제철제망간 장치의 개요


1. 개요

Birm은 공급수로부터 철과 망간 화합물 제거에 이용되는 과립(파상형) 형태의 여과재이다.

초기 철 제거 시스템은 open aerater type(개방공기 주입형)에 의해서 공기와 물을 접촉시켜 산화 시간을 60 . 90분

정도로 충분히 주어 용존 공기에 도움으로 처리하는 방식이다. 이러한 방식은 규모가 켜져서 용수의 재펌핑이 요구

되며 그래서 산업적, 공업적 시스템에 주로 사용되어 왔다.

이산화망간(MnO)이 산소와 철 사이에서 일어나는 촉매 반응에 대한 것은 오래 전에 밝혀졌고, 1930년대 초기에

천연의 MnO에 대한 여러 가지 여과방식으로 처리 하기 위한 시도가 있었다. 그러나 여과재의 중량이 무거워서 역세

동안에  세정이 어려운 문제가 대두되었다.

Birm은 이러한 문제점을 극복하기 위하여 발전시킨 여과재이다. 1939년에 상업적으로 소개되어 Birm이 여러 가지

산업에 적용되었다. Birm은 MnO에 14ght silicon dioxide coro을 코팅 결합하여 촉매반응을 유도한다.

선적 무게는 50 lbs/cu. ft 이하이고, 일정한 크기로 되어 있으며 10 - 12 gpm/sq.ft 의 역세 유속을 필요로 한다.

실질적 촉매반응에 있어서 Birm은 철 제거 과정에서는 소실되지 않고, 재생을 위한 화학약품이 요구되지 않으며,

단지 축적된 철의 침전물을 제거하기 위한 정기적 역세만이 필요하다.Birm은 중력식 또는 가압식 여과 처리 시스템

으로 이용 할 수 있다. 또한, 약품 주입이 없는 수처리 시스템으로써 Birm은 적절한 조건 아래서 적용될 때 철 제거에

대하여 우수한 여과제이다.

2. 수 문 학

철은 토양과 암석에 많이 존재하는 구성 성분 중의 하나이다. 화성암과 사암 중의 시멘트 물질에 가장 많이 존재하고,

이판암과 정토의 다양한 성분 중에 함유되어져 있고 석회석과 같은 탄산암의 미소 불순문물의 형태로 주로 발견된다,

그러므로 공급수에 많은 양의 철이 함유되어 있으며, 0.3ppm의 농도에서는 싱크대, 접시, 피복,그리고 기타의 표면에

침적 될 수 있다. 또한, 이 보다 조금 높은 농도 에서는 커피, 차, 그리고 기타 음료수에 금속 맛을 유발시킨다.

이러한 경우에서 인체에 많은 영향을 미칠 수 있고 그 제거는 필수적이라 하겠다.

공급수의 용존 철은 보통 forrous ( Fe-2) 상태로 존재한다. Fe-2는 용존 산소에 의해서 Ferric ( Fe-3) 상태로 쉽게

산화된다. 산소의 산화 능력 때문에 표층수는 용존철로서는 존재하지 않고 부유물질 또는 화학적 화합물과 경합된

형태로 존재한다. 그러나, 지표수는 그렇지 않다. 특히, 우수(빗물)는 토양층을 통과하여 유입되므로,우수 중의 철은

이산화탄소, humic acid, tannic acid, 그리고 다른 유기물과 결합된 형태로 존재한다.

토양 유기 생물은 용존 산소는 소비하고 Co2를 생성하므로, 이러한 철에 의해서 Fe-3가 늘어나고 Fe-2는 상대적으로

줄어들게 된다. 지표수에는 Co2가 많기 때문에 Fe-2이온은 HCO3 이온과 결합하고 ph 8.5에서 용존된다.

3. 철의 형태

철은 자연에서 세가지 형태 (Fe0,Fe-2,Fe-3)로 존재하고, 많은 다른 화합물 또는 화합체 와 결합한다.그러므로 물의

분석은 필수적이며, 물속에 존재하는 철의 형태가 어떤지 확인하여 철 제거에 필요한 가장 경제적인 시스템을 선택하는

것이 바람직하다.

A) Elomontal iron(Fe0) : Fe0는 물에 불용성이다. 수분과 공기의 존재 하 에서 녹 생성 공정을 통하여 Fe2O3 로서

Fe3 로 산화된다.

B) Ferrous iron(Fe-2) : Fe-2는 거의 항상 용존 되어 Fe(Oh)2로 침전된다.

C) Ferric iron(Fe-3) : Fo(OH)@는 매우 불용성이며, 단지 매우 낮은 pH 에서 용존된다.FoCl3 와 Fe (SO4)3는 용

존성 이고 약 알카리 에서 형성된다.

D) 유기철 : 유기철은 매우 다른 형태화 복합체로 존재 할 수 있다. 이러한 유기철 은 용존 되거나 미립체로 존재하지

쉽게 여과 방출되지 않는다.

(1) 철 박테리아 : 어떤 박테리아 종은 Fe-3에서 Fe-2로 전환시키면서 에너지를 생성하여 이용 할 수 있다.

(2) 콜로이드성 철 : 콜로이드성 철은 불용성의 미립자로 1미크론 이하의 작은 크기를 가지고 있지 때문에 여과재

사이를 쉽게 빠져나간 다. 하지만, 분자가 매우 큰 단면과 니코틴 같은 유기 분자 는 여과재에 잡히게된다.

콜로이드성 철은 그 크기가 작고 표면 변화가 심하고 물에 부유해서 존재하므로 그 제거가 어렵다.

(3) 수용성 유기철 : 주로 인산 사슬과 결합하거나, 칼슘, 그리고 다른 금속 이온 들과 결합하여 존재한다.하지만

헤모글로빈의 porphyrin과 결합된 철과 쇠등의 클로로필과 결합된 마그네슘은 특수한 경우이다.

산화 여과기의 디자인을 위하여 세가지을 들 수 있다.

(1) Fe-2 Fe-3 + e로 되도록 약품을 주입한다. 일반적 약품으로 공기, 염소,

NaOCI, Ca(OCI)2,KMnO 등이 있다.

(2) 수산화물(Fe(OH)2)침전 반응 조건에 필요한 체류시간을 충분히 주어 플록과 침전이 생성되도록 한다.

(3) 물리적 여과기나 침전 철 등을 제거 할 수 있는 역세 세정 시스템을 한다.

4. 적 용

철 제거 장치는 비용, 복합성, 적합성 등에 있어 매우 다양하게 취급되어 왔으며,공급수의 특성에 따라 그 형태가

바뀔 수 있다. Birm의 적용에 있어 필요한 사항은 다음과 같다.

1) 용존 산소의 함량은 최하 철 함량의 15% 이상이어야 한다.

Birm은 활성적인 산화 여과재가 아니기 때문에 수증에 산소를 요구한다.

철함량의 15배의 산소 함량은 산화 반응에 필수적인 최소의 양이다. 산소의 함량이 높을수록 보다 나은 제거 효율을

가진다.

2) PH는 6.8 또는 그 이상이어야 한다.

낮은 pH는 철의 활성과 Fe(OH)2 형성의 가능성을 감소시킨다. 비록 pH6.3 이하에서 Birm은 운전 될 수 있으나 낮

은 pH에서 반응되는 동안에 Fe(HCO)3가 산화되어 CO2가 형성되고 Carbonic acid로 해리된다.

3) HCO3 함량 또는 알카리도는 SO3 , CI 함량의 2배 이상이어야 한다.

금속반응은 고농도의 HCO3 함량의 물에서, 저속 반응은 전형적으로 염수 (Salines watcr)에서 관찰된다.F

aCl2와 Fe2(SO4)3에서의 Fe-3형은 경산으로 산화되어 블록 반응이 생성된다.

증류수에 Fe2(SO4)3로서 1ppm의 철을 첨가하면 다음과 같은 반응이 생긴다.

4 FeSO4 + O2 + 10 H2o 4 Fe(OH)3 + 4 H2SO4

4) H2S는 존재하지 않아야 한다.

Birm은 H2S를 제거 할 수 있으나, 그러나 황은 Birm 과립체로부터 쉽게 떨어져 나가지 않고 쉽게 부착한다.H

2S가 존재하면 철보다 6배 이상의 산소를 요구하여 산소 소모량이 많다.

5) 유기물질은 5ppm을 초과해서는 않된다. 고농도의 유기물질이 함유된 물은 Birm층에 유기물이 고착되어 치명적이며,

철 제거 효율도 매우 떨어지게 된다.

6) 기름은 존재해서는 안된다.

기름류는 과립체에 코팅되어 제거 효율을 감소 시킨다.

7) Polyphosphates는 Birm 여과기 전에 사용해서는 안된다.

Polyphosphates와 Metaphosphate를 포함한 모든 약품은 Birm 여과기 전에 사용해서는 안된다.

8) 염소처리는 가능한한 염소 농도가 0.5ppm 이하여야 한다.

염소는 Brim 여과시 악영향을 미치기 때문에 필요치 않으며, 만약 잔류 염소 가 요구되면 그 양을 최소화 하여야 한다.

9) 사용 제한 온도는 38oC 초과해서는 안된다.

뜨거운 온수는 Birm에 해로운 인자인데, 그 이유는 온도가 상승되면 산소가 감소되기 때문이다.

10) 철 허용 농도는 10ppm 이다.

Birm은 철 허용 농도 보다 높은 농도에서 운전 될 수 있으나, 역세 빈도가 자주 오는 단점이 있다.전산화반응 이나

전 여과장치는 운전시간을 연장시킬 수 있다. 고농도의 철분 함유수에 대해서는 역세수로 여과된 물을 이용하는

것이 바람직하다.

11) 요구되는 여과재 층고는 30 - 36" I 이다.

자갈 지지층은 역세를 촉진시키는데 도움이 된다.

12) 서비스 유량은 층 면적의 3.5 - 5 gpm/sq.ft 이다.

13) 역세 속도는 Fine Rirm에 대해서 8 - 10 gpm/sq.ft이고, Regular Birm에 대해서 10-12 gpm/sq.ft 역세를

위하여 일반적으로 35%의 역세 팽창율이 요구된다. 온수에 있어서는 점도가 낮아서 좀 더 높은 역세 유속이 요구된다.

14) 총 제거 능력은 400 - 500 grain/cu. ft

(여과재 28.3 L 당 1ppm의 철이 함유 된 물 7,000 - 8,500 gallos을 처리)이다.

실제 디자인을 위해서는 제거 능력의 약 20%를 감소시켜 운전 조건을 잡는 것이 바람직하다.Brim의 제거 능력은

소모되지 않으나, 철이 망간 코팅이 연속적으로 장시간 물에 노출되어 산화되기 때문이다.산

업적으로 적용된 여과 장치에서는 초기 역세는 2 - 4 psi 씩 서서히 증가시킨다.

15) 망간 제거시 필요한 pH는 7.5 이상이어야 한다.

Birm의 망간 제거 능력은 우수하다. 하지만, 철 제거에서 보다 높은 pH에서 운용하며, pH 8 - 9 가 최적이나,

철이 존재하면 이 pH 범위에서 콜로이드 철 이 형성되므로 주의하여야 한다.

 

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