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문제 정의
- 본 연구는 플라즈마 가스의 용존율을 높여 처리성능을 증가시키기 위하여 이젝터 유형의 기-액 혼합장치를 이용하여 가스의 용존율 향상을 꾀하였으나 효과가 크지 않아 다른 형태의 기-액 혼합 장치를 이용하고 용존율을 향상시키고자 하였다. 다양한 형태의 노즐을 이용하여 플라즈마 가스와 물의 혼합에 의한 산화제 용존 성능을 총괄 산소전달계수 측정이라는 간접적 방법으로 평가한 후 최적의 노즐을 찾고 3구 노즐에 대한 운전인자의 영향에 대해여 고찰하였다.
- 본 연구는 플라즈마 반응기의 성능을 향상시키기 위한 기초 연구로서 산화제의 용존 농도를 측정하지 않고 안개 발생을 위한 3구 노즐에 공기와 물을 같이 유입시켜 분출하였을 때의 용존 성능을 측정이 간편한 KLa를 측정하여 간접적으로 평가하여 다음의 결과를 얻었다.
제안 방법
- 8 L/min이하에서는 액체가 순환하지 않았다. 3구 노즐은 공기와 물이 동시에 노즐로 유입되는데, 물이나 공기가 배출되지 않는 현상이 발생하여 액체순환 유량과 공기공급 유량을 변화시켜 물과 공기가 배출되는 현상을 관찰하였다. 관찰한 결과 어느 한 쪽의 유량이나 압력이 높고 어느 한 쪽의 유량이나 압력이 낮을 경우 다른 쪽의 유체가 노즐로 유입되지 못하여 공기나 물 단독 흐름밖에 발생하지 않는 것으로 판단되었다.
- 물이 미세하게 분무되기 때문에 가스를 공급하면 기-액 접촉이 높아 KLa 값이 증가될 것으로 예상하여 공기와 물을 같이 공급하여 노즐 내에서 혼합시켜 수중에 배출시켰다. 3구 노즐이 플라즈마 반응에서 발생하는 가스의 용존율 상승에 적용 가능한지 평가하기 위하여 일반적인 수중 플라즈마 공정에서 이용하는 산기관을 이용한 KLa 값을 비교하였다.
- 본 연구는 플라즈마 가스의 용존율을 높여 처리성능을 증가시키기 위하여 이젝터 유형의 기-액 혼합장치를 이용하여 가스의 용존율 향상을 꾀하였으나 효과가 크지 않아 다른 형태의 기-액 혼합 장치를 이용하고 용존율을 향상시키고자 하였다. 다양한 형태의 노즐을 이용하여 플라즈마 가스와 물의 혼합에 의한 산화제 용존 성능을 총괄 산소전달계수 측정이라는 간접적 방법으로 평가한 후 최적의 노즐을 찾고 3구 노즐에 대한 운전인자의 영향에 대해여 고찰하였다.
- 반응기 하부에 설치된 DO probe를 통하여 DO meter(WTW, multi-3410)에서 용존산소 농도를 측정하여 KLa를 계산하였다. KLa는 식 1과 같이 계산하였다.
- 즉, 수중에서 산소를 없앤 상태에서 공기를 산기시킬 때 산소의 용존율이 높으면, 총괄 산소전달계수가 높다. 수중에서 플라즈마 가스가 용존되어 산화제 농도가 증가하는 현상이 용존산소의 용존과 유사하다고 판단되어 산기관과 노즐과 같은 다른 용존 기구의 총괄 산소전달계수를 비교하여 산소의 용존율 향상을 비교하였다.
- 온도 변화에 따라 포화용존산소 농도가 변하기 때문에 온도를 일정하게 유지하기 위해 임의로 수온 18°C를 기준으로 잡고 항온수조를 이용하여 반응기 속의 수온을 18°C로 일정하게 유지하였다. 실험을 실시하기 전 질소 가스통에서 산기관을 이용하여 질소를 산기시켜 수중의 용존산소 농도를 0.3 mg/L까지 감소시킨 후 공기펌프와 로타미터를 이용하여 일정 유량의 공기를 노즐 앞의 Y자형 분기관 한 쪽 측면에 유입시켰다. 액체순환은 반응기 내의 물을 diaphgram 펌프(Shurflo, 2088-592-094)를 이용하여 Y자형 분기관 다른 측면에 유입시켜 공기와 혼합된 물이 3구 노즐이나 다른 노즐로 유입된 후 기-액 혼합 유체가 외부로 분출되도록 하였다.
- 3 mg/L까지 감소시킨 후 공기펌프와 로타미터를 이용하여 일정 유량의 공기를 노즐 앞의 Y자형 분기관 한 쪽 측면에 유입시켰다. 액체순환은 반응기 내의 물을 diaphgram 펌프(Shurflo, 2088-592-094)를 이용하여 Y자형 분기관 다른 측면에 유입시켜 공기와 혼합된 물이 3구 노즐이나 다른 노즐로 유입된 후 기-액 혼합 유체가 외부로 분출되도록 하였다.
- 온도 변화에 따라 포화용존산소 농도가 변하기 때문에 온도를 일정하게 유지하기 위해 임의로 수온 18°C를 기준으로 잡고 항온수조를 이용하여 반응기 속의 수온을 18°C로 일정하게 유지하였다.
- 플라즈마 반응에서 생성되어 수처리에 이용되는 산화제는 수중에 용존되는 산화제인데, 이를 평가하기 위해서는 용존되는 산화제 농도를 직접 측정하여 평가하여야 한다. 이를 위해 시간과 경비가 많이 소요되는 수중에서 산화제의 용존 농도를 측정하는 대신 새로운 방법으로 실시간 측정이 가능하고 간단한 수중 용존 산소의 총괄 산소전달계수를 측정하여 간접적으로 평가하였다. 즉, 수중에서 산소를 없앤 상태에서 공기를 산기시킬 때 산소의 용존율이 높으면, 총괄 산소전달계수가 높다.
대상 데이터
- 3구 노즐과 다른 종류의 노즐의 성능을 비교하기 위하여 총 4종류의 노즐[3구 노즐(분출 직경 1 mm이하), 원형 노즐(내경 1.5 mm, 3 mm), 타원형 노즐(단 직경 1 mm, 장 직경 2.5 mm)]에서 노즐 종류별 KLa 값을 Fig. 4에 나타내었다. 이때 각 노즐에 공급되는 공기공급 유량은 1 L/min, 액체공급 유량은 1.
성능/효과
- 1) 기존 플라즈마 반응에서 발생한 플라즈마 가스의 수중 배출을 위한 일반 산기관의 KLa값은 0.18 1/min로 나타났고 같은 실험 조건에서 안개 3구 노즐을 이용한 경우 KLa 값은 0.48 1/min으로 나타나 2.67배가 더 높은 것으로 나타났다.
- 2) 노즐 종류별 KLa 값의 순서는 안개 3구 노즐 (내경 1 mm이하) > 원형 노즐(내경 1.5 mm) > 타원형 노즐(단 직경 1 mm, 장 직경 2.5 mm) > 원형 노즐(내경 3 mm)로 나타났다.
- 3) 3구 노즐과 일반 산기관의 위치를 수면 아래로 내릴수록 KLa 값은 증가하여 반응기 바닥 층인 -13 cm 지점에서 가장 높은 KLa 값을 나타내었으며, 두 경우 모두 수면 아래 깊이에 따른 KLa 값의 경향은 직선관계를 나타내었다.
- 3구 노즐을 이용한 기-액 혼합장치가 기존 산기관보다 산소의 용존 농도가 2.67배 높아졌기 때문에 플라즈마 반응에서 발생하는 산화제는 기존 산기관을 이용한 가스 배출장치보다 산화제의 용존에 효과적일 것이라고 판단되었다.
- 5 mm) > 원형 노즐 3 mm(ID-3 mm)로 나타났다. 3구 노즐의 KLa 값이 가장 높게 나타났으며, 공기와 물의 혼합 유체가 최종 배출되는 구멍이 적을수록 KLa 값이 높은 것으로 나타났다. 이런 경향은 지름이 1.
- 4) 액체순환 유량이 1.7 L/min에서 최대 KLa 값인 0.510 1/min에 도달된 후 2.0 L/min에서는 KLa 값이 0.390 1/min로 낮아져 최적 액체순환 유량이 존재하였다.
- 5) 최적 액체순환 유량에서 공기공급 유량이 증가함에 따라 선형적으로 증가하였다. 공기공급 유량의 증가에 따른 KLa 값은 지수형태로 나타났으며, 액체순환 유량과는 다르게 최적 공기공급 유량은 나타나지 않았다.
- 5) 최적 액체순환 유량에서 공기공급 유량이 증가함에 따라 선형적으로 증가하였다. 공기공급 유량의 증가에 따른 KLa 값은 지수형태로 나타났으며, 액체순환 유량과는 다르게 최적 공기공급 유량은 나타나지 않았다.
- 3구 노즐은 공기와 물이 동시에 노즐로 유입되는데, 물이나 공기가 배출되지 않는 현상이 발생하여 액체순환 유량과 공기공급 유량을 변화시켜 물과 공기가 배출되는 현상을 관찰하였다. 관찰한 결과 어느 한 쪽의 유량이나 압력이 높고 어느 한 쪽의 유량이나 압력이 낮을 경우 다른 쪽의 유체가 노즐로 유입되지 못하여 공기나 물 단독 흐름밖에 발생하지 않는 것으로 판단되었다. 공기 공급 유량이 1 L/min인 조건에서는 액체순환 유량이 0.
- 액체순환 유량이 2 L/min인 경우 공기공급 유량과의 비가 2배로 높아 다량이 물이 노즐에서 공기와 빨리 접촉하지만 공기 중의 산소가 미처 용존되기 전에 빠르게 노즐을 통과할 수 있다. 또한 노즐에서 배출되는 공기 기포는 서서히 상승하는 것이 산소의 용존에 도움이 되지만 물의 유속으로 인해 대기 중으로 빠르게 상승하기 때문에 액체순환 유량이 오히려 산소의 용존에 방해를 하고 이로 인해 최적의 액체순환 유량이 존재하는 것으로 판단되었다. 최적의 공기공급 유량과 액체순환 유량에 대한 최적 비율은 향후 정밀하게 결정하여야할 것으로 판단되었다.
- KLa 값에 대한 액체순환 유량과 공기공급 유량의 경향이 다른 것은 액체순환 유량은 KLa 값을 높이는 직접적인 인자는 아니며 공기 중의 산소가 물에 잘 용존되게 하고, 물의 흐름을 유발하는 보조적인 역할을 한다. 반면 공급되는 공기 중의 산소가 물에 용존되기 때문에 공기공급 유량이 증가하면 KLa 값이 증가에 직접 영향을 미치며, 공기공급 유량에 따른 KLa 증가는 직선보다는 직선에 가까운 지수 형태로 나타났다.
- 9738으로 나타났다. 반응기 깊이의 한계 때문에 -13 cm이하에서는 실험이 이루어지지 않았으며 플라즈마 반응기의 설계시 플라즈마 반응기를 좁게 하여 가스 배출장치의 위치를 낮게 하는 것이 유리하다고 판단되었다.
- 일반 산기관을 이용하는 경우 플라즈마 반응에서 생성되는 산화제 농도에 대한 최적 가스 공급량은 액체와 가스를 동시에 공급하는 본 연구에서는 나타나지 않았다. 본 연구에서는 공기를 공급 가스로 이용하는 경우의 최적 공기공급 유량인 4 L/min(Park과 Kim, 2011) 보다 낮은 3.5 L/min에서 공기가 공급되었고, 3구 노즐 내부에서 강제적으로 물과 혼합되고 미세한 3구 노즐을 통해 배출되기 때문에 산소의 용존율이 높아, KLa 값이 높으며, 일반적인 산기관을 이용한 플라즈마 가스의 용존에서 발생되는 현상과는 다른 현상이 나타난다고 판단되었다. 최적 공기 공급량에 대한 실험은 향후 본 연구에서 실험한 장치보다 좀 더 많은 유량을 공급할 수 있는 액체순환 펌프와 공기공급 펌프를 이용하여 실험하여야 할 것으로 판단되었다.
- 액체순환 유량 1.7 L/min에서 최대 KLa 값을 얻을 수 있는 최적 공기공급 유량은 3.5 L/min으로 나타났다. 최대 공기공급 유량 대 액체순환 유량은 본 실험조건에서는 대략 2 : 1인 것으로 나타났다.
- 5 L/min으로 나타났다. 최대 공기공급 유량 대 액체순환 유량은 본 실험조건에서는 대략 2 : 1인 것으로 나타났다. KLa 값에 대한 액체순환 유량과 공기공급 유량의 경향이 다른 것은 액체순환 유량은 KLa 값을 높이는 직접적인 인자는 아니며 공기 중의 산소가 물에 잘 용존되게 하고, 물의 흐름을 유발하는 보조적인 역할을 한다.
후속연구
- 5 L/min에서 공기가 공급되었고, 3구 노즐 내부에서 강제적으로 물과 혼합되고 미세한 3구 노즐을 통해 배출되기 때문에 산소의 용존율이 높아, KLa 값이 높으며, 일반적인 산기관을 이용한 플라즈마 가스의 용존에서 발생되는 현상과는 다른 현상이 나타난다고 판단되었다. 최적 공기 공급량에 대한 실험은 향후 본 연구에서 실험한 장치보다 좀 더 많은 유량을 공급할 수 있는 액체순환 펌프와 공기공급 펌프를 이용하여 실험하여야 할 것으로 판단되었다.
- 또한 노즐에서 배출되는 공기 기포는 서서히 상승하는 것이 산소의 용존에 도움이 되지만 물의 유속으로 인해 대기 중으로 빠르게 상승하기 때문에 액체순환 유량이 오히려 산소의 용존에 방해를 하고 이로 인해 최적의 액체순환 유량이 존재하는 것으로 판단되었다. 최적의 공기공급 유량과 액체순환 유량에 대한 최적 비율은 향후 정밀하게 결정하여야할 것으로 판단되었다.
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