KR20060029130A - 수처리용 응집제인 폴리수산화염화황산알루미늄의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 기존의 상수처리용 제제로 상용되고 있는 황산알루미늄(Aluminum sulfate, AS)과 폴리염화알루미늄(Polyaluminum chloride, PAC)을 사용하여 기존의 응집제가 갖는 단분자와 저염기도의 단점을 보완하여, 높은 염기도로서 우수한 안정성, 반응성 및 응집활성을 갖는 수처리응집제인 폴리수산화염화황산알루미늄(Polyaluminum hydroxy chloro sulfate, PAHCS)을 제조하는 방법에 관한 것이다.
먼저 황산알루미늄을 알카리와 반응시켜 폴리황산알루미늄으로 되는 반응식은 다음과 같고,
상기에서 얻어진 폴리황산알루미늄의 일반식은
[Al2(OH)n(SO4)3-n/2]m 으로 표시되며,
여기에서 n은 1≤n≥5 이며 m은 m<10이다.
다음에 상기에서 얻어진 폴리황산알루미늄과 폴리염화알루미늄의 반응에 의해 폴리수산화염화황산알루미늄이 되는 반응식은 다음과 같으며,
일반식은 [Al2(OH)aClb(SO4)c]m이며 m이며 m은 m<10이다.
Description
도 1 내지 도 3은 응집활성을 비교한 것으로 본 발명 실시예 2에서 얻은 제품(PAMCS)을 AS, PAC 등과 비교한 그래프
본 발명은 기존의 수처리 응집제로서 널리 사용 있는 단분자 응집제인 황산알루미늄(Aluminum sulfate, AS)과 저염기도의 폴리염화알루미늄(Polyaluminum chloride, PAC)을 일정비율의 알카리제로 중합 및 숙성시켜, 높은 염기도와 고분자의 특성을 가지면서 안정성이 우수하고 반응성과 응집성능도 탁월한 폴리수산화염화황산알루미늄(Polyaluminum hydroxy chloro sulfate, PAHCS)을 제조하는 방법에 관한 것이다.
본 발명에서 사용되는 원료중 하나인 황산알루미늄(Aluminum sulfate; Al2(SO4)3 xH2O)은 Alum 또는 황산반토라고도 불리는 것으로서, 우수한 응집특성을 가지면서 저렴하고 무독성이며 거의 모든 혼탁 수중에 적용되면서 취급도 용이하여 오늘날까지 가장 광범위하게 사용되고 있는 응집제이다.
이와 같은 황산알루미늄은 최근 알루미늄공업의 발달에 따라 값싼 수산화알루미늄을 얻을 수 있기 때문에 그 수산화알루미늄을 주원료로 아래 반응식과 같이 황산과 반응시켜 불순물을 함유하지 않은 순도 높은 제품을 얻을 수가 있다.
2Al2(OH)3 + 3H2SO4 → 2Al2(SO4)3 + 6H2O
황산알루미늄은 고상과 액상이 있으며 고상은 알루미나고형분(Al2O3)로서 14~15%이고 액상은 알루미나고형분(Al2O3)로서 8%인 것이 일반적이다.
황산알루미늄의 결정석출점은 8.3%일때 -14℃로 가장 낮으며 농도가 증가하면 결정석출온도가 급격히 높아져 상온에서도 결정이 석출되어 보관 및 주입설비를 폐쇄하게 되므로 사용할 수가 없게 된다.
또한 황산알루미늄 1㎎/ℓ의 주입에 따른 수중의 알카리 소모율은 탄산칼슘(CaCO3)을 기준으로 0.45㎎/ℓ이다.
알카리 소모율 = 1㎎/ℓ× {(3ㅧ CaCO3)/Al2(SO4)3 xH2O} = 0.45㎎/ℓ
그리고 본 발명에서 사용하고자 하는 또하나의 원료인 폴리염화알루미늄(Polyaluminum chloride ; [Al2(OH)nCl6-n]m;PAC)은 황산알루미늄 이후 새로 나온 응집제로서 응집성능이 탁월하여 현재는 정수처리장에서 황산알루미늄 대용으로 가장 많이 사용되고 있는 것이다.
상수도용 폴리염화알루미늄은 무색 내지 담황색의 투명한 액체로 Al2O3(알루미나분)로서 10~17%인 제품이 일반적으로 사용되고 있다.
PAC의 염기도는 조성, 구조, 이화학적 성질, 응집효과, 저장의 안정성등과 매우 밀접한 관계가 있는 중요한 성질이며 PAC중의 Al의 당량과 Al에 결합되어 있는 OH기 당량의 백분율을 말한다.
PAC의 조성이 Al2(OH)3Cl3인 경우 염기도는 아래와 같이 산출한다.
(3×OH-)/(2×Al3 +) ×100 = (3/6) ×100 = 50%
즉, 염기도가 증가하면 안정성이 증가하여 중합도가 증가하고 교질성이 증가되어 응집성도 크게 된다.
보통 수도용 PAC의 분자량은 238.4이며 Al백분율은 22.7%이다.
보통 상수도용 폴리염화알루미늄의 염기도는 안정성 때문에 36~60%로 규정하고 있으나, 이론적으로는 염기도가 높을수록 응집성능이 증가되므로 염기도 60%이상에서도 안정성을 가지는 응집제가 가장 이상적인 응집제라 할 수 있다.
폴리수산화염화황산알루미늄은 환경부고시 187호(2002. 12. 9 고시)에서 수처리제로 고시된 조성물이나 지금까지의 제조방법들은 기초 원료인 수산화알루미늄에 염산, 황산을 고온 또는 고압반응시켜 제조하는 것으로, 복잡한 제조과정으로 긴 반응시간 및 숙성시간이 필요하며, 반응조건의 변화에 따라 응집제의 성능이 좌우되므로 응집제로서의 성능이 매우 불안정하며, 원료물질의 순도와 반응조건에 따 라 미 반응물들이 발생하게 되고 따라서 여과공정을 거쳐야 하므로 폐기물이 발생하고 특히 반응시설 등에서 많은 량의 대기오염물질들이 배출 되므로 대형의 방지시설들을 필요로 하지만 본 발명은 검증된 제품들을 원료로 사용하고 상온 상압의 중합방법을 사용함으로서 대기오염물질의 발생이 거의 없으므로 공해 방지시설을 크게 줄일 수 있다.
본 발명은 응집제로서 널리 사용되는 황산알루미늄(AS)과 폴리염화알루미늄(PAC)을 원료로 사용하며, 먼저 황산알루미늄(AS)의 단점인 단분자를 폴리황산알루미늄(PAS)으로 고분자화 시킨 후 일정비율의 폴리염화알루미늄과 알칼리를 투입하여 고염기도의 폴리수산화염화황산알루미늄(Polyaluminum hydroxy chloro sulfate, PAHCS)을 제조하는 것으로서, 원료인 황산알루미늄(AS)과 폴리염화알루미늄(PAC)은 직접 제조하여 사용해도 되지만 현재 국내에는 많은 수처리제 제조업체들이 시판하고 있으므로, 그 제품을 구입해 원료로 사용함으로서 제조설비의 중복 투자를 줄일 수 있으며, 제조공정을 단순화 시킬 수 있는 장점이 있다.
또한 이와 같은 방법으로 제조한 응집제는 안정성과 더불어 기존의 응집제에 비하여 빠른 반응성과 부유물제거에 탁월한 응집성능을 발휘하게 된다.
특히 반응은 상온에서도 가능하므로 보일러 등의 열원공급이 전혀 필요 없다.
본 발명은 상술한 바와 같은 황산알루미늄(AS)과 폴리염화알루미늄(PAC)의 각각의 단점인 단분자 및 낮은 염기도의 문제점을 해결함으로서, 높은 염기도에서도 고분자의 특성을 가지면서, 제품의 안정성을 유지하는 폴리수산화염화황산알루미늄(Polyaluminum hydroxy chloro sulfate, PAHCS)을 제조하는 방법을 제공하고져 하는 것으로서 이를 실시예를 들어 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 일반식
[Al2(OH)aClb(SO4)c]m
으로 표시되는
(상기에서 a+b+2c=6, 3≤a≤5, 0.9≤b≤2.9, 0.05≤a≤0.5, m<10)
통상의 수처리 응집제인 폴리수산화염화황산알루미늄에 있어서,
Al2O3 고형분7~17%의 황산알루미늄 5wt%~20wt% 또는 Al2O3 고형분5~10%의 폴리황산알루미늄(PAS) 5wt%~20wt% 중에서 선택된 어느하나와 Al2O3 고형분11~18%인 폴리염화알루미늄(PAC) 50wt%~87wt% 를 15~50%의 알카리수용액 9wt%~30wt%의 존재하에서 30~60℃ 를 유지하면서 반응시켜 폴리수산화염화황산알루미늄을 제조하는 것에 특징이 있다.
상기에서 폴리황산알루미늄(PAS)은
일반식
[Al2(OH)n(SO4)3-n/2]m으로 표시되는 것으로서
(상기에서 n은 1≤n≥5이며 m은 m＜10임)
Al2O3의 고형분이 7~17%인 황산알루미늄(AS) 5wt%~20wt%과 15~30%의 알카리수용액 9wt%~30wt%을 반응온도 30~60℃ 에서 30~60분 동안 반응시켜 제조한다.
상기에서 알카리수용액은 탄산나트륨(Na2CO3), 수산화나트륨(NaOH) 또는 수산화마그네슘(Mg(OH)2)중에서 선택된 어느 한가지를 사용 한다.
폴리황산알루미늄(PAS)은 염기도 및 중합도가 높을수록 물리화학적 영향을 받기 쉬우며, 특히 열역학적으로 불안정하게 되므로 고염기성 용액으로 만들기가 어렵다.
폴리황산알루미늄(PAS)의 응집특성은 염기도가 50%정도의 용액이 가장 좋으며 응집제의 응집성능, 제탁효과, 알카리조제의 절감효과, 적정주입율의 범위, 응집PH범위 등이 폴리염화알루미늄(PAC)과 유사하다.
PAS는 원래 성분 중에 다가음이온인 SO4 2-를 다량으로 함유하고 있기 때문에 염기도의 상승에 따른 폴리알루미늄이온의 증가에 의하여 복잡한 상호작용이 생기므로 PAC 등의 1가의 염기를 성분으로 하는 폴리알루미늄염과는 다른 거동을 나타내며 PH, 동결점, 안정성 등에 현저한 차이를 나타낸다.
즉, 폴리황산알루미늄(PAS)은 염기도 및 중합도가 높을수록 물리화학적 영향을 받기 쉬우며 특히 열역학적으로 불안정하게 되므로 높은 염기도의 제품을 만들기 어려우며 제조조건에 따라 약간의 차이를 나타낸다.
본 발명에서 제조되는 고염기도의 폴리수산화염화황산알루미늄(Polyaluminum hydroxy chloro sulfate, PAHCS)은 염기도 50~80%까지 제조할 수 있으며, 황산알루미늄(AS), 폴리염화알루미늄(PAC)등과 비교시 적은 투입량에도 빠른 반응성과 부유물의 응집성능에 탁월한 효과를 나타냈다.
실시예1
Al2O3 고형분8%를 갖는 황산알루미늄 720g을 반응기에 넣고 교반하면서 탄산나트륨수용액(탄산나트륨 60g과 물254g)을 천천히 반응기내로 투입하되, 이때 투입시간은 30분간 천천히 투입하고, 반응온도는 60℃ 이하로 유지하며, 탄산나트륨용액 투입이 완료되면 약30분간 동안 교반을 계속하면서 숙성시켜 1000g의 폴리황산알루미늄(PAS)을 얻었다.
상기 예에서 얻어진 응집제는 Al2O3 고형분5.8%, 염기도 23%의 폴리황산알루미늄으로서 폴리수산화염화황산알루미늄을 제조하는데 사용하였다.
실시예2
실시예1에서 제조된 폴리황산알루미늄 160g과 Al2O3 17%이고 염기도 38%인 폴리염화알루미늄 560g을 반응기에 순서대로 넣고 10분간 교반 후 탄산나트륨용액(탄산나트륨 60g과 물254g)을 천천히 반응기내로 투입한다.
이때 투입시간은 약30분간으로 하여 천천히 투입하고, 반응온도는 60℃ 이하로 유지하면서, 탄산나트륨용액 투입이 완료되면 약1시간동안 교반을 계속하면서 숙성시켜 1000g의 폴리수산화염화황산알루미늄(PAHCS)을 얻었다.
상기 예에서 얻어진 응집제 PAHCS는 Al2O3 고형분 10%, 염기도 60%였다.
실시예3
Al2O3 고형분8%의 농도를 갖는 황산알루미늄 120g과 Al2O3 농도17%이고 염기도 38%인 폴리염화알루미늄 560g을 반응기에 순서대로 넣고 10분간 교반 후 탄산나트륨용액(탄산나트륨 100g과 물277g)을 천천히 반응기내로 투입하되, 이때 투입시간은 30분간 천천히 투입하고, 반응온도는 60℃ 이하로 유지하며, 탄산나트륨용액 투입이 완료되면 약1시간동안 교반을 계속하면서 숙성시켜 1000g의 폴리수산화염화황산알루미늄(PAHCS)을 얻었다.
상기 예에서 얻어진 응집제 PAHCS는 Al2O3 농도 10%, 염기도 70%였다.
실시예4
Al2O3 8%의 농도를 가지는 황산알루미늄 120g과 Al2O3 농도17%이고, 염기도 40%인 폴리염화알루미늄 560g을 반응기에 순서대로 넣고 10분간 교반 후 탄산나트륨 50g과 수산화나트륨 38g 및 물 260g을 천천히 반응기내로 투입하되, 이때 투입시간은 30분간으로하여 천천히 투입하고, 반응온도는 60℃ 이하로 유지하며, 탄산나트륨용액 투입이 완료되면 약1시간동안 교반을 계속하면서 숙성시켜 1000g의 폴리수산화염화황산알루미늄(PAHCS)을 얻었다.
상기에서 얻어진 응집제 PAHSC는 Al2O3 농도10%, 염기도 68%였다.
첨부한 도1 내지 도3은 응집활성을 비교한 것으로 본 발명 실시예2에서 얻은 제품(PAHCS)을 AS, PAC 등과 비교한 그래프로서
도1은 pH 6.49, 탁도 31NTU의 원수를 사용하여 150rpm의 급속교반으로 1분간, 50rpm의 완속교반으로 5분간 교반후, 5분간 정치하였다가 탁도를 비교한 그래프이다.
도2는 pH 6.49, 탁도 31NTU의 원수를 사용하여 150rpm의 급속교반으로 1분간, 50rpm의 완속교반으로 15분간 교반후, 15분간 정치하였다가 탁도를 비교한 그래프이다.
도3은 pH 6.49, 탁도 31NTU의 원수를 사용하여 응집시 주입량에 따른 pH 변화를 비교한 그래프이다.
상기한 바와 같은 본 발명에 의해 제조된 수처리 응집제인 폴리수산화염화황산알루미늄(Polyaluminum hydroxy chloro sulfate, PAHCS)은 그것을 제조하는 원료인 황산알루미늄(AS)과 폴리염화알루미늄(PAC)을 직접 제조하여 사용해도 되지만 이 물질들은 현재 국내에서 많은 수처리제 제조업체들이 시판하고 있으므로, 그 제품을 구입해 원료로 사용하게되면 제조설비의 중복 투자를 줄일 수 있으면서, 제조공정을 단순화시킬 수 있어서 원가절감 효과가 있고, 더구나 본 발명 제조방법은 상온에서 반응을 시키므로써 가열 열원이 필요 없고, 반응시간이 짧아 저렴한 생산원가로 높은 효율의 제품을 얻을 수 있는 효과가 있으며, 상기와 같은 방법으로 제조한 본 발명 응집제는 황산알루미늄(AS)과 폴리염화알루미늄(PAC)의 각각의 단점 인 단분자 및 낮은 염기도의 문제점을 해결하여 높은 염기도로서 고분자의 특성을 가지며, 안정성과 빠른 반응성 및 부유물제거에 탁월한 응집성능을 갖는 효과를 얻을 수 있다.
Claims (3)
- 일반식[Al2(OH)aClb(SO4)c]m으로 표시되는(상기에서 a+b+2c=6, 3≤a≤5, 0.9≤b≤2.9, 0.05≤a≤0.5, m<10)통상의 수처리 응집제인 폴리수산화염화황산알루미늄(PAHCS)에 있어서,Al2O3 고형분7~17%인 황산알루미늄 5wt%~20wt% 또는 Al2O3 고형분5~10%인 폴리황산알루미늄(PAS) 5wt%~20wt% 중에서 선택된 어느하나와 Al2O3 고형분11~18%인 폴리염화알루미늄(PAC) 50wt%~87wt% 를 15~50%의 알카리수용액 9wt%~30wt%의 존재하에서 30~60℃ 를 유지하면서 반응시킴을 특징으로하는 수처리용 응집제인 폴리수산화염화황산알루미늄(Polyaluminum hydroxy chloro sulfate, PAHCS)의 제조방법.
- 제1항에 있어서, 폴리황산알루미늄(PAS)은일반식[Al2(OH)n(SO4)3-n/2]m으로서(상기에서 n은 1≤n≥5이며 m은 m＜10임)Al2O3의 고형분이 7~17%인 황산알루미늄(AS)과 15~50%의 탄산나트륨(Na2CO3) 수용액 9wt%~30wt%를 반응온도 30~60℃ 에서 30~60분 동안 반응시켜 제조함을 특징으로하는 수처리용 응집제인 폴리수산화염화황산알루미늄(Polyaluminum hydroxy chloro sulfate, PAHCS)의 제조방법.
- 제1항에 있어서, 알카리 수용액은 탄산나트륨(Na2CO3), 수산화나트륨(NaOH) 또는 수산화마그네슘(Mg(OH)2)중에서 선택된 어느 한가지를 사용 함을 특징으로하는 수처리용 응집제인 폴리수산화염화황산알루미늄(Polyaluminum hydroxy chloro sulfate, PAHCS)의 제조방법.
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