무폐수 배출 환경에서 알칼리도와 pH 사이의 역동적인 관계

폐수 내 알칼리도는 주로 수산화물(OH⁻), 탄산염(CO₃²⁻), 중탄산염(HCO₃⁻)의 세 가지 이온에 의해 발생합니다. 이들은 pH 변화에 따라 주요 이온이 바뀌는 동적 평형 완충 시스템을 형성합니다.
CO2 + H2O ⇌ H2CO₃ ⇌ H⁺ + HCO₃⁻ ⇌ 2H⁺ + CO₃²⁻

이 평형 상태는 다양한 pH 범위에서 알칼리성의 주요 형태를 결정합니다.

1. pH

2. pH 6.3-10.3: 중탄산염(HCO₃⁻)이 주요 성분이며, 이는 대부분의 폐수에서 흔히 나타나는 범위입니다.

3. pH > 10.3: 탄산염(CO₃²⁻)과 수산화물(OH⁻)이 지배적이 되기 시작합니다.

물 속 총 알칼리도(주로 HCO₃⁻ 및 CO₃²⁻)의 분포비는 pH에 의해 정확하게 결정됩니다.

주요 영향 요인 및 통제 논리:

1. 스케일 제어(연수): 알칼리도와 경도가 높은 물은 가열 및 농축 과정에서 탄산칼슘(CaCO₃) 스케일이 쉽게 형성되어 멤브레인과 증발기를 막히게 합니다.

산(예: H₂SO₄)을 첨가하면 pH가 낮아져 HCO₃⁻가 CO₂ 가스로 변환됩니다(CO₂ 가스는 탈기탑을 통해 제거됨): 2HCO₃⁻ + H₂SO₄ → 2CO₂↑ + 2H₂O + SO₄²⁻

이는 "알칼리도"와 "pH" 사이의 변환 관계입니다. 첨가되는 산의 양은 원수의 알칼리도(알칼리도 소모량)에 따라 직접적으로 결정되며, 목표 pH(일반적으로 6.5~7.0)에 의해 조절됩니다.

2. 부식 방지

pH가 지나치게 낮거나(

3. 증발 및 결정화 최적화

증발기에 넣기 전에 pH를 적절한 범위(일반적으로 >9.5)로 조정해야 합니다. pH가 높으면 규소 침전과 암모니아 질소 휘발이 촉진되지만, pH와 알칼리도가 지나치게 높으면 Mg(OH)₂와 같은 다른 염의 스케일이 생성될 수 있습니다. NaOH 첨가량을 정확하게 조절하는 것은 알칼리도를 조절하여 정확한 pH 목표값을 달성하는 것과 같습니다.

공학에서 "변환"은 주로 두 가지 유형의 계산을 의미합니다.

1. pH와 총 무기 탄소(CT)를 이용하여 알칼리도 계산하기 (이론적 계산)

2. 알칼리도를 고려하여 목표 pH를 달성하는 데 필요한 산/염기 투입량 계산 (핵심 엔지니어링 실무)

핵심 공식 및 계산 단계:

1. 이론적 관계

총 알칼리도(Alk)의 정확한 표현은 다음과 같습니다: Alk = [HCO₃⁻] + 2[CO₃²⁻] + [OH⁻] - [H⁺] (eq/L)

탄산의 1차 및 2차 이온화 상수(K₁, K₂)와 총 무기 탄소(CT)를 이용하면 각 항을 [H⁺]의 함수로 표현할 수 있습니다. 이는 일반적으로 PHREEQC와 같은 소프트웨어를 사용하여 수행하는 복잡한 계산입니다.

2. 공학적 실무 "변환": 산/염기 투입량 계산

이는 ZLD 설계에서 가장 일반적으로 사용되는 계산법입니다. 원리는 물의 알칼리도(또는 산성도)를 목표 pH로 중화하는 데 필요한 산/염기의 양을 결정하는 것입니다.

예시: 물의 현재 pH를 목표 pH로 낮추는 데 필요한 황산(H₂SO₄)의 양을 계산하십시오.

주어진 조건: 원수의 알칼리도는 Alk₁ = 300 mg/L (CaCO₃ 기준)이고, 목표 pH는 6.8로 낮추어야 합니다 (이때 잔류 알칼리도는 Alk₂ ≈ 50 mg/L입니다).

공식: 산 투입량(mg/L) = (알칼리성 알칼리 - 알칼리₂) × (산의 당량) / (탄산칼슘의 당량)

계산: CaCO₃ 당량 = 50 g/eq; H₂SO₄ 당량 = 98/2 = 49 g/eq (H₂SO₄ 분자 1개당 H⁺ 원자 2개가 제공되므로); 필요한 H₂SO₄ 양 = (300 - 50) mg/L × (49/50) = 250 × 0.98 = 245 mg/L

이는 물 1톤을 처리할 때마다 약 245그램의 순수 황산이 필요하다는 것을 의미합니다. 이 계산의 핵심은 직접적인 pH 값이 아니라 "알칼리도 차이"이며, 이는 "용량 계수를 이용한 계산"의 논리를 완벽하게 보여줍니다.