화력 발전소 수처리에서 PAC의 적용 효과

1. 메이크업 워터 전처리

자연 수역에는 진흙, 점토, 부식토 등의 부유물질과 콜로이드성 불순물, 그리고 박테리아, 곰팡이, 조류, 바이러스 등의 미생물이 흔히 포함되어 있습니다. 이러한 물질들은 물속에서 일정 기간 동안 안정적으로 존재하며, 물의 탁도, 색, 냄새의 주요 원인이 됩니다. 과도한 유기물질은 이온 교환기에 유입되어 수지를 오염시키고, 이온 교환 용량을 감소시키며, 심지어 담수화 시스템의 유출수 수질에도 영향을 미칩니다. 응집 처리, 침전 정화, 여과 처리는 이러한 불순물을 제거하는 것을 주된 목적으로 하며, 이를 통해 물 속 부유물질 함량을 5mg/L 미만으로 낮춰 정화된 물을 얻습니다. 이를 수처리 전처리라고 합니다. 전처리 후, 물에 용해된 염류는 이온 교환을 통해 제거되고, 물에 용해된 가스는 가열, 진공 처리, 또는 송풍을 통해 제거된 후에야 보일러 용수로 사용할 수 있습니다. 이러한 불순물이 먼저 제거되지 않으면 후속 처리(담수화)를 진행할 수 없습니다. 따라서 물의 응집 처리는 수처리 과정에서 중요한 단계입니다.

화력 발전소의 전처리 공정은 원수 → 응집 → 침전 및 정화 → 여과 순으로 진행됩니다. 응집 공정에 일반적으로 사용되는 응집제로는 폴리염화알루미늄, 폴리황산철, 황산알루미늄, 삼염화제2철 등이 있습니다. 이하에서는 주로 폴리염화알루미늄의 적용에 대해 소개합니다.

폴리알루미늄염화물(PAC)은 알루미늄회분이나 알루미늄 광물을 원료로 하여 고온 고압 조건에서 알칼리와 알루미늄의 반응을 통해 생성되는 고분자입니다. 원료와 제조 공정에 따라 제품의 규격이 다를 수 있습니다. PAC의 분자식은 [Al2(OH)nCl6-n]m이며, 여기서 n은 1부터 5까지의 정수이고, m은 10의 정수입니다. PAC는 고체와 액체 형태로 존재합니다.

2. 응고 기전

응집제는 물 속 콜로이드 입자에 전기적 중화, 흡착, 가교, 그리고 제거라는 세 가지 주요 효과를 나타냅니다. 이 세 가지 효과 중 어느 것이 주된 효과는 응집제의 종류와 투입량, 물 속 콜로이드 입자의 성질과 함량, 그리고 물의 pH 값에 따라 달라집니다. 폴리알루미늄 클로라이드의 작용 기전은 황산알루미늄과 유사하며, 물 속에서 황산알루미늄의 거동은 Al3+ 이온이 다양한 가수분해 산물을 생성하는 과정과 관련이 있습니다.

폴리알루미늄클로라이드는 특정 조건에서 염화알루미늄이 Al(OH)₃로 가수분해 및 중합되는 과정에서 생성되는 다양한 중간 생성물로 볼 수 있다. Al³⁺의 가수분해 과정 없이도 다양한 고분자 형태 및 Al(OH)₃의 형태로 물에 직접 존재한다.

3. 적용 분야 및 영향 요인

1. 물 온도

수온은 응집 처리 효과에 뚜렷한 영향을 미칩니다. 수온이 낮으면 응집제의 가수분해가 어려워지는데, 특히 5℃ 이하일 때는 가수분해 속도가 느려져 생성된 응집물은 구조가 느슨하고 수분 함량이 높으며 입자가 미세합니다. 또한 수온이 낮으면 콜로이드 입자의 용해가 촉진되어 응집 시간이 길어지고 침전 속도가 느려집니다. 연구 결과, 25~30℃의 수온이 가장 적합한 것으로 나타났습니다.

2. 물의 pH 값

폴리알루미늄클로라이드의 가수분해 과정은 H+ 이온이 지속적으로 방출되는 과정입니다. 따라서 pH 조건에 따라 생성되는 가수분해 중간 생성물이 달라지며, 폴리알루미늄클로라이드 응집 처리에 가장 적합한 pH는 일반적으로 6.5~7.5 사이입니다. 이 pH에서 응집 효과가 가장 높습니다.

3. 응고제 투여량

응집제 첨가량이 부족하면 방류수의 잔류 탁도가 높아집니다. 반대로 첨가량이 과다하면 물속의 콜로이드 입자가 과도한 응집제를 흡착하여 콜로이드 입자의 전하 특성이 변하고, 결과적으로 방류수의 잔류 탁도가 다시 증가합니다. 응집 과정은 단순한 화학 반응이 아니므로 필요한 투입량을 계산으로 결정할 수 없고, 특정 수질에 따라 적절한 투입량을 결정해야 합니다. 또한 계절에 따라 수질이 변할 경우 투입량을 적절히 조정해야 합니다.

4. 접촉 매체

응집 처리 또는 기타 침전 처리 과정에서 물에 일정량의 진흙층이 존재할 경우, 응집 처리 효과가 크게 향상될 수 있습니다. 진흙층은 넓은 표면적을 제공하여 흡착, 촉매 작용 및 결정화 작용을 통해 응집 처리 효과를 증진시킵니다.

응집 침전은 현재 수처리에서 널리 사용되는 방법입니다. 산업용 폴리염화알루미늄(PAC)은 수처리용 응집제로 사용되며, 우수한 응집 성능, 큰 응집물 크기, 적은 사용량, 높은 효율, 빠른 침전 속도, 넓은 적용 범위 등의 장점을 가지고 있습니다. 기존 응집제 대비 사용량을 1/3~1/2로 줄일 수 있어 비용을 40% 절감할 수 있습니다. 무밸브 필터 및 활성탄 필터와 함께 사용하면 원수의 탁도를 크게 낮추고 담수화 시스템의 유출수 수질을 개선하며 담수화 수지의 이온 교환 용량을 증가시켜 운영 비용을 절감할 수 있습니다.