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5-3. 이온교환
• 상업용 최초의 이온교환물질(연수화에 사용)
: 제오라이트(천연산 다공성 모래)
• 최근의 이온교환물질 : 합성유기교환수지
• 합성 양이온 교환수지
- sulfonic기 - phenolic기 - carboxylic기
• 합성 음이온 교환수지
- 4급 암모늄기 - amine기
5-3. 이온교환
※ 이온교환의 주용도
1) 물의 연수화 : Ca+2, Mg+2를 Na+와 교환
2) 총탈염화공정에 이용 : 모든 양이온과 음이온 제거
양이온수지(수소이온) : 양이온과 교환
음이온수지(수산이온) : 음이온과 교환
처리수는 수소와 수산이온만 포함
→ 순수한 물
3) 부분적 탈염 : ex)유량 일부 탈염화
4) 암모니아 제거 : 천연 제올라이트(clinoptilolite)이용
5) 폐수의 중금속 처리 : 제거된 중금속 이온은 재생과정에서
농축
ex) 도금공장 폐수처리 : Zn, Cd, Cu, Ni, Cr 등
6) 방사성 폐기물 처리 : clay와 기타 광물질은 Cs137 등의
방사성 물질을 선택적 제거
5-3-1. 이론
• 경수의 연수화 이온교환 반응식
Ca+2 + 2Na∙Ex ↔ Ca ∙Ex2 + 2Na+1
Mg+2 + 2Na∙Ex ↔ Mg ∙Ex2 + 2Na+1
Ca+2 , Mg+2를 Na+1과 교환 → 연수화
Ca+2 , Mg+2로 포화된 후 강한 염 용액으로 재생
Ca∙Ex2 +
강염수
+1
2Na ↔ 2Na∙Ex
Mg∙Ex2 +
2Na+1
강염수
+ Ca+2
↔ 2Na∙Ex + Mg+2
5-3-1. 이론
• 물의 탈염화
• 양이온 교환수지(수소이온) : 양이온 제거
MX+ + xH∙Re ↔ M∙Rex + xH+
MX : 양이온 x : 원자가수
양이온 교환수지의 재생 : 강산(황산, 염산)
2) 음이온 교환수지(수산이온) : 음이온 제거
A Z- + zRe∙OH ↔ Rez + zOHA Z : 음이온 z : 원자가수
음이온 교환수지의 재생 : 강염기(수산화나트륨)
5-3-1. 이론
• 수지의 이온교환 능력
• 강산 양이온수지(-SO3H) : 모든 양이온 제거
• 약산 양이온수지(-COOH) :
- Ca2+, Mg2+ 등 약염기로부터 양이온 쉽게 제거
- Na+, K 등 강염기로부터 양이온 제거 어려움
3) 강염기 음이온교환수지(4급암모늄기) : 모든 음이온 제거
4) 약염기 음이온 교환수지(아민기) :
- SO42-, Cl- 및 NO3- 등 강산으로부터 음이온 제거
- HCO3-, CO32-, SiO44-제거는 어려움
5-3-1. 이론
• 이온교환 : 질량작용의 법칙을 따름
• 이온교환의 일반식 : M1+ + Re∙M2 ↔ M2+ + Re∙M1
M1+, M2+ : 다른 종류의 양이온, Re : 이온교환수지
: 질량작용상수(mass action constant) 혹은
선택성 계수(selectivity coefficient)
선택성 계수(K) ↑ : 이온교환 물질에 의한 이온 선택성이
커짐
5-3-1. 이론
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이온교환 물질의 선택성이 큰 이온
원자가가 높은 이온
극성을 띠는 능력이 큰 이온
이온교환고형물의 이온교환영역과 강하게 반응하는 이온
다른 이온과 관여를 적게하고 복염을 형성하는 이온
• 양이온에 대한 선택성 순서
Pb2+ > Ca2+ > Cu2+ > Zn2+ > Mg2+ > K+ > NH4+ > Na+
• 음이온에 대한 선택성 순서
SO42- > NO3- > CrO42- > Cl-
5-3-1. 이론
• 이온교환의 속도제한 단계
• 모액에서 이온교환 고형물을 둘러싸고 있는 막이나 경계
층으로의 이동
• 막을 통한 고체 표면으로의 이온확산(막확산)
• 고형물 공극을 통한 이온교환 영역으로의 이온확산(공극확산)
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반응에 의한 이온의 교환
교환된 이온의 공극을 통한 고체표면으로의 확산
고형물 주위 액막이나 경계층을 통한 교환된 이온확산
모액 속으로의 교환된 이온의 이동
5-3-2. 접촉기술 및 장치
흡착에 사용되는 기술 → 이온교환 공정에 대해서도 적용
공정
회분식 공정
칼럼식 공정 : 고정상 칼럼, 이동상 칼럼
유동상 공정
연수화 과정
물이 상부로 유입
경도의 허용 파괴점이 유출수에서 일어나면 조절장치가 작
동하여 역세척 → 여과작용으로 누적화되었던 SS 제거
• 역세척 이후 염용액이 이온교환상에 유입되어 수지 재생
• 재생이 완료되면 세척수가 서서히 흘러 들어가 재생용액을
세척수로 바꾸어줌
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5-3-2. 접촉기술 및 장치
5-3-3. 설계공정
• 설계 공정 : 흡착칼럼에서와 동일
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5-3-4. 연수화와 탈염화
(Softening and
demineralization)
연수화
- 강산 양이온 교환수지(Na+)를 통해 이루어짐
• Ca2+, Mg2+ 및 기타 2가 또는 다원자가 금속이온이 이온
교환수지 고형물에 흡착 → Na+ 용출
(2가 또는 다원자가 양이온 1meq 제거 → Na+ 1meq 용출)
2) 파과점에 도달하면 강염수(NaCl) 용액으로 재생
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5-3-4. 연수화와 탈염화
(Softening and
탈염화(규산염의
제거가 필요 없는 경우)
demineralization)
- 강산 양이온 교환수지(H+), 약염기음이온 교환수지(OH-),
CO2 제거공정으로 구성
양이온 교환수지 통과 → 양이온은 수소이온 교환 → 산
성수
중탄산염과 탄산염은 낮은 pH로 인해 탄산으로 전환
약염기 음이온 교환수지 통과 → 규산염을 제외한 음이
온 제거
CO2 제거장치 통과 → CO2 제거
재생과정
- 양이온 교환수지 : 강산용액(황산, 염산)
- 음이온 교환수지 : 수산화나트륨 용액
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5-3-4. 연수화와 탈염화
(Softening and
demineralization)
탈염화(규산염의
제거가 필요한 경우)
- 강산 양이온 교환수지(H+), CO2제거장치,
강염기 음이온 교환수지(OH-)로 구성
• 탈염화(혼합수지상 이용)
- 강산 양이온 교환수지와 강염기 음이온 교환수지가 혼합
된 혼합수지상
• 파과점에 도달하면 수지를 분리시키기 위해 역세척
(음이온 수지는 양이온 수지보다 밀도가 낮기 때문에 반
응조의 상부에 위치)
2) 강산용액과 강염기 용액을 이용하여 재생
3) 재생이 끝난 후 공기를 반응조 바닥에서 주입 → 수지혼합
5-3-4. 연수화와 탈염화
(Softening and
demineralization)
5-3-4. 연수화와 탈염화
(Softening and
demineralization)
5-3-5. 설계시 고려사항
• 연수화에서 사용되는 제오라이트나 수지 상의 깊이 :
: 0.6 ~ 2.5m
• 유량 : 0.6~5.4L/㎡∙s
• 수지 높이에 대한 직경의 비 : 1.5:1 ~ 3:1
• Column의 높이는 역세척시 상(bed)의 팽창이 가능하도록
- 제올라이트 : 상의 깊이의 약 25%까지 팽창
- 합성수지 : 75 ~ 100% 팽창
• 칼럼의 최대 높이 : 4m
(4m 이상이 되도록 하려면 2개의 칼럼이 나열)
• 나트륨 순환에서 합성수지의 재생은 5 ~25% 염수용액
(보통 5 ~ 10% 용액)
• 수소순환에 의한 강산 양이온 교환장치
: H2SO4나 HCl 용액 사용
• 수산기 순환에 의한 강염기 이온교환수지
: 2 ~ 10% NaOH 용액으로 재생