KR100497104B1

KR100497104B1 - 분말상 응집제 조성물

Info

Publication number: KR100497104B1
Application number: KR10-2003-0061971A
Authority: KR
Inventors: 최용수; 함상혁; 홍석원
Original assignee: 한국과학기술연구원
Priority date: 2003-09-05
Filing date: 2003-09-05
Publication date: 2005-06-23
Also published as: KR20050024137A

Abstract

본 발명은 알루미늄 포타슘 설페이트 (AlK(SO₄)₂·12H₂O) 60~70 중량％, 산화칼슘 (CaO) 10~20 중량％, 유기계 음이온성 고분자 응집제 1~3 중량％, 제올라이트 5~10 중량％ 및 벤토나이트 5~10 중량％로 이루어진 분말상 응집제 조성물에 관한 것이다.

본 발명에 따른 분말상 응집제 조성물은 저렴한 제조 비용과 경제적인 운반비, 제반 응집 장치의 설치비용과 관리비용 절감을 가능하게 한 것이며, 응집 공정에 적용시 우수한 응집 효율과 단순 살포에 의한 응집이 가능하고, 동절기에 동해가 일어날 수 있는 요소를 배제하여 관리의 편리를 지향한 것이다.

또한, 본 발명에 따른 분말상 응집제 조성물은 하수 및 오수, 생물학적 처리수의 응집 처리와 집중 강우나 수중 공사시 혼탁해진 하천수 등에 대한 급속 응집 처리, 생활 용수 등의 재이용수 전환 처리 등과 같은 다양한 용도에서 액상 응집제를 대체하여 사용할 수 있다.

Description

분말상 응집제 조성물{Powdery Coagulant Composition}

응집제는 무기 응집제와 유기 응집제로 대분되며, 무기 응집제는 단분자 응집제와 무기 고분자 응집제 및 혼합 응집제로 분류된다. 무기 응집제의 예로는 황산알루미늄 (Aluminum Sulfate), 폴리염화알루미늄 (PAC, Poly Aluminum Chloride), 폴리황산규산알루미늄 (PASS, Poly Aluminum Sulfate Silicate), 폴리염화규산알루미늄 (PACS, Poly Aluminum Chloride Silicate) 및 폴리염화알루미늄칼슘 (PACC, Poly Aluminum Chloride Calcium) 등이 있다.

응집이란 폐수의 탁도나 색의 원인이 되는 불순물을 분리 제거하는 경우 일반적으로 침전 처리를 하나 탁질의 입자가 작아서 침전이 잘 안되는 경우에 입자를 크게 하여 침강시키는 조작을 말하며, 응집 효율의 관건은 응집제의 혼화에 있어, 응집제를 액상으로 제조하였을 때 혼화에 필요한 교반 시간을 단축할 수 있고 응집조의 용적을 줄일 수 있으므로, 현재 사용 중인 응집제들은 대부분 액상으로 제조되고 있다.

그러나, 액상 응집제를 이용한 응집 장치의 운전시 응집제, 고분자 응집제, pH 조절제 등의 약품에 대하여 각각의 교반 장치와 주입 펌프 및 각 성분의 저장 설비 등을 필요로 할 뿐만 아니라 이에 따라 시설이 커져 응집 장치의 설치 및 관리 비용이 크며 처리 시간 또한 길어지며, 동절기에는 동해에 의한 주입관의 막힘 현상이 발생할 수 있고, 또한 운송비가 높아 해외 수출 등과 같은 경제적 이익을 발생시키기 힘든 면이 있다.

또한, 무기계 고분자 응집제는 단분자 응집제보다 침전 속도 및 유기물 제거 능력이 뛰어나, 점차적으로 단분자 응집제보다는 무기계 고분자 응집제의 사용량이 증가하는 추세이다. 이러한 무기계 고분자 응집제는 대부분 액상으로 시판되고 있으며, 예를 들면 Al 이온을 단량체 (monomer)로 하여 고분자가 되는 다음과 같은 과정으로 제조된다.

알루미늄 이온 (단량체) →이량체 →올리고머 →고분자

위와 같은 과정은 Al의 화학 변종이 생길 수 있는 점을 이용한 것이다. 예를 들어, 일반식 [Al₂(OH)_n(SO₄)_3-n/2]_m (여기서, n은 1 ≤n ≤5이며 m은 <10이다)으로 표시되는 폴리황산알루미늄의 제조의 경우를 살펴보면, NaOH를 이용한 아래 반응식과 같이 황산알루미늄을 중합시켜 분자량을 1,000 이상으로 증가시킨다.

Al₂(SO₄)₃ + 6NaOH →2Al(OH)₃ + 3Na₂SO₄

2Al(OH)₃ + Al₂(SO₄)₃ →Al₄(OH)₆(SO ₄)₃

하지만, 대체적으로 이와 같은 공정은 고압력 및 긴 반응시간을 필요로 하므로 생산비가 높다는 단점을 가지고 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 단순 살포에 의한 응집이 가능하고, 동절기의 동해가 방지되며, 응집 장치의 설치와 관리비용을 절감할 수 있고, 운반비에 따른 경제성 감소를 최소화할 수 있으면서도 우수한 응집 효율을 가지는 분말상 응집제 조성물을 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 목적은 집중 강우나 수중 공사시 혼탁해진 하천수 등에 대한 급속 응집 처리, 생물학적 처리의 후단의 잔류 인의 제거와 잔류 SS의 제거 및 처리, 생활 용수 등의 재이용수 전환시 처리 등 여러 가지 분야에 적용할 수 있는 분말상 응집제 조성물을 제공하는 것이다.

본 발명자들은 상기한 기존의 문제점들을 해결하기 위하여 예의 연구한 결과, 알루미늄 포타슘 설페이트, 산화칼슘, 유기계 음이온성 고분자 응집제, 제올라이트 및 벤토나이트를 일정비로 혼합할 경우, 단순 살포에 의한 응집이 가능하고, 동절기의 동해가 방지되며, 응집 장치의 설치와 관리비용을 절감할 수 있고, 운반비에 따른 경제성 감소를 최소화할 수 있으면서도 우수한 응집 효율을 가지는 분말상 응집제 조성물을 얻을 수 있다는 것을 발견하여 본 발명에 이르렀다.

이하, 본 발명에 따른 분말상 응집제 조성물에 대해 구체적으로 설명하겠다.

본 발명에 따른 분말상 응집제 조성물은 알루미늄 포타슘 설페이트 (AlK(SO₄)₂·12H₂O) 60~70 중량％, 산화칼슘 (CaO) 10~20 중량％, 유기계 음이온성 고분자 응집제 1~3 중량％, 제올라이트 5~10 중량％ 및 벤토나이트 5~10 중량％로 이루어져 있다.

이러한 구성성분 중 알루미늄 포타슘 설페이트와 산화칼슘은 각각 pH에 따라 침전물의 생성 경향이 다르게 나타나며 전자의 경우 처리수의 pH를 하강시키고 후자는 상승시키기 때문에 본 발명에서의 위의 두 가지 구성성분은 상호 보완적인 작용을 통해 최적의 응집효율과 처리수의 pH를 안정적으로 유지시키는 것을 가능하게 한다. 또한, 본 발명에서 사용된 알루미늄 포타슘 설페이트는 고분자 형태의 무기 응집제의 비해 가격이 저렴하고 구입이 용이한 약품으로 매우 경제적이다.

본 발명에 따른 분말상 응집제 조성물 중 산화칼슘은 응집후 응결 입자의 플록 크기를 크게 하고, 침전성을 향상시키며, 응집 처리후 처리수의 pH 저하를 방지하는 역할을 하며, 분말상 응집제 조성물 중에 10~20 중량％로 포함된다.

본 발명에 따른 분말상 응집제 조성물 중 유기계 음이온성 고분자 응집제는 플록과 플록 사이의 다리 (bridge)를 만들어 미세 플록의 제거 효율을 증가시키는 유기계 고분자 응집제로서, 수처리 분야에서 일반적으로 사용되는 모든 유기계 음이온성 고분자 응집제가 본 발명에서 사용가능하다. 본 발명에 따른 분말상 응집제 조성물 중 1~3 중량％로 포함되며, 용해 효율 면에서 0.1 내지 0.05 mm의 입자를 사용하는 것이 바람직하다.

응집제를 이용한 응집 단계에서는 처리 대상수 내에 존재하는 입자를 거대화시키는 단위 작업으로 일컬어지는 응집을 위하여 핵의 형성이 필수적이다. 따라서 처리 대상수 중의 SS가 미소할 경우 응집 효율의 저하를 막고 응결핵의 생성 시간을 단축시키기 위하여 응결핵의 형성 및 플록의 침전 속도를 증가시켜 응집 효율을 향상시켜 주는 제올라이트와 벤토나이트를 첨가한다. 이들은 응결핵의 역할뿐만 아니라 중금속에 대하여 특정한 선택성을 가지고 있기 때문에 중금속 제거에도 효과적이다. 또한, 제올라이트와 벤토나이트는 응집제 살포시 알루미늄이 입자 표면에 도달하기 전에 수화하는 것을 막아 주어 수산화알루미늄 (Al(OH₃))의 초기 발생을 억제한다. 응집 효율과 조성물의 경제성을 고려해 볼 때 과다한 양의 제올라이트와 벤토나이트가 첨가될 경우 오히려 악 영향을 미칠 수 있기 때문에 이들의 최적 첨가량은 각각 5~10 중량％이다. 또한, 각 입자 크기가 200~500㎛인 제올라이트와 벤토나이트가 침강 효율 면에서 가장 바람직하다.

본 발명에 따른 분말상 응집제 조성물을 구성하는 알루미늄 포타슘 설페이트, 산화칼슘, 유기계 음이온성 고분자 응집제, 제올라이트 및 벤토나이트는 모두 분말 형태이며, 제올라이트 및 벤토나이트를 제외한 기타 구성성분은 서로 다른 수중 용해도를 가지고 있다. 즉, 본 발명에 다른 분말상 응집제 조성물이 적용될 경우 용해도에 따라 알루미늄 포타슘 설페이트와 산화칼슘이 먼저 용해되어 오염물질과 반응이 이루어지고 이때 제올라이트 및 벤토나이트는 응집 효율을 상승시키는 역할을 하며 그 후 유기계 음이온성 고분자 응집제가 용해됨으로써 흡착, 가교 작용을 통해 응집력이 증대되어 플록의 침강성이 더욱 촉진된다. 결과적으로 각 성분을 순서대로 첨가하는 일반적인 응집 공정에서와 같은 응집 처리 효과를 얻게 되는 것이다.

하기 실시예로 본 발명을 보다 구체적으로 설명하겠지만, 본 발명은 어떠한 식으로든 하기 실시예에 제한되지 않는다. 특히, 하기 실시예에서는 생물학적 처리수의 응집 처리에 국한되었으나, 본 발명의 조성물은 오염된 지표수 및 각종 폐수의 응집 처리에 적용될 수 있음을 이해하여야 한다. 또한, 하기 실시예에서 수질 분석은 수질 오염 공정 시험 방법에 준하여 실시하였다.

<실시예 1>

용해도를 높이기 위하여 미세한 가루 형태로 만든 후 체로 쳐서 그중 입자 크기가 0.1~0.05 mm인 유기계 음이온성 고분자 응집제 (폴리아크릴아미드, PAM)를 1.0 중량％로 첨가하였다. 또한, 전체 조성물의 100 중량％에 대해 68.2 중량％의 알루미늄 포타슘 설페이트 및 17.8 중량％의 산화칼슘에 혼합하였다. 이 혼합 분말에 105℃ 오븐에서 2시간 동안 건조시킨 후 30분간 방냉한 후 체로 쳐서 입자 크기가 200~300 ㎛인 제올라이트와 벤토나이트 분말을 각각 6.5 중량％로 고속혼합기를 이용하여 균일하게 혼합시켜 분말상 응집제 조성물을 제조하였다.

<실시예 2>

사용된 제올라이트와 벤토나이트 분말의 각 입자의 크기가 300~500 ㎛인 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 구성비로 분말상 응집제 조성물을 제조하였다.

<실시예 3>

사용된 제올라이트와 벤토나이트 분말의 각 입자의 크기가 500~600 ㎛인 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 하여 분말상 응집제 조성물을 제조하였다.

각 실시예 1~3의 분말상 응집제 조성물에 대해 도 1에 나타낸 응집 교반 시험기를 사용하여 유입원수의 COD_Cr이 40.0 mg/ℓ이고 잔류 SS가 20.0 mg/ℓ인 생물학적 처리수에 대한 응집 실험을 실시하여 각 잔류 SS 농도 및 제거 효율을 측정하였다. 측정 결과를 하기 표 1에 나타내었다.

	실시예 1	실시예 2	실시예 3
잔류 SS 농도 (mg/ℓ)	3.5	3.0	5.0
제거 효율 (％)	82.5	85.0	75.0

상기 표 1에서 알 수 있듯이, 상기 분말상 응집제 조성물을 이용한 응집 실험 결과 입자 크기가 200~500 ㎛인 제올라이트와 벤토나이트를 첨가하였을 경우 잔류 SS 농도가 3.5 mg/ℓ이하이고 제거 효율이 82.5％ 이상으로 우수한 SS 제거 효율을 나타내었다. 하지만 첨가된 제올라이트와 벤토나이트의 입자 크기가 500 ㎛을 초과하는 경우에는 응집 효율이 저하됨에 따라 입자 크기가 응집 효율에 영향을 미치는 것으로 판단된다.

또한, 일반적인 단분자 응집제인 알럼을 사용한 순차적 응집과 본 발명에 따른 분말상 응집제 조성물을 사용한 응집의 결과를 비교하기 위해 도 1에 나타낸 응집 교반 시험기를 사용하여 COD_Cr, SS 및 T-P 농도가 각각 29.1 mg/ℓ, 8.5 mg/ℓ 및 0.5615 mg/ℓ인 생물학적 반응기의 처리수에 대하여 응집 실험을 실시하였다. 응집 실험 조건을 하기 표 2에 나타내었다.

	급속 교반	완속 교반	침전
분말상 응집제 조성물	180 rpm (15 분)	-	0 (7 분)
가중 응집제 + 알럼 + 고분자 응집제	180 rpm (10 분)	70 rpm (5 분)	0 (7 분)

상기 표 2의 응집 조건에 따라 본 분말상 응집제 조성물을 주입한 경우와 가중 응집제 (유리분말과 점토가 1:1 비율로 혼합된 것), 알럼 및 유기계 고분자 응집제 (음이온성 고분자 (폴리아크릴아마이드))를 순차적으로 주입한 경우의 응집의 결과를 도 2에 나타내었다. 일반적으로 유·무기 및 가중 응집제를 단계적으로 첨가할 경우에는 반응조를 분리하여 급속, 완속 및 저속 교반 단계를 거쳐야 효율적이지만 본 발명에 의한 분말 혼합형 응집제를 이용하면 급속 교반 한 단계만으로 응집을 완료시킬 수 있다는 장점이 있다.

도 2에서 나타낸 바와 같이, 가중 응집제, 알럼 및 고분자 응집제를 순차적으로 각각 100 mg/ℓ, 200 mg/ℓ, 1 mg/ℓ 주입하여 응집 처리하였을 때 처리수의 COD_Cr, SS 및 T-P 농도는 각각 11.94 mg/ℓ, 0.25 mg/ℓ 및 0.0106 mg/ℓ이었다.

반면, 분말상 응집제 조성물 300 mg/ℓ를 주입하여 응집 처리한 경우의 처리수의 COD_Cr, SS 및 T-P 농도는 각각 12.8 mg/ℓ, 0.25 mg/ℓ 및 0.0154 mg/ℓ로 나타났다.

이러한 결과로부터, 분말상 응집제 조성물의 교반 조건을 급속으로 제한하고 주입 장치의 단일화 등을 고려할 때, 본 분말상 응집제 조성물의 응집 효율이 매우 우수하다는 것을 알 수 있었다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의한 분말상 응집제 조성물은 분말 형태로서, 정의된 혼합비에 의한 복잡하지 않은 제조 방법을 가지고 있어, 응집제 생산비의 감소와 운송비 절감의 효과를 얻을 수 있으며, 동절기 동해 방지 효과를 기대할 수 있다. 또한, 복잡하지 않은 응집 장치에 적용했을 경우에도 우수한 응집 효율을 기대할 수 있으므로, 설치비의 절감과 운전 관리비용의 절감 효과를 얻을 수 있다. 이러한 경제적 우수성과 더불어 기존의 액상 응집제의 효율과 비교한 응집 실험으로부터 유기물, SS, T-P 제거율 또한 매우 우수한 결과를 얻어, 다양한 수처리 분야에서 널리 활용될 수 있을 것으로 판단된다.

도 1은 응집 실험에 사용된 응집 교반 시험기 (Jar-Tester)의 계략도.

도 2는 생물학적 반응기 처리수에 대하여 분말상 응집제 조성물을 단일 투여한 경우의 처리수와 단분자 응집제인 알럼 (alum)과 가중 응집제, 고분자 응집제를 단계적으로 주입 응집한 경우의 처리수의 COD_Cr(Chemical Oxygen Demand by Bichromate), SS(Suspended Solid) 및 T-P(Total Phosphorus)의 농도를 나타낸 그래프.

Claims

알루미늄 포타슘 설페이트 (AlK(SO₄)₂·12H₂O) 60~70 중량％, 산화칼슘 (CaO) 10~20 중량％, 유기계 음이온성 고분자 응집제 1~3 중량％, 제올라이트 5~10 중량％ 및 벤토나이트 5~10 중량％로 이루어지고, 유기계 음이온성 고분자 응집제의 입자 크기가 0.1 내지 0.05 mm이고, 제올라이트와 벤토나이트의 입자 크기가 200~500 ㎛인 분말상 응집제 조성물.
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