수처리 - 이온교환수지

이온교환수지는 Demi Water(탈이온수) 생산에서 핵심적인 역할을 하며, 물속의 양이온(Cations)과 음이온(Anions)을 제거하여 고순도의 물을 생산합니다. 이번 글에서는 이온교환수지의 작동 원리와 실제 적용되는 2B3T 형식에 대해 설명하겠습니다.

1. 이온교환수지란?

이온교환수지는 물속의 특정 이온을 선택적으로 흡착하거나 방출할 수 있는 합성 고분자 수지입니다.

고분자 매트릭스로 이로어져 강한 기계적 강도를 가집니다.

 

이온의 크기와 전하 밀도에 따라 교환 우선 순위가 주어지며, 이에 따라 이온이 선택적으로 교환됩니다.

• 양이온 교환 우선 순위  : Ca²⁺ > Na⁺ > H⁺
• 음이온 교환 우선 순위 :  SO₄²⁻  > Cl⁻ > OH⁻

2. 이온교환수지의 작동 원리

이온교환수지는 물속 이온과 선택적으로 결합 및 교환하여 순수한 물을 생산합니다.

 

양이온교환수지

• 수소 이온(H⁺)으로 양이온(Na⁺, Ca²⁺ 등)을 교환합니다.
• 반응식:  R-SO₃-H +  Na⁺ → R-SO₃-Na + H⁺

음이온교환수지

• 수산화 이온(OH⁻)으로 음이온(Cl⁻, SO₄²⁻ 등)을 교환합니다.
• 반응식 : R-NR₃-OH + Cl⁻  →  R-NR₃-Cl + OH⁻

3. 2B3T + MBP시스템이란?

2B3T + MBP는 이온교환 방식으로 Demi Water를 생산하는 시스템의 한 구성으로, 다음과 같은 단계로 이루어져 있습니다.

 

1) 양이온탑(Cation Exchanger)

• 첫 번째 탑에서 물속의 양이온(Na⁺, Ca²⁺ 등)이 H⁺ 이온으로 교환됩니다.
• 이 단계는 물속의 양이온을 제거하는 데 초점을 둡니다.

2) 탈탄산탑 (Decarbonation Tower)

• CO2를 제거하여 물속의 탄산(H2CO3)를 최소화합니다.
• 양이온탑에서 처리된 물이 음이온탑으로 전달됩니다.

3) 음이온탑(Anion Exchanger)

• 두 번째 탑에서 물속의 음이온(Cl⁻, SO₄²⁻ 등)이 OH⁻ 이온으로 교환됩니다.
• 이 과정은 탈기(Degasification)를 통해 이루어지면, 음이온탑의 처리 부담을 줄이는 역할을 합니다.

4) 혼상탑(Mixed Bed Exchanger)

• 최종 단계로, 양이온교환수지와 음이온교환수지가 혼합된 상태에서 작동합니다.
• 이 단계는 양이온탑과 음이온탑을 거친 물의 잔여 이온을 제거하여 고순도의 물을 생산합니다.

5) 2B3T + MBP의 주요 장점

• 양이온탑과 음이온탑에서 처리된 물을 혼상탑에서 한 번 더 정제하여 이온 농도를 극도로 낮출 수 있습니다.
• 높은 순도의 물이 필요한 전력 및 전자 산업에 적합합니다.

4. 이온교환수지의 재생 과정

수지는 사용 중 점차 포화 상태에 이르며, 재생 과정을 통해 복구됩니다.

 

양이온교환수지 재생

• 염산(HCl)을 사용하여 Na⁺, Ca²⁺ 등을 제거하고 H⁺ 이온을 복구합니다.
• 반응식 : R-SO₃-Na + HCl  →  R-SO₃-H + NaCl

음이온교환수지 재생

• 가성소다(NaOH)를 사용하여 Cl⁻, SO₄²⁻ 등을 제거하고 OH⁻ 이온을 복구합니다.
• 반응식 : R-NR₃-Cl + NaOH → R-NR₃-OH + NaCl