[논문 리뷰] A simple criterion and experiments for onset of flocculation in kaolin clay suspensions

Nicholas Rommelfanger, Bernhard Vowinckel외 4명|arXiv (Cornell University)|2022. 03. 29.

Soil and Unsaturated Flow인용 수 9

한 줄 요약

이 연구는 카올린 점토 슬러지에서 응집 현상의 시작을 예측하기 위해 차원이 없는 매개변수 Φ를 사용하는 단순하고 물리적으로 타당한 기준을 제시한다. 실험 결과에 따르면 응집 현상은 매우 낮은 염화물 농도에서 발생하며, NaCl의 경우 0.6 mM(≈0.04 ppt), CaCl₂의 경우 0.04 mM(≈0.004 ppt)에서 발생한다. 이는 카올린 점토가 거의 모든 자연 수질 환경에서 응집됨을 시사하며, 1가 이온의 경우 응집 임계 농도가 점토 농도에 영향을 받지 않지만, 2가 이온의 경우 표면 전하 중화로 인해 농도가 증가함에 따라 약간 증가함을 나타낸다.

ABSTRACT

Cohesive effects between fine-grained sediment particles greatly influence their effective settling rate and erodibility. Many studies have observed a qualitative difference in settling dynamics between clays in freshwater, where particles remain dispersed, and in saltwater, where aggregates form and settle rapidly. The critical coagulation concentration (CCC) of salt that separates the two regimes however remains under-investigated, even though knowledge of the CCC is crucial to understanding aggregation in settings such as estuaries, where large salt concentration gradients occur. Furthermore, no simple criterion exists to predict the CCC for clay suspensions. In this study, systematic experiments are performed to determine the CCC, by measuring transmitted light intensity through clay suspensions. To investigate the effect of ion valence, sodium chloride (NaCl) and calcium chloride (CaCl$_2$) are used. For kaolin clay, the results show a CCC of 0.6mM NaCl ($\approx 0.04$ppt NaCl $=$ 0.04 PSU), and of 0.04mM CaCl$_2$ ($\approx 0.004$ppt CaCl$_2$). Because these salinities are lower than those commonly observed in nature, these findings indicate that kaolin clay should flocculate in nearly all natural aquatic environments. Furthermore, due to the fact that tap water often has salinities higher than this threshold, these results imply that great care is needed in experiments, especially in large facilities where using distilled water is not feasible. In addition, a simple criterion to estimate the CCC for a kaolin clay suspension is derived. This criterion predicts that flocculation occurs at extremely low salt concentrations and is approximately independent of clay concentration, in agreement with the experimental observations and consistent with experimental evidence from the literature.

연구 동기 및 목표

• 카올린 점토 슬러지의 담수 및 염수 환경에서의 임계 응집 농도(CCC)를 규명하기 위해.
• 복잡한 DLVO 이론에 의존하지 않고도 응집 현상의 시작을 예측할 수 있는 단순하고 실용적인 기준을 개발하기 위해.
• Na⁺와 Ca²⁺와 같은 이온의 밸런스가 카올린 슬러지에서의 응집 임계 농도에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 자연 수질 시스템에서 염분에 의한 응집 현상에 대한 현장 관측과 실험실 결과 간의 괴리를 해결하기 위해.
• distilled water를 사용할 수 없는 시설에서 실험 설계에 실질적인 지침을 제공하기 위해.

제안 방법

• 응집 현상의 시작을 감지하기 위해 카올린 점토 슬러지의 투과 광도를 측정하는 체계적 실험.
• 임계 응집 농도(CCC)에 대한 이온 밸런스의 영향을 조사하기 위해 NaCl과 CaCl₂를 사용.
• 점토 농도(4–40 ppt)를 다양하게 변화시켜 CCC의 농도 의존성을 평가하기 위해 측정.
• 응집 현상의 시작을 예측하기 위해 물리적 매개변수를 기반으로 차원이 없는 매개변수 Φ를 유도.
• 실험 결과를 문헌 자료 및 이론적 기대치(예: Schulze-Hardy 법칙)와 비교.
• 입자 특성 분석 및 슬러지 준비를 위해 환경 스캐닝 전자현미경(ESEM)과 원심분리기를 사용.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 카올린 점토 슬러지에서 응집 현상은 어느 정도의 염 농도에서 시작되는가?
• RQ2 이온의 밸런스(Na⁺ 대 Ca²⁺)는 카올린 슬러지에서의 임계 응집 농도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 임계 응집 농도는 슬러지 내 점토 농도에 따라 달라지는가?
• RQ4 완전한 DLVO 계산 없이도 단순하고 물리적으로 직관적인 기준으로 응집 현상의 시작을 예측할 수 있는가?
• RQ5 왜 현장 관측 결과는 종종 실험실에서의 염분 유도 응집 현상에 대한 결과와 모순되는가?

주요 결과

• NaCl 용액에서 카올린 점토의 임계 응집 농도(CCC)는 0.6 mM(≈0.04 ppt NaCl)이며, 일반적인 tap water의 염도보다 훨씬 낮다.
• CaCl₂ 용액의 경우 CCC는 0.04 mM(≈0.004 ppt CaCl₂)이며, NaCl의 경우 약 15배 낮다. 이는 Schulze-Hardy 법칙과 일치한다.
• NaCl의 경우 CCC는 점토 농도에 영향을 받지 않으며, 이는 Stern 층에서 Na⁺의 흡착이 미미함을 시사한다.
• CaCl₂의 경우 CCC는 점토 농도가 증가함에 따라 약간 증가하며, 이는 Stern 층에서 Ca²⁺의 흡착과 표면 전하 중화로 인한 것으로 보인다.
• 제안된 차원이 없는 매개변수 Φ는 Φ ≈ 10⁻³일 때 응집 현상의 시작을 정확히 예측할 수 있으며, DLVO 이론의 복잡한 계산을 대체할 수 있는 단순한 대안을 제공한다.
• 카올린 점토 슬러지는 초저염도의 CCC 값을 지니므로 거의 모든 자연 수질 환경에서 응집되며, 이는 실험 유체역학에서의 기존 가정을 도전한다.