수처리 시스템에서 이온교환수지의 적용

1. 이온의 정의 교환수지

이온교환수지는 작용기와 망상 구조를 가진 불용성 고분자 화합물로, 일반적으로 구형 비드 형태로 나타납니다. 이온교환수지의 정식 명칭은 분류명, 매트릭스(골격)명, 그리고 기본명으로 구성됩니다. 현재 이온교환수지는 수처리, 화학 산업, 야금, 식품, 가죽 제조, 초순수 의약품 생산 등 다양한 분야에서 널리 사용되고 있습니다.

2. 수질에 따른 이온교환수지의 분류

이온교환수지는 매트릭스 종류에 따라 스티렌계 수지와 아크릴계 수지로 분류할 수 있습니다. 수지에 존재하는 화학적 활성 작용기의 종류에 따라 주요 특성과 종류가 결정됩니다. 이온교환수지는 크게 양이온교환수지와 음이온교환수지, 두 가지 주요 그룹으로 나뉘는데, 각각 용액 내에서 양이온과 음이온을 교환할 수 있습니다. 양이온수지는 강산 양이온(SAC)과 약산 양이온(WAC)으로 세분됩니다. 마찬가지로, 음이온수지는 강염기 음이온(SBA)과 약염기 음이온(WBA)으로 세분됩니다.

3. 수처리 산업에서의 이온교환수지의 응용

수처리 산업은 이온교환수지가 가장 먼저 응용되는 분야 중 하나이며, 전체 이온교환수지 생산량의 약 90%를 차지할 정도로 상당한 수요를 자랑합니다. 정수 분야에서 이온교환수지는 연수, 담수화, 그리고 연수, 순수, 초순수 생산에 사용됩니다. 폐수 처리 분야에서는 주로 수지의 교환 이온과 폐수 내 중금속 이온 간의 교환 반응을 통해 중금속 이온 농도를 감소시켜 고도의 정수 성능을 달성하는 데 사용됩니다.

3.1 물 연화에 있어서 이온 교환 수지의 적용

a. 연수 필터의 구성 및 기능:

전자동 연수기는 주로 수지 탱크, 자동 다중 포트 제어 밸브, 그리고 염수 탱크의 세 가지 핵심 구성 요소로 구성됩니다. 수지 탱크에는 물에서 칼슘(Ca²⁺)과 마그네슘(Mg²⁺) 이온을 흡착하는 이온 교환 수지가 채워져 있습니다. 다중 포트 제어 밸브는 연수 장비의 제어 장치 역할을 하며, 작동, 재생, 헹굼, 역세척, 그리고 염수 탱크 재충전의 자동 사이클을 관리합니다. 염수 탱크는 수지 재생 과정에서 사용되는 소금(NaCl)을 저장합니다.

b. 연화 수지의 작동 원리:

연수 수지는 주로 이온 교환을 통해 물에서 경도 이온을 제거합니다. 이러한 경도 이온은 주로 칼슘(Ca²⁺)과 마그네슘(Mg²⁺)으로, 물의 경도에 주요 영향을 미칩니다. 연수 수지에는 풍부한 나트륨 이온(Na⁺)이 포함되어 있습니다. 물이 수지층을 통과하면서 수지의 나트륨 이온이 물 속의 칼슘 및 마그네슘 이온과 교환되어 경도 이온을 제거합니다.

c. 연수 필터의 적용 분야:

적용 분야로는 보일러 급수, 공조 시스템 보충수, 열교환기, 제지, 인쇄 및 염색, 섬유, 석유화학 공정용수, 생물제약, 전자, 순수 시스템 전처리, 산업용 무방류(ZLD) 시스템 등이 있습니다.

3.2 순수 및 초순수 생산에 이온교환수지의 적용

a. 양이온/음이온 교환 용기(CAB)의 정의:

양이온/음이온 교환 용기는 이온 교환기 또는 탈염기라고도 하며, 수지의 이온 교환 능력을 이용하여 물에서 이온을 제거하는 수처리 장비입니다. 이온 교환 용기의 작동은 수지의 이온 교환 특성에 기반하며, 수지의 이온이 물 속의 해당 이온과 교환되어 이온을 제거합니다.

b. 양이온/음이온 교환 용기의 작동 원리:

일반적인 2상 탈염 시스템은 직렬로 연결된 양이온 교환조(산 양이온 교환기)와 음이온 교환조(염기 음이온 교환기)로 구성됩니다. 원수는 먼저 양이온 교환 장치를 통과합니다. 여기서 양이온 교환 수지는 물 속의 양이온성 불순물을 흡착하는 동시에 수소 이온(H⁺)을 방출하여 물을 산성으로 만듭니다. 이후, 물은 탈탄산 장치(또는 탈기 장치)를 통과하여 기체로 방출된 이산화탄소(CO₂)를 제거하여 산성 조건에서 음이온 교환 장치의 효율적인 교환을 보장합니다. 마지막으로, 물은 음이온 교환 장치를 통과하는데, 여기서 음이온 교환 수지는 음이온성 불순물을 제거합니다.

c. 양이온/음이온 교환 용기의 적용 분야:

화학, 전력, 야금 등의 산업에서 보일러 급수를 연수화하여 스케일 형성 및 부식 문제를 방지하는 데 널리 사용됩니다. 농업 관개에서는 이러한 시스템으로 처리된 물을 사용하면 토양의 염류화를 줄이는 데 도움이 될 수 있습니다. 또한 해수 담수화의 전처리 단계에서 중요한 역할을 하여 후속 고도 처리 공정에 유리한 환경을 제공합니다.

3.3 순수 및 초순수 생산에 있어서 연마 혼합층의 적용

a. 광택 혼합층의 정의:

연마 수지는 일반적으로 초순수 처리 시스템의 최종 단계(연마 단계)에서 유출수 수질이 요구되는 기준을 충족하도록 보장하기 위해 사용되며, 종종 18 MΩ·cm 이상의 저항률을 달성합니다. 연마 수지는 이온 교환 수지의 일종으로, 구체적으로는 수소(H⁺) 형태의 강산성 양이온 교환 수지와 수산화물(OH⁻) 형태의 강염기성 음이온 교환 수지의 혼합물입니다.

b. 연마 수지의 작동 원리:

연마 혼합층은 동일한 용기 내에 양이온 교환 수지와 음이온 교환 수지가 완전히 혼합되어 있습니다. 이 혼합층에서 양이온과 음이온 수지는 밀접하게 혼합되어 양이온 교환 반응과 음이온 교환 반응이 거의 동시에 진행됩니다. H형 양이온 교환에서 생성된 수소 이온(H⁺)과 OH형 음이온 교환에서 생성된 수산화물 이온(OH⁻)은 축적되지 않고 즉시 결합하여 약하게 해리된 물 분자를 형성합니다. 이는 본질적으로 반대 이온의 영향을 제거하여 이온 교환 반응이 매우 원활하게 진행되도록 하여 고순도의 유출물을 생성합니다. 연마 수지 내의 이온이 고갈되면 산 및 알칼리 용액을 사용하여 수지를 재생하여 수소 이온과 수산화물 이온을 효과적으로 복원하고 수지의 작동 능력을 회복합니다.

c. 적용 분야:

전자 산업: 반도체 및 기타 전자 부품에 필요한 고순도 물을 생산합니다.

발전소: 화력 발전소의 순수 처리 시스템에서 광범위하게 사용됩니다.

합성 화학 및 석유화학 산업: 이온 교환 수지는 촉매 역할을 하여 에스테르화, 가수분해, 수화와 같은 반응에서 무기산과 염기를 대체할 수 있습니다.

제약 산업: 이온교환수지는 신세대 항생제를 개발하고 기존 항생제의 품질을 개선하는 데 중요한 역할을 합니다.