반응형
SMALL
[문제 분석 및 중요성 설명]
정수처리 공정에서 응집(coagulation)은 탁도 및 유기물 제거의 핵심 단계이다. 특히 알루미늄(III) 염(예: alum, Al2(SO4)3·5H2O)은 소수성 콜로이드를 탈안정화시켜 입자를 응집시킬 수 있는 대표적인 응집제이다. 이 문제는
- 알루미늄 염의 작용 원리,
- 알칼리도 소모량 계산,
- 제타전위(zeta potential)를 통한 응집효율 평가를 종합적으로 다루고 있어 실제 정수처리 설계나 운영에서 매우 중요한 기초 지식을 묻고 있다.
[문제 상황 설명]
어느 지자체 상수도 사업소에서 수돗물의 탁도 제거를 위해 알루미늄계 응집제를 사용하고 있다. 그러나 계절적 수질 변화와 원수의 pH 변화에 따라 응집효율이 떨어지는 현상이 발생하고 있다. 이에 따라 해당 지자체는 응집 메커니즘을 이해하고 알칼리도 소모량을 계산해 약품 주입량을 재설계하며, 제타전위 측정을 통한 실시간 응집제 투입량 제어 시스템을 도입하려 한다.
A시 정수장은 탁도 제거를 위해 하루 평균 50,000 m3의 원수에 alum (Al2O3 기준) 1.5 mg/L를 투입하고 있다. 이 alum이 소수성 콜로이드를 어떻게 탈안정화시키는지를 설명하고, 다음 질문에 답하시오.
- 응집제 Al2O3의 첨가로 콜로이드가 탈안정화되는 메커니즘을 단계별로 설명하시오.
- 위 조건에서 알칼리도 소모량을 (mg/L as CaCO3 기준) 계산하시오. (단, Al = 27, O = 16)
- 제타전위의 개념과, 제타전위가 -35 mV일 경우 응집효율은 어떤 상태인지 평가하시오.
[풀이]
1. 응집 메커니즘 설명
- (0단계) 콜로이드 입자는 모두 같은 전하를 띠고 있어 서로 반발한다.
- (1단계) 알루미늄 염이 수중에 투입되면 수화층에 전하가 유도되어 전기적으로 중화된다.
- (2단계) 전하가 중화된 콜로이드 입자들이 점차 큰 입자(microfloc)로 응집된다.
- (3단계) 반데르발스 힘이 작용하여 macrofloc이 형성되고,
- (4단계) 침전 또는 여과로 제거된다.
2. 알칼리도 소모량 계산
Al₂O₃ + 3Ca(HCO₃)₂ → 2Al(OH)₃ + 3CaCO₃ + 3CO₂
- Al₂O₃의 분자량: 2×27 + 3×16 = 102 g/mol
- 1 mol의 Al₂O₃는 3 mol의 HCO₃⁻ (=1.5 mol CaCO₃)을 소비함
- 따라서 1.5 mg/L Al₂O₃는:
(1.5 / 102) mol/L × 3 × 100 = 4.41 mg/L as CaCO₃
3. 제타전위 해석
- 제타전위란 입자와 주변 이중층 경계의 전위차
- |제타전위| > 30 mV일 경우 입자 간 반발력이 커서 응집이 잘 일어나지 않음
- |제타전위| < 15 mV일 경우 입자 간 반발력이 약해져 쉽게 응집됨
- 이 경우 -35 mV → 안정화 상태, 응집이 어렵다 → 응집제 추가 필요
[
반응형
LIST