발력이 유효하게 작용하지 않기 때문에, 이들의 분자는 용이하게 카티온 교환막을 통과하게 된다.
도 6 을 참조하여 구체적으로 설명한다. 탈염실 (D) 의 음극측에는 카티온 교환막을 개재하여 농축실 (C2) 이 배치되고, 양극측에는 아니온 교환막을 개재하여 농축실 (C1) 이 배치되어 있다. 여기서, 탈염실 (D) 에는 카티온 교환체 및 아니온 교환체가 충전되고, 농축실 (C1, C2) 에는 아니온 교환체가 충전되어 있다. 처리수는 탈염실 (D) 을 통과하여 계 외로 배출된다.
탈염실 (D) 로부터 농축실 (C2) 을 향해, 피처리수 중의 카티온 성분과 함께 물 해리 반응에 의해 생기는 다량의 수소 이온 (H＋) 이 카티온 교환체를 따라 이동해 온다. 농축실 (C2) 에는 아니온 교환체가 충전되어 있으므로, 카티온 교환막을 통과한 수소 이온 (H＋) 은, 카티온 교환막의 농축실측 표면에서 일제히 방출된다. 즉, 카티온 교환막의 농축실측 표면은, 수소 이온 (H＋) 이 많은 상태 (요컨대 pH 가 낮은 상태) 가 된다. 한편, 농축수에 함유되는 탄산이나 실리카 (도면에서는 탄산으로 설명하고 있지만, 실리카에서도 동일하다) 는 농축실 (C1 및 C2) 내의 아니온 교환체에 의해 이온으로서 포착되어, 아니온 교환체를 따라 카티온 교환막 표면까지 이동한다. 농축실 (C2) 의 카티온 교환막 표면에서는 탄산이나 실리카의 농도가 높아지는데다, pH 가 낮아지고 있다. 결과적으로 pH 가 낮은 조건하에서 이온화되지 않는 탄산이나 실리카는, 아니온 교환체로부터 유리된 후에 전하를 상실하고, 카티온 교환막을 투과하여 피처리수에 확산되게 된다.
또, 도 7 에 나타내는 탈이온수 제조 장치에는 2 개의 탈염실 (D1, D2) 이 형성되어 있다. 이와 같이 복수의 탈염실이 형성되어 있는 경우에는, 농축수에 원래 함유되어 있는 탄산이나 실리카에 더하여, 피처리수에 함유되어 있는 탄산이나 실리카가 탈염실로부터 농축실로 이동해 온다. 따라서, 농축실 내에 있어서의 탄산이나 실리카의 농도가 상승하고, 탈염실에의 혼입에 의한 처리수의 순도 저하는 보다 현저해진다. (도면 중에는 탄산이 도시되어 있지만, 실리카에 대해서도 동일하다).
본 발명의 목적은, 스케일의 발생을 억제하면서, 고순도의 탈이온수를 제조 가능하게 하는 것이다.
본 발명의 일 양태는, 대향하는 음극실과 양극실의 사이에 적어도 1 개의 탈염 처리부가 형성된 전기식 탈이온수 제조 장치이며, 상기 탈염 처리부는, 탈염실과, 그 탈염실의 양 옆에 형성됨과 함께, 아니온 교환체가 충전된 1 쌍의 농축실로 구성되어 있다. 상기 탈염실은, 이온 교환막에 의해, 상기 1 쌍의 농축실의 일방에 인접하는 제 1 소탈염실과, 상기 1 쌍의 농축실의 타방에 인접하는 제 2 소탈염실로 구획되어 있다. 또한, 상기 제 1 소탈염실에는, 아니온 교환체가 충전되고, 상기 제 2 소탈염실에는, 피처리수가 마지막으로 통과하는 이온 교환체가 아니온 교환체로 되는 순서로, 아니온 교환체와 카티온 교환체가 충전되어 있다. 더하여, 상기 제 2 소탈염실에 충전되어 있는 상기 아니온 교환체의 음극측에는, 바이폴라막이 그 아니온 교환막면이 상기 아니온 교환체와 대향하는 방향으로 배치되어 있다.
여기서 탈염실은 2 실로 구획은 되어 있지만, 이온의 거동은, 탈염실이 칸막이가 없는 1 실의 경우와 기본적으로 동일하다.
상기의 양태에서는, 음극측의 농축실에 존재하는 탄산이나 실리카 등의 아니온 성분의 일부가 이온 교환막을 통과하여 제 2 소탈염실로 이동한 경우, 그 아니온 성분은 제 2 소탈염실 내의 아니온 교환체에 의해 포착되어 제 1 소탈염실을 통하여 양극측의 농축실로 이동한다. 따라서, 농축실에 존재하는 탄산이나 실리카 등이 처리수 중에 확산되는 일이 없다. 또, 바이폴라막에 의해 물의 해리 반응이 촉진됨과 함께, 전류 밀도의 적절한 분배가 실현된다.
따라서 본 발명에 의하면, 스케일의 발생을 억제하면서, 고순도의 탈이온수가 제조 가능한 전기식 탈이온수 제조 장치가 실현된다.
도 1 은, 본 발명의 전기식 탈이온수 제조 장치의 실시형태의 일례를 나타내는 개략 구성도이다.
도 2 는, 도 1 에 나타내는 탈염실의 확대도이다.
도 3 은, (a) ∼ (d) 는, 실시예 1 및 비교예 1 ∼ 3 의 제 2 소탈염실에 있어서의 바이폴라막의 유무 및 배치 상태를 나타내는 모식도이다.
도 4 는, 본 발명의 전기식 탈이온수 제조 장치의 실시형태의 다른 예를 나타내는 개략 구성도이다.
도 5 는, 본 발명의 전기식 탈이온수 제조 장치의 실시형태의 다른 예를 나타내는 개략 구성도이다.
도 6 은, 농축수 중의 탄산 성분이 피처리수 중에 확산되는 원리를 나타내는 도면이다.
도 7 은, 처리수 중의 탄산 성분이 피처리수 중에 재확산되는 원리를 나타내는 모식도이다.
(실시형태 1)
이하, 도면을 참조하여, 본 발명의 전기식 탈이온수 제조 장치의 실시형태의 일례에 대해 설명한다.
도 1 은, 본 실시형태에 관련된 탈이온수 제조 장치의 개략 구성도이다. 도 1 에 나타내는 탈이온수 제조 장치에서는, 음극을 구비한 음극실 (E1) 과 양극을 구비한 양극실 (E2) 의 사이에, 탈염실 (D) 과, 탈염실 (D) 의 양 옆에 배치된 1 쌍의 농축실 (C1, C2) 로 구성되는 탈염 처리부가 형성되어 있다. 이하의 설명에서는, 1 쌍의 농축실 (C1, C2) 중, 양극실 (E2) 에 인접하고 있는 농축실 (C1) 을 「제 1 농축실 (C1)」, 음극실 (E1) 에 인접하고 있는 농축실 (C2) 을 「제 2 농축실 (C2)」이라고 호칭하여 구별한다. 단, 이러한 구별은 설명의 편의상의 구별에 불과하다.
여기서, 탈염실 (D) 은 2 개의 소탈염실로 구획되어 있다. 구체적으로는, 탈염실 (D) 은, 제 1 농축실 (C1) 에 인접하고 있는 제 1 소탈염실 (D-1) 과, 제 2 농축실 (C2) 에 인접하고 있는 제 2 소탈염실 (D-2) 로 구획되어 있다.
지금까지 설명한 각 실은, 프레임체 (1) 의 내부를 복수의 이온 교환막에 의해 다수의 공간으로 구획함으로써 형성되어 있고, 이온 교환막을 개재하여 인접하고 있다. 각 실의 배열 상황을 음극실 (E1) 의 측으로부터 순서대로 설명하면, 다음과 같다. 즉, 음극실 (E1) 은, 제 1 아니온 교환막 (a1) 을 개재하여 제 2 농축실 (C2) 에 인접하고, 제 2 농축실 (C2) 은, 제 1 카티온 교환막 (c1) 을 개재하여 제 2 소탈염실 (D-2) 과 인접하고 있다. 제 2 소탈염실 (D-2) 은, 제 2 아니온 교환막 (a2) 을 개재하여 제 1 소탈염실 (D-1) 과 인접하고, 제 1 소탈염실 (D-1) 은, 제 3 아니온 교환막 (a3) 을 개재하여 제 1 농축실 (C1) 과 인접하고 있다. 제 1 농축실 (C1) 은, 제 2 카티온 교환막 (c2) 을 개재하여 양극실 (E2) 과 인접하고 있다.
이하의 설명에서는, 상기 복수의 이온 교환막 중, 탈염실 (D) 을 제 1 소탈염실 (D-1) 과 제 2 탈염실 (D-2) 로 구획하고 있는 아니온 교환막을 「중간 이온 교환막」이라고 호칭하여 다른 이온 교환막과 구별하는 경우가 있다. 단, 이러한 구별은 설명의 편의상의 구별에 불과하다.
음극실 (E1) 에는 음극이 수용되어 있다. 음극은 금속의 망상체 혹은 판상체로 이루어져 있고, 예를 들어 스테인리스제의 망상체 혹은 판상체를 사용할 수 있다.
양극실 (E2) 에는 양극이 수용되어 있다. 양극은 금속의 망상체 혹은 판상체로 이루어져 있다. 피처리수에 Cl- 를 함유하는 경우, 양극에 염소가 발생한다. 이 때문에, 양극에는 내염소 성능을 갖는 재료를 사용하는 것이 바람직하고, 일례로서 백금, 팔라듐, 이리듐 등의 금속, 혹은 티탄을 이들의 금속으로 피복한 재료를 들 수 있다.
음극실 (E1) 및 양극실 (E2) 에는 전극수가 각각 공급된다. 이들 전극수는 전극 근방에서의 전기 분해에 의해, 수소 이온 및 수산화물 이온을 발생시킨다. 탈이온수 제조 장치의 전기 저항을 억제하기 위해서, 음극실 (E1) 및 양극실 (E2) 에는 이온 교환체가 충전되어 있는 것이 바람직하다. 또한, 음극실 (E1) 에는, 약염기성 아니온 교환체, 강염기성 아니온 교환체 등의 아니온 교환체가 충전되어 있는 것이 보다 바람직하다. 또, 양극실 (E2) 에는, 약산성 카티온 교환체, 강산성 카티온 교환체 등의 카티온 교환체가 충전되어 있는 것이 보다 바람직하다.
제 1 농축실 (C1) 및 제 2 농축실 (C2) 은, 탈염실 (D) 로부터 배출되는 아니온 성분 또는 카티온 성분을 수용하여, 그것들을 계 외로 방출하기 위해서 형성되어 있다. 각 농축실 (C1, C2) 에는, 스케일의 발생을 억제하기 위해 아니온 교환체가 단상(單床) 형태로 충전되어 있다.
도 2 는, 도 1 에 나타내는 탈염실 (D) 의 확대도이다. 도 2 에 나타내는 바와 같이, 제 1 소탈염실 (D-1) 에는, 아니온 교환체가 단상 형태로 충전되어 있다. 또, 제 2 소탈염실 (D-2) 에는, 아니온 교환체 및 카티온 교환체가 복상(複床) 형태로 충전되어 있다. 구체적으로는, 카티온 교환체의 층과 아니온 교환체의 층이 피처리수의 통수 방향을 따라 적층되어 있다. 보다 구체적으로는, 통수 방향 전단에 카티온 교환체층이 배치되고, 통수 방향 후단에 아니온 교환체층이 배치되어 있다. 즉, 제 2 소탈염실 (D-2) 에 유입된 피처리수는, 카티온 교환체층과 아니온 교환체층을 이 순서대로 통과한다. 바꾸어 말하면, 제 2 소탈염실 (D-2) 에 있어서 피처리수가 마지막으로 통과하는 이온 교환체의 층이 아니온 교환체층이 되는 순서로 아니온 교환체층과 카티온 교환체층이 적층되어 있다.
또한, 제 2 소탈염실 (D-2) 에는 바이폴라막이 배치되어 있다. 구체적으로는, 제 2 소탈염실 (D-2) 에 충전되어 있는 아니온 교환체 (아니온 교환체층) 와 제 1 카티온 교환막 (c1) 의 사이에 바이폴라막 (4a) 이 배치되어 있다. 여기서, 바이폴라막이란, 아니온 교환막과 카티온 교환막이 첩합(貼合)되어 일체화된 이온 교환막으로서, 아니온 교환막과 카티온 교환막의 접합면에 있어서 물의 해리 반응이 매우 촉진된다는 특징을 갖는다. 도 2 에 나타내는 바와 같이, 바이폴라막 (4a) 은, 그 아니온 교환막 (2) 이 아니온 교환체 (아니온 교환체층) 와 대향하는 방향으로 배치되어 있다.
다시 도 1 을 참조한다. 도 1 에서는, 프레임체 (1) 가 일체적으로 도시되어 있다. 그러나, 실제로는 방마다 다른 프레임체를 구비하고, 프레임체끼리가 서로 밀착하여 형성되어 있다. 프레임체 (1) 는 절연성을 가지며, 피처리수가 누설되지 않는 소재이면 특별히 한정되지 않고, 예를 들어, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리염화비닐, ABS, 폴리카보네이트, m-PPE (변성 폴리페닐렌에테르) 등의 수지를 들 수 있다.
여기서, 본 발명의 이해를 용이하게 하기 위해서, 도 1 에 나타내는 탈이온수 제조 장치에 있어서의 피처리수 및 농축수의 주된 흐름에 대해 미리 개설한다. 피처리수는, RO (Rverse Osmosis) 막에 통액된 후에 제 1 소탈염실 (D-1) 에 공급되고, 그 소탈염실 (D-1) 을 통과한다. 제 1 소탈염실 (D-1) 을 통과한 피처리수는, 제 2 소탈염실 (D-2) 에 공급되고, 그 소탈염실 (D-2) 을 통과한 후에 계 외로 배출된다. 한편, 농축수는, 제 1 농축실 (C1) 및 제 2 농축실 (C2) 에 각각 병렬적으로 공급되고, 이들 농축실을 통과하여 계 외로 배출된다.
상기와 같이 피처리수 및 농축수를 흘리기 위해서 몇 개의 유로 (U1 ∼ U3, L1 ∼ L2) 가 형성되어 있다. 도 1 에 있어서 탈이온수 제조 장치의 상방에 도시되어 있는 유로 (U1) 는, 그 일단이 피처리수의 공급측에 접속되고, 타단이 제 1 소탈염실 (D-1) 에 접속되어 있다. 탈이온수 제조 장치의 하방에 도시되어 있는 유로 (L1) 는, 그 일단이 제 1 소탈염실 (D-1) 에 접속되고, 타단이 제 2 소탈염실 (D-2) 에 접속되어 있다. 탈이온수 제조 장치의 상방에 도시되어 있는 유로 (U2) 는, 그 일단이 제 2 소탈염실 (D-2) 에 접속되고, 타단이 피처리수의 배출측에 접속되어 있다.
도 1 에 있어서 탈이온수 제조 장치의 상방에 도시되어 있는 유로 (U3) 는, 그 일단이 농축수의 공급측에 접속되고, 타단측은 도중에 분기되어, 제 1 농축실 (C1), 제 2 농축실 (C2) 에 각각 접속되어 있다. 탈이온수 제조 장치의 하방에 도시되어 있는 유로 (L2) 는, 제 1 농축실 (C1), 제 2 농축실 (C2) 에 각각 접속되고, 도중에 합류한 후에 농축수의 배출측에 접속되어 있다.
또한, 도시는 생략되어 있지만, 음극실 (E1) 및 양극실 (E2) 에는, 전극수를 공급하기 위한 유로와 공급된 전극수를 배출하기 위한 유로가 각각 접속되어 있다.
다음으로, 상기 구성을 갖는 탈이온수 제조 장치의 동작 및 작용에 대해 설명한다. 제 1 농축실 (C1), 제 2 농축실 (C2) 에는, 유로 (U3) 로부터 농축수가 공급되고, 유로 (L2) 로부터 배출된다. 또, 음극실 (E1) 및 양극실 (E2) 에는, 도시되지 않은 유로로부터 전극수가 공급되고, 도시되지 않은 유로로부터 전극수가 배출되도록 해 둔다. 또한, 양극, 음극의 사이에 소정의 직류 전압이 인가된다.
이상의 상태하에서, 유로 (U1) 로부터 제 1 소탈염실 (D-1) 에 피처리수가 공급된다. 공급된 피처리수 중의 아니온 성분 (Cl-, CO3 2 -, HCO3 -, SiO2 등) 은, 피처리수가 제 1 소탈염실 (D-1) 을 통과하는 과정에서 포착된다. 그리고, 제 1 소탈염실 (D-1) 에 있어서 포착된 아니온 성분은, 제 1 소탈염실 (D-1) 과 제 3 아니온 교환막 (a3) 을 개재하여 인접하는 제 1 농축실 (C1) 로 이동하고, 그 제 1 농축실 (C1) 을 통수하는 농축수와 함께 계 외로 배출된다.
다음으로, 제 1 소탈염실 (D-1) 을 통과한 피처리수는, 유로 (L1) 를 통하여 제 2 소탈염실 (D-2) 에 공급된다. 여기서, 제 2 소탈염실 (D-2) 에는, 카티온 교환체층과 아니온 교환체층이 이 순서대로 적층되어 있는 것은 이미 기술한 바와 같다. 따라서, 제 2 소탈염실 (D-2) 에 공급된 피처리수는, 먼저 카티온 교환체층을 통과하고, 그 후에 아니온 교환체층을 통과한다. 그 때, 카티온 교환체층을 통과하는 과정에서, 피처리수 중의 카티온 성분 (Na＋, Ca2 ＋, Mg2 ＋ 등) 이 포착된다. 구체적으로는, 제 2 소탈염실 (D-2) 내의 카티온 교환체에 있어서 포착된 카티온 성분은, 제 2 소탈염실 (D-2) 과 제 1 카티온 교환막 (c1) 을 개재하여 인접하는 제 2 농축실 (C2) 로 이동하고, 그 제 2 농축실 (C2) 을 통수하는 농축수와 함께 계 외로 배출된다.
또한, 제 2 소탈염실 (D-2) 에 있어서 카티온 교환체층을 통과한 피처리수는, 다음 단의 아니온 교환체층을 통과하는 과정에서, 아니온 성분 (Cl-, CO3 2 -, HCO3 -, SiO2 등) 이 재차 포착된다. 구체적으로는, 제 2 소탈염실 (D-2) 의 아니온 교환체에 있어서 포착된 아니온 성분은, 제 2 소탈염실 (D-2) 과 중간 이온 교환막 (a2) 을 개재하여 인접하는 제 1 소탈염실 (D-1) 로 이동한다. 제 1 소탈염실 (D-1) 로 이동한 아니온 성분은, 제 1 소탈염실 (D-1) 과 제 3 아니온 교환막 (a3) 을 개재하여 인접하는 제 1 농축실 (C1) 로 이동하고, 그 제 1 농축실 (C1) 을 통수하는 농축수와 함께 계 외로 배출된다.
이상이 본 실시형태에 관련된 탈이온수 제조 장치에 있어서의 탈이온 처리의 흐름이다. 그러나, 상기 처리의 과정에서, 제 2 농축실 (C2) 에 공급되는 농축수에 함유되어 있는 아니온 성분 (탄산이나 실리카) 의 일부가 제 1 카티온 교환막 (c1) 을 통과하여, 제 2 소탈염실 (D-2) 로 이동한다. 탄산이나 실리카가 카티온 교환막을 통과하는 원리에 대해서는 이미 설명한 바와 같다. 여기서, 제 2 농축실 (C2) 로부터 제 2 소탈염실 (D-2) 로 이동한 탄산이나 실리카는, 제 1 카티온 교환막 (c1) 의 양극측 표면 상에 균일하게 확산된다. 즉, 탄산이나 실리카는, 제 1 카티온 교환막 (c1) 의 양극측 표면 중, 제 2 소탈염실 (D-2) 내의 카티온 교환체층과 접하고 있는 영역에도, 아니온 교환체층과 접하고 있는 영역에도 확산된다. 그리고, 탄산이나 실리카는 카티온 교환체에 의해서는 포착되지 않기 때문에, 제 1 카티온 교환막 (c1) 의 양극측 표면 중, 카티온 교환체층과 접하고 있는 영역에 확산된 탄산이나 실리카는 피처리수의 흐름을 타고 카티온 교환체층을 통과하게 된다. 그러나, 제 2 소탈염실 (D-2) 에는, 피처리수의 통수 방향을 따라 카티온 교환체층과 아니온 교환체층이 적층되어 있다. 따라서, 카티온 교환체층을 통과한 탄산이나 실리카는, 다음 단의 아니온 교환체층에 있어서 재차 이온화하여 포착되어, 제 1 소탈염실 (D-1) 로 이동한다. 제 1 소탈염실 (D-1) 로 이동한 탄산이나 실리카는, 제 3 아니온 교환막 (a3) 을 통과하여, 제 1 농축실 (C1) 로 이동하고, 그 제 1 농축실 (C1) 을 통수하는 농축수와 함께 계 외로 배출된다. 따라서, 농축수에 함유되어 있는 탄산 및 실리카가 피처리수 중에 확산되어, 처리수의 순도를 저하시키는 일은 없다.
또한, 제 2 소탈염실 (D-2) 내의 카티온 교환체층과 아니온 교환체층의 적층 순서가 반대의 경우에는, 제 1 카티온 교환막 (c1) 의 양극측 표면 중, 카티온 교환체층과 접하고 있는 영역에 확산된 탄산이나 실리카를 포착할 수는 없어, 처리수의 순도가 저하되는 것은 자명하다.
지금까지의 설명으로부터, 제 2 소탈염실 (D-2) 내에 형성된 이온 교환체의 적층체의 최종단이 아니온 교환체층이면 상기 효과가 얻어지는 것을 이해할 수 있을 것이다. 바꾸어 말하면, 제 2 소탈염실 (D-2) 을 통과하는 피처리수가 마지막으로 통과하는 이온 교환체가 아니온 교환체이면 상기 효과가 얻어진다. 따라서, 최종단의 아니온 교환체층보다 전단의 이온 교환체층의 종류, 적층 순서, 적층수는 특별히 한정되지 않는다. 예를 들어, 카티온 교환체층과 아니온 교환체층을 최종단이 아니온 교환체층이 되는 순서로 4 층 이상 적층해도 된다.
또한, 본 실시형태에 관련된 탈이온수 제조 장치에서는, 피처리수가 최초로 공급되는 제 1 소탈염실 (D-1) 에 아니온 교환체가 충전되고, 피처리수가 다음으로 공급되는 제 2 소탈염실 (D-2) 에는, 카티온 교환체와 아니온 교환체가 이 순서로 적층되어 있다. 따라서, 피처리수는 최초로 아니온 교환체를 통과한다. 이로써, 피처리수로부터 아니온 성분이 제거되어 피처리수의 pH 가 상승한다.
또한, 제 1 소탈염실 (D-1) 을 통과한 피처리수는, 카티온 교환체와 아니온 교환체가 이 순서로 적층되어 있는 제 2 소탈염실 (D-2) 에 공급된다. 즉, 제 1 소탈염실 (D-1) 내의 아니온 교환체를 통과한 피처리수는, 이어서 카티온 교환체를 통과하고, 계속해서 아니온 교환체를 재차 통과한다. 요컨데, 본 실시형태의 구성에 의하면, 피처리수는, 아니온 교환체와 카티온 교환체를 교대로 통과한다.
여기서, 아니온 교환체는 피처리수의 pH 가 낮은 경우에 아니온 성분의 포착 능력이 높아지고, 카티온 교환체는 피처리수의 pH 가 높은 경우에 카티온 성분의 포착 능력이 높아진다. 따라서, 피처리수가 최초로 아니온 교환체를 통과하고, 그 후에 카티온 교환체와 아니온 교환체를 교대로 통과하게 되는 본 실시형태의 구성에 의하면, 아니온 교환체를 통과함으로써 아니온 성분이 제거되어, pH 가 상승한 피처리수가 계속해서 카티온 교환체를 통과한다. 따라서, 카티온 교환체에 의한 카티온 제거 반응이 통상보다 촉진된다. 또한, 카티온 교환체를 통과함으로써 카티온 성분이 제거되어, pH 가 저하된 피처리수가 계속해서 아니온 교환체를 통과한다. 따라서, 아니온 교환체에 의한 아니온 제거 반응이 통상보다 촉진된다. 따라서, 탄산이나 실리카를 함유하는 아니온 성분의 제거 능력이 더욱 향상될 뿐만 아니라, 카티온 성분의 제거 능력도 향상되고, 따라서 처리수의 순도가 보다 한층 향상된다.
이상과 같이, 본 실시형태에 관련된 탈이온수 제조 장치에 의하면, 농축수에 함유되어 있는 탄산이나 실리카의 일부가 이온 교환막을 통과하여 피처리수 중에 확산되는 것이 방지됨으로써 처리수의 순도가 향상되는 효과에 더하여, 피처리수에 함유되어 있는 탄산이나 실리카 등의 아니온 성분의 제거 능력이 향상되고, 나아가서는 피처리수에 함유되어 있는 카티온 성분의 제거 능력도 향상된다.
다음으로, 탈염실 (D) 에 바이폴라막 (4a) 이 배치되어 있는 것의 의의에 대해 설명한다. 탈이온수 제조 장치에서는, 전기에 의해 해리된 물이 이온 교환체의 재생제로서 기능하는 것은 이미 기술한 바와 같다. 여기서, 탈이온수 제조 장치에 인가되는 전압의 대부분은 물의 해리 반응에 이용된다. 따라서, 저전압, 고전류 밀도에서의 운전을 실현하기 위해서는, 물의 해리 반응을 촉진시키는 것이 바람직하다. 이 점, 탈염실 (D) 에 바이폴라막 (4a) 이 배치되어 있는 본 실시형태의 탈이온수 제조 장치에서는, 물의 해리 반응이 촉진되어 저전압, 고전류 밀도에서의 운전이 가능해진다.
또한, 본 실시형태의 탈이온수 제조 장치에서는, 물의 해리 반응을 촉진시키는 바이폴라막 (4a) 이 제 2 소탈염실 (D-2) 내의 아니온 교환체와 이온 교환막 (카티온 교환막 (c1)) 의 사이만 배치되어 있다. 바꾸어 말하면, 제 2 소탈염실 (D-2) 내의 카티온 교환체와 이온 교환막 (카티온 교환막 (c1) 및 아니온 교환막 (a2)) 의 사이에는 바이폴라막이 배치되어 있지 않다. 이것에는, 다음과 같은 의의가 있다. 즉, 제 2 소탈염실 (D-2) 내에 이(異)부호의 이온 교환체가 적층되어 있는 본 실시형태의 탈이온수 제조 장치에서는, 물 해리에 필요한 과전압이 각층에서 상이하여 편류가 발생하고, 그 편류는 상기 구조에 의해 더욱 현저해진다. 구체적으로는, 아니온 성분이 제거되는 아니온 교환체층에 흐르는 전류는 보다 증가하고, 카티온 성분이 제거되는 카티온 교환체층에 흐르는 전류는 보다 감소한다. 이것은, 아니온 성분의 제거량이 상대적으로 증가하고, 카티온 성분의 제거량이 상대적으로 감소하는 것을 의미한다.
그러나, RO 막에 통과된 피처리수에 있어서는, 아니온 성분에 비해 카티온 성분이 적은 경우가 많다. 특히, RO 막에 2 회 이상 통과된 피처리수에 있어서는, 아니온 성분에 비해 카티온 성분이 적은 경우가 대부분이다. 따라서, 상기 편류에 의해 아니온 성분 및 카티온 성분을 충분히 제거할 수 있다. 바꾸어 말하면, 상기 편류는 오히려 바람직한 분배이다.
본 실시형태에서는, 이온 교환막 상에 바이폴라막을 설치하는 구성에 대해 설명했다. 그러나, 이온 교환막의 일부를 바이폴라막으로 치환하는 것도 가능하고, 이러한 치환에 의해서도 상기와 동일한 작용 효과가 얻어진다. 예를 들어, 도 2 에 나타내는 카티온 교환막 (c1) 의 상반분 (아니온 교환체와 접하고 있는 부분) 을 바이폴라막으로 치환해도 된다.
또, 제 2 소탈염실 (D-2) 내의 이온 교환체의 적층수를 4 층 이상으로 하는 경우, 각 아니온 교환체와 접하는 각 이온 교환막 상에 각각 바이폴라막을 설치하면 된다.
(비교 시험 1)
본 발명의 효과를 확인하기 위해 다음과 같은 비교 시험을 실시했다. 즉, 도 1 에 나타내는 제 2 소탈염실 (D-2) 에 있어서의 바이폴라막의 유무 또는 배치 지점이 상이한 4 개의 탈이온수 제조 장치를 준비했다.
도 3(a) 에 나타내는 바와 같이, 당해 탈이온수 제조 장치 (실시예 1) 의 제 2 소탈염실 (D-2) 에는 바이폴라막 (4a) 이 배치되어 있다. 또한, 바이폴라막 (4a) 은, 그 아니온 교환막 (2) 이 아니온 교환체 (아니온 교환체층) 와 대향하는 방향으로 배치되어 있다. 즉, 당해 탈이온수 제조 장치는, 본 실시형태에 관련된 탈이온수 제조 장치와 동일한 탈염실을 구비하고 있다.
도 3(b) 에 나타내는 바와 같이, 당해 탈이온수 제조 장치 (비교예 1) 의 제 2 소탈염실 (D-2) 에는 바이폴라막은 배치되어 있지 않다.
도 3(c) 에 나타내는 바와 같이, 당해 탈이온수 제조 장치 (비교예 2) 의 제 2 소탈염실 (D-2) 에는, 제 1 바이폴라막 (4a) 및 제 2 바이폴라막 (4b) 이 각각 배치되어 있다. 또한, 제 1 바이폴라막 (4a) 은, 그 아니온 교환막 (2) 이 아니온 교환체 (아니온 교환체층) 와 대향하는 방향으로 배치되고, 제 2 바이폴라막 (4b) 은, 그 카티온 교환막 (3) 이 카티온 교환체 (카티온 교환체층) 와 대향하는 방향으로 배치되어 있다.
도 3(d) 에 나타내는 바와 같이, 당해 탈이온수 제조 장치 (비교예 3) 의 제 2 소탈염실 (D-2) 에는, 도 3(c) 에 나타내는 제 2 바이폴라막 (4b) 만이 배치되어 있다.
금회의 비교 시험에 있어서, 실시예 1 및 각 비교예에 공통되는 사양, 통수 유량, 공급수 등의 조건은 이하와 같다. 또한, CER 은 카티온 교환체 (카티온 교환 수지), AER 은 아니온 교환체 (아니온 교환 수지) 의 약어이다.
·음극실 ： 치수 100×300×4 mm AER 충전
·양극실 ： 치수 100×300×4 mm CER 충전
·제 1 소탈염실 ： 치수 100×300×8 mm AER 충전
·제 2 소탈염실 ： 치수 100×300×8 mm AER/CER 충전 (적층)
·농축실 ： 치수 100×300×4 mm AER 충전
·탈염실 유량 ： 50 ℓ/h
·농축실 유량 ： 5 ℓ/h
·전극실 유량 ： 10 ℓ/h
·전극실, 탈염실, 농축실 공급수 ： 2 단 RO 투과수 5±1 μS/cm
·인가 전류치 ： 3 A
이상의 조건하에서 실시예 1 및 비교예 1 ∼ 3 에 관련된 탈이온수 제조 장치를 각각 200 시간 연속 운전하고, 운전 개시시와 운전 개시부터 200 시간 후의 운전 전압, 처리수의 수질 및 처리수 중의 실리카 농도를 측정했다. 측정 결과를 표 1 에 나타낸다.
Figure 112013078534915-pct00001
(실시형태 2)
이하, 도면을 참조하여, 본 발명의 전기식 탈이온수 제조 장치의 실시형태의 다른 예에 대해 설명한다. 단, 본 실시형태에 관련된 탈이온수 제조 장치는, 음극실과 양극실의 사이에 복수의 탈염 처리부가 형성되어 있는 점을 제외하고, 실시형태 1 에 관련된 탈이온수 제조 장치와 공통된 구성을 갖는다. 그래서, 실시형태 1 에 관련된 탈이온수 제조 장치와 상이한 구성에 대해서만 이하에 설명하고, 공통되는 구성에 대한 설명은 적절히 생략한다.
도 4 는, 본 실시형태에 관련된 탈이온수 제조 장치의 개략 구성도이다. 도 4 에 나타내는 탈이온수 제조 장치에서는, 음극실 (E1) 과 양극실 (E2) 의 사이에 2 개의 탈염 처리부가 형성되어 있다. 2 개의 탈염 처리부 중, 상대적으로 음극측에 위치하는 제 1 탈염 처리부는, 탈염실 (D1) 과, 탈염실 (D1) 의 양 옆에 배치된 1 쌍의 농축실 (C1, C2) 로 구성되어 있다. 한편, 상대적으로 양극측에 위치하는 제 2 탈염 처리부는, 탈염실 (D2) 과, 탈염실 (D2) 의 양 옆에 배치된 1 쌍의 농축실 (C1, C3) 로 구성되어 있다.
이하의 설명에서는, 제 1 탈염 처리부를 구성하고 있는 탈염실 (D1) 을 「음극측 탈염실 (D1)」, 제 2 탈염 처리부를 구성하고 있는 탈염실 (D2) 을 「양극측 탈염실 (D2)」이라고 호칭하여 구별한다. 또, 농축실 (C1) 을 「제 1 농축실 (C1)」, 농축실 (C2) 을 「제 2 농축실 (C2)」, 농축실 (C3) 을 「제 3 농축실 (C3)」 이라고 호칭하여 구별한다. 단, 이러한 구별은 설명의 편의상의 구별에 불과하다.
또한, 음극측 탈염실 (D1) 및 양극측 탈염실 (D2) 은, 각각 2 개의 소탈염실로 구획되어 있다. 이하의 설명에서는, 음극측 탈염실 (D1) 을 구성하고 있는 2 개의 소탈염실 중, 제 1 농축실 (C1) 과 인접하고 있는 소탈염실을 「음극측 제 1 소탈염실 (D1-1)」, 제 2 농축실 (C2) 과 인접하고 있는 소탈염실을 「음극측 제 2 소탈염실 (D1-2)」이라고 부른다. 또, 양극측 탈염실 (D2) 을 구성하고 있는 2 개의 소탈염실 중, 제 3 농축실 (C3) 과 인접하고 있는 소탈염실을 「양극측 제 1 소탈염실 (D2-1)」, 제 1 농축실 (C1) 과 인접하고 있는 소탈염실을 「양극측 제 2 소탈염실 (D2-2)」이라고 부른다. 이러한 구별도 설명의 편의상의 구별인 것은 물론이다.
각 실의 배열 상황을 음극실 (E1) 의 측으로부터 순서대로 설명하면, 다음과 같다. 즉, 음극실 (E1) 은, 제 1 아니온 교환막 (a1) 을 개재하여 제 2 농축실 (C2) 에 인접하고, 제 2 농축실 (C2) 은, 제 1 카티온 교환막 (c1) 을 개재하여 음극측 제 2 소탈염실 (D1-2) 과 인접하고 있다. 음극측 제 2 소탈염실 (D1-2) 은, 제 2 아니온 교환막 (a2) 을 개재하여 음극측 제 1 소탈염실 (D1-1) 과 인접하고, 음극측 제 1 소탈염실 (D1-1) 은, 제 3 아니온 교환막 (a3) 을 개재하여 제 1 농축실 (C1) 과 인접하고 있다. 제 1 농축실 (C1) 은, 제 2 카티온 교환막 (c2) 을 개재하여 양극측 제 2 소탈염실 (D2-2) 과 인접하고, 양극측 제 2 소탈염실 (D2-2) 은, 제 4 아니온 교환막 (a4) 을 개재하여 양극측 제 1 소탈염실 (D2-1) 과 인접하고 있다. 양극측 제 1 소탈염실 (D2-1) 은, 제 5 아니온 교환막 (a5) 을 개재하여 제 3 농축실 (C3) 과 인접하고, 제 3 농축실 (C3) 은, 제 3 카티온 교환막 (c3) 을 개재하여 양극실 (E2) 과 인접하고 있다.
제 1 ∼ 제 3 농축실 (C1 ∼ C3) 은, 음극측 탈염실 (D1) 또는 양극측 탈염실 (D2) 로부터 배출되는 아니온 성분 또는 카티온 성분을 수용하여, 그것들을 계 외로 방출하기 위해서 형성되어 있다. 각 농축실 (C1 ∼ C3) 에는, 스케일의 발생을 억제하기 위해 아니온 교환체가 단상 형태로 충전되어 있다.
음극측 제 1 소탈염실 (D1-1) 및 양극측 제 1 소탈염실 (D2-1) 에는, 각각 아니온 교환체가 단상 형태로 충전되어 있다. 또, 음극측 제 2 소탈염실 (D1-2) 및 양극측 제 2 소탈염실 (D2-2) 에는, 각각 아니온 교환체 및 카티온 교환체가 복상 형태로 충전되어 있다. 또한, 음극측 제 2 소탈염실 (D1-2) 및 양극측 제 2 소탈염실 (D2-2) 에 있어서의 아니온 교환체 및 카티온 교환체의 구체적인 충전 형태는 실시형태 1 에 있어서 설명한 바와 같다. 또, 음극측 제 2 소탈염실 (D1-2) 및 양극측 제 2 소탈염실 (D2-2) 에는, 바이폴라막 (4a) 이 각각 배치되어 있다. 바이폴라막 (4a) 의 구체적인 위치나 방향은 실시형태 1 에 있어서 설명한 바와 같다.
다음으로, 도 4 에 나타내는 탈이온수 제조 장치에 있어서의 피처리수 및 농축수의 주된 흐름에 대해 개설한다. 피처리수는, 음극측 제 1 소탈염실 (D1-1) 및 양극측 제 1 소탈염실 (D2-1) 에 각각 병렬적으로 공급되고, 이들 소탈염실을 통과한다. 음극측 제 1 소탈염실 (D1-1) 및 양극측 제 1 소탈염실 (D2-1) 을 통과한 피처리수는, 이들 소탈염실 외에서 한 번 합류한 후에 분류되어, 음극측 제 2 소탈염실 (D1-2) 및 양극측 제 2 소탈염실 (D2-2) 에 각각 병렬적으로 공급되고, 이들 소탈염실을 통과한 후에 계 외로 배출된다. 한편, 농축수는, 제 1 ∼ 제 3 농축실 (C1 ∼ C3) 에 각각 병렬적으로 공급되고, 이들 농축실을 통과하여 계 외로 배출된다.
상기와 같이 피처리수 및 농축수를 흘리기 위해서 몇 개의 유로 (U1 ∼ U3, L1 ∼ L2) 가 형성되어 있다. 도 4 에 있어서 탈이온수 제조 장치의 상방에 도시되어 있는 유로 (U1) 는, 그 일단이 피처리수의 공급측에 접속되고, 타단측은 도중에 분기되어, 음극측 제 1 소탈염실 (D1-1) 과 양극측 제 1 소탈염실 (D2-1) 에 각각 접속되어 있다. 탈이온수 제조 장치의 하방에 도시되어 있는 유로 (L1) 는, 음극측 제 1 소탈염실 (D1-1) 과 양극측 제 1 소탈염실 (D2-1) 에 각각 접속되고, 도중에 합류한 후에 분기되어, 음극측 제 2 소탈염실 (D1-2) 과 양극측 제 2 소탈염실 (D2-2) 에 각각 접속되어 있다. 탈이온수 제조 장치의 상방에 도시되어 있는 유로 (U2) 는, 음극측 제 2 소탈염실 (D1-2) 과 양극측 제 2 소탈염실 (D2-2) 에 각각 접속되고, 도중에 합류하여 피처리수의 배출측에 접속되어 있다.
도 4 에 있어서 탈이온수 제조 장치의 상방에 도시되어 있는 유로 (U3) 는, 그 일단이 농축수의 공급측에 접속되고, 타단측은 도중에 분기되어, 제 1 농축실 (C1), 제 2 농축실 (C2) 및 제 3 농축실 (C3) 에 각각 접속되어 있다. 탈이온수 제조 장치의 하방에 도시되어 있는 유로 (L2) 는, 제 1 농축실 (C1), 제 2 농축실 (C2) 및 제 3 농축실 (C3) 에 각각 접속되고, 도중에 합류한 후에 농축수의 배출측에 접속되어 있다.
다음으로, 상기 구성을 갖는 탈이온수 제조 장치의 동작 및 작용에 대해 설명한다. 제 1 ∼ 제 3 농축실 (C1 ∼ C3) 에는, 유로 (U3) 로부터 농축수가 공급되고, 유로 (L2) 로부터 배출된다. 또, 음극실 (E1) 및 양극실 (E2) 에는, 도시되지 않은 유로로부터 전극수가 공급되고, 도시되지 않은 유로로부터 전극수가 배출된다. 또한, 양극, 음극의 사이에 소정의 직류 전압이 인가된다.
이상의 상태하에서, 유로 (U1) 로부터 음극측 제 1 소탈염실 (D1-1) 및 양극측 제 1 소탈염실 (D2-1) 에 피처리수가 병렬적으로 공급된다. 공급된 피처리수의 아니온 성분 (Cl-, CO3 2 -, HCO3 -, SiO2 등) 은, 피처리수가 제 1 소탈염실 (D1-1, D2-1) 을 통과하는 과정에서 포착된다. 그리고, 음극측 제 1 소탈염실 (D1-1) 에 있어서 포착된 아니온 성분은, 음극측 제 1 소탈염실 (D1-1) 과 제 3 아니온 교환막 (a3) 을 개재하여 인접하는 제 1 농축실 (C1) 로 이동하고, 그 제 1 농축실 (C1) 을 통수하는 농축수와 함께 계 외로 배출된다. 한편, 양극측 제 1 소탈염실 (D2-1) 에 있어서 포착된 아니온 성분은, 양극측 제 1 소탈염실 (D2-1) 과 제 5 아니온 교환막 (a5) 을 개재하여 인접하는 제 3 농축실 (C3) 로 이동하고, 그 제 3 농축실 (C3) 을 통수하는 농축수와 함께 계 외로 배출된다.
다음으로, 음극측 제 1 소탈염실 (D1-1) 및 양극측 제 1 소탈염실 (D2-1) 을 통과한 피처리수는, 유로 (L1) 를 개재하여 음극측 제 2 소탈염실 (D1-2) 및 양극측 제 2 소탈염실 (D2-2) 에 공급된다. 여기서, 음극측 제 2 소탈염실 (D1-2) 및 양극측 제 2 소탈염실 (D2-2) 에는, 카티온 교환체층과 아니온 교환체층이 이 순서로 적층되어 있는 것은 이미 기술한 바와 같다. 따라서, 음극측 제 2 소탈염실 (D1-2) 및 양극측 제 2 소탈염실 (D2-2) 에 각각 공급된 피처리수는, 먼저 카티온 교환체층을 통과하고, 그 후에 아니온 교환체층을 통과한다. 그 때, 카티온 교환체층을 통과하는 과정에서, 피처리수 중의 카티온 성분 (Na＋, Ca2 ＋, Mg2 ＋ 등) 이 포착된다. 구체적으로는, 음극측 제 2 소탈염실 (D1-2) 내의 카티온 교환체에 있어서 포착된 카티온 성분은, 음극측 제 2 소탈염실 (D1-2) 과 제 1 카티온 교환막 (c1) 을 개재하여 인접하는 제 2 농축실 (C2) 로 이동하고, 그 제 2 농축실 (C2) 을 통수하는 농축수와 함께 계 외로 배출된다. 한편, 양극측 제 2 소탈염실 (D2-2) 내의 카티온 교환체에 있어서 포착된 카티온 성분은, 양극측 제 2 소탈염실 (D2-2) 과 제 2 카티온 교환막 (c2) 을 개재하여 인접하는 제 1 농축실 (C1) 로 이동하고, 그 제 1 농축실 (C1) 을 통수하는 농축수와 함께 계 외로 배출된다.
또한, 음극측 제 2 소탈염실 (D1-2) 및 양극측 제 2 소탈염실 (D2-2) 에 있어서 카티온 교환체층을 통과한 피처리수는, 다음 단의 아니온 교환체층을 통과하는 과정에서, 아니온 성분 (Cl-, CO3 2 -, HCO3 -, SiO2 등) 이 재차 포착된다. 구체적으로는, 음극측 제 2 소탈염실 (D1-2) 의 아니온 교환체에 있어서 포착된 아니온 성분은, 음극측 제 2 소탈염실 (D1-2) 과 중간 이온 교환막 (a2) 을 개재하여 인접하는 음극측 제 1 소탈염실 (D1-1) 로 이동한다. 음극측 제 1 소탈염실 (D1-1) 로 이동한 아니온 성분은, 음극측 제 1 소탈염실 (D1-1) 과 제 3 아니온 교환막 (a3) 을 개재하여 인접하는 제 1 농축실 (C1) 로 이동하고, 그 제 1 농축실 (C1) 을 통수하는 농축수와 함께 계 외로 배출된다. 한편, 양극측 제 2 소탈염실 (D2-2) 의 아니온 교환체에 있어서 포착된 아니온 성분은, 양극측 제 2 소탈염실 (D2-2) 과 중간 이온 교환막 (a4) 을 개재하여 인접하는 양극측 제 1 소탈염실 (D2-1) 로 이동한다. 양극측 제 1 소탈염실 (D2-1) 로 이동한 아니온 성분은, 양극측 제 1 소탈염실 (D2-1) 과 제 5 아니온 교환막 (a5) 을 개재하여 인접하는 제 3 농축실 (C3) 로 이동하고, 그 제 3 농축실 (C3) 을 통수하는 농축수와 함께 계 외로 배출된다.
이상이 본 실시형태에 관련된 탈이온수 제조 장치에 있어서의 탈이온 처리의 흐름이다. 그러나, 본 실시형태에 관련된 탈이온수 제조 장치와 같이, 탈염실이 복수 형성되어 있는 경우에는, 특정 농축실에 있어서의 탄산이나 실리카의 농도가 다른 농축실에 있어서의 그것에 비해 높아진다. 예를 들어, 본 실시형태에 관련된 탈이온수 제조 장치에 있어서는, 도 4 에 나타내는 탈염실 (D1) 에 인접하고 있는 제 1 농축실 (C1) 에는, 그 농축실 (C1) 에 공급되는 농축수에 함유되어 있는 탄산이나 실리카에 더하여, 음극측 탈염실 (D1) 로부터 탄산이나 실리카가 이동해 온다. 또, 도 4 에 나타내는 탈염실 (D2) 에 인접하고 있는 제 3 농축실 (C3) 에는, 그 농축실 (C3) 에 공급되는 농축수에 함유되어 있는 탄산이나 실리카에 더하여, 양극측 탈염실 (D2) 로부터 탄산이나 실리카가 이동해 온다. 인접하는 탈염실로부터 농축실로 탄산이나 실리카가 이동해 오는 원리는 실시형태 1 에 있어서 설명한 바와 같다. 따라서, 제 1 농축실 (C1), 제 3 농축실 (C3) 에서는, 다른 농축실 (C2) 에 비해 탄산이나 실리카의 농도가 높아져, 인접하는 카티온 교환막을 통과하는 양도 증대한다. 특히, 농축실 (C1) 은 양극측 탈염실 (D2) 과 인접하고 있고, 이러한 탄산이나 실리카의 양극측 탈염실 (D2) 로의 이동 (피처리수로의 확산) 이 문제가 된다.
그러나, 본 실시형태에 관련된 구성에 의하면, 제 1 농축실 (C1) 로부터 양극측 제 2 소탈염실 (D2-2) 로 이동한 탄산이나 실리카는, 그 탈염실 (D2-2) 에 충전되어 있는 아니온 교환체에 의해 포착되고, 양극측 제 1 소탈염실 (D2-1) 을 통하여 제 3 농축실 (C3) 로 이동하여, 계 외로 배출된다. 따라서, 제 1 농축실 (C1) 로부터 양극측 제 2 소탈염실 (D2-2) 로 이동한 탄산이나 실리카가 피처리수에 확산되는 일은 없다.
또한, 본 실시형태에 있어서도, 피처리수가 최초로 공급되는 음극측 제 1 소탈염실 (D1-1) 및 양극측 제 1 소탈염실 (D2-1) 에는 아니온 교환체가 충전되어 있다. 또, 음극측 제 1 소탈염실 (D1-1) 및 양극측 제 1 소탈염실 (D2-1) 을 통과한 피처리수가 공급되는 음극측 제 2 소탈염실 (D1-2) 및 양극측 제 2 소탈염실 (D2-2) 에는, 카티온 교환체와 아니온 교환체가 이 순서로 적층되어 있다. 즉, 피처리수는, 최초로 아니온 교환체를 통과하고, 이어서 카티온 교환체를 통과하고, 그 후에 아니온 교환체를 재차 통과한다. 따라서, 실시형태 1 에서 설명한 것과 동일한 원리에 의해, 피처리수의 순도가 보다 한층 향상된다.
또한, 음극측 제 2 소탈염실 (D1-2) 및 양극측 제 2 소탈염실 (D2-2) 에는, 바이폴라막 (4a) 이 각각 배치되어 있다. 따라서, 실시형태 1 에 있어서 설명한 것과 동일한 원리에 의해, 저전압, 고전류 밀도에서의 운전이 가능해진다. 더하여, 적극적인 전류의 편류 (분배) 에 의해, 아니온 성분 및 카티온 성분을 충분히 제거할 수 있다.
(실시형태 3)
다음으로, 도 5 를 참조하여 본 발명의 탈이온수 제조 장치의 실시형태의 다른 예에 대해 설명한다. 단, 본 실시형태에 관련된 탈이온수 제조 장치의 기본 구성은, 실시형태 2 에 관련된 탈이온수 제조 장치와 공통이다. 그래서, 실시형태 2 에 관련된 탈이온수 제조 장치와의 차이점에 대해서만 이하에 설명하고, 공통점에 대한 설명은 생략한다.
도 5 에 나타내는 바와 같이, 본 실시형태에 관련된 탈이온수 제조 장치에서는, 음극실 (E1) 과 제 2 농축실 (C2) 의 사이에, 부탈염실 (S1) 이 형성되어 있다. 부탈염실 (S1) 은, 제 6 아니온 교환막 (a6) 을 개재하여 음극실 (E1) 과 인접하고, 제 1 아니온 교환막 (c1) 을 개재하여 제 2 농축실 (C2) 과 인접하고, 실내에는 아니온 교환체가 단상 형태로 충전되어 있다.
본 실시형태에 관련된 탈이온수 제조 장치에서는, 유로 (U1) 로부터 음극측 제 1 소탈염실 (D1-1), 양극측 제 1 소탈염실 (D2-1) 및 부탈염실 (S1) 에 피처리수가 병렬적으로 공급된다. 부탈염실 (S1) 에 공급된 피처리수는, 그 부탈염실 (S1) 을 통과하는 과정에서 아니온 성분 (Cl-, CO3 2 -, HCO3 -, SiO2 등) 이 포착된다. 포착된 아니온 성분은, 부탈염실 (S1) 과 제 1 아니온 교환막 (a1) 을 개재하여 인접하는 제 2 농축실 (C2) 로 이동하고, 그 제 2 농축실 (C2) 을 통수하는 농축수와 함께 계 외로 배출된다. 한편, 부탈염실 (S1) 을 통과한 피처리수는, 음극측 제 1 소탈염실 (D1-1) 및 양극측 제 1 소탈염실 (D2-1) 을 통과한 피처리수와 합류한 후에, 음극측 제 2 소탈염실 (D1-2) 또는 양극측 제 2 소탈염실 (D2-2) 에 공급된다. 이 이후의 피처리수의 흐름이나 이온의 움직임은 실시형태 1 이나 실시형태 2 에 있어서 설명한 바와 같으므로 설명은 생략한다.
여기서, 탈이온수 제조 장치에 있어서는, 피처리수에 함유되어 있는 마그네슘 이온이나 칼슘 이온 등의 경도 성분이 탈염실로부터 농축실로 이동한다. 이들 경도 성분은, 이온 교환막의 표면에 있어서 CO3 2 - 나 OH- 등의 이온과 반응하여, 탄산칼슘, 수산화마그네슘 등이 스케일로서 석출된다. 이와 같은 스케일의 석출은, pH 가 높은 부분에서 발생하기 쉽고, 탈이온수 제조 장치에서는, 음극실의 음극 표면이나 아니온 교환막면 등의 국소적으로 pH 가 높은 부분에서 스케일의 발생을 자주 볼 수 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해서는, 스케일 발생 지점의 pH 를 내리는 것이 유효하고, 탄산 등의 아니온 성분을 공급할 수 있으면 그 효과가 얻어진다. 이 때문에, 탈염실로부터 인접하는 농축실에 아니온 성분을 공급하여, 스케일의 발생을 억제하는 것이 가능하다.
여기서 도 4 를 참조한다. 실시형태 2 에 관련된 탈이온수 제조 장치에서는, 제 1 농축실 (C1) 에는 주로 음극측 탈염실 (D1) 로부터, 제 3 농축실 (C3) 에는 주로 양극측 탈염실 (D2) 로부터, 각각 아니온 성분이 공급된다. 따라서, 제 3 아니온 교환막 (a3) 이나 제 5 아니온 교환막 (a5) 의 막면 상에 있어서의 스케일의 발생은 억제된다. 그러나, 가장 음극실측에 위치하고 있는 제 2 농축실 (C2) 에 대한 아니온 성분의 공급량은, 제 1 농축실 (C1) 및 제 3 농축실 (C3) 에 대한 공급량에 비해 적다. 즉, 제 3 아니온 교환막 (a3) 이나 제 5 아니온 교환막 (a5) 의 막면 상에 비해, 제 1 아니온 교환막 (a1) 의 막면 상은 스케일이 발생하기 쉬운 상황에 있다.
한편, 음극실 (E1) 과 제 2 농축실 (C2) 의 사이에, 아니온 교환체가 충전된 부탈염실 (S1) 이 형성되어 있는 본 실시형태의 탈이온수 제조 장치에서는, 부탈염실 (S1) 로부터 제 2 농축실 (C2) 로 아니온 성분이 공급된다. 따라서, 제 1 아니온 교환막 (a1) 의 막면 상에 있어서의 국소적인 pH 의 상승이 억제되고, 스케일의 발생도 억제된다.
또한, 부탈염실 (S1) 에 충전되어 있는 아니온 교환체는 음극실 (E1) 에서 생성된 OH- 에 의해 재생된다. 따라서, 본 실시형태에 관련된 탈이온수 제조 장치에서는, 음극실 (E1) 에서 발생하고, 종래는 이용되지 않고 버려져 있던 OH- 가 이온 교환체의 재생에 유효 이용된다.
더하여, 음극실 (E1) 에 있어서의 OH- 의 생성 효율은 높기 때문에, 전위가 낮아도 충분한 양의 OH- 가 부탈염실 (S1) 로 이동한다. 이 때문에, 전극간의 인가 전압을 억제하여 탈이온수 제조 장치의 운전 비용을 저감할 수 있다. 또, 본 실시형태에서는, 부탈염실 (S1) 이 새로운 탈염실로서 추가되어 있지만, 그것에 따라 새로운 농축실을 추가할 필요가 없다. 요컨대, 상대적으로 농축실의 수를 줄일 수 있다. 이것은 장치 사이즈 및 장치 비용을 억제할 뿐만 아니라, 인가 전압 및 운전 비용의 저감에도 이어진다.
또한, 본 실시형태에서는, 음극실과 양극실의 사이에 2 개의 탈염 처리부가 형성된 예에 대해 설명했지만, 탈염 처리부는 1 개이거나 3 개 이상이어도 된다. 예를 들어, 도 1 에 나타내는 음극실 (E1) 과 제 2 농축실 (C2) 의 사이에 상기 구성의 부탈염실을 형성할 수도 있다.
본 발명의 탈이온수 제조 장치에 사용되는 아니온 교환체로서는, 이온 교환 수지, 이온 교환 섬유, 모노리스상 다공질 이온 교환체 등을 들 수 있고, 가장 범용적인 이온 교환 수지가 바람직하게 사용된다. 아니온 교환체의 종류로서는, 약염기성 아니온 교환체, 강염기성 아니온 교환체 등을 들 수 있다. 또, 카티온 교환체로서는, 이온 교환 수지, 이온 교환 섬유, 모노리스상 다공질 이온 교환체 등을 들 수 있고, 가장 범용적인 이온 교환 수지가 바람직하게 사용된다. 카티온 교환체의 종류로서는, 약산성 카티온 교환체, 강산성 카티온 교환체 등을 들 수 있다.
1 : 프레임체
2 : 아니온 교환막
3 : 카티온 교환막
4a : 제 1 바이폴라막
4b : 제 2 바이폴라막
E1 : 음극실
E2 : 양극실
C1 : 제 1 농축실
C2 : 제 2 농축실
C3 : 제 3 농축실
D : 탈염실
D-1 : 제 1 소탈염실
D-2 : 제 2 소탈염실
D1 : 음극측 탈염실
D1-1 : 음극측 제 1 소탈염실
D1-2 : 음극측 제 2 소탈염실
D2 : 양극측 탈염실
D2-1 : 양극측 제 1 소탈염실
D2-2 : 양극측 제 2 소탈염실
a1 ∼ a6 : 아니온 교환막
c1 ∼ c3 : 카티온 교환막
A : 아니온 교환체층
C : 카티온 교환체층
U1 ∼ U3, L1 ∼ L2 : 유로

Claims (8)

  1. 대향하는 음극실과 양극실의 사이에 적어도 1 개의 탈염 처리부가 형성된 전기식 탈이온수 제조 장치로서,
    상기 탈염 처리부는, 탈염실과, 그 탈염실의 양 옆에 형성됨과 함께, 아니온 교환체가 충전된 1 쌍의 농축실로 구성되고,
    상기 탈염실은, 이온 교환막에 의해, 상기 1 쌍의 농축실의 일방에 인접하는 제 1 소탈염실과, 상기 1 쌍의 농축실의 타방에 인접하는 제 2 소탈염실로 구획되고,
    상기 제 1 소탈염실에는, 아니온 교환체가 충전되고,
    상기 제 2 소탈염실에는, 피처리수가 마지막으로 통과하는 이온 교환체가 아니온 교환체로 되는 순서로, 아니온 교환체와 카티온 교환체가 충전되고,
    상기 제 2 소탈염실에 충전되어 있는 상기 아니온 교환체의 음극측에는, 바이폴라막이 그 아니온 교환막면이 상기 아니온 교환체와 대향하는 방향으로 배치되어 있는 전기식 탈이온수 제조 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 소탈염실과 그 제 2 소탈염실의 음극측에 형성된 농축실의 사이를 구획하는 이온 교환막 상에 상기 바이폴라막이 겹쳐서 배치되어 있는 전기식 탈이온수 제조 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 소탈염실과 그 제 2 소탈염실의 음극측에 형성된 농축실의 사이를 구획하는 이온 교환막의 일부가 상기 바이폴라막으로 되어 있는 전기식 탈이온수 제조 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 소탈염실에는, 아니온 교환체의 층이 1 층 형성되고,
    상기 제 2 소탈염실에는, 피처리수가 마지막으로 통과하는 이온 교환체가 아니온 교환체로 되는 순서로, 아니온 교환체의 층과 카티온 교환체의 층이 적어도 1 층씩 적층되어 있는 전기식 탈이온수 제조 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 소탈염실로의 피처리수의 유입 방향과, 상기 농축실로의 농축수의 유입 방향이 반대 방향이 되도록 유로가 형성되어 있는 전기식 탈이온수 제조 장치.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 2 소탈염실로의 피처리수의 유입 방향과, 상기 농축실로의 농축수의 유입 방향이 반대 방향이 되도록 유로가 형성되어 있는 전기식 탈이온수 제조 장치.
  7. 제 3 항에 있어서,
    상기 제 2 소탈염실로의 피처리수의 유입 방향과, 상기 농축실로의 농축수의 유입 방향이 반대 방향이 되도록 유로가 형성되어 있는 전기식 탈이온수 제조 장치.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 음극실과 상기 제 2 소탈염실에 인접하고 있는 상기 농축실의 사이에, 아니온 교환체가 충전된 부탈염실이 추가로 형성되어 있는 전기식 탈이온수 제조 장치.
KR1020137022779A 2011-02-08 2012-02-01 전기식 탈이온수 제조 장치 KR101526093B1 (ko)

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