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문제 정의
- 본 연구에서는 백수의 수질변화에 따른 양이온 성 PAM의 흡착을 평가하였다. 이를 위해 오염도가 높은 백수를 실험실적으로 제조하였고, 이를 증류수로 희석하여 오염 수준이 다른 다양한 백수를 준비하였다.
- 고분자 흡착은 섬유의 질소함량을 통하여 정량 분석하였고, 섬유의 제타포텐셜과 펄프 상 등액의 양이온 요구량을 측정하여 정성적 분석도 병행하였다. 이를 통하여 백수의 재활용율이 높은 공정에 있어 고분자의 흡착현상에 대한 신속한 평가 및 제어를 위한 기초 자료를 마련하고자 하였다.
제안 방법
- 고분자 전해질의 특성을 평가하기 위하여 점도와 전하밀도를 측정하였다. 점도는 양이온성 고분 자 전해질의 분자량을 반영하는 것으로 0.
- 이를 위해 오염도가 높은 백수를 실험실적으로 제조하였고, 이를 증류수로 희석하여 오염 수준이 다른 다양한 백수를 준비하였다. 고분자 흡착은 섬유의 질소함량을 통하여 정량 분석하였고, 섬유의 제타포텐셜과 펄프 상 등액의 양이온 요구량을 측정하여 정성적 분석도 병행하였다. 이를 통하여 백수의 재활용율이 높은 공정에 있어 고분자의 흡착현상에 대한 신속한 평가 및 제어를 위한 기초 자료를 마련하고자 하였다.
- 1N HC1 를 이용하여 중화적정을 하였다. 또한 양이온성 PAM의 질소함량을 측정하여 고분자가 흡착된 섬유의 질소함량을 양이온성 PAM 흡착량으로 변환하였다.
- 따라서 양이온 요구량은 용수 내에 존재하는 음이온성 물질 함량과 비례관계 를 나타낸다. 또한 양이온성 고분자 전해질이 섬유상에 흡착되면서 펄프 상등액에 존재하는 음이온성 물질과 함께 섬유상에 흡착되기도 하므로 양이온 요구량은 고분자 전해질의 흡착을 정성적으로 판단 할 수 있는 중요한 측정 항목이라고도 할 수 있다 본 연구에서는 펄프 상등액 10 mL를 0.001N poly-DADMAC으로 적정하여 Ueq/L로 환산하여 나타내었다.
- 5%의 펄프 현탁 액 500 g를 제조한 후 교반기에서 10분 동안 200 rpm으로 교반하면서 반응시켜 실시하였다. 반응시 간이 지나면 여과법을 이용하여 섬유와 여액을 분리한 후 여액의 양이온 요구량과 섬유의 질소함량, 제타포텐셜을 측정하였다.
- 백수제조시 백수의 오염도를 증가시키기 위해 백수의 순환 횟수를 5회로 하였다. 백수 내에 존재하는 회분과 미세분을 제거하기 위하여 500 G, 상온의 조건에서 30분간 원심분리를 실시하였다. 이렇게 준비된 백수 원수의 오염도를 100%로 하고 이를 증류수와 혼합하여 오염도가 낮은 백수를 준비하였다.
- 백수의 수질에 따른 양이온성 PAM의 섬유상에 대한 흡착 현상을 분석하였다. 정량적 분석으로는 켈달 질소함량 측정법을, 정성적 분석으로는 제타 포텐셜과 양이온 요구량을 측정하였다.
- 백수의 수질은 전기전도도(conductivity), 화학적 산소요구량(chemical oxygen demand; COD), 총 용존물질함량(total dissolved solid; TDS), 양이 온 요구량(cationic demand), 탁도(turbidity)를 측정하여 평가하였다.
- 이 때 온도는 60°C로 높게 유지하여 원료에 함유되어 있던 각종 오염물질이 용출되도록 하였다. 백수제조시 백수의 오염도를 증가시키기 위해 백수의 순환 횟수를 5회로 하였다. 백수 내에 존재하는 회분과 미세분을 제거하기 위하여 500 G, 상온의 조건에서 30분간 원심분리를 실시하였다.
- 양이온성 PAM 의 흡착을 정량적으로 분석하기 위하여 켈달 질소분석법을 적용하였다. 본 연구에서는 양이온성 PAM이 흡착된 섬유를 105°C의 건조기에서 전건 상태로 건조시킨 후 황산 20 mL를 적용하여 가열 분해 시켰고 0.1N HC1 를 이용하여 중화적정을 하였다. 또한 양이온성 PAM의 질소함량을 측정하여 고분자가 흡착된 섬유의 질소함량을 양이온성 PAM 흡착량으로 변환하였다.
- 본 연구에서는 질소를 함유하고 있는 음이온성 오염물질들에 의한 부작용으로 인해 양이온성 PAM의 흡착을 정량적으로 분석할 수는 없었다. 그러나 투입량이 증가함에 따라 질소함량이 지속적으로 증가하고 있는 것은 양이온성 PAM이 섬유상에 흡착을 하기 때문에 나타나는 결과로 판단되며, 폐쇄화된 초지공정에서 양이온성 PAM의 효율 저하는 음이온성 물질이 양이온성 PAM과 반응하여 섬유나 미세분등에 흡착된다는 것을 보여준다.
- 본 연구에서는 흡착 평형 상태에 도달한 섬유를 여과법을 이용하여 거른 후 증류수에 다시 해리하여 섬유의 제타포텐셜을 측정하였다. 이는 용수 내에 존재하는 이온들에 의해 나타나는 섬유의 제타포텐셜 변이를 최소화함으로써 순수한 양이온성 PAM의 흡착에 의해 나타나는 섬유의 제타포텐셜변화를 평가하기 위함이었다.
- 섬유의 제타포텐셜 측정시 균일한 섬유 패드 형성을 위하여 진동스크린을 이용하여 섬유를 분급하 였다. 분급 시 50 메쉬 스크린을 통과하고 100 메쉬를 통과하지 못한 섬유를 수집한 후 증류수로 세척, 여과한 후 사용하였다.
- 수질이 다른 공정수를 이용하여 농도 0.5%인 지료 490 g을 준비하고 섬유와 공정수를 반응시킨 후 각각 농도를 달리한 양이온성 PAM을 10 g씩 첨가하였다. 농도를 달리한 이유는 고분자 용액의 첨가 량은 일정하게 하되 지료 내에 투입되는 양이온성 고분자 전해질의 함량을 달리하기 위해서였다.
- 양이온성 PAM 의 흡착을 정량적으로 분석하기 위하여 우선 섬유자체의 질소함량을 측정하였다. 측정 결과 분급 섬유가 가지는 질소함량은 0.
- 026% 로 매우 낮았다. 양이온성 PAM의 흡착량 계산시 에는 질소 함량 측정값에서 섬유에 기인하는 질소함량을 뺀 후 계산하였다.
- 농도를 달리한 이유는 고분자 용액의 첨가 량은 일정하게 하되 지료 내에 투입되는 양이온성 고분자 전해질의 함량을 달리하기 위해서였다. 이 다음 200 rpm으로 교반하면서 10분간의 반응시키고 여과법을 이용하여 섬유와 여액을 분리시켜 여 액의 양이온 요구량을 측정하였고 펄프의 질소 함량 과 제타포텐셜를 측정하였다.
- 이러한 결과는 Koethe 등의 결과"와 동일한 것이었다. 이러한 결과를 바탕으로 양이온성 PAM의 흡착에 따른 섬유의 제타포텐셜 변화는 양이온성 PAM 투입 후 10분 후 측정 하였다.
- 본 연구에서는 백수의 수질변화에 따른 양이온 성 PAM의 흡착을 평가하였다. 이를 위해 오염도가 높은 백수를 실험실적으로 제조하였고, 이를 증류수로 희석하여 오염 수준이 다른 다양한 백수를 준비하였다. 고분자 흡착은 섬유의 질소함량을 통하여 정량 분석하였고, 섬유의 제타포텐셜과 펄프 상 등액의 양이온 요구량을 측정하여 정성적 분석도 병행하였다.
- 고분자 전해질의 특성을 평가하기 위하여 점도와 전하밀도를 측정하였다. 점도는 양이온성 고분 자 전해질의 분자량을 반영하는 것으로 0.5%, 25°C 의 조건에서 저전단 점도계를 이용하여 측정하였다. 전하밀도는 양이온성 고분자 전해질의 정전기 적 성질을 나타내는 지표로 농도 0.
- 제조된 백수 내에 존재하는 섬유의 양이온성 PAM 흡착 거동을 평가하였다 먼저 공정수의 수질이 악화됨에 따른 섬유의 질소함량변화를 C-PAM 투입량에 대해 도시하였다(Figs. 9-10). 여기에서 나타낸 점선은 양이온성 PAM이 완전히 섬유에 흡착되었을 때의 질소함량을 나타낸 것이다.
- 제조된 백수의 오염도에 따른 수질을 측정하였다. 백수의 수질을 나타내는 항목은 전기전도도 (conductivity), 화학적 산소요구량 (chemical oxygen demand; COD), 총용존물질함량(total dissolved solid; TDS), 양이온 요구량(cationic demand), 탁도(turbidity)였다(Table 1).
- 5%, 500 g의 펄프 슬러리를 제조하였다. 준비된 펄프 슬러리를 10〜60분 동안 반응시켜 각 10분당 흡착량과 섬유의 제타포텐셜를 측정하였다.
- 흡착평형조건을 결정하기 위하여 양이온성 PAM과 섬유의 반응시간에 따른 양이온성 PAM의 흡착거동을 평가하였다. 증류수 조건에서 전건섬유 1 g에 대해 0.8 mg의 양이온성 PAM을 투입한 후 0.5%, 500 g의 펄프 슬러리를 제조하였다. 준비된 펄프 슬러리를 10〜60분 동안 반응시켜 각 10분당 흡착량과 섬유의 제타포텐셜를 측정하였다.
- 흡착평형조건을 결정하기 위하여 양이온성 PAM과 섬유의 반응시간에 따른 양이온성 PAM의 흡착거동을 평가하였다. 증류수 조건에서 전건섬유 1 g에 대해 0.
대상 데이터
- 고분자 전해질로는 Ciba사에서 분양받은 양이온성 PAM을 사용하였다. 양이온성 PAM은 상호비 교를 위해 상대적으로 분자량이 높고 전하밀도가 낮은 C-PAM1 과 분자량이 낮고 전하밀도가 높은 C-PAM2를 사용하였다.
- 백수의 오염도에 많은 영향을 줄 수 있는 물질로 잘 알려진 백상지, 도공지 그리고 BCTMP를 6:2:2 의 비율로 하여 백수제조의 원료물질로 사용하였다.2) 이 원료를 Fig.
- 본 연구에서는 펄프의 종류에 의한 고분자의 흡착을 변이를 최소화하기 위하여 활엽수 BK3만을 펄프로 사용하였다. 실험실적으로 백수를 제조하기 위하여 백상지, 도공지 및 BCTMP를 사용하였다.
- 섬유의 제타포텐셜 측정시 균일한 섬유 패드 형성을 위하여 진동스크린을 이용하여 섬유를 분급하 였다. 분급 시 50 메쉬 스크린을 통과하고 100 메쉬를 통과하지 못한 섬유를 수집한 후 증류수로 세척, 여과한 후 사용하였다.
- 본 연구에서는 펄프의 종류에 의한 고분자의 흡착을 변이를 최소화하기 위하여 활엽수 BK3만을 펄프로 사용하였다. 실험실적으로 백수를 제조하기 위하여 백상지, 도공지 및 BCTMP를 사용하였다.
- 고분자 전해질로는 Ciba사에서 분양받은 양이온성 PAM을 사용하였다. 양이온성 PAM은 상호비 교를 위해 상대적으로 분자량이 높고 전하밀도가 낮은 C-PAM1 과 분자량이 낮고 전하밀도가 높은 C-PAM2를 사용하였다.
이론/모형
- 양이온성 PAM은 acrylamide 단량체를 중합시켜 고분자로 제조될 뿐만 아니라 양이온성으로 치환 시 아민기를 도입하기 때문에 질소 원자를 함유하고 있고, 따라서 PAM의 흡착량에 따라서 시료의 질소합량은 선형적 비례관계를 나타낸다. 양이온성 PAM 의 흡착을 정량적으로 분석하기 위하여 켈달 질소분석법을 적용하였다. 본 연구에서는 양이온성 PAM이 흡착된 섬유를 105°C의 건조기에서 전건 상태로 건조시킨 후 황산 20 mL를 적용하여 가열 분해 시켰고 0.
- 백수의 수질에 따른 양이온성 PAM의 섬유상에 대한 흡착 현상을 분석하였다. 정량적 분석으로는 켈달 질소함량 측정법을, 정성적 분석으로는 제타 포텐셜과 양이온 요구량을 측정하였다.
성능/효과
- 2,3)또한 피착제의 특성도 고분자 흡착에 중요한데, 섬유나 충전 물의 비표면적이 클수록 고분자가 우선적으로 흡착되며, 표면전하 또한 고분자 흡착에 많은 영향을 준다고 보고되었다.4> 고분자와 피착제의 특성뿐만 아니라 pH, 충돌횟수, 반응시간 등과 같은 외부조 건에 의해서도 고분자의 흡착현상은 많은 영향을 받는다. 하지만 지료의 조성 시 사용된 용수의 수질에 따른 고분자 전해질의 흡착에 대해서는 충분한 연구가 수행되지 않았다.
- 백수의 수질을 나타내는 항목은 전기전도도 (conductivity), 화학적 산소요구량 (chemical oxygen demand; COD), 총용존물질함량(total dissolved solid; TDS), 양이온 요구량(cationic demand), 탁도(turbidity)였다(Table 1). 그 결과 각각의 항목은 백수의 오염율이 증가함에 따라 거의 직선적으로 증가하였다. 이러한 결과는 초지공 정상에서 청수 사용량이 감소함에 따라 공정상에서 백수 오염도가 증가할 것임을 보여준다.
- 이는 양이온성 PAM의 흡 착이 매우 빠르게 진행됨을 의미한다. 그러나 섬유의 제타포텐셜은 두 종류의 C-PAM을 투입한 조건에서 모두 시간이 경과함에 따라 감소하는 경향을 보였다. 섬유의 제타포텐셜의 감소는 양이온성 고분자 전해질의 흡착 메카니즘과 관련이 있다고 판단된다(Fig.
- 본 연구에서는 질소를 함유하고 있는 음이온성 오염물질들에 의한 부작용으로 인해 양이온성 PAM의 흡착을 정량적으로 분석할 수는 없었다. 그러나 투입량이 증가함에 따라 질소함량이 지속적으로 증가하고 있는 것은 양이온성 PAM이 섬유상에 흡착을 하기 때문에 나타나는 결과로 판단되며, 폐쇄화된 초지공정에서 양이온성 PAM의 효율 저하는 음이온성 물질이 양이온성 PAM과 반응하여 섬유나 미세분등에 흡착된다는 것을 보여준다. 따라서 양이온성 고분자에 의한 섬유나 미세분의 정전기적 표면특성을 변화는 오염된 용수 내에서 크게 저하된다고 할 수 있다.
- 물론 백수 내에 존재하는 단순 음이온에 의해서도 양성 PAM의 전하가 중화되었기 때문이라고도 할 수 있다. 그리고 양이 온성 PAM의 종류에 따른 질소함량과 섬유의 제타포텐셜 변화는 거의 차이가 없었다. 이는 백수의 오염이 낮을지라도 본 실험에 사용된 양이온성 PAM 의 경우 전하밀도와 분자량에 의해 발현되는 효과가 거의 모두 상쇄된다는 것을 보여준다.
- 제조된 백수의 오염도에 따른 수질을 측정하였다. 백수의 수질을 나타내는 항목은 전기전도도 (conductivity), 화학적 산소요구량 (chemical oxygen demand; COD), 총용존물질함량(total dissolved solid; TDS), 양이온 요구량(cationic demand), 탁도(turbidity)였다(Table 1). 그 결과 각각의 항목은 백수의 오염율이 증가함에 따라 거의 직선적으로 증가하였다.
- 백수의 수질이 악화됨에 따라 백수 내에 존재하는 음이온성 물질이 투입된 양이온성 PAM과 반응하여 섬유상에 함께 흡착되기 때문에 양이온성 PAM의 투입량이 증가함에 따라 섬유의 질소 함량 이 투입된 C-PAM의 질소함량보다도 높게 나타났다. 이는 백수 조건 하에서도 양이온성 PAM이 섬 유에 흡착됨을 보여주는 것이다.
- 7-8에 도시된 C-PAM의 흡착과 섬유의 제타포텐셜 변화를 근거로 판단할 수 있다. 본 연구의 투입량 범위 내에서는 첨가되는 C-PAM1 은 거의 모두 흡착이 되는 것으로 판단되었으며, 이는 섬유의 제타포텐셜 변화를 통하여 알 수 있었다(Fig. 8). C-PAM1 은 첨가됨에 따라 섬유의 제타포텐셜을 계속 직선적인 증가경향을 보였다.
- 또한 백수의 수질이 악화됨에 따라 C-PAM이 흡착된 섬유는 더 높은 질소함량을 나타내었으나 섬유의 제타포텐셜은 크게 차이를 보이지 못하였다. 이러한 결과로 볼 때 백수의 수질이 악화되게 되면 투입되는 고분자가 백수 내에 존재하는 오염물질들과 반응하게 되어 비록 섬유상에 흡착이 될지라도 응집 효과 등은 미약할 것으로 생각되 었다.
- 양이온성 PAM 의 흡착을 정량적으로 분석하기 위하여 우선 섬유자체의 질소함량을 측정하였다. 측정 결과 분급 섬유가 가지는 질소함량은 0.026% 로 매우 낮았다. 양이온성 PAM의 흡착량 계산시 에는 질소 함량 측정값에서 섬유에 기인하는 질소함량을 뺀 후 계산하였다.
- 여기에서 나타낸 점선은 양이온성 PAM이 완전히 섬유에 흡착되었을 때의 질소함량을 나타낸 것이다. 투입량이 증가함에 따라 거의 모든 폐쇄화 수준에서 질소 함량이 점선보다도 높게 나타난 것을 볼 수 있었다. 이는 양이온성 PAM이 투입되면 백수 내에 존재하는 질소를 함유한 음이온성 오염물질들이 양이온성 PAM과 먼저 반응하고 섬유에 흡착됨으로써 질소 함량이 투입되는 양이온성 PAM의 질소함량을 초과한 때문으로 판단된다.
- 흡착등온선은 동일한 온 도에서 양이온성 PAM의 평형농도와 흡착량의 상관관계를 나타낸 것이다. 흡착등온선을 보면 분자 량이 높은 C-PAM1 이 전하밀도가 높은 C-PAM2 보다 흡착이 더 많이 일어난다는 것을 알 수 있다. 그 원인은 Figs.
후속연구
- 물론 지료의 전기전도도를 전해질의 농도로 조절한 상태에서 고분자 전해 질의 흡착3)이나 용수의 오염도에 따른 보류도와 탈수성에 대한 연구5 7)들은 발표된 바 있으나 고분자에 의해 발생하는 보류도, 응집형성 및 탈수성 변화의 근본 원인이라 할 수 있는 고분자 흡착에 대한 연구는 거의 진행되지 않았다. 특히 최근 환경에 대한 관심과 규제가 강화되고 있는 실정이기 때문에 제지공정의 폐쇄화는 더욱 빠르게 진행될 전망이 다 따라서 공정의 폐쇄화에 의해 야기될 백수의 수질 악화가 고분자의 흡착현상과 이에 따른 초지공정의 변화에 대한 연구가 시급하다 할 수 있다.
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