KR20200052315A - 수처리 공정 - Google Patents

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KR20200052315A
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그랜트 더글라스
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커먼웰쓰 사이언티픽 앤 인더스트리알 리서치 오거니제이션
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Abstract

실리카를 동시에 제거하고, 그리고 실리카 및 스케일 형성 이온을 내포하는 자연수 또는 폐수의 전체 경도를 감소시키기 위한 공정이 기술된다. 상기 공정은 상기 흐름의 pH를 pH > 8에서 유지하면서 (i) 수산화마그네슘 또는 수산화마그네슘의 전구체 및 (ii) 가용성 알루민산염 화합물 또는 알루민산염의 전구체를 상기 물에 첨가하여, 원지에서 이중층 수산화물을 생산하는 것을 포함하고, 여기서 이중층 수산화물은 이러한 이중층 수산화물의 격자에서 스케일 형성 이온을 내포하고, 그리고 실리카는 중간층 음이온으로서 이중층 수산화물의 격자에서 통합되고 및/또는 한 가지 또는 그 이상의 결합 방식을 통해 이중층 수산화물에 의해 결합된다.

Description

수처리 공정
기술 분야
본 발명은 수처리 공정, 특히 실리카를 제거하고, 그리고 실리카 및 스케일 형성 이온을 내포하는 자연수 또는 폐수의 전체 경도를 감소시키기 위한 공정에 관계한다.
배경
본 발명의 배경에 관한 하기의 논의는 본 발명에 관한 이해를 용이하게 하는 것으로 의도된다. 하지만, 상기 논의는 지칭된 임의의 물질이 본 출원의 우선권 일자에서 공개되거나, 공지되거나, 또는 통상적인 일반 상식의 일부임을 인정하거나 또는 시인하는 것이 아닌 것으로 인지되어야 하다.
자연수 또는 폐수로부터 실리카, 전체 경도 (용해된 Ca + Mg로서) 및 미립자성과 콜로이드성 물질의 효과적인 제거를 위한 공정은 재사용 또는 방출에 앞서, 다양한 산업 또는 섹터, 다양한 실례에 관해 말하자면, 직물 또는 석탄에 대한, 또는 음용수 공급을 위한 지표수 및 지하수 처리에 대한 주요 과제를 구성한다.
현재, 다양한 기술이 상기 목적을 달성하기 위해 종종 순차적 조합에서 이용될 수 있다. 적합한 실례는 미세여과, 한외여과, 역방향 또는 정방향 삼투, 이온 교환, 화학적 침전, 응집, 모래 (심층) 여과 및 (초)원심분리 중에서 한 가지 또는 그 이상을 포함하지만 이들에 한정되지 않는다.
실리카 제거에 대하여, 하소된 마그네시아 또는 수산화마그네슘이 다양한 성공 수준에서, 다양한 자연수와 폐수로부터 실리카를 제거하는데 이용되었다. 대안으로, 제조된 (미리 형성된) 이중층 수산화물 (이중층 수산화물 포함) 또는 하소된 유도체 둘 모두 자연수 또는 폐수로부터 실리카를 제거하는데 이용되었다. 일본 특허 공개 번호 JP 2012106227 (A)은 용해된 실리카를 통합하는 히드로탈시트의 구조 및 히드로탈시트 제거 효율이 Si 농도가 20 mg/L보다 높을 때 감소한다고 교시하고, 그리고 중화제, 예컨대 NaOH 또는 Ca(OH)2를 첨가하고, 그리고 철 또는 수산화알루미늄의 용해된 실리카 및 규산염 이온과의 공동침전물을 먼저 형성하기 위해 물의 pH를 5 내지 10의 pH로 조정함으로써 이러한 역치를 초과하는 실리카 함량을 갖는 물을 선처리하도록 권고한다. 공동침전물은 차후에, 분리되어 10 mg/L 이하의 Si 농도를 갖는 물이 생산된다. 이러한 선처리 단계는 높은 Si 함량 물을 다루기 위한 처리 플랜트 내로 복잡성 및 추가 자금 및 운전 비용의 투입을 필요로 한다.
상기 개설된 것들뿐만 아니라 막 오염 (및 증가된 운전 비용)에 대한 잠재력이 특히, 감소된 실리카 및 전체 경도에 의해 경감되는 다른 기술, 예컨대 역삼투의 활용에 대한 수반된 하류 유익성을 비롯하여, 물을 동시에 처리하여 실리카를 제거하고 경도/이온 강도를 감소시키는 것과 연관된 다양한 유익성이 있다.
현재까지, 하지만, 실리카 또는 다른 오염체의 농도를 부분적으로 감소시키는 하나 또는 그 이상의 선처리 단계의 부재에서, 실리카 (본원에서, 용액 조성 및 pH에 따라서 변할 수 있는 용해된, 중합성, 콜로이드성 또는 미립자성 형태로서 규정됨)를 동시에 제거하고, 경도를 감소시키고, 미립자성 (>1 μm)과 콜로이드성 (<1 μm) 모이어티를 제거하고, 그리고 많은 경우에, 처리된 물의 이온 강도를 또한 감소시킬 수 있는 기술은 없는 것으로 보인다.
따라서 물을 처리하여 실리카를 제거하고 전체 경도를 감소시키기 위한 대안적이고 더욱 효율적인 공정을 개발하는 것이 요구된다.
요약
예상치 않게 및 우연하게, 상당한 범위의 이온성 조성물에 걸쳐 있는 다양한 자연수와 폐수, 이온 강도, pH, 현탁된 고체 및 다른 수질 파라미터의 검사는 이중층 수산화물, 히드로탈시트, 칼슘 내포 이중층 수산화물 또는 유사체, 관련된 광물, 또는 이들의 혼합물 중에서 한 가지 또는 그 이상을 포함하고, 그리고 구조적 성분으로서 자연수 또는 폐수 내에 내포된 용해된 요소, 종 또는 복합체를 통합하는 다양한 조성물을 갖는 다양한 이중층 수산화물 광물의 원지 침전이 전술한 바람직한 결과 중에서 적어도 일부를 달성할 수 있다는 것을 드러냈다. 특히, 그리고 반직관적으로, 본 발명자는 스케일 형성 이온, 예컨대 마그네슘이 원지에서 형성된 그대로의 이중층 수산화물, 특히 히드로탈시트의 격자 내로 통합되기 때문에, 수산화마그네슘 또는 수산화마그네슘의 전구체를 첨가함으로써 경수에서 마그네슘의 농도를 증가시키는 것이 순 '연화' 효과를 갖는다는 것을 발견하였다.
본 발명자는 자연수 또는 폐수에서 실리카의 농도를 감소시키는 하나 또는 그 이상의 선처리 단계를 이용할 필요 없이, 실리카가 스케일 형성 이온과 동시에 제거될 수 있다는 것을 발견하였다.
본 발명의 한 양상에서 실리카를 제거하고, 그리고 실리카 및 스케일 형성 이온을 내포하는 자연수 또는 폐수의 전체 경도를 감소시키기 위한 공정이 제공되는데, 상기 공정은
pH > 8을 유지하면서 (i) 수산화마그네슘 또는 수산화마그네슘의 전구체 및 (ii) 가용성 알루민산염 화합물 또는 알루민산염의 전구체를 상기 물에 첨가하여 원지에서 이중층 수산화물을 생산하는 것을 포함하고, 여기서 이중층 수산화물은 이러한 이중층 수산화물의 격자에서 스케일 형성 이온을 내포하고, 그리고 실리카는 중간층 음이온으로서 이중층 수산화물의 격자에서 통합되고 및/또는 한 가지 또는 그 이상의 결합 방식을 통해 이중층 수산화물에 의해 결합된다.
한 구체예에서, 이중층 수산화물은 히드로탈시트를 포함한다.
한 구체예에서, 상기 공정은 (iii) 철 염 또는 화합물을 상기 물에 첨가하는 것을 더욱 포함할 수 있다.
일부 구체예에서, 수산화마그네슘 또는 수산화마그네슘의 전구체가 가용성 알루민산염 화합물 또는 알루민산염의 전구체에 앞서 상기 물에 첨가된다.
다른 구체예에서, 가용성 알루민산염 화합물 또는 알루민산염의 전구체가 수산화마그네슘 또는 수산화마그네슘의 전구체에 앞서 상기 물에 첨가된다.
실리카가 용해된 실리카를 포함하는 구체예에서, 한 가지 또는 그 이상의 결합 방식은 하기를 포함할 수 있다:
i) 이중층 수산화물 상에서 표면 침전;
ii) 이중층 수산화물에서 또는 이것과 연관된 프로토-알루미노규산염 광물로서 알루민산염 이온과의 복합화; 그리고,
iii) 이중층 수산화물의 격자에서 중간층 음이온으로서 규산염 음이온의 개재.
일부 구체예에서, 이중층 수산화물의 안면 또는 가장자리 상에서 표면 침전이 있을 수 있다. 용해된 실리카는 자연수 또는 폐수 내에 존재하는 중합성 규산염을 포괄하는 것으로 인지될 것이다.
실리카가 콜로이드성 또는 미립자성 실리카를 포함하는 구체예에서, 한 가지 또는 그 이상의 결합 방식은 하기를 포함할 수 있다:
i) 이중층 수산화물 형성을 위한 핵형성 부위를 제공;
ii) 이중층 수산화물 콜로이드/입자 사이에 가교를 제공, 그리고
iii) 이중층 수산화물 콜로이드/입자 내에 또는 이중층 수산화물 콜로이드/입자 응집체 내에 엔트레인먼트.
한 구체예에서, 상기 공정은 하기를 포함하는 다음의 차후 단계 중에서 하나 또는 그 이상을 더욱 포함할 수 있다:
a) 자연수 또는 폐수가 Sr2+, Ba2+ 및/또는 Ra2+를 내포하는 경우에, 상기 처리된 물에 과망간산염, 그 이후에 환원제를 첨가하여, 한 가지 또는 그 이상의 망간-내포 산화물/수산화물 화합물을 생산하고 과잉 과망간산염을 환원시키는 단계;
b) 상기 처리된 물에 또는 단계 a)에서 생산된 물에 과잉의 탄산염을 첨가하여, 용해된 칼슘을 탄산칼슘 고체로서 제거하는 단계;
c) 상기 처리된 물에 과잉 알루민산염을 첨가하고 염기로 pH를 10-12로 조정하여, 용해된 칼슘을 한 가지 또는 그 이상의 Ca-와 Al-보유 화합물로서 제거하는 단계; 그리고,
d) 단계 a), b) 및/또는 단계 c)에서 생산된 수처리 흐름으로부터 이중층 수산화물 및 임의적으로, 하나 또는 그 이상의 고체를 분리하는 단계.
한 구체예에서, 분리 단계는 기계적 및/또는 화학적 수단에 의해 달성될 수 있다. 예를 들면, 기계적 분리 기술의 적합한 실례는 접선 분리, 여과, 용존 공기 부상법, 원심분리, 또는 중력 또는 정화기 분리를 포함하지만 이들에 한정되지 않는다. 화학적 수단의 적합한 실례는 상기 수처리 흐름에 응집제 및/또는 응고제 또는 이들의 조합을 첨가하는 것을 포함하지만 이것에 한정되지 않는다.
한 구체예에서 수산화마그네슘의 전구체는 특히, 자연수 또는 폐수가 pH > 8을 가질 때, 알칼리 용액에서 수산화마그네슘을 생산할 수 있는 Mg-내포 전구체 화합물일 수 있다. 자연수 또는 폐수가 생래적으로 pH > 8일 수 있거나, 또는 수산화마그네슘 입자가 원지에서 침전되도록 pH를 > 8로 증가시키기 위해 화학적 작용제가 자연수 또는 폐수에 첨가될 수 있는 것으로 인지될 것이다. 적합한 전구체 화합물은 염화마그네슘, 황산마그네슘, 질산마그네슘 및 산화마그네슘을 포함하지만 이들에 한정되지 않는다.
한 구체예에서 가용성 알루민산염 이온의 전구체는 알칼리 금속 알루민산염 염, 황산알루미늄, 수산화알루미늄, 또는 알루미늄을 내포하는 유기금속 화합물이다.
단계 b)는 상기 흐름의 pH를 pH 완충제로 8 내지 11의 pH에서 유지하는 것을 포함할 수 있다. 적합한 pH 완충제의 실례는 탄산나트륨/중탄산나트륨 완충제를 포함하지만 이들에 한정되지 않는다.
한 구체예에서, 원지에서 형성된 이중층 수산화물은 재활용되고, 그리고 추가 물 흐름으로부터 오염체를 제거하기 위해 그것과 혼합될 수 있다. 오염체는 흡착, 이온-교환, 집합 또는 응집 과정을 통해 제거될 수 있다.
일부 구체예에서, 상기 공정은 또한, 자연수 또는 폐수로부터 다양한 오염체를 제거하는데 활용될 수 있다. 예를 들면, PFAS, PFOS 및 관련된 오염체를 중간층 음이온으로서 이중층 수산화물의 격자에 통합함으로써 및/또는 한 가지 또는 그 이상의 결합 방식을 통해 이중층 수산화물에 결합함으로써 PFAS, PFOS 및 관련된 오염체가 자연수 또는 폐수로부터 제거될 수 있다.
대안으로 또는 부가적으로, 세정제, 오일 및 석유 탄화수소 또는 이들의 혼합물이 원지에서 형성된 이중층 수산화물과의 무기-유기 복합체의 형성에 의해 자연수 또는 폐수로부터 제거된다.
구체예의 설명
본 발명은 실리카를 제거하고, 그리고 실리카 및 스케일 형성 이온을 내포하는 자연수 또는 폐수의 전체 경도를 감소시키기 위한 공정에 관계한다.
일반 용어
본 명세서 전반에서, 별도로 특정되지 않으면 또는 맥락에서 별도로 요구되지 않으면, 단일 단계, 물질 조성물, 단계의 군 또는 물질 조성물의 군에 대한 언급은 이들 단계들, 물질 조성물들, 단계의 군들 또는 물질 조성물의 군들 중에서 하나 및 복수 (다시 말하면, 하나 또는 그 이상)을 포괄하는 것으로 간주될 것이다. 따라서, 본원에서 이용된 바와 같이, 단수 형태 "a", "an" 및 "the"는 문맥에서 별도로 명시되지 않으면 복수 양상을 포함한다. 예를 들면, "a"에 대한 언급은 단일뿐만 아니라 2개 또는 그 이상을 포함하고; "an"에 대한 언급은 단일뿐만 아니라 2개 또는 그 이상을 포함하고; "the"에 대한 언급은 단일뿐만 아니라 2개 또는 그 이상을 포함하고, 기타 등등이다.
본원에서 설명된 본 발명의 각 실례는 별도로 특정되지 않으면, 각각의 모든 다른 실례에, 필요한 부분만 약간 수정하여 적용된다. 본 발명은 범위에서, 본원에서 설명된 특정한 실례에 의해 한정되지 않는데, 이들은 단지 예시를 목적으로 하는 것으로 의도된다. 기능적으로-동등한 산물, 조성물 및 방법은 명백히, 본원에서 설명된 바와 같은 본 발명의 범위 내에 있다.
용어 "및/또는", 예컨대 "X 및/또는 Y"는 "X 및 Y" 또는 "X 또는 Y"를 의미하는 것으로 이해될 것이고, 그리고 양쪽 의미 또는 어느 한쪽 의미에 대한 명시적 뒷받침을 제공하는 것으로 간주될 것이다.
본 명세서 전반에서, 단어 "포함한다" 또는 변이, 예컨대 "포함한다" 또는 "포함하는"은 언급된 원소, 완전체 또는 단계, 또는 원소, 완전체 또는 단계의 군의 포함, 하지만 임의의 다른 원소, 완전체 또는 단계, 또는 원소, 완전체 또는 단계의 군의 배제하지 않음을 암시하는 것으로 이해될 것이다.
비록 다수의 선행 기술에 관한 참조가 본원에서 이루어지긴 하지만, 이러한 참조는 임의의 이러한 정보가 오스트레일리아에서 또는 임의의 다른 국가에서 당해 분야에서 통상적인 일반 상식의 일부를 형성함을 시인하는 것으로 여겨지지 않는 것으로 명백하게 이해될 것이다.
별도로 규정되지 않으면, 본원에서 이용된 모든 기술 용어와 과학 용어는 본 발명이 속하는 당해 분야의 평균적 기술자에 의해 통상적으로 이해되는 바와 동일한 의미를 갖는다. 비록 본원에서 설명된 것들과 유사하거나 균등한 방법과 재료가 본 발명의 실시 또는 검사에 이용될 수 있지만, 적절한 방법과 재료가 하기에 설명된다. 충돌의 경우에, 정의를 비롯한 본 명세서가 우선할 것이다. 이에 더하여, 이들 재료, 방법, 그리고 실례는 단지 예시이고 제한하는 것으로 의도되지 않는다.
특정한 용어
본원에서 이용된 바와 같이, 용어 '실리카'는 물 내에 존재하는 실리카를 광범위하게 지칭한다. 용해된 실리카는 오르소-규산, 단위체성 오르소-규산염 음이온, 중합성 규산염 음이온, 0.01-1.0 마이크론의 범위에서 입자 직경 크기를 갖는 콜로이드성 실리카, 그리고 1.0- 100 마이크론의 범위에서 입자 직경 크기를 갖는 미립자성 실리카를 포함하지만 이들에 한정되지 않는 여러 상이한 형태로 물 내에 존재할 수 있는 것으로 인지될 것이다. 입자 및 콜로이드는 또한, 다른 원소와 연관된 실리카를 내포할 수 있는 것으로 인지될 것이다.
본원에서 이용된 바와 같이, 표현 '전체 경도'는 하기 공식으로 계산될 때, 탄산칼슘의 당량으로서 표현된 칼슘과 마그네슘 이온의 농도를 지칭한다:
전체 경도 (mg/L CaCO3 당량) = 2.5* Ca2+ (mg/L) + 4.1* Mg2+ (mg/L)
본원에서 이용된 바와 같이, 표현 '스케일 형성 이온'은 경수에서 발견되고, 그리고 경수와 접촉하여 표면상에서 음성으로 하전된 음이온과 결합되거나 또는 만약 그렇지 않으면 연관될 때 수불용성 광물 염 또는 스케일을 발생시킬 수 있는 이가 알칼리성 토류 양이온을 지칭한다. 예시적인 스케일 형성 이온은 Ca2+, Mg2+ 및 Ba2+를 포함하지만 이들에 한정되지 않는다. 다른 스케일 형성 이온은 또한, 전이 금속, 예컨대 Fe2+/Fe3+ 및 Mn2+/Mn4+를 포함할 수 있지만 이들에 한정되지 않는다.
'자연수 또는 폐수' 또는 '물'에 대한 언급은 실리카 및 스케일 형성 이온을 내포하는 임의의 물을 지칭하는데 이용될 것이다. 예시적인 물은 지표수, 지하수, 생산수, 도시 용수, 공정 용수, 빗물, 산업 처리, 농업 처리, 광물 처리로부터 유래된 폐수, 광산 광폐수, 광석 오버버든 또는 폐기물 암석 누수 또는 배수, 탈염 플랜트로부터 농축물 흐름, 이온 교환수, 보일러수, 유전수 등을 포함하지만 이들에 한정되지 않는다.
본원에서 이용된 바와 같이, 용어 '히드로탈시트' (HT)는 Mg2+ 및 Al3+을 우세한 양이온으로서 포함하는 이중층 수산화물 (LDH)의 통상적인 형태를 지칭한다. LDH는 물 분자 및 다양한 치환성 음이온을 내포하는 중간층에 의해 분리된 양성으로 하전된 혼합된 금속 수산화물 층에 의해 특징화되는, 한 부류의 자연발생 물질 및 합성적으로 생산된 물질이다. LDH는 가장 흔하게는, 중간 내지 높은 pH에서 이가 (예를 들면, Mg2+, Fe2+) 및 삼가 (예를 들면, Al3+, Fe3+) 금속 양이온 용액의 공동침전에 의해 형성된다.
히드로탈시트는 하기 일반식 (1)에 의해 대표될 수 있고:
Mg(1-x) 2+ Alx 3+ (OH)2 An- y H2O (1)
여기서 An-은 원자가 n의 중간층 음이온이다. x 값은 삼가 금속 이온의 비율 대 총량 금속 이온의 비율을 나타내고, 그리고 y는 가변적인 양의 중간층 물을 표시한다. 다른 이가와 삼가 금속 양이온이 각각, 용해 상태에서 그들의 상대적 농도에 따라서 Mg2+ 및 Al3+을 대체할 수 있는 것으로 인지될 것이다. 따라서, 형성과 용해 화학의 방법의 반영, 그리고 히드로탈시트가 생산된 물리화학적 조건에서 임의의 부가 또는 변화로서 히드로탈시트의 조성에서 변화가 있을 것이다.
LDH 또는 HT 구조 내에는, 전술된 바와 같이 이가 양이온에 대한 삼가 양이온의 제한된 치환으로 인해 순 양성 전하를 보유하는 팔면체 금속 수산화물 시트가 있다. 결과로서, 넓은 범위의 무기 또는 유기 음이온을 LDH 또는 HT 구조 내로 대체하는 것이 가능하다. 이들 음이온은 "중간층 음이온"으로서 종종 지칭되는데, 그 이유는 이들이 수산화물 물질의 층 사이에 적합되기 때문이다.
본원에서 이용된 바와 같이, 용어 '망간-내포 산화물/수산화물 화합물'은 M(Mn2+)(Mn4+)8O16(OH)4 또는 (M,H2O)2Mn5O10으로서 표현되는 일반식을 갖는 무정형 산화망간, 특히 경망간석의 군을 지칭하는데, 여기서 M은 Ba, Sr 및/또는 Ra일 수 있다.
실리카를 제거하고 전체 경도를 감소시키기 위한 공정
본 발명은 실리카를 제거하고, 그리고 실리카 및 스케일 형성 이온을 내포하는 자연수 또는 폐수의 전체 경도를 감소시키기 위한 공정을 제공한다.
상기 공정은 원지에서 히드로탈시트를 생산하기 위해, pH > 8을 유지하면서 (i) 수산화마그네슘 또는 수산화마그네슘의 전구체 및 (ii) 가용성 알루민산염 화합물 또는 알루민산염의 전구체를 상기 물에 첨가하는 것을 수반한다.
본 발명자는 스케일 형성 이온, 예컨대 마그네슘이 원지에서 형성된 그대로의 이중층 수산화물의 격자 내로 통합되기 때문에, 수산화마그네슘 또는 수산화마그네슘의 전구체를 첨가함으로써 경수에서 마그네슘의 농도를 증가시키는 것이 순 '연화' 효과를 갖는다는 것을 반직관적으로 발견하였다. 용해 상태에서 마그네슘 이온의 결과적인 감소는 특히, 전체 경도를 계산하기 위한 방정식 (다시 말하면, 전체 경도 (mg/L CaCO3 당량) = 4.1*Mg2+ (mg/L) + 2.5* Ca2+ (mg/L))에 따라서, 물에서 전체 경도가 용해 상태에서 칼슘의 농도 (2.5 인자)보다 용해 상태에서 마그네슘의 농도 (4.1 인자)에 1.6배 이상 의존하기 때문에, 처리된 자연수 또는 폐수에서 경도 및 이온 강도를 감소시키는데 주요 인자이다.
수산화마그네슘은 고체 미립자로서 또는 슬러리 또는 현탁액으로서 상기 물에 첨가될 수 있다. 현탁 상태에서 수산화마그네슘 입자는 용해 상태에서 알루민산염의 존재에서 이중층 수산화물 입자의 형성과 성장을 위한 핵형성 부위로서 행동한다. Mg(OH)2 입자상에서 이중층 수산화물의 형성은 특히, Mg(OH)2 입자상에서 이중층 수산화물의 부분적인 또는 완전한 적충 층, 코팅 또는 필름의 형성에 의한 적충 성장을 통해 일어날 수 있다. 프로토-이중층 수산화물 또는 이중층 수산화물의 관련된 전구체 상은 수산화마그네슘 입자상에서 동시에 형성될 수 있는 것으로 인지될 것이다. 프로토-이중층 수산화물, 이중층 수산화물의 관련된 전구체 상, 또는 이중층 수산화물 그 자체의 조성 및 결정화도는 자연수 또는 폐수의 우세한 물리화학적 조건 및 용액 조성에 의하여 시간의 추이에서 변할 수 있다.
수산화마그네슘의 전구체는 알칼리 용액에서 수산화마그네슘을 생산할 수 있는 Mg-내포 전구체 화합물일 수 있다. 적합한 전구체 화합물은 과산화마그네슘, 염화마그네슘, 황산마그네슘, 질산마그네슘 및 산화마그네슘을 포함하지만 이들에 한정되지 않는다. Mg-내포 전구체 화합물은 특히, 상기 물이 알칼리성일 때, 고체 미립자로서 또는 용액으로서 상기 물에 첨가되고, 따라서 원지에서 수산화마그네슘 입자를 침전시킬 수 있다. 과산화마그네슘은 물에서 자연발생적으로 반응하여 수산화마그네슘 및 과산화수소를 형성하고, 따라서 원지에서 이중층 수산화물 형성을 위한 수산화마그네슘의 전구체 및 과망간산염 또는 만약 그렇지 않으면 임의의 반응성 무기물질 및/또는 유기물질을 환원시키기 위한 환원제 둘 모두로서 이중 목적을 수행한다.
대안으로, 수산화마그네슘의 전구체는 자연수 또는 폐수 내에 이미 존재하는 용해된 마그네슘일 수 있는데, 여기서 수산화마그네슘은 pH > 9일 때 원지에서 산출된다.
가용성 알루민산염 화합물은 알칼리 금속 알루민산염 염, 예컨대 알루민산나트륨, 나트륨 알루미나, 수산화알루미늄 등일 수 있다. 가용성 알루민산염 화합물은 고체 미립자로서 또는 용액으로서 상기 물에 첨가될 수 있다.
알루민산염 이온의 전구체는 특히, pH > 8에서 알칼리 용액에서 알루민산염 이온을 생산할 수 있는 임의의 알루미늄-내포 화합물일 수 있다. 이런 알루미늄-내포 화합물의 적합한 실례는 황산알루미늄, 질산알루미늄, 염화알루미늄, 불안정 알루미늄 배위 복합체, 또는 알루미늄을 내포하는 유기금속 화합물을 포함하지만 이들에 한정되지 않는다. 알루미늄-내포 화합물은 특히, 상기 물이 알칼리성일 때, 고체 미립자로서 또는 용액으로서 상기 물에 첨가되고, 따라서 원지에서 알루민산염 이온을 형성할 수 있다.
일부 구체예에서, 수산화마그네슘 또는 수산화마그네슘의 전구체가 가용성 알루민산염 화합물 또는 알루민산염의 전구체에 앞서, 상기 물에 첨가될 수 있다.
다른 구체예에서, 가용성 알루민산염 화합물 또는 알루민산염의 전구체가 수산화마그네슘 또는 수산화마그네슘의 전구체에 앞서, 상기 물에 첨가될 수 있다.
Ca 농도가 높은 특히 경성 폐수에서는, 바람직하게는 알루민산염 염으로서 추가 알루미늄이 전술된 바와 같이 이중층 수산화물의 형성 동안 또는 다음에 첨가될 수 있다. 이러한 특정한 구체예에서, 10 및 12 사이의 최종 pH를 달성하여, 이중층 수산화물, 알루민산칼슘 수화물 또는 알루민산 삼칼슘의 이중층 수산화물 Ca-풍부한 유사체인 히드로칼루마이트를 포함하는 한 가지 또는 그 이상의 혼합된 Ca-와 Al-보유 침전물의 형성을 유발하기 위해, 알루민산염이 염기 (예를 들면, NaOH)와 함께 첨가될 수 있다. 이런 혼합된 Ca-와 Al-보유 침전물은 공동침전되거나 또는 이중층 수산화물과의 고체-용액 계열을 형성하여 혼합된 이질성 Mg-Ca-Al 침전물을 형성할 수 있다.
본 발명자들은 또한, Fe가 임의적으로, 가용성 Fe 염의 형태에서 또는 미립자성 또는 콜로이드성 Fe 화합물, 예컨대 페리하이드라이트, 침철석 또는 다른 산화철, 수산화물 또는 옥시수산화물 형태로서 상기 물에 첨가될 수 있다는 것을 발견하였다. 이런 화합물은 무정형 또는 결정성일 수 있다. 특히, 가용성 염으로서 Fe의 첨가는 유리하게는, (i) 이중층 수산화물 형성을 위한 기질을 형성하고, (ii) 일단 이중층 수산화물이 형성되면, 잔여 가용성 Al에 대한 스캐빈저로서 행동하고, 그리고 (iii) 또한, 이중층 수산화물 결정 또는 결정 응집체 사이에 가교로서 행동함으로써 이중층 수산화물의 응집에 대한 우연한 효과를 가질 수 있다.
가용성 Mg의 감소에 더하여, 중간층 음이온으로서 이중층 수산화물의 격자에서 통합을 통해 및/또는 한 가지 또는 그 이상의 결합 방식을 통해 이중층 수산화물에 결합함으로써 실리카의 동시적 제거 또한 있을 수 있다. 실리카가 이중층 수산화물에 결합되는 한 가지 또는 그 이상의 결합 방식은 실리카가 용해 상태에서, 중합성 실리카를 포함하는 용해된 실리카로서 또는 콜로이드성 또는 미립자성 실리카로서 존재하는 지에 의존할 것이다. 이것은 차례로, 상기 물의 초기 용액 pH, 조성 및 물리화학적 조건에 강하게 의존한다.
예를 들면, 실리카가 용해된 실리카를 포함할 때, 이것은 상기 물 내에서 오르소-규산염 또는 중합성 규산염 음이온 (다시 말하면, 중합성 실리카)로서 존재할 수 있다. 이들 음이온은 표면 침전에 의해 또는 알루민산염 이온과의 복합화에 의해 이중층 수산화물에 결합하여, 이중층 수산화물에서 또는 이것과 연관된 프로토-알루미노규산염 광물을 형성할 수 있다. 표면 침전은 이중층 수산화물의 안면 또는 가장자리에서 일어날 수 있다. 대안으로, 규산염 음이온은 중간층 음이온으로서, 이중층 수산화물의 격자에서 통합될 수 있다.
대안으로, 실리카가 상기 물에서 콜로이드성 또는 미립자성 실리카로서 존재할 때, 상기 콜로이드성 또는 미립자성 실리카는 이중층 수산화물 입자의 형성과 성장을 위한 핵형성 부위로서 기능하거나, 이중층 수산화물 콜로이드/입자 사이에 가교를 형성하거나, 또는 처리된 물에서 이렇게 형성된 이중층 수산화물의 집괴를 보조하는, 이중층 수산화물 콜로이드/입자 내에 또는 이중층 수산화물 콜로이드/입자 응집체 내에 엔트레인먼트를 제공할 수 있다.
유리하게는, 자연수 또는 폐수로부터 실리카의 제거를 위한 다른 공정과 비교하여, 만약 실리카가 상기 물에서 전술된 2가지 또는 그 이상의 형태로 존재하면, 실리카가 형태와 상관없이, 원지에서 형성된 그대로의 이중층 수산화물 내로 통합 또는 이것과의 결합에 의해, 처리된 물로부터 효과적으로 제거될 수 있는 여러 결합 방식이 있다. 자연수 또는 폐수로부터 실리카를 제거하는 다른 방법은 여러 독립된 단일 기전, 예컨대 흡착제에 의한 흡착 또는 예를 들면, 산화마그네슘과의 상호작용을 통한 침전에 의존하고, 따라서 자연수 또는 폐수로부터 실리카의 제거를 위한 다단계 공정이 필요하다.
게다가, 본원에서 설명된 바와 같은 공정은 추가 시약 및 분리 단계를 필요로 하는 오염체의 단계별 제거보다는, 자연수와 폐수로부터 마그네슘, 실리카, 미립자 및 콜로이드의 동시적 제거를 제공한다. 결과적으로, 상기 공정은 특히, 자연수 또는 폐수의 연속 흐름이 이들 오염체 중에서 한 가지 또는 그 이상을 제거하는 별도의 처리(들) (이것과 연관된 추가 자금 및 운전 비용의 투입이 필요하다)를 위한 흐름 오프라인을 취해야 필요 없이, 예를 들면 상기 흐름 내로 시약의 순차적 주입에 의해, 본원에서 설명된 바와 같은 공정에 따라서 처리될 수 있기 때문에, 생래적으로 작업하기가 단순하다.
게다가, 본원에서 설명된 바와 같은 공정은 상기 물에서 Si 농도를 감소시키는 하나 또는 그 이상의 선처리 단계에 대한 필요 없이 수행될 수 있다.
다양한 구체예에서, 자연수 또는 폐수는 원지에서 이중층 수산화물의 형성을 가능하게 할 뿐만 아니라 이의 안정성을 증강하기 위해 8.0 및 11 사이의 pH에 있을 수 있다. 특히, 너무 낮은 pH는 Mg 및 이후, Al의 부분적인 용해를 야기할 수 있고, 반면 pH > 11에서 또한 부분적인 Al 용해가 있을 가능성이 높다. 비록 부분적인 Mg와 Al 용해가 원지에서 형성된 이중층 수산화물의 양을 감소시킬 것이긴 하지만, 현탁 상태에서 불안정한, 반응성 이중층 수산화물 고체의 존재 역시 하류의 침전 또는 분리 과정에 대한 유해한 효과를 줄 것이다.
자연수 또는 폐수의 pH는 수산화나트륨 또는 유사한 수산화물 염의 첨가에 의해 pH > 8, 특히 8 내지 11의 범위에서 pH로 조정될 수 있다. 실제로, 자연수 또는 폐수의 pH는 생래적으로, 또는 수산화마그네슘, 수산화마그네슘의 전구체, 가용성 알루민산염 화합물 및/또는 알루민산염 이온의 전구체의 첨가의 덕택으로 8 내지 11의 pH 범위에 있을 수 있다. 그럼에도 불구하고, 일부 구체예에서는 pH를 8 내지 11의 범위에서 유지하기 위해 완충제가 자연수 또는 폐수에 첨가될 수 있다 (고체, 용액, 또는 현탁액으로서). 적합한 pH 완충제는 자연수 또는 폐수의 pH를 8 내지 11의 범위에서 유지할 수 있는 한 가지 또는 그 이상의 수용성 화합물을 포함한다. 예시적인 pH 완충제는 중탄산염/탄산염 완충제, 예컨대 중탄산나트륨 및 탄산나트륨의 혼합물을 포함하지만 이것에 한정되지 않는다.
본원에서 설명된 공정에서 이들 탄산염 완충제는 또한, 원지에서 형성되는 이중층 수산화물 광물에 대한 최적 pH를 유지할 뿐만 아니라 용해된 Ca를 제거하고, 그리고 따라서 자연수 또는 폐수를 더욱 연화시키는 추가 기능을 갖는다.
이런 이유로, 중탄산염/탄산염 완충제를 이용하는 예상치 못한 조합 이점은 이중층 수산화물의 원지 형성과 침전에 더하여, 원지 탄산칼슘 침전으로 인해 용해 상태에서 칼슘 이온이 감소한다는 것이다 (다시 말하면, 물 경도에서 추가 감소). 게다가, 처리된 물에서 현탁된 고체 (이중층 수산화물 및 탄산칼슘)의 농도가 증가되어, 하류의 증강된 전반적인 침전 및 부수적으로, 증강된 용질 회수가 유발된다.
자연수 또는 폐수는 용해 상태에서 다른 이가 또는 삼가 금속 양이온 및/또는 다양한 다원자성 음이온을 내포할 수 있는 것으로 인지될 것인데, 이들 중에서 일부는 또한, 이중층 수산화물의 격자에서 또는 이중층 수산화물이 원지에서 형성될 때 중간층 음이온으로서 우발적으로 또한 통합될 수 있는 스케일 형성 (예를 들면, Fe 및 Mn)이다. 대안으로, 자연수 또는 폐수 내에 존재하는 철과 망간 수산화물 또는 산화물은 이중층 수산화물의 원지 형성 동안 이중층 수산화물 입자, 또는 이중층 수산화물 콜로이드/입자 집괴 내에서 흡착 또는 물리적 엔트레인먼트에 의해 그것으로부터 제거될 수 있다. 게다가, 자연수 또는 폐수에서 실리카 이외의 다른 미립자성 또는 콜로이드성 종이 이중층 수산화물 입자에 대한 핵형성 부위 및/또는 가교화 노드를 포함할 수도 있다.
게다가, 일부 유기 오염체, 예컨대 퍼-와 폴리-플루오로알킬 물질 (PFAS) 및 관련된 모이어티, 예컨대 퍼플루오로옥타슬포네이트 (PFOS) 및 퍼플루오로옥탄산 (PFOA) 또한, 본원에서 설명된 바와 같은 공정을 이용함으로써 폐수로부터 제거될 수 있는데, 그 이유는 이런 유기 오염체가 원지에서 형성된 이중층 수산화물에 대한 강한 친화성을 갖기 때문이다, 특히 PFAS가 이중층 수산화물 형성이 발생하는 pH 범위에서 음이온성이기 때문이다. PFAS가 제거될 수 있는 방식 중에서 일부는 이중층 수산화물 형성을 위한 기질로서 이용될 때 수산화마그네슘 입자에 정전 결합, 중간층 음이온으로서 이중층 수산화물의 중간층 내에 통합, 이중층 수산화물 입자의 가장자리에 부착 또는 결합을 포함하지만 이들에 한정되지 않는다. 대안으로, PFAS 및 관련된 모이어티는 수처리 공정의 일부로서 첨가될 수 있는 다른 유기 화합물, 예컨대 나트륨 도데실 황산염 (SDS)와 상종할 수 있다. 중간층에서 SDS의 통합은 이중층 수산화물 형성 동안 이중층 수산화물의 중간층 내로 PFAS 및 관련된 모이어티의 개재를 가능하게 할 수 있다.
상기 설명에도 불구하고, 본원에서 설명된 바와 같은 공정은 물 경도에 직접적으로 기여하거나, 또는 오염체로서 또는 분리하는 것이 바람직한 것으로 간주되는 이가 금속 양이온의 농도를 감소시키는 하나 또는 그 이상의 차후 단계를 더욱 포함할 수 있다.
자연수 또는 폐수가 Sr2+, Ba2+ 및/또는 Ra2+를 내포하는 구체예에서, 한 가지 차후 단계는 과망간산염을 상기 처리된 물에 첨가하고, 그 이후에 한 가지 또는 그 이상의 망간-내포 산화물/수산화물 화합물을 생산하고 과잉 과망간산염을 환원시키기 위한 환원제를 첨가하는 것을 포함한다. 과망간산염은 가장 편의하게는, 가용성 과망간산염 염, 예컨대 칼륨 과망간산염의 형태에서 첨가된다. 일부 용액 조성물에는 원지에서 생산된 이중층 수산화물에서 중간층 음이온으로서 과망간산염의 통합이 있을 수 있는 것으로 인지될 것이다.
환원제는 과망간산염을 한 가지 또는 그 이상의 망간-내포 산화물/수산화물 화합물, 특히 경망간석 및 이산화망간으로 환원시킬 수 있는 임의의 화학적 화합물일 수 있다. 적합한 환원제는 과산화수소, 과산화물 염, 특히 과산화마그네슘 또는 과산화칼슘, 아스코르빈산 및/또는 아스코르브산염 염을 포함할 수 있지만 이들에 한정되지 않는다. 환원제, 예컨대 과산화수소는 자연수 또는 폐수에 직접적으로 첨가될 수 있거나, 또는 과산화마그네슘의 자연수 또는 폐수와의 반응에 의해 원지에서 형성될 수 있는 것으로 인지될 것이다.
과잉 과산화수소가 과산화물 염의 물과의 반응으로부터 생산되는 경우에, 과망간산염 농도와 상관없이, 원지에서 산출되는 과산화수소는 유리하게는, 생물학적 또는 화학적 산소 요구량을 감소시키는, 자연수 또는 폐수 내에 존재하는 다른 무기 및/또는 유기 화합물에 대한 산화제로서 역할을 할 수 있다.
상기 처리된 물의 pH를 8 내지 11의 범위에서 유지하는데 활용되는 중탄산염/탄산염 완충제에 더하여, 상기 공정은 상기 처리된 물에 또는 과망간산염으로 처리된 물에 과잉의 탄산염, 그리고 용해된 칼슘을 탄산칼슘 고체로서 제거하기 위한 환원제를 차후에 첨가하는 것을 더욱 포함할 수 있다. 과잉의 탄산염은 고체로서, 또는 알칼리 탄산염 염, 예컨대 탄산나트륨, 탄산칼륨 또는 탄산리튬의 용액으로서 편의하게 첨가될 수 있다.
상기 공정은 이중층 수산화물, 그리고 임의적으로, 선행하는 수처리 단계로부터 한 가지 또는 그 이상의 고체, 예컨대 탄산칼슘 및 한 가지 또는 그 이상의 망간-내포 산화물/수산화물 화합물, 특히 경망간석 및 이산화망간을 분리하는 것을 더욱 포함할 수 있다.
이중층 수산화물을 형성하는데 필요한 다른 시약, 또는 이것을 형성하는데 필요한 것들에 더하여 다른 시약의 첨가는 이들이 관심되는 표적 이온의 침전과 제거에 기여할 뿐만 아니라 이들이 공동침전 및 더욱 효과적인 침전, 그리고 따라서 용액으로부터 고체의 분리를 보조하기 때문에, 본원에서 설명된 바와 같은 수처리 공정에 주목할 만한 이점을 제공한다. 특히, 수산화마그네슘 및 이중층 수산화물의 밀도는 각각, 대략 2.3 g/cm3 및 2.0 g/cm3이다. 수산화마그네슘 및 원지에서 형성된 이중층 수산화물의 조합은 그들의 상대적으로 높은 밀도를 고려하면, 본원에서 설명된 공정에 따라서 처리된 자연수 또는 폐수로부터 입자 및 콜로이드의 증강된 침전을 가능하게 할 것으로 인지될 것이다.
이중층 수산화물 및 임의적으로, 한 가지 또는 그 이상의 고체를 분리하는 것은 기계적 및/또는 화학적 수단에 의해 달성될 수 있다. 예를 들면, 기계적 분리 기술의 적합한 실례는 접선 분리, 여과, 용존 공기 부상법, 원심분리, 또는 정화기 또는 중력 분리를 포함하지만 이들에 한정되지 않는다.
화학적 수단의 적합한 실례는 응집제 및/또는 응고제를 상기 수처리 흐름에 첨가하는 것을 포함하지만 이것에 한정되지 않는다. 폴리글루타민산, 감마 폴리글루타민산, 카라기닌, 난백 단백질, 양이온성 변형된 전분 및 부레풀을 포함하지만 이들에 한정되지 않는, 자연 또는 변형된 자연 물질로부터 유래된 응집제는 모두, 단독적으로 및 조합으로, 임의적으로 합성 응집제와 조합으로, 본원에서 설명된 바와 같은 방법에서 이중층 수산화물의 응집 및 침전에서 효과적인 것으로 증명되었다.
본원에서 설명된 바와 같은 공정은 배치 방식, 연속 배치 방식 또는 양수 처리 (연속) 방식으로 수행될 수 있다. 수산화마그네슘 (또는 수산화마그네슘의 전구체), 가용성 알루민산염 화합물 (또는 알루민산염의 전구체) 및 완충제(들)는 서로에 대하여 순차적으로 또는 별개의 공급 흐름으로서 동시에, 자연수 또는 폐수에 첨가될 수 있다.
특정한 구체예에서, 수산화마그네슘 (또는 수산화마그네슘의 전구체)가 가용성 알루민산염 화합물 (또는 알루민산염의 전구체)에 앞서 자연수 또는 폐수에 첨가되고, 그 이후에 만약 가용성 알루민산염 화합물 (또는 알루민산염의 전구체)이 완충된 알칼리 용액에서 제공되지 않으면, 완충제의 용액이 첨가된다. 수산화마그네슘 (또는 수산화마그네슘의 전구체), 가용성 알루민산염 화합물 (또는 알루민산염의 전구체) 및 pH 완충제는 본원에서 집합적으로 "이중층 수산화물 시약"으로서 지칭될 수 있다. 이러한 첨가 순서는 pH를 > 8로 증가시키기에 앞서, 원지에서 이중층 수산화물을 형성하는데 적합한 마그네슘-내포 및 알루미늄-내포 모이어티가 용해 상태에서 이미 존재하도록 담보한다. 일부 구체예에서, 필요하면, pH 완충제가 차후에 첨가될 수 있다.
배치 또는 연속 배치 방식에서, 원지에서 이중층 수산화물 형성을 위한 온당한 용질 조성을 유지하기 위해, 이중층 수산화물 시약 중에서 한 가지 또는 그 이상이 자연수 또는 폐수에 연속적으로 또는 간헐적으로 첨가될 수 있다. 이중층 수산화물 시약의 순차적 (또는 동시적) 첨가는 또한, 이중층 수산화물, 그리고 임의적으로, 탄산칼슘 또는 한 가지 또는 그 이상의 망간-내포 산화물/수산화물 화합물 중에서 한 가지 또는 둘 모두가 정화기에서 원지에서 형성되는 동안, 침전된 이중층 수산화물의 침전과 제거를 제공하도록 설정되는 정화기 또는 유사한 기구 내에서 연속 배치 방식으로 발생할 수 있다.
양수 처리 방식에서, 이중층 수산화물 시약은 자연수 또는 폐수의 유동 흐름 내로 순차적으로 첨가될 수 있다. 인-파이프 혼합이 이중층 수산화물 시약의 균질한 분포를 달성하는데 불충분한 경우에, 배플, 탱크 또는 와동 혼합기가 바람직하게는, 차후 이중층 수산화물 시약을 첨가하기에 앞서, 효과적인 혼합을 담보하는데 이용될 수 있다. 원지에서 이중층 수산화물 형성 및 고체, 예컨대 망간-내포 산화물/수산화물 화합물 (특히, 경망간석 및 이산화망간) 및/또는 탄산칼슘이 형성되는 다른 차후 단계를 위한 이중층 수산화물 시약에 대한 충분한 체류 시간 역시 당업자에 의해 충분히 이해되는 여러 전통적인 기술에 의해 가능해질 수 있다. 이런 전통적인 기술은 정적 또는 교반된 반응기에서 더욱 많은 파이프를 추가함으로써 자연수와 폐수의 통로 길이를 증가시키거나, 유속을 감소시키거나, 과다유출 도관의 용적을 증가시키거나, 또는 필요에 따라 다른 수단을 포함하지만 이들에 한정되지 않는다.
추가 구체예에서, 자연수 또는 폐수의 2개 또는 그 이상의 병렬 흐름은 이들 2개 또는 그 이상의 병렬 흐름이 차후에, 수처리 공정을 최적화하도록 선택된 순서로 조합될 때, 원지에서 이중층 수산화물을 형성하는데 충분한 양에서 한 가지 또는 그 이상의 이중층 수산화물 시약으로 증강될 수 있다.
본원에서 설명된 바와 같은 공정은 다양한 결합 방식에 의해 스케일 형성 이온, 특히 Mg 및 실리카를 동시에 제거하여, Mg 및 Ca에서 감소를 통한 연화를 위한 효과적인 공정을 유발하는, 이중층 수산화물의 원지 형성을 제공한다. 실리카 제거는 이중층 수산화물의 원지 형성을 통해 달성될 수 있는데, 여기서 4가지 별개의 반응 기전이 작동하고, 그리고 시약의 순차적 첨가 이후에 규정된 순서로 일어난다. 구체적으로,
1) Mg(OH)2, 또는 수산화마그네슘의 전구체의 첨가 이후에, 실리카의 콜로이드성, 중합성 또는 단량체성 형태 중에서 한 가지 또는 그 이상의 표면 복합화;
2) 가용성 알루민산염 화합물 또는 알루민산염의 전구체의 첨가 이후에, 중간층 음이온으로서 이중층 수산화물에서 차후 통합으로 알루미노규산염 모이어티의 형성, 또는 그 후에, 이중층 수산화물과의 집합/응집을 통한 제거;
3) 수산화나트륨의 첨가 이후에, 폐수에서 첨가된 시약 및/또는 Mg2+ 및 Ca2+ 양이온으로부터 이중층 수산화물 자가조립, 또는 수산화마그네슘 입자상에서 적충 성장. 이중층 수산화물 자가조립 동안, 중합성 및 단량체성 실리카 또한, 중간층 음이온으로서 및 이중층 수산화물 입자 가장자리의 리간드 복합화를 통해 통합될 수 있다; 그리고
4) 원지에서 형성된 그대로의 이중층 수산화물 입자 또는 응집체 내에서 핵형성 및/또는 공동침전을 통한 콜로이드성 실리카 및 알루미노규산염 모이어티의 제거.
유리하게는, 이중층 수산화물 내로 마그네슘 및 칼슘 둘 모두 통합이 용액으로부터 직접적으로 발생하여 폐수의 전체 경도에서 순 감소를 야기할 수 있다. 전체 경도에서 순 감소를 야기하는, 다양한 형태의 실리카 및 마그네슘 및 칼슘의 제거의 조합 효과는 기존의 기술, 특히, 막 분리 기술, 예컨대 낮은 실리카와 경도가 감소된 오염 및 실제적인 성과 향상을 야기하는 역삼투와 같은 것들에 비하여 주요 이점을 부여한다.
유익하게는, 원지에서 형성된 이중층 수산화물은 특히, 단기간, 전형적으로 수 시간 내지 수일 내에 반응성이고, 그리고 또한, 종종 극소수 또는 최소한의 추가 시약만 첨가된 상태에서 재활용되고 새로운 폐수 흐름에서 내포된 오염체와 혼합되어, 흡착 또는 이온-교환 과정을 통해 상기 오염체를 더욱 제거할 수 있는 것으로 또한 밝혀졌다. 이러한 공정의 중요성은 이것이 원지에서 형성된 이중층 수산화물의 생산적인 이차 또는 복수 이용을 허용하고, 따라서 이의 초기 원지 형성을 가능하게 하기 위해 첨가되는 시약의 가지를 최대화한다는 것이다.
추가적으로, 상기 공정은 또한, 과망간산염 환원 단계에 의한 다른 알칼리성 토류, 미립자성과 콜로이드성 물질뿐만 아니라 자연 유기 물질과 유기 오염체를 제거하여, 자연수와 폐수에 대한 처리 공정을 더욱 단순화할 수 있다.
이에 더하여, 일차적으로 실리카 제거 및 경도 감소를 위한 오염된 물의 처리에서, 유리하게는, 원지 이중층 수산화물 형성이 무기-유기 복합체의 형성을 통해, 세정제, 오일 및 석유 탄화수소, 또는 이들의 혼합물을 포함하는 유기 오염체의 제거를 가능하게 할 수 있는 것으로 확인되었다.
결과적으로, 상기 공정에서 필요한 단계의 감소된 숫자는 선행 기술 공정과 비교하여, 종종 복합적인 오염체 혼합물을 처리하기 위한 전통적인 수처리 설비 및 추가 처리 단계 중에서 많은 항목이 필요하지 않을 수도 있다는 것을 의미한다. 이런 이유로, 본원에서 설명된 바와 같은 공정은 자연수 또는 폐수의 처리를 위한 대단히 단순화된, 광역 처리 공정을 제공하는 것으로 인지될 것이다.
이중층 수산화물 합성을 위한 전구체/시작 물질의 정확한 선택, 이들의 첨가 순서 및 전술된 상보 반응의 스위트, 그리고 특히, 원지에서 이중층 수산화물의 형성으로부터 유래된 동시적 유익성은 동일한 문제를 해소하는데 이용되는 기존의 수처리 (폐수 처리) 방법에 비하여 실제적인 성과 증배기로서 기능한다.
전술한 구체예는 본 발명의 광범위한 포괄적인 범위로부터 벗어나지 않으면서 다양한 변이 및/또는 변형이 만들어질 수 있는 것으로 당업자에 의해 인지할 것이다. 본 발명의 구체예는 이런 이유로, 모든 양상에서 제한하는 것이 아닌 예시적인 것으로 고려된다.

Claims (21)

  1. 실리카를 제거하고, 그리고 실리카 및 스케일 형성 이온을 내포하는 자연수 또는 폐수의 전체 경도를 감소시키기 위한 공정에 있어서, 상기 공정은
    상기 흐름의 pH를 pH > 8에서 유지하면서 (i) 수산화마그네슘 또는 수산화마그네슘의 전구체 및 (ii) 가용성 알루민산염 화합물 또는 알루민산염의 전구체를 상기 물 첨가하여, 원지에서 이중층 수산화물을 생산하는 것을 포함하고, 여기서 이중층 수산화물은 이러한 이중층 수산화물의 격자에서 스케일 형성 이온을 내포하고, 그리고 실리카는 중간층 음이온으로서 이중층 수산화물의 격자에서 통합되고 및/또는 한 가지 또는 그 이상의 결합 방식을 통해 이중층 수산화물에 의해 결합되는 것을 특징으로 하는 공정.
  2. 청구항 1에 있어서, 이중층 수산화물은 히드로탈시트를 포함하는 것을 특징으로 하는 공정.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 공정은 (iii) 철 염 또는 화합물을 상기 물에 첨가하는 것을 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 공정.
  4. 청구항 1 내지 3 중에서 어느 한 항에 있어서, 수산화마그네슘 또는 수산화마그네슘의 전구체는 가용성 알루민산염 화합물 또는 알루민산염의 전구체에 앞서 상기 물에 첨가되는 것을 특징으로 하는 공정.
  5. 청구항 1 내지 3 중에서 어느 한 항에 있어서, 가용성 알루민산염 화합물 또는 알루민산염의 전구체는 수산화마그네슘 또는 수산화마그네슘의 전구체에 앞서 상기 물에 첨가되는 것을 특징으로 하는 공정.
  6. 청구항 1 내지 3 중에서 어느 한 항에 있어서, 수산화마그네슘 또는 수산화마그네슘의 전구체 및 가용성 알루민산염 화합물 또는 알루민산염의 전구체는 상기 물에 별개의 공급 흐름으로서 동시에 첨가되는 것을 특징으로 하는 공정.
  7. 청구항 1 내지 6 중에서 어느 한 항에 있어서, 실리카는 용해된 실리카를 포함하고, 한 가지 또는 그 이상의 결합 방식은 하기를 포함하는 것을 특징으로 하는 공정:
    i) 이중층 수산화물 상에서 표면 침전; 그리고
    ii) 이중층 수산화물에서 또는 이것과 연관된 프로토-알루미노규산염 광물로서 알루민산염 이온과의 복합화
  8. 청구항 1 내지 7 중에서 어느 한 항에 있어서, 실리카는 콜로이드성 또는 미립자성 실리카를 포함하고, 한 가지 또는 그 이상의 결합 방식은 하기를 포함할 수 있는 것을 특징으로 하는 공정:
    i) 이중층 수산화물 형성을 위한 핵형성 부위를 제공;
    ii) 이중층 수산화물 콜로이드/입자 사이에 가교를 제공, 그리고
    iii) 이중층 수산화물 콜로이드/입자 내에 또는 이중층 수산화물 콜로이드/입자 응집체 내에 엔트레인먼트.
  9. 청구항 1 내지 8 중에서 어느 한 항에 있어서, 상기 공정은 하기의 차후 단계 중에서 하나 또는 그 이상을 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 공정:
    a) 자연수 또는 폐수가 Sr2+, Ba2+ 및/또는 Ra2+를 내포하는 구체예에서, 상기 처리된 물에 과망간산염, 그 이후에 환원제를 첨가하여, 경망간석을 포함하는 한 가지 또는 그 이상의 망간-내포 산화물/수산화물 화합물을 생산하고 과잉 과망간산염을 환원시키는 단계;
    b) 상기 처리된 물에 또는 단계 a)에서 생산된 물에 과잉의 탄산염을 첨가하여, 용해된 칼슘을 탄산칼슘 고체로서 제거하는 단계;
    c) 상기 처리된 물에 과잉 알루민산염을 첨가하고 염기로 pH를 10-12로 조정하여, 용해된 칼슘을 한 가지 또는 그 이상의 Ca-와 Al-보유 화합물로서 제거하는 단계; 그리고,
    d) 단계 a), b) 및/또는 단계 c)에서 생산된 수처리 흐름으로부터 이중층 수산화물 및 임의적으로, 하나 또는 그 이상의 고체를 분리하는 단계.
  10. 청구항 9에 있어서, 분리 단계는 기계적 및/또는 화학적 수단에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 공정.
  11. 전술한 청구항 중에서 어느 한 항에 있어서, 수산화마그네슘의 전구체는 알칼리 용액에서 수산화마그네슘을 생산할 수 있는 Mg-내포 전구체 화합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 공정.
  12. 청구항 11에 있어서, Mg-내포 전구체 화합물은 과산화마그네슘, 염화마그네슘, 황산마그네슘, 질산마그네슘 및/또는 산화마그네슘을 포함하는 것을 특징으로 하는 공정.
  13. 청구항 11에 있어서, 수산화마그네슘의 전구체는 pH > 9일 때 수산화마그네슘이 원지에서 산출되는, 자연수 또는 폐수에서 용해된 마그네슘을 포함하는 것을 특징으로 하는 공정.
  14. 전술한 청구항 중에서 어느 한 항에 있어서, 가용성 알루민산염 이온의 전구체는 알칼리 금속 알루민산염 염, 황산알루미늄, 염화알루미늄, 수산화알루미늄, 또는 알루미늄을 내포하는 유기금속 화합물인 것을 특징으로 하는 공정.
  15. 전술한 청구항 중에서 어느 한 항에 있어서, 상기 물의 pH는 pH 완충제로 8 내지 11의 pH에서 유지되는 것을 특징으로 하는 공정.
  16. 청구항 15에 있어서, pH 완충제는 탄산염/중탄산염 pH 완충제를 포함하는 것을 특징으로 하는 공정.
  17. 전술한 청구항 중에서 어느 한 항에 있어서, 원지에서 형성된 이중층 수산화물은 재활용되고, 그리고 추가 폐수 흐름으로부터 오염체를 제거하기 위해 그것과 혼합되는 것을 특징으로 하는 공정.
  18. 청구항 17에 있어서, 오염체는 이중층 수산화물로 흡착 또는 이온-교환 과정을 통해 제거되는 것을 특징으로 하는 공정.
  19. 전술한 청구항 중에서 어느 한 항에 있어서, PFAS, PFOS 및 관련된 오염체는 PFAS, PFOS 및 관련된 오염체를 중간층 음이온으로서 이중층 수산화물의 격자에 통합함으로써 및/또는 한 가지 또는 그 이상의 결합 방식을 통해 이중층 수산화물에 결합함으로써 자연수 또는 폐수로부터 제거되는 것을 특징으로 하는 공정.
  20. 전술한 청구항 중에서 어느 한 항에 있어서, 세정제, 오일 및 석유 탄화수소, 또는 이들의 혼합물을 포함하는 유기 오염체는 원지에서 형성된 이중층 수산화물과의 무기-유기 복합체의 형성에 의해 자연수 또는 폐수로부터 제거되는 것을 특징으로 하는 공정.
  21. 전술한 청구항 중에서 어느 한 항에 있어서, 실리카 및 스케일 형성 이온은 상기 물로부터 동시에 제거되는 것을 특징으로 하는 공정.
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