기존의 수처리 시스템에서 가장 널리 사용되는 응집제는 알루미늄염과 철염입니다.처리된 물에 남아 있는 알루미늄염은 인간의 건강을 위협하고 잔류 철염은 물의 색깔 등에 영향을 미칩니다.대부분의 폐수 처리에서는 슬러지 양이 많고 슬러지 처리가 어려운 등 2차 오염 문제를 극복하기 어렵습니다.따라서 알루미늄염과 철염 응집제를 대체할 수 있는 환경에 2차 오염을 일으키지 않는 천연 제품을 찾는 것이 오늘날 지속 가능한 개발 전략을 구현하는 데 필요합니다.천연 고분자 응집제는 풍부한 원료 자원, 저렴한 가격, 우수한 선택성, 적은 투여량, 안전성 및 무독성, 완전한 생분해성으로 인해 많은 응집제 중에서 많은 관심을 받았습니다.수십 년의 개발 끝에 다양한 특성과 용도를 가진 수많은 천연 고분자 응집제가 등장했으며, 그중 전분, 리그닌, 키토산, 식물성 접착제가 현재 널리 사용되고 있습니다.
키토산속성
키토산은 흰색의 무정형 반투명한 박편상 고체로, 물에는 녹지 않지만 키틴의 탈아세틸화 생성물인 산에는 녹습니다. 일반적으로 키틴의 N-아세틸기가 55% 이상 제거되면 키토산이라고 합니다. 키틴은 동물과 곤충의 외골격을 구성하는 주요 성분이며, 지구상에서 셀룰로스 다음으로 두 번째로 큰 천연 유기 화합물입니다. 응집제로서 키토산은 천연이며 무독성이고 분해됩니다. 키토산의 거대분자 사슬에는 많은 수산기, 아미노기, 그리고 일부 N-아세틸아미노기가 분포되어 있어 산성 용액에서 높은 전하 밀도를 갖는 양이온성 고분자 전해질을 형성할 수 있으며, 수소 결합이나 이온 결합을 통해 네트워크 형태의 구조를 형성할 수도 있습니다. 케이지 분자는 이러한 케이지 분자를 통해 착물을 형성하고 많은 독성 및 유해 중금속 이온을 제거합니다. 키토산과 그 유도체는 섬유, 인쇄 및 염색, 제지, 의학, 식품, 화학 산업, 생물학 및 농업 등 다양한 분야에서 광범위하게 사용되며, 그 외 여러 분야에서도 응용 가치가 크고, 수처리 분야에서도 흡착제, 응집제, 살균제, 이온 교환제, 막 제제 등으로 사용할 수 있습니다. 키토산은 물 공급 분야와 수처리 분야에서의 독특한 장점으로 인해 미국 환경 보호청에서 식수 정화제로 승인되었습니다.
(1) 수역의 부유 고형물을 제거합니다. 자연수에서는 점토 박테리아 등의 존재로 인해 음전하를 띤 콜로이드계가 됩니다. 장쇄 양이온성 고분자인 키토산은 전기적 중화 및 응집, 흡착 및 가교의 이중 기능을 할 수 있으며 부유 물질에 대해 강력한 응집 효과를 나타냅니다. 응집제로서 전통적인 명반 및 폴리아크릴아마이드와 비교할 때 키토산은 더 나은 정화 효과를 가지고 있습니다. RAVID 등은 키토산 pH 값이 5-9일 때 단일 카올린 수 분포의 응집 처리 효과를 연구하여 응집이 pH 값의 영향을 크게 받으며 탁도 제거의 유효 pH 값은 7.0-7.5임을 발견했습니다. 응집제 1mg/L에서 탁도 제거율은 90%를 초과하고 생성된 플록은 거칠고 빠르며 전체 응집 침전 시간은 1h를 초과하지 않습니다. 그러나 pH 값이 감소하거나 증가하면 응집 효율이 감소하여 키토산이 카올린 입자와 양호한 중합을 형성할 수 있는 매우 좁은 pH 범위에서만 가능하다는 것을 시사합니다. 일부 연구에 따르면 응집된 벤토나이트 현탁액을 키토산으로 처리하면 적합한 pH 값 범위가 넓어집니다. 따라서 탁수에 카올린과 유사한 입자가 포함되어 있는 경우, 응집제로서 적정량의 벤토나이트를 첨가하여 중합을 개선할 필요가 있습니다.키토산입자에 대해서. 나중에 RAVID et al.은
카올린이나 이산화티타늄 현탁액에 부식질이 포함되어 있을 경우, 키토산과 함께 사용하면 응집 및 침전이 용이합니다. 음전하를 띠는 부식질이 입자 표면에 부착되어 pH 조절을 용이하게 하기 때문입니다. 키토산은 탁도와 알칼리도가 다른 자연 수역에서도 우수한 응집 특성을 보였습니다.
(2) 수역에서 조류와 박테리아를 제거합니다. 최근 해외에서는 조류 및 박테리아와 같은 생물학적 콜로이드 시스템에 대한 키토산의 흡착 및 응집에 대한 연구가 시작되었습니다. 키토산은 스피룰리나, 진동 조류, 클로렐라, 남조류와 같은 담수 조류에 대한 제거 효과가 있습니다. 연구에 따르면 담수 조류의 경우 pH 7에서 제거 효과가 가장 좋으며, 해조류의 경우 pH가 더 낮습니다. 키토산의 적절한 투여량은 수역 내 조류 농도에 따라 달라집니다. 조류 농도가 높을수록 키토산 투여량을 늘려야 하며, 키토산 투여량을 늘리면 응집 및 침전이 더 빨리 발생하는 경향이 있습니다. 탁도는 조류 제거를 측정할 수 있습니다. pH가 7일 때 5mg/L키토산물 속 탁도의 90%를 제거할 수 있으며, 조류 농도가 높을수록 응집물 입자가 더 거칠어지고 침전 성능이 더 좋아집니다.
현미경 검사 결과, 응집 및 침전으로 제거된 조류는 응집되어 서로 부착되었을 뿐, 여전히 온전하고 활성적인 상태를 유지하고 있었습니다. 키토산은 수중 생물에 부정적인 영향을 미치지 않기 때문에, 다른 합성 응집제와 달리 처리된 물은 담수 양식에 여전히 사용될 수 있습니다. 박테리아에 대한 키토산 제거 메커니즘은 비교적 복잡합니다. 키토산을 이용한 대장균의 응집을 연구한 결과, 불균형 가교 메커니즘이 응집 시스템의 주요 메커니즘이며, 키토산은 세포 파편과 수소 결합을 생성한다는 것을 발견했습니다. 또 다른 연구에서는 대장균의 키토산 응집 효율이 유전체의 전하성뿐만 아니라 수력학적 크기에도 의존한다는 것을 보여주었습니다.
(3) 잔류 알루미늄 제거 및 음용수 정화. 알루미늄염과 폴리알루미늄 응집제는 수돗물 처리 공정에서 널리 사용되지만, 알루미늄염 응집제를 사용하면 음용수의 알루미늄 함량이 증가할 수 있습니다. 음용수에 잔류하는 알루미늄은 인체 건강에 심각한 위험을 초래합니다. 키토산 또한 수중 잔류 문제가 있지만, 천연 무독성 알칼리성 아미노폴리사카라이드이기 때문에 잔류물이 인체에 해롭지 않으며 후속 처리 공정에서 제거될 수 있습니다. 또한, 키토산과 폴리알루미늄 클로라이드와 같은 무기 응집제를 병용하면 잔류 알루미늄 함량을 줄일 수 있습니다. 따라서 음용수 처리에서 키토산은 다른 합성 유기 고분자 응집제가 대체할 수 없는 장점을 가지고 있습니다.
폐수 처리에 키토산 적용
(1) 금속이온을 제거한다. 분자사슬은키토산및 그 유도체는 많은 수의 아미노기와 하이드록실기를 포함하고 있어 많은 금속 이온에 킬레이트 효과가 있으며 용액에서 중금속 이온을 효과적으로 흡착하거나 포획할 수 있습니다.Catherine A. Eiden과 다른 연구에 따르면 키토산의 Pb2+ 및 Cr3+에 대한 흡착 용량(키토산 단위)이 각각 0.2 mmol/g 및 0.25 mmol/g에 이르며 강력한 흡착 용량을 가지고 있습니다.Zhang Ting'an 등은 탈아세틸화된 키토산을 사용하여 응집에 의해 구리를 제거했습니다.결과에 따르면 pH 값이 8.0이고 수시료의 구리 이온 질량 농도가 100 mg/L 미만일 때 구리 제거율이 99% 이상이었습니다.질량 농도는 400mg/L이고 잔류액의 구리 이온 질량 농도는 여전히 국가 폐수 배출 기준을 충족합니다. 또 다른 실험에서는 pH=5.0이고 흡착 시간이 2시간일 때 흡착 화학 니켈 도금 폐액에서 키토산의 Ni2+ 제거율이 72.25%에 도달할 수 있음을 증명했습니다.
(2) 식품 폐수와 같이 단백질 함량이 높은 폐수를 처리합니다. 식품 가공 과정에서는 부유 고형물이 다량 함유된 폐수가 배출됩니다. 키토산 분자는 아미드기, 아미노기, 그리고 히드록시기를 가지고 있습니다. 아미노기의 양성자화와 함께 양이온성 고분자 전해질의 역할을 하며, 중금속에 대한 킬레이트 효과를 나타낼 뿐만 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 등은키토산, 황산알루미늄, 황산제이철, 폴리프로필렌프탈아미드를 응집제로 사용하여 해산물 가공 폐수에서 단백질을 회수합니다. 높은 단백질 회수율과 유출수의 광투과율을 얻을 수 있습니다. 키토산 자체는 무독성이며 2차 오염이 없기 때문에 식품 가공 공장 폐수에서 단백질, 전분과 같은 유용한 물질을 재활용하여 가공 및 재사용할 수 있으며, 예를 들어 가축 사료에 첨가할 수 있습니다.
(3) 날염 폐수 처리. 날염 폐수는 면, 양모, 화학 섬유 및 기타 섬유 제품의 전처리, 염색, 날염 및 마무리 공정에서 배출되는 폐수를 말합니다. 일반적으로 염, 유기 계면활성제 및 염료 등이 포함되어 있으며, 복잡한 성분, 높은 채도 및 높은 COD를 가지고 있습니다. 이는 항산화 및 생분해 방지 방향으로 발전하여 인체 건강과 환경에 매우 해롭습니다. 키토산은 아미노기와 수산기를 포함하고 있으며, 물리적 흡착, 화학적 흡착 및 이온 교환 흡착을 포함하여 염료에 대한 강력한 흡착 효과를 가지고 있으며, 주로 수소 결합, 정전기적 인력, 이온 교환, 반데르발스 힘, 소수성 상호 작용 등을 통해 작용합니다. 동시에 키토산의 분자 구조에는 다수의 1차 아미노기가 포함되어 있어 배위 결합을 통해 우수한 고분자 킬레이트제를 형성하여 폐수 내 염료를 응집시킬 수 있으며, 무독성이며 2차 오염을 일으키지 않습니다.
(4) 슬러지 탈수에의 응용. 현재 대다수의 도시 하수 처리 시설은 슬러지 처리를 위해 양이온성 폴리아크릴아미드를 사용하고 있습니다. 실무상 이 제제는 응집 효과가 우수하고 슬러지 탈수가 용이하지만 잔류물, 특히 아크릴아미드 단량체는 강력한 발암 물질입니다. 따라서 이를 대체할 수 있는 방법을 찾는 것은 매우 의미 있는 연구입니다. 키토산은 우수한 슬러지 개량제로, 활성 슬러지 박테리아 미셀을 형성하는 데 도움이 되며, 이는 용액 내 음전하를 띤 부유 물질과 유기물을 응집시켜 활성 슬러지 공정의 처리 효율을 향상시킵니다. 연구에 따르면 폴리염화알루미늄/키토산 복합 응집제는 슬러지 개량에 뚜렷한 효과가 있을 뿐만 아니라 단일 PAC 또는 키토산을 사용할 때보다 슬러지 비저항이 먼저 낮은 지점에 도달하고 여과 속도가 더 빠릅니다. 빠르고 더 나은 개량제입니다. 또한, 3종의 카르복시메틸키토산(N-카르복시메틸키토산, N,O-카르복시메틸키토산, O-카르복시메틸키토산)을 응집제로 사용하여 슬러지의 탈수성능을 시험한 결과, 형성된 응집물이 강하고 쉽게 깨지지 않는 것으로 나타나 응집제가 슬러지의 탈수에 미치는 효과가 일반 응집제에 비해 현저히 우수함을 확인하였다.
키토산키토산과 그 유도체는 자원이 풍부하고, 천연이며, 무독성이고, 분해 가능하며, 동시에 다양한 특성을 가지고 있어 친환경 수처리제입니다. 키토산의 원료인 키틴은 지구상에서 두 번째로 큰 천연 유기 화합물입니다. 따라서 최근 수처리 분야에서 키토산 개발은 눈에 띄는 성장세를 보이고 있습니다. 폐기물을 보물로 만드는 천연 고분자인 키토산은 초기부터 다양한 분야에 적용되어 왔지만, 국내 제품의 성능과 활용도는 선진국과 아직 차이가 있습니다. 키토산과 그 유도체, 특히 우수한 합성 특성을 가진 변성 키토산에 대한 연구가 심화됨에 따라, 키토산의 활용 가치는 더욱 커지고 있습니다. 키토산의 수처리 활용 기술을 탐구하고, 활용 범위가 더 넓은 친환경 키토산 유도체 제품을 개발한다면 시장 가치와 활용 전망이 매우 넓어질 것입니다.
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게시 시간: 2022년 8월 9일