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문제 정의
- 따라서, 본 연구는 lab-scale 규모의 가압식 마이크로버블 발생장치를 이용하여 마이크로버블 발생을 위한 최적 운전조건을 검토하고, 벤튜리 노즐 제원에 따른 마이크로버블 발생 특성을 확인하고자 수행하였다.
- 본 연구에서는 샘플러의 유입관 길이를 버블의 “뭉침 현상”[6]을 최소화하기 위하여 곧고, 짧게 제작하였다[7].
제안 방법
- 노즐 제원에 따른 특성 평가를 위하여 사용된 노즐의 제원을 Table 4에 나타내었다. Batch type의 실험에서 최적 운전 조건 선정을 위한 실험의 결과로 도출된 공기 주입율 0.3 LPM, 가압탱크압력 3 bar, 노즐을 직접 수조에 연결하여 실험을 진행하였다.
- 노즐의 목 길이에 따른 버블크기 분포 분석은 노즐 D3L0, D3L15, D3L20, D3L30, D3L50으로 노즐을 분류하여 실험을 진행하였으며, 분석 결과를 Table 6에 나타내었다. Table 6에 나타낸 결과를 살펴보면 버블크기 분포는 서로 유사한 경향을 나타냄으로써 노즐 목 길이 증가에 따른 버블크기 분포의 일관성 있는 경향이 없음을 알 수 있었다.
- 그러나 노즐을 통과한 버블들이 밸브의 내부에서 충돌하여 더욱 작아지거나, 버블의 뭉침현상으로 더욱 커질수 있는 가능성이 있다. 따라서, 밸브의 유무에 따른 마이크로버블 발생의 영향을 알아보고자 노즐 D2L0를 설치하고 공기 주입율 0.3 LPM, 가압탱크압력 3, 4, 5 bar로 설정 후 노즐 후단부에 연결된 밸브의 유무를 변수로 하여 버블크기 분포를 측정하였다. 실험결과를 Table 3과 Fig.
- 5기압이라고 발표한 선행 연구 결과에서도 확인 할 수 있다[8]. 따라서, 본 연구에서는 경제성을 고려한 적정 가압탱크 운전압력을 3 bar로 설정하였다.
- 6 LPM의 공기 주입율과 2, 3, 4, 5 bar의 압력조건을 설정하여 실험을 진행하였다. 또한 도출된 최적 운전조건에서 벤튜리 노즐 제원에 따른 버블크기 분포를 측정하였다. 한편, 정확한 마이크로버블의 크기를 측정하기 위하여, 버블크기 분포 측정 시 수돗물에 포함된 입자에 대한 보정이 필요하므로 실험 전 수돗물 입도 분포를 측정하여 blank로 사용하고, 버블크기 분포 측정 결과 각 구간에 대하여 보정하였다.
- 본 연구에서는 마이크로버블 발생 운전조건 선정과 벤튜리 노즐 제원에 따른 특성 평가로 실험을 나누어 진행하였으며, 수돗물을 사용하였다. 마이크로버블 발생 운전조건을 선정하는 실험에서는 공기 주입율, 가압탱크 압력, 노즐 후단부 밸브 설치 유무 등의 최적 조건을 선정하기 위하여 노즐 D2L0를 설치하여 0.3 및 0.6 LPM의 공기 주입율과 2, 3, 4, 5 bar의 압력조건을 설정하여 실험을 진행하였다. 또한 도출된 최적 운전조건에서 벤튜리 노즐 제원에 따른 버블크기 분포를 측정하였다.
- 벤튜리 노즐을 이용한 마이크로버블 발생장치의 최적 운전 조건의 검토와 버블크기 분포 분석을 활용한 벤튜리 노즐의 제원별 특성을 평가한 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
- 본 연구에서는 마이크로버블 발생 운전조건 선정과 벤튜리 노즐 제원에 따른 특성 평가로 실험을 나누어 진행하였으며, 수돗물을 사용하였다. 마이크로버블 발생 운전조건을 선정하는 실험에서는 공기 주입율, 가압탱크 압력, 노즐 후단부 밸브 설치 유무 등의 최적 조건을 선정하기 위하여 노즐 D2L0를 설치하여 0.
- 6 LPM으로 변화시켰다. 실험결과는 D50(누적 분포로 환산하였을 때, 누적 분율이 0.5에서 버블 입자의 크기)과 50 ㎛ 이하 버블의 분율로 해석하였는데, 그 결과를 Fig. 4와 Table 2에 나타내었다.
- 적정 공기 주입율 선정을 위한 실험에서는 노즐D2L0를 설치하여 가압탱크압력 2, 3, 4, 5 bar, 밸브가 있는 조건에서 공기 주입율만 각각 0.3 및 0.6 LPM으로 변화시켰다. 실험결과는 D50(누적 분포로 환산하였을 때, 누적 분율이 0.
- 최적의 가압탱크압력 선정을 위한 실험에서 노즐 D2L0를 설치하여 공기 주입율을 0.3 LPM으로 설정, 밸브가 있는 조건에서 가압탱크압력만 각각 2, 3, 4, 5 bar로 변화시켜 측정하였다. 버블크기 분포 분석 결과는 Fig.
- 또한 도출된 최적 운전조건에서 벤튜리 노즐 제원에 따른 버블크기 분포를 측정하였다. 한편, 정확한 마이크로버블의 크기를 측정하기 위하여, 버블크기 분포 측정 시 수돗물에 포함된 입자에 대한 보정이 필요하므로 실험 전 수돗물 입도 분포를 측정하여 blank로 사용하고, 버블크기 분포 측정 결과 각 구간에 대하여 보정하였다. 즉, 보정한 버블크기 분포의 각 구간별 양의 값만을 마이크로버블이 발생되었다고 간주하였다.
대상 데이터
- 노즐의 목 직경에 따른 버블크기 분포 분석은 노즐 D2L0, D3L0, D4L0로 목 길이 0 mm인 경우와 노즐의 목 길이가 15 mm인 D3L15, D4L15, D5L15로 실험을 진행하였고 그 결과를 Table 5에 요약하였다.
- 4) 노즐의 목 직경과 목 길이는 버블크기 분포에 미치는 영향은 적었으나, 노즐 제원에 따른 성능의 차이가 있었다. 본 연구에서 선정한 운전조건 및 사용된 노즐에서 D50과 50 ㎛ 이하 버블 분율만을 고려하였을 떄, 마이크로버블 발생에 가장 최적인 노즐 조건은 목 직경 3-4 mm와 목 길이 20 mm인 D3L20인 것으로 판단된다.
- 15 L이며, 공기는 펌프의 흡입관에 직접 연결하여 공급하도록 하고, 펌프는 인버터를 통하여 제어하였다. 실험에 사용된 벤튜리 노즐의 형상은 Fig. 3과 같으며, 노즐의 목 직경과(D)과 길이(L)에 따라 각 노즐을 DxLy라 지칭하였다.
성능/효과
- 1) 가압탱크의 압력을 증가시켜도 마이크로버블의 크기가 작아지지 않는 “한계압력”은 3 bar임을 확인하였다.
- 2) Lab-scale 실험에서 벤튜리 노즐을 이용한 마이크로버블 발생에 최적 운전조건은 공기 주입율 0.3LPM, 가압탱크의 압력 3 bar이었다.
- 3) 노즐 후단부에 밸브가 있는 경우 200 ㎛ 이상의 크기가 큰 버블이 측정 되었는데, 이는 발생된 마이크로버블이 노즐과 연결된 밸브를 통과하고 수조 내로 토출되면서 밸브 내부에서 마이크로버블들이 서로 뭉치는데 그 원인이 있는 것으로 판단된다.
- 4) 노즐의 목 직경과 목 길이는 버블크기 분포에 미치는 영향은 적었으나, 노즐 제원에 따른 성능의 차이가 있었다. 본 연구에서 선정한 운전조건 및 사용된 노즐에서 D50과 50 ㎛ 이하 버블 분율만을 고려하였을 떄, 마이크로버블 발생에 가장 최적인 노즐 조건은 목 직경 3-4 mm와 목 길이 20 mm인 D3L20인 것으로 판단된다.
- D2L0, D3L0, D4L0 비교 실험의 경우 D2L0를 제외한 D3L0와 D4L0의 버블크기 분포 측정결과 유사한 결과를 보였고, D50과 50 ㎛ 이하 버블의 분율 또한 서로 유사한 경향을 나타내었다. D3L15, D4L15, D5L15 비 교 실험의 경우도 모두 버블크기 분포가 유사하며, D50 또한 서로 유사하나 50 ㎛ 이하 버블의 분율이 D5L15가 D3L15, D4L15와 비교시 상대적으로 낮은 경향을 보이는 것으로 확인되었다.
- 과 50 ㎛ 이하 버블의 분율 또한 서로 유사한 경향을 나타내었다. D3L15, D4L15, D5L15 비 교 실험의 경우도 모두 버블크기 분포가 유사하며, D50 또한 서로 유사하나 50 ㎛ 이하 버블의 분율이 D5L15가 D3L15, D4L15와 비교시 상대적으로 낮은 경향을 보이는 것으로 확인되었다. 따라서, D2L0 경우를 제외한 나머지 벤튜리 노즐 목 직경의 크기는 버블크기 분포에 미치는 영향은 상대적으로 낮지만, 노즐의 성능적 측면에서는 벤튜리 노즐 목 직경이 3-4 mm인 경우가 마이크로버블 발생에 최적임을 알 수 있었다.
- 공기주입율 비교시 압력 2 bar를 제외한 나머지 조건에서 공기주입율 0.3 LPM에서 50 ㎛ 이하의 마이크로버블 수가 0.6 LPM 조건보다 분율이 높았으며, D50에 있어서도 공기주입율이 0.3 LPM 일 때, 버블의 크기가 상대적으로 작게 측정되었다. 또한 lab-scale 규모의 마이크로버블 발생장치의 운전시 공기 주입율 0.
- Table 6에 나타낸 결과를 살펴보면 버블크기 분포는 서로 유사한 경향을 나타냄으로써 노즐 목 길이 증가에 따른 버블크기 분포의 일관성 있는 경향이 없음을 알 수 있었다. 그러나, 노즐의 성능적 측면에서는 노즐 목 길이가 20 mm일 때, 50 ㎛ 이하 버블의 분율이 0.447로 마이크로버블 발생에 최적 조건임을 확인하였다.
- D3L15, D4L15, D5L15 비 교 실험의 경우도 모두 버블크기 분포가 유사하며, D50 또한 서로 유사하나 50 ㎛ 이하 버블의 분율이 D5L15가 D3L15, D4L15와 비교시 상대적으로 낮은 경향을 보이는 것으로 확인되었다. 따라서, D2L0 경우를 제외한 나머지 벤튜리 노즐 목 직경의 크기는 버블크기 분포에 미치는 영향은 상대적으로 낮지만, 노즐의 성능적 측면에서는 벤튜리 노즐 목 직경이 3-4 mm인 경우가 마이크로버블 발생에 최적임을 알 수 있었다.
- 6 LPM 이상일 경우에는 펌프의 공회전수가 증가하여 유량 변동이 크거나 지속적으로 감소되어 안정적인 운전에 어려움이 있었다. 따라서, 본 실험에서는 공기 주입율 0.3 LPM이 적절하다고 판단하였다.
- 3 LPM으로 설정, 밸브가 있는 조건에서 가압탱크압력만 각각 2, 3, 4, 5 bar로 변화시켜 측정하였다. 버블크기 분포 분석 결과는 Fig. 4와 Table 2에 정리하였는데, 가압탱크압력 2 bar를 제외한 3, 4, 5 bar에서는 실제로 버블크기 분포에 큰 변화가 없었으며, 3 bar 이상에서 더 이상 버블의 크기가 작아지지가 않음을 확인 할 수 있었다. 이는 마이크로버블의 크기는 어떤 특정 압력 이상에서 더 이상 작아지지 않으며, 그 최대 압력이 3.
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