I. 소개

폴리아크릴아미드(PAM의 약어)는 선형 고분자입니다. 1950년대에 산업 생산이 이루어진 이후, 수처리 분야에서 가장 중요한 화학 물질 중 하나가 되었습니다. 독특한 분자 구조와 조정 가능한 성능 덕분에 PAM은 음용수 정화, 하수 처리, 산업 폐수 처리 및 슬러지 탈수 과정에서 대체할 수 없는 역할을 합니다. 점점 더 엄격해지는 환경 보호 규정과 물 자원 부족 문제의 심화로 인해, 수처리에서 PAM의 응용 연구는 지속적으로 심화되고 있으며, 새로운 개량 PAM 제품의 개발도 눈에 띄는 진전을 이루었습니다.

Ii. PAM의 기본 특성 및 분류

1. 화학 구조 및 물리적 성질

PAM은 아크릴아마이드 단량체의 자유 라디칼 중합에 의해 형성된 고분자 화합물입니다. 그 분자 사슬에는 많은 수의 아미드 그룹 (-CONH2)이 포함되어 있으며, 이러한 극성 그룹은 PAM에 우수한 수용성과 화학적 활성을 부여합니다. PAM의 평균 분자량은 일반적으로 100만에서 2000만 사이입니다. 필요에 따라 중합 정도를 조정하여 다양한 분자량의 제품을 얻을 수 있습니다.

2. PAM의 주요 유형

이온 특성에 따라 PAM은 세 가지 주요 범주로 분류될 수 있습니다:

●비이온성 PAM (NPAM) : 분자 사슬은 전하가 없으며 주로 수소 결합과 반데르발스 힘을 통해 작용합니다. 높은 염도 또는 높은 pH 값을 가진 환경에 적합합니다.

●음이온 PAM (APAM) : 가수분해 또는 공중합을 통해 카복실기와 같은 음이온 그룹을 도입함으로써 양전하를 띤 콜로이드 입자에 대해 우수한 응집 효과를 가지며, 도시 하수 및 광물 가공 폐수 처리에 널리 사용됩니다.

●양이온 PAM (CPAM) : 4급 암모늄 염과 같은 양이온 그룹을 도입하여 준비되며, 슬러지 탈수 및 제지 폐수와 같은 분야에서 음전하를 띤 유기 콜로이드에 특히 적합합니다.

또한, 처리 대상의 특성에 따라 분자 설계가 가능한 양쪽성 PAM 및 수정 PAM과 같은 특수 품종이 있습니다.

Iii. PAM의 수처리 메커니즘

1. 응집 메커니즘

PAM은 주로 다음 세 가지 방법을 통해 부유 고형물의 집합을 달성합니다:

●전기 중화: 전하를 띤 PAM 분자가 정전기적 상호작용을 통해 콜로이드 입자의 표면 전하를 중화시켜 ζ 전위를 감소시키고 콜로이드의 안정성을 방해합니다.

●흡착 교량 효과: 긴 사슬 PAM 분자가 동시에 여러 입자를 흡착하여 "입자-고분자-입자" 플록 구조를 형성하며, 이는 고분자 플록큘런트의 독특한 작용 방식입니다.

●망 포획 및 스위핑 효과: PAM에 의해 형성된 3차원 네트워크 구조는 침전 과정에서 미세 입자를 기계적으로 포획할 수 있습니다.

2. 응집 효과에 영향을 미치는 주요 요인

●분자량: 일반적으로 분자량이 클수록 교량 능력이 강해지지만, 용해도는 감소합니다.

●이온 정도: 이는 전하 밀도를 결정하고 전기 중화 능력에 영향을 미칩니다.

●복용량: 최적 값이 있습니다. 과도한 복용량은 콜로이드가 재안정화될 수 있습니다.

●솔루션 pH 값: PAM의 이온화 정도와 입자의 표면 전하 특성에 영향을 미칩니다.

●교반 조건: 적당한 교반은 플록 형성에 도움이 되지만, 과도한 교반은 플록을 손상시킬 수 있습니다.

Iv. PAM의 다양한 수처리 분야에서의 응용

1. 음용수 처리

수처리에서 PAM은 주로 알루미늄 또는 철 염 응집제와 결합하여 응집 보조제로 사용되며, 이는 무기 응집제의 투여량을 30-50% 줄이고 방류수의 품질을 크게 향상시킬 수 있습니다. 연구에 따르면 APAM의 최적 사용은 침전조에서 방류수의 탁도를 0.5NTU 이하로 줄이고 물속의 미량 유기물과 조류를 효과적으로 제거할 수 있습니다.

2. 도시 하수 처리

2차 처리에서 PAM은 활성 슬러지의 침전을 가속화하고 2차 침전조의 효율성을 향상시킬 수 있습니다. 3차 고급 처리에서 PAM 보조 필터링은 인과 부유 고형물을 추가로 제거할 수 있습니다. 특정 하수 처리장이 CPAM을 채택한 후 슬러지 부피 지수(SVI)는 150mL/g에서 80mL/g로 감소하였고, 처리 용량은 약 40% 증가하였습니다.

3. 산업 폐수 처리

●제지 폐수: CPAM은 고농도 유기 폐수를 효과적으로 처리할 수 있으며, COD 제거율은 85% 이상입니다.

●전기 도금 폐수: APAM은 중금속 이온과 플록을 형성하며, 니켈, 크롬 등의 제거율이 99%를 초과합니다.

●유전 폐수: PAM은 기름이 포함된 폐수 처리에 사용되며, 기름 함량을 1000mg/L에서 10mg/L 이하로 줄일 수 있습니다.

4.슬러지 탈수

PAM 조절은 슬러지의 탈수 성능을 크게 향상시킬 수 있으며, 슬러지의 수분 함량을 98%에서 80% 이하로 줄이고 슬러지의 부피를 크게 줄입니다. 고급 자동 투여 시스템은 슬러지의 특성에 따라 CPAM의 투여량과 이온화 정도를 실시간으로 조정하여 최상의 탈수 효과를 달성합니다.

V. PAM 사용의 최적화 및 혁신

1. 복합 기술

PAM과 무기 응집제(예: PAC), 산화제(예: 퍼설페이트) 또는 기타 유기 플록큘런트를 결합하여 사용하면 시너지 효과를 낼 수 있습니다. 예를 들어, PAM과 PAC를 조합하여 인쇄 및 염색 폐수를 처리할 때 색상 제거율이 20-30% 증가할 수 있습니다.

2. 수정된 PAM의 개발

●고온 및 염분 저항성 PAM: 설폰산 그룹과 같은 강한 친수성 그룹을 도입함으로써 고온 및 고염 환경에서의 안정성이 향상됩니다.

●환경 친화적인 PAM: 제품 내 잔여 단량체(아크릴아마이드) 함량을 줄이고 생분해성을 향상시킵니다.

●나노 복합체 PAM: 나노-sio2, 탄소 나노튜브 등이 추가되어 기계적 강도와 응집 성능을 향상시킵니다.

3.지능형 제어 기술

온라인 모니터링을 기반으로 한 지능형 투여 시스템은 제타 전위, 플록 입자 크기 등을 통해 PAM 투여 매개변수를 실시간으로 최적화하고 화학 물질 소비를 15-30% 줄일 수 있습니다. 특정 지능형 수처리 시설은 AI 알고리즘을 사용하여 PAM의 추가를 제어하여 연간 500,000 위안 이상의 비용을 절감하고 있습니다.

Vi. PAM 사용 시 주의사항

1. 용해 과정: PAM은 깨끗한 물에 천천히 뿌려지고 적당히 저어져 "물고기 눈" 모양의 불용성 물질이 형성되는 것을 피해야 합니다. 일반적으로 0.1-0.5% 용액이 준비되어 즉시 사용됩니다.

2.안전 및 환경 보호: 아크릴아마이드 단량체는 신경독성을 가지고 있습니다. 고품질 및 저잔여 단일 제품(<0.05%)을 선택해야 합니다. 폐 PAM 용액은 적절하게 처리하여 수역에 직접 방류되지 않도록 해야 합니다.

3. 저장 조건: 고형 PAM은 수분 흡수 및 응집을 방지하기 위해 밀폐된 용기에 서늘하고 건조한 곳에 보관해야 합니다. 용액은 48시간 이상 보관해서는 안 됩니다.

Vii. 미래 개발 동향

1. 친환경 합성 기술: 에너지 소비와 폐기물 생성을 줄이기 위해 생물 효소 촉매 중합과 같은 친환경 생산 공정을 개발합니다.

2.기능적 설계: 새로운 오염물질(예: 미세플라스틱, 약물 잔여물)을 위한 특정 PAM 분자 설계.

3.디지털 관리: 사물인터넷과 빅데이터 분석을 통합하여 PAM의 정밀하고 지능적인 사용을 달성합니다.

4. 자원 회수: PAM 응집을 활용하여 폐수에서 희귀 금속 및 귀금속과 같은 귀중한 물질을 농축합니다.

Viii. 결론

수처리 분야의 "다재다능한 플레이어"로서 PAM은 높은 효율성, 경제성 및 넓은 적응성 덕분에 글로벌 수자원 보호 및 오염 통제에서 지속적으로 중요한 역할을 해왔습니다. 재료 과학 및 환경 기술의 발전과 함께, 우수한 성능과 더 큰 환경 친화성을 갖춘 새로운 PAM 제품들이 계속해서 등장하여 복잡한 수처리 문제를 해결할 수 있는 더 많은 솔루션을 제공할 것입니다. PAM 기술의 미래 발전은 효율성 향상과 환경 친화성 간의 균형에 더 많은 주의를 기울여야 하며, 수처리 산업이 보다 효율적이고 지속 가능한 방향으로 발전할 수 있도록 촉진해야 합니다.