응집은 어떤 과정으로 진행될까요? (응집 메커니즘)

응집제의 응집 메커니즘은 물질들이 서로 결합하여 더 큰 플럭이 되는 과정을 의미합니다. 이 과정은 주로 물 또는 하수 처리에서 부유물질을 제거하기 위해 사용되며, 응집제는 이러한 부유물질이 효과적으로 결합하고 침전될 수 있도록 돕는 역할을 합니다. 응집 메커니즘은 크게 네 가지로 나뉘며, 각 메커니즘은 응집제의 종류와 작용 방식에 따라 달라집니다.

 

1. 전기적 중화

부유물질은 일반적으로 표면에 음전하를 띠고 있으며, 이 음전하는 물속에서 입자 간에 정전기적 반발력을 발생시킵니다. 이러한 반발력은 입자들이 서로 가까이 접근하지 못하게 하며, 이로 인해 응집이 어렵게 됩니다. 전기적 중화를 통해 전하를 중화하여 입자 간의  응집을 수훨하도록 합니다.

만약 무기 응집제를 물속에 투입하였을 때 수중에 다가 양이온이 방출됩니다. 예를 들어, 황산알루미늄(Al₂(SO₄)₃)은 물속에서 Al³⁺ 이온을 방출하고, 염화철(FeCl₃)은 Fe³⁺ 이온을 방출합니다. 이 다가 양이온은 부유물질의 표면에 흡착되어 부유물질의 음전하를 중화시킵니다. 표면 전하가 중화되면 입자 간의 정전기적 반발력이 줄어들고, 입자들이 서로 결합하여 큰 플록을 형성할 수 있게 됩니다. 

실제로 과거 현장에서 양이온 폴리머와 음이온 폴리머를 가지고 테스트를 하였는데, 실제로 일반 부유물질이 음전하를 띠고 있었기 때문에 양이온 폴리머의 응집 효과가 더 좋았습니다. (하지만 무조건 양이온 응집제가 좋구나! 보다는 폐수처리장 등은 유입수의 조건을 고려할 필요가 있습니다.)

2. 입자간의 가교 역할

가교 결합 메커니즘은 고분자 응집제, 즉 폴리머를 사용할 때 주로 발생합니다. 고분자 응집제는 긴 사슬 구조를 가지고 있어 부유물질 입자들과 물리적, 화학적으로 결합할 수 있습니다. 이러한 고분자 응집제는 입자들의 표면에 흡착되어 다수의 입자들을 하나로 결합시키는 가교 역할을 합니다. 가교 결합 메커니즘은 대개 고분자 응집제가 부유물질의 표면에 여러 지점에서 결합하여 입자 간에 "다리"를 형성하는 방식으로 진행됩니다. 이는 작은 입자들을 더 큰 플록(floc)으로 결합시켜 쉽게 침전될 수 있게 만듭니다.

 

3. 침전 메커니즘

응집 메커니즘은 주로 다량의 응집제를 사용하여 침전물이 생성되는 조건에서 발생합니다. 이 메커니즘은 생성된 침전물이 부유물질 입자와 함께 물리적으로 침전시키는 방식입니다. 예를 들어, 알루미늄이나 철 화합물 응집제를 다량 투입하면 수산화물 침전물이 생성되며, 이 침전물이 부유물질과 부착하여 침전하게 됩니다. 이 과정은 특히 미세 입자나 난용성 유기물이 존재할 때 효과적입니다. 응집제의 투입량이 많을수록 플럭 크기가 증가하게 됩니다. 하지만 응집제의 과도한 투입은 슬러지 발생량 증가와 같은 부작용을 초래할 수 있어 주의가 필요합니다. 또한 가압부상식 공정에서는 플럭이 너무 커지면 부상되지 않고 침전되는 역효과를 낼 수 있습니다.

 

4. 응집 메커니즘의 주요 요인

1) 응집제 종류와 농도

다양한 무기 응집제(예: 황산알루미늄, 염화철, 황산철 등)는 각각 다른 다가 양이온을 방출하며, 방출되는 이온의 전하 수와 반응성에 따라 중화 효과가 달라집니다. 일반적으로 다가 양이온의 전하 수가 클수록 더 높은 중화 효과를 보입니다. 또한 응집제의 농도가 적절해야 최적의 중화 효과를 얻을 수 있으며, 과도한 응집제 투입은 오히려 표면 전하를 역전시키는 재분산(dispersion) 효과를 초래할 수 있습니다.

 

2) 부유물질의 표면 전하

부유물질의 표면 전하 밀도가 높을수록 더 많은 양이온이 필요하며, 이는 응집제 투입량에 영향을 미칩니다. 표면 전하 밀도는 부유물질의 종류와 물리화학적 특성에 따라 달라지며, 이로 인해 최적의 응집제 종류와 투입량을 결정하는 것이 중요합니다.

 

3) 교반조건

응집제가 부유물질과 효과적으로 접촉하여 흡착될 수 있도록 혼화(mixing)와 교반(stirring) 조건이 중요합니다. 급속 혼화 단계에서는 응집제가 물 전체에 균일하게 분산되도록 빠르게 교반해야 하며, 이후 저속 교반 단계에서는 플록이 안정적으로 성장할 수 있도록 적절한 속도로 교반해야 합니다. 교반 속도가 너무 빠르면 이미 형성된 플록이 파괴될 수 있습니다. 교반조를 지나오는 유출수에 미세한 갈색 플럭들이 떠있다면 교반속도가 과도하게 빠르거나 응집 플럭의 크기가 너무 커졌을 가능성이 있습니다.

 

응집이 어떻게 진행되는지 알고 있으면 공정상 문제가 발생하였을 때, 효과적인 조치를 할 수 있을 것으로 기대됩니다. 이상으로 포스팅을 마치고 제가 작성했던 응집제 관련 포스팅의 링크를 소개해드리겠습니다.

 

https://daon.life/%ec%88%98%ec%b2%98%eb%a6%ac-%ec%9d%91%ec%a7%91%ec%a0%9c/

수처리 응집제

 

 

https://bae-heeya.tistory.com/137

하수처리에 사용하는 응집제 종류

https://bae-heeya.tistory.com/168

응집에 영향을 주는 인자.(응집 성능 인자)