수처리의 화학적 응고: 공정, 응고제 및 PAM의 역할

화학적 응고는 부유 입자, 콜로이드 및 용해된 유기 물질을 불안정하게 만들어 용액에서 응집 및 제거될 수 있도록 화학 약품을 사용하는 물 및 폐수 처리 공정입니다. 이는 식수 정화와 산업 폐수 처리 모두에서 가장 오래되고 가장 널리 적용되는 단계 중 하나로, 더 넓은 응고-응집-침전 처리 과정의 기초를 형성합니다.

응고가 필요한 이유를 이해하려면 미세 입자가 스스로 침전되지 않는 이유를 이해하는 것이 도움이 됩니다. 물 속의 대부분의 부유 입자와 콜로이드는 순 음의 표면 전하를 가지고 있습니다. 이 전하는 인접한 입자 사이에 정전기적 반발력을 생성하여 안정된 현탁액에 분산되도록 합니다. 때로는 무기한으로 유지됩니다. 혼탁수의 가장 문제가 되는 부분을 구성하는 콜로이드 고체, 미세한 점토, 유기 거대분자 및 미생물 세포를 포함하는 대략 10μm보다 작은 입자에 대한 중력만으로는 이러한 반발력을 극복할 수 없습니다.

화학적 응고는 이러한 표면 전하를 중화시키는 양전하를 띤 종을 물에 도입함으로써 작동합니다. 반발력이 감소하거나 제거되면 입자 사이의 반 데르 발스 인력이 지배적이고 입자가 충돌하여 서로 달라붙기 시작합니다. 이러한 과정을 불안정화라고 합니다. 생성된 마이크로 플록은 이 단계에서 여전히 작지만, 이제 후속 응집 단계의 부드러운 혼합과 폴리머 브리징을 통해 크고 조밀하며 침전 가능한 집합체로 만들어집니다.

▶ 응집 vs. 응집: 차이점 이해

응고와 응집은 흔히 같은 의미로 사용되지만 두 가지 별개의 순차적 메커니즘을 설명합니다. 이를 혼동하면 투여 순서가 잘못 설계되고, 혼합 강도가 잘못되고, 치료 성능이 최적화되지 않게 됩니다.

응고 화학적 과정이다. 이는 신속한 고에너지 혼합 하에서 응고제를 첨가한 후 몇 초 이내에 발생합니다. 일반적으로 무기 금속염 또는 합성 유기 고분자인 응고제는 부유 입자의 표면 전하를 중화시키고 1차 미세 플록의 형성을 시작합니다. 육안으로는 아직 입자 크기의 변화가 뚜렷하지 않습니다. 이 단계의 주요 작동 변수는 응집제의 종분화와 효율성을 제어하는 ​​pH입니다.

응집 응고를 따르는 물리적 과정입니다. 천천히, 부드럽게 혼합하면 불안정한 마이크로 플록이 충돌하고 고분자량 응집제 폴리머(가장 일반적으로 폴리아크릴아미드)에 의해 함께 연결되어 플록이라고 하는 점진적으로 더 크고 밀도가 높은 집합체가 됩니다. 이러한 플록은 육안으로 볼 수 있으며 직경이 수 밀리미터에 달하는 경우가 많으며 중력에 의해 침전되거나 여과 매체에 의해 포집될 만큼 충분히 무겁습니다. 이 단계의 주요 작동 변수는 혼합 강도입니다. 너무 격렬하면 플록이 분리됩니다. 너무 온화하고 충돌 빈도가 성장에 충분하지 않습니다.

실제로 두 단계는 동일한 처리 용기 또는 전용 급속 혼합 및 저속 혼합 챔버에서 순차적으로 실행됩니다. 어느 단계도 다른 단계 없이는 효과적이지 않습니다. — 응집 없는 응집은 미세 플록을 너무 작아서 침전시킬 수 없는 반면, 응집 없는 응집은 충전되지 않은 입자를 연결할 수 없기 때문에 실패합니다.

▶ 일반적인 화학응집제 및 작용 원리

화학적 응고제는 무기 금속염과 유기 고분자라는 두 가지 광범위한 범주로 분류됩니다. 대부분의 산업 및 도시 처리 시스템은 무기 응고제를 주요 전하 중화제로 사용하며, 플록 형성 단계를 완료하기 위해 종종 폴리아크릴아미드와 같은 유기 응집제 보조제와 결합됩니다.

이 중, 폴리염화알루미늄(PAC)은 현대 산업 처리 분야에서 지배적인 응고제가 되었습니다. 사전 가수분해된 구조로 인해 가수분해를 유도하기 위한 물의 완충 용량이 필요하지 않고 활성 수산화알루미늄 종을 직접 전달합니다. PAC는 기존 명반보다 더 넓은 pH 범위에서 효과적으로 작동하며 일반적으로 동등한 탁도 제거를 달성하기 위해 더 낮은 용량이 필요하므로 공정에서 더 적은 양의 슬러지가 생성됩니다. 철 기반 응고제는 인 제거가 처리 목적이거나 유입수 pH가 자연적으로 낮은 경우 선호됩니다.

▶ 응집-응집 공정 단계별

잘 설계된 응고-응집 시스템은 각 단계마다 특정 혼합 조건, 체류 시간 및 화학 물질 첨가 지점이 있는 4개의 개별 단계를 통해 물을 이동시킵니다. 성능 문제를 진단하고 화학물질 사용을 최적화하려면 각 단계의 목적을 이해하는 것이 필수적입니다.

1단계 — 신속한 혼합(플래시 믹스)

응집제는 들어오는 물 흐름에 주입되고 고강도 혼합(G 값은 일반적으로 300–1000 s⁻1)을 사용하여 몇 초 내에 균일하게 분산됩니다. 목표는 물 전체에 걸쳐 응집제를 완전하고 즉각적으로 분포시키는 것입니다. 이 단계에서 혼합이 불충분하면 국부적인 과다 투여 구역과 과소 처리된 대량 물이 발생합니다. 체류 시간은 짧습니다(일반적으로 30초~2분).

2단계 - 느린 혼합(응집)

급속 혼합 후 물은 혼합 강도가 급격하게 떨어지는 응집 분지로 이동합니다(G 값 10–75 s⁻1). 대부분의 산업 시스템에 사용되는 폴리아크릴아미드인 응집제는 이 단계의 시작 부분에 첨가됩니다. 15~45분에 걸쳐 부드럽고 점점 가늘어지는 혼합을 통해 미세 플록이 전단 유발 분해 없이 충돌하고 점진적으로 성장할 수 있습니다. 혼합 구배는 종종 유역을 통해 단계적으로 감소하도록 설계되어 배출구 끝으로 갈수록 더 크고 강한 플록을 생성합니다.

3단계 - 침전(명확화)

응집된 물은 유속이 거의 0으로 떨어지는 정화기 또는 침전 탱크로 들어가 플록이 중력에 의해 침전되도록 합니다. 기존의 직사각형 또는 원형 정화기는 대부분의 도시 및 산업 응용 분야에서 표면 넘침 속도를 0.5~2.5m/h로 목표로 삼고 있습니다. 침전된 슬러지는 바닥에 수집되어 연속적으로 또는 일괄적으로 제거되어 하류 탈수를 수행합니다.

4단계 - 여과(연마)

침전 후에도 미세한 플록 입자의 일부가 정화된 폐수에 남아 있습니다. 모래, 무연탄 또는 이중 매체 베드와 같은 세분화된 매체 여과는 이러한 잔류 고형물을 포착하고 최종 배출 또는 재사용 표준에 탁도를 가져옵니다. 규제 한계가 엄격한 시스템에서는 이 단계에서 막 여과가 입상 매체를 대체하거나 보충할 수 있습니다.

▶ 폴리아크릴아미드가 화학적 응고를 강화하는 방법

무기 응집제만으로는 입자를 불안정하게 만들고 미세 플록을 형성할 수 있지만 효율적인 정화에 필요한 크고 조밀하며 빠르게 침전되는 플록을 생성하는 데는 거의 충분하지 않습니다. 이곳은 수처리 폴리아크릴아미드 (PAM)은 응고-응집제 공정에서 중요한 역할을 합니다.

브리징 메커니즘

폴리아크릴아미드는 일반적으로 500만 ~ 2500만 달톤 범위의 고분자량 폴리머로, 확장된 사슬 구조를 통해 단일 분자가 여러 입자에 동시에 흡착될 수 있습니다. 이 폴리머 브리징 메커니즘은 전하 중화 단독보다 훨씬 효과적으로 마이크로 플록을 더 큰 집합체로 물리적으로 연결합니다. 그 결과 플록은 더 커질 뿐만 아니라 구조적으로 더 강하고 펌핑 및 탈수 중에 전단에 대한 저항력도 더 커졌습니다. 플록 강도와 침전 가능성은 PAM 첨가로 인해 가장 직접적으로 개선되는 두 가지 성능 매개변수입니다.

올바른 PAM 유형 선택

PAM은 음이온, 양이온, 비이온 형태로 제공되며, 올바른 이온 유형을 선택하는 것은 올바른 응고제를 선택하는 것만큼 중요합니다. 결정은 주로 응고제 첨가 후 생성된 미세 플록의 표면 전하에 따라 달라집니다.

• 음이온성 PAM PAC 또는 명반과 같은 무기 응고제가 양전하를 띤 플록 표면을 생성한 후에 가장 잘 작동합니다. 음으로 하전된 PAM 체인은 이러한 양의 사이트 사이를 연결합니다. 음이온성 폴리아크릴아미드 응집제 식수 처리, 광산 광미 정화 및 무기 응고제가 상류에 사용되는 대부분의 산업 정화 공정에서 표준 선택입니다.
• 양이온성 PAM 부유 고형물이 강한 음전하를 띠거나, 유기 부하가 높을 때, 또는 응용 분야가 주로 슬러지 탈수 및 용존 공기 부상일 때 선호됩니다. 는 양이온성 폴리아크릴아미드 응집제 전하 중화와 브리징을 동시에 수행할 수 있어 일부 응용 분야에서 별도의 무기 응고제에 대한 필요성을 줄이거나 없앨 수 있습니다.
• 비이온성 PAM 이온 강도가 낮은 물이나 특정 광산 및 유전 응용 분야와 같이 극한 pH로 인해 하전된 폴리머의 효율성이 떨어지는 곳에서 사용됩니다.

투여 순서 및 실제 매개변수

올바른 첨가 순서가 중요합니다. 무기 응고제를 먼저 첨가하고 PAM을 도입하기 전에 빠른 혼합 하에서 전하 중화를 완료해야 합니다. 미세플록이 형성되기 전에 PAM을 너무 일찍 첨가하면 폴리머가 낭비되고 가교 부위가 형성되기 전에 표면이 포화되어 입자가 실제로 안정화될 수 있습니다. 응고 시스템에서 PAM의 주요 준비 매개변수:

• 투여하기 전에 깨끗한 물에 PAM을 0.1-0.3% w/v 용액으로 용해시킵니다.
• 사용하기 전에 최소 45분 동안 수분을 공급하십시오.
• 폴리머 체인 전단 저하를 방지하려면 교반기 팁 속도를 3m/s 미만으로 유지하십시오.
• 급속 혼합 지점이 아닌 저속 혼합 응집 단계의 입구에서 PAM을 투여합니다.
• 일반적인 유효 투여량 범위: 0.1~5mg/L, 실제 현장 물에 대한 항아리 테스트를 통해 확인됨.

▶ 응고제 선택: 물에 맞는 화학 반응

선택 과정은 유입수의 특정 화학적 성질, 목표 유출수 품질, 이용 가능한 하류 처리 단계에 따라 이루어져야 합니다. 아래 프레임워크는 응고 화학을 일반적인 산업 및 도시 처리 시나리오와 일치시키기 위한 출발점을 제공합니다. 현장별 적용 분야에 대해서는 전체 범위를 참조하십시오. 수처리 분야 응용 .

다양한 응고제 용량 및 PAM 등급에 걸쳐 실제 현장 물로 소규모 응고 시험을 수행하는 항아리 테스트는 본격적인 화학 물질 조달을 시작하기 전에 선택을 확인하는 가장 신뢰할 수 있는 방법으로 남아 있습니다. 병 테스트 결과에는 각 테스트 조건에서 침전된 탁도, 플록 크기, 침전 속도 및 상등액 투명도 측정이 포함되어야 합니다.

▶ 일반적인 응고 문제 및 해결 방법

잘 설계된 응고 시스템이라도 성능 문제가 발생합니다. 대부분의 문제는 부정확한 응고제 투여량, pH 불일치, 불량한 혼합 조건 또는 잘못된 PAM 등급 등 네 가지 근본 원인 중 하나로 거슬러 올라갑니다. 아래 진단 프레임워크는 가장 자주 발생하는 오류를 다룹니다.

a) 정착되지 않는 약하거나 핀 포인트 플록

가라앉기를 거부하는 작고 분산된 플록은 일반적으로 PAM 부족, 응집 시간 부족, 저속 혼합 단계의 지나치게 높은 혼합 강도의 징후입니다. PAM 메이크다운 농도와 수화 시간을 먼저 확인하십시오. 부분적으로 용해된 폴리머는 가교 활동을 제공하지 않는 "피쉬아이" 젤 집합체를 형성합니다. 메이크다운이 적절한 것으로 확인되면 플록 크기를 모니터링하면서 PAM 용량을 점진적으로 늘리고 느린 혼합 G 값이 10~75s⁻² 범위 내에 있는지 확인합니다.

b) 초기 투명도 이후 플록 분해 및 혼탁한 상층액

잘 형성되었지만 정화기로 이동하는 동안 부서지는 플록은 펌프 임펠러나 파이프 벤드의 전단 손상을 나타냅니다. 깨지기 쉬운 플록은 PAM 과다 복용으로 인해 발생할 수도 있으며, 이는 과포화 입자 주위에 반발성 입체층을 생성합니다. PAM 용량을 줄이고 부드럽게 혼합할 때 플록 재성장이 발생하는지 평가합니다. 전단이 원인인 경우 흐름이 층류인 펌프 하류 지점에 PAM 추가 위치를 변경합니다.

c) 정화된 폐수에 높은 잔류 알루미늄 또는 철

처리된 물에 남아 있는 응고제 금속 이온은 최적의 수산화물 침전 범위를 벗어나는 pH 작동을 나타냅니다. 알루미늄 용해도는 pH 6 이하, pH 8 이상에서 급격하게 증가합니다. 두 조건 모두 침전과 여과를 통과하는 용해성 알루미늄 종이 생성됩니다. 알루미늄 기반 응고제의 경우 6.5~7.5 범위, 철 기반 시스템의 경우 5.5~8.5 범위 내로 폐수를 유지하기 위해 pH 제어를 강화합니다.

d) 과도한 슬러지 양

응고제 과다 복용은 불필요한 슬러지 생성과 처리 비용 상승의 일반적인 원인입니다. 응고제가 많다고 해서 항상 더 나은 명확성을 의미하는 것은 아닙니다. — 최적의 용량을 초과하면 과잉 응고제는 단순히 슬러지가 됩니다. 최소 유효 투여량을 설정하기 위해 병 테스트를 다시 실행하고 PAM 등급 선택을 감사합니다. 낮은 응고제 투여량에서 더 강한 플록을 생성하는 고분자량 PAM이 높은 슬러지 용량에 대한 가장 비용 효율적인 솔루션인 경우가 많습니다.

▶ 결론

화학적 응고는 도시, 산업 및 광산 응용 분야 전반에 걸쳐 물 및 폐수 처리의 초석입니다. 그 효과는 단순히 응고제를 추가하는 것 이상에 달려 있습니다. 최적의 성능을 위해서는 올바른 응고제 선택, 정밀한 pH 제어, 적절한 순서의 화학 물질 첨가, 플록 형성 과정을 완료하기 위한 올바른 폴리아크릴아미드 응집제 보조제가 필요합니다. 이러한 요소가 정렬되면 응고-응집 시스템은 경쟁력 있는 운영 비용으로 높은 탁도 제거, 효과적인 오염물질 분리 및 관리 가능한 슬러지 양을 지속적으로 달성합니다.

폴리아크릴아마이드는 전 세계적으로 화학 응고 시스템에서 가장 다양하고 널리 사용되는 응집 보조제입니다. 특정 물 매트릭스에 적합한 이온 유형, 분자량 및 전하 밀도를 선택하고 이를 올바르게 준비하고 투여하는 것은 과도한 화학 물질을 소비하고 방전 한계를 충족하기 위해 애쓰는 시스템과 성능이 좋은 시스템을 구분하는 것입니다.

Jiangsu Hengfeng Fine Chemical Co., Ltd.는 수처리, 산업 폐수 및 슬러지 탈수 전반에 걸쳐 응고-응집 응용 분야를 위해 설계된 광범위한 음이온, 양이온 및 비이온 폴리아크릴아미드 등급을 제조합니다. 사내 실험실 지원을 통해 Hengfeng의 기술 팀은 등급 선택, 병 테스트 프로토콜 및 특정 처리 시스템에 대한 복용량 최적화를 지원할 수 있습니다. 귀하의 수질 화학 및 처리 목표에 대해 논의하려면 저희에게 연락하십시오.