마이크로파를 이용한 오일 폐수의 분리

홍주희·김덕찬

서울시립대학교 공과대학 화학공학과

The separation  of oil-wastewater using the microwave

Joo-Hee, Hong and Dok-Chan, Kim

Department of Chemical Engineering, The University of  Seoul

1. 서론

석유 제품의 생산과 이송등의 여러 공정과 가정 생활 폐수에서 안정한 에멀젼들이 발생된다. 이러한 에멀젼들은 수중으로의 공기 이동을 차단시켜 심각한 환경오염을 야기시킬뿐 아니라, 생태계를 파괴시켜 인류에게도 큰 피해를 줄 수 있다. 이러한 에멀젼을 분리하는 방법으로는 현재 화학 약품을 첨가하거나 가열하는 방법이 사용되고 있다. 즉, 알루미늄이나 폴리아민 등과 같은 여러 demuls-

ifer등은 에멀젼들을 분리하거나 gas 또는 oil-fired heater에 의하여 가열하는 방법이 이용 되어왔다. 그러나, 이러한 방법들은 처리시간이 길고 장치비와 운전 비용이 고가이어서 실제 사용하는데 어려움이 있다. 마이크로파는 화학적 첨가물을 요구하지 않으며, 또한 두껍고, 점성이 있는 에멀젼을 투과할 수 있기 때문에  다른 가열의 방법보다 마이크로파 에너지가 에멀젼에 조사될 때 oil과 물에 선택적으로 작용하여 그 분리를 촉진시키는 것으로 알려져 있다.

이에 본 연구에서는 마이크로파 가열에 의하여 에멀젼을 분리할 때 에멀젼 상내부의 밀도차이에 의한 분리를 하고자 한다.

2. 이론

에멀젼은 O/W(Oil-in-Water)형, W/O(Water-in-Oil)형, W/O/W(Water-in-Oil

-in-Water)형, O/W/O(Oil-in-Water-in-Oil)형으로 크게 구분할 수 있으며, 물질에 열이 전달되는 형태는 Fig. 1에 나타난것과 같이 열전도가열(연탄, 가스테이블 등), 열복사가열(전기오븐 등), 유전가열(전자 오븐 등)에 세 가지 볼 수 있다. 본 연구에서는 주파수 30∼0.3GHz, 파장 0.01∼1meter로 정의되는 마이크로파를 이용한 전자 오븐을 사용했는데 이는 유전 가열의 원리를 이용하는데 이 가열의 원리는 다음과 같다.

전기적으로 부도체, 즉 중성의 물질들로 구성되어있는 분자구조 자체는 Fig. 2과 같이 양극 및 음극으로 분류되어 분자의 한 쪽 끝은 양전하를 띠고 다른 한 쪽 끝은 음전하를 띠고 있는 분자 쌍극자로 되어있다. 이러한 물체에 전계를 가하면 믈체를 구성하고 있는 모든 분자들의 양전하를 띤 부분은 음극을 향하고, 음전하를 띤 부분은 양극을 향하여 정렬하게 된다.

이 때 전계의 방향이 바뀌면 앞서 정렬되어 있던 분자들은 전계의 방향을 따라 Fig. 3과 같이 회전하여 재 정렬하게 되며 이 과정에서 분자간의 마찰이 일어나 이에 따라, 열이 발생하게 된다. 따라서 전계의 방향을 연속적으로 바꾸어 주면 마찰열이 증가하여 물체의 전 부분이 가열된다. 이러한 가열방식을 유전가열이라 한다. 이러한 유전 가열의 원리를 이용한 전자 오븐으로 물질을 가열시 마그네트론이라는 초고주파 발진관에 고압전기를 가하면 2450□의 초고주파를 발생시킨다. 1초에 24억 5천만번이나 전계의 방향이 바뀌는 이 초고주파를 물질 가하면 그것을 구성하고 있는 분자들은 1초에 24억 5천만번이나 회전하게 되고 이 회전에 의한 많은 마찰열이 발생하게 되며 이 열에 의하여 가열 대상의 물질들이 안팎이 동시에 신속하게 가열된다. 이러한 마이크로파에 의하여 에멀젼이 가열될 때, 두 가지현상이 동시에 발생한다.

첫 번째 현상은 온도에 의한 점도(viscosity)의 감소에 의한 병합(colaescence)  현상이다. 그 결과로 화학적 첨가 없이도 에멀젼의 분리가 이루어진다.

Stoke's law에 의해, 만약 oil이 연속 상이라면 oil을 통한 물 입자들의 침전(settling) 속도는 다음과 같이 주어진다.

[eqn: rm v_w ~=~ {( rho_w ~-~ rho_oil )gD^2 } over {18 mu_oil }]       D ; 입자들의 지름

만약, 물이 연속상인 경우에는 물을 통한 oil입자들의 상승(rising) 속도는 다음과 같이 주어진다.

[eqn: rm v_oil ~=~ {( rho_w ~-~ rho_oil )gD^2 } over {18 mu_w }]

Oil과 물의 점도, □oil과 □w는 온도에 매우 민감하다. 온도가 상승함에 따라, 점도는 밀도차(□oil - □w)보다 더 빠르게 감소한다. 그러므로, 마이크로파의 방법ㄹ에 의한 가열은 속도(voil, 또는 vw )를 증가시키고, 결과적으로 에멀젼을 빠르게 분리시킨다.

두 번째 현상은 에멀젼의 제타 포텐샬(zeta potential)을 감소시키는 분자 회전(molecular rotation)이다. 제타 포텐샬 또는 전기 이중 층과 W/O 에멀젼에서 oil속 물입자등의 운동(movement)에 의한 병합(coalescence) 현상이다.  물 입자들은 극성을 가지고 있기 때문에 마이크로파의 전기장에 놓이게 되면 그 주파수에 따라 회전을 한다. 분자들의 회전은 마찰을 일으키게되고 이에 따라서 온도가 상승되며 또한 물 입자주변의 전기적 전하를 재 배열시켜 제타 포텐샬을 중성화시킨다. 제타 포텐샬이 유지 되지 않으면, 물 입자들은 중력에 의하여 아래로 가라앉을 것이다. 더욱이 하강 운동중 입자들 상호간의 충돌은 병합을 일으키고 입자 지름(D)의 증가는 에멀젼 분리 속도를 가속화시킨다.

3. 실험

실험장치 및 방법

마이크로파 가열 장치는 크게 single mode와 multi mode로 구분되나, 본 연구의 실험에서는 2450MHz의 multi mode형식의 가정용 마이크로파 오븐을 사용하였다. 이 실험의 흐름도를 Fig. 4 에 나타내었다.

Oil과 물의 비율을 다르게 하여, 혼합기(blender)로 정확하게 5분 동안 혼합하여 에멀젼 시료를 제조하였다.  물의 농도는 부피 비로 5.0, 30, 50%가 되게 하였다. 각 시료를 마이크로파 오븐에서 마이크로파 조사를 연속적 또는 ON/OFF방식으로 시킨 후, 약 1시간 동안 중력 침강시켰다.  마이크로파 가열 후 시료의 최종온도는 오븐으로부터 제거한 다음의 시료 온도를 측정하였다. 중력에 의한 분리가 이루어지는 동안, oil과 물층을 관찰하였다. 바닥에 침전된 물의 부피는 5∼10분마다 비이커 눈금을 읽어 측정하였다. 관찰된 물의 부피로부터, 분리되어진 물의 부피는 다음의 식으로 계산하였다.

[eqn: RM (%~ of ~water ~separation) ~=~ {(volume~ of ~ water ~layer, ~□)} over {(original ~amount ~of ~water,~□)}]

4.결과 및 토론

물을 마이크로파와 hot plate에서 가열을 한 결과 마이크로파에 의한 가열이 같은 온도에 도달할 때까지의 소요시간이 훨씬 짧았다. 이것은 마이크로파에 의한 가열이 hot plate에 의한 가열보다 온도 상승 속도가 빠름을 의미한다. 또한  물의 양이 많은 것이 온도 상승 속도가 더 느리게 나타나는 데 이는 물의 양이 많을수록 온도 상승에 필요한 마이크로파 흡수량이 많이 요구되기 때문인 것으로 판단되었다. 마이크로파로 에멀젼을 조사한 결과 에멀젼의 점도(viscosity)가 온도가 상승함에 따라 반비례적으로 낮아지는 것을 관찰할 수 있었다. 이러한 에멀젼들의 일반적 성질을 이용하여 빠른 온도 상승속도를 갖는 마이크로파를 에멀젼에 조사한 결과 에멀젼를 구성하고 있는 oil과 물의 점도(viscosity)가 온도 상승에 의하여 점점 낮아져 두 상의 밀도차가 생김으로 에멀젼의 분리가 이루어졌다.

5. 참고문헌

1. Kenneth J. Lissant : Marcel Dekker, New York, USA(1993)

2. C. S. Fang, Peter M. C. Lai, Bruce K. L. Chang and W. J. Klaila : Enviro-

nmental Process, Vol. 8, No. 4, 235-238(1989)

3. Minchung Peter Lai : College of Engineering Louisian Tech Univ(1990)

Fig.1 The heating type

Fig. 2  The molecule dipole        Fig. 3 The rearrange of molecule dipole

oil

Feed     microwave          gravity             filtration            gravity     residual

(emulsion)  irradiation          separation                              separation   emulsion

water

Fig. 4 Schematic diagram of experimental process for emulsion separation