KR101700412B1

KR101700412B1 - 고염기도 폴리염화규산알루미늄메타인산계 수처리제 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR101700412B1
Application number: KR1020160052034A
Authority: KR
Inventors: 김기팔; 신영기; 이병하; 김가현
Original assignee: 케이지케미칼 주식회사
Priority date: 2016-04-28
Filing date: 2016-04-28
Publication date: 2017-01-31

Abstract

본 발명은 정수장이나 하수처리장에서 수처리용 응집제로 사용되는 폴리염화규산알루미늄계 응집제에 조류(algae) 제거 성능을 개선하기 위하여 폴리메타인산나트륨을 반응시켜 고염기도의 폴리염화규산알루미늄메타인산계 수처리제를 제조하는 방법에 관한 발명이다.
본 발명은 조류(algae) 및 고형물을 제거하는 고염기도 응집제 있어서, 수처리제 100중량부에 대하여 산화알루미늄(Al₂O₃)을 10 ~ 12 중량부, 인(P) 0.004 ~ 0.03중량부를 포함하여 염기도 50-80%인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 고염기 폴리염화규산알루미늄메타인산계 수처리제는 종래의 수처리제를 투입하는 장치의 활용이 가능하고 하천수, 호소수 등 다양한 취수원의 수질 특성에서 고염기도 폴리염화알루미늄계 수처리제가 사용이 적합한 곳에 적용이 용이하다. 취수원에 발생한 조류 및 고형물을 응집/침전공정에서의 제거가 향상되어 전체 수처리 공정에서 여과지의 막힘, 유해물질의 발생등의 문제점을 저감하는 것이 가능하다.

Description

고염기도 폴리염화규산알루미늄메타인산계 수처리제 및 그 제조방법{Water Treatment Material and method for manufacturing the same}

본 발명은 고염기도 폴리염화규산알루미늄메타인산계 수처리제 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 정수장이나 하수처리장에서 수처리용 응집제로 사용되는 폴리염화규산알루미늄계 응집제에 조류(algae) 제거 성능을 개선하기 위하여 폴리메타인산나트륨을 반응시켜 고염기도의 폴리염화규산알루미늄메타인산계 수처리제를 제조하는 방법에 관한 발명이다.

최근 호수 및 하천의 오염으로 인한 문제는 사회적으로 큰 이슈가 되고 있으며, 산업화와 도시화의 진행에 따라 이들 문제의 심각성은 더욱 높아져 이를 해결하려는 다양한 수처리 방법이 제안되고 있다.

특히, 정수처리 공정에서 유입수의 오염물을 제거하기 위하여 응집/침전방법을 사용하여 수질을 개선하고자 수처리제(응집제)를 사용하고 있다.

수처리용 염화알미늄계 응집제로는 폴리염화알미늄(Poly Aluminium Chloride : 이하 PAC라 한다), 폴리염화규산알미늄(Poly Aluminium Chloride Silicate : 이하 PACS라 한다)등이 일반적으로 사용되고 있으나 최근에는 염기도를 70% 이상으로 높인 고염기도 응집제로 폴리규산화염화황산알미늄(Poly aluminium Hydroxy Chloro-Sulfate Silicate : 이하 PAHCSS 라 한다)등도 개발되어 있다. 염화알미늄계 응집제에 있어서, 염기도는 알미늄 이온에 결합된 수산화이온의 수를 결합할 수 있는 수산화 이온의 수로 나눈 비로 계산된다.

또한, 염화알미늄계 응집제는 고염기도로 제조할수록 알미늄이온이 고본자화 되기가 쉽고, 슐츠하디의 법칙(schultz-hardy's law)에 따라 적은 투입량으로도 높은 응집효과를 얻을 수 있다는 것은 이 분야에서 이미 잘 알려져 있다.

PAC나 PACS는 단분자인 황산알미늄에 비해 알미늄 이온 간의 중합을 통하여 고분자를 형성하고 있지만, 염기도는 40~55% 정도만을 나타내고 있어 최적의 응집성능을 나타내는 값인 염기도 60~70% 응집제에 비하여 만족스러운 응집제로 보기에는 미흡하다. 또한, PAHCSS, PACC(Poly Aluminium Calcium Chloride)는 염기도가 70% 를 넘는 고염기도 응집제이지만 안정성이 확보되지 않아 3개월도 지나지 않아서 침전이 발생하여 응집성능이 떨어지는 결함이 있어 널리 보급하는데 장애가 되고 있다.

특히, 고염기도 염화알미늄계 응집제의 제조방법은 본 출원인이 선출원하여 등록된 등록특허 10-0733286호 '고염기도 염화알미늄계 응집제의 제조방법'이 개시되어 있다. 이는, 염기도 30~55%, Al2O3 농도가 8~18%인 폴리염화알미늄 용액을 교반속도가 5,000~15,000 rpm으로 유지되는 균질화반응기 중에서 수산화알루미늄과 가성소다를 반응시켜 제조된 Al2O3함량 5~25%, Na2O함량 4~23%인 알민산소다와 3~60분간 균질화 반응시킨 후 40~100℃에서 5~15시간 안정화시켜 Al2O3 농도가 7~15%이고, 염기도가 60~70%인 고염기도 염화알미늄계 응집제가 제공되었다.

그러나, 상기와 같은 종래 수처리제는 하천이나 호소에 발생한 조류(algae) 및 고형물이 정수처리 공정에 유입되어 여과지의 막힘, 이/취미의 발생원인이 발생하게 되고, 이의 효과적인 제거가 어려워 어려움을 겪고 있다.

문헌 1 : 한국등록특허공보 10-0733286 문헌 2 : 한국등록특허공보 10-1252710

본 발명은 하천이나 호소수를 취하는 정수장에서 고염기도 폴리염화알루미늄메타인산계 수처리제를 사용하여 취수원에 발생한 조류(algae)로 인한 여과지의 막힘, 이/취미 발생등의 문제점을 해결할 수 있도록 유입수 중의 조류 및 고형물의 농도를 낮출 수 있도록 조류 및 고형물의 응집효율이 향상된 고염기도 폴리염화알루미늄메타인산계 수처리제를 제조하는 것에 목적이 있다.

본 발명은 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 조류(algae) 및 고형물을 제거하는 고염기도 응집제 있어서, 수처리제 100중량부에 대하여 산화알루미늄(Al₂O₃)을 10 ~ 12 중량부, 인(P) 0.004 ~ 0.03중량부를 포함하여 염기도 50-80%인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 수처리제에는 규소(Si) 0.047 ~ 0.187 중량부가 더 포함될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 규소(Si)를 제조하기 위해 사용되는 규산염으로는 규산소다(Na₂SiO₃), 제올라이트, 규산칼륨(K₂SiO₃) 중 어느 하나를 이용하여 제조될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 인(P)을 제조하기 위해 사용되는 인산염으로는 폴리메타인산나트륨, 헥사메타인산나트륨, 인산 중 어느 하나일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따라 조류(algae) 및 고형물을 제거하기 위한 고염기도 폴리염화규산알루미늄메타인산계 수처리제 제조방법에 있어서, 공정수가 포함된 반응기에 수산화나트륨을 주입하고, 상기 공정수와 수산화나트륨이 포함된 반응기에 수산화알루미늄을 주입하고 60분동안 반응시키고, 상기 반응이 완료된 반응기에 희석수를 주입하고 15분 동안 혼합하고 여과를 거친 제 1반응물; 공정수가 포함된 반응기에 수산화알루미늄을 주입하여 슬러리 형태로 제조하고, 상기 공정수와 수산화알루미늄이 포함된 반응기에 황산을 주입하고 10분 동안 반응시키며, 상기 반응이 완료된 반응기에 희석수를 주입하고 15분 동안 혼합하고 여과를 거친 제 2반응물; 및 수산화알루미늄과 염산을 고압 반응기에 넣고 밀폐시킨 후 교반하고, 140 ~ 170℃로 유지하면서 200분 동안 중합반응 시키고, 상기 반응이 종료된 후 물을 투입하고 미 반응물 및 불순물을 제거하기 위하여 여과하며, 상기 여과된 반응물에 규산염과 물을 첨가후 혼합하여 반응물의 안정성 및 반응성을 증가시킨 제 3반응물;을 포함하며,

상기 제 1반응물과 공정수를 보조 반응기에 주입하여 혼합하는 제1반응 단계; 상기 제 2반응물과 제 3반응물을 주 반응기 주입하여 혼합하는 제2반응 단계; 상기 제1반응 단계에서 혼합된 혼합물을 상기 제2반응 단계에 주입하여 1시간 동안 반응시키는 제3반응 단계; 상기 제3반응 단계에서 반응된 혼합물을 2차 반응기로 옮겨 물에 녹인 헥사메타인산나트륨을 주입하여 반응시키는 제4반응 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 고염기 폴리염화규산알루미늄메타인산계 수처리제는 종래의 수처리제를 투입하는 장치의 활용이 가능하고 하천수, 호소수 등 다양한 취수원의 수질 특성에서 고염기도 폴리염화알루미늄계 수처리제가 사용이 적합한 곳에 적용이 용이하다. 취수원에 발생한 조류 및 고형물을 응집/침전공정에서의 제거가 향상되어 전체 수처리 공정에서 여과지의 막힘, 유해물질의 발생등의 문제점을 저감하는 것이 가능하다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수처리제의 제조방법에 대한 플로우챠트

본 명세서 또는 출원에 개시되어 있는 본 발명의 실시 예들에 대해서 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명에 따른 실시 예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명에 따른 실시 예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본 명세서 또는 출원에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 된다.

본 발명에 따른 실시예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 특정실시 예들을 도면에 예시하고 본 명세서 또는 출원에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예를 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 수처리제는 본 출원인이 선출원하여 등록된 선행특허기술(등록특허 0733286호)을 개선하여 하천 및 호소수의 조류 및 고형물의 제거 성능을 향상시키고자 한다.

이를 위한 본 발명의 수처리제는 수처리제 100중량부에 대하여 산화알루미늄(Al₂O₃) 16 ~ 18 중량부와 인(P) 0.004 ~ 0.03중량부를 포함하여 염기도 30 ~ 50%일 수 있다. 또한, 규소(Si) 0.047 ~ 0.187 중량부를 더 포함할 수도 있다. 이때, 규소(Si)를 제조하기 위해 규산소다(Na₂SiO₃), 제올라이트, 규산칼륨(K₂SiO₃) 중 어느 하나의 규산염을 이용하여 제조할 수 있다.

그리고, 인(P)을 제조하기 위해 사용되는 인산염으로는 폴리메타인산나트륨, 헥사메타인산나트륨, 인산 중 어느 하나일 수 있다.

이하에서는 조류(algae) 및 고형물을 제거하기 위한 본 발명의 수처리제 제조방법을 구체적으로 설명한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 고염기도 폴리염화규산알루미늄메타인산계 수처리제는 수산화나트륨과 수산화알루미늄을 반응시킨 제 1반응물(100)과, 황산과 수산화알루미늄을 반응시킨 제 2반응물(200), 및 염산, 수산화알루미늄, 규산염 등을 반응시킨 제 3반응물(300), 그리고, 이들 반응물들을 적당한 비율로 반응시킨 반응물에 인산염을 반응시켜 고염기도 폴리염화규산알루미늄 메타인산 수처리제를 제조할 수 있다.

여기서 제 1반응물(100)을 제조하기 위해, 공정수 500kg이 포함된 반응기에 수산화나트륨(50%) 3,778kg을 천천히 주입한다(S100). 그리고, 공정수와 수산화나트륨이 포함된 반응기에 수산화알루미늄 2,242kg을 천천히 주입하고 약 60분 동안 반응시킨다(S110). 반응이 완료된 제 1반응물(100)은 저장 탱크로 옮겨 보관되고(S120) 고염기도 폴리염화규산알루미늄메타인산계 수처리제 원료로 적당량 사용된다.

여기서 제 2반응물(200)을 제조하기 위해, 공정수 1,300kg이 포함된 반응기에 수산화알루미늄 1,164kg을 천천히 주입하여 슬러리 형태로 제조한다(S200). 공정수와 수산화알루미늄이 포함된 반응기에 진한 황산 1,950kg을 천천히 주입하고 약 10분 동안 반응시킨다(S210). 반응이 완료된 반응기에 희석수 4,300kg을 주입하고 15분 동안 혼합하고 여과한다(S220). 여과를 거친 제 2반응물(200)은 저장 탱크로 옮겨 보관되고(S230) 고염기도 폴리염화규산알루미늄메타인산계 수처리제 원료로 적당량 사용된다.

여기서 제 3반응물(300)을 제조하기 위해, 수산화알루미늄(Aluminum hydoxide) 4,750 kg과 진한 염산 10,250kg을 고압 반응기에 넣고 밀폐시킨 후 교반한다(S300). 그리고, 반응액을 약 140 ~ 170℃로 유지하면서 200분 동안 중합반응 시킨다(S310). 반응이 종료 된 후에는 1,000kg의 물을 투입하고 미 반응물 및 불순물을 제거하기 위하여 이를 여과한다(S320). 여과된 반응물에 규산염 75kg과 물 75kg을 첨가 후 혼합하여 반응물의 안정성 및 반응성을 증가시킨다(S330). 반응이 완료된 제 3반응물(300)은 저장 탱크로 옮겨 보관되고(S340) 고염기도 폴리염화규산알루미늄메타인산계 수처리제 원료로 적당량 사용된다.

본 발명의 일 실시예에 따른 고염기도 폴리염화규산알루미늄메타인산계 수처리제를 제조하기 위해서는, 먼저 제 1반응물(100) 1,800kg과 공정수 4,300kg을 보조 반응기에 주입하면서 혼합하는 제1반응 단계를 진행한다(S400).

주반응기에서는 제 2반응물(100) 1,800kg과 제 3반응물 6,200kg을 천천히 주입하면서 혼합하는 제2반응 단계를 진행한다(S500).

그리고, 상기 제1반응 단계에서 보조 반응기에 주입되어 반응된 반응물을 제2반응 단계가 진행되고 있는 주반응기에 천천히 주입하면서 반응시키는 제3반응 단계를 진행한다(S600).

약 1시간의 제3반응 단계의 반응이 완료되면 제3반응 단계를 거친 반응물을 2차 반응기 탱크로 옮기고, 여기에 물에 녹인 헥사메타인산나트륨 약 10kg을 천천히 주입하면서 반응시키는 제4반응 단계를 진행한다(S700).

이렇게 반응이 완료되면 본 발명의 일 실시예에 따른 고염기도 폴리염화규산알루미늄 메타인산계 수처리제가 제조되며, 이는 저장 탱크로 옮겨져 보관되고 규격 성분을 분석하게 된다.

본 발명의 고염기도 폴리염화규산알루미늄 메타인산계의 규격은 표 1과 같다.

<본원 발명에 따른 고염기도 폴리염화규산알루미늄 메타인산계 규격>

성분	성분 규격
성상	무색 내지 미황색의 점조성 액체
확인시험	확인시험법에 따라 시험할 때 적합하여야 한다.
비중(20℃)	1.20 이상
pH	3.0 - 5.0
산화알루미늄(Al₂O₃)	10.0 - 12.0 %
이산화규소(SiO₂)	0.1 - 0.4 %
염기도	50 - 80 %
철(Fe)	0.01% 이하
비소(As)	5 mg/kg 이하
납(Pb)	10 mg/kg 이하
카드뮴(Cd)	2 mg/kg 이하
크롬(Cr)	10 mg/kg 이하
망간(Mn)	25 mg/kg 이하
수은(Hg)	0.2 mg/kg 이하
인(P)	40 ~ 300 mg/kg

정수장 취수원인 하천 또는 호소수에서 많이 발생하는 남조류를 이용하여 발명 수처리제와 정수장에서 사용하는 PAC(산화알루미늄(Al₂O₃): 10%)의 조류 개체수 제거 및 탁도 제거 등 응집 성능을 비교하였다. 또한, 응집 장치의 급속교반, 완속교반, 침전 시간 등을 동일하게 수행한 후 상등액을 채수하여 탁도 및 조류 개체수를 분석하였다.

실험 방법으로는 정수장에서 운영되고 있는 응집 교반 속도와 체류시간을 고려하여 급속교반 200rpm 1분, 완속교반 34, 21, 14rpm 각 5분, 침전 20분으로 실험 수행 후 수면으로부터 3cm 지점에서 처리수를 채수하여 각 항목을 분석하였다. 조류 개체수 분석에는 현미경 분석을 통하여 남조류(마이크로시스티스, 아나베나등) 등을 분석하였다.

<그림 1. 탁도 제거 효율 비교>

그림 1은 낙동강 수계를 원수로 하는 정수장의 실제 원수를 이용하여 발명 수처리제와 정수장에서 사용하고 있는 수처리제(PAC: Al₂O₃ 10%)와 탁도 제거 효율을 비교한 그림이다. 실 정수 원수 대상으로 테스트 한 결과 현장 수처리제 PAC 보다 발명 수처리제가 31.6% 탁도 제거가 개선되는 것으로 나타났다.

<그림 2. 조류 개체수 분석 결과>

그림 2는 조류 제거 효율을 비교하기 위해 조류 개체수를 현미경으로 분석한 결과를 나타낸 그림이다. 실 정수 원수의 조류 제거 효율 비교 결과 현장 수처리제 PAC보다 발명 수처리제가 54.5% 조류 개체수 제거가 개선되는 것으로 나타났다.

Claims

조류(algae) 및 고형물을 제거하기 위한 고염기도 폴리염화규산알루미늄메타인산계 수처리제 제조방법에 있어서,
공정수가 포함된 반응기에 수산화나트륨을 주입하고, 상기 공정수와 수산화나트륨이 포함된 반응기에 수산화알루미늄을 주입하고 60분동안 반응시키고, 상기 반응이 완료된 반응기에 희석수를 주입하고 15분 동안 혼합하고 여과를 거친 제 1반응물;
공정수가 포함된 반응기에 수산화알루미늄을 주입하여 슬러리 형태로 제조하고, 상기 공정수와 수산화알루미늄이 포함된 반응기에 황산을 주입하고 10분 동안 반응시키며, 상기 반응이 완료된 반응기에 희석수를 주입하고 15분 동안 혼합하고 여과를 거친 제 2반응물; 및
수산화알루미늄과 염산을 고압 반응기에 넣고 밀폐시킨 후 교반하고, 140 ~ 170℃로 유지하면서 200분 동안 중합반응 시키고, 상기 반응이 종료된 후 물을 투입하고 미 반응물 및 불순물을 제거하기 위하여 여과하며, 상기 여과된 반응물에 규산염과 물을 첨가후 혼합하여 반응물의 안정성 및 반응성을 증가시킨 제 3반응물;을 포함하며,
상기 제 1반응물과 공정수를 보조 반응기에 주입하여 혼합하는 제1반응 단계;
상기 제 2반응물과 제 3반응물을 주 반응기 주입하여 혼합하는 제2반응 단계;
상기 제1반응 단계에서 혼합된 혼합물을 상기 제2반응 단계에 주입하여 1시간 동안 반응시키는 제3반응 단계;
상기 제3반응 단계에서 반응된 혼합물을 2차 반응기로 옮겨 물에 녹인 헥사메타인산나트륨을 주입하여 반응시키는 제4반응 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 고염기도 폴리염화규산알루미늄메타인산계 수처리제 제조방법.
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