This thesis deals with the development of a simplified ion-exchange dynamic model which can be easily applied to multicomponent ion exchange system.
Numerous papers published before have shown that it is very difficult to apply the existing ion exchange models to the multicomponent ion exchange systems such as demineralizers in nuclear power plants. Therefore the main objective of this thesis is to develop a theoretical model applicable to such systems and to predict the effluent concentration histories by utilizing it.
In the model, the ionic fractions of the individual ionic species involved in solution or ion exchanger are expressed as the average values in each phase, and the ion exchange process is described in terms of a first-order kinetic reaction between the ionic species. This approach results in a first-order rate expression which represents the exchange rate as a function of contact time between two phases. The differences in the exchange rates among the ionic species can be explained in terms of 'equilibrium rate coefficient.' In a given binary ion-exchange system, one binary equilibrium rate coefficient determines the exchange rates of two counterion species, and the equilibrium rate coefficients in multicomponent system are expressed by the linear combinations of the corresponding binary coefficients.
A numerical method, based on the theoretical model, is developed in order to predict the effluent concentration histories. The numerical method is validated by performing the relevant column experiments and comparing with an existing local equilibrium method. The results show that the developed model predicts the effluent concentration histories and the validity of the model quite accurately.
이 논문은 다성분 이온 교환계에 쉽게 적용할 수 있는 단순 모델의 개발에 관해 다룬다.
현재의 이온 교환 계산 방식을 원자력 발전소에서 사용되고 있는 탈염기와 같은 다성분 이온 교환계에 적용하는 것은 매우 어려운 일이다. 따라서 본 연구의 목적은 이와같은 계에 쉽게 적용할 수 있는 방법을 개발하여 유출수의 농도를 예측하는 것이다.
본 모델에서는 각 이온의 농도 분율을 용액과 이온 교환체 각각에서의 평균 분율의 항목으로 보고 이들 간의 교환 과정을 단순한 일차 반응의 측면에서 수식화하였다. 이 식은 시간에 따라 평형에 도달하는 정도를 보여주는 일차 속도식 형태로, 이온 간의 평형 도달 정도의 차를 "평형 속도 계수"의 도입으로 설명한다. 주어진 이성분계에서 두 이온의 이온 교환 속도를 좌우하는 하나의 이성분 평형 속도 계수가 존재함을 알 수 있었고, 다성분계에서의 평형 속도 계수는 이성분 평형 속도 계수들의 선형 조합으로 나타낼 수 있었다.
이 모델을 적용하여 유출수의 농도를 계산하기 위해 수치적 방법을 개발하였다. 이 수치적 방법으로 유출수의 농도를 예측하였고, 이것을 컬럼 실험과 기존의 방법을 통해 비교하였다. 그 결과 이 수치적 방법이 유출수의 농도를 매우 잘 예측하는 것으로 나타났으며, 따라서 본 논문에서 개발된 이온 교환 모델의 타당성이 입증되었다.
