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J. Kor. Soc. Environ. Eng., 35(12), 929~936, 2013 Original Paper http://dx.doi.org/10.4491/ksee.2013.35.12.929 ISSN 1225-5025 DAF 공정에서공기포화장치와노즐특성별미세기포발생에미치는영향 An Effect of the Micro Bubble Formation Depending on the Saturator and the Nozzle in the Dissolved Air Flotation System 박상철 오호영 정몽규 송석용 안용희 S. C. Park H. Y. Oh M. K. Chung S. L. Song Y. H. Ahn 현대중공업기반기술연구소환경연구실 Environment Research Department, Advanced Technology Institute, Hyundai Heavy Industries Co., Ltd. (2013 년 3 월 27 일접수, 2013 년 11 월 28 일채택 ) Abstract : The saturator and injection nozzle are important facilities on the dissolved air flotation process. To increase the formation of micro bubble, it is required to improve the air dissolving performance in the saturator and keep the pressure uniform from the saturator to the nozzle. This study aimed to evaluate the performance of the saturator and the hydraulic effect of the nozzle and the pipe structure. The air volume concentration, bubble size and bubble residual time were measured in the test. The saturator, which had mounted with the spray nozzle, showed a good performance for bubble formation. Also, the characteristics of micro bubble formation were influenced by pressure uniformity and flow velocity through the orifice in the nozzle. Key Words : Dissolved air flotation (DAF), Saturator, Injection Nozzle, Air Volume Concentration, Bubble Size 요약 : DAF (Dissolved air flotation) 공정에서공기포화장치 (Saturator) 와미세기포발생노즐은미세기포형성에중요한영향을미치는장치이다. 미세기포발생효율을증가시키기위해서는공기포화장치용기안에서기 - 액접촉효율을증가시키고, 미세기포발생노즐까지이송배관내압력을일정하게유지해주어야한다. 본연구에서는공기포화장치내순환수유입분사노즐과포화수이송배관, 미세기포발생노즐에의한미세기포발생에미치는영향을공기체적법과기포크기, 기포의잔류시간측정을통해비교해보았다. 순환수유입분사노즐을설치하고, 포화수의이송배관내압력손실이발생하지않는구조, 미세기포발생노즐의통과유속을증가시킬경우미세기포발생성능이증가하였다. 주제어 : 용존공기부상법, 공기포화장치, 미세기포발생노즐, 공기체적, 기포크기 1. 서론 용존공기부상 (DAF) 공정은초기제지및광물산업에서난침전성물질의제거를위해적용된이래최근정수처리및오폐수처리, 자연수계의조류제거와해수담수화전처리공정으로광범위하게적용되고있는고형물분리기술중의하나이다. 이러한용존공기부상공정에서가장중요한요소는미세기포 (Micro bubble) 의형성이다. 미세기포를형성하는데가장밀접한영향을미치는장치로는공기포화장치 (Saturator) 와미세기포발생노즐이다. 공기포화장치는가압상태의용기안에서기-액접촉을통해공기를물에용존시키는역할을하며, 용존되는공기의양은 Henry의법칙에의해압력에비례하여용존된다. 공기포화장치는용기내충전재를통과하면서공기를용해시키는충전식과충전재없이물을분사시키는방법의비충전식으로구분된다. Haarhoff 1,2) 에의해충전식의공기포화장치의포화효율에대한많은연구가이루어졌으며, 충전식과비충전식두가지모두장치내부에기-액접촉효율을높이는것이장치의최적화를이루는가장중요한기술이다. 미세기포발생노즐은포화수를 DAF 접촉조에서분출하면서급격한압력강하를유도하여용존된공기를마이크로단 위의미세기포로형성시키는역할을한다. 효과적인미세기포발생을위해다양한노즐이개발되어왔으며, 미세기포형성에대한메커니즘에대한연구도진행되어왔으나, 3,4) 공기포화장치와배관, 노즐등이복합적으로고려되어야최적의미세기포를형성할수있기때문에현장에서공정을최적화하는작업을추가적으로수행하고있다. 이러한공기포화장치의효율과미세기포발생노즐의성능을평가하기위해발생한기포의양을측정하거나, 1) 기포의크기를측정하는방법이사용되고있다. DAF 공정에서미세기포크기는접촉조에서대략 40~80 µm 범위로알려져있으며, 5) 기포크기측정을위해서는입자계수기를이용하는방법 6,7) 과영상분석법 (Image analysis) 을통한방법 8~10) 이대표적이다. 그러나, 입자계수기를이용한방법은주로광회절 (Light diffraction) 에의한입자에대한빛의회절특성을이용하여측정되는값으로관심대상이외의물질도동시에측정이되는단점을가지고있다. 또한영상분석법은측정값의정확도가높지만, 부상하는미세기포를포착하기위한정교한장치를구성하여야하며, 분석되는입자의수가입자계수기의데이터수에비해적어정확도높은입도분포를파악하기위해서는오랜시간이소요된다. Corresponding author E-mail: goodguy@hhi.co.kr Tel: 052-203-9368 Fax: 052-202-3461

930 J. Kor. Soc. Environ. Eng. 박상철 오호영 정몽규 송석용 안용희 본연구에서는이러한 DAF 공정의주요장치인공기포화장치와미세기포발생노즐의특성에따라발생된기포의체적과기포크기, 반응조내에서의기포잔류시간측정을실시하여공기포화장치내순환수유입분사노즐과포화수이송배관, 미세기포발생노즐에의한미세기포발생에미치는영향을살펴보고자하였다. 2. Experimental Method 본실험에사용된공기포화장치는비충전식 5.7 L 용량의공기포화장치로상부순환수유입구와압력공기주입관이있으며, 하부에는포화수의배출관이부상반응조의하부에연결되어있고, 미세기포발생노즐을통해지속적으로미세기포를발생시킬수있도록실험장치를구성하였다. 공기포화장치내부에 Fig. 1과같이순환수유입구에분사노즐 ( 내경 3.2 mm) 을탈부착이가능하도록설치하여순환수분사노즐유무에따른공기포화장치의포화효율을비교하였으며, 포화수배출관중간에포화수교란장치 (Static mixer 형식, φ14 mm L250 mm) 를이용하여배관내에서교란장치의저항에따른포화수의압력손실영향을비교실험하였다 (Table 1). 미세기포발생노즐은평판에오리피스를설치한노즐을사용하였다. 2.1. 공기체적측정방법 공기체적측정법은공기포화효율을평가하는데주로사용되어온방법으로본연구에서도공기포화장치내순환수유입분사노즐과배관내교란장치의영향을평가하기 Table 1. The experimental conditions for measuring the efficiency of DAF apparatus Division Conditions Remark Case 1 - With the spray nozzle in the saturator - With the static mixer in the saturated water delivery pipe YY Case 2 Case 3 Case 4 - Without the spray nozzle in the saturator - With the static mixer in the saturated water delivery pipe - With the spray nozzle in the saturator - Without the static mixer in the saturated water delivery pipe - Without the spray nozzle in the saturator - Without the static mixer in the saturated water delivery pipe Fig. 1. The schematic illustration of the spray nozzle. NY YN NN Fig. 2. Measuring equipment of the air volume concentration. 위해위의 Fig. 2와같은공기체적측정장치를사용하였다. 1 L 용량의원통형투명아크릴로제작된측정병과상부에눈금이그어진투명튜브 ( 내경 9 mm) 를연결하고상단끝부분에밸브를설치하여가압수유입전후로개폐되도록하였다. 측정병상단측면에설치된유입관 ( 내경 1.59 mm) 으로가압수가유입되도록하였고, 유입되는가압수의유량측정을위해측정병하단에설치된유출구를통해방출되는양을메스실린더를통해측량하였다. 1 L 측정병에서미세기포생성 5분후포집된공기에의한상부눈금튜브의수위변동값 (ΔZ) 을읽어공기체적을계산하였다. 측정병의벽면에기포가부착되는것을방지하기위해측정병을좌우로흔들어가며공기를포집하였다. 실험은 3, 5, 7 bar 압력조건에서포화수 500 ml를유입시키며실험하였고, 수온은 20 ±3 범위에서실시하였다. 2.2. 기포크기측정방법본실험에서공기포화장치내순환수유입분사노즐, 배관내교란장치의영향, 미세기포발생노즐의성능확인을위해기포크기에의한평가를실시하였다. 기포크기를측정하는방법으로본연구에서는동적영상분석장치 (Dynamic image analyzer) 인독일 Sympatec GmbH 사의 QICPIC-LIXELL에의해측정되었다. 측정 Cuvette은 0.5 mm를사용하였고, 광원은 25 Hz로 30초동안측정된데이터를사용하였다. 30 초동안측정된기포의수는 3, 5, 7 bar 조건에서약 570~6,200개범위의데이터를이용하여분석되었다. 기존의영상분석법을통해서는입자의크기측정과측정된값의계산등에오랜시간이필요했던반면, 본 Journal of KSEE Vol.35, No.12 December, 2013

J. Kor. Soc. Environ. Eng. DAF 공정에서공기포화장치와노즐특성별미세기포발생에미치는영향 931 2.3. 기포의잔류시간측정방법 Fig. 3. The conceptual diagram of the EQPC. 측정장비를통해서기포의형상을영상으로시각화하면서프로그램을통해측정된데이터들을자동으로계산하여많은양의데이터를보다쉽게분석할수있었다. 측정된데이터의계산법은 EQPC (Equivalent Projection area of a Circle) 방법에의해계산된것으로, 투영된영상의면적을측정하고이측정된값을원형으로환산하여그원형의지름크기를입자의크기로판단하도록하였다. 이러한방법은기포의형태가원형이므로실제크기와가장유사한계산법이된다. 측정된입도분포도에서누적값의 50% 에해당하는크기 (X 50%) 를본연구에서의조건별미세기포의대표크기로선정하고결과정리에반영하였다. 기포크기측정실험장치는아래 Fig. 4와같이구성되었다. 공기포화장치로부터생성된포화수를원형투명아크릴반응조 (D240 mm H350 mm) 에서미세기포발생노즐을통해분출시켜기포를형성하고발생된미세기포를동적영상입도분석기 (Fig. 5) 를통해크기를측정하였다. 원형의투명아크릴반응조에서상기기포크기측정실험과동시측정하였다. 포화수유입량은 4.5 L가유입되도록하였으며, 포화수가유입되기시작한시간부터반응조수면상부 3 cm 이내에부상하는미세기포가육안으로관찰되지않는시간까지를기록하였으며, 기포가부상한거리는약 20 cm 내외였다. 본실험중생성된기포는 20~300 μm 범위로다양한크기분포를가지기때문에이론적인기포의부상속도와실험값을비교하는데어려움이있었으며, 기포들간의상호작용에의해합쳐지고, 크기가증가하는현상까지설명하는데한계가있었다. 이러한이유로발생된기포의전체적인부상특성을미세기포발생노즐조건에따라비교하고자기포의잔류시간을측정하였다. Fig. 6. The measurement of the bubble residual time. Fig. 4. Schematic diagram of the experiment. Fig. 5. Equipment (QICPIC-LIXELL, Sympatec GmbH) and the measuring view of the bubble size. 대한환경공학회지제 35 권제 12 호 2013 년 12 월

932 J. Kor. Soc. Environ. Eng. 박상철 오호영 정몽규 송석용 안용희 3. Results 3.1. 순환수유입분사노즐과배관내교란장치영향 각실험조건에따라공기체적과기포크기를측정하였다. Case 1, 2와 Case 3, 4 비교를통해순환수유입분사노즐의영향을파악할수있었으며, Case 1, 3과 Case 2, 4 비교실험을통해배관내교란장치의영향을파악할수있었다. Fig. 7과같이공기포화장치내의순환수유입분사노즐의설치유무에따라측정된공기체적이차이를보였다. 각압력조건에서순환수유입분사노즐이부착된경우평균 25~29% 의공기체적이증가함을보여주고있다. 이는비충전식의공기포화장치에서순환수유입분사노즐에의해기 -액접촉효율이증가함에따라공기포화효율이증가하기때문인것으로판단된다. Fig. 8에서는배관내교란장치를두었을경우와제거했을때의실험결과를보여주고있다. 교란장치가있는경우에는낮은압력인 3 bar의경우를제외하고 5, 7 bar 조건에서교란장치가없는경우에비해공기체적이평균 10~13% 더낮게측정되었다. 3 bar의경우에도현저한차이를보이지않으며, 이는배관의끝단에연결된미세기포발생노즐에서순간적인감압에의해미세기포가형성되는주된메 커니즘을고려해볼때배관내설치된교란장치에의해이미압력손실이발생하여공기포화장치에서보다낮아진포화수압력으로노즐에서분사되어기포발생량이줄어든것으로판단된다. 각압력조건에따른 Case 별미세기포크기를측정한결과는 Fig. 9에서설명되고있다. 압력조건에따라다소차이가있으나모두배관내교란장치를설치한경우에기포의크기가증가하는것을발견할수있었다. 다만, 3 bar 조건에서는 Case 2 경우 (X 50% = 135μm) 를제외하고대표크기 (X 50%) 93~96 μm로거의유사한기포크기결과를보이고있어교란장치에의한영향이뚜렷하게나타나지않았으나, 5 bar와 7 bar의압력조건에서는 Case 1, 2의경우에는대표크기 (X 50%) 64~74 μm로 Case 3, 4의 56~62 μm에비해큰기포를형성하는것을확인할수있었다. 위결과를살펴볼때, 공기포화장치의포화효율과미세기포의발생효율을증가시키기위해서는순환수유입분사노즐을설치하고, 배관내압력손실을유발하는구조가없는 Case 3의조건이미세기포형성에효과적임을알수있다. 특히, DAF 포화수이송배관을설계함에있어서압력손실의요인이될수있는각종밸브, 단면축소, 꺾임등의구조를가능한피하는설계가되어야할것으로판단된다. Fig. 7. The results of air volume depending on the spray nozzle in the saturator. Fig. 8. The results of air volume depending on the line mixer in the tube. Journal of KSEE Vol.35, No.12 December, 2013

J. Kor. Soc. Environ. Eng. DAF 공정에서공기포화장치와노즐특성별미세기포발생에미치는영향 933 (a) 3 bar (b) 5 bar (c) 7 bar Fig. 9. The bubble size distribution depending on the cases. (a) Case 1 (b) Case 2 (c) Case 3 (d) Case 4 Fig. 10. The bubble size distribution depending on the pressure conditions. 대한환경공학회지제 35 권제 12 호 2013 년 12 월

934 J. Kor. Soc. Environ. Eng. 박상철 오호영 정몽규 송석용 안용희 (a) 3 bar (b) 5 bar (c) 7 bar Fig. 11. The view of measuring bubble size with the dynamic image analyzer. Fig. 10에서는각각의 Case에대해압력별미세기포의크기결과를보여주고있다. 측정된미세기포의크기는 20~300 µm 범위에서측정되었으며, 측정된미세기포의대표크기 (X 50%) 는 3, 5, 7 bar의가압조건에서각 95.0, 64.3, 64.0 µm 의값을보였다. Han 11) 은 200 kpa에서 350 kpa로압력이증가시미세기포의크기는감소하다가 350 kpa 이상의압력조건에서는기포의크기변화가없는것으로보고되었다. 본연구에서는 3 bar의가압조건의경우 5, 7 bar 경우보다큰기포가발생되었고, 5, 7 bar에서는기포크기가유사한크기를보이고있는것으로일정압력이상에서기포크기는일정하다는결과를보이고있었다. Fig. 11은기포크기측정시동적영상분석기와연결 PC 내프로그램에서기포의형상과크기를분석하고있는화면이다. 3.2. 미세기포발생노즐별영향본실험은미세기포발생노즐의오리피스구경과개수를조절하여조건을변화시켰으며, 포화수유량을변화시킨후노즐을통과하는유속별기포의크기를비교하였다. 앞서평가된 Case 3( 순환수유입분사노즐설치, 배관내교란장치미부착조건 ) 의상태에서실험되었으며, 사용된노즐은 1.5 mm 직경으로 3개, 6개의오리피스를갖는노즐을사용하였고, 이때압력조건은 5 bar, 포화수유량은 3.9~5.1 L/ min로배출되도록실험하였다. 실험조건과결과는 Table 2 에나타내었다. 해당유량별노즐통과유속은 13.5, 13.2, 8.0, 6.2 m/sec Table 2. The conditions and results of the experiment Orifice 1.5 mm / 3 ea 1.5 mm / 6 ea (Diameter / holes) Flow rate 4.3 L/min 3.9 L/min 5.1 L/min 3.9 L/min Velocity through 13.5 m/sec 13.2 m/sec 8.0 m/sec 6.2 m/sec the nozzle Bubble size 52.4 µm 61.1 µm 71.0 µm 92.7 µm (X 50%) 로산정이되었고, Fig. 12에서와같이유속에대한기포크기의누적분포와대표크기 (X 50%) 에대한결과를그래프로설명하였다. 통과유속이가장높은 13.5 m/sec일때기포의대표크기는 52.4 µm로가장작은값을보였고, 유속이가장낮은 6.2 m/sec일때 92.7 µm로가장큰크기값을나타냈다. 동일한압력조건에서도노즐의통과유속에큰영향을미치는것으로본실험조건에서 60 µm 크기의기포를형성하는데에는 13 m/sec 이상의통과유속이필요한것으로판단된다. 다음으로 Table 3과같이다양한오리피스의직경과개수 Table 3. The types of orifice in the injection nozzle Orifice diameter Number of hole Orifice area (mm 2 ) 1.5 mm 3 ea / 4 ea / 6 ea 5.30 / 7.07 / 10.60 2.0 mm 3 ea 9.42 2.5 mm 3 ea / 4 ea 14.72 / 19.63 3.0 mm 3 ea 21.20 Fig. 12. The bubble size depending on the velocity through the nozzle. Journal of KSEE Vol.35, No.12 December, 2013

J. Kor. Soc. Environ. Eng. DAF 공정에서공기포화장치와노즐특성별미세기포발생에미치는영향 935 (a) Bubble size (X 50%) (b) Bubble residual time Fig. 13. The bubble size and residual time depending on the velocity through the nozzle 를변화시키며오리피스를통과하는유속에따른미세기포의크기와반응조내기포의잔류시간을살펴보았다. 5 bar 압력에서 3.5~4.8 L/min의유량조건에서실험을실시하였으며, 결과는 Fig. 13에서설명하고있다. 실험결과노즐의오리피스를통과하는유속이 2.7 m/sec 에서 14.3 m/sec로증가할수록기포의크기는감소하였으며, 반응조내기포의잔류시간은 35 sec에서 62 sec까지점차증가하는경향을보이고있다. 기포의부상속도는기포의크기에크게영향을받기때문에기포의크기가작을수록부상속도는낮아지며, 같은공기체적을가지고있을때작은기포일수록기포의수도증가하게되므로기포가반응조에잔류하는시간역시증가하는경향을보이게된다. 이러한기포의잔류시간을이론적인부상속도와비교해보았다. 일반적으로단일기포의부상속도는 Stokes 공식을이용한아래식 (1) 에의해간단히계산할수있다. 12) 2 g( ρ w ρb ) db b = (1) 12μw v v b: Bubble rise velocity (m/sec) g: Gravitational acceleration (m/sec 2 ) ρ w: Water density (kg/m 3 ) ρ b: Air bubble density (kg/m 3 ) d b: Bubble diameter (m) μ w: Water viscosity (N-sec/m 2 ) 본실험에서측정된기포의크기는 20~300 µm로위식 (1) 에의해계산해보면, 20 조건에서단일기포의경우 1.17~263.9 m/hr의부상속도로계산된다. 실험에서측정된미세기포의대표크기 (X 50%) 60~80 µm 범위에서의이론적부상속도는 10.6~18.76 m/hr의값을가진다. 기포가반응조에서잔류한시간과기포가부상한거리인 20 cm 높이를통해기포의부상속도를산출해보면 X 50% 60 µm 일때 14.3 m/hr, 80 µm인경우에는 20.63 m/hr의속도를보였다. 이론적인속도인 10.6~18.76 m/hr와비교해볼때 10~35% 속도가높은것을알수있다. 이는단일기포의부상조건이아닌집단적인기포들이부상하면서상호간에부착및결합에의해기포의부상에영향을미치게되어이론값과상이한결과를보이는것으로판단된다. 잔류시간을이용한평가는다양한크기를가지는실플랜트에서전문적인입자계수기및부상속도측정장비를구비하지않더라도미세기포의발생성능을개략적이고용이한비교방법으로적용할수있을것으로판단된다. 4. Conclusion 본연구는 DAF 공정의주요설비인공기포화장치와포화수의배관, 미세기포발생노즐이미세기포발생성능에미치는영향을알아보고자연구되었다. 연구결과를요약하면아래와같다. 공기포화장치내의순환수유입분사노즐을설치하였을경우, 분사노즐이없는경우에비해약 25~29% 의공기체적량이증가하여공기포화효율이향상됨을확인하였다. 또한공기포화장치에서포화된물이배관을지날때교란장치에의한저항에의한손실이발생하였을경우, 공기체적이 10~13% 정도감소되는것으로교란장치에의해배관에서압력감압이이뤄짐에따라미세기포형성에필요한압력차가충분히확보되지않아발생된결과로판단된다. 미세기포발생노즐의오리피스구경과개수, 배출유량을조절하여실험한결과노즐의오리피스통과유속이증가할수록발생되는기포의크기는감소하며, 13 m/sec 이상에서 60 µm 이하의크기를보였고, 반응조의기포잔류시간은 60 sec로증가하였다. 결과를바탕으로 DAF 시스템의공기포화장치내기-액접촉효율을높이는유입분사장치설치, 배관내압력손실을유발시킬수있는구조의최소화, 미세기포발생노즐의통과유속증가를가능하게하는시스템을구축함으로써 DAF 공정의미세기포발생성능을향상시킬수있을것으로판단된다. 대한환경공학회지제 35 권제 12 호 2013 년 12 월

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