초미세 기포 크기의 연구

제 1부 분쇄 공기 발생기에 의한 기포 생산 및 측정

김재헌, 송병수, 안용복, 성동진

영남대학교 공과대학 화학공학 및 공업화학부

Studies on Ultra-fine Bubble Size

Part 1. Production by Grinded-Air Bubble Generator and Measurements

Jae-Heon Kim, Byeung-Soo Song, Yong-Bok An, Dong-Jin Sung

School of Chem. Eng. and Tech., Yeungnam Univ.

서론

기포의 발생은 2개의 산업 프로세스, 즉 부유 선별 공정 및 기포 반응탑에서 아주 중요한 역할을 한다. 부유 선별 분야는 폐수 처리공정 뿐만 아니라 박테리아, 석탄, 점토, 유리, 플라스틱, 과일 쥬스 등의 생산 및 처리 공정에서 주로 쓰이고 있다. 한편 기포 반응기는 수소화, 산화, 염소화, 알칼리화 등과 같은 화학 산업에서 사용되어지고 있다. 특히 기포 반응기 및 부유 선별 공정은 기포의 특성이 주요 공정 변수인데, 이 중에서도 기포의 크기는 이들 공정의 효율을 좌우하는 제 1 요소이다.

기존의 기포 발생 장치에는 3종류가 있다. 가장 널리 사용되는 장치로 반응기 하부에 sintered glass나 perforated rubber를 이용하여 기포를 발생시키는 내부 기포 발생 장치(internal sparger)와 기체와 액체를 반응기의 외부에서 접촉시켜 생성된 기포를 반응기로 보내는 외부 기포 발생 장치(external sparger)가 있다. 이들 공기분산법(dispersed-air method)은 0.5∼2.0□ 크기의 기포를 발생시킨다. 공기를 고압하에서 물에 용해한 후 분사하여 기포를 생성하는 방법(dissolved- air method)은 120□ 이하의 작은 기포를 발생시키지만 물에 대한 공기 용해도의 극한점으로 인해 기포 생산량이 위의 공기 분산법에 비해 상당히 적다. 물의 전기 분해법은 40□ 정도의 수소 및 산소 기포를 발생시킨다. 하지만 물을 전기 분해해야 하기 때문에 공정비 및 설치비가 크다는 단점을 가지고 있다.

본 연구에서 기존의 기포 발생 장치의 단점을 고려하여 기포의 크기가 작고, 균일하며, 공정비가  낮은 교반 분쇄밀을 이용한 미세기포 생성장치(Grinded-Air Bubble Generator)를 개발하였다. 여기서 발생된 기포 크기를 입도분포식 중의 하나인 Rosin-Rammler equation에 대입하여 기포 입도분포를 예측하였다. 이 식은 log-log scale에서 1차식으로 본 데이터에 적용시킨 결과 1차식에 비해 2차식에 더욱 잘 적용되는 것을 발견했으며, 2차식에 대한 Rosin-Rammler equation의 model을 개발하였다.

실험 장치 및 방법

본 연구에서 개발된 Grinded-Air Bubble Generator는 그림 1과 같이 제작하였다. Grinded-Air Bubble Generator의 기포 발생기는 교반 분쇄기의 원리를 이용한 것으로 교반기 안에 글라스 비드(직경 2.5 혹은4.0□)를 충전하고 압축 공기와 기포 촉진제가 발생기의 외부에서 교반기 하부에서 혼합되고,  교반기 내에서는 글라스 비드의 마찰로 인해 기포가 분쇄되어 작은 기포를 생성한다. 생성된 작은 기포는 column안으로 투입되어 상승하게 된다. Column상에 분포된 기포는 마이크로 렌즈가 부착된 카메라를 사용하여 상승하는 기포를 촬영하였다. 이렇게 촬영된 기포 이미지들은 자동 화상분석 장치(Image Analyzer)를 사용하여 입도분포를 측정하였다. 최소한 200개 이상의 기포를 측정하였으며, 입도 분포의 결과를 Rosin-Rammler식에 적용하였다.

Fig 1.  Grinded-Air Bubble Generator

실험결과 및 토론

본 실험은 Grinded-Air Bubble Generator를 이용하여 공기의 양, 글라스 비드의 크기(2.5 or 4.0□), 교반기의 회전속도(0∼500 rpm), 그리고 기포촉진제의 농도(0.003∼0.1%)에 따른 기포의 입도분포를 측정하였다. 그림 2는 글라스 비드의 직경이 2.5□와 교반기의 회전속도가 500 rpm에서 각각의 기포촉진제의 변화에 따른 Grinded-Air Bubble Generator를 통해 나온 기포의 입도분포를 나타낸 결과이다. 모든 기포 촉진제의 첨가량에 관계없이 기포 크기의 최빈수(median)가 150□ 이하에 위치하고 있음을 볼 수 있고, 그 기포 분포의 범위가 기포 촉진제량 0.003%를 제외하면 아주 좁다는 것을 발견할 수 있다. 특히 기포촉진제의 첨가량이 0.1%인 경우는 100□ 크기의 아주 균일한 기포를 생성함을 찾아볼 수 있다.

기포의 입도 분포를 Rosin-Rammler식에 적용한 결과를 그림 3에 나타내었다.

Rosin-Rammler식은 다음과 같다.

[eqn: rm ln(ln 100overR )~=~상수~+~n~lnx]   ·············(1)

여기서

R ; 기포의 누적분율, %

x ; 기포의 크기, □

그림 3에서 보는 바와같이 모든 데이터 점을 지나는 직선을 그어 Rosin-Rammler식의 상수 및 n값을 구하는데는 부적절함을 발견하였다. 이를 log-log scale에서 2차식(식(2))으로 Fitting한 결과를 그림 4에 나타내었는데 모든 실험 값이 2차 모델식에 잘 적용됨을 볼 수 있다.

[eqn: rm ln(ln 100overR )~=~a(lnx)^2~ +~b(lnx)~+~c]  ·········(2)

결론

기포 입자를 초미세 크기 (100□)로 감소시키기 위하여 교반 분쇄기의 원리를 이용한 새로운 기포 생성 장치를 개발하였다. Grinded-Air Bubble Generator에서 생성된 기포는 좁은 입도 분포와 100□ 전후의 크기를 발생하였으며, Dispersed-Air Method와 상응하는 공기량을 포함하고 있어 기존의 기포 발생 장치의 문제점들을 해결 할 수 있었다. 또한 기포의 입도 분포를 나타내는 식은 Rosin-Rammler식에 기초를 둔 2차식에 잘 적용되었음을 발견하였다.

참고문헌

1. 강석호, □분체공학□, 희중당, 83-84 (1995)

2. Finch, J. A. and G. S. Dobby, "Column Flotation", Pergamon Press, Oxford    (1990)

3. S. K. Biswal, P.S. R. Reddy and S. K. Bhaumik, "Bubble Size Distribution    in a Flotation Column", Can. J. Chem. Eng. 72, 148-152 (1994)

Fig 2.  Bubble Size Distribution by Different Frother Concentration

Fig 3.  Result on the Rosin-Rammler Eqn. at the 0.1% frother

Fig 4.  Result on the 2nd order Eqn. at the 0.1% frother