입자의 응집 이론 및 단독입자의 침강

 

단독입자의 침강

 

현탁입자의 침강은 다음과 같이 4가지로 나눌 수 있다.  

① 비응집성 입자의 단독 침강(discrete settling)  

② 입자가 응집되어 생긴 floc상의 응집침강(flocculent settling)   

③ 응집 현탁액이 격자구조를 형성하여 현탁부분과 청등부분이 경계면을 나타내며 침강하는 계면침강(zone settling)  

④ 침강된 슬러지층의 중력으로 인하여 하부의 슬러지를 서서히 누르면서 하부의 물을 상부로 분리시키는 압밀침강(compression settling) 

단독입자((discrete particle)란 입자가 침강하면서 크기, 형태, 중량등 물리적 성질이 변하지 않고 침강하는 입자를 말한다.

미립자가 중력에 의해 수중을 침강하면 차츰 가속도가 가해져서 침강속도가 증가하고 물의 마찰 저항력이 증가하여 입자의 중력과 균형이 이루어질 때 입자는 

등속도로 침강하게 된다. 이 때의 일정속도를 한계침강속도(critical settling velocity) 또는 종속도(terminal settling velocity)라 하고 보통 침강속도라고 하는 

것은 이것을 말한다. 

입자의 중력과 입자에 작용하는 유체의 마찰저항으로부터 단독입자의 침강속도가 아래와 같이 유도되어 Stoke’s 법칙으로 사용되어 진다.

Stoke’s 공식은 Re<1의 경우에 구형 또는 구형에 가까운 입자가 정지유체 또는 층류층을 침강하는 경우에 적합하며 부유물입자의 응집성이 아주 크지 않은  

경우에 쓰여 진다. 

                       Vs = g(ρs-ρl)d2 / 18μ

g = 중력가속도(m/sec2), ρs = 입자의 밀도(kg/㎥), ρι = 액체의 밀도(kg/㎥), d2 = 입자경(m)

μ = 액체의 점도(kg/m‧sec), Vs = 입자의 침강속도(m/sec)

 

Stoke’s 공식에서 보는 바와 같이 단독입자의 침강속도는 입자와 액체의 밀도차에 비례하며 입자크기의 제곱에 비례하고, 액체의 점도에 반비례한다. 

따라서, 입자의 침강속도를 크게 증가시키기 위하여는 입자의 크기가 매우 중요하므로 입자의 크기를 증가시키는 방법으로 응집처리가 필요하게 된다. 

 

 

2. 입자의 응집 이론 

콜로이드 입자가 침강하기 위하여는 입자간의 응집이 이루어져 입자의 크기가 커져야 한다.  

그러나 콜로이드 입자는 표면의 전하로 인하여 두 대전체 사이의 반발하는 힘인 쿨롱(Coulomb)력에 의한 반발력이 응결을 방해하는 안정요소로 작용하고, 

두입자 사이의 반데르발스(Van der Waals)력에 의한 인력은 응집을 일으키는 불안정요소로 작용한다.  

아래의 <그림 2>는 두 입자들 사이에 존재하는 정전기적인 반발력(쿨롱력)과 반데르 발스 인력을 나타낸 것으로 두입자들이 서로 접근하게 되면 서로 떨어져 

있으려는 정전기적 반발력이 증가한다. 

그러나, 이 에너지 장벽을 넘어 서로 충분히 가까워 지면 반데르 발스 인력이 지배적으로 되어 입자들이 합쳐 지게 된다. 

콜로이드 입자들을 응결시키려면 이 입자들 사이의 에너지 장벽을 극복할 수 있는 충분한 운동에너지를 가해 주거나, 입자표면의 반대전하를 가진 응집제를  

가하여 표면전하를 중화시키거나, 전해질을 첨가하여 <그림 3>에서 보는 바와 같이 입자간의 반발력을 감소시켜 에너지 장벽을 낮추어야 한다.