[논문]미세기포 발생 펌프에서 생성되는 기포농도와 용존공기농도의 비교

이창한; 안갑환

doi:10.5322/jesi.2014.23.11.1835

미세기포 발생 펌프에서 생성되는 기포농도와 용존공기농도의 비교
Comparison of Dissolved Air and Micro-Bubble Concentration by a Micro-Bubble Generating Pump 원문보기

Journal of environmental science international = 한국환경과학회지, v.23 no.11, 2014년, pp.1835 - 1842

이창한 (부산가톨릭대학교 환경행정학과) , 안갑환 (부산가톨릭대학교 환경행정학과)

Abstract ▼ AI-Helper

The goal of this study was to evaluate micro-bubble concentration ($C_{air}$) in water by air/water ratio (A/W ratio) with a micro-bubble generating pump. The estimation of micro-bubble concentration is based on the balance of inlet/outlet air and water flow rate. On net A/W ratio to be generated micro-bubble, we found that the obtained the $C_{air}$ are shown as a function of discharge pressure ($P_g$) of the micro-bubble generating pump. The correlation of the $C_{air}$ and the $P_g$ ($C_{air}=3.261P_g-1.754$) was adequately described by the least square methods with a high correlation coefficient (r = 0.9459) and calculated values fit the experimental data quite well. The $C_{air}$ was lower than theoretical dissolved air concentration ($C_{aq}$) calculated by Henry's law. The $C_{air}$ for being operated the micro-bubble generating pump was 6.75 - 39.53 mL/L, however, we found that the optimum of the $C_{air}$ to generate micro-bubble was the range from 10 to 12 mL/L.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

06%로 나타난다고 하였으며, 미세기포 발생펌프의 운전에 있어 운전압력과 기·액 유량비에 따른 영향을 제시하였을 뿐 미세기포의 용해/분산 현상에 대한 정량적인 상관관계는 제시하지 않았다. 따라서, 본 연구는 실험실 규모의 미세기포 발생 펌프의 공기/물의 비(A/W ratio)에 따른 미세기포 농도를 포화조형 DAF 장치에서 발생되는 미세기포 농도와 비교하여 미세기포 기술의 현장 적용을 위한 기본적인 설계 및 운전인자를 정량화하고자 한다. 또한, 미세기포 농도는 Henry의 법칙에 따른 이론적인 공기용해도(C_aq)를 미세기포 발생펌프에서 생성되는 미세기포 농도(C_{따라서, 본 연구는 실험실 규모의 미세기포 발생 펌프의 공기/물의 비(A/W ratio)에 따른 미세기포 농도를 포화조형 DAF 장치에서 발생되는 미세기포 농도와 비교하여 미세기포 기술의 현장 적용을 위한 기본적인 설계 및 운전인자를 정량화하고자 한다. 또한, 미세기포 농도는 Henry의 법칙에 따른 이론적인 공기용해도(C_aq)를 미세기포 발생펌프에서 생성되는 미세기포 농도(C_air)와 비교하여 이론적으로 현장 공정을 해석할 수 있는 정량적인 상관관계를 도출하고자 한다.}

제안 방법

본 연구에 적용된 부상분리조의 고형물 부하량은 220 kgTS/m²/d로 하였으며, Table 1에 나타낸 것과 설계 및 운전인자 중에서 이전의 연구와 달리 미세기포 발생펌프에서 토출밸브로 이송되는 배관길이를 최소로 하여 체류시간을 감소시켜 운전하였다(Lee 등, 2014). 미세기포 발생 장치의 토출압력은 운전범위인 4.0 ~ 6.0 kgf/cm² 중에서 5.0 kgf/cm²로 하여 유량이 5.22 L/min인 조건으로 하여 설계기준을 산정하였다. 이 시스템의 처리유량은 4.
1의 #은 이 공정의 구조를 나타낸 것으로서 a) 미세기포 발생부와 b)는 부상분리부로 구성되어 있다. 미세기포 발생펌프는 2개의 펌프(펌프 1(기포유입)와 펌프 2(기포용해/분산))가 직렬로 연결되어 있으며 미세기포 발생효율을 평가하기 위해 용해/분산된 가압수를 0 ~ 50%로 펌프 1로 재순환을 하면서 운전하였다.
4는 미세기포 발생펌프의 P_g에 따른 가압수의 Cair를 비교하여 나타내었다. 미세기포 발생펌프의 P_g은 3.0 ~ 4.0 kgf/cm²(가압수 : 50% 반송)와 4.5 ~ 5.5 kgf/cm²(가압수 : 미반송)로 조절하였다. 가압수의 C_air는 P_g에 따라 증가하는 경향을 보였다.
5는 대기압으로 토출되기 전 미세기포 발생펌프와 배관의 체류시간(t)에 따른 C_air를 나타내었다. 미세기포 발생펌프의 P_g은 3.5 kgf/cm²와 5.0 kgf/cm²로 조절하였고, 이 P_g에서 거대기포 분리장치는 열린 상태와 닫힌 상태로 운전하였다. 거대기포 분리장치가 닫힌 상태에서 C_air는 t에 따라 4.
본 연구는 실험실 규모의 미세기포 발생 장치를 이용하여 유입 및 유출 공기량 실험자료를 이용하여 net A/W ratio에 따른 미세기포 농도(C_air)와 이론적인 미세기포농도(C_eq : Henry의 법칙)를 비교하여 다음과 같은 결론을 도출하였다.
1)의 b)에 제시한 미세기포 발생펌프형 부상분리조는 고형물 부하량에 따른 슬러지 부상분리조의 설계기준을 이용하였다(Cleverson 등, 2007). 본 연구에 적용된 부상분리조의 고형물 부하량은 220 kgTS/m²/d로 하였으며, Table 1에 나타낸 것과 설계 및 운전인자 중에서 이전의 연구와 달리 미세기포 발생펌프에서 토출밸브로 이송되는 배관길이를 최소로 하여 체류시간을 감소시켜 운전하였다(Lee 등, 2014). 미세기포 발생 장치의 토출압력은 운전범위인 4.
흡입공기량 및 미세기포 발생량은 Soap-film flowmeter(HP, 1-10-100 mL)를 사용하여 q0과 q를 측정하였고, 이 자료를 A/W ratio(mL/L)와 net A/W ratio(mL/L)은 각각 # 그리고 #로 정의하여 산정하였다.

이론/모형

용액의 농도는 온도, 가스 종류 및 분압에 영향을 받기 때문에 반트호프 식(van’t Hoff equation)를 사용하여 식 (3)와 같이 온도에 따른 영향을 보정하였다(Letcher, 2007; Smith와 Harvey, 2007).
운전조건에 따른 미세기포 발생량의 상관관계를 도출하기 위하여 가압수 내의 공기 용해량은 식 (1)과 (2)과 같이 헨리의 법칙(Henry’s Law)을 이용하여 헨리상수(Henry’s Law constants)과 분압(partial pressure)에 따른 용액 중 산소와 질소 농도를 공기 농도로 환산하였다.

성능/효과

C_air는 P_g=5kgf/cm²에서 14.40 mL/L으로 C_eq가 67.83 mL/L에 비해 약 4.7 배 정도 낮게 나타났으며, 가압수가 배관 내에 체류하는 시간이 t=1.17-2.09초보다 증가한다면 가압수 내로 용해/분산되는 C_air는 이론적인 공기용해도, C_eq에 더 근접할 것이다.
1의 15) 거대기포 분리장치는 열린 상태와 닫힌 상태로 구분하였다. 거대기포 분리장치 가 열린 상태에서 Q_w0가 3.15 - 5.78 L/min일 때 q₀와 q는 각각 0.444 ~ 0.061 L/min와 0.424 ~ 0.015 L/min로 Q_w0에 반비례하는 경향으로 감소하였으며, 이 결과에서 q₀로 유입되는 공기는 일정한 양만 용해/분산되고 잉여공기는 거대기포로서 q로 유출되었다고 사료된다. 거대기포 분리장치가 닫힌 상태에서 Q_w0는 3.
4에서 제시 한 C_air의 범위보다는 높게 나타났다. 거대기포 분리장치가 열린 상태에서 C_air는 t에 따라 8.07 ~ 12.60 mL/L 로 일정한 값을 나타내었으며, 이 결과에서 약 13 mL/L 이상으로 주입된 공기는 가압수 중에 용해/분산되지 않고 대부분 거대기포분리장치로 배출되는 결과를 보였다. 이 조건에서 미세기포 평균경이 43µm이고 가압수 반송비가 10%라고 하면, 반응조(reaction zone) 내의 미세기포 수는 2.
57 mL/L 이었다. 거대기포 제거장치가 닫힌 상태의 net A/W ratio는 열린 상태의 net A/W ratio보다 약 3배이상 높았지만, net A/W ratio가 약 10 mL/L (1 v/v%)인 조건에서 최적의 미세기포 발생효율을 나타내었다.
5 kgf/cm²에서도 거대기포 제거장치가 닫힌 상태의 net A/W ratio는 열린상태의 net A/W ratio보다 약 3배 이상 높게 나타났다. 또한, Fig. 2의 결과와 유사하게 net A/W ratio가 약 12 mL/L (1.2 v/v%)인 조건이 최적의 미세기포 발생효율을 나타내었으며, net A/W ratio를 조절하기 위해 Q_w0를 5.16 L/min이상으로 높이면 미세기포 발생펌프로 유입되는 q는 오히려 더 감소하여 net A/W ratio가 낮아지는 경향을 보였다.
9 mg/L)로서 Henry 법칙을 사용한 본 연구결과와 거의 일치하였다. 이 결과로부터 미세기포 발생펌프로 유입되는 q₀는 C_aq이하의 범위에서 물리화학적으로 용해/분산되며, 가압수가 배관 내에 체류하는 시간이 t=1.17-2.09초보다 증가한다면 C_air는 이론적인 공기용해도, C_aq에 더 근접할 것으로 판단된다. Fig.
34×10⁴ bubbles/mL이었다. 이 조건에서 미세기포 발생펌프의 가압수 반송율은 기존 DAF 부상조에 비해 약 10 % 정도 높게 운전되어야 할 것으로 판단된다.
261P_g의 비례관계가 성립된다는 것을 확인할 수 있었다. 이론적인 값인 C_aq는 공기가 용액 중에 완전히 포화되어 평형을 이루는 t=t_eq의 조건에서 산정된 값으로 t=1.17-2.09초로 평형에 도달하지 않는 C_air는 P_g=5kgf/cm²에서 14.40 mL/L으로 C_aq가 67.83 mL/L에 비해 약 4.7배 정도 낮게 나타났다. Bahadori 등(2013)은 Vandermonde matrix가 적용된 예측 프로그램을 사용하여 수온과 게이지 압력이 각각 30 와 500 kPa(5.

후속연구

8×10⁴ bubbles/mL와 5,000 ~ 10,000 ppm이라고 결과와 비교하면 미세기포 발생펌프는 포화조에 비해 반송률이 약 10%정도 높게 운전되어야 한다. 또한, 미세기포 발생펌프에서 발생되는 미세기포 농도를 높이려면, 미세기포 발생펌프와 배관의 체류시간의 증가를 통해 공기의 용해/분산량을 증가시킬 수 있을 것으로 판단되며 이 조건에서 부상분리조를 운전한다면 가압수의 반송률을 낮출 수 있을 것으로 판단 된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	용존공기부상(Dissolved Air Flotation : DAF) 공정이란 무엇인가?	용존공기부상(Dissolved Air Flotation : DAF) 공정은 정수처리장의 원수로 유입되는 조류와 같은 저밀도 부유물질의 제거에서 기존 침전지보다 우수한 성능을 가지며, 하천 및 호소수에서 발생되는 조류의 제거에 효율적이라고 알려져 있다(Edzwald, 2010).
	DAF 공정의 구분은?	국내에 도입된 DAF 공정은 포화조(saturator)형과 미세기포 발생장치(미세기포 발생펌프)로 구분된다. 포화조형 장치는 펌프, 공기 주입용 콤프레샤, 공기/순환수 접촉탱크(saturator)를 포함하는 구조이며, 미세기포 발생펌프형 장치는 펌프, 공기 주입용 콤프레샤, 공기/ 순환수 접촉탱크를 미세기포 발생펌프로 컴팩트화한 공정이다.
	DAF 공정의 실용화 연구가 진행되고 있는 이유는?	포화조형 장치는 펌프, 공기 주입용 콤프레샤, 공기/순환수 접촉탱크(saturator)를 포함하는 구조이며, 미세기포 발생펌프형 장치는 펌프, 공기 주입용 콤프레샤, 공기/ 순환수 접촉탱크를 미세기포 발생펌프로 컴팩트화한 공정이다. 공기를 순환수에 용해/분산시켜 가압수 제조가 용이하기 때문에 최근 운전특성 및 성능에 대한 효율 비교 및 실용화 연구가 많이 진행되고 있는 실정이다(Lee 등, 2009; An 등, 2002).

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상세보기
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Smith, F. L., Harvey, A. H., 2007, Avoid Common Pitfalls When Using Henry's Law, Chem. Eng. Prog., Sept., 33 - 39.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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