작성자: 케이트
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날짜: 2024년 11월 13일
산업 및 국내 활동은 막대한 양의 수자원을 소비하고 상당한 폐수를 발생시켜 많은 국가에서 물 부족 문제와 수질 저하 문제를 야기합니다. 따라서 폐수를 무공해 처리하고 재활용하는 것은 해결해야 할 시급한 문제입니다. 응집 및 침전 방법은 조작이 간단하고 비용 효율적이며 산업 폐수 처리에 널리 적용됩니다. 일반적으로 사용되는 응고제는 크게 무기응집제, 유기고분자응집제, 미생물응집제 세 가지로 분류할 수 있다. 이중 현재 가장 널리 사용되고 있는 것은 저가의 무기응집제이며, 유기응집제는 가장 좋은 처리효과를 나타낸다. 미생물 응고제는 아직 실험실 연구 단계에 있습니다. 효율적이고 안전하며 경제적인 새로운 복합응집제의 개발은 미래 응고제 개발의 주요 추세입니다.
응고제의 분류
가장 널리 받아들여지는 응고 메커니즘은 응고와 응집이라는 두 가지 과정을 포함합니다. 응고 과정은 콜로이드 입자의 불안정화와 작은 응집체의 형성을 의미합니다. 응집 과정에는 응집제의 영향으로 작은 응집체가 서로 연결되어 더 큰 플록을 형성하는 과정이 포함됩니다. 응고제의 주요 메커니즘에는 이중 전기층의 압축, 흡착-가교 효과 및 스위핑 응집이 포함되며, 이는 물 속의 콜로이드 입자를 불안정하게 만들어 응집 및 침전을 유도하여 응집 효과를 달성합니다. 일반적인 응고제는 크게 무기응집제, 유기고분자응집제, 미생물응집제 세 가지로 분류할 수 있다.
01 무기응집제
무기응집제의 작용 원리는 이중 전기층 압축과 전하 중성화를 포함합니다. 응집제는 폐수에서 반대 이온을 형성하여 이중 전기층을 압축하여 콜로이드의 제타 전위를 감소시키고 표면의 수화층이 사라지게 하여 콜로이드를 불안정하게 만듭니다. 이어서, 하전된 콜로이드 입자는 분자간 상호작용과 정전기력을 통해 응집되어 크고 조밀한 플록을 형성합니다.
무기응집제는 다양한 기준에 따라 분류될 수 있습니다. 음이온 구성에 따라 황산염 기반과 염화물 기반으로 나눌 수 있습니다. 분자량에 따라 고분자와 저분자로 분류할 수 있습니다. 금속염의 종류에 따라 철염(염화제2철, 황산제1철, 황산제2철 등)과 알루미늄염(황산알루미늄, 황산알루미늄칼륨, 알루민산나트륨 등)으로 분류된다.
철염으로 형성된 플록은 크고 밀도가 높기 때문에 더 적은 양의 투입량이 필요하며 넓은 적합한 pH 범위(5.0~11)의 저온에서 잘 작동합니다. 그러나 철염은 장비를 부식시킬 수 있으므로 사용 중에 장비와 파이프라인의 상태를 면밀히 모니터링해야 합니다. 알루미늄 염은 처리 후 침전 시간이 짧고 색상이 더 낮지만 그 효과는 pH에 따라 크게 달라집니다. 또한, 물에 잔류하는 Al³⁺의 농도가 높으면 2차 오염이 발생하여 인체에 유입되면 알츠하이머병, 빈혈 등을 유발할 수 있으므로 2차 오염이 발생하지 않도록 각별한 주의가 필요합니다.
이러한 저분자량 응집제는 가격이 저렴하고 공급이 광범위하지만 사용량이 많고 슬러지 발생량이 많으며 효율성이 떨어지는 등의 문제가 있습니다. 따라서 저분자 무기응집제에서 고분자 무기응집제로 점차 변화하고 있다. 현재 일반적으로 사용되는 고분자 무기응집제로는 고분자 알루미늄 응집제, 고분자 철 응집제, 반응성 실리카 응집제, 복합응집제가 있다. 이들의 작용은 주로 가교 효과에 의존하며, pH 및 온도 민감도가 낮고, 흡착 효과가 안정적이며, 사용량이 적고, 잔여 색상이 적은 등의 장점을 나타냅니다. 최근에는 고분자 무기응집제의 생산규모가 점차 증가하여 전체 응집제 생산량의 80%를 차지하며, 특히 고탁도 폐수처리에 상당한 효과를 보이고 있다.
02 유기고분자응집제
유기응집제의 작용 원리는 주로 다음과 같습니다.
(1)수소 결합, 정전기 상호 작용 및 반 데르 발스 힘을 통한 콜로이드 입자의 흡착;
(2) 폴리머 사슬 세그먼트는 연결 흡착 메커니즘을 통해 입자 침전을 촉진합니다. 유기고분자 응집제는 무기응집제에 비해 처리효율이 좋고, 응집시간이 짧으며, 저온에 적합하고, pH 범위가 넓으며, 슬러지 발생량이 적은 등의 장점이 있습니다.
유기고분자응집제는 천연변형고분자응집제와 합성고분자응집제의 두 가지 범주로 나눌 수 있다. 합성 고분자 응집제는 제어가 가능하고 상대적으로 높은 분자량을 가지며, 사슬 세그먼트에 더 많은 수의 작용기를 도입할 수 있어 탁월한 응집 효과를 제공합니다. 현재 중국 시장에서 가장 대표적인 합성고분자 응고제는 폴리아크릴아마이드(PAM)와 그 유도체로 전체 시장의 80%를 점유하고 있다.
생산비용이 높고 환경독성이 높은 합성고분자에 비해 천연변형 고분자응집제는 폭넓은 가용성, 저비용, 안전성, 무독성, 맞춤형 분자특성 등의 장점을 가지고 있습니다. 천연변형 고분자 응고제는 주로 전분 유도체, 키토산, 셀룰로오스, 구아검, 기타 식물성 검, 단백질, 조류 등을 포함하며, 모두 식물과 동물에서 유래할 수 있습니다.
예를 들어, 변형된 전분 분자는 탁월한 응집 효과를 얻을 수 있습니다. 양이온성 에테르화 전분 및 그 유도체는 음전하를 띤 입자를 효과적으로 응집시킬 수 있는 반면, 분지형 전분 구조는 구리, 수은 및 납과 같은 중금속 이온에 대해 강력한 응집 효과를 나타냅니다. 다른 단량체와 공중합된 전분 그래프트 공중합체도 중금속 이온을 효과적으로 제거할 수 있습니다. 키토산 변형은 접목, 에스테르화, 가교 및 알킬화와 같은 방법을 통해 달성될 수 있습니다. 다양한 종류의 천연고분자 응집제는 실제 생산 및 일상생활의 요구에 맞게 화학적 변형 및 변형을 통해 원하는 다양한 특성을 얻을 수 있습니다.
03 미생물 응집제
미생물 응집제는 특정 배양 미생물이 특정 단계에서 성장 및 대사되어 생성되는 고분자량 제품 및 바이오매스입니다. 이는 폐수에 있는 고체 부유 입자의 응집 및 침전을 유발하여 수역 정화 목적을 달성할 수 있습니다. 미생물 응집제는 공급원이 다양하고 비용 효율적입니다. 그들은 일반적으로 다당류, 단백질, DNA 사슬, 당단백질 및 폴리아미노산으로 구성됩니다. 2차 오염을 일으키지 않고 자연적으로 분해될 수 있습니다.
응집제를 생산할 수 있는 미생물은 많으며, 경로 설계를 통해 쉽게 산업화할 수 있습니다. 그러나 중국의 미생물 응집제에 대한 연구는 여전히 제한적이며 현재 연구는 대부분 실험실 수준에 있으며 산업 생산을 달성하는 것과는 거리가 멀습니다.
응집제의 개발 전망
응집제는 폐수 처리에 광범위하게 적용되어 다양한 부유 또는 용해성 불순물, 금속 이온, 박테리아, 바이러스 및 기타 오염 물질을 효과적으로 제거합니다. 이는 탈산소화, 탈색 및 인 제거를 달성하여 무공해 및 자원 효율적인 폐수 처리를 가능하게 합니다. 지속적인 연구가 진행됨에 따라 중국에서 폐수 처리에 사용되는 응집제 유형은 효율성, 비용 효율성 및 환경 친화성을 목표로 저분자 무기 응집제에서 고분자 유기 응집제로, 단일 유형에서 복합 유형으로 전환되었습니다.
무기응집제나 널리 사용되는 합성고분자응집제에 비해 천연고분자응집제는 폭넓은 가용성, 저비용, 안전성, 무독성, 환경 친화성 등 뚜렷한 장점을 가지고 있습니다. 산업 폐수는 부피가 크고 구성이 복잡하며 안정적인 분산액으로 구성되는 경우가 많습니다. 따라서 단일 응집제는 모든 구성 요소를 효과적으로 제거하지 못할 수 있습니다.
최근에는 무기-유기 응집제의 시너지 효과를 활용하여 무기-유기 및 무기-미생물 복합 응집제를 사용하는 경향이 있습니다. 첫째, 무기 응집제는 전하를 중화시키고 불순물을 큰 분자 클러스터로 응집시킨 다음, 유기 고분자 응집제는 효과적인 침전을 위한 가교 작용을 통해 이러한 클러스터를 포획합니다. 무기 응집제를 사용하면 필요한 유기 응집제의 양을 줄여 저렴한 비용으로 최적의 결과를 얻을 수 있습니다. 그러나 폐수 유형에 따라 특정 제제 및 용량을 지속적으로 테스트해야 합니다.
현재 폴리염화알루미늄-폴리아크릴아미드 복합 응집제가 일반적으로 사용되고 있으며 우수한 효과를 나타냅니다. 그러나 특정 환경 위험을 초래합니다. 향후 연구는 고분자 실리카 무기 응집제와 천연 유기 고분자 응집제를 결합하여 환경 친화성을 높이는 데 중점을 둘 수 있습니다. 미생물 응집제의 산업적 생산이 가능하다면 무기-미생물 복합 응집제 시스템 역시 우수한 처리 결과를 얻을 수 있을 것이다.
인간의 생산 활동으로 인한 수질 악화로 인해 폐수를 무공해, 자원 효율적으로 처리하는 것이 시급한 문제가 되었습니다. 적절한 응집 방법과 제제를 사용하면 저렴한 비용으로 우수한 처리 결과를 얻을 수 있습니다. 현재 응집제는 저분자량에서 고분자량으로, 단일형에서 복합형으로 전환되어 폐수 중의 부유 및 용해 불순물, 중금속, 색소 등을 효과적으로 제거하고 있습니다.