<DICER TechInfo Part II, Vol. 3, No. 12, pp609~626, 2004> 이온교환장치의특성및설계시고려사항 1. 이온교환장치의종류와특성 1-1. 이온교환수지탑설비의선택기준이온교환수지탑을이용한탈염설비의선택은원수중에포함된용존물질의농도, 처리수의요구수질및유량에따라다르나일반적으로아래의 < 표 1-1> 과같이보일러급수조건을맞추기위해서 20kg/ cm2의저압보일러용급수생산을위해서는연수탑 (Softener) 을, 20 75kg/ cm2용중압보일러급수생산을위한순수설비는 2B2T(Cation Tower-Anion Tower) 또는 2B3T(Cation Tower - Degasifier - Anion Tower) 가적용되고그압력용보일러급수는전기전도도 0.2μs/cm, Silica농도 0.02mg/l를요구하므로 2B3T 또는 2B3T 후단에 MBP(Mixed Bed Polisher) 를추가하여사용한다. 탈탄산탑설비는물중의 Alkalinity 농도 (CaCO3) 50 100mg/l를경계로 50mg/l 에서는 2B2T가, 100mg/l 에서는 2B3T로설계하는것이경제적인것으로보고되어있다. 한편재생에의한약품소모량을적게하기위한방법의하나로강산성및약산성수지탑과강염기성및약염기성수지탑을각각설치사용하는 4B5T방식과양이온교환탑에강산성수지와약산성수지를, 음이온교환탑에강염기성수지와약염기성수지를충진하여 2B3T형식으로설치하는 Strato-Bed Type이있으나일반적으로 TDS농도가비교적낮을경우강산성및강염기성수지만을사용한다. 재생방식에의한분류로는병류식 (Co-flow방식) 과향류식 (Counter-flow방식) 이있으나현재는효율및운전비등거의모든측면에서월등히유리한향류식재생방식이사용되고있다. < 표 1-1> 보일러압력에따른급수수질조건 (JS 8223-1977 또는 KS B 6209-1979) 수관 ( 水管 ) 보일러 10 20 30 50 75 100 125 150 최고 kgf/ cm2 10 20 30 50 75 100 125 150 200 구분 사용압 (MP2) 1 1 2이 2 3이 3 5이 5.5 7.5 7.5 10 10 12.5 125 15 15 20 력 하 하 하 전열면증발율 (kg/ m2.h) 50 50 - - - - - - - - 617
급수 ph 8 8.5 8.5 8.5 8.5 8.5 7 9 7 9 7 9 7 9 (25 ) 9.5 9.5 9.5 9.5 9.5 9.5 경도 (mg- CaCO3/l) 유지류 (mg/l) 용존산소 (mg-o/l) 전철 (mgfe/l) 전동 (mg-cu/l) 히드라진 (mg- N2H4/l) 전기전도율 (25,μS/cm ) 1 되도록 0으로유지낮게유지 1 1 0 0 0 0 0 0 0 " " " " " " " " " 0.00 낮게 0.5 0.1 0.03 7이유지하 - - - - 0.1 0.05 - - - - 0.05 0.03 - - - 0.2 0.05 0.01 0.00 7 0.00 7 0.00 7 0.00 7 0.03 0.03 0.02 0.02 0.02 0.01 0.01 0.01 0.01 0.01 0.01 0.01 0.3 0.3 - - - - - - - - 적용설비연수탑설비 2 B 3 T 2 B 3 T + M B P < 표 1-2> 이온교환수지탑설계적용기준표 항목 양이온수지탑 음이온수지탑 비고 1. 최대운전허용온도 120 60 2. 설계최대온도 110 정도 54 정도 3. 최소충진물높이 - 병류식 700 mm 700 mm - 향류식 1,500 mm 1,500 mm 4. 최대충진물높이 1.6 1.8 m 1.6 1.8 m 5. Service Flow Rate 5 40 V/hr 5 40 V/hr 6. 최대선속도 (L.V) 618
- High TDS 15 25 m/hr 15 25 m/hr - Low TDS 30 45 m/hr 30 45 m/hr 7. 재생 Level - 병류식 50 150 g/l-hcl 60 150 g/l-naoh - 향류식 30 120 g/l-hcl 30 120 g/l-naoh 8. 재생 Flow Rate 2 5 SV/hr 2 8 SV/hr 9. 재생제농도 4 10 % Acid 2 6 % Caustic 10. Slow Rinse Rate 2 3 SV/hr 2 3 SV/hr 1-2. 복상식순수제조장치 (2B3T) 원수를강산성강이온교환수지탑에통과시켜 cation을제거하고다시강염기성음이온교환수지탑에통과시켜 anion을제거하여순수를제조하는장치. 이때중간에 degasifier를설치해 cation exchanger를통과한수중의 CO2 gas를제거해 anion exchanger에걸리는부하를줄일수있다. 이렇게해서 anion exchanger의크기를줄일수있고재생제의소비량이적어지므로경제적인설계가가능하다. 1) 순수제조반응식 1 cation exchanger R-(SO3H)2 + Ca(HCO3) 2 -> R-(SO3)2 Ca + 2H2CO3 R-SO3H + NaCl -> R-SO3Na + HCl 2 degasifier H2CO3 + (air)-> H2O + CO2 3 anion exchanger R&-NOH + H2CO3 -> R&-NHCO3 + H2O R&-NOH + HCl -> R&-NCl + H2O R&-NOH + H2SiO3 -> R&-NHSiO3 + H2O 2) 재생반응식 1 cation exchanger R-(SO3)2Ca + 2HCl -> R-(SO3H) 2 + CaCl2 R-SO3Na + HCl -> R-SO3H + NaCl 2 anion exchanger R&-NHCO3 + NaOH -> R&-NOH + NaHCO3 R&-NCl + NaOH -> R&-NOH + NaCl R&-NHSiO3 + 2NaOH -> R&-NOH + NaSiO3 + H2O 3) 재생방법양이온교환수지탑의재생은 5 10% 의 HCl 또는 0.5 6% 의 H2SO4 를사용하며, 음이온교환수지탑의재생은 35 35 의 NaOH를 2 10% 농도로사용한다. 619
* 역세속도 - 양이온교환수지탑 : 12 16 m/h - 음이온교환수지탑 : 6 8 m/h 1 병류재생방법피처리수의흐르는방향과동일한방향으로재생제용액을통과시켜재생하는방법으로재생효과가향류재생보다는떨어지나장치가간단하며, 이온교환수지의양이적게사용된다. 2 향류재생피처리수의흐르는방향과반대방향으로재생제용액을통과시켜재생하는방법으로수지탑말단의수지가완전재생에가까운재생이되기때문에탈염수수질이양호하여병류재생시보다 40% 재생제를절감할수있으나장치가복잡하며, 150 200mm정도의수지를더사용하여야한다. 4) 특징 1 Na+, K+, NH4 +, Ca+2, Mg+3, Fe+3 등의양이온및 Cl-, SO4-, NO3- 등의음이온외에탄산, 규산, 유화수소, 유리염소, phenol 등의약산을거의완전히제거가가능하다. 2 처리수의순도는 mixed bed 보다못하지만음이온교환수지가탁도나철로오염되는경우가적고수지의보충비가싸다. 1-3. 혼상식순수제조장치 (mixed bed) 강산성양이온교환수지와강염기성음이온교환수지를혼합하고이것에원수를통과시켜수중의전해질을제거하여순수를제조하는장치. 복상식에비해재생제의사용량이조금많다. 순수제조원리는복상식과동일하며복상식순수제조장치를반복해서연결해놓은것과같다. 1) 재생방법역세척을하여침강속도차에의해수지를분리시키고, 음이온교환수지는 2 10% NaOH(35 50%) 용액을, 양이온교환수지는 5 10% HCl 또는 0.5 5% H2SO4을각각수지탑의상부와하부에주입시키고각각의수지층을통과시켜중간 collector로배출시킨다. * 역세속도 : 8 10 m/h 2) 특징 1 원수중에다량의염류가포함되어있을경우혼상식순수제조장치앞에강산성양이온교환수지탑과약염기성음이온교환수지탑을설치해사용할수있으며, polisher로사용되기도한다. 2 양이온교환수지와음이온교환수지를한 tower에충진하므로배관이집약되고공간이절약된다. 3 원수의수질이나주입유속이변화해도처리수의비저항은거의변하지않는다. 4 처리수가공기와접촉을하게되면 CO2를흡수한다. 3) 혼상식순수제조장지의사용시주의사항 1 탁도 : 1 2 유리염소 : 0.1ppm as Cl2 3 전철 : 0.1ppm as Fe 4 수온 : 35 620
5 색도 : 5 6 C O D : 0.2ppm as O 7 A B S : 0.5ppm < 표 1-3> 2B3T와 MBD의비교구분 2B3T MBD conductivity 10 μs /cm 2 μs /cm 처리수수질 SiO2 0.2 ppm as SiO2 0.3 ppm as SiO2 ph 알칼리성 중성 경제성 대형장치일경우유리 소형장치일경우유리 수지의이용효율 소형장치일경우유리 수지의파손 크다 적다 원수중 HCO3- 이온이많을경우 적합 부적합 재생방법 간단 복잡 장치의내부구조 간단 복잡 설치장소가좁을경우 부적합 적합 2. 이온교환장치의사용상주의사항 1) 원수의 turbidity가높으면 (3) 수지를오염시킨다. 수지의오염을방지하기위해서전처리로 sand filter를사용해 turbidity유발물질을제거해야한다. 2) Na2SO4로재생할경우 CaSO4가석출하여수지를오염시킨다. Na2SO4로재생할경우재생농도를낮추어고유속으로재생하면수지의오염을방지할수있다. R(-SO3)2 - Ca + Na2 SO4 -> 2R-SO3Na + CaOS4 3) 원수중철분이많으면수지를오염시킨다. 이럴경우전처리로 ferox 장치를설치해철분을제거하여수지의오염을방지한다. 만약수지가철분에오염되었다면제철회생제 (RFC-40) 로이온교환수지를회생시킬수있다. Fe(HCO3)2 + air -> Fe(OH)3 대책으로는 Na2SO4, Na2 SO3 등을첨가하는방법이있다. 그리고 Na type보다 H type이안전하지만 Fe가유기철로존재하면음이온으로존재하기때문에 H type 강산성양이온교환수지로도제거가불가능하다. < 표 2-1> 원수의전경도와허용되는철의농도원수의전경도원수의전경도허용되는 total Fe (ppm as CaCO3) (ppm as CaCO3) 20 0.3 621
40 0.6 100 1.5 200 3.0 300 4.5 400 6.0 4) 원수중산화성물질 ( 유리염소 ) 이많을경우이온교환수지의사용이불가능해진다. 이온교환수지를산화시켜망목구조의사슬부분이절단되고가교도가저하하여불가역팽윤이일어난다. 산화가심해지면수지가용해하기시작하여수지의사용이불가능해진다. - 불가역팽윤수분이증가하고ml당교환용량 (meq/ ml-r) 은저하하나 dry g당교환용량 (meq/dry g-r) 이거의변화하지않으면, 수지가불가역팽윤한것이다. 5) 원수중산화성물질이존재하면이것을사전에제거해야한다. Na2CO3 등을첨가하거나강산성양이온교환수지를고가교도의수지로교체해야한다. 6) 시상수도수 (Cl2 0.2 0.5ppm 함유 ) 처리에있어서는일반적으로표준품을사용한다. 그러나표준품도실제로는산화에의한팽윤이일어나고있으나수지의내구성저하가두드러지지않을뿐이다. 7) Silica는 2가이나 ph가낮게되면 nsio2 <-> (SiO2)n의평형관계가일어난다. H type 강산성양이온교환수지로처리한물은산성이되어 ph가떨어지게된다. 이 ph는원수중강산염의농도가높으면떨어지기때문에 n의수도크게되고이것만큼강염기성음이온교환수지의교환용량이커지게된다. 그러므로 silica는 1가로흡착되는경우가많다. < 표 2-2> 수온에따른허용 Cl2 농도수온 ( ) 수온 ( ) 허용 Cl2 농도 5~10 0.6 10~15 0.4 15~20 0.2 20~25 0.1 8) 원수의염류농도가증가할경우처리수의순도및양이감소한다. 원수중의염류는양이온탑에서다음과같이반응한다. R-SO3H + NaCl R-SO3Na + HCl (+NaCl) : 가수분해이반응은평형반응이기때문에 Na+ 의누설이많아지므로순도가떨어진다. 이온교환수지의교환용량은일정재생 level에서는일정하기때문에원수농도가증가하면당연히 cycle당처리량이감소한다. ( 재생 cycle이짧아지므로생산량감소 ) 622
9) Alkali도가높은물을이온교환수지로처리하면처리수의순도가올라간다. HCO3-가많은물을 alkali도가높은물이라하며이물을 R-SO3H로처리하면, R-SO3H + NaHCO3 R-SO3 Na + H2CO3 이반응은평형반응이아니기때문에양이온누설이적으며, 교환용량도증가한다. 10) 원수중의 SiO2를이온교환수지로제거하기위해서는전염탈염을해야한다. SiO2는산의형태가아니면강염기성이온교환수지에흡착하지않는다. 그러므로 H type 강산성양이온교환수지에처리한형태로 OH type의강염기성음이온교환수지에통과시키면 SiO2제거가가능하다. 11) 원수중의 Cl-을제거하기위해서는 SO4-2도동시에제거하지않으면안된다. OH type 강염기성이온교환수지는 SO4-2가 Cl-보다친화성이크기때문이다. 12) 전염탈염장치의강산성양이온교환수지탑을 H2SO4로재생할경우처리수의순도및처리량이감소하는경우가있다. H2SO4재생에있어서재생방법이나쁠경우 CaSO4나 MgSO4가수지중에석출할수있다. 양이온교환수지를 HCl로재생하여 CaSO4를용출하면환원된다. < 표 2-3,4> 기능저하의원인과대책 기능저하의원인 직접원인 a 양이온교환수지에있어서간접원인 b 음이온교환수지에있어서간접원인 수지세공의봉쇄 수지의팽윤 수지의파쇄 재생용 chemical의불용물질이수지입자내부또는수지표면에축적해서발생한다. 예를들면, 원수중의성분 (Silica, 규산, 알루미나, 산화철 ) 이나미생물또는유기물등이주로수지의표면에부착하여발생한다. 또는전처리장치의오조작에의해사용 chemical이유입되는경우도있다. 염산재생에서는은, 납그리고황산재생에서는 Ca, Ba등이수지입자내부에축적된다. 원수중에산화성물질이나산화를촉진시키는물질이있는경우나어떤종류의유기용매에의해서도일어난다. 팽윤의결과통수저항이증가하던지 chemical 주입관이파묻히면큰장해가일어난다. 팽윤으로파쇄하는것도있고원인은 2 항과같은것이많다. 기계적으로압밀 ( 통수저항 ) 충격 ( 액질의급변동 ) 에의해파괴되는것도있다. 열적, 기계적, 침투압쇼크에의해파쇄가일어난다. 양이온과동일하지만축적물질은유기물 ( 유지류, 유기산류, 휴민산, 리그닌설폰산등 ) 이주로많다. 다른경우는재생조건이나쁘면 CaCO3, Mg(OH)2,Silica 등이축적된다. 또한원수에의해서는산화철이축적되는경우도있다. 유기용매에의한것이많다. I 형수지자체가강력한산화제나촉매에의해팽윤을일으킨다. 양이온과동일하다. 623
교환기의화학변화 R-H 형의 gel 형이나 MR 형은어떤조건에서 150 에서사용하는것은안된다. R-Na, R-NH4 에서는접촉시간이짧으면 150 250 까지도사용될수있다. 이외의다른원인은없다 교환기가아미노알코올의경우용존산소등약한산화성물질에의해산화되어저급아민으로변화한다. 산화를촉진하는물질이있는경우나변온시에는단시간에상당한변화가일어난다. I 형수지에서는중성염분해용량과총교환용량의저하속도간에는거의차이가없으나 II 형수지에서는전자는후자의약 5 배로된다. 수중용존산소가있는경우 I, II 형수지모두온도상승에의한열화가현저히촉진되며 50 ->80 로상승하면속도정수는약 2 배로된다. 또한 I 형수지에서는중성염분해용량의감소속도가 1%/month 로되든지이부근이사용한계로되고 II 형수지에서는약 30%/month 로되고상온의원수사용은좋지않다. I 형수지는산소의영향을받지않고 II 형수지는산소에의해교환용량의감소속도가크게된다. 유기물오염이적은경우에는중성염분해용량이저하해도흡착가능교환용량은그만큼감소하지않는다. 유기물오염이극심한경우는중성염분해용량, 총교환용량모두감소하고교환기의손실로나타난다. 기능저하에따른대책 종류의세분 수지표면에축적물이있는경우 수지내부에축적물이있는경우 수지에대한직접대책 1 역세시간을연장한다. 2 공기또는수세에의해보조시행한다. 3 Chemical에의한음이온교환수지나 softener의산세정또는황산재생탑의염산세정등 4 Manhole을열어대량의역세시행 1 chemical에의해서용출한다. 2 온도를올려서용출을조장한다. 3 산화제에의해분배용출시행한다. 4 재생 level농도, 온도와시간을변경하여재생을완전히한다. 5 재생 chemical을변경한다. 기타대책 1 전처리의완전화 2 살포제, 살균제의사용 1 전처리의완전화 2 유기물제거장치의병용 3 prechlorination 등에의해분해한다. ( 유기물의경우 ) 4 Porous 수지를사용한다 624
산화성물질이존재하는경우 산화를촉진하는물질이존재하는경우 수지파쇄 화학기의변화 1 유속을낮추어통수한다. 2 가교도가높은수지를사용한다. 3 팽윤이큰수지를사용한다. 1 Chemical 에의한세정을통해제거한다. 2 가교도가높은수지를사용한다. 1 파쇄가큰수지를제거한다. 1 수지의보충또는일부교환 2 두비넬처리를한다. 1 Chemical 에의해환원한다. 2 Cl2 가있으면활성탄등으로제거한다. 3 전처리에의해제거한다. 4 가능한한저온을유지한다. 1 전처리를완전히한다. 2 탈기를행하여용존탄소를감소시킨다. 1 산화물에대해서는전처리를완전히한다. 2 Distributor, valve, pump, 유속, 온도등을 check 하고원인을제거한다. 1 전처리를완전히한다. 2 I 형수지를사용한다. 3 탈기를행하여용존탄소를감소시킨다. 4 수온을낮게유지한다. 3. 설비및재질선정시유의사항순수제조설비는화학약품을사용하며, 또애써제조한순수가오염되지않도록하기위한부식및재오염방지가고려되어야하므로 < 표 3-1> 과같은재질선택참고표를이용하여적절한재질을다음과같이선택한다. < 표 3-1> 재질선택참조표 SUS Rubber P.P Carbon 항목 / 사용재질 - 304 PVC FRP Lining Lined Steel - 316 C/S C/S 1. 급수 ( 여과수 ) 1 3 2-3 - 비고 2. 처리생산수 2 1 2-1 - 3. HCl (2 8%) 4 4 2 1A 1 3 4. HCl (30 35%) 4 4 2 1A 1 1 5. H2SO4(2 10%) 4 1 2 1A 1 3 6. H2SO4(96% ) 1 3 2 1A 4 4 7. NaOH (2 8%) 1 1A 2 1A 1 3 8. NaOH (25 50)% 1 1A 2 1A - 3 625
9. Instrument Air 2 1 4 - - - 10. Plant Air 1 3 4 - - - 11. Steam 1 3 4 4 - [ 주 ] 1 1A 주로가장많이적용되는재질 2 사용은가능하나소규모외에는적용하지않는재질 3 사용가능하나고가로특별한경우외에는적용하지않는재질 4 사용불가능한재질 1 염산용액은 Chloride ion(cl-) 에의한부식성이매우높아 Rubber Lining 또는 PE Lined재질을적용하며가능하며 PVC 재질은안전측면에서피하는것이좋으며 Stainless Steel 재질은적용할수없다. 2 황산을사용할경우희석부분 (Mixing Tee) 에서과량의열이발생하므로이에적절한재질 (SUS316 또는 Teflon Lined Steel) 선택이필요하며, 황산저장탱크 ( 농황산 96% ) 로 Carbon Steel Tank를사용할경우수분유입이방지될수있는설비를갖추어야한다. 3 가성소다 (NaOH) 45% 의빙점이 11 이므로 Heating 및보온설비를갖추어야하며 25% 로희석사용시빙점이 -18 부근이므로별도 Heating 및보온설비는필요없으나저장탱크크기가커진다. 4 탈탄산탑상부로 Blow-out되어공기는많은수분과 ph가낮은수적을함유하므로밖으로 Vent시키는것이바람직하다. 5 재생폐수및약품 Drain들은 Trench에서 Common Head배관에연결하고중화조로연결되도록하여야한다. 6 수처리실바닥, Trench, 벽상부 1m까지는내산, 내알카리처리가필요하다. 7 약품이송배관은가능하면상부배관을피하고 Trench배관을고려하여배관 Leakage 또는파손시피해를최소화한다. 8 약품주입펌프후단에 Back Pressure완충용 Damper가필요하며압력계는 Diaphragm용을사용하고약품펌프들은한곳으로집중배치되도록한다. 작성자 : DICER 편집부 626