자원처리 - 응집제에 의한 응집 메커니즘과 제타전위(Zeta Potential)

아래의 글에서는 Coagulantion과 Floccuation을 별도로 구분하지 않고 있으며,

콜로이드가 응집하게 되는 모든 과정을 Flocculation으로 설명하고 있습니다.

 

Coagulation과 Flocculation에 대한 글은 아래의 링크를 참고해주세요.

*[참고] 응결(Coagulation)과 응집(Flocculation)

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I. Flocculant: 응집제란?

 

자원처리과정에서 사용되는 응집제(Flocculants)는 주로 유기고분자이며, 침전조/정화조/CCD에서 아주 미세한 고체입자들의 침전을 가속시키기 위해 사용됩니다.

*[참고] 침전조 내 응집제의 사용

 

응집제의 분류는 대전상태에 따라서 양이온(Cationic), 음이온(Anionic) 또는 비이온성(Non-ionic), 성분에 따라 유기물(Organic) 혹은 무기물(Inorganic) 또는 응집 메커니즘에 따라서도 분류될 수 있습니다.

 

II. Flocculation Mechanism: 응집 메커니즘

 

Flocculation Mechiasm 모식도 (좌측부터 아래 Mechanism에 해당)

(1) Charge Neutralization

 

콜로이드의 표면이 특정 부호로 대전되어 있을 때, 반대되는 부호의 이온을 용액속에 넣음으로써 전기적으로 중성화 하는 것입니다. 이를 통해, 기존 현탁액 내의 콜로이드 간에 존재했던 정전기적 반발력(Electrostatic Repulsion)을 제거하면서 응집됩니다.

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(2) Electrostatic Patch

 

응집제 혹은 콜로이드가 다른 입자 중에 반대 부호로 대전되어 있는 부분에 전기적으로 부착됨으로써 응집이 발생합니다.

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(3) Bridging(가교)

 

대전된 상태의 응집제는 두 개 이상의 입자 혹은 콜로이드를 일종의 다리를 놓아 줌으로써(가교) 입자의 침전을 도와줍니다. 따라서, 폴리머의 길이는 이러한 메커니즘을 이용하는 응집제(폴리머)의 성능/효과를 결정하는데 가장 중요한 요소가 됩니다. 

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(4) 위 메커니즘들의 동시 혹은 순차적 작용

 

III. Colloid & Zeta Potential: 콜로이드와 제타포텐셜

 

(1) Colloid (콜로이드)

 

분자나 이온보다 크고, 지름이 1 ~ 1,000nm 정도의 미립자가 기체 또는 액체 중에 분산되어 있는 것을 콜로이드라고 하며, 이러한 입자들은 일반적으로 대전하고 있습니다.

 

콜로이드는 용액 중에서 서로 같은 부호로 대전되어 있기에 서로 반발하여 용액 중에서 안정적으로 존재합니다.

 

단, 안정적이라는 것은 콜로이드가 기체 또는 액체 중에서 분산되어 있는 상태를 유지하려고 하는 정도입니다. (따라서 입자의 표면이 극성을 많이 띌수록/입자간의 반발력이 증가할 수록 안정한 상태인것을 의미합니다.)

 

Table 1. 제타포텐셜과 콜로이드의 안정성

Zeta Potential (mV)	Stability Behavior of the Colloid
from 0 to ±5	Rapid Coagulation or Flocculation
from ±10 to ±30	Incipient Instability [불안정하기 시작]
from ±30 to ±40	Moderate Stability [적당히 안정]
from ±40 to ±60	Good Stability [안정]
more than ±61	Excellent Stability [매우 안정]

 

따라서, 이러한 콜로이드를 중화시키는 반대 부호의 이온을 함유한 전해질을 가하면, 이 이온과 콜로이드 입자들이 서로 엉겨붙음으로써 전기적으로 중화되고 입자가 크게 되어서 침전합니다.

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(2) 제타 포텐셜(Zetal Potential)

 

수용액 중에서 광물표면은 하전되어 있습니다. 그러나, 직접적으로 광물의 표면 전위(Surface Potential)를 측정할 수 없으며 이에 따라 표면 전위와 동일한 극상을 나타내는 제타 포텐셜(Zeta Potential)을 측정합니다.

*[참고] 전기적 이중층 (Electrical Double Layer)

 

Zeta Potential

한편, 수용액 상에 존재하는 광물표면은 등전위점 지점보다 낮은 pH 영역과 높은 pH 영역에서 서로 다르게 대전되어 있으며, 이에 따라 침전시키고자하는 광물이 포함된 용액의 pH에 따라 사용되는 응집제의 종류가 달라질 수 있습니다.

 

2-1) 등전위점(PZC, Point of Zero Charge)

 

제타 포텐셜이 0인 pH입니다. 따라서, 등전위점인 pH에서는 광물의 표면은 전기적으로 중성(Net Neutral Charge)인 상태가 됩니다.