응집공정에서 발생하는 알루미늄 가수분해종 분포특성
송유경·정철우*,†·황보봉형**·손인식 부경대학교토목공학과
608-757 부산시남구대연3동 599-1
*울산산업진흥TP 전략산업기획단
683-804 울산시북구연암동 758-2 중소기업지원센터 5층
**부산광역시상수도사업본부 472-929 부산시진구양정동 273-20 (2006년 3월 20일접수, 2006년 6월 28일채택)
Characteristic of Al(III) Hydrolysis Specie Distribution on Coagulation Process
Yu-Kyung Song, Chul-Woo Jung*,†, Bong-Hyung Hwangbo** and In-Shik Sohn
Division of Construction Engineering, Pukyong National University, 599-1, Daeyeon 3-dong, Nam-gu, Busan 608-757, Korea
*Ulsan Regional Innovation Agency, Ulsan Industry Promotion Techno Park, Ulsan Business support Center 5, 758-2, Yeonarm-dong, Bukgu, Disan 683-804, Korea
**Waterworks Headquarter, Busan, 273-20, Yangjung-dong, Jin-gu, Busan 472-929, Korea (Received 20 Macrh 2006, accepted 28 June 2006)
요 약
응집공정에서교반조건과응집제주입농도에따른알루미늄가수분해종변화에대한실험결과다음과같은결론을 얻을수가있었다. 알루미늄표준용액을이용하여모노머성알루미늄과페론반응을살펴본결과반응초기에급격한
반응률을보이며반응시간 3분정도에평형에도달함을알수있었다. 순수의경우교반시간에따른영향은거의나타
나지않고있으며거의일정한반응률을보이고있었다. 상수원수의경우입자상물질과유기물의존재함에따라응집
제주입시수중에서형성되는알루미늄가수분해종이입자상물질및유기물과우선적으로반응하기때문에형성되는 알루미늄가수분해종에대한반응률이교반시간에따라다르게나타났다. 응집제주입량이증가할수록페론과반응
율이빠르게일어나나일정한시간이경과한후에반응율을살펴보면응집제주입량이증가할수록반응이느리게나 타났다. 순수의경우교반시간에따른 Ka 값은교반시간이증가할수록 Ka 값은감소함을알수있으며응집제주입량
의영향은크게나타나지않고있다. 그러나 Kb의경우응집제주입량이증가할수록반응속도상수값이낮아지는경
향을보이고있으며, 마찬가지로교반시간이증가할수록 Kb 값은감소함을알수있다. 상수원수를사용한경우순수
와마찬가지로교반시간에따른 Ka, Kb값은교반시간이증가할수록감소하였다. 그러나응집제주입량이증가할수록 Ka 값은감소하였다.
Abstract −The overall objective of this research was to find out the role of rapid mixing conditions in the species of hydrolyzed Al(III) formed by Al(III) coagulants and to evaluate the distribution of hydrolyzed Al(III) species by coagu- lant dose and coagulation pH. When an Al(III) salt was added to water, monomeric Al(III), polymeric Al(III), precipitate Al(III) was formed by Al(III) hydrolysis. The method of hydrolyzed Al(III) species characterization analysis was based on timed spectrophotometer with ferron as a color developing reagent. The hydrolytic species were divided into monomer, polymer, precipitate from the reaction kinetics. And then, the color intensity for monomeric Al(III) was read 3 min after mixing. With standard Al solution containing monomeric Al(III) only, the Al-ferron color intensity slightly increased with until about 3 min. During the rapid mixing period, for purewater, formation of dissolved Al(III) (monomer and polymer) was similar to rapid mixing condition, but for raw water, the species of Al(III) hydrolysis showed different result. During the rapid mixing period, for high coagulant dose, Al-ferron reaction increases rapidly. The kinetic constants, Ka and Kb, derived from Al-ferron reaction. The kinetic constants followed very well the defined tendencies for coagulation condi- tion. For pure water, when the rapid mixing time increased, the kinetic constants, Ka and Kb showed lower values. Also, for raw water, when the rapid mixing time increased, the kinetic constants, Ka and Kb showed lower values.
Key words: Rapid Mixing, Hydrolyzed Al(III), Monomeric Al(III), Polymeric Al(III), Ferron
†To whom correspondence should be addressed.
E-mail: [email protected]
1. 서 론
상수원의심각한오염을해결하기위해서는정수공정의효율적인 운전이요구되어진다. 이러한정수공정의효율적인운전과오염물 질의효과적인제거를위해서는정수처리공정전체에영향을미치 는응집공정에대한운전이효과적으로이루어져야한다. 응집공정 의비효과적인조작은여과지의부하량증가에따른빈번한역세척 작업과여과효율저하로인해수질이불량하게된다. 따라서정수처 리전단부에서이루어지는응집공정은정수처리공정중에서가장 중요한공정이라하겠다. 응집공정에서이루어지는응집메커니즘에 는크게 A/D(흡착·전하중화; adsorption and destabilization) 메커니 즘과 sweep floc 메커니즘이있다. A/D(흡착·전하중화)메커니즘에
의한응집은 sweep floc 메커니즘에의한응집에비해콜로이드와
응집제간의결합력이강하고소량의응집제로도전하중화를이룰 수있게된다. 그러나흡착전하중화를이루기위해서는알루미늄계
응집제가 Al(OH)3(s)로변하기전인가수분해종과반응이일어나야
한다. 따라서 Al3+이온이수중에서 Al(OH)3(s)로변하기까지의시
간이매우짧으므로 (1~7 sec) 빠른시간내에응집제를높은교반
강도로오염물질과접촉시켜주어야흡착전하중화에의한응집을유
도할수있다[2-3, 6]. 이러한응집공정에서발생하는응집메커니즘
의특성상응집공정에서사용되는 alum과같은응집제의가수분해 반응에대한연구는필수적이라하겠다. 하지만, 응집제에관한일
반적인이론및이해는평형상수및용해도등의이상평형상태(Ideal
equilibrium state)에근거하여설명되고있으며알루미늄가수분해
반응특히가수분해동역학및생성물질에대한연구는전무한실 정이다. 또한, 급속교반중에생성되는알루미늄가수분해종을정확
히파악하는데도많은어려움이있다. 따라서본연구에서는응집 공정에서급속교반강도와급속교반시간에따라형성되어지는알루 미늄가수분해종분포특성을조사하고자하였으며, 또한응집제주 입농도에따른가수분해종분포특성을파악하고, 마지막으로급속
교반중교반조건에따라형성되는가수분해종의동역학특성을파 악하고자하였다.
2. 재료 및 방법
2-1.
응집 실험급속교반중에교반강도와교반시간에따른알루미늄가수분해종 의분포특성을조사하기위해서일반적으로많이사용되고있는알 루미늄계응집제인 alum(Al2(SO4)3·16H2O)을사용하여가수분해종 의분포특성을조사하였다. 응집실험에사용된 jar-tester는 2 L용량 의사각형 jar로 paddle(two-blade)식임펠러를사용하였다. 응집제 주입은 0.25 M stock solution을제조하여, 실험중응집제의급격한
성상변화에의한영향을최소화하기위해서 24시간전에 10 g/L dosing solution을제조하여사용하였다. Table 1은본실험에사용
된 alum 응집제의알루미늄가수분해종분포특성을나타내었다.
Alum의경우모노머성알루미늄이 83％, 폴리머성알루미늄이 8％,
침전물형태의알루미늄이 9％로분포되어있었다. 급속혼화의교반 강도는 G=150 sec−1, G=550 sec−1의두가지교반강도에서 GT값을
약 5,000, 15,000, 30,000으로고정하고교반시간을변화시키며실
험을수행하였다. 사용된시수는알루미늄의가수분해반응시순수
알루미늄가수분해종변화를살펴보기위하여순수와실제정수장 조건에서영향을살펴보기위하여낙동강원수를사용하여비교분석 하였으며, 사용된순수의경우응집제주입시가수분해현상을유도 하기위하여순수제조는 NaHCO3를사용하여이온강도를 0.1 N로
조정하였으며, 알칼리도는 50 mg/L로고정하였고초기 pH 7.2에서 실험을실시하였다.
2-2.
알루미늄가수분해종의특성실험(ferron method)
알루미늄가수분해종을분석하는다양한방법중착화합제와반 응률에기초한방법으로는 8-quinolinol chloroform 추출방법, 페론
(ferron; 8-hydroxy-7-iodoquinoline-5-sulfonic acid) 방법, aluminon 방법 등이있으며, 기기분석방법으로는 Al NMR과 FI-IR 분석방법등이있 다. 이중에서페론방법은간단하고정확하여많은연구자들에의
하여사용되고있으며, 페론분석법에의하여분류된알루미늄가 수분해종은 Al NMR와 FI-IR 분석방법에의하여최근재검증된방
법으로서신뢰성이입증된바있다[1, 8, 10]. Wang 등[14]의연구
에서도알루미늄가수분해종분포특성에대한실험을 Al NMR과
페론에의하여동시에측정하였으나 Al NMR에의한가수분해종의 분석은모든알루미늄가수분해종분포를측정할수없다고보고하 였다. 본연구에서는알루미늄가수분해종의특성을조사하기위하 여착화합제와의반응률에기초로한 ferron 분석법을통하여특성
실험을실시하였다. Ferron과알루미늄가수분해종과의상호반응은
(1) 모노머성알루미늄가수분해종은 ferron과빠르게반응하여흡
광도가즉시일정하게되며 (2) 폴리머성알루미늄은 ferron과일정
시간동안일정속도로반응하여평형에이르면흡광도가일정하게
되고 (3) 침전물형태의알루미늄가수분해종은 ferron과반응하지않
는다는사실을기초로하였다. 가수분해종특성실험에사용된페론시 약제조는다음과같다. Ferron 혼합시약 [(Ferron = 2.85×10−3 mol + 1−10, o-phenanthroline = 2.52×10−4 mol)/L] 500 ml를초산
나트륨(4.3 mol/l) 200 mL와염산히드록실아민시약 [(NH2OHHCl
100 g +농염산 40 ml)/L] 200 mL가혼합된시약에순수를가하여
1 L로하였다. 이때 ferron 시약의농도는 1.45×10−4 M이며, 조제 한발색시약의안정을위해조제후 5~7일동안숙성하여사용하
였다. 가수분해종분석을위한특성실험절차는시료를주입하기
전에발색시약 10 mL를순수에첨가하고적정량의시료를첨가하
여흔들어준이후에 1 cm 석영 cell을사용하여 370 nm에서흡광 도를측정하였다. 알루미늄가수분해종분석을위한알루미늄표
준용액은모노머성알루미늄성분만을포함하게만들어시료의적 정농도범위에맞게희석하여사용하였다. 이때알루미늄과 ferron
사이의반응관계는아래와같이나타낼수있다[12].
Alt = Ala + Al0b(1-e−kt) (1)
여기서, Ala = 모노머성알루미늄
여기서, Alob= 0 시간에용액내에존재하는폴리머성알루미늄
여기서, Alt = t 시간에 ferron과반응한알루미늄
여기서, k = 폴리머성알루미늄종의 1차반응속도상수
Table 1. Chemical characteristics of Alum
Conc.(mg/L) Ala Alb Alc
Alum 1*104 83％ 8％ 9％
Ala: monmeric Al, Alb: polymeric Al, Alc: precipitate Al
3. 결과 및 고찰
3-1.
알루미늄가수분해종분포특성Fig. 1은모노머성알루미늄가수분해종과페론사이의반응을살
펴보기위하여모노머성알루미늄만이존재하는표준용액을제조하 여알루미늄농도에따라알루미늄가수분해종과페론과의시간에 따른반응을살펴보았다. 일반적으로페론을이용한알루미늄가수 분해종분포의측정은다양한알루미늄가수분해종의존재에의하 여정확한측정이상대적으로어렵다. 따라서많은연구자들은페
론과알루미늄가수분해종과의상호반응은모노머성알루미늄가수
분해종의경우페론과빠르게반응하여 (30 sec−3min 이내)흡광도
가즉시일정하게되며, 폴리머성알루미늄가수분해종은페론과일 정시간동안일정속도로반응하여평형에이르면흡광도가일정하게 되고, 침전물형태의알루미늄가수분해종은페론과반응하지않는 다는사실을기초로하여연구를진행하였다[6]. 이에따라좀더정 확한알루미늄가수분해종의분포특성을파악하기위하여모노머성 알루미늄이존재하는시수를제조하여페론과반응이끝나는시점 을측정하였다. 페론과모노머성알루미늄의반응시간을살펴본결
과알루미늄농도에상관없이적용된농도범위(0.032mg/L ~3.2mg/L)
에서시간에따른페론과의반응은유사한경향을보이고있다. 알 루미늄가수분해종과페론과의반응이시작된반응초기에는급격한 반응을보이며반응이빠르게진행되고있으나반응시간이 1분이
경과한후부터미세한증가율을보이고있으며반응시간이 3분이 경과한부터거의평형에도달함을알수있었다. 일반적으로모노 머성알루미늄가수분해종의경우 30초에서 3분이내에거의반응 이끝나는것으로보고되었으나본연구에서는 Fig. 1에나타난바
와같이 3분정도의반응이진행되어야모노머성알루미늄가수분 해종이페론과의반응이끝나일정하게됨을알수있었다. 특히, 페 론을이용한알루미늄가수분해종의분포특성을조사하기위해서는 모노머성알루미늄의반응시간을충분히고려되어져야정확한알루
미늄가수분해종의분포특성을파악할수있으리라판단된다. 따라
서본연구에서는알루미늄가수분해종분포에대하여정량분석시 모노머성알루미늄은페론과의반응시간을 3분을기준으로하였으 며, 폴리머성알루미늄의경우 2시간을기준으로특성분석을실시
하였다. Fig. 2는정량적인알루미늄가수분해종분포를파악하기
위하여알루미늄농도와페론과의반응에따른검량선작성결과를 나타내었다. 알루미늄표준용액은모노머성알루미늄종만이존재하 는표준용액을사용하여분석을실시하였다. 또한, 흡광도를이용한 페론반응에의한적정범위는최대 90µg/25 mL(as Al)로알려져있
으나[9, 10] 본연구에서검량선작성결과 100µg/25 mL(as Al)까 지높은상관성을나타냄을알수있었다. 알루미늄가수분해종의 정량분석을위한검량선작성결과, 그림에나타난바와같이저농 도에서고농도까지높은상관성을보이고있으며상관계수는 0.998
이상으로나타나페론분석에의하여알루미늄가수분해종의정량분 석이가능하였다.
3-2.
교반시간에따른 알루미늄가수분해종 분포급속교반조건에따른알루미늄가수분해종분포특성을살펴보 기위하여교반강도와교반시간에따른페론과알루미늄가수분해 종과의반응시간에대한영향을살펴보았다. Fig. 3(a)는교반강도
G = 150 /sec에서교반시간에따른영향을살펴보았다. 사용된응집
제는일반적으로많이사용되는 alum을사용하였으며응집제주입
량은 0.1 mM(as Al)로주입하였다. 응집제첨가후알루미늄가수
분해종분포를파악하기위하여수중에서생성되는알루미늄가수 분해종과페론과의반응을 2시간까지지속하여살펴보았다. 그림에 서나타난바와같이반응초기에흡광도값의빠른증가를나타내고
있다. 이는앞서 Fig. 1에서모노머성알루미늄반응을살펴본바와
같이모노머성알루미늄가수분해종과페론과의반응이일어나반 응이급격히진행됨을알수있으며반응시간이 3분이지난후에는 다양한형태의폴리머성알루미늄이페론과반응함을알수있다. 1시간이하의반응시간에서는 1시간이상의시간에비하여반응이
Fig. 1. Ferron reactions with each monomeric Al concentration.
Fig. 2. Correlation of absorbance and standard Al solutions.
빠르게일어나는데이는폴리머성알루미늄중크기가작은폴리머 성알루미늄에의하여반응이급격히일어나며반응시간이지속될 수록흡광도는느리게증가한다. 페론과알루미늄가수분해종과의 반응이 1시간이상지속될수록반응이더욱더천천히일어나는데
이는크기가큰폴리머성알루미늄과의반응에의한것이다. 교반 시간에따른영향을살펴보면그림에서나타난바와같이순수에서 교반시간에따른영향은거의나타나지않고있으며거의일정한
반응률을보이고있음을알수있다. 다시말하면 0.1 mM 응집제를
첨가시수중에서생성되는알루미늄가수분해종은교반시간에영향 은거의받지않는것으로판단된다. Fig. 3(b)는 G = 550/sec에서
교반시간에따른영향을살펴보았다. 교반강도를 G = 550/sec으로 운전한경우반응속도의차이는나타나고있으나전체적인종함량
의변화는나타나지않고있다. 이는 G = 550/sec의교반강도가
G = 150/sec의경우에비하여상대적으로크기때문에응집제첨가
와동시에빠른응집제의혼합을유발하여교반시간에따른반응률 의변화를보이는것으로판단된다. 알루미늄가수분해반응은 10초 안에빠른시간에끝나기때문에교반강도의영향이크게작용한다.
따라서 G = 150 /sec에비하여 G = 550 /sec에서교반시간에따른
영향이나타나고있다. Batchelor et al.(1986)의연구에서 batch 반 응조에서 30초에서 30분까지의다양한교반시간에서교반시간이길
Fig. 3. UV absorbance versus ferron reaction time under rapid mixing
conditions(Coagulant dose=0.1 mM as Al, purewater). Fig. 4. UV absorbance versus ferron reaction time under rapid mixing conditions(Coagulant dose=0.1 mM as Al, rawwater).
어질수록침전물형태의가수분해종인 Al(OH)3(s)의증가를설명하
였으며,Clark(1987)의연구에서도일정한교반강도이상의강한혼
합조건에서는침전물형태의알루미늄이많이형성된다고보고하였
다. Fig. 4는 Fig. 3과동일한실험조건에서입자상물질과유기물질
이존재하는상수원수를이용하여알루미늄가수분해종분포변화 를살펴보았다. 입자상물질과유기물이존재하는상수원수를이용 하여알루미늄가수분해종변화에대한실험결과순수와다소다
른경향을보이고있다. 순수에서 G = 150 /sec의경우교반시간에
따른반응률의차이는나타나지않고있으나원수의경우교반시 간에따른반응률의차이가발생함을알수있다. 이는상수원수의 경우순수와달리입자상물질과유기물의존재함에따라응집제주 입시수중에서형성되는알루미늄가수분해종이그자체로존재하 는것이아니라입자상물질및유기물과우선적으로반응하기때 문에형성되는알루미늄가수분해종에대한반응률이다르게나타
나는것으로판단된다. 또한, G = 550 /sec의경우순수에서반응률
의차이를보인반면, 원수에서반응률의차이가나타나지않고있 다. 이는순수의경우응집제첨가에따라생성되는알루미늄가수 분해종이다른물질과반응하지않으며, 그자체의가수분해종으로
존재하기때문에빠른혼화강도에의한교반시간의영향이나타나 지만입자상물질과유기물이존재하는상수원수의경우응집제첨 가에의하여생성되는가수분해종이수중에존재하는물질과우선 적으로반응하기때문에교반시간에따른반응율의차이를보이는 것으로판단된다. 따라서교반강도와유기물및입자상물질의존재 유무에따라가수분해종의분포가다르게나타나며적절한교반시 간이선택되어야할것이다. 이상의순수와상수원수에서의교반조 건에따른알루미늄가수분해종분포특성을 Table 2에자세히나
타내었다.
3-3.
응집제 주입농도에따른알루미늄가수분해종분포Fig. 5는응집제주입량에따른급속교반과정중에발생하는순수
알루미늄가수분해종분포특성을파악하기위하여페론과알루미늄 가수분해종과의반응을나타내었다. 사용된응집제는일반적으로많
이사용되는 alum을사용하였으며응집제주입량은 0.1 mM (as Al)
과 0.15 mM(as Al)로 주입하여 비교하였으며, 응집제 주입량
0.15 mM(as Al)에서의교반조건에따른알루미늄가수분해종분포
Table 2. Chemical characteristics of Al(III) hydrolysis species formed after rapid mixing (Coagulant Dose: 0.1 mM as Al) G=150 sec−1 (Purewater) G=550 sec−1 (Purewater)
Al species 0.1 mM(as Al) Al species 0.1 mM(as Al)
9s 27s 54s
33s 90s 140s
Ala(％) 17.36 12.57 14.34 Ala(％) 14.42 21.23 11.37
Alb(％) 62.25 66.36 67.27 Alb(％) 63.94 60.10 68.68
Alc(％) 20.39 21.08 18.39 Alc(％) 21.64 18.67 19.95
total(％) 100 100 100 total(％) 100 100 100
G=150 sec−1 (Raw water) G=550 sec−1 (Raw water)
Al species 0.1mM(as Al) Al species 0.1 mM(as Al)
33s 90s 140s 9s 27s 54s
Ala(％) 18.33 17.76 9.92 Ala(％) 22.34 23.80 27.17
Alb(％) 60.92 62.03 66.97 Alb(％) 61.90 62.44 61.47
Alc(％) 20.75 20.22 23.11 Alc(％) 15.75 13.76 11.36
total(％) 100 100 100 total(％) 100 100 100
Fig. 5. Effect of Al concentration on the reaction with ferron during rapid mixing period(purewater).
에대하여 Table 3에자세히나타내었다. Fig. 5에나타난바와같 이전반적으로교반강도에상관없이응집제주입량이증가할수록 폴리머종의함량이감소하고침전물형태의가수분해종이증가함을 알수있으며교반시간의영향은거의없는것으로나타났다. 또한,
페론과의반응률을살펴보면초기반응에서는응집제농도가증가 할수록반응률이빠르게일어나나일정한시간이경과한후에반응 률을살펴보면응집제증가량이증가할수록반응률이느리게나타 나고있음을알수있다. 따라서용존성알루미늄가수분해종의경 우응집제주입량이증가할수록모노머성알루미늄종의반응률은 증가함을나타나고있으나폴리머성알루미늄종의반응률은감소하 고있음을알수있다. 이는앞서설명한바와같이순수의경우응 집제첨가에따라생성되는알루미늄가수분해종이다른물질과반 응하지않으며그자체의가수분해종으로존재하기때문에응집제 주입농도가증가할경우수중에서형성되는가수분해종분포는 상대적으로차이가발생함을알수있으며응집제주입량이과량으 로주입될경우응집 pH 특성상용해도곡선에서알수있듯이용 존성알루미늄보다침전물형태의알루미늄가수분해종이더많이
생성되기때문이다. Fig. 6은 Fig. 5와동일한실험조건에서입자상
물질과유기물의영향을살펴보기위하여상수원수를사용한실험 결과이다. 그림에서나타난바와같이응집제주입량이증가할수록 모노머성알루미늄종과침전물형태의알루미늄종은감소하고폴리 머성알루미늄종이증가함을알수있으며교반시간의영향은나타 나지않고있다. 앞서순수에서의동일한실험조건에서는 0.15 mM
에서는용존성알루미늄가수분해종의분포는감소하였으나입자상 물질과유기물이존재하는경우용존성알루미늄가수분해종의분 포는증가하였다. 이는순수의경우응집제주입시다른물질과반 응할수있는조건이아니라순수가수분해종의변화만을진행하고 있으나입자상물질과유기물질이존재하는경우응집제주입시생 성되는알루미늄가수분해종이입자상물질및유기물과우선적으로 반응함에따라침전물형태의알루미늄으로진행되는분포가상대적 으로적게나타나고있음을알수있다.
3-4.
알루미늄가수분해종 동역학Fig. 7은순수에서의응집제첨가에따른알루미늄가수분해종의
반응속도에대하여나타내었다. 각실험조건에대한반응속도상수
는 Table 4와 Table 5에자세하게나타내었다. Table 3. Chemical characteristics of Al(III) hydrolysis species formed after rapid mixing (Coagulant Dose: 0.15 mM as Al)
G=150 sec−1 (Purewater) G=550 sec−1 (Purewater)
Al species 0.15 mM(as Al) Al species 0.15 mM(as Al)
9s 27s 54s
33s 90s 140s
Ala(％) 29.00 23.45 24.34 Ala(％) 25.56 24.88 23.02
Alb(％) 48.08 49.39 51.99 Alb(％) 53.89 54.86 55.23
Alc(％) 22.92 27.16 23.68 Alc(％) 20.55 20.26 21.75
total(％) 100 100 100 total(％) 100 100 100
G=150 sec−1 (Raw water) G=550 sec−1 (Raw water)
Al species 0.15 mM(as Al) Al species 0.15 mM(as Al)
33s 90s 140s 9s 27s 54s
Ala(％) 22.01 15.08 13.90 Ala(％) 18.15 12.96 13.16
Alb(％) 56.40 64.64 68.01 Alb(％) 63.82 68.93 69.99
Alc(％) 21.58 20.28 18.09 Alc(％) 18.03 18.11 16.85
total(％) 100 100 100 total(％) 100 100 100
Fig. 6. Effect of Al concentration on the reaction with ferron during rapid mixing period(raw water).
알루미늄가수분해종의반응속도상수는 (1)식에의하여다음과 같이나타낼수있다.
Ala,t = Ala,0 (1-e−kat) (2)
Alb,t = Alb,0 (1-e−kbt) (3)
여기서, Ala,t = 시간 t에서의모노머성알루미늄농도
여기서, Ala,0 = 모노머성알루미늄의농도
여기서, Alb,t = 시간 t에서의폴리머성알루미늄농도 여기서, Alb,0 = 폴리머성알루미늄의농도
여기서, ka = 모노머성알루미늄의 1차반응속도상수
여기서, kb = 폴리머성알루미늄의 1차반응속도상수
(2)식과 (3)식에의하여응집조건에따른모노머성알루미늄과폴
리머성알루미늄의반응속도상수값을 Fig. 7에나타내었다. 그림에 서나타난바와같이모노머성알루미늄과폴리머성알루미늄가수 분해종의반응은 1차반응식에의하여나타나고있으며응집제주 입량과교반시간에따라반응속도상수값이다르게나타나고있음 을알수있다. 이러한교반조건과응집조건에따른알루미늄가수 분해종형성에대한변화를세부적으로살펴보기위하여 Table 4와 5
에각응집조건에대한반응속도값을자세하게나타내었다. Table 4
와 5에나타난바와같이순수의경우교반시간이증가할수록 Ka
값은감소함을알수있으며, 응집제주입량의영향은크게나타나 지않고있다. 그러나 Kb의경우응집제주입량이증가할수록반응 속도상수값이낮아지는경향을보이고있으며, 마찬가지로교반시 간이증가할수록 Kb값은감소함을알수있다. 이는순수의경우
응집제가주입될경우수중에입자상물질및유기물이존재하지않 으므로응집제첨가에따른순수가수분해종만이형성되어진다. 따
Fig. 7. Pueudo first-order plots of monomeric Al and polymeric for the mixing condition and coagulant dose.
Table 4. Rate constants and characteristics for the reaction of ferron at G=150/sec
Sample Pure water Raw water
Constant Ka(/min) Kb(/min) Ka(/min) Kb(/min)
Dose(mM as Al) 0.1 mM 0.15 mM 0.1 mM 0.15 mM 0.1 mM 0.15 mM 0.1 mM 0.15 mM
GT = 5,000 0.026 0.038 0.052 0.020 0.041 0.045 0.068 0.045
GT = 15,000 0.025 0.047 0.045 0.014 0.039 0.031 0.066 0.036
GT = 30,000 0.023 0.036 0.045 0.015 0.026 0.030 0.050 0.035
Table 5. Rate constants and characteristics for the reaction of ferron at G=550/sec
sample Pure water Raw water
Constant Ka(/min) Kb(/min) Ka(/min) Kb(/min)
Dose(mM as Al) 0.1 mM 0.15 mM 0.1 mM 0.15 mM 0.1 mM 0.15 mM 0.1 mM 0.15 mM
GT = 5,000 0.034 0.041 0.053 0.016 0.042 0.041 0.065 0.047
GT = 15,000 0.058 0.033 0.067 0.015 0.041 0.026 0.061 0.036
GT = 30,000 0.028 0.036 0.060 0.015 0.040 0.020 0.057 0.036
라서적정응집제가첨가된경우크기가작은폴리머성알루미늄 가수분해종이많이형성되는반면과량의응집제를첨가한경우크 기가큰폴리머성알루미늄가수분해종및침전물형태의알루미늄 가수분해종이상대적으로많이형성되기때문이다. 상수원수를사 용한경우순수와마찬가지로교반시간에따른 Ka, Kb값은교반시
간이증가할수록감소하고있다. 그러나응집제주입량이증가할수 록 Kb값은감소함을보이고있다. 또한, 순수에비하여상대적으로 높은 Ka와 Kb값을나타내고 있음을알수있다. 특히동일한
0.15 mM의응집제주입량의경우상수원수의경우순수에서의용
존성알루미늄가수분해종에비하여더큰반응속도상수값을가지 고있다. 이는수중에존재하는유기물과탁도유발물질의존재유무 에따라생성되는알루미늄가수분해종의차이가발생할수있다는 것을알수있다. 이는응집제첨가에의하여생성되는가수분해종
이수중에존재하는물질과우선적으로반응하기때문에교반시간 에따라형성되는가수분해종의차이에의하여수중에서형성되는 가수분해종의반응률의차이가나타나고있으며, 상수원수의경우 입자상물질및유기물의존재에의하여형성되는가수분해종과반 응을통한착화합물이형성되기때문에순수의경우에비하여상대 적으로크기가큰폴리머성알루미늄가수분해종을형성하기어렵 기때문이라판단된다. 또한, 순수알루미늄가수분해종의분포특성
에서 0.1 mM의알루미늄주입량에서폴리머성알루미늄의반응속
도는교반강도에따라평균 0.047 /min, 0.060 /min으로나타났다.
이는많은연구자들의연구결과에서폴리머성알루미늄종과 Ferron
시약과의반응속도는평균 0.0588 /min으로나타나여러연구자에 의해도출된반응속도와유사하게나타났다[7, 11-13].
4. 결 론
응집공정에서교반조건과응집제주입농도에따른알루미늄가수 분해종변화에대한실험결과다음과같은결론을얻을수가있었다. (1) 알루미늄표준용액을이용하여모노머성알루미늄과페론반 응을살펴본결과반응초기에급격한반응률을보이여반응시간 3
분정도에평형에도달함을알수있었다.
(2) 순수의경우교반시간에따른영향은거의나타나지않고있 으며거의일정한반응률을보이고있었다. 상수원수의경우입자 상물질과유기물의존재함에따라응집제주입시수중에서형성되 는알루미늄가수분해종이입자상물질및유기물과우선적으로 반응하기때문에형성되는알루미늄가수분해종에대한반응율이 교반시간에따라다르게나타났다.
(3) 응집제농도가증가할수록페론과반응률이빠르게일어나나 일정한시간이경과한후에반응률을살펴보면응집제증가율이증 가할수록반응율이느리게나타났다.
(4) 순수의경우교반시간에따른 Ka값은교반시간이증가할수록
Ka값은감소함을알수있으며응집제주입량의영향은크게나타
나지않고있다. 그러나 Kb의경우응집제주입량이증가할수록반
응속도상수값이낮아지는경향을보이고있으며마찬가지로교반 시간이증가할수록 Kb값은감소함을알수있다.
(5) 상수원수를사용한경우순수와마찬가지로교반시간에따른
Ka, Kb값은교반시간이증가할수록감소하였다. 그러나응집제주
입량이증가할수록 Ka값은감소하였다. 참고문헌
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