스마트계측기[blog]

이온교환수지를 이용한 수처리 공정

(1) ACTIVATED CARBON FILTER 

원수 중에 유기물질, 색도 성분, 잔류 염소 등을 활성탄을 이용하여 흡착 제거하는 장치로서 이온교환 수지를 보호하기 위한 전처리 장치이다.  

활성탄 여과장치는 유기물질, 잔류염소 등의 흡착능력 이외에 물속의 부유물질, 미세 고형물질 등의 일부를 여과하는 기능이 있어 일정시간  

사용후 활성탄 사이에 포집된 불순물을 탱크 밖으로 배출시키기 위한 역세 조작을 하여 주기적으로 배출해 주어야 한다. 

통상적으로 탱크는 직립원통형으로 상하 20% 접시형 경판으로 되어 있으며, 상부 원수 인입구에는 다공형 pipe 살수관이 설치되어 여과재  

상부로 원수가 균일하게 분사되도록 하며, 하부 집수장치는 P.E strainer및 strainer plate를 설치한다.

탱크 상부에는 활성탄의 투입 및 내부 점검을 위한 manhole 및 최초 운전시 탱크 내부의 air를 배출시키기 위한 vent nozzle이 설치 되고,  

하부에는 strainer 조립 및 내부 점검을 위한 manhole 및 처리수 배출을 위한 nozzle이 각각 설치한다.
tank 중간부에는 통상적으로 활성탄 층고 및 역세상태를 점검하기 위한 sight glass와 활성탄 교체시 활성탄을 추출하기 위한 side hole이 설치

된다. 

(2) 양이온 교환수지 (CATION EXCHANGER), 음이온 교환수지 (ANION EXCHANGER)
 

A/C filter를 거친 filtered water 중에 Ca+2, Mg+2, Na+, K+ ... 등의 양이온과 SO4-2, HCO-3,Cl-, SiO-2 ...등의 음이온은 설치된 강산성 양이온 

교환수지 및 강염기성 음이온 교환수지와의 이온교환반응으로 제거된다. 

통상적으로 교환수지 Tank는 직립원통형으로 상하 20% 접시형 경판으로 되어 있으며, 상부 원수 인입구에는 다공형 pipe 살수관이 설치되어  

수지층 상부로 원수가 균일하게 분사되도록 하며, 살수관의 표면은 SUS 316 wire mesh 및 saran mesh망을 감아 역세시 수지의 유출이 방지  

되도록 한다.
하부 집수장치는 P.E strainer 및 strainer plate를 설치하고, tank 상부에는 수지의 투입 및 내부점검을 위한 manhole, 최초 운전시 tank 내부의 

air를 배출시키기 위한 vent nozzle 이 설치되고, 하부에는 strainer 조립 및 내부 점검을 위한 manhole, 처리수 배출을 위한 nozzle이 각각  

설치 된다.
Tank 중간부에는 수지 층고 및 역세 상태를 점검하기 위한 sight glass와 수지 교체시 수지를 추출하기 위한 side hole이 설치된다. 

이온교환수지의 교환 용량 및 재생

알고 있는 양의 수지를 수지탑에 넣고 완전히 재생한 후 이온용액을 통과시키면 처음에는 이온누출이 근소하지만 통액을 계속하면 이온누출이  

갑자기 증가하는 점(Break Through Point)이 있다. 이점까지 통액했을때의 교환용량을 관류교환용량(Break Through Capacity)이라고 한다. 

교환용량 단위로는 meq / ml - R ( 1 ml의 수지에 몇미리 당량의 교환용량이 있는가를 표시)와 g as CaCO3 / ml ( 1 ml의 수지에 CaCO3 로  

환산한 몇 g의 교환용량이 있는가를 표시 )가 있다. 

이온교환수지의 성능이 떨어지는 경우 다량의 재생제를 사용해서 재생하면 완전에 가까운 재생을 할 수 있지만, 실제로는 경제적으로 재생하는 

부분재생법을 사용하고 있다. 사용하는 재생제의 양을 재생레벨이라 하고 수지 단위용적당의 재생제를 순량으로 표시한다. 

이온교환수지의 재생조작은 재생효율을 높이기 위하여 통상적으로 향류 재생방법을 채택하며, 양이온교환수지의 재생재로는 HCl을 사용하고 음이온교환수지의 재생재는 NaOH를 사용한다.

이온교환수지의 이온 선택성

이온교환수지는 이온을 교환, 포촉하지만 이온의 종류에 따라서 선택. 흡착성이 각각 다르며, 이온선택성의 경향을 미리 알아두면 이온교환수지를  

이용하기에 편리하다. 

(1)양이온 교환수지의 선택성 

강산성 양이온교환수지를 사용해서 저농도, 상온의 이온수용액을 처리하는 경우 이온의 선택흡착성은 이온의 원자가가 높을수록 크게 된다  

( Na+ < Ca2+ < Al 3+ ). 또한 원자가가 같은 경우에는 원자번호가 높을수록 선택성이 커진다 ( Li+ < Na+ < Rb+ < Cs+ ; Mg2+ < Ca2+ < Ba2+ ).  

그러나 그 차이는 원자가의 차이만큼 크지는 못하다.  

그러나 농도가 너무 낮은 용액이 아닌경우에는 이온의 농도가 증가하면 선택성의 차가 좁혀지고 때에 따라서는 역으로 될 수도 있다.   

이상을 종합하면 양이온교환수지의 양이온에 대한 선택성의 순서는 Ba2+ > Pb2+ > Sr2+ > Ca2+ > Ni2+ > Cd2+ > Cu2+ > Zn2+ > Tl+ > Ag+ > 

Cs+ > Rb+ > K+ > NH4+ > Na+ > Li+ 이다.  

또 H+ 의 선택성은 강산성수지에서는 Na+ 와 Li+ 의 중간에 있고, 약산성수지에서는 (교환기의 산의 강도에 따라 다르지만) 약간 윗쪽에 위치 

한다. 

(2)음이온 교환수지의 선택성 

음이온교환수지의 선택성은 다음과 같다. 

Citrate >SO42- > Oxalate >I- > NO3- > CrO42- > Br- > SCN- > Cl- >Acetate >F-.  

OH는 강염기수지에서는 Acetate와 F-의 중간에 있고, 약염기수지에서는 수지에 따라서 차이가 있지만 훨씬 왼쪽에 위치한다. 

이온교환수지 개요 

이온교환수지는 미세한 3차원 구조의 고분자에 이온교환기(functional group)를 결합시킨 것으로서 극성, 비극성 용액중에 녹아있는 이온성  

불순물을 교환, 정제하여주는 고분자 물질이다.  

즉, 이온교환수지가 가지고 있는 가용이온이 용액중의 다른 이온과 서로 치환하여주는 합성수지라고 할 수 있다.  

이온교환수지는 교환기에 따라서 이온교환성이 다르며 양이온을 교환하는 양이온교환수지(Cation exchange resin)와 음이온을 교환하여 주는  

음이온교환수지(Anion exchange resin)로 크게 나눌수 있다. 

이온교환수지의 미세한 3차원 고분자 구조는 이온교환성, 내구성과 밀접한 관계가 있는데 일반적으로 Styrene 또는 Acrylic Acid와 같은 Vinyl 

기가 있는 단량체(Monomer)와 Divinyl Benzene(D.V.B)을 공중합하여 제조한다.  

여기에 교환기를 도입하면 이온교환수지를 제조할 수 있고 D.V.B가 많은 것일수록 조밀한 기체구조의 수지가 된다.  

중합때에 투입하는 전체단량체에 대한 D.V.B %를 가교도라고 한다.  이온교환수지가 물을 흡수하면 수지상내에 미세공(micro pore)이 형성된다.  

대립이온은 흡수에 의하여 형성된 미세공내를 확산하여 이온교환이 이루어지고 미세공의 크기는 가교도가 결정하므로 가교도가 중요하다.