[논문]담수와 해수에서의 포말 생성 특성

신정식; 김병진; 서근학

doi:10.5657/kfas.2004.37.3.179

문제 정의

본 실험에서는 담수와 해수 중에서 포말 생성에 영향을 미치는 인자인 단백질 농도, 공기분산기의 기공 크기, 공탑공기유속, pH, 염 농도 그리고 온도에 대하여, 포말 분리 관내 생성된 포말 층 높이에 대한 연구를 수행하여 포말 분리법을 생물학적 오염물을 제거하기 위한 가장 적합한 형태의 장치 설계 및 제작을 위한 기초 자료를 도출하려 하였다. 그리고 회분식 분리 장치를 이용하여 담수와 해수에서의 총 부유 고형물과 탁도 제거 특성에 대하여 연구하였다.
그러므로 용액 중의 단백질 농도는 포말생성의 안정성을 결정하는 중요인자이다. 본 실험에서는 담수와 해수 중에서 단백질 농도를 변화시키면서 단백질 농도에 따른 포말생성 능력을 알아보았다.
본 실험에서는 담수와 해수 중에서 포말 생성에 영향을 미치는 인자인 단백질 농도, 공기분산기의 기공 크기, 공탑공기유속, pH, 염 농도 그리고 온도에 대하여, 포말 분리 관내 생성된 포말 층 높이에 대한 연구를 수행하여 포말 분리법을 생물학적 오염물을 제거하기 위한 가장 적합한 형태의 장치 설계 및 제작을 위한 기초 자료를 도출하려 하였다. 그리고 회분식 분리 장치를 이용하여 담수와 해수에서의 총 부유 고형물과 탁도 제거 특성에 대하여 연구하였다.
수중에 아질산염과 질산염이 존재할 경우 용액은 산성으로 변하므로 어류가 살기에 적당한 환경을 만들기 위해서는 염기를 첨가하여 액성을 중성으로 바꿀 필요가 있다. 이때 자주 쓰이는 염기가 NaHCO₃ 이고, 따라서 본 실험에서는 초기 단백질 농도를 일정하게 하고 NaHCCh의 첨가에 따른 포말생성 능력을 검토하였다.

제안 방법

공기 공급은 공기펌프를 이용하여 공급하였으며, 공기 유량은 유량계의 조절 밸브를 이용하여 조절하였다. 각 실험조건에서의 최대 포말 생성 높이는 회분식으로 3회 운전하여 준 정상 상태에서 포말 높이의 평균값을 취하였다.
각 실험조건에서의 최대 포말 생성 높이는 회분식으로 3회 운전하여 준 정상 상태에서 포말 높이의 평균값을 취하였다. 그리고 총 부유 고형물과 탁도의 제거능력을 알아보기 위하여 200mg/L의 kaolin을 액 본체에 혼합하여 회분식 포말 분리 실험을 수행하였으며 공기 분산 기로 유리 여과기 (G3) 를 설치하였고 형성된 포말을 수집하기 위하여 아스피레이터를 설치하였다.
유리 여과기는 기공 크기에 따라 각각 Gl, G2, G3, G4 size로 구분된다. 본 실험에서는 90-150“m의 기공 크기를 가지는 G1 size, 40-90 “m의 기공 크기를 가지는 G2 size, 15-40“m의 기공 크기를 가지는 G3 size 및 3-15 “m의 기공 크기를 가지는 G4 size의 유리 여과기를 사용하여 기공 크기에 따른 포말생성 능력을 알아보았다.
따라서 이들 용액의 전기이동 현상에서 용질 입자 또는 분자의 이동도 는 pH와 관계가 있으며, 또한 분자의 이동도 는 기포에 흡착되는 양과 관계가 있으므로 이에 따라 포말생성 능력도 달라진다고 할 수 있다. 본 실험에서는 담수와 해수에서 초기 단백질 농도를 일정하게 유지한 후 0.1 M HC₁ 과 0.1 M NaOH 수용액을 사용하여 pH를 변화시킨 후 이에 따른 포말생성 능력을 검토하였다.
최근에는 포말 분리에 의한 단백질 회수, 미생물 회수 등의 연구에서도 주요 운전인 자로 연구되어지고 있다. 본 실험에서는 초기 단백질 농도를 일정하게 하고 공탑 공기 유속을 0.40 cnVsec에서 1.27 cm/sec까지 변화시키면서 담수와 해수에서의 포말생성 능력을 검토하였다.

대상 데이터

본 실험에서 사용된 포말 생성 장치는 Fig. 2(a)와 같이 내경 50 mm, 높이 1,500 mm의 아크릴 관을 사용하여 제작하였다. 포말생성 관의 액본체 부피는 100 mL였으며 포말생성관 하부에는 유리 여과기를 이용한 공기 분산기를 설치하여 기포가 균일하게 발생하도록 하였다.
실험 수의 포말 생성을 위한 단백질은 부경대학교 부속 양어 장에서 발생하는 포말 농죽물 (foam condensate)을 수거하여 증류수로 희석시켜 사용하였으며 해수실험에서는 인공 해 수 시약 (Colalife, USA)으로 염도를 30 psu로 맞춘 후 사용하였다. 단백질의 농도 분석은 Folin phenol을 이용한 Lowry의 방법 (Lowry et al.

데이터처리

공기 공급은 공기펌프를 이용하여 공급하였으며, 공기 유량은 유량계의 조절 밸브를 이용하여 조절하였다. 각 실험조건에서의 최대 포말 생성 높이는 회분식으로 3회 운전하여 준 정상 상태에서 포말 높이의 평균값을 취하였다. 그리고 총 부유 고형물과 탁도의 제거능력을 알아보기 위하여 200mg/L의 kaolin을 액 본체에 혼합하여 회분식 포말 분리 실험을 수행하였으며 공기 분산 기로 유리 여과기 (G3) 를 설치하였고 형성된 포말을 수집하기 위하여 아스피레이터를 설치하였다.

이론/모형

실험 수의 포말 생성을 위한 단백질은 부경대학교 부속 양어 장에서 발생하는 포말 농죽물 (foam condensate)을 수거하여 증류수로 희석시켜 사용하였으며 해수실험에서는 인공 해 수 시약 (Colalife, USA)으로 염도를 30 psu로 맞춘 후 사용하였다. 단백질의 농도 분석은 Folin phenol을 이용한 Lowry의 방법 (Lowry et al., 1951)에 의해 수행하였으며 총 부유 고형물의 농도는 GF/C 여과지를 이용한 standard method (APHA et al., 1992)에 따라 진공여과법으로 분석하였다. 탁도는 탁도 겨〕(Model 2100N, Hach Co.

성능/효과

6 mg凡로 변화함에 따라 운전 시간에 따른 포말 생성 높이를 나타낸 그림이다. 공탑 공기 유속을 0.84cm/sec로 하고 공기 분산기를 기공 크기가 G3인 유리 여과기를 설치하여 운전한 결과, 단백질 농도 6.9, 13.2mg/L는 운전시간 60초 만에 최대점에 도달하였 으나 30.2, 45.1, 56.2, 67.6 mg/L의 단백질 농도에서는 각각 100초와 120초에서 최대 점에 도달하는 것으로 보아 해수에서 도 담수에서와 마찬가지로 단백질 농도가 증가할수록 안정적인 포말 생성이 이루어지는 시간이 길어진다는 것을 알 수 있었다. 이는 공탑 공기 유속이 일정하므로 단위 시간당 발생하는 기포의 양이 일정하게 된다.
3은 담수에서 단백질 농도의 변화에 따라 운전 시간에 따른 포말 생성 높이를 나타낸 그림이다. 공탑 공기 유속을 0.84cm/sec로 하고 공기 분산기의 기공 크기가 G3인 유리 여과기를 설치하여 운전한 결과, 단백질 농도 8.0, 20.5, 26.2 mg/L 는 운전시간 60초 만에 최대 점에 도달하였으나 41.5, 55.1, 69.4 mg/L의 단백질 농도에서는 120초에서 최대 점에 도달하는 것으로 보아 단백질 농도가 증가할수록 포말 높이가 증가하여 안정적인 포말 생성이 이루어지는 시간이 길어진다는 것을 알 수 있었다.
또한 총 부유 고형물로는 kaolin을 200 mg/L의 농도로 하여 실험 수에 녹여 사용하였다. 그 결과, 담수에서는 초기 단백질 농도가 높아질수록 총 부유 고형물의 제거효율은 최대 62.42%에서 46.57%로 감소하였으며 탁도 제거효율은 40.06%에서 24.60%로 감소하였다. 또한 해수에서는 초기 단백질 농도가 높아질수록 총 부유 고형물의 제거효율은 최대 83.
5 부근에서는 최대 포말 생성 높이가 36 cm로 거의 비슷하게 나타났으나 pH 5 부근에서 최대 포말 생성 높이는 74 cm로 갑자기 증가하였다. 그 후 최대 포말 생성 높이는 pH 10 부근 까지 서서히 감소하다가 pH 10 이후부터 포말 생성 높이가 회복되는 것으로 나타났다.
5는 담수와 해수에서 단백질 농도 변화에 따른 포말 생성 높이를 나타낸 그림이다. 담수 실험에서 단백질 농도가 8 mg/L에서는 3 cm의 최대 포말생성 높이를 형 성하였으나 단백질 농도 69.4mg/L에서는 65 cm의 최대 포말 생성 높이를 보여, 단백질 농도가 증가함에 따라 최대 포말 높이는 비레하여 증가하였다. 또한 해수 실험에서 단백질 농도가 6.
9는 담수와 해수에서 NaHCCh의 염 농도 변화에 따른 포말생성 능력을 나타낸 그림이다. 담수에서는 초기 단백질 농도를 31.9mg/L로 하고 G3의 유리 여과기를 설치하여 0.84 cm/sec의 공탑 공기 유속으로 실험한 결과 NaHCCh 농도를 7, 000 mg/L까지 첨가했을 때 최대 포말생성 높이가 27 cm로 꾸준히 증가하다가 14, 000 mg/L를 첨가했을 때에는 포말생성 높이가 45 cm로 급격히 증가하는 것으로 나타났으며, pH는 NaHCCb의 농도가 0 mg/L일 경우 7.45에서 14, 000 mg/L 일 경우 8.32로 증가하는 것으로 나타났다. 따라서 담수 중에 염 성분의 존재는 포말의 생성을 촉진한다는 것을 알 수 있었다.
7은 담수와 해수에서 공탑 공기 유속의 변화에 따른 포말생성 능력을 나타낸 그림이다. 담수와 해수에서 초기 단백질 농도를 각각 31.9 m&L, 30.2 仏로 하고 공기 분산 기로 규격이 G3인 유리 여과기를 설치하여 운전한 결과 담수와 해수에서 공탑 공기 유속이 증가할수록 최대 포말생성 높이는 증가하다가 담수의 경우에는 0.84 cm/sec 이상의 공탑 공기 유 속에서 최대 포말생성 높이의 차이가 크지 않았으며, 해수의 경우에는 0.6 cm/sec 이상에서 포말생성 높이의 변화가 거의 없었다. 공탑 공기 유속이 증가할수록 V 동일한 운전 시간에서 발생되는 기포의 양이 증가하고 이에 따라 기.
32로 증가하는 것으로 나타났다. 따라서 담수 중에 염 성분의 존재는 포말의 생성을 촉진한다는 것을 알 수 있었다. 해수의 경우 초기 단백질 농도를 30.
(1995)이 보고한 것과 유사한 결과를 보였다. 또한 단백질은 포말 분리기에서 수집기로써의 기능뿐만 아니라 부상기로써의 역할을 동시에 수행할 수 있는데 본 연구에서는 부상기로써의 단백질 역할을 관찰할 때 실험수 의 단백질 농도가 증가할수록 최대 포말 생성 높이가 증가하는 것으로 보아 양어 장수에서 수거한 포말 농축물이 부상기로 써의 능력을 충분히 수행할 수 있을 것으로 판단되어진다.
6 부근에서 나타나며 가장 낮은 포말 분리 효과를 보인다고 한 것과 비슷한 결과를 보이고 있다. 또한 중성인 pH 7 부근에서 다시 활성을 찾아 최대 포말 생성 높이가 25 cm로 상승하였으나 pH 10의 염기성에서 포말 높이가 감소하다가 강염기에서 포말 높이의 회복세를 보여주었다. 해수에서는 초기 단백질 농도를 30.
4mg/L에서는 65 cm의 최대 포말 생성 높이를 보여, 단백질 농도가 증가함에 따라 최대 포말 높이는 비레하여 증가하였다. 또한 해수 실험에서 단백질 농도가 6.9mg/L에 서는 27 cm의 최대 포말 생성 높이를 형성하였으나 단백질 농도 67.6 tng/L에서는 86.3 cm의 최대 포말 생성 높이를 보여 해수도 담수와 마찬가지로 단백질 농도가 증가함에 따라 최대 포말 높이는 비례하여 증가하였다. 그러나 단백질 농도가 비슷할 경우 담수에서보다 해수에서 최대 포말생성 높이가 더 큰 것으로 나타났다.
60%로 감소하였다. 또한 해수에서는 초기 단백질 농도가 높아질수록 총 부유 고형물의 제거효율은 최대 83.26%에서 78.31%로 감소하였으며 탁도 제거효율은 78.89%에서 65.81%로 감소하였다.
84 cm/sec의 공탑 공기 유속으로 실험한 결과 해수 내 NaHCCh의 농도가 Omg/L일 때와 14, 000mg/L일 때의 최대 포말 생성 높이의 차이는 6 cm에 불과하였는데 이는 해수 중에는 NaCl 등 여러 종류의 이온이 용존 되어 있으므로 NaHCO₃ 첨가의 영향은 적은 것으로 판단된다. 또한 해수의 경우에는 NaHCO₃ 농도에 따라 pH가 7.88에서 7.99로 변화하는 것으로 나타나 담수에 비해 큰 영향이 없는 것으로 나타났다.
또한 중성인 pH 7 부근에서 다시 활성을 찾아 최대 포말 생성 높이가 25 cm로 상승하였으나 pH 10의 염기성에서 포말 높이가 감소하다가 강염기에서 포말 높이의 회복세를 보여주었다. 해수에서는 초기 단백질 농도를 30.2 mg/L로 하고 G3의 유리 여과기를 설치하여 0.84cm/sec의 공탑 공기 유속으로 실험한 결과 pH 2-3.5 부근에서는 최대 포말 생성 높이가 36 cm로 거의 비슷하게 나타났으나 pH 5 부근에서 최대 포말 생성 높이는 74 cm로 갑자기 증가하였다. 그 후 최대 포말 생성 높이는 pH 10 부근 까지 서서히 감소하다가 pH 10 이후부터 포말 생성 높이가 회복되는 것으로 나타났다.

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