KR20120091014A - 이온 교환 장치 및 그 탑체, 그리고 수처리 장치 - Google Patents

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KR20120091014A
KR20120091014A KR1020127007937A KR20127007937A KR20120091014A KR 20120091014 A KR20120091014 A KR 20120091014A KR 1020127007937 A KR1020127007937 A KR 1020127007937A KR 20127007937 A KR20127007937 A KR 20127007937A KR 20120091014 A KR20120091014 A KR 20120091014A
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사토루 이시즈카
하지메 다케야마
요이치 미야자키
다케오 후쿠이
가츠노부 기타미
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쿠리타 고교 가부시키가이샤
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Abstract

[과제] 탑 내부에 있어서의 아니온 교환 수지 및 카티온 교환 수지의 역재생이 확실하게 방지되어, 재생 직후라도 고수질의 탈이온수를 생산할 수 있는 이온 교환 장치와 그것을 위한 탑체를 제공한다.
[해결 수단] 재생시에는, 밸브 (12) 를 폐쇄, 밸브 (7, 10) 를 개방으로 하고, 상부 급배 배관 (3) 으로부터 HCl 등의 산 용액을 공급함과 함께, 제 3 연통 배관 (8) 으로부터 NaOH 등의 알칼리 용액을 공급한다. 산 용액은 집배수 부재 (4), 불활성 수지 (22), 카티온 교환 수지 (21), 집배수 부재 (6), 연통 배관 (5), 밸브 (7) 의 순으로 흘러, 카티온 교환 수지 (21) 가 재생된다. 알칼리 용액은 집배수 부재 (9), 불활성 수지 (32), 알칼리 교환 수지 (31), 집배수 부재 (14), 하부 급배 배관 (13) 의 순으로 흘러, 아니온 교환 수지 (31) 가 재생된다.

Description

이온 교환 장치 및 그 탑체, 그리고 수처리 장치{ION-EXCHANGE DEVICE, COLUMN THEREFOR, AND WATER TREATMENT DEVICE}
본 발명은 아니온 교환 수지와 카티온 교환 수지를 구비한 재생형의 이온 교환 장치와, 그것을 위한 탑체에 관한 것이다. 본 발명은 또한, 이 이온 교환 장치를 구비하는 수처리 장치에 관한 것이다.
전자 산업 등에 있어서의 순수나 초순수 제조 설비 등에 있어서, 이온 교환 장치가 널리 사용되고 있다. 이 이온 교환 장치의 하나로서, 혼상식 이온 교환 장치가 주지이다.
혼상식 이온 교환 장치는, 강산성 카티온 교환 수지와 강염기성 아니온 교환 수지가 혼합된 혼합 이온 교환 수지층을 갖는 이온 교환탑을 구비하고, 예를 들어 원수의 하강류 통수에 의해 이온 교환탑에 있어서 원수 중의 카티온 및 아니온을 동시에 이온 교환하여 순도가 높은 순수를 제조하도록 하고 있다. 그리고, 각 이온 교환 수지의 재생을 실시할 때에는 동일한 탑 내에서 혼합 이온 교환 수지층을 역세 분리하고, 각 이온 교환 수지의 비중차에 의해 상층에 강염기성 아니온 교환 수지층을, 하층에 강산성 카티온 교환 수지층을 형성한 후, 각 이온 교환 수지층에 각각의 재생제를 통액하여 양 이온 교환 수지를 개별적으로 재생하도록 하고 있다. 이 재생 조작은 동일한 탑 내에서 실시되는 경우도 있고, 각 이온 교환 수지를 별도의 탑에 개별적으로 발출하여, 각각의 탑 내에서 개별적으로 재생을 실시하는 경우도 있다.
종래의 혼상식 이온 교환 장치에 있어서는, 「역재생」이라고 하는 카티온?아니온 교환 수지의 분리 불완전에 의한 문제가 발생하는 경우가 있다.
즉, 카티온 교환 수지는 H 형으로 사용되고, 그 재생은 산 용액을 통액함으로써 이루어진다. 한편, 아니온 교환 수지는 OH 형으로 사용되고, 그 재생은 알칼리 용액을 통액함으로써 이루어진다. 전술한 바와 같이, 혼상식 탈염탑의 이온 교환 수지의 재생에 앞서, 먼저 혼상에 상향류 통수를 실시하여, 아니온 교환 수지와 카티온 교환 수지를 비중차에 의해 분리한 후, 산, 예를 들어 HCl 수용액을 탑 하부로부터 도입하여 카티온 교환 수지의 재생을 실시하고, 또한 알칼리, 예를 들어 NaOH 수용액을 탑 상부로부터 도입하여 아니온 교환 수지의 재생을 실시한다. 각각의 재생 폐액은 아니온 교환 수지상과 카티온 교환 수지상의 계면 부분에 형성한 배출 배관으로부터 배출된다. 그 후, N2 가스를 탑 바닥부로부터 도입하여 아니온 교환 수지와 이온 교환 수지를 혼합하여 혼상으로 하고, 통수를 재개한다.
이와 같은 재생형 혼상식 이온 교환탑에 있어서는, 산 또는 알칼리에 의한 각 이온 교환 수지의 재생에 앞서, 카티온 교환 수지와 아니온 교환 수지를 충분히 분리할 필요가 있다. 이 분리가 완전하게 이루어지지 않아, 예를 들어 아니온 교환 수지 중에 카티온 교환 수지가 혼입되면, 알칼리 (주로 수산화나트륨이 사용된다) 에 의한 재생 (역재생) 에 의해 카티온 교환 수지가 Na 형이 되고, 이 수지를 사용하여 탈이온 처리를 실시하면 나트륨 이온이 방출된다. 또한, 카티온 교환 수지 중에 아니온 교환 수지가 혼입되면, 산 (주로 황산 또는 염산이 사용된다) 에 의한 재생 (역재생) 에 의해 아니온 교환 수지가 SO4 형 또는 Cl 형이 되고, 탈이온 처리시에 황산 이온 또는 염소 이온이 방출된다.
이와 같은 역재생을 방지하고자 한 이온 교환 장치로서, 일본 공개특허공보 평10-137751 (특허문헌 1) 에는, 탑 내를 통수성의 칸막이판으로 상하 2 실로 구획하여, 일방의 실에 카티온 교환 수지를 충전하고, 타방의 실에 아니온 교환 수지를 충전한 것이 기재되어 있다. 특히, 특허문헌 1 의 도 5, 11 에는, 탑 내를 통수성의 칸막이판으로 상하 2 실로 구획하여, 하실에 카티온 교환 수지를 충전하고, 상실에 아니온 교환 수지를 충전하고, 원수를 상실로부터 하실로 통수하여, 아니온 교환 수지 → 카티온 교환 수지의 순으로 통수하는 것이 기재되어 있다. 이 칸막이판은 물의 유통을 허용하지만, 이온 교환 수지의 유통은 저지하는 것으로, 아니온 교환 수지와 카티온 교환 수지의 혼합이 방지된다. 이 특허문헌 1 의 탑체는 1 탑식으로, 장치 면적이 작다.
특허문헌 1 의 이온 교환 장치용 탑체에 있어서, 원수를 카티온 교환 수지 → 아니온 교환 수지의 순으로 통수한 경우, 후류측의 아니온 교환 수지로부터 아니온 교환 수지 재생용의 NaOH 등에서 유래하는 Na 등의 금속 이온 성분이 많이 용출되어, 처리 수질이 저하될 우려가 있다. 원수를 아니온 교환 수지 → 카티온 교환 수지의 순으로 통수한 경우에는, 아니온 교환 수지로부터 용출된 Na 등의 금속 성분은 카티온 교환 수지에 의해 포착되기 때문에, 처리 수질은 양호해진다.
그런데, 원수를 아니온 교환 수지 → 카티온 교환 수지의 순으로 통수하는 이온 교환 장치에 있어서는, 원수가 아니온 교환 수지와 접촉하였을 때에, 아니온 교환 수지에 의해 황산 이온이나 염소 이온 등의 아니온 성분이 OH 이온과 치환되어, pH 가 알칼리성이 된다. 그리고, 원수에 경도 성분이 함유되어 있는 경우에는, 이들 경도 성분의 스케일 (예를 들어 수산화마그네슘이나 탄산칼슘 등) 이 발생한다. 특허문헌 1 에서는, 이온 교환 장치의 전단에 역침투막 장치를 설치하여, 경도 성분을 제거하고 있다 (특허문헌 1 의 제 0066 단락).
일본 공개특허공보 평10-137751호
상기 일본 공개특허공보 평10-137751호 의 이온 교환 장치는, 아니온 교환 수지층과 카티온 교환수층을 구분 짓는 칸막이판이 통수성이기 때문에, 재생시에는, 카티온 교환 수지 재생용 산 용액이 칸막이판을 통과하여 아니온 교환 수지와 접촉함으로써 역재생이 발생한다. 또한, 아니온 교환 수지 재생용의 알칼리 용액이 칸막이판을 통과하여 카티온 교환 수지와 접촉함으로써 역재생이 발생한다. 특허문헌 1 의 0023, 0027, 0028 단락에는, 재생시에 일방의 재생제가 타방의 이온 교환 수지층으로 유입되지 않도록 순수를 밸런스수로서 통수하는 것이 기재되어 있지만, 재생제의 혼입을 완전히 방지하기에는 불충분하여, 역재생이 발생해 버린다.
본 발명은, 탑 내부에 있어서의 아니온 교환 수지 및 카티온 교환 수지의 역재생이 확실하게 방지되어, 재생 직후라도 고수질의 탈이온수를 생산할 수 있는 이온 교환 장치와 그것을 위한 탑체를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 또한, 탑 내부의 아니온 교환 수지로의 스케일 석출이 방지됨과 함께, 아니온 교환 수지 및 카티온 교환 수지의 역재생이 확실하게 방지되어, 고수질의 탈이온수를 안정적으로 생산할 수 있는 수처리 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
제 1 양태의 이온 교환 장치용 탑체는, 내부에 이온 교환 수지가 충전되는 이온 교환 장치용 탑체에 있어서, 그 탑체 내에 차수성의 칸막이판에 의해 상실과 하실이 구획 형성되어 있고, 그 탑체 외로 빼내어 둘러쳐진 연통 수단에 의해 그 상실과 하실이 연통되어 있는 것을 특징으로 하는 것이다.
제 2 양태의 이온 교환 장치는 제 1 양태의 이온 교환 장치용 탑체와, 그 탑체의 상실 및 하실 중 일방에 수용된 카티온 교환 수지와, 타방에 수용된 아니온 교환 수지를 구비하여 이루어지는 것이다.
제 3 양태의 이온 교환 장치는, 제 2 양태에 있어서, 상기 상실의 상부에 액을 공급 또는 배출하기 위한 상부 급배 배관과, 그 하실의 하부에 액을 공급 또는 배출하기 위한 하부 급배 배관을 구비하고 있고, 상기 연통 수단은 그 상실의 하부에 액을 급배하기 위한 제 1 연통 배관과, 그 하실의 상부에 액을 급배하기 위한 제 2 연통 배관과, 그 제 1 연통 배관과 제 2 연통 배관을 연통하는 제 3 연통 배관과, 그 제 3 연통 배관의 개폐 수단과, 그 제 1 연통 배관 및 제 2 연통 배관에 각각 형성된 재생액의 급배 수단을 구비한 것을 특징으로 하는 것이다.
제 4 양태의 이온 교환 장치는, 제 3 양태에 있어서, 상기 상실의 상부, 상실의 하부, 하실의 상부 및 하실의 하부에 각각, 물은 통과시키지만 이온 교환 수지의 통과를 저지하는 집배수 부재가 배치되어 있고, 상기 상부 급배 배관, 제 1 연통 배관, 제 2 연통 배관 및 하부 급배 배관의 말단이 각각 그 집배수 부재에 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 것이다.
제 5 양태의 이온 교환 장치는, 제 4 양태에 있어서, 상기 상실의 상부 및 하실의 상부에 각각 입상의 불활성 수지가 충전되어 있고, 상실 상부의 집배수 부재 및 하실 하부의 집배수 부재가 각각 그 불활성 수지 중에 매설되어 있는 것을 특징으로 하는 것이다.
제 6 양태의 수처리 장치는 제 2 내지 5 중 어느 일 양태의 이온 교환 장치와, 그 이온 교환 장치의 전단에 형성된 경도 성분 제거 수단을 갖는 것을 특징으로 하는 것이다.
제 7 양태의 수처리 장치는, 제 6 양태에 있어서, 상기 이온 교환 장치는, 피처리수가 먼저 아니온 교환 수지와 접촉하고, 그 후 카티온 교환 수지와 접촉하도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 것이다.
본 발명의 탑체 및 이온 교환 장치에 있어서는, 상실과 하실이 차수성의 칸막이판으로 구획되고, 일방의 실에 카티온 교환 수지가 수용되며, 타방의 실에 아니온 교환 수지가 수용되어 있다. 피처리수 (원수) 는 일방의 실에 공급되어, 연통 수단을 개재하여 타방의 실로 유입되고, 그 타방의 실로부터 꺼내진다.
이 이온 교환 장치에서는, 이온 교환 수지의 재생시에는, 각 실에 별도로 산 또는 알칼리가 공급된다. 따라서, 카티온 교환 수지와 아니온 교환 수지가 혼합되는 경우는 전혀 없고, 또한 양 실을 구획하는 칸막이판은 차수성으로, 일방의 실에 공급된 산 또는 알칼리가 칸막이판을 통과하여 타방의 실로 유입되는 경우는 전혀 없어, 역재생이 방지된다.
본 발명의 탑체는, 내부를 칸막이판으로 상하 2 실로 구획한 것으로서, 아니온 교환탑과 카티온 교환탑을 별도로 설치한 것과 비교하여 설치 스페이스가 적게 되며, 배관의 길이도 적어도 되고, 또한 이온 교환 수지를 충전하는 이온 교환 수지실 사이를 1 장의 칸막이판으로 분리하도록 함으로써, 이온 교환 장치의 높이를 낮게 할 수 있다. 또한, 저렴하게 제작할 수 있다.
제 3 양태의 이온 교환 장치에서는, 제 1 연통 배관 및 제 2 연통 배관을 개재하여 상실 및 하실에 각각 산 또는 알칼리를 용이하게 통수하여 효율적으로 재생을 실시할 수 있다. 이 때, 제 3 연통 배관을 폐쇄로 함으로써, 산, 알칼리의 혼합이 완전하게 방지된다. 그리고, 상실 및 하실의 이온 교환 수지를 동시에 재생할 수 있어, 재생 시간을 대폭 단축할 수 있다.
제 4 양태의 이온 교환 장치에 의하면, 상실 및 하실에 물의 국부적인 체류가 발생하는 경우가 없어, 효율적으로 처리수 (탈이온수) 의 생산 및 이온 교환 수지의 재생을 실시할 수 있다.
제 5 양태의 이온 교환 장치는 상실 및 하실의 상부에 불활성 수지를 충전하고 있어, 이온 교환 수지의 유동이 억제된다. 이온 교환 수지가 유동되면, 채수시 또는 재생시에 액이 균등하게 이온 교환 수지와 접촉하지 않기 때문에 수질 저하가 발생할 우려가 있지만, 이 청구항 5 에 의하면, 이러한 수질 저하가 방지되어, 고수질의 처리수를 얻을 수 있다. 또한, 채수시와 재생시의 피처리수와 재생제의 통수 방향은 특별히 한정되지 않지만, 채수를 상향류, 재생을 하향류로 하는 편이 고수질의 처리수를 얻을 수 있기 때문에 바람직하다. 이는 불활성 수지의 충전에 의해, 충분히 재생된 이온 교환 수지가 각 이온 교환 수지의 상부에 고정되고, 채수시에는 피처리수의 출구측에 이 이온 교환 수지가 위치하기 때문이라고 생각된다.
본 발명의 수처리 장치에 있어서는, 원수는 먼저 경도 성분 제거 수단에 의해 경도 성분이 제거되고 나서 수처리 장치에 통수되기 때문에, 이온 교환 장치 내에서의 스케일 석출이 방지된다.
특히, 이 이온 교환 장치에 있어서, 아니온 교환 수지 → 카티온 교환 수지의 순으로 통수하면, 이온 교환 장치의 아니온 교환 수지에 스케일 성분이 발생하는 것이 방지된다. 또한, 이온 교환 장치에 있어서 피처리수가 먼저 아니온 교환 수지와 접촉하기 때문에, 아니온 교환 수지로부터 유출된 Na 등의 금속 성분이 카티온 교환 수지에 의해 포착된다.
또한, 이온 교환 장치 내에 있어서 피처리수가 아니온 교환 수지와 먼저 접촉한 경우, 피처리수의 pH 가 높아지고, 이 pH 가 높은 피처리수가 카티온 교환 수지와 접촉함으로써, 카티온 교환 수지에서의 이온 교환 커패시티가 대폭 증가한다.
즉, 피처리수가 아니온 교환 수지와 접촉하여 H＋ 이온 농도가 낮은 상태가 되어 카티온 교환 수지층에 들어옴으로써, 카티온 교환 수지층 내에서 진행되는 하기의 평형 반응이 정방향으로 촉진된다. 또한, [H＋]－R 은 카티온 교환 수지를 나타낸다.
[H＋]－R ＋ [Na＋] ⇔ [Na＋]－R ＋ [H＋]
이 결과, 수질이 양호한 이온 교환 처리수를 장기에 걸쳐 안정적으로 생산할 수 있게 된다.
본 발명의 수처리 장치에서는, 미리 경도 성분을 제거한 후, 이온 교환 장치에 있어서 아니온 교환 수지, 카티온 교환 수지의 순으로 통수함으로써, 처리수 수질의 향상과 카티온 교환 수지의 실질적인 이온 교환 커패시티의 향상이 얻어진다. 수지 체적 비율을 교환 용량비에 맞춤으로써, 재생시에 카티온 교환 수지, 아니온 교환 수지 모두 교환 용량을 다 사용한 형태로 할 수 있어, 경제성을 향상시킬 수 있다. 붕소나 실리카와 같은 약염기 성분의 제거성이 필요한 경우에는, 그들 원소의 실질적인 교환 커패시티에 맞추어 카티온 교환 수지와 아니온 교환 수지의 체적비를 바꿈으로써, 경제성의 추가적인 향상을 도모할 수 있다.
도 1a 는 실시형태에 관련된 이온 교환 장치의 배수시 상태를 나타내는 개략적인 단면도이다.
도 1b 는 실시형태에 관련된 이온 교환 장치의 재생시 상태를 나타내는 개략적인 단면도이다.
도 2 는 실시형태에 관련된 수처리 장치를 나타내는 플로우도이다.
도 3 은 실시예 및 비교예의 결과를 나타내는 그래프이다.
이하, 도면을 참조하여 실시형태에 대하여 설명한다.
먼저 도 1a, 1b 를 참조하여 본 발명의 이온 교환 장치용 탑체 및 이온 교환 장치의 실시형태에 대하여 설명한다.
탑체 (1) 는 통 축심 방향을 연직 방향으로 한 원통부 (1a) 와, 정상부의 경판부(鏡板部) (1b) 와, 바닥부의 경판부 (1c) 에 의해 외각이 구성되어 있다. 경판부 (1b) 는 위로 볼록하게 만곡되고, 경판부 (1c) 는 아래로 볼록하게 만곡되어 있다.
이 탑체 (1) 내가 차수성의 칸막이판 (2) 에 의해 상실 (20) 과 하실 (30) 의 2 실로 구획되어 있다. 이 실시형태에서는, 칸막이판 (2) 은 물을 전혀 통과시키지 않는 금속 또는 합성 수지제의 것이고, 경판부 (1c) 와 마찬가지로 아래로 볼록하게 만곡되어 있다. 칸막이판 (2) 의 둘레 가장자리부는 원통부 (1a) 의 내주면에 대하여 용접 등에 의해 수밀적으로 결합되어 있다.
상실 (20) 내의 상부에 제 1 집배수 부재 (4) 가 배치되고, 이 제 1 집배수 부재 (4) 에 상부 급배 배관 (3) 이 접속되어 있다. 상실 (20) 내의 하부에 제 2 집배수 부재 (6) 가 설치되고, 이 집배수 부재 (6) 에 제 1 연통 배관 (5) 이 접속되어 있다. 하실 (30) 내의 상부에 제 3 집배수 부재 (9) 가 설치되고, 이 집배수 부재 (9) 에 제 2 연통 배관 (8) 이 접속되어 있다. 연통 배관 (5, 8) 은 제 3 연통 배관 (11) 에 의해 접속되고, 이 연통 배관 (11) 에 밸브 (12) 가 설치되어 있다.
연통 배관 (5, 8) 의 말단부에는, 각각 재생액의 급배 수단으로서의 밸브 (7, 10) 가 형성되어 있다. 하실 (30) 의 하부에는, 제 4 집배수 부재 (14) 가 설치되고, 이 집배수 부재 (14) 에 하부 급배 배관 (13) 이 설치되어 있다.
상실 (20) 내의 대부분에 카티온 교환 수지 (21) 가 충전되고, 이 카티온 교환 수지 (21) 의 상측에 입상의 불활성 수지 (22) 가 충전되어 있다. 제 1 집배수 부재 (4) 는 이 불활성 수지 (22) 내에 매설되어 있다.
하실 (30) 내의 대부분에 아니온 교환 수지 (31) 가 충전되고, 이 아니온 교환 수지 (31) 의 상측에 입상의 불활성 수지 (32) 가 충전되어 있다. 제 3 집배수 부재 (9) 는 이 불활성 수지 (32) 중에 매설되어 있다.
불활성 수지로는, 이온 교환 수지보다 비중이 작은 폴리아크릴로니트릴계 수지 등이 사용된다. 불활성 수지의 입경은 이온 교환 수지와 동일한 정도가 바람직하다.
집배수 부재 (4, 6, 9, 14) 로는, 종래의 이온 교환 장치에서 사용되고 있는 집수판이나, 방사상으로 연장시킨 배관에 다수의 슬릿을 형성한 스트레이너 등을 사용할 수 있다. 예를 들어, 이온 교환 수지의 크기 (입경) 가 약 0.4 ㎜ 정도인 경우, 스트레이너로서 슬릿의 폭이 약 0.2 ㎜ 인 것을 사용하는 것이 바람직하다. 집배수 부재 (4, 14) 는 각각 경판부 (1b), 경판부 (1c) 를 따른 형상을 갖고 있고, 경판부 (1b), 경판부 (1c) 를 따른 데드 스페이스가 작은 것으로 되어 있다. 또한, 집배수 부재 (6, 9) 는 칸막이판 (2) 을 따른 형상을 갖고 있고, 칸막이판 (2) 을 따른 데드 스페이스가 작은 것으로 되어 있다.
이 이온 교환 장치를 사용한 탈이온수의 생산 (채수) 시의 플로우를 도 1a 에 나타낸다. 이 경우, 밸브 (12) 를 개방, 밸브 (7, 10) 를 폐쇄로 하고, 하부 급배 배관 (13) 으로부터 원수 (피처리수) 를 공급한다. 이 원수는 집배수 부재 (14), 아니온 교환 수지 (31), 불활성 수지 (32), 집배수 부재 (9), 연통 배관 (8, 11, 5), 집배수 부재 (6), 카티온 교환 수지 (21), 불활성 수지 (22), 집배수 부재 (4), 상부 급배 배관 (3) 의 순으로 흘러, 처리수 (탈이온수) 로서 꺼내진다.
아니온 교환 수지 (31) 및 카티온 교환 수지 (21) 의 재생시에는, 도 1b 와 같이 밸브 (12) 를 폐쇄, 밸브 (7, 10) 를 개방으로 하고, 상부 급배 배관 (3) 으로부터 HCl, H2SO4 등의 산 용액을 공급함과 함께, 제 2 연통 배관 (8) 으로부터 NaOH 등의 알칼리 용액을 공급한다. 산 용액은 집배수 부재 (4), 불활성 수지 (22), 카티온 교환 수지 (21), 집배수 부재 (6), 연통 배관 (5), 밸브 (7) 의 순으로 흘러, 재생 폐수 (산) 로서 유출되고, 이로 인해 카티온 교환 수지 (21) 가 재생된다. 알칼리 용액은 집배수 부재 (9), 불활성 수지 (32), 아니온 교환 수지 (31), 집배수 부재 (14), 하부 급배 배관 (13) 의 순으로 흘러, 재생 폐수 (알칼리) 로서 유출되고, 이로 인해 아니온 교환 수지 (31) 가 재생된다.
재생 종료 후에는, 도 1b 의 HCl 용액, NaOH 용액 대신에, 각각 순수를 통수하고, 각 경로 및 수지를 린스한 후, 필요에 따라 순수로 상실과 하실을 개별적으로 하향류 세정하면서 세정 배수를 배출하고, 그 후 순수를 상실 (20) 과 하실 (30) 사이에서 소정 시간 순환시키고, 이어서 채수 공정으로 복귀한다. 이 재생시에는, 카티온 교환 수지 (21) 와 아니온 교환 수지 (31) 가 서로 섞이는 경우는 전혀 없다. 또한, 재생용 산 용액이 하실 (30) 로 유입되거나 알칼리 용액이 상실 (20) 에 혼입되는 경우가 전혀 없어, 역재생이 완전하게 방지된다. 또한, 카티온 교환 수지 (21) 와 아니온 교환 수지 (31) 를 동시에 병행하여 재생할 수 있어, 재생 시간이 현저하게 짧은 것이 된다.
이 이온 교환 장치는 1 개의 탑체 (1) 내를 1 장의 칸막이판 (2) 에 의해 상하 2 실로 구획한 것으로서, 탑체의 높이가 낮고, 설치 스페이스도 작다. 또한, 상실 (20) 과 하실 (30) 을 연통하는 배관 (5, 11, 8) 이 짧아도 된다.
이 이온 교환 장치에서는 집배수 부재 (4, 6, 9, 14) 가 경판부 (1b), 칸막이판 (2), 경판부 (1c) 를 따라 형성되어 있어, 물의 국부적인 체류가 방지된다.
이 이온 교환 장치에서는, 상실 (20) 및 하실 (30) 의 상부에 불활성 수지 (22, 32) 를 충전하고 있어, 카티온 교환 수지 (21) 및 아니온 교환 수지 (31) 의 유동이 방지되고, 채수시 및 재생시에 액이 균등하게 카티온 교환 수지 (21) 및 아니온 교환 수지 (31) 와 접촉하도록 되어 있어, 고수질의 탈이온수가 얻어짐과 함께, 충분히 재생이 이루어지게 된다.
상기 실시형태에서는, 상실 (20) 에 카티온 교환 수지를 수용하고, 하실 (30) 에 아니온 교환 수지를 수용하고 있지만, 반대로 해도 된다. 상기 실시형태에서는, 상실 (20) 과 하실 (30) 이 배관 (5, 11, 8) 을 개재하여 연통되어 있지만, 탑체 (1) 의 외부로 빼내어 둘러쳐져 있는 한, 이것에 한정되지 않는다. 또한, 이 실시형태에서는, 3 개의 밸브 (7, 10, 12) 를 사용하고 있지만, 2 개의 3 방 밸브를 사용하여 유로 전환을 실시하도록 해도 된다.
다음으로, 도 2 를 참조하여 본 발명의 수처리 장치의 실시형태에 대하여 설명한다.
도 2 는 실시형태에 관련된 수처리 장치의 플로우도이다. 원수는, 경도 성분 제거 수단 (41) 에 의해 경도 성분이 제거된 후, 이온 교환 장치 (42) 에 통수된다. 이 이온 교환 장치 (42) 는 도 1a, 1b 에 나타내는 구성으로 되어 있고, 탑체 (1) 내가 칸막이판 (2) 에 의해 상하 2 실로 구획되고, 하실에 아니온 교환 수지 (31) 가 충전되며, 상실에 카티온 교환 수지 (21) 가 충전되어 있다. 경도 성분이 제거된 원수는, 먼저 아니온 교환 수지 (31) 와 접촉하여 아니온이 제거된 후, 카티온 교환 수지 (21) 와 접촉하여 카티온이 제거되어, 처리수가 된다.
또한, 경도 성분 제거 수단으로는, 역침투 장치 (RO 장치), 이온 교환 장치 등을 들 수 있다. 이들 경도 성분 제거 수단은 1 단만 사용되어도 되고, 2 단 이상 직렬로 접속된 것이어도 되며, 2 종류 이상의 경도 성분 제거 수단을 직렬로 접속시켜도 된다. 경도 성분 제거 수단을 포함하는 본 발명의 수처리 장치의 구성을 예시하면 다음의 (a) ? (j) 와 같다.
(a) RO－본 발명에 관련된 이온 교환 장치
(b) RO－RO－본 발명에 관련된 이온 교환 장치
(c) RO－탈기 장치-본 발명에 관련된 이온 교환 장치
(d) 탈기 장치－RO－본 발명에 관련된 이온 교환 장치
(e) 탈기 장치－RO－RO－본 발명에 관련된 이온 교환 장치
(f) RO－탈기 장치－RO－본 발명에 관련된 이온 교환 장치
(g) RO－RO－탈기 장치－본 발명에 관련된 이온 교환 장치
(h) 이온 교환 장치－본 발명에 관련된 이온 교환 장치
(i) 이온 교환 장치－탈기 장치－본 발명에 관련된 이온 교환 장치
(j) 이온 교환 장치－탈기 장치－이온 교환 장치－본 발명에 관련된 이온 교환 장치
이 수처리 장치의 이온 교환 장치 (42) 에 있어서, 피처리수를 아니온 교환 수지 (31) → 카티온 교환 수지 (21) 의 순으로 통수함으로써, 즉 도 1a 에 나타내는 바와 같이 밸브 (12) 를 개방, 밸브 (7, 10) 를 폐쇄로 하고, 하부 급배 배관 (13) 으로부터의 원수를 집배수 부재 (14), 아니온 교환 수지 (31), 불활성 수지 (32), 집배수 부재 (9), 연통 배관 (8, 12, 5), 집배수 부재 (6), 카티온 교환 수지 (21), 불활성 수지 (22), 집배수 부재 (4), 상부 급배 배관 (3) 의 순으로 흘림으로써, 만일 아니온 교환 수지 (31) 로부터 Na 등의 금속 이온이 용출되어도, 이 금속 이온은 카티온 교환 수지 (21) 에 의해 포착되어, 처리수 중에 리크되지 않는다. 또한, 먼저 아니온 교환 수지 (31) 와 접촉하여 pH 가 높아진 (H＋ 이온 농도가 낮아진) 피처리수가 카티온 교환 수지 (21) 와 접촉함으로써, 카티온 교환 수지 (21) 의 카티온 교환 용량이 대폭 증가한다. 이 때문에, 수질이 양호한 처리수가 얻어진다. 또한, 원수를 경도 성분 제거 수단 (41) 에 의해 처리하여 경도 성분을 제거하고 나서 이온 교환 장치 (42) 에 통수하기 때문에, 아니온 교환 수지 (31) 에 스케일 성분이 부착되는 것도 방지되어, 장기에 걸쳐 안정적으로 통수할 수 있다.
＜필요 수지 체적비＞
하기의 표 1 에 예를 나타내는 바와 같이, 통상적으로 이온 교환 수지는 카티온 교환 수지와 아니온 교환 수지에서 총교환 용량이 상이하다. 일반적으로는, 카티온 교환 수지가 총교환 용량이 많고, 급수의 이온이 카티온, 아니온 당량이라고 한다면, 아니온 교환 수지량을 카티온 교환 수지에 비해 체적으로서 넉넉하게 하는 것이 바람직하다. 예를 들어 아니온 교환 수지의 체적량을 카티온 교환 수지의 체적량의 1.5 ? 5 배로 하는 것이 바람직하다. 또한, 붕소나 실리카와 같은 약염기의 제거성을 높일 필요가 있는 경우, 하기에 예를 나타내는 바와 같이 체적 수지비를 총교환 용량을 맞출 뿐만 아니라, 이들 약염기의 실질적인 교환 커패시티에 맞춘 체적 수지 비율로 하는 것이 바람직하다.
Figure pct00001
실시예
이하, 실시예, 참고예 및 비교예에 대하여 설명한다.
[실시예 1, 비교예 1]
실시예 1 에서는 도 1a, 1b 에 나타내는 이온 교환 장치를 사용하였다. 제원은 다음과 같다.
탑체 직경 : 450 ㎜
탑체의 높이 : 3000 ㎜
상실 용적 : 190 ℓ
하실 용적 : 260 ℓ
카티온 교환 수지 (21) 의 충전량 : 150 ℓ
아니온 교환 수지 (31) 의 충전량 : 200 ℓ
불활성 수지 (22) 의 충전량 : 30 ℓ
불활성 수지 (32) 의 충전량 : 30 ℓ
비교예 1 에서는, 시판되는 혼상형 이온 교환 장치를 사용하였다. 제원은 다음과 같다.
탑체 직경 : 450 ㎜
탑체의 높이 : 4000 ㎜
용적 : 640 ℓ
카티온 교환 수지의 충전량 : 150 ℓ
아니온 교환 수지의 충전량 : 200 ℓ
실시예 1 및 비교예 1 에 있어서, 아니온 교환 수지 및 카티온 교환 수지로는 다음의 것을 사용하였다.
아니온 교환 수지 : 강염기성 음이온 교환 수지 「Dow 550A」
카티온 교환 수지 : 강산성 양이온 교환 수지 「Dow 650C」
각 이온 교환 장치에 RO 처리수 (도전율 : 5 μS/㎝, 금속 Na : 1 ppm, 염화물 이온 : 1 ppm, SiO2 : 1 ppm) 를 일정 시간 통수한 후, 하기의 산 용액 및 알칼리 용액을 사용하여 동시에 재생하고, 그 후의 처리 수질을 확인하였다.
(1) 운전 조건
RO 처리수 통수 유량 : 15 ㎥/h
(2) 재생 조건
산 용액
HCl 농도 : 5 중량％
통수 유량 : 0.75 ㎥/h, 30 분
알칼리 용액
NaOH 농도 : 5 중량％
통수 유량 : 1 ㎥/h, 가온 40 ℃, 40 분
＜재생 시간 비교＞
실시예 1 의 이온 교환 장치의 재생 시간 (min) 은 40 (약품 통액 시간) ＋ 40 (순수에 의한 약품 압출 시간) ＋ 5 (순수로 세정하면서 배수) ＋ 15 (순수의 순환 세정) ＝ 100 min 이었다.
한편, 비교예 1 의 종래형 혼상식 이온 교환 장치 재생 시간은 10 (수지 분리 시간) ＋ 30 (카티온 교환 수지 : 약품 통액 시간) ＋ 30 (카티온 교환 수지 : 약품 압출 시간) ＋ 40 (아니온 교환 수지 : 약품 통액 시간) ＋ 40 (아니온 교환 수지 : 약품 압출 시간) ＋ 5 (순수로 세정하면서 배수) ＋ 15 (수지 혼합 시간) ＋ 30 (순환 세정) ＝ 200 min 이었다.
이 실시예 1 및 비교예 1 에서 재생된 이온 교환 장치에 있어서 상기 RO 처리수를 동일한 조건에서 통수하여 채수 공정을 개시하였을 때의 처리수의 비저항값의 시간 경과적 변화를 표 2 에 나타낸다. 또한, 재생 후의 채수 개시 후, 1 시간 경과한 시점에서의 처리수의 수질을 표 3 에 나타낸다.
Figure pct00002
Figure pct00003
표 2, 3 으로부터 분명한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 종래의 혼상식 이온 교환탑에 비해, 역재생에 의한 수질 상승 시간의 단축 (표 2) 및 고순도화 (표 3) 가 가능하며, 또한 아니온 교환 수지와 카티온 교환 수지를 동시에 재생할 수 있기 때문에, 재생 시간도 반감할 수 있으며, 또한 장치 비용, 설치 면적은 동등 이하이다.
[실시예 2]
후술하는 모의 원수를 경도 성분 제거 수단으로서의 RO 장치에 통수하고 나서 도 1a, 1b 에 나타내는 이온 교환 장치에 통수하였다. 이 이온 교환 장치의 주된 조건은 다음과 같다.
(1) 이온 교환 수지
카티온 교환 수지 : Dow 650C, 충전량 300 ㎖
아니온 교환 수지 : Dow 550A, 충전량 600 ㎖
(2) 통수 유량 : 1 ℓ/min
(3) 재생 조건
재생액은 다음과 같다.
HCl 수용액 : HCl 농도 5 중량％, 통수 유량 : 1 ℓ/h, 30 분
NaOH 수용액 : NaOH 농도 5 중량％, 통수 유량 : 2 ℓ/h, 가온 40 ℃, 30 분
재생액은 다음과 같이 통액하였다.
30 분 (약품 통액 시간) → 30 분 초순수 통수 (약품 압출 시간) → 15 분 원수 통수 (운전 전환 시간)
(4) RO 장치
RO 장치의 주된 조건은 다음과 같다.
RO 막 : ES－20－D (닛토 전공사)
RO 운전 조건 : 회수율 75 ％
RO 처리수 Mg 농도 : 1 ㎎/ℓ
Na 농도 : 1 ㎎/ℓ
(5) 모의 원수의 제조 방법
모의 원수는 초순수에 MgCl2 를 60 ㎎/ℓ－asCa, NaCl 을 50 ㎎/ℓ－asNa 각각 용해시키고, 막 탈기에 의해 탈기하여 조제한 것이다. 사용한 탈기막은 Liqui－Cel DX－50 (셀가드사) 이다.
(6) 결과
그 결과, 표 4 와 같이, 재생 후 통수 1 Hr 후의 처리수 중의 Na 농도는 1 ppt (ng/ℓ) 이하였다. 통수 개시부터 360 시간 동안의 처리수의 Na 농도를 도 3 에 나타낸다.
[비교예 2]
모의 원수를 RO 장치에 통수하지 않고 직접 이온 교환 장치에 통수한 것 이외에는 실시예 2 와 동일하게 하여 모의 원수를 처리하였다.
이 경우, 통수 개시 직후에 아니온 교환 수지층에 수산화마그네슘의 스케일이 발생하여, 통수 계속이 곤란해졌다.
[참고예 1]
실시예 2 에 있어서, 모의 원수를 RO 장치에 통수한 후, 먼저 카티온 교환 수지에 통수하고, 이어서 아니온 교환 수지에 통수하였다. 즉, 아니온 교환 수지와 카티온 교환 수지의 통수 순서를 실시예 2 와 반대로 하였다. 이 이외에는 실시예 2 와 동일하게 하여 통수하였다. 그 결과, 표 4 와 같이, 재생 후 통수시 1 Hr 후의 처리수 중의 Na 농도는 3 ppt 로, 실시예 2 의 수 배 이상의 농도인 것이 관찰되었다. 통수 개시부터 360 시간 동안의 처리수의 Na 농도를 도 3 에 나타낸다.
[비교예 3]
실시예 2 에 사용한 아니온 교환 수지와 카티온 교환 수지를 실시예 2 와 동량씩 사용하며, 또한 이것을 혼합하여 혼상으로 한 것, 및 재생시의 통수 플로우를 하기와 같이 한 것 이외에는 실시예 2 와 동일 조건에서 통수를 실시하였다. 그 결과, 표 4 와 같이, 재생 후 통수 1 Hr 후의 처리수 중의 Na 농도는 52 ppt 였다. 통수 개시부터 360 시간 동안의 처리수의 Na 농도를 도 3 에 나타낸다.
＜비교예 3 에 있어서의 재생시의 통수 플로우＞
20 분 초순수를 0.3 ℓ/min 으로 상향류로 통수 (수지 분리 시간) → (30 분 (약품 (HCl) 통액) → 30 분 초순수 통수 (약품 압출)) → (30 분 (약품 (HCl) 통액) → 30 분 초순수 통수 (약품 압출)) → 15 분 초순수 통수 (수지 혼합) → 30 분 (운전 전환 시간)
Figure pct00004
[고찰]
표 4 및 도 3 과 같이, 본 발명에 의하면 고수질의 처리수를 안정적으로 생산할 수 있다.
본 발명을 특정 양태를 사용하여 상세히 설명하였지만, 본 발명의 의도와 범위를 벗어나지 않고 여러 가지 변경이 가능한 것은 당업자에게 분명하다.
또한, 본 출원은 2009년 9월 30일자로 출원된 일본 특허 출원 (특허출원 2009-227453호) 및 2010년 3월 16일자로 출원된 일본 특허 출원 (특허출원 2010-059390호) 에 기초하고, 그 전체가 인용에 의해 원용된다.
1 : 탑체
1b, 1c : 경판
2 : 칸막이판
3 : 상부 급배 배관
4, 6, 9, 14 : 집배수 부재
5, 8, 11 : 연통 배관
13 : 하부 급배 배관
20 : 상실
30 : 하실
41 : 경도 성분 제거 수단
42 : 이온 교환 장치

Claims (7)

  1. 내부에 이온 교환 수지가 충전되는 이온 교환 장치용 탑체에 있어서,
    그 탑체 내에 차수성의 칸막이판에 의해 상실과 하실이 구획 형성되어 있고,
    그 탑체 외로 빼내어 둘러쳐진 연통 수단에 의해 그 상실과 하실이 연통되어 있는 것을 특징으로 하는 이온 교환 장치용 탑체.
  2. 제 1 항에 기재된 이온 교환 장치용 탑체와,
    그 탑체의 상실 및 하실 중 일방에 수용된 카티온 교환 수지와,
    타방에 수용된 아니온 교환 수지를 구비하여 이루어지는 이온 교환 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 상실의 상부에 액을 공급 또는 배출하기 위한 상부 급배 배관과,
    그 하실의 하부에 액을 공급 또는 배출하기 위한 하부 급배 배관을 구비하고 있고, 상기 연통 수단은,
    그 상실의 하부에 액을 급배하기 위한 제 1 연통 배관과,
    그 하실의 상부에 액을 급배하기 위한 제 2 연통 배관과,
    그 제 1 연통 배관과 제 2 연통 배관을 연통하는 제 3 연통 배관과,
    그 제 3 연통 배관의 개폐 수단과,
    그 제 1 연통 배관 및 제 2 연통 배관에 각각 형성된 재생액의 급배 수단을 구비한 것을 특징으로 하는 이온 교환 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 상실의 상부, 상실의 하부, 하실의 상부 및 하실의 하부에 각각, 물은 통과시키지만 이온 교환 수지의 통과를 저지하는 집배수 부재가 배치되어 있고,
    상기 상부 급배 배관, 제 1 연통 배관, 제 2 연통 배관 및 하부 급배 배관의 말단이 각각 그 집배수 부재에 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 이온 교환 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 상실의 상부 및 하실의 상부에 각각 입상의 불활성 수지가 충전되어 있고, 상실 상부의 집배수 부재 및 하실 하부의 집배수 부재가 각각 그 불활성 수지 중에 매설되어 있는 것을 특징으로 하는 이온 교환 장치.
  6. 제 2 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 기재된 이온 교환 장치와, 그 이온 교환 장치의 전단에 형성된 경도 성분 제거 수단을 갖는 것을 특징으로 하는 수처리 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 이온 교환 장치는 피처리수가 먼저 아니온 교환 수지와 접촉하고, 그 후 카티온 교환 수지와 접촉하도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 수처리 장치.
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