식수 등급 폴리알루미늄 클로라이드 (PAC) : 안전하고 효율적인 수처리 정화제

소개

전 세계적으로 심각해지는 물 부족과 수질 오염 문제로 인해 안전하고 효율적인 음용수 처리 기술이 공공 건강을 보호하는 데 핵심이 되었습니다. 폴리아연화합물(약칭 PAC)은 새로운 유형의 무기 고분자 응집제로, 1960년대 등장 이후 뛰어난 수질 정화 성능 덕분에 전통적인 알루미늄 염을 빠르게 대체하였으며, 수처리 분야의 주류 물질이 되었습니다. 특히 음용수 처리 분야에서 음용수 등급 PAC는 높은 효율성, 안전성 및 광범위한 적응성을 특징으로 하여 도시 수도 시설, 농촌 중앙 집중식 급수 및 다양한 산업용 순수 수조제 시스템에서 널리 사용되고 있습니다.

중국의 "음용수 위생 기준" (GB5749-2022)은 수질에 대한 더 높은 요구 사항을 설정하였으며, 이는 고성능 수처리 화학물질의 개발을 더욱 촉진하였습니다. 전통적인 황산알루미늄 및 염화알루미늄과 비교할 때, 음용수 등급 PAC는 우수한 응집 효과, 낮은 잔여 알루미늄, 넓은 pH 적응 범위 및 적은 슬러지와 같은 중요한 장점을 가지고 있습니다. 이 기사는 음용수 등급 PAC의 특성, 생산 과정, 품질 기준 및 다양한 수처리에서의 응용 기술을 체계적으로 소개하여 수처리 프로젝트의 설계 및 운영 관리에 대한 참고 자료를 제공합니다.

I. 음용수 등급 PAC 개요

폴리알루미늄 클로라이드는 무기 고분자 화합물이며, 화학식은 [Al₂(OH)ₙCl₆ ₙ ₙ]ₘ로, 여기서 n=1-5, m≤10입니다. 음용수 등급 PAC는 음용수 처리를 위해 특별히 개발된 고순도 제품입니다. 산업용 등급 PAC와 비교할 때, 중금속과 같은 유해 불순물의 함량에 대해 더 엄격한 제한이 있습니다. 화학 구조 관점에서 PAC는 AlCl₃와 Al(OH)₃ 사이의 가수분해-중합 제품으로, [Al₆(OH)₁₅]³⁺, [Al₈(OH)₂₀]⁴⁺와 같은 다수의 양전하를 띤 다핵 수산 복합체를 포함하고 있습니다. 이러한 고전하 폴리머는 PAC에 우수한 전기 중화 능력을 부여합니다.

다양한 생산 공정에 따라 PAC는 드럼 건조형, 스프레이 건조형 및 액체 제품의 세 가지 형태로 분류될 수 있습니다. 음용수 등급 PAC는 주로 스프레이 건조 공정을 통해 생산됩니다. 이 공정은 고온의 빠른 건조를 통해 PAC의 활성 성분을 효과적으로 유지할 수 있습니다. 제품은 연한 노란색 분말 형태이며, 알루미나(Al₂O₃) 함량이 30% 이상이고, 염기성은 40%에서 60% 사이로 조절됩니다. 액체 PAC는 사용의 편리성으로 인해 중소형 수처리 시설에서도 적용되지만, 운송 비용이 상대적으로 높습니다.

중국은 음용수 등급 PAC에 대해 엄격한 품질 기준을 가지고 있습니다. "음용수용 폴리알루미늄 클로라이드" (GB/T 22627-2014)에서는 다음과 같이 규정하고 있습니다: 음용수 등급 PAC의 Al₂O₃ 함량은 ≥28%, 알칼리도는 40%-85%, 수불용 물질은 ≤1.5%, 비소 함량은 ≤0.0005%, 납 함량은 ≤0.002%, 카드뮴 함량은 ≤0.0005%, 수은 함량은 ≤0.00001%입니다. 이러한 지표는 음용수 처리에서 PAC의 안전성을 보장합니다. 일본 및 유럽 연합과 같은 국제 기준과 비교할 때, 중국의 기준은 중금속 한도 측면에서 더 엄격하며, 특히 발암물질인 비소의 통제에 있어 더욱 그러합니다.

Ii. 수처리에서 음용수 등급 PAC의 메커니즘

PAC의 수처리에서의 정화 메커니즘은 복잡하고 효율적이며, 주로 세 가지 측면을 포함합니다: 전기 중화, 흡착 브리징 및 망 포획 스위핑. 전기 중화 효과는 PAC 수처리의 핵심 메커니즘입니다. 물속의 콜로이드 입자는 일반적으로 음전하를 띠고 있으며, PAC의 가수분해 후 생성된 고가치 양전하 집합체는 이러한 음전하를 효과적으로 중화시켜 콜로이드의 안정성을 파괴하고 불안정화 및 응집을 유발할 수 있습니다. 연구에 따르면 PAC의 Alb(중간 정도의 중합 성분) 함량이 높을수록 전기 중화 능력이 강해지고 응집 효과가 더 좋습니다.

흡착 교량 효과는 PAC의 긴 사슬 폴리머 구조가 여러 콜로이드 입자 사이에 "교량"을 형성하여 이 입자들을 연결하여 더 큰 플록을 형성할 수 있다는 사실을 의미합니다. 이 효과는 저온 및 저탁수 처리에서 특히 중요합니다. PAC의 투여량이 상대적으로 높을 때 순수 포획 및 청소 효과가 발생하며, 형성된 수산화알루미늄 침전물이 필터 스크린처럼 작용하여 물 속의 미세 입자를 포획합니다. 실제 응용에서는 이 세 가지 효과가 종종 동시에 존재하지만, 지배적인 메커니즘은 수질 조건과 PAC의 투여량에 따라 달라집니다.

전통적인 알루미늄 염과 비교할 때, PAC는 상당한 장점을 가지고 있습니다: 첫째, PAC는 사전 가수분해된 제품으로, 그 유효 성분은 공장에서 형성되며 수온 및 pH와 같은 요인의 영향을 받지 않아 안정적인 응집 효과를 보장합니다. 둘째, PAC의 고분자 구조는 더 강한 전하 중화 능력과 더 넓은 pH 적응 범위(pH5-9)를 부여합니다. 셋째, PAC에 의해 생성된 플록은 크고 밀도가 높으며, 침전 속도가 빠릅니다. 처리된 물의 잔여 알루미늄 농도는 낮으며, 일반적으로 0.1mg/L 이하로 조절되어 국가 표준에서 규정한 0.2mg/L 한도보다 훨씬 낮습니다.

Iii. 음용수 처리에서 음용수 등급 PAC의 적용

수자원 공사의 적용에서 PAC는 핵심 응집제로서, 그 투입 과정은 최종 방류수의 품질에 직접적인 영향을 미칩니다. 일반적인 처리 과정은 보통 "PAC 응집 - 침전 - 여과 - 소독" 흐름을 채택합니다. 이 중 PAC 투입 지점은 일반적으로 급속 혼합 탱크 이전에 설정되며, 기계적 교반 또는 수압 혼합을 통해 시약의 신속하고 균일한 분산이 보장됩니다. 투입량은 원수의 품질에 따라 비커 테스트를 통해 결정되어야 하며, 일반적으로 5에서 30mg/L (Al₂O₃로 계산) 범위입니다. 탁도가 높은 물의 경우 "사전 염소화 - 응집" 과정을 채택할 수 있으며; 저온 및 저탁수의 경우 응집 보조제와 함께 사용하는 것이 권장됩니다.

PAC는 갑작스러운 수질 오염을 처리하는 데 독특한 장점을 보여줍니다. 원수에서 비정상적인 조류, 유기물 또는 중금속 오염이 발생할 때, PAC의 투입량과 pH 값을 조정하여 이러한 오염 물질을 효과적으로 제거할 수 있습니다. 연구에 따르면 최적화된 조건에서 PAC는 납 및 카드뮴과 같은 중금속에 대해 90% 이상의 제거율을 달성할 수 있으며, 조류 세포에 대해서는 95% 이상의 제거율을 기록할 수 있습니다. 계절적인 조류 발생을 처리할 때, 특정 수처리 시설은 PAC의 투입량을 15mg/L에서 25mg/L로 증가시키면서 pH를 6.5-7.0 범위 내에서 조절했습니다. 그 결과, 방류수의 조류 수는 mL당 5,000에서 50 미만으로 성공적으로 감소했습니다.

농촌 안전한 식수 프로젝트에서 PAC의 적용은 더 유연하고 다양합니다. 중앙 집중식 급수 시스템의 경우 자동 투약 장비를 채택할 수 있습니다. 분산 급수 지점의 경우 간단한 투약 장치와 소포장 제품이 개발되었습니다. 특정 지방의 농촌 식수 개조 프로젝트에서 PAC가 홍보되고 사용되어 급수 자격률이 60%에서 90% 이상으로 상승하였으며, 농촌 지역의 오랜 문제인 높은 불소 및 높은 비소 수질 문제를 효과적으로 해결하였습니다. 농촌 응용에서 운영의 간편함과 비용 통제에 특별한 주의를 기울여야 한다는 점은 주목할 만합니다. 액체 PAC 또는 미리 준비된 PAC 용액이 더 선호됩니다.

Iv. 도시 수돗물 및 산업용수 공급에서 음용수 등급 PAC의 적용

전통적인 수돗물 생산 외에도 도시 수돗물 공급 시스템은 재활용수의 재사용과 파이프라인 네트워크의 수질 유지도 포함됩니다. PAC는 이러한 분야에서 널리 적용됩니다. 재활용수 재사용 처리에서 PAC는 물 속의 콜로이드 유기물과 인을 효과적으로 제거할 수 있습니다. 특정 도시의 재활용수 처리장은 PAC 응집 + 막 여과 공정을 채택하여 방류수의 COD를 10mg/L 이하로, 총 인을 0.3mg/L 이하로 줄여 조경수 사용 기준을 완전히 충족했습니다. 파이프라인 네트워크의 "황색수" 문제에 대해, 수처리장에서 PAC의 투입량을 조정하여 응집 효과를 최적화함으로써 파이프라인 네트워크 내의 철과 망간의 침전을 크게 줄일 수 있습니다. 특정 도시가 PAC의 최적화된 투입량을 시행한 후, 사용자 측의 수질 불만이 70% 감소했습니다.

산업용 수자원 공급 분야에서, 다양한 산업은 수질에 대한 요구 사항이 다르며, PAC의 적용 또한 다양한 특성을 보입니다. 전력 산업의 보일러 급수 처리에서, PAC는 전처리제로서 후속 이온 교환 시스템의 부하를 효과적으로 줄일 수 있습니다. 전자 산업의 초순수수 준비에서, 고순도 PAC가 사용되어 물에서 미량 금속을 제거합니다. 식음료 산업은 PAC의 안전성과 맛에 미치는 영향을 더 중요하게 생각합니다. 한 양조장은 전통적인 응집제를 대체하기 위해 특별히 설계된 저잔여 PAC를 채택하여 양조수의 품질을 크게 향상시키고 제품의 맛을 더 순수하게 만들었습니다.

산업 폐수의 재사용은 PAC의 또 다른 중요한 응용 시나리오입니다. 철강, 염색 및 인쇄, 제지와 같은 산업에서 폐수의 고급 처리에서 PAC는 COD, 색상 및 중금속을 동시에 제거하여 폐수 재사용을 달성할 수 있습니다. 특정 제지 공장은 PAC 응집 + 오존 공정을 채택하여 폐수 재사용률을 40%에서 75%로 증가시키고 매년 200만 톤의 담수 절약을 달성했습니다. 도시 수도 공급과 달리 산업 응용에서 PAC의 투여량은 일반적으로 더 높으며, 때때로 최상의 처리 효과를 달성하기 위해 유기 고분자 응집제와 함께 사용해야 할 필요가 있습니다.

V. 음용수 등급 PAC의 개발 동향 및 전망

수처리 기술의 발전과 환경 보호 요구 사항의 증가로 인해, 음용수 등급 PAC는 고성능, 기능성 및 친환경성을 향해 발전하고 있습니다. 실리콘 함유 PAC (PACS) 및 철 함유 PAC (PAFC)와 같은 새로운 유형의 복합 PAC 제품이 지속적으로 등장하고 있습니다. 이러한 제품들은 특정 수질에 대해 더 나은 처리 효과를 가지고 있습니다. 나노기술의 도입은 나노 규모 PAC의 출현을 가져왔으며, 그 더 큰 특정 표면적과 높은 활성도는 응집 효율성을 크게 향상시켰습니다. 특정 연구팀이 개발한 나노-PAC의 비소 제거 능력은 전통적인 PAC의 세 배 이상입니다.

녹색 생산은 PAC 산업에서 불가피한 추세입니다. 전통적인 PAC 생산 과정에서 발생하는 폐기물과 산성 폐수는 공정 개선을 통해 효과적으로 제어되고 있습니다. 새로운 분무 건조 기술은 에너지 소비를 30% 줄이고, 부산물의 회수율은 95%를 초과합니다. 앞으로 산업 폐산, 알루미늄 슬래그 및 기타 폐기물로부터 고품질 PAC를 생산하는 기술이 더욱 개선되어 자원 재활용을 달성할 것입니다. PAC의 생물학적 방법도 실험실 연구 단계에 있으며, 생산 과정의 환경 영향을 더욱 줄일 것으로 기대됩니다.

지능형 애플리케이션은 PAC 사용의 전통적인 방식을 변화시킬 것입니다. 빅 데이터와 인공지능에 기반한 지능형 투약 시스템은 수질 변화에 대한 실시간 분석과 PAC의 최적 투약량 예측이 가능합니다. 특정 스마트 수처리 프로젝트는 머신 러닝 모델을 통해 PAC 투약의 고급 제어를 달성하여 화학 물질 소비를 20% 줄이면서 방류수 품질의 안정성을 보장했습니다. 사물인터넷(IoT) 기술의 발전으로 PAC 투약의 원격 모니터링 및 최적화가 가능해지며, 이는 분산된 수돗물 공급 지점과 농촌 수처리 시설의 적용 시나리오에 특히 적합합니다.

결론

음용수 등급 폴리알루미늄 클로라이드(PAC)는 현대 수처리에서 핵심 화학 물질로서 음용수 안전을 보장하고 도시 수돗물 품질을 개선하며 지속 가능한 산업 발전을 지원하는 데 있어 대체 불가능한 역할을 합니다. 이는 높은 효율성, 안전성 및 강한 적응성 덕분입니다. 기술 발전과 환경 보호 기준의 향상에 따라 PAC 제품과 그 응용 기술은 지속적으로 혁신하여 전 세계 물 자원 문제를 해결하기 위한 보다 포괄적인 솔루션을 제공할 것입니다. 수처리 산업은 PAC의 과학적 가치를 충분히 인식하고, 생산 및 응용 기술을 지속적으로 최적화하며, 동시에 인류에게 보다 안전하고 깨끗한 음용수를 제공하기 위해 새로운 응집제의 연구 및 개발을 강화해야 합니다.