혼화, 응집(Coagulation) 및 입자의 특성, 전기적 이중층(Double layer)

혼화, 응집(Coagulation) 및 입자의 특성, 전기적 이중층(Double layer)

표준정수처리 단위공정

​혼화, 응집(Coagulation)

응집은 침전되지 않는 콜로이드 상태의 물질과 침전속도가 느린부유물질이 잘 침전될 수 있도록 큰 플록을 형성시키는 공정이다.

응집은 두 단계의 연속적인 과정으로 이루어진다. 첫 번째 단계는 응집제를 첨가하고, 이를 매우 빠른 속도로 혼합시켜 콜로이드 상태의 미세한 부유물질의 전기화학적 특성을 변화시켜 불안정화 시키는 급속혼화(rapid mixing) 단계이다.

이 단계에서는 응집제의 화학적 반응과 콜로이드의 불안정화가 빠른 시간 내에 진행되므로 가능한 짧은 시간 내에 큰 강도로 교반시켜 주어야 한다.
두 번째 단계는 급속혼화공정 후 불안정화 된 입자들을 효과적으로 서로 충돌시켜, 큰 입자로 성장시키는 플록형성단계이다.

플록형성단계에서는 플록의 침전속도가 충분히 크도록 성장시키기 위하여 점감식으로 교반강도 조절해 주며, 단락류의 방지와 효율적인 충돌을 유도하기 위하여2-4개의 구역으로 나누어 교반시켜 준다. 이러한 응집의 원리를 이해하기 위해서는 우선 자연수 중에 존재하는 입자들의 기본적인 특성과 전기적 안정성에 대하여설명되어야 할 것이다.

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입자의 특성
수중에 존재하는 콜로이드성 입자는 1㎚～1㎛ 범위의 크기를 가지며, 입자가 너무 작고, 표면이 전기적으로 하전되어 있어 중력에 의해 잘 침강하지 않는다.

따라서 효과적으로 빠른 시간내에 수중에서 분리하기 위해서는 인위적인 조작으로 콜로이드의 특성을 변경시켜야 한다. 이러한 콜로이드 영역에 있는 입자에는천연착색성분(1㎚)으로부터 바이러스(수십 ㎚), 탁질(1 ㎛ 전후), 세균류(1～10㎛)와 조류(1㎛～수십㎛) 등이 포함되어 있다.
이러한 미세한 입자들의 주요 특성은 스스로 오랜 시간동안 부유성 상태로 수중에서 존재한다는 것이다.

수중에 존재하는 부유성 입자들은 다음과 같이 크기별로 분류할 수 있다.

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b. 입자의 안정성
자연수계에 존재하는 대부분의 콜로이드성 물질과 일부의 고분자 색도물질은 여러 가지 원인에 의해서 음(-)으로 하전되어 있다.

따라서 소수성(hydrophobic), 친수성(hydrophilic) 입자들이 서로 접근하지 못하도록 정전기적 반발력이 작용하여 전기화학적인 안정성을 갖게 된다.

​소수성 입자의 경우, 입자표면의 하전상태에 따라 표면에 정전기력을 갖게 되며, 같은 극의 표면전위를 갖는 입자들을 서로 밀어내어 수중에서 안정한 상태로 존재하게 된다. 한편, 친수성 무기질 입자의 경우, 입자의 표면이나 계면에 위치한 카르복실기나 다른 유기산 계열의 물질이 pH에 따라 해리되어 음이온이 되기 때문에입자표면이 음의 전하를 띄게 된다. 동일한 극으로 하전된 입자들은 서로 정전기적 반발력을 갖게 되어 서로 가까이 접근할 수 없고, 이러한 반발력이 중력보다크기 때문에 입자들은 서로 충돌하거나 침전하지 않고 안정한 상태로 수중에 현탁액 상태로 존재하는 것이다.

전기적 이중층(Double layer)
수중에 존재하는 콜로이드성 입자표면의 전기적 특성을 이해하기 위해서는 그림에서와 같이 전기적 이중층(double layer)을 이해하여야 한다.

콜로이드가 수중에서 이동할 경우, 표면의 얇은 가상의 수막은 콜로이드와 함께 이동할 것이며, 이 층을 고정층(stern layer)이라고 한다.

이 층에는 입자의 표면전하와 반대되는 이온들이 몰려 있으며, 이로 인하여 전기적 반발력이 일부 상쇄된다. 고정층 바깥에서의 전위를 제타전위(zeta potential)

라고 한다. 한편, 입자의 표면으로부터 일정한 거리 밖에서는 반대이온의 농도는 감소하여 같아지는 즉, 입자의 하전에 의한 영향을 받지 않는 영역까지를 분산층(diffuse layer)이라고 한다. 입자의 표면에 존재하는 이 두층을 전기적 이중층이라고 한다.
입자표면의 정전기력에 의한 반발력과 함께 입자에 작용하는 또 다른 힘은 반데르발스(Van der waals) 힘으로, 이는 질량을 갖는 콜로이드 물질에 작용하는 만유인력을 의미하는 것이다. 즉, 정전기적 반발력과 반대로 작용하는 끌어당기는 인력이다.

이 두 힘의 합력에 의하여 입자 간에는 반발력과 인력이 상호작용하게 되며, 반발력이 클 경우를 안정한 상태라고 하고, 인력이 클 경우에는 불안정한 상태라고한다. 불안정한 상태가 되면 입자들은 서로 충돌하여 결합하게 되므로 쉽게 침전하게 되며, 정수처리기술 중에서 응집공정이 바로 이러한 불안정화를 유발하는첫 단계라고 할 수 있다.​

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d. 응집기작(Mechanism)
응집은 수중에서 안정된 상태로 존재하는 입자들의 불안정화를 의미하는 것으로 입자들 사이의 정전기적 반발력을 잃고, 반데르발스 인력이나 화학적 결합력 등에의해 입자들의 서로 결합하는 현상을 말한다.
이러한 불안정화는 다음과 같은 전기적 이중층압축, 흡착 및 전기적 중화, 가교결합 및 입자의 포획 등 4가지 기작에 의해 이루어진다.

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- 이중층 압축(Double layer compression)
이온의 농도가 높은 곳에서는 이온의 농도가 낮을 때보다 전기적 이중층의 두께가 감소하게 된다. 이는 수중의 이온들이 하전된 입자의 이중층으로 이끌려 입자의정전기적 반발력을 상쇄시키기 때문이다.
그러나 입자간에 작용하는 반데르발스 인력은 변화 없이 유지되기 때문에 입자의 불안정화를 유발하게 된다. 경험상 제타 포텐셜이 약 ±20 mV 이하로 감소하게되면 응집이 발생하기 쉬우며, 이는 시스템에 따라 매우 다양한 값을 가지게 된다.

용해된 이온의 양에 의해 이러한 급속한 불안정화가 일어나게 된다.

 

- 흡착 및 전기적 중화(Adsorption & Charge neutralization)
입자들은 전기 이중층의 압축뿐만 아니라 반대 전하를 띤 입자(응집제 플록)와 정전기적 인력에 의해 서로 흡착될 때 불안정화 될 수 있다.

입자들의 표면에 반대 전하를 띤 이온들이 흡착하는 것은 결합력이 약하기 때문에 강한 흡착은 불가능하고 표면의 정전기력은 줄여줄 수 있다.
알루미늄이나 철과 같은 다가의 금속이온들은 수중에서 여러가지 수화물을 만드는데, 이들은 입자와 반대의 전하를 띠는 고분자 금속수화물이나 친수성 수화물을​만들기 때문에 입자의 전하를 효과적으로 중화하여 불안정화 시킨다.
반면, 이들이 과량 주입될 경우에는 하전이 역전되는 현상이 발생하여 입자들이 재안정화(re-stabilization)하게 된다.

금속 수화물들은 pH에 따라 하전 특성이 다른 다양한 수화물을 생성하기 때문에 pH가 응집효율을 결정짓는 중요한 인자가 되며 응집제의 주입율과 pH를 적정범위로 조정해 주지 못할 경우 만족할 만한 콜로이드 입자의 불안정화를 기대할 수 없게 된다.

 

- 입자간 가교결합(Inter-particle bridging)
응집제를 주입함으로써 생성되는 금속수화물들은 입자와 반대전하를 띠고 있으므로 입자들을 서로 결합시키는 역할을 하는데 이를 가교결합이라고 한다.

콜로이드 입자의 표면전위를 감소시키면서 동시에 두 입자를 하나로 연결해 주는 역할을 하는 것을 말하며, 이러한 작용에 의하여 작은 콜로이드 입자가 침전이나여과가 가능한 클 플록으로 성장할 수 있게 된다.

 

- 포획(Enmeshment in a precipitates)
원수 중의 입자수가 적을 경우, 입자들의 충돌효율이 낮기 때문에 효과적으로 응집이 일어나기 어렵다. 이 경우 금속수화물을 다량 형성시킨 후, 반대 전하를 띠고있는 플록을 만들어 수중에 존재하는 적은 수의 콜로이드 입자를 불안정화 시켜 결합시키게 된다.

금속 수화물은 콜로이드 입자의 표면전위를 감소시킴은 물론 고분자 수화물끼리 가교결합 작용을 하게 되어 플록에 콜로이드 입자를 포획할 수 있기 때문에 입자들과 함께 후속되는 공정에서 침전하거나 여과된다. 이러한 응집기작을 이용한 정수공정이 정수처리에서 폭 넓게 사용되고 있다.​

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출처 : 2004년 환경부 "고도정수처리 정책방향에 관한연구" 발췌

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