기존의 수처리 시스템에서 가장 널리 사용되는 응집제는 알루미늄염과 철염입니다. 그러나 처리수에 잔류하는 알루미늄염은 인체 건강에 유해하며, 잔류 철염은 물의 색깔을 변하게 하는 등의 문제를 야기합니다. 또한 대부분의 폐수 처리에서는 다량의 슬러지 발생 및 처리 난제와 같은 2차 오염 문제를 해결하기 어렵습니다. 따라서 알루미늄염과 철염 응집제를 대체할 수 있는, 환경에 2차 오염을 유발하지 않는 천연 물질을 찾는 것은 지속 가능한 개발 전략을 구현하는 데 필수적인 과제입니다. 천연 고분자 응집제는 풍부한 원료, 저렴한 가격, 우수한 선택성, 적은 사용량, 안전성 및 무독성, 그리고 완전한 생분해성 등의 장점으로 인해 많은 주목을 받고 있습니다. 수십 년간의 개발을 통해 다양한 특성과 용도를 가진 수많은 천연 고분자 응집제가 등장했으며, 그중 전분, 리그닌, 키토산, 식물성 아교제 등이 현재 널리 사용되고 있습니다.
키토산속성
키토산은 흰색의 비정질 반투명 플레이크형 고체로, 물에는 녹지 않지만 산에는 용해되며, 키틴의 탈아세틸화 생성물입니다. 일반적으로 키틴의 N-아세틸기가 55% 이상 제거된 것을 키토산이라고 합니다. 키틴은 동물과 곤충의 외골격 주성분이며, 셀룰로오스 다음으로 지구상에서 두 번째로 큰 천연 유기 화합물입니다. 키토산은 응집제로 사용될 때 천연 물질이며, 무독성이고 생분해성입니다. 키토산의 고분자 사슬에는 많은 하이드록실기, 아미노기, 그리고 일부 N-아세틸아미노기가 분포되어 있어 산성 용액에서 높은 전하 밀도를 가진 양이온성 고분자 전해질을 형성할 수 있으며, 수소 결합이나 이온 결합을 통해 망상 구조를 형성하여 분자 케이지를 만들 수 있습니다. 따라서 키토산은 여러 독성 및 유해 중금속 이온을 착화시켜 제거할 수 있습니다. 키토산 및 그 유도체는 섬유, 인쇄 및 염색, 제지, 의약품, 식품, 화학 산업, 생물학 및 농업 등 다양한 분야뿐만 아니라 수처리 분야에서도 흡착제, 응집제, 살균제, 이온 교환기, 막 제제 등으로 활용되는 등 폭넓은 용도를 가지고 있습니다. 키토산은 상수도 공급 및 수처리 분야에서의 고유한 장점으로 인해 미국 환경보호청(EPA)으로부터 식수 정화제로 승인받았습니다.
(1) 수체 내 부유 고형물 제거. 자연수에서는 점토 박테리아 등의 존재로 인해 음전하를 띤 콜로이드 시스템이 된다. 장쇄 양이온성 고분자인 키토산은 전기적 중화 및 응집, 흡착 및 가교의 이중 기능을 수행할 수 있으며 부유 물질에 대한 강력한 응집 효과를 가진다. 기존의 응집제인 명반 및 폴리아크릴아미드와 비교했을 때, 키토산은 더 나은 정화 효과를 나타낸다. RAVID 등은 키토산의 pH 값이 5-9일 때 단일 카올린수 분포의 응집 처리 효과를 연구하여 응집이 pH 값에 크게 영향을 받는다는 것을 발견했으며, 탁도 제거에 효과적인 pH 값은 7.0-7.5였다. 1mg/L의 응집제를 사용했을 때 탁도 제거율이 90%를 초과하고 생성된 응집물은 조대하고 빠르게 형성되며 총 응집 침전 시간은 1시간을 넘지 않았다. 그러나 pH 값이 감소하거나 증가하면 응집 효율이 감소하는데, 이는 키토산이 카올린 입자와 양호한 중합 반응을 일으킬 수 있는 pH 범위가 매우 좁다는 것을 나타냅니다. 일부 연구에서는 응집된 벤토나이트 현탁액을 키토산으로 처리할 때 적절한 pH 범위가 넓다는 것을 발견했습니다. 따라서 탁한 물에 카올린과 유사한 입자가 포함되어 있는 경우, 중합 반응을 개선하기 위해 응집제로 적절한 양의 벤토나이트를 첨가해야 합니다.키토산입자들에 관해서. 이후 RAVID 등이 다음과 같은 사실을 발견했습니다.
카올린이나 이산화티타늄 현탁액에 부식질이 함유되어 있으면, 음전하를 띤 부식질이 입자 표면에 부착되어 pH 조절을 용이하게 하기 때문에 키토산을 이용하여 쉽게 응집 및 침전시킬 수 있다. 키토산은 탁도와 알칼리도가 다양한 자연수에서도 우수한 응집 특성을 나타냈다.
(2) 수역에서 조류와 박테리아를 제거합니다. 최근 해외에서는 조류 및 박테리아와 같은 생물 콜로이드 시스템에 대한 키토산의 흡착 및 응집에 대한 연구가 활발히 진행되고 있습니다. 키토산은 스피룰리나, 오실레이터 조류, 클로렐라, 남조류와 같은 담수 조류 제거에 효과가 있습니다. 연구 결과에 따르면 담수 조류의 경우 pH 7에서 제거 효과가 가장 좋으며, 해조류의 경우 pH가 더 낮습니다. 적절한 키토산 투입량은 수역 내 조류 농도에 따라 달라집니다. 조류 농도가 높을수록 더 많은 키토산을 첨가해야 하며, 키토산 투입량이 증가할수록 응집 및 침전 속도가 빨라집니다. 탁도는 조류 제거 정도를 측정하는 지표로 사용할 수 있습니다. pH 7에서 키토산 5mg/L를 사용하면 조류 제거에 효과적입니다.키토산물의 탁도를 90%까지 제거할 수 있으며, 조류 농도가 높을수록 응집 입자가 더 크고 침전 성능이 더 우수합니다.
현미경 관찰 결과, 응집 및 침전으로 제거된 조류는 단지 서로 응집되어 붙어 있을 뿐, 여전히 온전하고 활성적인 상태를 유지하고 있는 것으로 나타났습니다. 키토산은 수중 생물에 어떠한 부정적인 영향도 미치지 않으므로, 다른 합성 응집제와는 달리 처리된 물은 담수 양식에 그대로 사용할 수 있습니다. 키토산의 박테리아 제거 메커니즘은 비교적 복잡합니다. 대장균의 키토산 응집 연구에서는 불균형 가교 메커니즘이 응집 시스템의 주요 메커니즘이며, 키토산이 세포 파편에 수소 결합을 형성하는 것으로 밝혀졌습니다. 또 다른 연구에서는 대장균의 키토산 응집 효율이 유전체의 대전율뿐만 아니라 수리학적 크기에도 의존한다는 것을 보여주었습니다.
(3) 잔류 알루미늄을 제거하고 음용수를 정화합니다. 알루미늄염과 폴리알루미늄 응집제는 수돗물 처리 공정에 널리 사용되지만, 알루미늄염 응집제를 사용하면 음용수 내 알루미늄 함량이 증가할 수 있습니다. 음용수 내 잔류 알루미늄은 인체 건강에 심각한 위험을 초래합니다. 키토산 또한 잔류물 문제를 가지고 있지만, 천연 무독성 알칼리성 아미노다당류이기 때문에 잔류물이 인체에 해를 끼치지 않으며 후속 처리 공정에서 제거될 수 있습니다. 또한, 키토산을 폴리알루미늄 클로라이드와 같은 무기 응집제와 함께 사용하면 잔류 알루미늄 함량을 줄일 수 있습니다. 따라서 음용수 처리에서 키토산은 다른 합성 유기 고분자 응집제가 대체할 수 없는 장점을 가지고 있습니다.
폐수 처리에 키토산을 적용하는 것
(1) 금속 이온을 제거합니다. 분자 사슬키토산키토산과 그 유도체는 다량의 아미노기와 하이드록실기를 함유하고 있어 여러 금속 이온에 대한 킬레이트 효과를 나타내며, 용액 내 중금속 이온을 효과적으로 흡착 또는 포집할 수 있습니다. Catherine A. Eiden 등의 연구에 따르면 키토산의 Pb²⁺ 및 Cr³⁺ 흡착 용량은 키토산 단위당 각각 0.2mmol/g 및 0.25mmol/g에 달하여 강력한 흡착 능력을 보여줍니다. Zhang Ting'an 등은 탈아세틸화 키토산을 이용하여 응집법으로 구리를 제거하는 연구를 진행했습니다. 연구 결과, pH 8.0, 수질 시료 중 구리 이온 농도가 100mg/L 미만일 때 구리 제거율이 99% 이상이었으며, 농도가 400mg/L인 잔류액에서도 국가 폐수 배출 기준을 충족하는 것으로 나타났습니다. 또 다른 실험에서는 pH가 5.0이고 흡착 시간이 2시간일 때, 흡착 화학 니켈 도금 폐액에서 키토산을 이용한 Ni2+ 제거율이 72.25%에 달할 수 있음을 입증했습니다.
(2) 식품 폐수와 같이 단백질 함량이 높은 폐수 처리. 식품 가공 과정에서 다량의 부유 고형물을 함유한 폐수가 배출됩니다. 키토산 분자는 아미드기, 아미노기, 하이드록실기를 포함하고 있습니다. 아미노기의 양성자화로 인해 양이온성 고분자 전해질로서의 역할을 하며, 중금속에 대한 킬레이트 효과뿐만 아니라 물 속의 음전하를 띤 미세 입자를 효과적으로 응집 및 흡착할 수 있습니다. 키틴과 키토산은 단백질, 아미노산, 지방산 등과 수소 결합을 통해 복합체를 형성할 수 있습니다. Fang Zhimin 등은 이를 이용하여 연구를 진행했습니다.키토산알루미늄 황산염, 황산철, 폴리프로필렌 프탈아미드를 응집제로 사용하여 해산물 가공 폐수에서 단백질을 회수할 수 있습니다. 높은 단백질 회수율과 높은 폐수 광투과율을 얻을 수 있습니다. 키토산 자체는 무독성이며 2차 오염을 유발하지 않으므로 식품 가공 공장의 폐수에서 단백질, 전분과 같은 유용한 물질을 재활용하여 동물 사료에 첨가하는 등 가공 및 재사용할 수 있습니다.
(3) 인쇄염색폐수 처리. 인쇄염색폐수는 면, 양모, 화학섬유 및 기타 섬유 제품의 전처리, 염색, 인쇄 및 후가공 과정에서 배출되는 폐수를 말합니다. 일반적으로 염, 유기계면활성제, 염료 등을 함유하고 있으며, 복합적인 성분, 높은 색도, 높은 COD를 가지고 있고, 항산화 및 생분해 저항성이 증가하여 인체 건강과 환경에 매우 유해합니다. 키토산은 아미노기와 하이드록실기를 함유하고 있으며, 물리적 흡착, 화학적 흡착, 이온 교환 흡착 등 염료에 대한 강력한 흡착 효과를 나타냅니다. 이러한 흡착은 주로 수소 결합, 정전기적 인력, 이온 교환, 반데르발스 힘, 소수성 상호작용 등의 작용을 통해 이루어집니다. 또한, 키토산의 분자 구조는 다수의 1차 아미노기를 포함하고 있어 배위 결합을 통해 우수한 고분자 킬레이트제를 형성하여 폐수 내 염료를 응집시킬 수 있으며, 무독성이고 2차 오염을 유발하지 않습니다.
(4) 슬러지 탈수에서의 응용. 현재 대다수의 도시 하수처리장은 양이온성 폴리아크릴아미드를 사용하여 슬러지를 처리하고 있습니다. 이 물질은 응집 효과가 좋고 슬러지 탈수가 용이하지만, 잔류물, 특히 아크릴아미드 단량체는 강력한 발암 물질입니다. 따라서 이를 대체할 물질을 찾는 것은 매우 의미 있는 연구입니다. 키토산은 우수한 슬러지 개량제로, 활성 슬러지 박테리아 미셀 형성을 도와 용액 내 음전하를 띤 부유물질과 유기물을 응집시켜 활성 슬러지 처리 효율을 향상시킵니다. 연구 결과, 폴리알루미늄 클로라이드/키토산 복합 응집제는 슬러지 개량에 뚜렷한 효과가 있을 뿐만 아니라, 단일 PAC 또는 키토산을 사용하는 경우와 비교하여 슬러지 비저항이 먼저 최저점에 도달하고 여과 속도가 더 빠르며 개량 효과가 우수합니다. 또한, 세 종류의 카르복시메틸 키토산(N-카르복시메틸 키토산, N,O-카르복시메틸 키토산 및 O-카르복시메틸 키토산)을 응집제로 사용하여 슬러지 탈수 성능을 시험한 결과, 형성된 응집물이 강하고 쉽게 파괴되지 않는 것으로 나타났으며, 이는 해당 응집제가 일반 응집제보다 슬러지 탈수에 훨씬 더 효과적임을 보여줍니다.
키토산키토산과 그 유도체는 자원이 풍부하고, 천연이며, 무독성이고, 생분해성이 있으며, 동시에 다양한 특성을 지닌 친환경 수처리제입니다. 키토산의 원료인 키틴은 지구상에서 두 번째로 큰 천연 유기 화합물입니다. 따라서 최근 수처리 분야에서 키토산의 개발은 뚜렷한 성장세를 보이고 있습니다. 폐기물을 자원으로 바꾸는 천연 고분자인 키토산은 이미 여러 분야에 적용되어 왔지만, 국내 제품의 성능과 적용 범위는 선진국에 비해 여전히 부족한 점이 있습니다. 키토산 및 그 유도체, 특히 합성 특성이 우수한 변성 키토산에 대한 연구가 심화됨에 따라 그 응용 가치가 더욱 확대되고 있습니다. 수처리 분야에서 키토산의 응용 기술을 탐구하고 적용 범위가 넓은 친환경 키토산 유도체 제품을 개발하는 것은 매우 큰 시장 가치와 응용 전망을 가질 것입니다.
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게시 시간: 2022년 8월 9일