응결(Coagulation) 응집(Flocculation) 이론

 

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응결(Coagulation) 응집(Flocculation) 이론

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응결과 응집 메카니즘

▶ 용어 정의
응결(Coagulation)
응결이란 작은 입자들이 지니고 있는 전기, 전하를 중성화시킴으로써 안정성을 파괴시키는 공정

플럭(Flocculation) 형성 
플럭의 형성은 불안정한 입자들과 응집제의 가수분해산물을 연속적으로 급속온합하는 동안 한덩어리를 형성하게 하는 공정

침전(Sedimentation) 
침전은 원수가 응집되고 플럭이 형성된 후 고체와 액체의 분리를 위한 공정

▶ 응결(Coagulation)과 응집(Flocculation)

▷현탁액(Colloid)
현탁입자는 일반적으로 내부핵(양전하)을 중심으로 표면이 음전하(-)로 하전되어 있으므로 입자간에는 서로 표명 음전하에 의한 상호반발을 하게 되며, 침전이 아닌 부유상태가 되거나 대단히 낮은 침전속도를 나타나게 된다.

 

 

즉, Blown 운동을 하고 있는 Colloid 입자의 반발력을 최소화 해야만 중력에 의한 침강을 시킬수가 있는 것이다. 또한, 입자의 크기가 클 수록 중력에의한 침강속도도 빨라지게 된다.

▷응결(Coagulation)
현탁입자를 중화시키기 위해 입자의 (-)표면하전을 중화시키는 것이 불가피하다. 양전하를 띠는 물질 Al ⁺³ (PAC)을 첨가하면 하전이 중화되어 반발력은 없어지고 Coulomb인력과 Vander waals인력에 의해 소규모의 Floc (Fin floc, Primary floc)이 형성됨. 이 작용을 응결작용이라고 함.
즉, 응결(Coagulation)은 단일 전해질 또는 염에 의한 입자들의 불안정화 과정이며, 정수 및 폐수처리시 Floc을 형성하는 화학물질을 주입하면 물 속에 분산하고 있는 주로 음의 전하를 띤 콜로이드 입자와 미세한 고형물질이 양의 전하를 띤 응집제와 반데르발스 인력에 의하여 엉켜서 큰 덩어리를 이루는데 이것들이 무거워지면 침전이 쉬워진다.  아래 그림은 이온층의 압축(확산층의 두께)와 flocculation의 개념을 나타낸 그림이다.

 

 

Flocculation을 일본에서는 “응결”이라고 표현하는데 적절한 표현은 아닌 것 같다.  Flocculation은 넓은 의미의 응집으로서, 염기성 다핵 금속염에 의해 불안정해진 입자들이 뭉치는 현상이다.(floc 형성 과정)  이들은 전기적으로 구분하는 것이 가장 바람직하다.  입자표면의 potential은 1차 안정화단계(coagulation, 전하중화)와 2차 안정화단계(flocculation, 중화입자들의 뭉침)로 구분할 수 있다.  특히 단분자인 alum(명반, 황산반토)과 달리 요즘 주로 사용하는 PACl과 같은 무기고분자 응집제는 coagulation과 1차적인(순간적인, temporary) flocculation을 동시에 수행하므로, 우리나라에서는 이들을 잘 구분하지 않고 혼동해서 사용하고 있다.

▷응집(Flocculation)
응결작용에 의해 형성된 미세한 Floc은 입자크기 및 침강속도가 상당히 증가되지만, 완전한 침강을 위해서는 가교에 의한 보다 조대화된 Floc의 형성이 필요하다. 이때 첨가되는 약제가 고분자응집제 이다. 주로 Anion(음이온)성, Nonion(비이온)성계의 고분자응집제를 사용하게되며, 활성기에는 카르보닐기(C=O) 또는 아마이드기(N-C=O)기에 입자가 흡착되고 입자간 가교가 진행되고 마치 실뭉치와 같은 거대한 코일 상태로 응집을 일으킨다.

 

 

 

 

원수의 Floc 형성

 

 

 

PAC 응집제

 

▶ PAC의 특징
▷ PAC : 폴리염화알루미늄(Poly Aluminium Chloride)
▷ 통상적으로 무기고분자응집제라고 부릅니다.
▷ 화학식 : Al(OH)m Cl6-n (m,n은 계수) -- 2세대 응집제 PAC
                 *참조 액반 : Al2(SO4)3․16H2O -- 1세대 응집제 PAS 
▷ 조성 : PAC (Al2O3 = 10%, WATER = 90%, 분자량 = 100~1000
▷ 물성 : pH=3.5~5.0, 어는점= -20℃(18% 기준), 비중=1.19, 점도=4.9pcs
▷ 적정 pH 범위 : 6.5~7.2
▷ 고가 이긴하지만, 플럭 형성 속도가 빠르며, 성능이 PAS-유산반토(황산알루미늄)에 비해 3~4배나 좋습니다. 또한, 저온에서 열화하지 않습니다. 플럭이 주변환경에 의해 쉽게 깨지지 않는다는 말입니다.
 
▶ PAC가 타 응집제보다 좋은 성능을 가지는 이유
① 명반(알루미늄)이나 녹반(철)은 절대적으로 알칼리도가 필요하지만, PAC는 알칼리도가 필요없이 Al(OH)3 자체로서 즉시 응집 후 침전하기 때문입니다. 황산알루미늄(명반)이나 황산 제2철, 염화 제2철(녹반)같은 경우에는 수산화물침전을 위한 수산화기(-OH)가 없기 때문에 HCO3 -, OH -, CO3 -2 같은 알칼리도를 함유하는 CaCO3나 Na2CO3를 가하지만, PAC는 첨가 즉시 응집이 가능한 Al(OH)3↓가 있기 때문에 성능이 좋은 것입니다. (또, 함께 있는 염소가 폐수 내의 BOD뿐만아니라 NH3, 알칼리도를 제거하기도 합니다.) 
② 고분자응집제의 특이한 현상으로 가교작용이 있습니다. 분자 중의 몇 개의 극성기를 가지고 있어 이 극성이 대전입자에 접착해서 입자와 입자간에 다리를 놓은 작용으로 입자가 크게 되어 빨리 침전하는 것입니다. 수많은 실이 얽혀서 입자와 입자들을 뭉쳐서 가라앉는다고 생각하시면 됩니다.

▶ 교반속도
응집이 잘되지 않을시에는 급속교반으로써 RPM을 조금더 올리고 함께 플럭 형성을 한 다음 완속교반의 RPM을 약간 낮추면 될 것 입니다. 또, 응집보조제를(clay, bentonite, SiO2, CaO) 넣어서 효율을 증가시켜도 된다.
현탁물질과 응결제의 충분한 반응을 위해서는 교반을 강하게 하는 것이 좋다. 현탁물질의 농도가 낮을 수록 교반시간을 길게 가져가야 한다.

 

 

▷ 고가 이긴하지만, 플럭 형성 속도가 빠르며, 성능이 PAS-유산반토(황산알루미늄)에 비해 3~4배나 좋습니다. 또한, 저온에서 열화하지 않습니다. 플럭이 주변환경에 의해 쉽게 깨지지 않는다는 말입니다.
 
▶ PAC가 타 응집제보다 좋은 성능을 가지는 이유
① 명반(알루미늄)이나 녹반(철)은 절대적으로 알칼리도가 필요하지만, PAC는 알칼리도가 필요없이 Al(OH)3 자체로서 즉시 응집 후 침전하기 때문입니다. 황산알루미늄(명반)이나 황산 제2철, 염화 제2철(녹반)같은 경우에는 수산화물침전을 위한 수산화기(-OH)가 없기 때문에 HCO3 -, OH -, CO3 -2 같은 알칼리도를 함유하는 CaCO3나 Na2CO3를 가하지만, PAC는 첨가 즉시 응집이 가능한 Al(OH)3↓가 있기 때문에 성능이 좋은 것입니다. (또, 함께 있는 염소가 폐수 내의 BOD뿐만아니라 NH3, 알칼리도를 제거하기도 합니다.) 
② 고분자응집제의 특이한 현상으로 가교작용이 있습니다. 분자 중의 몇 개의 극성기를 가지고 있어 이 극성이 대전입자에 접착해서 입자와 입자간에 다리를 놓은 작용으로 입자가 크게 되어 빨리 침전하는 것입니다. 수많은 실이 얽혀서 입자와 입자들을 뭉쳐서 가라앉는다고 생각하시면 됩니다.

▶ 교반속도
응집이 잘되지 않을시에는 급속교반으로써 RPM을 조금더 올리고 함께 플럭 형성을 한 다음 완속교반의 RPM을 약간 낮추면 될 것 입니다. 또, 응집보조제를(clay, bentonite, SiO2, CaO) 넣어서 효율을 증가시켜도 된다.
현탁물질과 응결제의 충분한 반응을 위해서는 교반을 강하게 하는 것이 좋다. 현탁물질의 농도가 낮을 수록 교반시간을 길게 가져가야 한다.

 

 

▶ 유효 pH 운전범위 
응집의 효과를 극대화 하기 위해 유효 pH 범위 내에서 운전이 되어야 한다. 알루미늄염은 pH4.5~8.0 범위 내에서 운전되는 것이 좋다. 산영역에서 현탁입자의 하전중화 능력은 우세하나 반대로 Floc형성작용은 중성 또는 약 알카리에서 우세하게 나타난다.

 

- PAC 응집 반응 : Al₂O₃→Al(OH)₃ -

 

 

- pH 변화에 따른 PAC 응집반응 -

 

 

 

▶ 한번 깨진 Floc은 다시 응집하기 어렵다! 

 

▶ 탁도 vs PAC 투입량

 

▶ TROUBLE SHOOTING

구분	대응 운전
우수기	고탁도 저알카리수 원수 탁도의 증가는 응집제의 분산성을 저하시킴 저알카리도는 응집제의 수화반응을 저하시켜 응집효율이 떨어짐 호우시 사전 대응 운전이 필요
갈수기	저탁도 고알카리수 원수 응집반응이 효율적으로 안되므로 응집제 투입량 증가함 Air-Bubbling으로 침강된 Floc의 순환량 증가 필요
교반 속도	약품투입량 증가 → 약품의 분산성을 올리기 위해 교반속도 증가 → 응집성 상승 ※교반속도를 올리지 않으면 침전되지 않은 미세 Floc이 남게됨
수온	수온이 높으면 반응속도가 증가하고, 물의 점도저하로 응집제의 화학반응이 촉진되고 수온이 낮으면 Floc형성시간이 길고, 응집제 사용량도 많아진다.
알카리도 pH	일반적으로 중성과 약알카리도에서 Floc형성이 잘되지만 알칼리도가 높으면 Floc를 형성하는데 효과적이다.  그러나, Floc이 깨졌을 때 단순히 PAC 투입량만 증가시키면 pH가 낮아지게 되고 알카리도가 낮아져서 응집을 방해하게된다 적절한 NaOH, CaCO3, CaO를 투입하여 약알카리도로 만들어야 한다. NaOH는 최근 화관법 장외영향평가 대상물질이며 CaCO3 고상형이므로 분산성이 떨어진다 CaO는 액상의 물질로 위험, 유해성이 낮아 관리가 용이하다
유기고분자응집제	Floc이 깨졌을때 비상 대응운전으로 pH조절과 PAC 약품조절 투입량을 증가 하였음에도 불구하고, 응집효과가 떨어 졌을때는 일시적으로 유기고분자응집제를 투입하여 빠르게 Floc을 만들수가 있다
기초 Floc 투입	기초 Floc이 있으면 빠르게 정상운전을 할 수 있다. 유산반토를 투입하거나, 다른 침전조에 있는 Floc층을 이송하여 기초 Floc을 형성해 주면 빠르게 정상화 시킬 수 있다.
체류시간 LOAD조절	T-021의 적정 체류시간은 2.5 Hr 응집상태가 좋지 않을때는 Load를 낮추어 충분한 체류 시간을 만들어 주면 Floc형성에 효과가 있다
Floc층의 높이	0.5~1.0m 적당