Electrodeionization을 이용한 음용수에서의 질산성질소 제거

연경호, 문승현

광주과학기술원 환경공학과

Removal of Nitrate from Drinking Water by Electrodeionization

Kyeong-Ho Yeon, Seung-Hyeon Moon

Department of Environmental Science and Engineering

Kwangju Institute of Science and Technology

서론

100 ppm의 질산이온을 함유한 음용수로부터 95 %의 질산이온을 제거하기 위해 이온교환막을 이용한 두 막공정[전기투석(ED), Electrodeionization(EDI)]의 성능을 연구하였다. EDI 공정은 전기투석(ED)의 한계와 단점을 극복하기 위해 적용되었으며 음용수에서 질산성질소의 제거를 위해 EDI의 공정인자를 구하기 위한 연구가 수행되었다. ED와 EDI 모두 음용수에서 질산성질소를 효과적으로 제거할 수 있을지라도 EDI 공정이 전력소모와 질산염 제거속도적인 면에서 ED 공정보다 효과적이다.

이론

전기투석 장치의 희석조에 양이온과 음이온교환수지를 혼합하여 채운 EDI는 이온교환수지와 이온교환막을 결합한 접합 분리공정(hybrid separation process)으로 Continuous deionization(CDI)라고도 불린다. EDI 장치는 희석실에 이온교환수지를 채움으로서, 희석조내의 유입수가 탈염이 되어 전류를 운반할 이온이 부족하게 되어도 이온교환수지 자체의 높은 전기전도도 때문에 실제적인 속도로 이온을 이동하게 한다. 또한 농도분극현상이 발생하여 물의 전리가 일어나도 이온교환수지의 치환작용으로 상쇄되므로 농도분극현상을 억제할 수 있다. Fig. 1의 밑부분에서는 유입수의 탈염이 이온교환수지에 의해 일어난다. 유입수가 EDI 장치 내로 유입되면 이온교환수지와 접촉하여 유입수내의[eqn: RM Na^+]이온은[eqn: RM H^+]이온으로 치환되고[eqn: rm Cl^-]이온은[eqn: rm OH^-]이온으로 치환된다. 따라서, 이온교환수지는[eqn: RM H^+]과[eqn: rm OH^-]의 재생된 형태에서[eqn: RM Na^+]과[eqn: rm Cl^-]의 소모된 형태로 바뀌게 된다. Fig. 1의 윗부분에서는 이온교환수지의 전기화학적인 재생이 일어난다. 이온교환수지는 수지를 둘러싼 용액보다 전기전도도가 높기 때문에 유입수내의 이온들은 용액보다는 이온교환수지(resin bead)를 통해 이동하게 된다. 밑부분에서 탈염이 된 유입수는 윗부분으로 이동

Fig. 1  Mechanism of EDI     하게 되면 이온이 부족하게 되어 전류가 흐르는데 저항이 커지게 된다. 적당한 전압을 가하게 되면 전류를 흐르게 하기 위해 물의 전리가 일어나게 되고 물의 전리로 발생된[eqn: RM H^+]과[eqn: rm OH^-]이온은 이온교환수지내의 치환위치에 있는[eqn: RM Na^+]과[eqn: rm Cl^-]이온과 치환하게 되어 화학약품의 첨가 없이 전기화학적으로 재생이 일어나게 된다. 전위구배 하에서 치환된[eqn: RM Na^+]과[eqn: rm Cl^-]이온은[eqn: RM Na^+]이온은 음극을 향해서 이동하며[eqn: rm Cl^-]이온은 양극을 향해서 이동하여 제거된다.[1]

실험방법

실험에 사용된 전기투석장치는 Tokuyama Corp.(Model : Electrodialyzer TS-2-10)제품이며 EDI 장치는 전기투석장치(Tokuyama Corp., TS3B-2-5)에 이온교환수지의 손실을 방지하기 위해 0.95 □ silicon block을 만들어 5 Cell pair에서 실험하였다. 전기투석 및 EDI 장치에 사용된 이온교환막(effective area : 200 □)은 Neosepta CMX 강산성 양이온교환막, ACS 강염기성 일가선택성 음이온교환막(Tokuyama Soda Co. Ltd)이며 EDI 장치에 사용된 이온교환수지는 Rohm and Haas Co.제품으로 Imac HP 555 강염기성 질산이온 선택성 이온교환수지, Amberlite IR 120 강산성 양이온교환수지를 사용하였다. 전력공급은 HP-IB DC Power Supplies Series 6674A를 사용하였다. 합성폐수의 조성은 [eqn: RM NaNO_3],[eqn: RM NaCl],[eqn: RM MgSO_4],[eqn: RM CaCl_2]를 각각 137.1, 82.5, 125.3, 78.3 □/□로 하였다.

결과 및 토론

1. 유입유량의 영향

농축실(concentrated compartment)의 유량은 1.6□/min으로 고정하고 희석실로 유입되는 유입유량은 0.3□/min∼3.2□/min로 변화시키면서 실험하였다. EDI 장치를 이용하여 유입유량의 변화에 따른 질산이온의 탈염실험을 하기 전에, EDI 실험의 운전 mode를 설정하기 위해서 한계전류밀도를 측정하여 적용 가능한 전류밀도를 설정하였다.

Fig. 2 Nitrate removal rate with time in EDI           Fig. 3 Power consumption

with nitrate removal rate in EDI

Fig. 2에 나타난 바와 같이, 5 분에서 질산이온 제거율은 0.3□/min, 1.6□/min, 3.2□/min의 유입유량일 때 각각 77 %, 91 %, 92 %이다. Fig. 3은 95 % 질산이온의 제거율에 따른 전력소모량을 유입유량별로 측정한 것으로 0.3□/min, 1.6□/min, 3.2□/min의 유입유량일 때 각각 0.66 Wh, 0.46 Wh, 0.36 Wh로 용액의 유입유속이 증가할수록 전력소모는 감소하였다. EDI 장치의 희석실에는 양이온 및 음이온교환막과 스페이서, 이온교환수지, 이온교환수지의 유실을 방지하기 위한 Silicon block이 들어가게 되는데 그 두께는 1.65 □이며 농축실에는 양이온 및 음이온교환막과 스페이서가 들어가게 되는데 그 두께는 0.7 □이다. 따라서 농축실과 희석실의 두께가 다르기 때문에 EDI 장치의 희석실에 유입되는 유입유량이 증가할수록 농축실과 희석실의 유속이 가능한 한 균일하게 유지되어 질산이온의 제거율과 전력소모, 전류효율 등이 향상된 것이다.

2. 이온교환수지 함량에 따른 영향

본 실험에서 전기투석 장치를 수정, 보완하여 EDI 장치를 만들었기 때문에 기기의 구조적인 한계로 인하여 이온교환수지 함량에 따른 실험은 최대량과 최소량으로 나누어 실험하였다.

Fig. 4  Effect of resin loading                  Fig. 5  Effect of resin loading

on the nitrate removal rate                      on the power consumption

with the nitrate removal

Fig. 4에서 보듯이, 95 %의 질산이온을 제거하는데 이온교환수지 함량이 최대량일 때는 10 분이 소요된 반면 최소량으로 채웠을 때는 20 분이 소요되어 더욱 빠른 처리시간을 나타내었다. Fig. 5에서는 95 %의 질산이온 제거율에서 최대량일 때 0.3 Wh, 최소량일 때는 0.49 Wh를 나타내어 이온교환수지 함량이 증가할수록 일반적으로 처리시간과 전력소모율이 향상되는 것을 알 수 있었다.

3. 이온교환수지의 전기화학적 재생

EDI 장치에 있어서 무엇보다 큰 장점은 이온교환수지의 재생을 위해 화학약품을 사용하지 않아도 전기화학적인 작용으로 인해 재생이 자동적으로 된다는 것이다.

▣ 질산이온만의 물질수지에 근거해서,

● 농축조에서의 질산이온의 증가량(631.8 □)

= 희석조에서의 질산이온의 감소량(275.1 □) + 이온교환수지의 탈착량(356.8 □)

● 이온교환수지의 질산이온의 초기농도 = 1860.15 □

그러므로, 질산이온만의 물질수지에 근거해서 이온교환수지는 19.2 %의 질산이온이 치환되었으므로 재생효율은 19.2 %였다.

4. 이온교환수지에 의해 탈염되는 순환운전(cyclic operation)

EDI 공정은 전위구배 하에서 연속적으로 탈염될 수도 있고, 전압을 걸어주지 않고 펌프만 작동시켜 이온교환수지에 의해서만 탈염될 수도 있다. 이러한 전압을 걸어주지 않고 이온교환수지에 의해 탈염되는 순환운전(cyclic operation)방법은 이온교환수지가 포화되면 전압을 걸어주어 다시 재생시킨 후 이온교환수지에 의해 처리하는 운전방법이다.

Fig. 6은 순환운전 방법에 의해, 시간에 따른 희석조에서의 음이온 농도 변화를 측정한 것으로 질산이온과 황산이온은 5 분 동안 급격히 감소했다가 일정해지는 반면 염소이온은 5 분 동안 급격히 증가했다가 일정해지는 양상을 나타내었다. 이것은 음이온교환수지내의 초기이온형태가 염소이온이기 때문에 유입수내의 이온과 치환되면서 방출되기 때문이다. 순환운전으로 탈염을 할 경우 94 % 이상의 질산이온 제거율을 나타내면서 전력소모를 매우

줄일 수 있는 장점이 있다.

5. 전기투석과 EDI 공정의 비교

일정한 전압 하에서 전기투석과 EDI 공정이 운전될 때 Fig. 7에 나타낸 바와 같이 10 분의 처리시간 동안에 전기투석공정은 84 %, EDI 공정은 95 %의 질산이온

Fig. 6  Anion concentration variation

Fig. 7 Nitrate concentration & removal rate       Fig.8 Nitrate concentration & removal rate

with time by ED & EDI under constant voltage   with time by ED & EDI under constant current

제거율을 나타내어 일정한 전압 하에서 운전될 때 EDI 공정이 전기투석 공정보다 더욱 효과적인 공정으로 평가되었다. 일정한 전류 하에서 전기투석과 EDI 공정이 운전될 때 Fig. 8에 주어진 바와 같이 5 분의 처리시간 동안에 전기투석공정은 76 %, EDI 공정은 92 %의 질산이온 제거율을 나타내어 일정한 전류 하에서 운전될 때 EDI 공정이 전기투석 공정보다 더욱 효과적인 공정으로 평가되었다. 따라서, 음용수로부터 질산이온을 제거하는데 있어서 EDI 공정과 전기투석 공정 모두 효과적으로 제거할 수 있으나 EDI 공정이 전기투석 공정보다 효과적이었다.

결론

EDI를 이용하여 음용수에서 질산성질소를 제거한 결과, 저농도에서는 ED보다 빠른 물질전달 및 농도분극현상의 억제로 인해 전력소모와 질산염 제거속도적인 면에서 효과적 처리할 수 있음이 입증되었다.

참고문헌

1. T. A. Davis, Electro-Regenerated Ion-exchange Deionization of Drinking Water,

NTIS PB 270910, 3-7(1977).