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大韓環境工學會誌論文 - Original Paper 447~452. 2011 고분자중공사막모듈을이용한미세기포발생과이미지분석기법을이용한기포특성파악 Utilization of Image Analysis Technique for Characterization of Micro-Bubbles Generated by Polymeric Membrane Module 김준영 장인성 *, Jun-Young Kim In-Soung Chang*, 호서대학교반도체디스플레이공학과 * 호서대학교환경공학과 Department of Semiconductor and Display Engineering, Hoseo University *Department of Environmental Engineering, Hoseo University (2010 년 10 월 27 일접수, 2011 년 6 월 26 일채택 ) Abstract : In this study, the polymeric membrane module is used as a diffuser and an image analysis technique based on visual information is applied to get bubble characteristics. The bubble size generated passed through polymeric membrane module was smaller from 30 to 64% than that of air stone, and bubble volume over 70% was ranged from 0.2 to 0.82 mm. But over 80% the bubbles from air stone diffuser ranged from 0.77 to 1.08 mm. The air stone and polymeric membrane module used as diffuser for a flotation system. The floc size inside the flotation reactor using air stone diffuser was bigger than that of the polymeric membrane module, which means that the micro-bubbles generated from polymeric membrane module could provide better opportunities for collisions between colloidal particles than those from air stone diffuser. Therefore, there is a possibility to apply the polymeric membrane module as a diffuser to increase the removal efficiency in the flotation process. Also, the image analysis technique used in this study could be applied as a useful analytical tool for acquisition of an information about the bubble characteristic. Key Words : Flotation Process, Image Analysis Technique, Polymeric Membrane Module, Micro-bubble 요약 : 본연구에서는고분자중공사막모듈을산기도구로사용하여미세기포발생을도모하였고영상정보를기반으로하는이미지분석기법을적용하여발생한기포특성을파악하고자하였다. 기포의이미지분석결과, 고분자중공사막모듈을통해수중에분사된기포는산기석을통한기포보다약 30~64% 작은크기로발생되는것을관찰하였고, 기포의 70% 이상이 0.2~0.82 mm 범위에분포된반면, 산기석의경우는 0.77~1.08 mm 의범위에속한기포가 80% 이상이었다. 산기석과고분자중공사막모듈을각각기포발생장치로사용한부상조를운영하였을때반응조에잔존하는플록의크기는산기석을이용했을때가고분자중공사막모듈의경우보다더큰것으로나타났다. 이는고분자중공사막모듈에의해발생한미세기포가충돌효율의증가때문에크기가작은콜로이드입자들까지응집 / 부상할수있는기회를제공하였기때문이다. 따라서부상공정에고분자중공사막모듈을산기장치로활용하였을경우응집부상제거효율이증가할수있는가능성을보였다. 또한본연구에서사용한이미지분석기법은제공된영상정보를기반으로기포의기초특성들과관련된정보습득을위한분석도구로활용될수있을것으로판단된다. 주제어 : 부상공정, 이미지분석기법, 고분자중공사막모듈, 미세기포 1. 서론 부상분리는수중에확산되는기포에오염물질을부착혹은포집하여수면으로부상시켜분리하는공정으로조류와휴믹물질같은저밀도입자가포함된원수와상대적으로크기가작은입자상물질의분리를위해사용되는수처리공정이다. 1) 부상공정의중요한운영요소중하나는수중에확산되는기포크기를감소시켜표면적을증가시킴과동시에수많은기포들을수중에확산시켜기포와입자들간의충돌기회를증가시키는것이다. 2) 이를위해가압공기부상, 전기부상공정, 노즐부상공정, 그리고컬럼 (column) 부상공정등기존의다양한처리공법들이처리대상물질에따라적절하게적용되고있다. 3,4) 하지만, 이러한공정의효율성증대를위해서는기포크기의제어와함께낮은에너지를필요로하는공정개발과관련된연구뿐만아니라수중에확산되는기포들의특성을파악하기위한연구들도수반되어져야한다. 이는기포의크기및확산등과같은메커니즘의이해를통해운전적인측면에서좀더효율성을높일수있기때문이다. 이를위해화상분석과입자계수기 (particles counter) 등의분석기술들을활용하여필요한정보들을얻는사례가보고된바있다. 5) 또한최근들어이러한기술이외에많은연구자들이초고속카메라를이용하거나전단력측정과같은방법들을통해기포의크기나유량변화에따른빈도수측정을통해정량적인정보들을얻기도한다. 6~9) 그러나수중에서발생되는기포의불규칙한유동성과형태는기포의 Corresponding author E-mail: cis@hoseo.edu Tel: 041-540-5744 Fax: 041-540-5748

448 大韓環境工學會誌論文김준영 장인성 기초적특성인기포크기및확산분포의측정을어렵게하는단점이존재한다. 한편위에언급된기술이외에이미지분석 (image analysis) 기법을적용해볼수있다. 이는관찰하고자하는대상을현미경이나카메라를통해얻은이미지를분석프로그램을이용하여영상정보를기반으로다양한정보들을습득하는것으로상대적으로짧은시간안에원하는정보를얻을수있는장점을가지고있다. 따라서본연구에서는부상공정에서발생되는기포들의다양한특성들과관련된정보습득을위해이미지분석기법이적용되었다. 이는이미지분석프로그램을적용하여얻는영상정보들을바탕으로기포크기와개수, 그리고크기분포도등과같은정량화된수치를이용하여기포의특성을파악할수있기때문이다. 이를위해, 본연구에서는부상공정의기포발생을위해고분자중공사형분리막모듈과산기석을각각산기장치로활용하였다. 이는고분자중공사형분리막모듈이가지고있는특성을이용해기포크기변화에따라발생되는상대적인차이를비교함에있어적합하다고판단되었기때문이다. 2. 연구방법 2.1. 시료선정및플록형성실험 부상실험에사용되어진원수는충남의 S호에서채취하였으며, 대상시료의특성을 Table 1에나타내었다. 실험실로운송된시료는 GF/C 여과지로여과한후실험기간동안 4 에서저장하여사용하였다. 그리고자-테스트를이용하여시료의적절한플록크기를유도하기위해주입되는응집제농도를결정하였다. 응집실험은총 6개의 500 ml 비커에시료 300 ml와서로다른농도의응집제를주입한후급속교반 (250 rpm) 5분과 30분의완속교반 (60 rpm) 을하여다양한크기의플록을형성하게끔하였다. 형성된플록의크기및입도분포도는입도분석기 (HELOS, SYMPA-TC, Germany, 0.5~350 µm range) 를이용하여분석하였으며, 실험 Table 1. water quality of the sample in used this study ph SS (mg/l) Turbidity (NTU) Chlorophyll-a (mg/m 3 ) COD (mg/l) Conductivity (µs/cm) TDS (mg/l) 7.59 50 4.93 41.3 18.1 161.3 77.8 에사용된응집제는무기고분자응집제인폴리염화알루미늄 (PACl : Poly aluminum chloride) 이었다. 2.2. 이미지분석기법을이용한기포의기초적특성관찰 기포의기초특성들을파악하기위해이미지분석기법을적용하였다. 부상공정에서발생된기포의이미지를분석하기전에장방형반응조에표시된눈금을촬영한이미지를이용해이미지프로그램의픽셀크기를교정하였다. 이후초순수가채워진동일한반응조에기포의특성을상호비교하기위해분리막과산기석을설치하였고, 기공을통과하면서확산되는기포를동일한거리와높이에고정시킨디지털카메라를이용하여분석하고자하는이미지를취득하였다. 이미지분석을위해 Image-Pro R Plus (Image-Pro R Plus Version 4.0 for Window TM, Media Cybernetics, USA) 프로그램이사용되었으며, 이프로그램은일련의이미지처리 (Image processing) 과정을거쳐관찰하고자하는대상에프로그램에서제공하는분석도구들을활용하면, 촬영된이미지에대해다양한정보를습득할수있다. 이는촬영된이미지의정보들을컴퓨터가인식할수있는디지털형태의정보로변환시켜명도 (brightness), 대비 (contrast), 그리고감마 (γ) 계수보정등과같은이미지의명암조절과관련된기능들을적용하여일정한필터링과정후이미지의해상도를향상시켜보다더정확한정보를습득할수있게한다. Fig. 1에산기석과고분자중공사형분리막모듈을통해수중에분사된기포들이촬영된이미지에일련의이미지처리과정을적용시켜변화되는이미지를나타내었다 (Fig. 1-ii). 이러한이미지에는다양한크기를가지는기포들이존재하기때문에비슷한크기별로분류할필요가있다. 이는기포들의다양한크기분포와관련하여세분화된분포도의정량적인 (a) (b) Fig. 1. Image processing of the pictures: (a) Air stone diffuser (b) membrane module. Journal of KSEE Vol.33, No.6 June, 2011

大韓環境工學會誌論文고분자중공사막모듈을이용한미세기포발생과이미지분석기법을이용한기포특성파악 449 데이터들을얻기위함이다. 이를위해불필요한이미지들은제거하고, 측정하고자하는대상의이미지들을배경이미지에서추출하였다. 그후, 이미지들에서비슷한크기의범위에존재하는기포들을이미지분석프로그램에서제공되는적절한도구들을활용하여동일한색상별로군집화시켜 (Fig. 1-iii) 각각의군집 (Cluster) 에포한된기포의개수와기포의평균반지름, 그리고크기에따라분류된각각의군집에포함되는기포들이차지하는비율등의정보들을비교하였다. 기포의크기별군집산정은측정하고자하는기포들의각개체의중심픽셀과외곽사이의종횡비 (Aspect ratio) 를기준으로계산되었으며, 지정된군집번호 (1~5) 의증가는그군집의측정개체의크기가큰것을의미한다. 이때, 각각의산기기에서발생한기포크기의차이때문에동일한범위의선정을통한비교대신에수많은군집중각각의산기기에서차지하고있는대표적인범위를선정하여비교하였다. 2.3. 부상공정 Fig. 2는부상실험에사용된실험장치의개략도를나타낸것이며, 부상실험을위한기포발생을위해 6 L 반응조하부에각각설치된고분자중공사형분리막모듈과산기석에질소 (N 2) 실린더와유량계를연결하여공급하였다. 반응조내유량공급시고분자중공사형분리막모듈과산기석이가지고있는서로다른기공도는균일한유량공급을방해하기때문에유량계에압력게이지를연결하여운전기간동안변화되는압력수치를조절하여두반응조내의가스유속과운전압력을각각 1.5 LPM과 30 Kpa로유지하며실험을진행하였다. 실험실에서일반적으로사용되는산기석과의비교실험을위해산기기로사용된고분자중공사형분리막모듈은 0.4 µm의기공을가지는정밀여과막으로반응조내기포의균일한확산을위해 U 형태로제작되었다 (Table 2). 부상실험은자-테스트를통해농도가결정된응집제주입량을부상반응조로주입하면서 1시간동안수행하였다. 운전종료후부상된플록과반응조내부에존재하는플록의분포도를상호비교하기위하여반응조의수면과중간지점에서각각샘플링을한후, 입도분석을수행하였다. Fig. 2. Schematic diagram of experimental set-up for the air flotation. Table 2. Characteristics of membrane module used in the air flotation Material PVDF (Polyvinyldene difluoride) Type of module U-shaped Hollow fiber Nominal pore size (µm) 0.4 Effective surface area (m 2 ) 0.05 3. 결과 3.1. 이미지분석기술을이용한기포의기초특성관찰 이미지분석프로그램을이용하여기포의기본특성을파악한결과를 Fig. 1에나타내었다. 노즐로사용된산기석 (a-ii) 과고분자중공사형분리막모듈 (b-ii) 을통해분사된기포의크기나그수에서뚜렷한차이가남을시각적으로알수있다. 그러나이러한이미지로만으로는기포의특성을정량적으로파악할수없다. 따라서일련의필터링과정후기포크기별로군집시켜얻은영상정보 (iii) 를바탕으로수중에확산되는기포의특성과관련된정량적인데이터를얻었다. Table 3은각각의고분자중공사형분리막모듈과산기석을이용해발생된다양한기포들을각각비슷한크기별로군집시켜나타낸것이다. 크기가가장작은기포가속해있는군집 1을한예로볼때고분자중공사형분리막모듈 Table 3. Classification of bubble clusters passed through polymeric membrane module and air stone Polymeric membrane module Air stone Cluster Mean radius Objects Mean radius Objects mm % number % mm % number % 1 0.20 9.6 756 29.0 0.77 43.7 738 55.4 2 0.54 33.6 804 30.8 1.08 33.8 410 30.8 3 0.82 26.9 667 25.5 1.47 15.8 141 10.6 4 1.27 29.9 383 14.7 1.99 6.2 41 3.0 5-2.60 0.5 3 0.2 Total - 2,710 - - 1,333 - - Minimum size Maximum size Membrane 0.05 0.41 Air stone 1.7 3.03 대한환경공학회지제 33 권제 6 호 2011 년 6 월

450 大韓環境工學會誌論文김준영 장인성 을통해수중에분사된기포의크기는 0.2 mm이며, 산기석은이보다약 30% 큰 0.77 mm의기포크기를보였다. 그리고이크기와유사하게형성된기포의개수는각각 756과 738개이었다. 또한전체군집을기준으로이군집에포함된기포들이차지하고있는비율은고분자중공사형분리막모듈과산기석이각각 9.6% 와 43.7% 이었으며, 기포개수를기준으로계산된상대비율은각각 29% 와 55.4% 이었다. 또한고분자중공사형분리막모듈의기공을통해수중에확산된기포들의약 70% 이상이 0.2~0.82 mm의범위에분포되어있었으며, 산기석의경우이보다 64~30% 커진 0.77~1.08 mm 범위에서약 77% 를차지하였다. 이는본연구에서적용된산기기뿐만아니라부상공정에서사용되는다양한산기방법에따라발생되는기존의기포특성의이해를위해다양하게시도되었던방법들, 10~13) 즉기포크기제어와제거효율성, 그리고현상해석을위한모델링의적용등과같은방법이아닌별도의측정장치없이이미지분석기법의적용을통해제공되는다양한수치적인정보들을이용함으로써상대적으로간편한분석방법을통해정량적인해석을가능케함을보여주는것이다. 또한이미지분석프로그램의결과들을기반으로고분자중공사형분리막모듈과산기석을통해발생된기포들의전체크기분포도를 Fig. 3에나타내었다. 고분자중공사형분리막모듈과산기석의기공을통해각각발생된기포의전체크기분포는상반된경향을보이고있다. 즉고분자중 Fig. 3. Distribution of bubble size passed through membrane and air stone. Fig. 4. Average particle size of the floc in various coagulant concentration. 공사형분리막모듈의경우약 0.2~0.6 mm 크기범위에존재하는기포들의빈도수가높은반면, 산기석의경우이보다크기가큰 0.6~1 mm 범위에서높은빈도수를나타내었다. 이는이미지분석프로그램의적용을통해동일한유량과압력조건에서서로다른기공크기를가지는산기기로인해발생된기포들의크기분포도표현이가능함을보여주는것이다. 3.2. 응집-부상공정의플록분포도비교본연구는이미지분석기법을적용하여얻은기포의기본특성과관련된정보습득을기반으로상대적으로크기가작은입자들의제거를위해고분자중공사형분리막모듈을이용해기포크기를제어함으로써부상공정에서산기장치의활용가능성을알아보았다. 이를위해다양한응집제농도를시료에주입한후형성된플록의평균입도와입도분포도를원수와비교하여 Fig. 4와 5에각각나타내었다. 20 mg/l의응집제농도를제외한다른응집제농도투여시형성된플록의평균크기는원수와비교시큰편차를보이지않았다. 이는주입되는응집제의농도증가가충분히응집이되지않은다른오염물질을플록화시켜데이터상그빈도수 (Frequency) 의변화를야기할뿐, 응집된플록의크기를지속적으로더증가시키는것은아니기때문이다. 따라서부상실험에서미세플록을유도하기위한응집제농도는원수와비슷한입도분포도를보이는 40 mg/l의응집제농도를사용하였다. 결정된농도로응집제를부상조에주입하면서생성된플록의상대적인크기분포도를알아보기위해부상조의수면과중간지점에서각각샘플링하여측정된플록의평균입경을 Fig. 6에나타내었다. 산기석이노즐로적용된부상조내부플록의평균입경은고분자중공사형분리막모듈을산기기로사용한부상조의플록보다작은값을나타내었다. 이는산기석을통해분산된크기가큰기포들이작은기포를형성한고분자중공사형분리막모듈보다크기가작은플록들을효과적으로부상시키지못하였음을의미한다. 즉, 고분자중공사형분리막모듈이적용된부상반응조내부에있는플록의평균입경이상대적으로큰것은미세기공을통해분사되는표면적이큰미세기포가크기가작은플록들과의충돌기회증가로인해반응조내부에남아있는미세플록까지부상시켰기때문이다. Fig. 7은각각의부상조내부에존재하는플록크기의분포도를나타낸것이다. 그래프에서확인할수있듯이 1.8~2.6 µm 범위에서상대적인크기차이가관찰되어, Fig. 8에이범위에포함되어있는플록부피를크기별로나타내었다. 부상조내부의 1.8~2.6 µm 범위의플록입자크기를부피로나타내었을때산기석이고분자중공사형분리막모듈보다각각 1.8 µm에서약 5배, 2.2 µm에서약 1.5배그리고 2.6 µm에서는약 1.1배큰수치를보였다. 이는고분자중공사형분리막모듈보다상대적으로크기가큰기포를발 Journal of KSEE Vol.33, No.6 June, 2011

大韓環境工學會誌論文고분자중공사막모듈을이용한미세기포발생과이미지분석기법을이용한기포특성파악 451 Fig. 5. Particle size distribution at various coagulant concentration. Fig. 6. Average size of the floc in the air flotation. Fig. 8. The floc volume of the inside of the reactor through membrane and air stone at air flotation. Fig. 7. Floc distribution to the inside of the reactor through membrane and air stone. 생시킨산기석이미세한플록을부상시키기에는적합하지않다는것을의미한다. 즉, 부상공정에서수중에분사되는기포의개수증가와미세화된기포들과플록들의충돌기회를증가시키는것이부상공정의핵심 14) 이라고볼때, 미세기공과다공도를가지는고분자중공사형분리막모듈이표면적이나개수가증가된미세기포들의수중확산이플록과의충돌기회증가를제공함으로써반응조내부의작은플록까지플로오트를형성하게끔하여표면까지부상시킬수있음을의미한다. 대한환경공학회지제 33 권제 6 호 2011 년 6 월

452 大韓環境工學會誌論文김준영 장인성 4. 결론 부상공정에서크기가작은미세기포를발생시키기위해고분자중공사형분리막모듈을산기장치로사용하였다. 이때, 발생되는기포의기본특성에대한정보들은영상정보를기반으로하는이미지분석기법의적용을통해습득하였다. 기포의이미지분석결과고분자중공사형분리막모듈의기공을통과해발생된기포들의크기는산기석의경우보다약 30~64% 감소된 0.2~0.82 mm 범위에 70% 이상이분포하였다. 반면산기석은고분자중공사형분리막모듈보다 0.77~1.08 mm 범위에형성된기포가 70% 이상이었다. 산기석과고분자중공사형분리막모듈을각각기포발생장치로사용한부상조내부에있는 1.8~2.6 µm 범위의플록입자크기를부피로나타내어비교하였을때산기석이고분자중공사형분리막모듈보다 1.8 µm에서약 5배, 2.2 µm에서약 1.5배, 그리고 2.6 µm에서는약 1.1배큰것을확인하였다. 이는부상공정에고분자중공사형분리막모듈을산기장치로적용하였을경우크기가작은입자들의제거효율성을증대시킬수있는가능성을의미한다. 결론적으로본연구에서활용한영상정보를기반으로한이미지분석기법은기포의기본특성들과관련된정보습득을위해유용한분석도구로활용될수있을것이다. 또한, 부상공정의효율성을높이기위한대안으로분리막의적용을고려해볼때분리막의장점인미세기공과다공도는미세기포의발생을최대화시켜효율성증대를도모할수있음을보여주었으며, 이미지분석기법을기반으로기포와관련된다양한정보의습득을토대로에너지효율성과관련시킨다면향후응집부상공정의기초자료로써활용가능할것으로사료된다. 사사 이논문은 2009년도호서대학교의재원으로학술연구비지원을받아수행된연구 (2009-0140) 임을밝힙니다. 참고문헌 1. 이창한, 안대명, 김성수, 조석호, 안갑환, DAF 펌프를이용한실규모용존공기부상공정의전처리조건, 대한환경공학회지, 31(1), 58~63(2009). 2. 박용호, 한무영, DAF 에서기포크기의영향, 상하수도학회지, 17(4), 528~533(2003). 3. 한무영, 김충일, 박성원, 김하룡, 이관우, 유해운, DAF 에서맞춤형기포크기제조장치의개발과응용, 한국수처리학회지, 15(2), 13~23(2007). 4. Han, M. Y., Kim, M. K. and Ahn, H. J., Effects of surface sharge, micro-bubble size and particle size on removal efficiency of electro-flotation, Water Sci. Technol., 53(7), 127~ 132(2006). 5. 한무영, 김충일, 박성원, 플록과기포의크기가 DAF 공정의효율에미치는영향, 한국수처리학회지, 15(1), 11~16 (2007). 6. Lu, Y., Ding, Z., Liu, L., Wang, Z. and Ma, R., The influence of bubble characteristics on the performance of submerged hollow fiber membrane module used in microfiltration, Sep. & Purif. Technol., 61, 89~95(2008). 7. Drews, A., Prieske, H., Meyer, E. L., Senger, G. and Kraume, G. M., Advantageous and detrimental effects of air sparging in membrane filtration: Bubble movement, exterted shear and particle classification, Desalination, 250, 1083~ 1086(2010). 8. Yamanoi, I. and Kageyama, K., Evaluation of bubble flow properties between flat sheet membranes in membrane bioreactor, J. Membr. Sci., 360, 102~108(2010). 9. Liu, N., Zhang, Q., Chin, G. L., Ong, E. H., Lou, J., Kang, C. W., Liu, W. and Jordan, E., Experimental investigation of hydrodynamic behavior in a real membrane bio-reactor unit, J. Membr. Sci., 353, 122~134(2010). 10. Zhang, K., Cui, Z. and Robert, W. F., Effect of bubble size and frequency on mass transfer in flat sheet MBR, J. Membr. Sci., 332, 30~37(2009). 11. Rodrigues, R. T. and Rubio, J., New basis for measuring the size distribution of bubbles, Minerals Eng., 16(8), 757~ 765(2003). 12. French, K., Guest, R. K., Finch, G. R. and Haas, C. N., Correlating cryptosporidium removal using dissolved air flotation in water treatment, Water Res., 34(16), 4116~ 4119(2000). 13. Dupre, V., Ponasse, M., Aurelle, Y. and Secq, A., Bubble formation by water release in nozzles-i. Mechanisms, Water Res., 32(8), 2491~2497(1998). 14. Ponasse, M, V. Dupre, V, Aurelle, Y, and Secq, A, Bubble formation by water release in nozzles-ii. Influence of various parameters on bubble size, Water Res., 32(8), 2498~2506 (1998). Journal of KSEE Vol.33, No.6 June, 2011