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이온교환수지 Tower운전 및 재생

이온교환수지이온교환수지 TowerTower운전운전 및및 재생재생

단상식단상식TowerTower

복상식복상식TowerTower

aqua


목 차목 차

1.용수중의 불순물과 이온교환수지의 제거영역

2.이온교환수지에 의한 수처리 원리

3.이온교환수지탑의 종류

4.음이온교환수지의 운전 및 재생

5.양이온교환수지의 운전 및 재생

6.혼상식 이온교환수지의 운전 및 재생

7.향류재생식 순수장치

8.순수장치에서 양이온교환수지의 황산재생


2.이온교환수지에 의한 수처리 원리


4.음이온교환수지의 운전 및 재생

5.양이온교환수지의 운전 및 재생


7.향류재생식 순수장치

8.순수장치에서 양이온교환수지의 황산재생水水



2.이온교환수지에 의한 수처리 원리천연수 중에는 여러가지 불순물이 용해되어 있으며, 이들 불순물은 사용목적에 따라 적지않은 지장을 초래한다.이들 불순물중 이온상으로 존재하는것은 이온교환수지로 쉽게 제거할 수 있다. 천연수중에 포함되어있는 이온의 대표적인것은 Ca2+, Mg2+, Na+, HCO3-, SO4 2-, Cl-, SiO2 등이다. 이들 이온은 전기적으로 중화하여있고 도형적으로 표시하면아래와 같다.

이와같은 조성의 물을 식염수로 재생한 Na형 강산성 양이온교환수지에 통과시키면 Mg2+, Ca2+는

수지중의 Na와 교환하여 수지에 포촉되므로 연수를 얻을수 있다.

또한 HCl로 재생한 H형의 강산성 양이온교환수지 및 NaOH로 재생한 OH형의 강염기성 음이온교환수지에

위와 같은 조성의 물을 통과시키면 모든 이온이 수지에 포착되므로 순수를 얻을 수 있다.

순수를 제조하는 방법은 혼상탑(MIXED BED), 2상2탑(2B2T), 2상3탑(2B3T)등 여러가지 방법이 있다.

탁질(Suspended Solids)

유기물

H₂O

Ca²

Mg²

+

+

HCO₃

Cl

SO₄

_

Na +

_

_²

SiO²

약산성 탈탄산탑강산성양이온교환수지

강염기성음이온교환수지

약염기성

Clarifier.Sand Filter

Activated Carborn Filter

Ca²

Mg²

+

+

HCO₃

Cl

SO₄

_

Na +

_

_²

SiO²



원수입구역세출구

처리수출구역세입구재생배수

수지층수지층

재생입구

원수입구역세출구

처리수출구역세입구재생입구

재생입구

재생배수

음이온 교환수지

양이온 교환수지

밴트

단상식단상식 이온교환수지탑이온교환수지탑 복상식복상식((혼상식혼상식))이온교환수지탑이온교환수지탑


4.음이온교환수지의 운전 및 재생1).음이온 교환수지의 운전

A/C filter를 거친 filtered water 중에 Ca+2, Mg+2, Na+, K+ ... 등의 cation과 SO4-2, HCO-3, Cl-, SiO-2 ...등의

Anion은 2B3T의 순수제조 장치에서 강산성 양이온 교환수지 및 강염기성 음이온 교환수지와의 이온교환반응으로

제거되고 이온교환수지의 재생조작은 재생효율을 높이기 위하여 향류 재생방법을 채택하여 Cation Exchanger의

재생재로는 HCl로 Tank 하부에서 중간 Collector를 통하여 center Drain으로 배출되고 Anion Exchanger의 재생재는

NaOH로 Cation Exchanger의 재생 방향과 동일하다.

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

수지층 상부로 원수가 균일하게 분사되도록 하였으며, 살수관의 표면은 SUS 316 Wire Mesh 및 Saran Mesh망을 감아

역세시수지의 유출이 방지 되도록 되어있다.

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 설치되어 있고 하부에는 Strainer 조립 및

내부 점검을위한 Manhole, 처리수 배출을 위한 Nozzle이 각각 설치되어 있다.

Tank 중간부에는 수지층고 및 역세상태를 점검하기 위한 Sight Glass와 수지 교체시 수지를 추출하기 위한 Side

Hole이 설치되어 있다.

재질은 구조용 탄소강(SS400)을 사용하며, 부식방지 및 처리 순도를 유지하기 위해 내부에 Rubber Lining

3mm,외부는 방청제2회, 도장후 지정색 Paint로 마감한다.

2).음이온 교환수지의 재생

①.Back WashService로 인하여 수지층이 경화됨(다져짐)을 풀어주고 원수중의

현탁물질이 침착하므로 이것을 씻어내고 수지층을 풀어주기

위해 UP FLOW로 물을 통과시킨다.

차후 공정시 Chemical이 원활히 들어갈수 있도롣하고

이온교환수지를 반복해서 사용할경우 수지가 파괴되어 channeling현상

및 반응속도의 저하, 압력증가 등의 장해를 일으키므로 이러한 현상등을

제거하기 위한 공정으로 탑하부에서 상부로 물을 역세하는 공정.


역세공정에서 부유전개한 이온 교환수지층을 Chemical injection

효과를 높이기

위해 침강정치 시키는 공정으로 모든 Valve는 닫힌 상태에 있음

②.Settling

일정량의 채수 후 수지는 Exhausted(소모된)상태가 되며 이때 재생을

하는데 25% NaOH는 NaOH Feed Pump와 Regen.Pump에 의해서 Static

Mixer에서4∼10% 농도로 희석되어 Tank 측면상부에서 인입되어

Distributor로 수지를 재생시키고 폐액은 하부로 배출된다.

처리수 수질에서 Silica도 보증을 할 경우에는 NaOH의 약주,압출공정시

NaOH를 (35 ±5)℃로 가온 해야한다.

재생액이 수지층을 균일하게 분산해서 통과하고, 그러면서도 수지와

접촉시간이 긴 것이 좋다

③.Chemical Injection

Chemical injection공정은 완료되었지만 재생폐액은 아직 수지층에 남아

있으므로 이를 완전히 씻겨지도록 동일속도로 배출시키는 공정으로

Water Flow는 injection공정과 같으나 NaOH Feed Pump는 정지되고

Regen Pump의 Demi Water가 공급된다

④.Resin

Water

NaOH

Tower


5.양이온교환수지의 운전 및 재생1).양이온 교환수지의 운전

A/C filter를 거친 Filtered Water 중에 Ca+2, Mg+2, Na+, K+ ... 등의 Cation과 SO4-2, HCO-3, Cl-, SiO-2 ...

등의 Anion은 2B3T의 순수제조 장치에서 강산성 양이온 교환수지 및 강염기성 음이온 교환수지와의 이온교환반응

으로 제거되고 이온교환수지의 재생조작은 재생효율을 높이기 위하여 향류 재생방법을 채택하여 Cation Exchanger의

재생재로는 HCl로 tank 하부에서 중간 Collector를 통하여 Center Drain으로 배출되고 Anion Exchanger의 재생재는

NaOH로 Cation Exchanger의 재생 방향과 동일하다.

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

수지층 상부로 원수가 균일하게 분사되도록 하였으며, 살수관의 표면은 SUS 316 Wire Mesh 및 Saran Mesh망을 감아

역세시 수지의 유출이 방지 되도록 되어있다.

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 Nozzle이 설치되어 있고 하부에는 Strainer 조립 및 내부

점검을 위한 Manhole, 처리수 배출을 위한 Nozzle이 각각 설치되어 있다.

Tank 중간부에는 수지층고 및 역세상태를 점검하기 위한 Sight Glass와 수지 교체시 수지를 추출하기 위한 Side

Hole이 설치되어 있다. 재질은 구조용 탄소강(SS400)을 사용하며, 부식방지 및 처리 순도를 유지하기 위해 내부에

Rubber Lining 3mm,외부는 방청제2회, 도장후 지정색 Paint로 마감한다

2).양이온 교환수지의 재생

①.Back WashService로 인하여 수지층이 경화됨(다져짐)을 풀어주고 원수중의

현탁물질이 침착하므로 이것을 씻어내고 수지층을 풀어주기

위해 UP FLOW로 물을 통과시킨다.

차후 공정시 Chemical이 원활히 들어갈수 있도롣하고

이온교환수지를 반복해서 사용할경우 수지가 파괴되어 channeling현상

및 반응속도의 저하, 압력증가 등의 장해를 일으키므로 이러한 현상등을

제거하기 위한 공정으로 탑하부에서 상부로 물을 역세하는 공정.


역세공정에서 부유전개한 이온 교환수지층을 Chemical injection

효과를 높이기

위해 침강정치 시키는 공정으로 모든 Valve는 닫힌 상태에 있음

②.Settling

③.Chemical Injection

Chemical injection공정은 완료되었지만 재생폐액은 아직 수지층에 남아

있으므로 이를 완전히 씻겨지도록 동일속도로 배출시키는 공정으로

Water Flow는 injection공정과 같으나 NaOH Feed Pump는 정지되고

Regen Pump의 Demi Water가 공급된다

④.Resin

일정량의 채수 후 수지는 Exhausted(소모된)상태가 되며 이때 재생을

하는데 25% NaOH는 NaOH Feed Pump와 Regen.Pump에 의해서 Static

Mixer에서4∼10% 농도로 희석되어 Tank 측면상부에서 인입되어

Distributor로 수지를 재생시키고 폐액은 하부로 배출된다.

처리수 수질에서 Silica도 보증을 할 경우에는 NaOH의 약주,압출공정시


재생액이 수지층을 균일하게 분산해서 통과하고, 그러면서도 수지와

접촉시간이 긴 것이 좋다

Water

Hcl

Tower



2B3T를 통과하여 처리된 순수중 미처리된 Cation과 Anion을 제거하기 위한 혼상식 순수제조장치로 강산성 양이온교환수지

와 강염기성 음이온교환수지의 이온교환 반응으로 제거된다. 이온교환수지의 재생조작시 음이온수지 재생제인 NaOH는

탱크 상부에서 Center Drain으로,양이온수지 재생제인 HCl 탱크 하부에서 Center Drain으로 배출된다.

양이온 및 음이온교환수지는 Service시 혼합상태에 있으나 이를 재생하기 위해 두 수지의 비중이 다른 점을 이용,분리하고

이때의 경계층에 재생제 배출을 위한 Intermediate Grid를 설치한다.

수지의 경계층, 음이온교환수지 상부 및 Back Wash 조작시 수지팽창부에 각각 Sight Glass를 부착하여 수지분리상태,

수지보충시기,Back Wash상태 등을 점검토록 하였다.

일정량의 원수를 처리하고 나면 이온교환수지의 교환능력이포화상태가 되므로 양이온교환수지는 HCl으로 음이온교환수지는

NaOH로 재생해야 되며, 이온교환 및 재생반응은 다음과 같다.

양이온교환수지 재생반응R (-SO3)2 Ca + 2HCl → R(-SO3H)2 + CaCl2R - SO3Na + HCl → R -SO3H + NaCl(R-SO3)Mg + 2HCl → 2R -SO3H + MgCl2

음이온교환수지 재생반응R 〓 NCl + NaOH → R 〓 NOH + NaClR 〓 NHSiO3 + 2NaOH → R 〓 NOH + Na2SiO3 + H2O R 〓 NHCO3 + NaOH → R 〓 NOH + NaHCO3

[재생반응]

양이온 교환 반응R - SO3H + Ca (HCO3) → R(-SO3)2Ca+ 2H2CO3R - SO3H + NaCl → RSO3Na + HCl2R - SO3H + MgSO4 → R(-SO3)2Mg + H2SO4

음이온 교환 반응R 〓 NOH + HCl → R 〓 NCl + H2O R 〓 NOH + H2SiO3 → R 〓 NHSiO3 + H2OR 〓 NOH + H2CO3 → R 〓 NHCO3 + H2O

[순수제조반응]

1).혼상식 이온교환수지의 운전


Service 과정 중 양이온교환수지 및 음이온교환수지는 혼합된 상태로

충진되어 있으나 재생조작을 위해 수지를 분리하기 위한 조작으로

탱크하부로 통수하여 탱크상부로 배출된다.

분리가 잘되어야 높은 Quality의 R/S를 얻을수 있다.

완전분리시 양이온은 가라않고 음이온은 상부로 분리된다

2).혼상식 이온교환수지의 재생

Back wash 완료 후 팽창된 수지층은 양이온교환수지와 음이온교환수지의

비중차에 의하여 비중이 큰 양이온 교환수지는 하부에 가라앉고 상대적으로

비중이 작은 음이온교환수지는 양이온교환수지 상부에 분리되어 가라앉는다

상부에 분리된 음이온 수지는 NaOH 용액으로 재생한다.

Service Tank(Chemical Measuring Tank)내에 25% 농도로 저장된 NaOH

Pump에 의하여 일정량을 이송 Regen Pump에 위하여 이송된 Water와

Static Mixer에 의하여 4∼10% 농도로 희석되어 상부의 음이온교환수지 층을

통과하며 재생시키고 BED 하부로 Water를 공급하여 Bed 중간에서

중간 Collector로 Drain 시킨다.

처리수 수질에서 Silica도 보증을 할 경우에는 NaOH의 약주, 압출공정시


①.Back Wash

②.Settling(정체)

③.Chemical Injection(NaOH In)


Injection이 끝난 후 Bed 내에 잔존하는 HCl 용액을 제거하는 동시에

미 반응된 용액의 반응을 촉진시키는 공정으로 Regeneration에 의하여 Bed

상.하부로 물이 인입되어 중간 Collector를 통하여 Drain 된다.

Bed내에 남아있는 미반응된 NaOH 및 HCl를 다시한번 완벽하게 세척하는

공정으로 Bed 상부와 하부로부터 물이 동시에 인입되어 중간 Collector를

통해 Drain 된다.

하부에 분리된 양이온 수지는 HCl 용액으로 재생한다.

35% 농도로 저장된 염산은 HCl Pump에 의해 이송되고 Water는 Regeneration

Pump에 의해 이송되어 Static Mixer에서 4∼10% 농도로 혼합 및 희석되어

하부의 양이온교환수지층을 통과하며 수지를 재생시키고 Bed 상부로

Water를 공급하여 Bed 중간에 있는 중간 Collector로 Drain 시킨다.

④.Chemical Injection(HCL In)

⑤.Chemical Rinse

⑥.1st Rinse


재생이 완료된 양이온, 음이온교환수지를 Service 상태로 혼합 하기위한

공정으로 Resistivity를 올리기 위한 자장 중요한 공정이며 음이온과 양이온이

골고루 혼합이 되어야만 높은 Resistivity를 얻는다.

보통 GN2를 사용하여 Bed 하부로 인입된다.

공급압력은 1∼2Kg/Cm2 정도로 이는 Regulator로 조정한다.

이공정이 끝나면 ⑨.Water Fill(Tower에 물을 채우는 공정)을 실행한다.

Service상태로 전환하기 전에 요구수질 이상의 처리수만을 공정에 사용하기

위해 최종 세척시키는 작업으로 bed 상부로부터 하부로 Drain시키며,

이때 수질이 규정치로 되었을 때 Stand-by 상태로 전환된다.

(규정치 이하가 되더라도 공정은 끝낼수 있으며 수동 조작으로 Rinse를

하여 원하는 Data를 얻을수 있다)

Air Mixing효과를 높이기 위하여 수지층 상부 150∼200mm 까지 Drain

시키는 공정으로 중간 Sight Glass 상부까지 Drain시킨다

⑦.Drain

⑧.Air Maxing

⑩.Final Rinse


7.향류재생식 순수장치원수중의 이온은 이온교환수지에 교환 포착되어 서서히 이온교환수지의 교환능력이 없어지게 된다. 이때 재생제로 재생을

하게된다.

재생을 통수와 반대방향으로 행하는 재생방식을 항류재생이라고 말한다.

이와는 다르게 통수와 재생을 동일방향으로 행하는 종래의 재생방식을 병류재생이라고 부른다.

본 향류재생은 통수를 하향류(Down Flow), 재생을 상향류(Up Flow)로 하는 것이 특징이다

1).향류재생 방식에서 재생제가 절감되는 이유

①.수지층의 H+ 부분을 이용할 수 있으며

②.탈착이온에 의한 유효(자기)재생이 가능하고

③.저 재생Level로 재생이 가능하다.

즉, 향류재생 방식에서는 재생시 HCl이 Na만 밀어내면 되고, 이때 Na는 다시 Mg를, Mg는 다시 Ca를 밀어내므로

탈착이온에 의해 유효재생이 가능하다.

④.병류재생 방식에서는 재상시 HCl이 Ca, Mg, Na을 모두 밀어내야 하므로 탈착 이온에 의한 유효재 생이 불가능하다.


2).향류재생식 순수제조방식이 고순도의 순수를 얻을 수 있는 이유

재생종점에서의 이온교환수지층의 상태 A 및 A'를 보면 항류재생방식(A)에서는 수지층 하부에 미재생된 부분이

없지만 병류재생방식(A')에서는 수지층 하부에 미재생된 부분이 있는것을 확인할 수 있다.

그러므로 향류재생방식은 통수개시부터 고순도의 순수를 얻을 수 있다.

3).향류재생방식 순수제조장치의 장점

①.재생제가 절감(Running Cost의 절감)된다. 병류재생방식에 비해 재생제 사용량이 절반 이하가 된다.

②.고순도의 처리수를 얻을 수 있다.수지층 하부를 보면 재생후에 언제나 완전히 재생된 상태로 되어 있기 때문에

항상 안정된 고순도의 처리수를 얻을 수 있다.

③.재생시간이 단축된다. 병류재생방식의 재생시간은 약 4시간이 소요되지만 향류재생방식은 2시간 이내에 재생이

가능하다.그러므로 순수저조도 병류재생방식에 비해 절반 이하의 용량으로도 충분하다.

④.원수유량 및 원수수질의 변동에 강하다. 향류재생방식은 통수방향이 병류재생방식과 마찬가지로 하향류이므로

이온교환수지층이 항상 긴밀한 층을 가지고 있으므로 급격한 유량변동(또는 단속운전)이나 원수수질의 변동에

대해서도 항상 안정된 고순도의 순수를 얻을수 있다.

⑤.수세수량이 절감된다. 수세수는 병류재생방식에서는 수지층의 약 10배량을 필요로 하지만, 향류재생방식에서는

약 1∼2배 로 충분하다.


⑥.재생폐액처리가 용이하다. 수세수량을 병류재생방식에 비해 적게 사용할 수 있기 때문에 재생폐액도 적게 생성된다.

그러므로 재생폐액 처리가 용이하다.또한 재생제가 거의 유효하게 재생에 기여하므로, 재생폐액중에 잔류하는 유리

재생제가 매우 적게 된다. 그러므로 재생폐액의 중화를 위하여 약제를 사용할 필요가 거의 없다.

⑦.고순도의 수질이 필요할 경우에도 건설비가 적게 소요 된다. 병류재생방식에서는 고순도의 수질을 얻기 위해서는

“2B3T+Polisher" 또는 "4B5T"등을 사용해야 하지만 원수수질이 좋을 경우에는 ”향류재생방식 2B3T"만으로도 고순도의

수질을 얻을 수가 있으므로 건설비가 적게 들어간다.

또한 순수저조도 병류 재생방식에 비해 절반이하가 되므로 설치면적이 작아도 된다.

⑧.병류재생에 비해 Silica관리가 더 쉽다.병류재생의 경우는 수지탑 하부에 항상 미재생 부분이 남아있어 통수시에

향류재생에 비해 Na+ 이온 누출이 많아진다. 이로 인해 음이온탑의 출구수가 Alkali가 되므로 Silica가 더 누출하게

된다.향류재생은 이와는 반대로 Silica 관리가 쉽다

8.순수장치에서 양이온교환수지의 황산재생

순수장치에서 재생제로 염산을 많이 사용하나 비교적 저가인 황산도 사용한다. 황산재생의 경우 다음의 반응으로

CaSO₄의 침전물이 수지층에 축적되어 이온교환수지의 오염은 물론 처리수 수질도 저하시킨다

(R - SO3)2 Ca + H2SO4 2R-SO3 + CaSO4 ↓

따라서 황산재생은 비교적 빠른 유속과 저농도로 2∼3 회로 나누어 시행한다

재 생 횟 수 재생제 사용량 재생제의 농도 유속

1회 재생제의 1/6 1% LV15~20

2회 재생제의 2/6 2% LV15~20

3회 재생제의 3/6 3% LV15~20

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