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    이용교환장치의 종류와 특성

    피앤씨테크의 기술력을 소개합니다.

    [3-1. 이온교환수지탑 설비의 선택기준]

    이온교환수지탑을 이용한 탈염설비의 선택은 원수 중에 포함된 용존 물질의 농도, 처리수의 요구수질 및 유량에 따라 다르나 일반적으로 아래의 〈표 3-1〉과 같이 보일러 급수 조건을 맞추기 위해서 20kg/㎠ 이하의 저압 보일러용 급수생산을 위해서는 연수탑(Softener)을,20∼75kg/㎠용 중압보일러 급수생산을 위한 순수설비는 2B2T (Cation Tower-Anion Tower) 또는 2B3T(Cation Tower - Degasifier - Anion Tower)가 적용되고 그 이상 압력용 보일러 급수는 전기 전도도 0.2μs/cm, Silica농도 0.02mg/ℓ를 요구하므로 2B3T 또는 2B3T 후단에 MBP(Mixed Bed Polisher)를 추가하여 사용한다.

    탈탄산탑 설비는 물 중의 Alkalinity 농도(CaCO3) 50∼100mg/ℓ를 경계로 50mg/ℓ 이하에서는 2B3T가, 100mg/ℓ 이상에서는 2B3T로 설계하는 것이 경제적인 것으로 보고되어 있다.

    한편 재생에 의한 약품 소모량을 적게 하기 위한 방법의 하나로 강산성 및 약산성 수지탑과 강염기성 및 약염기성 수지탑을 각각 설치 사용하는 4B5T방식과 양이온 교환탑에 강산성 수지와 약산성 수지를, 음이온 교환탑에 강염기성 수지와 약염기성 수지를 충진하여 2B3T형식으로 설치하는 Strato-Bed Type이 있으나 일반적으로 TDS농도가 비교적 낮을 경우 강산성 및 강염기성 수지만을 사용한다.

    비교적 낮을 경우 강산성 및 강염기성 수지만을 사용한다. 재생 방식에 의한 분류로는 병류식(Co-flow방식)과 향류식(Counter-flow방식)이 있으나 현재는 효율 및 운전비 등 거의 모든 측면에서 월등히 유리한 향류식 재생방식이 사용되고 있다. 병류식과 향류식의 재생방법 차이는 〈그림 3-1〉과 같다.

    〈표 3-1〉 보일러 압력에 따른 급수 수질조건 (JS 8223-1977 또는 KS B 6209-1979)
    구분     수관(水管)보일러
    최고 kgf/㎠ 10이하 10이상
    20이하    		 20이상
    30이하    		 30이상
    50이하    		 50이상
    75이하    		 75이상
    100이하    		 100이상
    125이하    		 125이상
    150이하    		 150이상
    200이하
    사용압력 (MP2) 1이하 1이상
    2이하    		 2이상
    3이하    		 3이상
    5이하    		 5.5이상
    7.5이하    		 7.5이상
    10이하    		 10이상
    12.5이하    		 12.5이상
    15이하    		 15이상
    20이하
    전열면 증발율 (kg/㎡.h) 50이하 50이상 - - - - - - -
    급수 pH (25℃) 7 ~ 9 7 ~ 9 7 ~ 9 7 ~ 9 8 ~ 9.5 8.5 ~ 9.5 8.5 ~ 9.5 8.5 ~ 9.5 8.5 ~ 9.5 8.5 ~ 9.5
    경도 (mg-CaCO3/ℓ) 1이하 1이하 1이하 0 0 0 0 0 0 0
    유지류 (mg/ℓ) 되도록 0으로 유지 "" "" "" "" "" "" "" "" " "
    용존산소 (mg-O/ℓ) 낮게 유지 낮게 유지 0.5 이하 0.1 이하 0.03 이하 0.007 이하 0.007 이하 0.007 이하 0.007 이하 0.007 이하
    전철 (mgFe/ℓ) - - - - 0.1 이하 0.05 이하 0.03 이하 0.03 이하 0.02 이하 0.02 이하
    전동 (mg-Cu/ℓ) - - - - 0.05 이하 0.03 이하 0.02 이하 0.01 이하 0.01 이하 0.01 이하
    히드라진 (mg-N2H4/ℓ) - - - 0.2 이상 0.05 이상 0.01 이상 0.01 이상 0.01 이상 0.01 이상 0.01 이상
    전기전도율 (25℃,μS/cm) - - - - - - - - 0.3 이하 0.3 이하
      적용설비 연수탑설비 2 B 3 T 2 B 3 T + M B T
    〈표 3-2〉 교환수지탑 설계적용 기준표
    항목 양이온수지탑 음이온수지탑 비고
    1. 최대운전 허용온도 120℃ 60℃  
    2. 설계 최대 온도 110℃ 정도 54℃ 정도  
    3. 최소 충진물높이      
    - 병류식 700 mm 이상 700 mm 이상  
    - 향류식 1,500 mm 이상 -1,500 mm 이상  
    4. 최대 충진물 높이 1.6 ∼ 1.8 m 1.6 ∼ 1.8 m  
    5. Service Flow Rate 5 ∼ 40 V/hr 5 ∼ 40 V/hr  
    6. 최대 선속도 (L.V)      
    - High TDS 15∼25 m/hr/td> 15∼25 m/hr  
    - Low TDS 30∼45 m/hr 30∼45 m/hr  
    7. 재생 Level 50∼150 g/ℓ-HCl 60∼150 g/ℓ-NaOH  
    - 병류식 30∼120 g/ℓ-HCl 30∼120 g/ℓ-NaOH  
    - 향류식      
    8. 재생 Flow Rate 2∼5 SV/hr 2∼8 SV/hr  
    9. 재생제 농도 4∼10 % Acid 2∼6 % Caustic  
    10. Slow Rinse Rate 2∼3 SV/hr 2∼3 SV/hr  

    [3-2. 복상식 순수제조장치(2B3T) ]

    원수를 강산성 강이온교환수지탑에 통과시켜 cation을 제거하고 다시 강염기성 음이온교환수지탑에 통과시켜 anion을 제거하여 순수를 제조하는 장치. 이때 중간에 degasifier를 설치해 cation exchanger를 통과한 수중의 CO2 gas를 제거해 anion exchanger에 걸리는 부하를 줄일 수 있다. 이렇게 해서 anion exchanger의 크기를 줄일수 있고 재생제의 소비량이 적어지므로 경제적인 설계가 가능하다.

    • 1) 순수제조 반응식
      1. ① cation exchanger R-(SO3H)2 + Ca(HCO3) 2 -> R-(SO3)2 Ca + 2H2CO3
        R-SO3H + NaCl -> R-SO3Na + HCl
      2. ② degasifier H2CO3 + (air)-> H2O + CO2↑
      3. ③ anion exchanger R&amop;-NOH + H2CO3 -> R&amop;-NHCO3 + H2O
        R&amop;-NOH + HCl -> R&amop;-NCl + H2O
        R&amop;-NOH + H2SiO3 -> R&amop;-NHSiO3 + H2O
    • 2) 재생 반응식
      1. ① cation exchanger R-(SO3)2Ca + 2HCl -> R-(SO3H) 2 + CaCl2
        R-SO3Na + HCl -> R-SO3H + NaCl
      2. ② anion exchanger R&-NHCO3 + NaOH -> R&-NOH + NaHCO3
        R&-NCl + NaOH -> R&-NOH + NaCl
        R&-NHSiO3 + 2NaOH -> R&-NOH + NaSiO3 + H2O
    • 3) 재생방법
      1. 양이온 교환수지 탑의 재생은 5∼10%의 HCl 또는 0.5∼6%의 H2SO4 를 사용하며, 음이온 교환수지탑의 재생은 35∼35℃의 NaOH를 2∼10% 농도로 사용한다.
        * 역세 속도
        - 양이온 교환수지 탑 : 12∼16 m/h
        - 음이온 교환수지 탑 : 6∼8 m/h
      2. ① 병류재생방법 피처리수의 흐르는 방향과 동일한 방향으로 재생제 용액을 통과시켜 재생하는 방법으로 재생효과가 향류재생보다는 떨어지나 장치가 간단하며, 이온교환 수지의 양이 적게 사용된다.
      3. ② 향류재생 피처리수의 흐르는 방향과 반대 방향으로 재생제 용액을 통과시켜 재생하는 방법으로 수지탑 말단의 수지가 완전 재생에 가까운 재생이 되기 때문에 탈염수 수질이 양호하여 병류재생시 보다 40% 이상 재생제를 절감할 수 있으나 장치가 복잡하며, 150∼200mm정도의 수지를 더 사용하여야 한다.
    • 4) 특징
      1. 양이온 교환수지 탑의 재생은 5∼10%의 HCl 또는 0.5∼6%의 H2SO4 를 사용하며, 음이온 교환수지탑의 재생은 35∼35℃의 NaOH를 2∼10% 농도로 사용한다.
        * 역세 속도
        - 양이온 교환수지 탑 : 12∼16 m/h
        - 음이온 교환수지 탑 : 6∼8 m/h
      2. ① Na+, K+, NH4 +, Ca+2, Mg+3, Fe+3 등의 양이온 및 Cl-, SO4-, NO3- 등의 음이온 외에 탄산, 규산, 유화수소, 유리염소, phenol 등의 약산을 거의 완전히 제거가 가능하다.
      3. ② 처리수의 순도는 mixed bed 보다 못하지만 음이온교환수지가 탁도나 철로 오염되는 경우가 적고 수지의 보충비가 싸다.

    [ 3-3. 혼상식 순수제조장치(mixed bed) ]

    강산성 양이온 교환수지와 강염기성 음이온 교환수지를 혼합하고 이것에 원수를 통과시켜 수중의 전해질을 제거하여 순수를 제조하는 장치. 복상식에 비해 재생제의 사용량이 조금 많다. 순수제조원리는 복상식과 동일하며 복상식 순수제조장치를 반복해서 연결해 놓은 것과 같다.

    • 1) 재생방법
      1. 역세척을하여 침강속도차에 의해 수지를 분리시키고, 음이온교환수지는 2∼10% NaOH(35∼50%)용액을, 양이온 교환수지는 5∼10% HCl 또는 0.5∼5% H2SO4을 각각 수지탑의 상부와 하부에 주입시키고 각각의 수지층을 통과시켜 중간 collector로 배출시킨다.
        * 역세속도 : 8∼10 m/h
    • 2) 특징
      1. ① 원수중에 다량의 염류가 포함되어 있을 경우 혼상식 순수제조장치 앞에 강산성 양이온 교환수지탑과 약염기성 음이온 교환수지탑을 설치해 사용할 수 있으며, polisher로 사용되기도 한다.
      2. ② 양이온 교환수지와 음이온 교환수지를 한 tower에 충진하므로 배관이 집약되고 공간이 절약된다.
      3. ③ 원수의 수질이나 주입 유속이 변화해도 처리수의 비저항은 거의 변하지 않는다.
      4. ④ 처리수가 공기와 접촉을 하게 되면 CO2를 흡수한다.
    • 3) 혼상식 순수제조장지의 사용시 주의사항
      1. ① 탁 도 : 1이하
      2. ② 유리염소 : 0.1ppm as Cl2 이하
      3. ③ 전 철 : 0.1ppm as Fe 이하
      4. ④ 수 온 : 35℃ 이하
      5. ⑤ 색 도 : 5 이하
      6. ⑥ C O D : 0.2ppm as O 이하
      7. ⑦ A B S : 0.5ppm 이하
    구분 2B3T MBD
    처리수 수질 conductivity 10 ㎲/cm 이하 2 ㎲/cm 이하
    SiO2 0.2 ppm as SiO2 이하 0.3 ppm as SiO2 이하
    pH 알칼리성 중성
    경제성 대형 장치일 경우 유리 소형 장치일 경우 유리
    수지의 이용 효율   소형 장치일 경우 유리
    수지의 파손 크 다 적 다
    원수중 HCO3- 이온이 많을 경우 적 합 부 적 합
    재생 방법 간 단 복 잡
    장치의 내부 구조 간 단 복 잡
    설치 장소가 좁을 경우 부 적 합 적 합