침전

침전 (沈澱)은 액체 속에 분산되어 있던 고체 입자가 중력이나 다른 힘에 의해 액체 아래로 가라앉는 현상이다. 넓은 의미로는 기체 속에 분산된 입자가 고체나 액체 표면에 달라붙는 현상까지 포함하기도 한다.

정의 및 원리

침전은 분산된 입자의 밀도가 액체의 밀도보다 클 경우, 중력에 의해 아래로 가라앉는 자연스러운 현상이다. 입자의 크기, 모양, 밀도, 액체의 점성, 온도, 그리고 작용하는 외부 힘 (원심력, 전기장 등) 등이 침전 속도에 영향을 미친다. 침전 과정은 일반적으로 다음과 같은 단계를 거친다.

1. 분산: 고체 입자가 액체 속에 고르게 분산되어 있는 상태.
2. 응집 (Flocculation): 분산된 입자들이 서로 뭉쳐 더 큰 덩어리 (Floc)를 형성하는 과정. 이 과정은 입자 간의 인력 (반데르발스 힘, 정전기적 인력 등)에 의해 촉진될 수 있다.
3. 침강 (Sedimentation): 응집된 입자들이 중력에 의해 액체 아래로 가라앉는 과정. 침강 속도는 스토크스의 법칙 (Stokes' Law)으로 근사적으로 계산할 수 있다.
4. 압밀 (Consolidation): 가라앉은 입자들이 바닥에 쌓여 압력을 받으면서 더욱 촘촘하게 쌓이는 과정. 액체 성분이 빠져나가면서 부피가 감소하기도 한다.

활용

침전은 다양한 분야에서 활용된다.

• 정수 처리: 상수도 처리 과정에서 물 속에 있는 부유 물질을 제거하는 데 사용된다. 응집제 (Alum, PAC 등)를 사용하여 입자들을 응집시킨 후 침전시켜 제거한다.
• 하수 처리: 하수 처리 과정에서도 침전은 중요한 역할을 한다. 1차 처리 과정에서 고형물을 제거하고, 2차 처리 과정 후에도 미세한 고형물을 제거하는 데 사용된다.
• 광업: 광석에서 유용한 광물을 분리하는 데 침전법이 사용된다.
• 화학 산업: 화학 반응 후 생성된 고체 생성물을 분리하거나, 불순물을 제거하는 데 사용된다.
• 분석 화학: 특정 이온을 침전시켜 정량 분석하는 데 사용된다.
• 식품 산업: 우유 단백질을 분리하거나, 맥주 제조 과정에서 효모를 제거하는 데 사용된다.

침전에 영향을 미치는 요인

• 입자의 크기: 입자가 클수록 침전 속도가 빠르다.
• 입자의 밀도: 입자의 밀도가 액체의 밀도보다 클수록 침전 속도가 빠르다.
• 액체의 점성: 액체의 점성이 클수록 침전 속도가 느리다.
• 온도: 온도가 높아지면 액체의 점성이 감소하여 침전 속도가 빨라질 수 있다.
• 외부 힘: 원심력, 전기장 등의 외부 힘은 침전 속도를 증가시키거나 감소시킬 수 있다.
• pH: pH에 따라 입자의 표면 전하가 변하여 응집에 영향을 미치고, 결과적으로 침전 속도에 영향을 미칠 수 있다.

관련 용어

• 침강 속도 (Settling Velocity): 입자가 액체 속에서 가라앉는 속도.
• 스토크스의 법칙 (Stokes' Law): 구형 입자의 침강 속도를 계산하는 데 사용되는 법칙.
• 응집제 (Flocculant): 입자들을 뭉쳐 더 큰 덩어리를 형성하도록 돕는 물질.
• 부유 물질 (Suspended Solids): 액체 속에 분산되어 있는 고체 입자.
• 슬러지 (Sludge): 침전된 고형물 덩어리.