KR102436864B1 - 전기식 탈이온수 제조장치 - Google Patents
전기식 탈이온수 제조장치 Download PDFInfo
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Abstract
농축실로부터 탈염실 내의 피처리수 중에 확산되어온 약산 성분을 효율적으로 피처리수로부터 제거하는 것이 가능한 새로운 구성의 전기식 탈이온수 제조장치를 제공한다.
대향하는 음극과 양극 사이에 적어도 하나의 탈염 처리부가 설치되고, 탈염 처리부는, 적어도 음이온 교환체가 충전된 탈염실과, 탈염실의 양쪽에 이웃하여 설치되는 1쌍의 농축실을 구비하고, 탈염실은, 1쌍의 농축실 중 음극측의 농축실에 양이온 교환막을 개재해서 인접하는 동시에, 1쌍의 농축실 중 양극측의 농축실에 제1 음이온 교환막을 개재해서 인접하고 있는 전기식 탈이온수 제조장치로서, 양이온 교환막의 탈염실측의 면의, 일부의 영역에, 상기 양이온 교환막과는 별체의 제2 음이온 교환막이 포개서 설치되고, 제2 음이온 교환막의 탈염실측의 면의 적어도 일부에 음이온 교환체가 접하고 있다.
대향하는 음극과 양극 사이에 적어도 하나의 탈염 처리부가 설치되고, 탈염 처리부는, 적어도 음이온 교환체가 충전된 탈염실과, 탈염실의 양쪽에 이웃하여 설치되는 1쌍의 농축실을 구비하고, 탈염실은, 1쌍의 농축실 중 음극측의 농축실에 양이온 교환막을 개재해서 인접하는 동시에, 1쌍의 농축실 중 양극측의 농축실에 제1 음이온 교환막을 개재해서 인접하고 있는 전기식 탈이온수 제조장치로서, 양이온 교환막의 탈염실측의 면의, 일부의 영역에, 상기 양이온 교환막과는 별체의 제2 음이온 교환막이 포개서 설치되고, 제2 음이온 교환막의 탈염실측의 면의 적어도 일부에 음이온 교환체가 접하고 있다.
Description
본 발명은 전기식 탈이온수 제조장치에 관한 것이다.
최근, 약제에 의한 재생이 불필요한 전기식 탈이온수 제조장치(이하, "EDI 장치"라 칭할 경우가 있음)가 개발되어, 실용화되고 있다. EDI 장치는, 전기영동과 전기투석을 조합시킨 장치이다. 일반적인 EDI 장치의 기본 구성은 다음과 같다. 즉, EDI 장치는, 탈염실과, 탈염실의 양쪽에 배치된 1쌍의 농축실과, 한쪽 농축실의 외측에 배치된 양극(플러스 극)실과, 다른 쪽 농축실의 외측에 배치된 음극(마이너스 극)실을 구비한다. 탈염실은, 대향 배치된 음이온 교환막 및 양이온 교환막과, 이들 교환막 사이에 충전된 이온 교환체(음이온 교환체 또는/및 양이온 교환체)를 구비한다. 피처리수 중에 존재하는 음이온 성분 및 양이온 성분이, 각각 음이온 교환막 및 양이온 교환막을 통과해서 탈염실로부터 농축실로 이동하고, 탈염실로부터 처리수, 즉, 탈이온수가 얻어지고, 농축실로부터 농축수가 얻어진다.
탈이온수를 제조하기 위해서는 양극실 및 음극실에 각각 설치되어 있는 전극 사이에 직류 전압을 인가한 상태에서 탈염실에 피처리수를 통수시킨다. 탈염실에서는, 음이온 교환체에 의해서 음이온 성분(Cl-, CO3 2-, HCO3 -, SiO2 등)이, 양이온 교환체에 의해 양이온 성분(Na+, Ca2+, Mg2+ 등)이 포착된다. 동시에, 예를 들면, 탈염실 내의 음이온 교환체와 양이온 교환체의 계면에서, 물의 해리 반응이 일어나, 수소 이온과 수산화물 이온이 발생한다(H2O → H+ + OH-). 이온 교환체에 포착된 이온 성분은, 이 수소 이온 및 수산화물 이온과 교환되어서 이온 교환체로부터 유리된다. 유리된 이온 성분은 이온 교환체를 통해서 이온 교환막(음이온 교환막 또는 양이온 교환막)까지 전기영동되고, 이온 교환막으로 전기투석되어서 농축실로 이동된다. 농축실로 이동된 이온 성분은, 농축실을 흐르는 물에 의해서 배출된다.
EDI 장치에서는, 농축수에 포함되는 약산 성분이, 농축실과 탈염실을 칸막이하는 양이온 교환막을 통과해서 처리수 중에 확산되고, 처리수의 순도를 저하시키는 현상이 발생한다. 이것은, 탄산이나 실리카(규산), 붕소(붕산)로 대표되는 약산 성분이, pH 등의 변화에 따라서 일부 이온화되지 않은 분자(중성분자)의 형태를 취하기 때문에, 양이온 교환막에 의한 선택 투과성의 영향을 받기 어려운 것에 기인하고 있다. 예를 들면, 탄산에 대해서는, 식 (1) 내지 (3)으로 표시되는 평형 관계가 있다. 탄산의 경우, 상기 이온화되지 않은 분자(중성분자)의 형태는 CO2 및 H2CO3이며, 이것은 양이온 교환막을 용이하게 통과할 수 있다:
CO2 + H2O ↔ H2CO3 (1)
H2CO3 ↔ H+ + HCO3 - (2)
HCO3 - ↔ H+ + CO3 2- (3)
특허문헌 1에는, 농축실로부터 탈염실로 확산된 약산 성분이 처리수에 혼입되는 것을 억제하는 것이 가능한 EDI 장치가 개시된다. 이 장치에서는, 탈염실이 이온 교환막에 의해서 제1 탈염실(small deionization chamber)과 제2 소탈염실로 칸막이되고, 제1 소탈염실에는 음이온 교환체가 충전되고, 제2 소탈염실에는 피처리수가 최후에 통과하는 이온 교환체가 음이온 교환체로 되는 순서로, 음이온 교환체와 양이온 교환체가 충전된다.
또 특허문헌 1에는, 물 해리 반응을 촉진시키는 동시에 전류밀도의 적절한 분배를 실현하기 위하여, 제2 소탈염실에 충전되어 있는 음이온 교환체의 음극측에, 양극성 막(bipolar membrane)이 그 음이온 교환막면이 상기 음이온 교환체와 대면해서 배치되는 것이 개시된다.
특허문헌 2 및 3에도, EDI 장치에 있어서, 양극성 막을 이용하는 것이 개시된다. 특허문헌 4 및 5, 비특허문헌 1에는 양극성 막이 개시된다.
Yoshinobu Tanaka, "Ion Exchange Membranes Fundamentals and Applications", Maruzen Publishing, 2016, p. 15-18
EDI 장치에서는, 농축실로부터 탈염실 내의 피처리수 중에 확산되어온 약산 성분을 어떻게 효율적으로 피처리수로부터 제거할지가 대단히 중요하다.
본 발명은, 농축실로부터 탈염실 내의 피처리수 중에 확산되어온 약산 성분을 효율적으로 피처리수로부터 제거하는 것이 가능한, 새로운 구성의 EDI 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 양상에 따르면,
대향하는 음극과 양극 사이에 적어도 하나의 탈염 처리부가 설치되고,
상기 탈염 처리부는, 적어도 음이온 교환체가 충전된 탈염실과, 해당 탈염실의 양쪽에 이웃하여 설치되는 1쌍의 농축실을 구비하고,
상기 탈염실은, 상기 1쌍의 농축실 중 상기 음극측의 농축실에 양이온 교환막을 개재해서 인접하는 동시에, 상기 1쌍의 농축실 중 상기 양극측의 농축실에 제1 음이온 교환막을 개재해서 인접하고 있는 전기식 탈이온수 제조장치로서,
상기 양이온 교환막의 탈염실측의 면의, 일부의 영역에, 상기 양이온 교환막과는 별체의 제2 음이온 교환막이 포개어 설치되고,
상기 제2 음이온 교환막의 탈염실측의 면의 적어도 일부에, 상기 음이온 교환체가 접하고 있는 것을 특징으로 하는 전기식 탈이온수 제조장치가 제공된다.
본 발명에 따르면, 농축실로부터 탈염실 내의 피처리수 중에 확산되어온 약산 성분을 효율적으로 피처리수로부터 제거하는 것이 가능한, 새로운 구성의 EDI 장치가 제공된다.
도 1은 본 발명의 EDI 장치의 일 형태의 개략 구성을 나타낸 단면모식도이다.
도 2는 도 1에 나타낸 장치에 있어서, 반복수 N이 2인 경우의 예의 개략 구성을 나타낸 모식단면도이다.
도 3은 본 발명의 EDI 장치의 다른 형태의 개략 구성을 나타낸 모식단면도이다.
도 4는 본 발명의 EDI 장치의 또 다른 형태의 개략 구성을 나타낸 모식단면도이다.
도 5는 본 발명의 EDI 장치의 또 다른 형태의 개략 구성을 나타낸 모식단면도이다.
도 6은 본 발명의 EDI 장치의 또 다른 형태의 개략 구성을 나타낸 모식단면도이다.
도 7은 본 발명의 메커니즘을 설명하기 위한 개념도이다.
도 8은 양이온 교환막과 음이온 교환막이 포개진(즉, 중첩된) 계면에 있어서의 물 해리 메커니즘을 설명하기 위한 다른 개념도이다.
도 9는 양극성 막에 있어서의 물 해리 메커니즘을 설명하기 위한 개념도이다.
도 10은 두개의 막이 포개진 계면에서부터 음이온 및 양이온이 배출되는 상황을 설명하기 위한 개념도이다.
도 2는 도 1에 나타낸 장치에 있어서, 반복수 N이 2인 경우의 예의 개략 구성을 나타낸 모식단면도이다.
도 3은 본 발명의 EDI 장치의 다른 형태의 개략 구성을 나타낸 모식단면도이다.
도 4는 본 발명의 EDI 장치의 또 다른 형태의 개략 구성을 나타낸 모식단면도이다.
도 5는 본 발명의 EDI 장치의 또 다른 형태의 개략 구성을 나타낸 모식단면도이다.
도 6은 본 발명의 EDI 장치의 또 다른 형태의 개략 구성을 나타낸 모식단면도이다.
도 7은 본 발명의 메커니즘을 설명하기 위한 개념도이다.
도 8은 양이온 교환막과 음이온 교환막이 포개진(즉, 중첩된) 계면에 있어서의 물 해리 메커니즘을 설명하기 위한 다른 개념도이다.
도 9는 양극성 막에 있어서의 물 해리 메커니즘을 설명하기 위한 개념도이다.
도 10은 두개의 막이 포개진 계면에서부터 음이온 및 양이온이 배출되는 상황을 설명하기 위한 개념도이다.
탈염실에 음이온 교환체가 충전되어 있는 EDI 장치에서는, 농축실로부터 탈염실로 확산되어온 약산 성분을, 해당 음이온 교환체에 의해서 포착하고, 처리수로부터 제거할 수 있다. 그러나, 탈염실의 출구에 가까운 영역에 농축실로부터 확산되어온 약산 성분의 일부는, 탈염실 내의 음이온 교환체에 포착되어서 제거되기 전에 탈염실로부터 배출되어, 처리수에 혼입되기 쉽다. 이 현상은, 농축실로부터 확산되어온 약산 성분이 충분히 해당 음이온 교환체에 접촉하는 일 없이 처리수 측으로 누설되어 버리기 때문에 발생하는 것으로 여겨진다.
도 7(a)에, 종래의 EDI 장치의 일례에 대해서, 탈염실(23)과 그 음극측의 농축실(24)의 경계 근방을 개념적으로 나타낸다. 이 EDI 장치에서는, 양이온 교환막(33)이, 탈염실(23)과 그 음극측의 농축실(24)을 구획한다. 탈염실(23)에는 음이온 교환체로서 입자 형태의 음이온 교환수지(51)가 충전되고, 음이온 교환수지(51)가 양이온 교환막(33)의 탈염실측의 면에 접하고 있다. 이러한 장치에서는, 양이온 교환막(33)과 음이온 교환수지(51)가 접촉하고 있는 부분에 관해서는, 농축실(24)로부터 양이온 교환막(33)을 개재해서 확산되어온 약산 성분을, 음이온 교환수지(51)에 있어서의 이온 교환반응에 의해 이온화시켜 포착할 수 있다. 예를 들어, 탄산(H2CO3)은, 음이온 교환수지(51)에 의해 탄산수소 이온(HCO3 -) 혹은 탄산 이온(CO3 2-)으로 변환되어, 포착된다. 포착된 음이온은, 음이온 교환수지(51)를 통과해서 반대측(양극측)의 농축실로 이동 가능하다. 한편, 양이온 교환막(33)이 음이온 교환수지(51)와 접촉하고 있지 않은 부분에서는, 양이온 교환막(33)으로부터 탈염실(23) 내의 액상으로 약산 성분이 방출되어서, 그 일부가 그대로 처리수에 혼입되는 것으로 여겨진다.
본 발명자들은, 도 7(b)에 나타낸 바와 같이, 탈염실(23)과 농축실(24)을 구획하는 양이온 교환막(33)의 탈염실측의 면에 음이온 교환막(40)을 포개서 배치하는 구성이, 전술한 과제를 해결하기 위하여 유효한 가능성이 있는 것을 발견하였다. 이 구성에 따르면, 양이온 교환막(33)을 개재해서 탈염실측으로 확산되어온 약산 성분이, 음이온 교환막(40)을 투과한다. 이때 약산 성분은, 음이온 교환막(40)의 내부에서 이온 교환에 의해서 중성 분자로부터 음이온으로 변환되고, 따라서 탈염실(23) 내부의 음이온 교환수지(51)에 포착되기 쉬운 이온 형태가 된다.
본 발명자들은, 도 7(b)와 같은 구성을 실현하기 위하여, 도 7(a)의 양이온 교환막(33) 대신에 양극성 막을 이용하는 것에 대해서 검토하였다. 양극성 막은, 양이온 교환막과 음이온 교환막이 일체로 된 막이며, 통상, 양이온 교환막과 음이온 교환막을 서로 부착시킨 구조를 갖는다. 또한, 양극성 막은, 그 양이온 교환막과 음이온 교환막의 부착면이 물의 해리 반응에 최적화된 구조를 갖고 있어, 물의 해리 반응이 진행되기 쉽도록 구성되어 있다. 이 목적을 위하여, 일반적으로, 물 해리용의 촉매작용을 지니는 물질이, 부착면에 도입된다. 촉매성분으로서, 예를 들어, 비특허문헌 1에 개시된 바와 같은, 금속(특히 중금속 이온)이나 3급 아민 등의 촉매성분 등이 사용된다.
도 9에 전술한 바와 같이 양극성 막을 이용한 구성을 나타낸다. 양극성 막(50)은, 양이온 교환막부(50c) 및 음이온 교환막부(50a)를 구비한다. 양이온 교환막부(50c)와 음이온 교환막부(50a)의 부착면에서는, 물 해리 반응에 의해 H2O가 H+와 OH-로 변환되어 소비되므로, 물을 효율적으로 공급할 필요가 있다. 이 물은, 각각의 막부(50a, 50c)를 두께 방향으로 부착면까지 침투해가는 수분에 의해 공급하게 된다. 그 때문에, 물의 공급이 원활하게 행해지도록, 양극성 막(50)의 양이온 교환막부(50c) 및 음이온 교환막부(50a)의 적어도 한쪽은 얇게 할 필요가 있다. 그러나, 강도의 점이나, 제조상의 문제에 의해 양이온 교환막부, 음이온 교환막부의 두께를 얇게 할 수 없는 경우도 있다.
한편, 도 7(b)에 나타낸 구성에서, 음이온 교환막(40)에 있어서 농축실로부터 확산되어온 약산 성분을 보다 확실하게 이온화시키기 위해서는, 음이온 교환막(40)은, 보다 두꺼운 쪽이 적합한 것으로 고려된다. 따라서, 양극성 막을 이용하지 않고, 도 7(b)와 같은 구성을 실현하는 것이 바람직한 것으로 판명되었다. 또한, 음이온 교환막과 양이온 교환막의 부착 구조를 가진 양극성 막은, 단일의 이온 교환체로 구성되는 음이온 교환막이나 양이온 교환막과 비교하면, 비용적으로 높아진다. 따라서, 비용의 관점에서도, 양극성 막을 이용하지 않는 것이 바람직하다.
이 점에 관해서, 본 발명자들은, 양이온 교환막(33)과 음이온 교환막(40)을 별체로 해서 양이온 교환막(33)의 탈염실측의 면의, 전부가 아니라 일부의 영역에, 음이온 교환막(40)을 포개서 설치함으로써, 양이온 교환막(33)과 음이온 교환막(40)의 계면에 물을 원활하게 공급할 수 있는 것을 발견하였다. 이 구성에 따르면, 각각의 이온 교환막의 두께를 결정함에 있어서, 이들 이온 교환막의 계면에의 물의 공급을 고려할 필요가 없다. 따라서, 설계의 자유도가 높고, 음이온 교환막(40)을 두껍게 하는 것이 용이하다.
이 구성을 개념적으로 도 8에 나타낸다. 또, 도 8에서는, 음이온 교환수지(51)의 도시는 생략하고 있다. 또한, 도 8에서는 양이온 교환막(33)과 음이온 교환막(40)이 떨어져 있는 것처럼 보이지만, 이들 막은 접촉하고 있어도 된다.
양이온 교환막(33)과 음이온 교환막(40)의 계면에서 물 해리 반응이 진행되어, H2O가 소비되면, 탈염실(23) 내의 물이 음이온 교환막(40)의 단부(도 8에 있어서의 지면 상하 방향의 단부)와 양이온 교환막(33) 사이로부터 공급된다. 그리고, OH- 이온이 음이온 교환막(40)을 통과해서 탈염실(23)에 공급되고, H+ 이온이 양이온 교환막(33)을 통과해서 농축실(24)에 공급된다.
또, 도 8에 나타낸 구성에 있어서 음이온 교환막(40) 대신에 양극성 막을 이용한 경우(후술하는 비교예 3 참조), 전류가 양극성 막에 집중해서 흘러버리는 현상이 발생하는 경우가 있는 것도, 본 발명자들의 검토에 의해 판명하였다. 이것은, 양극성 막에 의해서 물 해리 반응이 현저하게 촉진되기 때문인 것으로 여겨진다.
이것에 대해서, 도 8에 나타낸 구성에 있어서는, 별체의 이온 교환막끼리를 중첩한 계면에서 물 해리 반응이 진행되는 전압이, 통상의 이온교환 수지와 이온 교환막의 접점(예를 들면 도 7(a)에 있어서의 양이온 교환막(33)과 음이온 교환수지(51)와의 접점)에서 진행되는 물 해리 반응의 전압과 가깝게 된다. 그 때문에, 도 8에 나타낸 구성에 따르면, 물 해리의 반응부에 촉매기능을 지니는 양극성 막을 이용한 경우에 비해서, 전류가 집중적으로 흘러버리는 현상을 억제하는 것이 용이하다.
본 발명은, 전술한 지견에 의거해서 이루어진 것이다. 본 발명에 의해, 농축실로부터 확산되어오는 약산 성분을 효율적으로 처리할 수 있고, 높은 순도의 처리수를 얻는 것이 가능해진다. 또한, 전술한 바와 같이 양극성 막을 이용한 경우에 발생하는, 전류 집중도 완화시킬 수 있고, 그 결과, 보다 높은 순도의 처리수를 얻는 것이 가능해진다.
이하, 도면을 참조하면서 본 발명의 형태에 대해서 상세히 설명하지만, 본 발명은 이것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 1에는, 본 발명에 의거하는 EDI 장치의 기본적인 양상을 나타낸다. EDI 장치에는, 대향하는 음극(12)과 양극(11) 사이에, 적어도 1개의 탈염 처리부가 설치된다. 이 탈염 처리부는, 탈염실(23)과, 탈염실(23)의 양쪽에 이웃하여 설치되는 1쌍의 농축실(22 및 24)을 구비하고, 또 제1 음이온 교환막인 음이온 교환막(AEM)(32)과 양이온 교환막(CEM)(33)도 구비한다.
탈염실(23)은, 1쌍의 농축실(22, 24) 중 음극측의 농축실(24)에 양이온 교환막(33)을 개재해서 인접하는 동시에, 1쌍의 농축실(22, 24) 중 양극측의 농축실(22)에 음이온 교환막(32)을 개재해서 인접한다. 따라서 탈염실(23)은, 양극(11)을 향한 측에 위치하는 음이온 교환막(32)과 음극(12)을 향한 측에 위치하는 양이온 교환막(33)에 의해서 구획되어 있다.
도 1에 나타낸 EDI 장치에서는, 양극(11)을 구비한 양극실(21)과, 음극(12)을 구비한 음극실(25) 사이에, 양극실(21) 측으로부터 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(24)과 음극실(25)은 음이온 교환막(34)을 사이에 두고 인접하고 있다.
탈염실(23) 내에는, 적어도 음이온 교환체가 충전되어 있다. 도 1에 나타낸 예에서는, 탈염실(23) 내에는, 음이온 교환체와 양이온 교환체가 혼상(mixed bed: MB)으로 되어서 충전되어 있다. 단, 이것으로 한정되는 것은 아니고, 음이온 교환체만이 탈염실(23)에 충전되어 있어도 된다. 혹은, 하나 이상의 음이온 교환체상(anion exchanger bed)(음이온 교환체로 이루어진 상(bed))과, 하나 이상의 양이온 교환체상(cation exchanger bed)(양이온 교환체로 이루어진 상)이, 탈염실(23)에 설치되어 있어도 된다. 이 경우에는, 피처리수가 최후에 통과하는 이온 교환체가 음이온 교환체로 되는 순서로, 음이온 교환체상과 양이온 교환체상이 탈염실에 충전되어 있는 것이 바람직하다.
또한, 이 EDI 장치에서는, 양이온 교환체가 양극실(21) 내에 충전되고, 음이온 교환체가 농축실(22, 24) 및 음극실(25) 내에 충전되어 있다. 그러나, 양극실(21), 농축실(22, 24) 및 음극실(25)에는, 반드시 이온 교환체(음이온 교환체 또는 양이온 교환체)를 충전할 필요는 없다.
단, 농축실(22, 24)에 음이온 교환체가 충전되어 있을 경우에, 본 발명의 효과가 현저하다. 왜냐하면, 농축실(22, 24)에 음이온 교환체가 충전되어 있을 경우, 농축실로부터 탈염실에의 약산 성분의 확산 현상이 현저한 경향이 있기 때문이다.
음이온 교환체로서는 예를 들면 음이온 교환수지(anion exchange resin: AER)이 사용되고, 양이온 교환체로서는 예를 들면 양이온 교환 수지(cation exchange resin: CER)가 사용된다. 이온교환 수지란, 3차원적인 망상체 구조를 가진 고분자 모체에 작용기(이온 교환기)를 도입한 합성 수지이며, 통상 사용되는 것은, 입자 직경이 0.4 내지 0.8㎜ 정도인 구형의 입자이다. 이온교환 수지의 고분자모체로서는, 스타이렌-다이비닐벤젠의 공중합체(스타이렌계)나, 아크릴산-다이비닐벤젠의 공중합체(아크릴계) 등이 있다.
이온교환 수지는, 작용기가 산성을 나타내는 양이온 교환 수지와, 염기성을 나타내는 음이온 교환수지로 대별되고, 또한, 도입되는 이온 교환기의 종류에 따라, 강산성 양이온 교환 수지, 약산성 양이온 교환 수지, 강염기성 음이온 교환수지, 약염기성 음이온 교환수지 등이 있다. 강염기성 음이온 교환수지로서는, 예를 들어, 제4급 암모늄기를 작용기(이온 교환기)로서 갖는 것이 있고, 약염기성 음이온 교환수지로서는, 예를 들어, 제1 내지 제3급 아민을 작용기로서 갖는 것이 있다. 강산성 양이온 교환 수지로서는, 예를 들어, 설폰산기를 작용기로서 갖는 것이 있고, 약산성 양이온 교환 수지로서는, 예를 들어, 카복실기를 작용기로서 갖는 것이 있다.
다음에, 도 1에 나타낸 EDI 장치에 의한 탈이온수(처리수)의 제조에 대해서 설명한다. 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. 그러면, 피처리수 중의 이온 성분은 탈염실(23) 내의 이온 교환체에 흡착되어, 탈이온화(탈염)처리가 행해지고, 탈염실(23)로부터 처리수로서 탈이온수가 유출된다. 이때 탈염실(23)에서는, 인가 전압에 의해서 주로 이종의 이온 교환체(이온 교환막이어도 됨)끼리의 계면에서 물의 해리 반응이 일어나, 수소 이온 및 수산화물 이온이 생성된다. 그리고 그 수소 이온과 수산화물 이온에 의해, 먼저 탈염실(23) 내의 이온 교환체에 흡착되어 있던 이온 성분이 이온 교환되어서 이온 교환체로부터 유리된다. 유리된 이온 성분 중 음이온은 음이온 교환막(32)을 개재해서 양극측의 농축실(22)로 이동하고, 이 농축실(22)로부터 농축수로서 배출되고, 양이온은, 양이온 교환막(33)을 개재해서 음극측의 농축실(24)로 이동하고, 이 농축실(24)로부터 농축수로서 배출된다. 결국, 탈염실(23)에 공급된 피처리수 중의 이온 성분은 농축실(22, 24)로 이행되어 배출되고, 동시에, 탈염실(23)의 이온 교환체가 재생된다. 또, 양극실(21) 및 음극실(25)로부터는 전극수가 배출된다.
본 발명에 따른 EDI 장치에서는, 탈염실(23)과 농축실(24)을 구획하는 양이온 교환막(33)의 탈염실(23)측의 면(이하, "탈염실측 면"이라 지칭할 경우가 있음)의, 전부가 아니라 일부의 영역에, 제2 음이온 교환막인 음이온 교환막(40)이 중첩되어 배치된다. 음이온 교환막(40)은, 양이온 교환막(33)과는 별체이며, 즉, 양이온 교환막(33)과 일체화되어 있지 않다.
양이온 교환막(33)은, 농축실(24)과 탈염실(23)을 구획하도록 설치되고, 따라서 탈염실(23)과 농축실(24) 사이의 경계의 실질적으로 전역에 설치된다. 한편, 전술한 바와 같이, 양이온 교환막(33)의 탈염실측 면의 일부의 영역에, 음이온 교환막(40)이 중첩된다. 따라서, 음이온 교환막(40)의 면적은, 양이온 교환막(33)의 면적에 비해서 작다. 이러한 구성에 의해, 양이온 교환막(33)과 음이온 교환막(40)의 계면이, 탈염실(23) 내의 물과 접촉 가능하다. 따라서, 도 8을 이용해서 설명한 것과 같이, 음이온 교환막(40)의 단부(도 1에 있어서의 지면 상하 방향의 단부)와 양이온 교환막(33) 사이로부터, 양이온 교환막(33)과 음이온 교환막(40)의 계면에, 탈염실(23) 내의 물을 공급하는 것이 가능하다.
이하, 상기 일부의 영역(즉 양이온 교환막(33)의 탈염실측 면 중, 음이온 교환막(40)이 중첩되는 영역)을, "중첩 영역"이라 지칭할 경우가 있다. 하나의 양이온 교환막(33)에 관해서, 중첩 영역은, 하나이어도 되고(도 1 내지 도 3, 도 5 내지 도 6 참조), 서로 이간해서 복수 존재해도 된다(도 4 참조). 양이온 교환막(33)의 탈염실측 면에, 중첩 영역이 하나 존재할 경우, 그 영역에 1매의 음이온 교환막(40)을 중첩시킬 수 있다. 양이온 교환막(33)의 탈염실측 면에, 중첩 영역이 복수 존재할 경우, 각각의 영역에 음이온 교환막(40)을 1매씩 중첩시킬 수 있다. 또한, 중첩 영역이 복수 존재할 경우, 이들의 영역은, 탈염실(23) 내의 피처리수의 통수 방향을 따라서, 서로 이간해서 존재할 수 있다.
약산 성분이 처리수에 혼입되는 것을 방지하는 관점에서, 중첩 영역이, 양이온 교환막(33)의 탈염실측 면 중, 양이온 교환막(33)의 탈염실 출구측 단부(처리수 출구측의 단부)에 도달하는 영역을 포함하는 것이 바람직하다. 즉, 중첩 영역이 하나이면, 그 중첩 영역이, 양이온 교환막(33)의 탈염실 출구측의 단부에 도달하는 것이 바람직하다. 중첩 영역이 복수인 경우, 그 복수의 중첩 영역 중 하나가, 양이온 교환막(33)의 탈염실 출구측의 단부에 도달하는 것이 바람직하다. 특히, 중첩 영역이, 탈염실(23) 내의 피처리수의 통수 방향을 따라서, 서로 이간해서 복수 존재할 경우, 통수 방향의 최하류에 위치하는 중첩 영역이, 양이온 교환막(33)의 탈염실 출구측 단부에 도달하는 것이 바람직하다.
예를 들면, 음이온 교환막(40)은, 양이온 교환막(33)과 같은 폭(도 1에 있어서의 지면 깊이 방향의 치수)을 갖고, 양이온 교환막(33)보다 짧은 길이(도 1에 있어서의 지면 상하 방향의 치수)를 갖는다.
또한, 음이온 교환막(40)의 탈염실(23)측의 면의 적어도 일부에는, 음이온 교환체가 접하고 있다. 본 형태에서는 혼상(MB)이 음이온 교환막(40)의 탈염실측의 면에 접하고 있다. 따라서, 혼상에 포함되는 음이온 교환체(특히 음이온 교환수지)가, 음이온 교환막(40)의 탈염실측의 면에 접하고 있다. 이것에 의해, 농축실로부터 확산되어, 음이온 교환막(40)에 의해서 중성분자로부터 음이온으로 변환된 약산 성분을, 탈염실(23)에 충전된 음이온 교환체를 통해서, 또한 음이온 교환막(32)을 통과해서, 농축실(22)에 효율적으로 배출하는 것이 용이하다. 이 관점에서, 음이온 교환막(40)으로부터 음이온 교환막(32)까지 음이온 교환체에 의해서 음이온이 이동하는 경로가 형성되도록, 음이온 교환막(40 및 32)에 접하도록 탈염실 내에는 음이온 교환체상 혹은 혼상이 설치되어 있는 것이 바람직하다.
양이온 교환막(33), 음이온 교환막(40)으로서, 각각 EDI 장치나 전기투석장치(ED)의 분야에서 공지된 것을 사용할 수 있다.
양이온 교환막(33) 및 음이온 교환막(40)의 막 두께는 모두, 일반적으로 100㎛ 내지 700㎛ 정도, 특히 200 내지 600㎛ 정도이다.
양이온 교환막(33) 및 음이온 교환막(40)은 모두, 양극성 막에 포함되는 바와 같은 물 해리 반응 촉진을 위한 촉매성분을 포함하지 않는 것이, 전류의 집중 방지의 관점에서, 바람직하다.
이온 교환막은, 불균질막과 균질막으로 대별할 수 있다. 불균질막은, 이온교환 수지의 미분말을, 적당한 결합제(고분자 화합물)에 분산시키고, 가열해서 막 형상으로 성형한 것이다. 불균질막의 막면에는, 이온 교환기가 존재하지 않는 불활성 고분자 화합물로 이루어진 부분이 존재한다. 불균질막은 균질막에 비해서 제조가 용이하다. 한편, 균질막은, 막 형태로 합성한 이온 교환체이다. 균질막은, 막 전체가 고도의 가교에 의해서 화학적으로 결합하고, 다수의 이온 교환기가 균일하게 분포된 구조를 갖고, 불균질막에 비해서 전기 저항이 낮은 점에서 우수한 이온 교환막이다. 불균질막, 균질막 둘 다 기계적 강도를 향상시킬 목적으로 보강체로서 메쉬나 부직포 등이 일체화되어 있는 것이 일반적이다. 또, 이온 교환막은 이온교환 수지와 마찬가지로 도입되는 작용기의 종류에 따라서, 음이온 교환막과 양이온 교환막으로 분류된다.
본 발명에 있어서는, 불균질막, 균질막의 어느 쪽이나 채용하는 것이 가능하다. 단, 양이온 교환막(33)과 음이온 교환막(40)에 대해서는, 균질막/균질막, 불균질막/균질막, 균질막/불균질막 중 어느 하나로 하는 것이 바람직하다(슬래시 "/" 앞에 양이온 교환막(33)의 종류를, "/" 뒤에 음이온 교환막(40)의 종류를 나타낸다). 즉 양이온 교환막(33)과 음이온 교환막(40) 중 적어도 한쪽이 균질막인 것이 바람직하다. 불균질막은, 일부 이온 교환기가 없는 불활성 영역을 가지므로, 물 해리 반응이 일어나는 개소에서 불균질막/불균질막의 조합을 이용하면 물 해리의 반응점이 적어지고, 전압이 높아지는 경우가 있기 때문이다.
양이온 교환막(33)과 음이온 교환막(40)은，함께 중첩함으로써, 습윤 상태에서 접촉시킬 수 있다. 습윤 상태에서 양자를 서로 접촉시킴으로써, 물 해리 반응에서 물이 소비된 때에, 중첩 단부에서부터 물이 흡인되어, 양자 간에의 물공급이 용이해진다. 또한, 양자의 접촉 개소는, 물 해리의 반응부로서 기능한다.
양이온 교환막(33)과 음이온 교환막(40)을 EDI 장치에 설치할 때에는, 각각의 막을 건조 상태에서 중첩시켜 설치하고, 그 후 통수함으로써 습윤 상태로 하는 방법을 채용해도 된다. 혹은, 양자를 EDI 장치에 설치할 때에 습윤 상태에서 중첩시켜 설치해도 된다. 예를 들면, 양이온 교환막(33)과 음이온 교환막(40)을 중첩시킬 때에는, 각각의 막을 습윤 상태로 하고, 표면의 오염을 청정한 순수 등으로 흐르게 한 상태에서 중첩시킬 수 있다. 또한, 적당한 수단을 이용해서, 양자를 서로 고정시킬 수 있다.
또한, 양이온 교환막(33)과 음이온 교환막(40)의 중첩 단부에 대해서는, 그 일부가, 물 해리 반응부에 탈염실(23)로부터 물을 공급(흡인)할 수 있게 되어 있으면 된다(밀봉되지 않고, 즉, 개방되어 있다). 예를 들면, 중첩 단부의 일부가 밀봉되어 있지 않고, 그 밖의 부분이 밀봉되어 있어도 된다. 단부가 전체 영역에 걸쳐서 개방되어 있어도 된다. 밀봉 수단으로서는, 접착제를 이용한 접착, 가열이나 초음파진동에 의해 막구성 재료를 녹여서 일체화시키는 용착, 및 프레임체에 의해서 끼워서 고정하는 방법 등이 있다.
양극(11) 및 음극(12)으로서는, EDI 장치의 분야에서 공지된 것을 이용할 수 있다. 예를 들면, 음극에는 스테인리스, 양극에는 백금 등의 귀금속, 혹은 귀금속 도금 전극이 이용된다.
양이온 교환막(31), 음이온 교환막(32, 34)으로서도, EDI 장치의 분야에서 공지된 것을 이용할 수 있다. 또한, 도시하지 않았지만, 양극(11) 및 음극(12), 양극실(21), 농축실(22 및 24), 탈염실(23), 음극실(25), 양이온 교환막(31 및 33), 및 음이온 교환막(32, 34 및 40)을, 적당한 프레임체(도시 생략)에 수용할 수 있다.
공급수나 피처리수로서도, EDI 장치의 분야에서 공지된 것을 이용할 수 있다. 일반적으로는 역침투막(RO)의 투과수가 이용되고, RO막으로 2단 이상 처리한 것이 보다 바람직하다. 이에 부가해서, 탈탄산탑이나 탈탄산막을 이용해서 탄산을 제거하는 것도 가능하다. 또한, 최근에 있어서는, EDI에서 처리한 물을 공급수나 피처리수로 이용할 경우도 있다.
도 1에 나타낸 장치에서는, 양극실(21), 농축실(22 및 24) 및 음극실(25)에, 아래쪽에서부터 공급수를 도입하고, 위쪽에서부터 물(전극수 혹은 농축수)을 배출하고, 한편, 탈염실(23)에는, 위쪽에서부터 피처리수를 공급하고, 처리수를 아래쪽으로 배출하고 있다. 그러나, 이것으로 한정되는 것은 아니고, 물의 흐름 방향은 적당히 결정할 수 있다. 또한, 양극실(21)에 외부에서부터 물을 공급하는 것이 아니라, 음극실(25)의 출구수(전극수)를 양극실(21)에 공급해도 되고, 그 반대로 해도 된다.
농축실(24)로부터 탈염실(23)에의 약산 성분의 확산은, 농축실(24)에 있어서의 약산 성분의 농도에도 영향을 받아, 농도가 높을수록 확산되는 양도 증가한다. 농축실(24)에서는 그 입구로부터 출구를 향함에 따라서, 농축 배율이 올라가 약산 성분의 농도도 높아진다. 농축실(24)의 입구측을 탈염실(23)의 출구측에 인접하도록 배치함으로써, 탈염실(23)의 처리수 출구에 가까운 위치에 농축실(24)로부터의 확산이 보다 많이 발생하는 것을 억제할 수 있다. 따라서, 농축실(24)에 있어서의 물의 흐름 방향은, 인접하는 탈염실(도 1에 나타낸 형태에서는 탈염실(23), 도 6에 나타낸 형태에서는 제2 소탈염실(27))에 있어서의 물의 흐름 방향과 향류가 되도록 하는 것이 바람직하다.
또, 농축실이 전극실을 겸하고 있는 구성도 본 발명에 포함된다. 예를 들면, 도 1에 나타낸 농축실(24)에 음극을 설치하고 음극실(25)을 생략해도 된다. 이 경우이더라도, 탈염실 및 1쌍의 농축실로 구성되는 탈염 처리부는, 음극과 양극 사이에 배치된다.
EDI 장치는, 탈염 처리부를 복수개 구비할 수 있다. 그 때문에, [농축실|제1 음이온 교환막(AEM)|탈염실|양이온 교환막(CEM)(제2 음이온 교환막이 중첩됨)|농축실]로 이루어진 기본구성(즉, 셀 세트)을 양극과 음극 사이에 복수개 병치시킬 수 있다. 이때, 인접하는 셀 세트 사이에서 이웃하는 농축실을 공유할 수 있다. 따라서, 음이온 교환막(32), 탈염실(23), 양이온 교환막(33)(음이온 교환막(40)이 중첩됨) 및 농축실(24)로 1개의 셀 세트가 구성되는 것으로 하여, 이 셀 세트를 양극실(21)에 가장 가까운 농축실(22)과 음극실(25) 사이에 복수개 배치할 수 있다. 도 1 중, "N"은 이 셀 세트의 개수를 의미하고, N은 1 이상의 정수이다.
이상, 본 발명에 의거하는 EDI 장치의 기본적인 구성을 설명했지만, 본 발명은 각종 구성의 EDI 장치에 널리 적용할 수 있는 것이다. 이하, 본 발명을 적용할 수 있는 EDI 장치의 구성예를 설명한다.
도 2를 이용해서, 탈염 처리부를 2개 구비하는 형태의 EDI 장치에 대해서 설명한다. 이 EDI 장치는, 도 1에 나타낸 장치에 있어서, 셀 세트를 양극실(21)에 가장 가까운 농축실(22)과 음극실(25) 사이에 2개 배치한 것이다. 도 2에 있어서, 음극실(25)에 가까운 쪽의 셀 세트를 구성하는 구성 요소를 나타내는 부호에는 "'(대시)"를 붙이고 있다.
양극실(21)에는 양이온 교환 수지(CER)가 충전되고, 농축실(22)과 음극실(25)에는 음이온 교환수지(AER)이 충전된다. 농축실(24 및 24')에는 모두 음이온 교환수지(AER)가 충전된다. 탈염실(23 및 23')에는 모두 음이온 교환수지와 양이온 교환 수지가 혼상(MB)으로 충전되어 있다.
양극실(21)과 농축실(22)은 양이온 교환막(31)에 의해서 구획된다. 농축실(22)과 탈염실(23)은 음이온 교환막(32)에 의해서 구획된다. 탈염실(23)과 농축실(24)은 양이온 교환막(33)에 의해서 구획된다. 농축실(24)과 탈염실(23')은 음이온 교환막(32')에 의해서 구획된다. 탈염실(23')과 농축실(24')은 양이온 교환막(33')에 의해서 구획된다. 농축실(24')과 음극실(25)은 음이온 교환막(34)에 의해서 구획된다.
양이온 교환막(33)에는 음이온 교환막(40)이 중첩된다. 양이온 교환막(33')에는 음이온 교환막(40')이 중첩된다.
음이온 교환막(32' 및 40'), 탈염실(23'), 양이온 교환막(33') 및 농축실(24')의 구성은, 각각 음이온 교환막(32 및 40), 탈염실(23), 양이온 교환막(33) 및 농축실(24)과 동일해도 되고, 또는 상이해도 된다.
본 형태에 있어서도, 도 1에 나타낸 형태와 마찬가지의 효과를 얻을 수 있다.
그런데, 농축실(24)에는, 탈염실(23')로부터 CO3 2-나 HCO3 - 등의 약산 유래의 음이온이, 음이온 교환막(32')을 통해서 이동해온다. 따라서, 농축실(24) 내에는, 공급수에 원래 함유되어 있던 약산 성분에 부가해서, 음이온 교환막(32')을 통해서 이동해온 약산 성분도 포함되게 된다. 그 때문에, 농축실(24) 내의 약산 성분의 농도가 비교적 높아져, 농축실(24)로부터 탈염실(23)에의 약산 성분의 확산 현상이 현저해지기 쉽다. 따라서, 본 발명은, 탈염 처리부를 복수 구비하는 EDI 장치에 있어서 특히 유효하다.
도 3은 본 발명에 의거하는 EDI 장치의 다른 형태를 나타내고 있다. 이 EDI 장치는 도 1에 나타낸 것과 마찬가지인 것이지만, 단 탈염실(23)의, 입구측의 영역에 양이온 교환 수지(CER)를 배치하고, 출구측의 영역에 음이온 교환수지(AER)를 배치하고 있다. 즉, 탈염실(23)에, 양이온 교환 수지로 이루어진 상(양이온 교환 수지상, 따라서 양이온 교환체상)과, 음이온 교환수지로 이루어진 상(음이온 교환수지상, 따라서 음이온 교환체상)이, 피처리수의 통수 방향으로 하나씩 적층되어 있다. 즉, 피처리수가 최후에 통과하는 이온 교환체가 음이온 교환체가 되는 순서로, 음이온 교환체상과 양이온 교환체상이 탈염실에 충전되어 있다. 그리고, 탈염실(23) 내의 음이온 교환체상의 음극측에, 즉, 해당 음이온 교환체상과 양이온 교환막(33) 사이에, 음이온 교환막(40)이 배치된다. 탈염실(23) 내의 양이온 교환체상의 음극측에는, 음이온 교환막(40)은 배치되지 않는다.
도 3에 나타낸 바와 같이 탈염실(23) 내의 각 상의 통수 방향의 길이(도 3에 있어서의 지면 상하 방향의 길이)를 서로 동일하게 할 수 있지만, 상이해도 된다.
당연히 이 형태에서도, 음이온 교환막(32), 탈염실(23), 양이온 교환막(33)(음이온 교환막(40)이 중첩됨) 및 농축실(24)로 1개의 셀 세트가 구성되는 것으로 하여, 이 셀 세트를 양극실(21)에 가장 가까운 농축실(22)과 음극실(25) 사이에 N(N은 1이상의 정수)개 배치할 수 있다.
도 4에 나타낸 EDI 장치는, 도 3에 나타낸 것과 마찬가지인 것이지만, 단 탈염실(23)을 피처리수의 통수 방향을 따라서 4개의 영역으로 나누고, 피처리수의 입구측에서부터 순서대로, 제1 양이온 교환체상, 제1 음이온 교환체상, 제2 양이온 교환체상, 제2 음이온 교환체상으로 나열되도록, 각각의 영역에 이온교환 수지를 배치한 것이다. 그리고, 제1 음이온 교환체상의 음극측 및 제2 음이온 교환체상의 음극측에는, 각각 음이온 교환막(40)(양이온 교환막(33)과 중첩됨)이 배치된다. 제1 양이온 교환체상의 음극측 및 제2 양이온 교환체상의 음극측에는, 모두 음이온 교환막(40)이 배치되지 않는다. 이 장치에서는, 중첩 영역(양이온 교환막(33)의 탈염실측 면 중, 음이온 교환막(40)이 중첩되는 영역)이 두개, 탈염실(23) 내의 피처리수의 통수 방향을 따라서, 서로 이간되어 존재한다. 그리고, 두개의 중첩 영역 중, 통수 방향의 최하류에 위치하는 하나의 중첩 영역이, 양이온 교환막(33)의 탈염실 출구측의 단부에 도달하고 있다.
도 4에 나타낸 바와 같이 탈염실(23) 내의 각 상의 통수 방향의 길이를 서로 동일하게 할 수 있지만, 달라도 된다. 또한, 각 상의 개수도 도 4에서는 4개이지만, 제작상의 가능한 범위에서 5개이어도, 6개이어도 그 이상이어도 된다.
도 5에 나타낸 EDI 장치는, 도 1에 나타낸 것과 마찬가지인 것이지만, 단 탈염실(23)에 있어서, 음이온 교환막(40)의 탈염실측에는, 혼상(MB) 대신에 음이온 교환체상이 설치되어 있다. 탈염실(23)의, 피처리수 통수 방향에 있어서 음이온 교환막(40)이 존재하지 않는 영역에는, 도 1에 나타낸 형태와 마찬가지로, 혼상이 설치된다.
즉, 이 형태에서는, 탈염실(23)의, 입구측 영역에 음이온 교환수지와 양이온 교환 수지의 혼상(MB)을 배치하고, 출구측 영역에 음이온 교환체상(AER의 상)을 배치하고 있다. 즉, 탈염실(23)에, 혼상과 음이온 교환체상이, 통수 방향으로 하나씩 적층되어 있다.
본 발명에 의거하는 EDI 장치에서는, 각 탈염실에 있어서 양극측 음이온 교환막과 음극측의 양이온 교환막 사이에 중간이온 교환막(IIEM)을 설치하고, 중간이온 교환막에 의해서 그 탈염실을 제1 소탈염실 및 제2 소탈염실로 구획할 수 있다. 그리고, 제1 소탈염실 및 제2 소탈염실 중 한쪽 소탈염실에 피처리수가 공급되어서, 그 소탈염실로부터 유출되는 물이 다른 쪽 소탈염실에 유입되도록, 제1 및 제2 소탈염실을 연통 배치할 수 있다. 중간이온 교환막으로서는, 음이온 교환막 및 양이온 교환막을 모두 사용할 수 있다. 이때, 양극측의 소탈염실을 제1 소탈염실, 음극측의 소탈염실을 제2 소탈염실로 한다. 예를 들면, 제1 소탈염실에는 적어도 음이온 교환체가 충전되고, 제2 소탈염실에는 적어도 양이온 교환체가 충전된다.
도 6은, 이와 같이 탈염실을 중간이온 교환막에 의해서 2개의 소탈염실로 구획한 EDI 장치의 예를 도시하고 있다. 이 EDI 장치는, 도 1에 나타낸 EDI 장치에 있어서의 각 탈염실(23)을, 음이온 교환막(32)과 양이온 교환막(33) 사이에 위치하는 중간이온 교환막(36)에 의해서, 양극(11)측의 제1 소탈염실(26)과 음극(12)측의 제2 소탈염실(27)로 구획한 구성을 갖는다. 제1 소탈염실(26)은 음이온 교환막(32)과 중간이온 교환막(36) 사이에 위치하고, 제2 소탈염실(27)은 양이온 교환막(33)과 중간이온 교환막(36) 사이에 위치한다. 제1 소탈염실(26)에 피처리수가 공급되어서 제1 소탈염실(26)로부터 유출되는 물이 제2 소탈염실(27)에 유입되도록, 제1 소탈염실(26) 및 제2 소탈염실(27)이 연통하고 있다.
제1 소탈염실(26)에는 음이온 교환수지를 충전한다. 제2 소탈염실(27)의 입구측 영역에 양이온 교환 수지를 배치하고, 출구측 영역에 음이온 교환수지를 배치한다. 즉, 제2 소탈염실(27)에, 피처리수의 통수 방향을 따라서, 양이온 교환체상 및 음이온 교환체상이, 이 순서대로 설치된다. 피처리수는 제1 소탈염실(26)에 공급되고, 제1 소탈염실(26)의 출구수가 제2 소탈염실(27)에 보내져, 제2 소탈염실(27)로부터 탈이온수가 처리수로서 얻어진다. 따라서, 탈염실(23)에는, 피처리수가 최후에 통과하는 이온 교환체가 음이온 교환체로 되는 순서로, 음이온 교환체상과 양이온 교환체상이 충전되어 있다.
제2 소탈염실(27) 내의 음이온 교환체상의 음극측에는, 음이온 교환막(40)(양이온 교환막(33)과 중첩됨)이 배치된다. 제2 소탈염실(27) 내의 양이온 교환체상의 음극측에는, 음이온 교환막(40)은 배치되어 있지 않다. 전술한 중첩 영역(양이온 교환막(33)의 탈염실측 면 중, 음이온 교환막(40)이 중첩되는 영역)은 하나 존재한다. 이 중첩 영역이, 양이온 교환막(33)의 탈염실 출구측 단부에 도달하고 있다. 여기서, 탈염실 출구는 처리수 출구이며, 이 장치에서는 제2 소탈염실(27)의 출구이다.
도 6에 나타낸 바와 같이 제2 소탈염실(27) 내의 각 상의 통수 방향의 길이를 서로 동일하게 할 수 있지만, 상이해도 된다.
중간이온 교환막(36)에는 예를 들면 음이온 교환막이 사용된다.
도 6에 나타낸 장치에서는, 제1 소탈염실(26)에 있어서의 물의 흐름과, 제2 소탈염실(27)에 있어서의 물의 흐름이, 향류로 되어 있다. 단, 이것으로 제한되는 것은 아니고, 이들 흐름이 병류이어도 된다.
제1 소탈염실(26)에 피처리수가 공급된다. 공급된 피처리수 중의 음이온 성분은, 피처리수가 제1 소탈염실(26)을 통과하는 과정에서 포착된다. 제1 소탈염실(26)에 있어서 포착된 음이온 성분은, 제1 소탈염실(26)에 음이온 교환막(32)을 개재해서 인접하는 농축실(22)로 이동하여, 농축실(22)을 통수하는 농축수와 함께 계 밖으로 배출된다.
그 다음에, 제1 소탈염실(26)을 통과한 피처리수는, 제2 소탈염실(27)에 공급된다. 제2 소탈염실(27)에 공급된 피처리수는, 우선 양이온 교환체상을 통과하고, 그 후에 음이온 교환체상을 통과한다. 그 때, 피처리수가 양이온 교환체상을 통과하는 과정에서, 피처리수 중의 양이온 성분이 포착된다. 구체적으로는, 제2 소탈염실(27) 내의 양이온 교환체에 의해 포착된 양이온 성분은, 양이온 교환막(33)을 개재해서 제2 소탈염실(27)에 인접하는 농축실(24)로 이동하여, 농축실(24)로부터 농축수와 함께 계 밖으로 배출된다.
또한, 제2 소탈염실(27)에 있어서 양이온 교환체상을 통과한 피처리수는, 다음 단계의 음이온 교환체상을 통과한다. 이때, 피처리수 중의 음이온 성분이 재차 포착된다. 구체적으로는, 제2 소탈염실(27)의 음이온 교환체에 의해 포착된 음이온 성분은, 중간이온 교환막(36)을 개재해서 제2 소탈염실(27)에 인접하는 제1 소탈염실(26)로 이동한다. 제1 소탈염실(26)로 이동한 음이온 성분은, 음이온 교환막(32)을 개재해서 제1 소탈염실(26)에 인접하는 농축실(22)로 이동하여, 농축실(22)을 통수하는 농축수와 함께 계 밖으로 배출된다.
여기서, 농축실(24) 내의 농축수에 포함되어 있는 약산 성분(탄산이나 실리카나 붕소)이 중성분자의 형태로 양이온 교환막(33)을 통과하여, 제2 소탈염실(27)로 이동하는 확산 현상이 발생한 경우에 대해서 고려한다.
농축실(24)로부터 제2 소탈염실(27)로 이동한 약산 성분은, 양이온 교환막(33)의 양극측 표면상에 일정하게 확산된다. 즉, 약산 성분은, 음이온 교환막(40)과 접하고 있는 양이온 교환막(33)의 표면영역뿐만 아니라, 제2 소탈염실(27) 내의 양이온 교환체상과 접하고 있는 양이온 교환막(33)의 표면영역으로도 확산된다. 그리고, 약산 성분은 양이온 교환체에 따라서는 포착되지 않으므로, 양이온 교환막(33)의 양극측 표면 중, 양이온 교환체상과 접하고 있는 영역으로 확산된 약산 성분은, 피처리수와 함께 양이온 교환체상을 통과한다. 그러나, 제2 소탈염실(27)에는, 피처리수의 통수 방향을 따라서 양이온 교환체상과 음이온 교환체상이 적층되어 있다. 따라서, 양이온 교환체상을 통과한 약산 성분은, 다음 단계의 음이온 교환체상에 있어서 다시 이온화되어서 포착되어, 제1 소탈염실(26)로 이동한다. 제1 소탈염실(26)로 이동한 약산 성분은, 음이온 교환막(32)을 통과해서, 농축실(22)로 이동하여, 농축실(22)을 통수하는 농축수와 함께 계 밖으로 배출된다.
이와 같이, 이 형태에서는, 약산 성분이 양이온 교환막(33)을 통과했다고 해도 다음 단계에 음이온 교환체상이 있으므로, 그 약산 성분을 농축실(22)로부터 배출시키는 것이 용이하고, 그 결과, 처리수의 순도 저하를 억제하는 것이 용이하다. 물론 이 형태에서도, 양이온 교환막(33)의 음이온 교환막(40)과 접하고 있는 표면영역으로 확산된 약산 성분을, 음이온 교환막(40)에 의해서 효율적으로 피처리수로부터 제거할 수 있다.
이상의 설명으로부터, 탈염실 내, 특히 제2 소탈염실(27) 내에 설치된 이온 교환체상의 적층체의 최종단이 음이온 교환체상인 것이 바람직한 것이 이해된다. 최종단의 음이온 교환체상보다도 전단의 이온 교환체상의 종류, 적층순서, 적층수는 특별히 한정되지 않는다.
또, 본 형태에 따른 EDI 장치에서는, 피처리수가 최초로 공급되는 제1 소탈염실(26)에 음이온 교환체가 충전되고, 피처리수가 다음으로 공급되는 제2 소탈염실(27)에는, 양이온 교환체상과 음이온 교환체상이 이 순서로 적층되어 있다. 따라서, 피처리수는, 최초에 음이온 교환체상을 통과한다. 이것에 의해, 피처리수로부터 음이온 성분이 제거되어, 피처리수의 pH가 상승한다.
또한, 제1 소탈염실(26)을 통과한 피처리수는, 양이온 교환체상과 음이온 교환체상이 이 순서로 적층되어 있는 제2 소탈염실(27)에 공급된다. 즉, 제1 소탈염실(26) 내의 음이온 교환체상을 통과한 피처리수는, 이어서 양이온 교환체상을 통과하고, 계속해서 음이온 교환체상을 다시 통과한다. 요컨대, 본 형태의 구성에 따르면, 피처리수는, 음이온 교환체상과 양이온 교환체상을 교대로 통과한다.
여기서, 음이온 교환체의 음이온 성분의 포착 능력은, 피처리수의 pH가 낮을 경우에 높아지고, 양이온 교환체의 양이온 성분의 포착 능력은, 피처리수의 pH가 높을 경우에 높아진다. 따라서, 피처리수가 최초로 음이온 교환체상을 통과하고, 그 후에 양이온 교환체상과 음이온 교환체상을 교대로 통과하게 되는 본 형태의 구성에 따르면, 음이온 교환체를 통과함으로써 음이온 성분이 제거되어, pH가 상승된 피처리수가 계속해서 양이온 교환체상을 통과한다. 따라서, 양이온 교환체에 의한 양이온 제거 반응이 통상보다도 촉진된다.
또한, 양이온 교환체상을 통과함으로써 양이온 성분이 제거되어, pH가 저하된 피처리수가 계속해서 음이온 교환체상을 통과한다. 따라서, 음이온 교환체에 의한 음이온 제거 반응이 통상보다도 촉진된다. 따라서, 탄산이나 실리카나 붕소를 함유하는 음이온 성분의 제거 능력이 더욱 향상될 뿐만 아니라, 양이온 성분의 제거 능력도 향상되고, 따라서 처리수의 순도가 더한층 향상된다.
전술한 바와 같이, 피처리수가 최후에 통과하는 이온 교환체가 음이온 교환체로 되는 순서로, 양이온 교환체상과 음이온 교환체상을 교대로 이용하는 것이 바람직하다. 이것은, 도 6에 나타낸 형태뿐만 아니라, 도 3 및 도 4에 나타낸 형태에 대해서도 적용되는 것이다.
실시예
[실시예 1]
도 6에 나타낸 구성을 갖는 EDI 장치를 이용해서, 피처리수를 처리하여, 처리수(탈이온수)를 얻었다. EDI 장치의 사양 및 시험 조건을 이하에 나타낸다.
또, 농축실(22 및 24)의 사양·조건은 서로 공통이고, 또한 이들로부터 얻어지는 농축수의 사양·조건은 서로 공통이다. 또한, 양극실(21), 제2 소탈염실(27)의 일부(입구측 영역)에 충전한 양이온 교환 수지(CER)는 서로 공통이다. 음극실(25), 농축실(22, 24), 제1 소탈염실(26), 제2 소탈염실(27)의 잔부(출구측 영역)에 충전한 음이온 교환수지(AER)는 서로 공통이다. 양이온 교환막(31 및 33)은 서로 공통이고, 음이온 교환막(32 및 34) 및 중간이온 교환막(36)은 서로 공통이다.
또한, 이하에 있어서, "세로"는 도면에 있어서의 지면 상하 방향(물의 흐름 방향을 따른 방향)을 의미하고, "가로"는 지면 깊이 방향을 의미한다.
·셀 세트수(N): 1개
·양극실(21): 치수 세로 100×가로 100×두께 10㎜, CER 충전
·음극실(25): 치수 세로 100×가로 100×두께 10㎜, AER 충전
·농축실(22, 24): 치수 세로 100×가로 100×두께 10㎜, AER 충전
· 제1 소탈염실(26): 치수 세로 100×가로 100×두께 10㎜, AER 충전
· 제2 소탈염실(27): 치수 세로 100×가로 100×두께 10㎜, CER(입구측 1/2의 영역) 및 AER(출구측 1/2의 영역) 충전
·CER: 강산성 양이온 교환 수지
·AER: 강염기성 음이온 교환수지
·양이온 교환막(31, 33): 균질막, 통전부 유효막 치수 세로 100×가로 100㎜, 두께 290㎛
·음이온 교환막(32, 34) 및 중간이온 교환막(36): 균질막, 통전부 유효막 치수 세로 100×가로 100㎜, 두께 220㎛
·음이온 교환막(40): 균질막, 통전부 유효막 치수 세로 50×가로 100㎜, 두께 220㎛
·공급수 및 피처리수: 2단 RO(역침투막) 투과수, 전기 전도율 2.0 내지 2.5 μS/㎝
·처리수(탈이온수) 유량: 25 ℓ/h
·농축수 유량: 6 ℓ/h
·전극수 유량: 5 ℓ/h(양극, 음극에 공통)
·인가 전류값: 0.5A.
제2 소탈염실(27)의 출구측 1/2의 영역에 형성한 음이온 교환수지상의 음극측에, 제2 음이온 교환막(40)을 배치하였다. 이때, 양이온 교환막(33)의 탈염실 출구측 단부(지면 상하 방향에 있어서의 상단)의 위치와, 음이온 교환막(40)의 탈염실 출구측 단부의 위치를 정렬시켰다. 또한, 양이온 교환막(33)의 가로방향(지면 깊이 방향)의 위치와, 음이온 교환막(40)의 가로방향의 위치를 정렬시켰다.
[비교예 1]
음이온 교환막(40)을 이용하지 않았다. 즉, 제2 소탈염실(27)과 농축실(24) 사이에 양이온 교환막(33)만을 이용하였다. 그 이외에는 실시예 1과 마찬가지로 해서 피처리수를 처리하여, 처리수를 얻었다.
[비교예 2]
제2 음이온 교환막(40) 대신에, 양이온 교환막을 이용하였다. 이 양이온 교환막은, 실시예 1에서 이용한 양이온 교환막(31, 33)과 같은 재질 및 두께의 막이며, 그 종횡 치수 및 배치 위치는 실시예 1에서 이용한 제2 음이온 교환막(40)과 같게 하였다. 그 이외에는 실시예 1과 마찬가지로 해서 피처리수를 처리하여, 처리수를 얻었다.
[평가 1]
실시예 1 및 비교예 1, 2에 대해서, 각각 약 500시간 연속 운전을 실시한 후에, 처리수 중의 전체 탄산의 농도(CO2, H2CO3, HCO3 - 및 CO3 2-의 농도를 합계한 값)를 측정하고, 또한, 처리수의 비저항을 측정하였다. 그 결과를 표 1에 나타낸다. 전체 탄산의 농도는, 농축실로부터 탈염실로 확산된 후, 다 제거되지 않고서 처리수에 누설된 탄산의 농도를 나타내는 지표가 된다. 비저항의 값은, 탄산에 한정되지 않고, 다른 이온도 포함시켜서, 처리수의 순도의 지표가 된다.
실시예 1에서는, 비교예 1 및 2와 비교해서, 탄산의 누설이 적고, 처리수 순도가 높았다.
| 실시예 1 | 비교예 1 | 비교예 2 | |
| 전체 탄산[㎍CO2/ℓ] | < 0.5 | 56.8 | 35.2 |
| 비저항[㏁ |
17.7 | 8.0 | 8.3 |
[실시예 2]
이하와 같이 조건을 변경한 것 이외에는 실시예 1과 마찬가지로 해서, 피처리수를 처리하여, 처리수를 얻었다.
·공급수 및 피처리수: 2단 RO(역침투막) 투과수, 전기 전도율 4.0 내지 4.5 μS/㎝
·인가 전류값: 1.0A.
[실시예 3]
제2 음이온 교환막(40)에, 불균질 음이온 교환막을 이용하였다. 이 음이온 교환막(불균질)의 종횡 치수 및 배치 위치는, 실시예 2에서 이용한 제2 음이온 교환막(40)과 같게 하였다. 또한, 이 음이온 교환막(불균질)의 두께는 580㎛였다. 그 이외에는, 실시예 2와 마찬가지로 해서, 피처리수를 처리하여, 처리수를 얻었다.
[비교예 3]
제2 음이온 교환막(40) 대신에, 양극성 막을 이용하였다. 이 양극성 막의 종횡 치수 및 배치 위치는, 실시예 2에서 이용한 제2 음이온 교환막(40)과 같게 하였다. 또한, 양극성 막은, 그 음이온 교환막부가 제2 소탈염실(27)측을 향하도록, 배치하였다. 양극성 막에는, 음이온 교환막부와 양이온 교환막부를 포함시킨 전체의 두께로 220㎛인 것을 이용하였다. 그 이외에는, 실시예 2와 마찬가지로 해서, 피처리수를 처리하여, 처리수를 얻었다.
[평가 2]
실시예 2, 3 및 비교예 3에 대해서, 각각 약 500시간 연속 운전을 실시한 후에, 처리수 중의 전체 탄산의 농도, 비저항 및 나트륨 농도를 측정하고, 또 전압(양극(11)과 음극(12) 사이의 전압), 전류분배율을 측정하였다. 그 결과를 표 2에 나타낸다. 표에 있어서, "전류분배율 상" 및 "전류분배율 하"는, 각각 이하와 같이 정의된다.
(전류분배율 상)= (제2 음이온 교환막(40) 혹은 양극성 막이 설치되어 있는 영역을 흐르는 전류의 값)/(전체 전류값),
(전류분배율 하)= (양이온 교환막(33)의, 제2 음이온 교환막(40) 혹은 양극성 막이 중첩되지 않은 영역을 흐르는 전류의 값)/(전체 전류값).
전류분배율은, 음극(12)으로서 이용한 음극판을 상기 영역에 대응하도록 상하로 2분할하고, 각각 상하의 음극판에 흐르는 전류값을 전류계로 측정하여, 인가한 전체 전류값에 대한 각 전류값의 비율을 산출해서 구하였다.
실시예 2는, 비교예 3과 비교해서, 전류분배율의 상하 차이가 작고, 처리수 중의 나트륨 농도가 낮으며, 처리수의 비저항이 높았다. 즉, 실시예 2는, 비교예 3과 비교해서, 탈염실 내부의 양이온 수지층에 전류가 많이 분배되어, 양이온의 제거가 양호해져서, 처리수의 순도가 높았다. 실시예 3에서는 그 경향은 더욱 커져, 처리수 중의 나트륨 농도가 낮고, 처리수의 비저항이 가장 높아졌다. 전술한 바와 같이, 불균질막은 일부 이온 교환기가 존재하지 않는 불활성 영역이 존재하므로, 물 해리 반응이 진행되기 어려워져서 전류가 위쪽에 집중해서 흐르는 것을 보다 억제할 수 있었던 것에 기인하고 있는 것으로 여겨진다.
| 실시예 2 | 실시예 3 | 비교예 3 | |
| 전체 탄산[㎍CO2/ℓ] | < 0.5 | < 0.5 | < 0.5 |
| 비저항[㏁ |
15.0 | 15.7 | 13.6 |
| Na[㎍/ℓ] | 3.1 | 2.4 | 5.3 |
| 전압[V] | 8.6 | 10.5 | 8.5 |
| 전류 분배율 상 | 60% | 52% | 70% |
| 전류 분배율 하 | 40% | 48% | 30% |
또, 본 발명에 따른 구성에서는, 양이온 교환막(33)과 음이온 교환막(40) 사이의 계면에 탈염실 내의 피처리수가 진입했을 때, 그 피처리수에 함유되는 약산 성분은, 음이온 교환막(40)을 통해서 해당 계면으로부터 용이하게 제거된다. 한편, 비교예 3과 같이, 음이온 교환막(40) 대신에 양극성 막을 이용하는 구성에서는, 양이온 교환막(33)과 양극성 막 사이의 계면에 탈염실 내의 피처리수가 진입했을 때, 그 피처리수에 함유되는 음이온 성분을 해당 계면으로부터 제거하는 것이 곤란하다. 음이온 성분의 이동이, 양이온 교환막(33)과 양극성 막의 양이온 교환막부의 양쪽에 의해서 저지되기 때문이다. 그 결과, 음이온이 처리수에 누설되게 되어 수질의 저하를 일으킨다.
예를 들면, 도 10(b)에 나타낸 바와 같이, 양이온 교환막(33)과 음이온 교환막(40) 사이의 계면에 음이온 및 양이온(도면 중 "C+A-"로 표기됨)이 진입했을 경우, 음이온(도면 중 "A-"로 표기됨)은 음이온 교환막(40)을 통해서 탈염실(23)로 이동하고, 탈염실(23) 내부의 음이온 교환수지에 용이하게 포착된다. 양이온(도면 중 "C+"로 표기됨)은 양이온 교환막(33)을 통해서, 해당 계면으로부터 제거된다. 한편, 도 10(a)에 나타낸 바와 같이, 음이온 교환막(40) 대신에 양극성 막(50)을 이용하는 구성에서는, 양이온 교환막(33)과 양극성 막(50) 사이의 계면으로부터, 양이온(C+)은 양이온 교환막(33)을 통해서 제거되지만, 음이온(A-)은 양극성 막(50)도 양이온 교환막(33)도 통과할 수 없다. 그 결과, 예를 들어, 해당 계면의 단부(도 10 중 지면 상하 방향의 상단)로부터, 음이온이 배출되어서, 그대로 처리수에 누설된다.
11: 양극 12: 음극
21: 양극실 22, 24: 농축실
23: 탈염실 25: 음극실
26: 제1 소탈염실 27: 제2 소탈염실
31, 33: 양이온 교환막(CEM) 32: 제1 음이온 교환막(AEM)
34: 음이온 교환막(AEM) 36: 중간이온 교환막(IIEM)
40: 제2 음이온 교환막(AEM) 50: 양극성 막
51: 음이온 교환수지
21: 양극실 22, 24: 농축실
23: 탈염실 25: 음극실
26: 제1 소탈염실 27: 제2 소탈염실
31, 33: 양이온 교환막(CEM) 32: 제1 음이온 교환막(AEM)
34: 음이온 교환막(AEM) 36: 중간이온 교환막(IIEM)
40: 제2 음이온 교환막(AEM) 50: 양극성 막
51: 음이온 교환수지
Claims (7)
- 대향하는 음극과 양극 사이에 적어도 하나의 탈염 처리부가 설치되고,
상기 탈염 처리부는, 적어도 음이온 교환체가 충전된 탈염실과, 상기 탈염실의 양쪽에 이웃하여 설치되는 1쌍의 농축실을 포함하고,
상기 탈염실은, 상기 1쌍의 농축실 중 상기 음극측의 농축실에 양이온 교환막을 개재해서 인접하는 동시에, 상기 1쌍의 농축실 중 상기 양극측의 농축실에 제1 음이온 교환막을 개재해서 인접하고 있는 전기식 탈이온수 제조장치로서,
상기 탈염실은 피처리수를 통수시키도록 상기 피처리수가 공급되는 입구측 및 상기 입구측에 대향하여 상기 피처리수가 배출되는 출구측을 구비하고,
상기 양이온 교환막의 탈염실측의 면의, 일부의 영역에, 상기 양이온 교환막과는 별체의 제2 음이온 교환막이 포개어 설치되고,
상기 제2 음이온 교환막의 탈염실측의 면의 적어도 일부에, 상기 음이온 교환체가 접하고 있는 것을 특징으로 하는, 전기식 탈이온수 제조장치. - 제1항에 있어서, 상기 양이온 교환막의 탈염실측의 면 중 상기 제2 음이온 교환막이 중첩되는 영역은, 상기 양이온 교환막의 탈염실측의 면의, 상기 양이온 교환막의 탈염실 출구측 단부에 도달하는 영역을 포함하는, 전기식 탈이온수 제조장치.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 탈염실이, 피처리수가 최후에 통과하는 이온 교환체가 음이온 교환체로 되는 순서로, 음이온 교환체로 이루어진 상(bed)인 음이온 교환체상(anion exchanger bed)을 하나 이상, 그리고 양이온 교환체로 이루어진 상인 양이온 교환체상(cation exchanger bed)을 하나 이상 포함하는, 전기식 탈이온수 제조장치.
- 제3항에 있어서, 상기 탈염실에, 피처리수의 통수 방향을 따라서, 제1 양이온 교환체상, 제1 음이온 교환체상, 제2 양이온 교환체상 및 제2 음이온 교환체상이, 이 순서대로 설치되고,
상기 제1 음이온 교환체상의 음극측 및 상기 제2 음이온 교환체상의 음극측에는, 각각 상기 제2 음이온 교환막이 배치되고,
상기 제1 양이온 교환체상의 음극측 및 상기 제2 양이온 교환체상의 음극측에는, 모두 상기 제2 음이온 교환막이 배치되어 있지 않은, 전기식 탈이온수 제조장치. - 제3항에 있어서, 상기 탈염실은, 상기 제1 음이온 교환막과 상기 양이온 교환막 사이에 위치하는 이온 교환막인 중간이온 교환막을 구비하고, 상기 중간이온 교환막에 의해서 제1 소탈염실 및 제2 소탈염실로 구획되고,
상기 제1 소탈염실은, 상기 제1 음이온 교환막과 상기 중간이온 교환막 사이에 위치하고,
상기 제2 소탈염실은, 상기 양이온 교환막과 상기 중간이온 교환막 사이에 위치하고,
상기 제1 소탈염실에 상기 피처리수가 공급되어서 상기 제1 소탈염실로부터 유출되는 물이 제2 소탈염실에 유입되도록, 상기 제1 소탈염실 및 상기 제2 소탈염실이 연통하고 있고,
상기 제1 소탈염실에 음이온 교환체상이 설치되고,
상기 제2 소탈염실에, 피처리수의 통수 방향을 따라서, 양이온 교환체상 및 음이온 교환체상이 이 순서대로 설치되고,
상기 제2 소탈염실에 설치된 음이온 교환체상의 음극측에는, 상기 제2 음이온 교환막이 배치되고,
상기 제2 소탈염실에 설치된 양이온 교환체상의 음극측에는, 상기 제2 음이온 교환막이 배치되어 있지 않은, 전기식 탈이온수 제조장치. - 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 1쌍의 농축실에 적어도 음이온 교환체가 충전되어 있는, 전기식 탈이온수 제조장치.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제2 음이온 교환막이 불균질막이고, 상기 양이온 교환막이 균질막인, 전기식 탈이온수 제조장치.
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