정수처리공정의 모사를 하는 것으로 혼화, 응집, 침전공정을 빠른 시간 안에 처리하여 (1) 정수약품의 최소 주입률 결정 (2) 최적 pH 결정 (3) 최적 약품량 결정을 하기 위해 실험한다.
1. 정수약품의 최소 주입률 결정
6개의 jar에 시료 2L를 넣고, 100rpm으로 급속교반하면서응집제를 1㎖씩 증가시켜 주입해가면서 최초의 floc이 생기는 최소 약품량을 결정한다.
2. 최적 pH 결정
시료의 탁도와 pH의 관계를 구하고 최적 pH를 결정한다.
3. 최적 약품량 결정
시료의 탁도와 약품주입량의 관계를 구하고 최적 약품량을 결정한다.
본 시험은 적당한 응집제와 응집보조제를 결정하며, 특정한 물의 응집에 필요한 응집제의 주입량을 결정한다. 이 실험에서 시료를 일련의 beaker에 담고 여기에 응집제와 응집보조제의 양을 각각 달리 주입하여 3∼5분 정도 200rpm으로 급속 혼합시킨 다음 10∼20분 동안 20, 40, 60rpm으로 순차적으로 천천히 저어주어 완속혼합시켜 응결시킨 후 침전시킨다. 여기서 주의해야 할 가장 중요한 사항은 floc 형성시간, floc의 크기, floc의 침전특성, 탁도 및 색깔의 제거 정도, 그리고 응집수와 침전수의 최종 pH이다. 이러한 실험과정에서 결정한 응집제의 적당한 투입량은 처리장에 필요한 응집제 투입량 평가에 쓰인다.
Jar-Test
수중의 불순물 중 1㎛부터 1㎚정도 크기의 콜로이드 성분을 그대로 직접 처리 하는 일반적인 방법은 없다. 따라서 이것들을 수중으로부터 침전, 여과 작용에 의해 분리하기 위한 응집처리는 정수장에서 매우 중요한 공정이다. 이러한 응집공정에 있어서 pH와 응집제의 주입량이 상당히 중요한 요소로 작용을 하는데 이것을 이론적으로 결정하는 방법은 현재로서는 없다. 따라서 최적의 pH와 응집제 주입량을 결정할 목적으로 행해지는 응집 테스트를 Jar-Test라고 말한다. 응집제는 pH에 따라 그 성질이 크게 변하고, 동시에 응집해야할 불순물의 양과 질에 따라서도 처리 pH가 크게 달라지기 때문에 Jar-Test에서는 응집시의 응집제의 양과 pH를 동시에 결정하는 것이 바람직하다.
응집
응집은 콜로이드를 불안정화하기 위한 화학적 처리 공정이다. 콜로이드는 대게 (-)전하를 띈 상태로 수중에 부유하게 되는데 정전기력등 여러 가지 기작에 의해서 서로 결합하지 못하고 안정화 되어 부유하게 되는데 이는 침전공정에 어려움을 겪게 된다. 응집공정에서, 콜로이드의 안정화 힘을 낮추고 불안정화 힘을 높이기 위해 수중에 약품을 주입하여 상호 접촉하고 결집되도록 하는데 이러한 조작을 응집이라 한다. 응집기작으로는 하전중화, 가교작용, 체거름 현상 등이 있다.
콜로이드의 특성
일반적으로 0.001～1㎛크기의 수중의 불순물을 말한다. 예를 들면 탁도, 천연착색성분, 바이러스, 세균류, 조류등이 있다. 콜로이드는 물과의 친화력에 따라 소수성과 친수성으로 구분되며, 질량이 매우 작기 때문에 중력의 영향을 거의 받지 않는다. 콜로이드의 움직임을 제한하는 주된 기작은 다음과 같다.
1. 정전기력 : 정전기력은 콜로이드를 안정한 상태로 유지시켜주는 주된 힘이다. 콜로이드는 대게 (-)나 (+)전하를 띄게 되는데 같은 전하를 띄는 경우 서로 반발한다. 자연수 중에는 대게 (-)전하의 콜로이드가 많이 존재한다. 콜로이드의 표면 전하는 반대 전하의 이온들을 끌어 당기는데, 자연수중 물분자의 비대칭 전자 때문에 물분자도 콜로이드의 인력을 받아 결집하게 된다.
2. 반데르발스의 힘 : 두 물질간에는 항상 인력이 존재하며 인력의 크기는 두 물체의 질량과 거리에 따라 달라진다. 이러한 인력을 반데르발스의 힘이라한다. 콜로이드 화학에서는 반데르발스의 힘은 정전기력의 반대 개념이다. 반데르발스의 힘이 작용하기 전에는 전하에 의한 반발력이 콜로이드를 밀어낸다. 이 정전기력이 감소한다면 입자들은 반데르발스의 힘이 작용할 수 있는 거리까지 이동할 수 있게 된다.
3. 브라운 운동 : 콜로이드는 매우 작은 질량을 가지고 있기 때문에 분자 크기의 입자와 충돌로 인하여 운동할 수 있다. 수온에 따라 강도의 차이는 있으나 수중에서 분자는 지속적으로 운동한다. 분자운동으로 인해 콜로이드에 불규칙한 충돌을 일으키며 이 때문에 콜로이드가 불규칙하게 움직이는 것처럼 보이게 된다. 이러한 현상을 브라운 운동이라 한다. 어떤 경우에 브라운 운동은 두 콜로이드를 전기적 척력보다 반데르발스의 힘이 더 지배적인 거리까지 이동시키긴 하지만 이런 현상은 드물게 일어나기 때문에 브라운 운동이 콜로이드의 불안정화에 미치는 영향은 크지 않다.
응집제
응집시키려는 콜로이드의 하전을 중화하는 능력과 콜로이드 입자를 상호 결합시키는 가교능력을 가진 물질이다. 피응집 콜로이드와 반대하전을 가진 이온이어야 하고 고분자 물질이여서 가교능력을 가진 물질이어야 한다. 이 밖에도 응집보조제와 플록형성보조제라는 것이 있는데 간략히 설명하면 다음과 같다.
1. 응집보조제 : 응집제는 물의 pH에 따라 작용효과, 즉 수중에 존재하는 형태가 다르다.한 예로 응집제로 사용되는 금속염은 일반적으로 약산이므로 처리해야 할 물의 pH를 낮추는 경향이 있다. 필요이상 pH저하시 응집제의 작용능력이 저하 된다. 따라서 pH를 적정 수준으로 유지해야 할 필요가 있는데 이러한 목적으로 사용되는것이 응집보조제이다.
2. 플록형성보조제 :활성규산이나 기타(-)하전의 미세콜로이드는 극히 낮은 농도의 수중성분을 응집시키려고 할때 수중의(-)하전 콜로이드의 부족분을 보충하는 작용을 한다, 그러나 일반적으로 보조제의 대부분은 정, 부, 비전하를 불문하고 분자량이 100만 정도 또는 그 이상의 고분자 가교물질로서 플록의 결합강도를 증대하기 위해 사용되는 경우가 많기 때문에 정확히 말하면 플록형성보조제라고 부르는 것이 옳다.
교반
콜로이드간의 접착을 위하여 콜로이드 상호간 충돌의 기회를 증가시키는 과정. 과도한 교반은 유체의 흐름에 대한 속도경사의 증가에 따라 전단력이 증가되어 응집된 floc이 붕괴될 수 있다.
탁도
물의 흐림정도를 나타내는 것으로 투시도와 같은 목적으로 사용되는 지표로 사용된다. 탁하다는 말은 빛의 통과를 방해하거나 가시심도(Visual Depth)를 제한하는 부유물질을 포함하고 있다는 뜻이다. 탁도는 물의 탁한정도를 표시하는 것으로 여러가지 부유물질에 의하여 생겨나고 그 크기범위는 콜로이도 분산질로 부터 굵은 분산질에 이르며 난류도에 따라 달라진다. 호소와 같이 비교적 정체된 상태에 있는 물에서의 탁도는 대부분 콜로이드의 분산과 대단히 미세한 분산질에 의하여 생겨나며, 하천수와 같이 흐르는 상태의 물 속에서는 대부분 비교적 굵은 분산질에 의하여 생겨난다.
탁도를 유발하는 물질로는 토사류와 같은 순수한 무기물질로부터 천연유기물 또는 공장폐수와 가정하수에서 유입되는 많은 양의 무기물질과 유기물질 또한 유기물질로 인해 생성한 박테리아와 미생물, 조류(Alage) 등도 탁도를 유발하는 원인물질이 된다. 이러한 다양한 성분 및 각각의 특성으로 탁도 유발물질을 제거하기 위해서는 여러가지의 특별한 폐수처리장치 및 기술이 필요하다.
1. NTU : 혼탁입자들에 의하여 산란도를 측정하는 네펠로법(Nephelometry)을 이용하는 것으로 네펠로법-혼탁도-단위(Nephelometry Turbidity Unit : NTU)를 사용한다. Nephelometic측정법은 산란광과 탁도(계량화된량)간의 관계를 나타내기 위해 산란광의 측정은 조사광의 90도에서 이루어진다.
2. FTU : 포마진 탁도 단위(Formazin Turbidity Unit)이다. 적외선 광원을 채택 Nephelometer를 사용하여 탁도를 측정한다. FAU는 산랑광이 아닌 투과광으로 측정하는 측정 단위 이다.
실험에서 사용되어지는 샘플의 특성
농도(ppm)를 일정한 값(3,6,9,12,15,18)으로 증가시키기 위해 응집제의 농도(ppm)를 먼저 정하고 응집제 주입량을 결정하였다.
응집제 농도가 3ppm일 때, 응집제 주입량(㎎)=x
(x× 10/100 × 1/100)/2L = 3ppm
x = 6000㎎
1000㎎ = 1㎖이므로, 응집제 주입량은 6㎖가 된다.
이런 과정을 반복하여 주입량을 6 ～ 36㎎ 으로 결정하였다
실험 기구 및 시약
1. 실험 기구
원수 취수를 위한 채수통, pH meter, Conductivity meter, 탁도계, Jar tester, 피펫, 피펫 홀더, 비커 등
2. 실험 시약
pH 조정제(0.1N HCl, 0.1N NaOH), 응집제(20㎎/㎖)
실험 방법
1. 최적 pH의 결정
1) 대상 시료를 채취한다.
2) Jar에 채취한 대상 시료를 일정한 량으로 넣는다.
3) 각 Jar에 번호를 매긴 후 0.1N HCl과 0.1 NaOH를 이용해 pH를 조정한다.( 6개의 Jar에 pH5～9로 조정함.)
4) 각각의 Jar에 준비된 응집제(PAC)를 2㎖씩 넣는다.
5) JAR-TESTER에 원화는 교반속도와 시간을 Programming한 후 운전한다.(운전은 급속교반 200rpm 5분 → 완속교반 600rpm 10분 → 완속교반 40rpm 10분 → 완속교반 20rpm 10분 → 침전 10분으로 한다.)
6) 운전이 끝나면 각 Jar에 담긴 시료의 탁도를 측정한 후 기록한다.
2. 최적 응집제 주입량의 결정
1) 대상 시료를 채취한다.
2) Jar에 채취한 대상 시료를 일정한 량으로 넣는다.
3) 각 Jar에 번호를 매긴 후 0.1N HCl과 0.1 NaOH를 이용해 (1)번 실험의 결과를 토대로 최적의 pH로 조정한다.(모든 Jar가 일정하게)
4) 각각의 Jar에 준비된 응집제(PAC)를 각각 다른 양을 넣는다.(6-36㎖로 넣음.)
5) JAR-TESTER에 원화는 교반속도와 시간을 Programming한 후 운전한다.(운전은 위 실험(1)과 동일)
6) 운전이 끝나면 각 Jar에 담긴 시료의 탁도를 측정한 후 기록한다.
실험 결과
1. 초기 시료 분석
| pH | 온도(℃) | 탁도(NTU) |
| 7.65 | 15.5 | 41.5 |
2. 최적의 응집제 주입량 결정(대략 pH8정도로 조정)
응집제주입농도결정식(응집제:20㎎/㎖, 2L Jar사용)
응집제주입농도(㎎/L) = (20㎎/㎖×응집제주입량(㎖))/2L
| Jar Num. | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 |
| pH | 7.57 | 7.29 | 7.09 | 6.94 | 6.63 | 6.31 |
| 응집제주입량(㎖) | 6 | 12 | 18 | 24 | 30 | 36 |
| 응집제주입농도(㎎/L)=(ppm) | 3 | 6 | 9 | 12 | 15 | 18 |
| 탁도(FAU) | 4.55 | 2.78 | 1.50 | 2.61 | 26.7 | 38.8 |
3. 결과 그래프
토의 사항
1. 데이터 및 그래프 분석
실험 데이터를 바탕으로 그래프를 그려 보았는데, 농도 9ppm에서 탁도가 가장 낮게 나왔고 응집제주입량에 대해서는 18㎖에서 가장 낮게 나왔다. 그래프를 보면 응집제주입량이 너무 적거나 많으면 응집효과가 현저히 떨어짐을 알 수 있다. 이를 통해 응집공정의 경우 적절한 응집제 투여가 매우 중요함을 알 수 있다. 응집제를 너무 적게 투입하면 생성되는 다가의 양이온이 부족하기 때문에 응집효과가 좋지 못하고, 반대로 너무 많이 투입하면 너무 많은 다가의 양이온이 생성되 (+)하전이 많아 플록이 잘 형성되지 않고 입자가 안정화 될 것이다. 즉, 실험한 시료의 최적 응집제주입량은 18㎖ 부근이라고 추측할 수 있다. 조금 더 확실한 결과 값을 구하려면 응집제 주입량 12～24㎖ 사이를 더 세분화하여 실험할 필요가 있다.
2. 이론과 데이터를 바탕으로 한 시료성상 예측
탁도성분의 주체인 점토계 콜로이드(1㎛)인 경우 pH7 부근에서 최저의 탁도를 나타내고, 1㎚에도 못 미치는 미세한 콜로이드의 응집인 경우에는 약산성인 pH5부근에서 최저치를 나타낸다. 그 이유는 알루미늄이 pH에 따라 수중에 존재하는 성상이 다르기 때문이다. 점토계 콜로이드의 경우 약산성인 경우가 다가의 (+)전하를 가진 용해성 폴리머 이온이 가장 잘 생성되긴 하지만 pH7 부근에서는 다가의 양이온에 의한 중화와 불용해한 알루미늄에 의한 체 거름작용이 동시에 이루어지므로 쉽게 침전될 수 있는 커다란 floc이 쉽게 생긴다. 따라서 최고의 효과를 나타낸다. 하지만 미세한 콜로이드같은 경우는 같은 양이라도 직경이 점토의 1/1000수준이므로 표면적은 1,000,000배가 된다.
따라서 중화해야 할 전기량은 점토에 비해 대단히 많다. 이러한 이유로 미세콜로이드의 응집은 pH5부근인 약산성에서 최고치를 갖는다. 또 수중에 인과 같은 (-)이온이 많이 존재하면 OH- 이온과 경합해서 알루미늄의 응집영역이 산성범위로 이동한다. 이러한 경우에는 점토도 pH5～6부근에서 응집이 가장 잘 진행된다. 반대로 Ca2+나 Mg2+등의 (+)의 다가이온이 많이 존재하면 응집점은 알칼리 범위로 이동한다. (-)로 하전 된 콜로이드성 입자의 중화보다는 다량의 (+)다가이온을 중화 하여야하기 때문에 Al(OH)-의 생성을 위해서라 보인다. 즉, 시료에 용해된 콜로이드성 입자의 성상과 양에 따라 pH조절범위나 응집제의 투여량, 종류 등이 달라질 것이라 볼 수 있다. 우리가 채취한 시료의 실험 결과를 보면 응집제 18㎎/L, pH7.09인 경우에 응집효과가 가장 좋게 나왔다. 이를 통해 생각해 보면, 시료는 점토계 콜로이드성 입자가 주로 포함 되어 있다고 생각해 볼 수 있다. 이를 확인하기 위한 실험으로 시료의 성상을 항목별로 분석해보면 좋을 것 같다.
3. 오차원인분석
응집제 투여 시 각각의 Jar에 시간차를 두고 투여하였는데, 오랜 시간동안 교반과 침전을 하지 못하였으므로 응집제의 작용시간에 대한 오차가 생길 것이라고 생각한다. 특히 탁도를 측정 할 때에 도 각각의 Jar에 시간차를 두고 측정하였는데, 나중에 측정한 Jar의 시료가 더 오랜 침전시간을 갖을 수 있었으므로 이는 오차의 한 원인이 된다고 생각한다. 최적의 응집제투여량을 찾는 실험에서 각각의 Jar의 시료의 pH가 다소 차이가 있었는데 실험은 매우 미세한 양에 의해서도 결과 값이 크게 달라질 수 있으므로 오차의 한 원인이 될 수 있다고 생각한다.
여러 문헌들을 보면 응집제에 의한 응집 실험 시 교반시킴에 따라 pH가 낮아 질 수 있다고 한다. 그 이유는 대부분의 응집제는 다가의 금속염이 사용되는데 이는 대부분 약산이므로 물속에 투여하면 pH가 저하되기 때문이다. 데이터 값에 의한 시료의 성상 예측이 맞는다고 가정하면 더 높은 범위의 pH에서 최적의 효과를 나타낼 것이라 생각한다. 즉, 주입된 응집제에 의해 pH가 다소 낮아질 수 있다. 실험 종료 후 최종 pH값을 측정하여 본 결과 이론대로 pH값이 내려갔다. pH에 의한 응집작용의 변화는 실험하지 않아 고려하지 못하였으므로 오차가 생길 수 있다. 이 밖에도 시약제조과정, 탁도 측정, 시약과 시료의 정량 측정등 에서도 크고 작은 오차가 발생했을 것이라 본다.
참고 문헌
1. Basic Environmental Technology, J.A. Nathanson , Prentice Hall
2. 환경공학용어사전, 환경용어연구회 편, 성안당, 1996.4
3. 용수처리(상수처리기술), 유명진∙조용모 공역, 동화기술(2004)
4. 상수도공학(계획, 설계 및 운전), 유명진 외 8명 공역, 동화기술(2005)
5. 수질오염공정시험방법주해, 최규철 외 8명 엮음, 동화기술(2004)
[환경공학실험]Jar Test(약품응집실험)
[환경공학실험]Jar Test(약품응집실험)
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