폐수내 부유 고형물 제거에 있어서 자성 유체분리법의 효율 평가

여 평 모, 김 용 하, 서 근 학, 서 인 국*, 강 점 룡**

부경대학교 화학공학과

포항제철 기술연구소 선강연구팀*

보성기연**

Efficiency of Magnetic Fluid Separation

in the Removal of Suspended Solids from Wastewater

Pyoung-MoYeo, Yong-Ha Kim, Kuen-Hack Suh, In-Kook Suh* and  Jeam-Ryong Kang**

Department of Chemical Engineering, Pukyong National University

Iron & Steelmaking Research Team, POSCO Technical Research Lab.*

Bosyoung Technical Research**

서론

깨끗한 물을 적절하게 공급하는 것은 인간 생존 뿐아니라 동식물의 성장에도 필수 불가결한 것이다. 이를 위한 수처리 공정중 폐수내 부유 고형물 (Suspended Solids : SS)의 분리는 녹조방지, 탁도 향상과 병원균을 포함한 유해물질의 제거면에서 그 중요성이 인식되어 염색, 안료, 축산, 수산가공, 농산, 양어장등의 폐수 그리고 정수등 공공용수에 응집침강, 부상, 전기응집 그리고 여과처리 등을 실시하고 있다. 1998년부터 방출 폐수내 부유고형물의 농도가 30 ppm이하까지로 강화됨에 따라 폐수내 부유고형물의 제거 효율이 95 - 98 %까지 요구되면서 기존 설비의 효율 증대 또는 새로운 기술의 개발이 시급한 실정이다.

최근 본 연구자들은 폐수내 부유된 미세고형물과 마그네타이트와 같은 자성 미분체사이에 van der Waals 힘과 같은 응집력이 작용하여 자성 플럭이 형성되며 이와같은 자성 플럭이 폐수의 흐름과정에서 자성 분리됨을 확인하였다1,2).

본 연구에서는 이와같은 자성 유체분리 기술의 공정화와 관련하여 부유 고형물의 제거 효율에 대한 설비 용량, 자력, 삽입 원기둥 등 장치 구조와 scale-up 변수, 그리고 자성미분체로써 시약용 마그네타이트외에 제철 공정의 배가스에서 포집되는 자성 dust와 자성 철광석 분말등의 영향을 규명하고자 한다.

실험

본 실험에 사용한 자성 유체분리 장치는 Fig. 1에서 보는 바와 같이 유체분리탑, 폐수와 자성미분체의 혼합기, 슬러리 (폐수 + 자성미분체) 공급 pump, On/Off식 자석 set, 활성탄 흡착탑으로 구성되어 있다. Lab.-scale (1 톤/일)과 Bench-Scale (3 톤/일) 유체분리탑은 직경이 각각 5 cm와 8 cm이고 높이가 100 cm인 아크릴관으로 제작되어 있다. 폐수와 자성미분체의 혼합수는 교반형 slurry 탱크로부터 peristaltic pump를 경유하여 유체분리탑의 하부로 유입되어 상부로 흐르는 상향류식이며, 탁도가 높은 자성처리수는 활성탄 흡착탑을 통과 배출되도록 하였다. 상기 유체분리탑의 외벽 원주를 따라 자석이 배열되어 있는데 사용된 자석은 자석 표면의 자력이 각각 190 gauss와 1000 gauss인 약자석과 강자석 두가지를 사용하였다.  자석 set는 높이방향 약 15 cm의 간격으로  5 단이 설치되어 있으며 자석 set별 자석 수는 3 개로 서로 120 o의 각도로 배치되어 있다.   이때 유체분리탑의 중심 축에는 길이 100 cm의 아크릴제 원기둥을 삽입 설치하여 액체가 아크릴관의 안쪽과 삽입 원기둥의 바깥쪽사이를 흐르도록 유도하였다. 본 실험에서 사용한 삽입 원기둥의 직경은 1.5, 2.0, 2.5, 4.0 cm로 하였으며 이에 따른 제거효율의 변화를 삽입 원기둥을 사용하지 않은 경우와 비교 검토하였다.

폐수내 부유 고형물은 축분을 110 oC의 dry oven에서 건조하고 사용할 때마다 일정 양의 무게를 측정한 후 미분쇄하고 이를 10 - 20 □의 수도물에 분산하여 실험용 폐수로 하였다. 이때 부유 고형물의 농도는 농가에서 배출되는 축산폐수내 부유고형물의 평균농도 1300 ppm을 기준하여 440 - 1600 ppm의 범위에서, 그리고 공탑 액체유속은 0.1 - 0.5 cm/s의 범위에서 조절하였다. 자성미분체로써는  평균입도가 약 2 □m인 1급 시약용 四三酸化鐵 (藥理化學)와 POSCO 제철 공정의 배가스에서 포집되는 자성 분체 (제강 sludge, 제강 dust)와 천연산 자성 철분 (Romeral (페루산) 자철분) 등을 사용하였으며 부유 고형물에 대한 마그네타이트의 질량비 (: Magnetite/SS)는 0 - 4.0의 범위에서 조절하였다. 각 조건에서의 실험시간은 약 30분, 시료 채취는 2회로 하였으며 폐수내 고형 부유물의 농도는 Standard Method, 그리고 탁도는 turbidimeter에 의해 분석하였다.

결과 및 고찰

각 자석 set에 있어서 아크릴관의 바깥쪽 원주를 따라 3 개의 마그네트를 서로 120 o의 각도로 배치했을 때 아크릴관내의 반경방향 자력분포를 gauss meter로 측정한 결과 관의 중심부에서의 자력은 약하며, 내벽에 가까워질수록 자력이 강하게 작용하게 되어 약자석과 강자석에서 각각 최대 190 Gauss와 1000 Gauss까지 증가하였다. 이는 관 중심부를 흐르는 폐수내 자성 플럭은 이들을 관 내벽으로 끌어당기는 자력보다 폐수의 상승흐름으로 인한 유체력이 강해 자성분리가 되지 않고 배출될 수 있음을 의미한다. 따라서 자력이 상대적으로 강한 영역으로 폐수의 흐름을 유도하기 위한 방안의 하나로  아크릴관의 중심에 삽입 원기둥의 설치를 생각할 수 있다.  이때 폐수의 흐름속도를 일정하게 유지하는 경우 자성 유체분리탑내 공탑 액체유속, Ul(cm/s) 은 식 (1)에서 보는 바와 같이 삽입 원기둥의 직경에 따라 증가하게 되어 자성플럭에 가해지는 유체력도 함께 증가하게 됨을 염두에 두어야 한다.

Ul = 4×1000 Q/[60□(D12 - D22)]                     (1)

여기서, Q는 폐수의 흐름속도 (□/min), D1은  아크릴관의 내경 (cm), D2는 삽입원기둥의 직경 (cm)이다.

Figs. 2와 3은 각각 Lab.-scale과 Bench-Scale 자성 유체분리탑에서 삽입 원기둥 직경의 변화에 따른 부유 고형물의 제거효율을 나타낸 것이다. 이때 부유 고형물의 농도는 649 - 1452 ppm, 폐수의 흐름속도는 Lab.-scale과 Bench Scale 자성 유체분리탑별로 0.29 - 0.74 □/min (유속 : 0.23 - 0.92 cm/s)와 0.62 - 1.5 □/min, (유속 : 0.2 - 0.68 cm/s), Magnetite/SS의 질량비는 0.83 - 1.85, 그리고 강자성의 자석을 사용하였다. 삽입 원기둥 직경의 증가에 따른 부유 고형물의 제거 효율은 장치 규모에 따라 상이한 거동을 보이고 있다. 즉, 자성 유체분리탑의 직경이 5 cm인 Lab-scale의 경우에는 삽입 원기둥의 직경 증가에 관계없이 일정한 제거효율을 보이는데 비해 직경이 8 cm인 Bench-Scale의 경우에는 삽입 원기둥의 직경이 증가하면서 제거효율이 상승함을 알 수 있다.

이는 자성 유체분리탑이 scale-up, 즉 직경이 커지면서 원기둥 삽입의 효과가 있다는 것으로, 삽입 원기둥 직경의 증가로 폐수의 흐름이 아크릴관의 내벽에 근접, 즉 보다 자력이 높은 영역으로 유도되면서 자성 플럭에 가해지는 자력이 증가되어 자성플럭의 제거효율이 높아진다는 것이다.  한편 삽입 원기둥 직경의 증가로  폐수의 공탑 액체유속이 빨라지면서 자성 플럭에 가해지는 유체력도 증가되나 강자성 자석을 사용하는 경우 본 실험범위에서 유체력에 의한 효율 감소는 무시될 수 있음을 보이고 있다.

참고문헌

1. 김용하, 서근학, 강점룡, □폐수내 부유 고형물의 연속제거를 위한 자성 유체분     리 시스템□, 특허출원 제 48016호 (1997)

2. 여평모, 김용하, 서근학, 서인국, □자성 유체분리에 의한 폐수내 부유고형물의      제거□, 화학공학의 이론과 응용, Vol. 3, No. 2, 2933-2936 (1997)

Fig.  1. Schematic diagram of experimental apparatus

Fig. 2.  SS removal efficiency vs. superficial liquid velocity with respect to          diameter of inserted column in a Lab.-Scale Magnetic Fluid Bed.

Fig. 3.  SS removal efficiency vs. superficial liquid velocity with respect to             diameter of inserted column in a Bench-Scale Magnetic Fluid Bed.