폐수처리용 포기조에서 산소전달속도에 대한 교반효과

백현창, 이은덕, 김근범, 박영성

대전대학교 환경공학과

Agitation Effect on Oxygen Transfer Rate in Aeration Reactor for Treatment of Waste Water

Hyun Chang Baek, Eun Duk Lee, Geun Bum Kim, Yeong Seong Park

Department of Environmental Engineering, Taejon University

1. 서론

공기 또는 산소를 이용한 포기기술이 적용되고 있는 분야를 보면, 습식배연탈황공정에서 발생된 폐슬러리의 산화처리를 비롯한 생물학적 폐수처리공정과 미생물 배양공정, 석유화학공정, 발효공업, 촉매를 이용한 삼상공정 등에서 다양하게 응용되고 있다. 이러한 공정에서 기-액간의 물질전달속도는 전체공정의 효율성을 좌우하는 율속단계인 경우가 많으므로 장치설계에 매우 중요한 인자가 되고, 폐슬러리 산화처리에 대한 前 연구에서도 확인되었기 때문에 물질전달특성에 대한 구체적인 연구를 통한 각 공정의 운전과 설계에 필요한 기초적인 자료의 확보가 요구되고 있다.

포기조에서 기포의 크기, 체류량 및 기-액간의 혼합(교반)과 접촉효과 등이 기-액간의 물질전달속도에 중요한 영향을 미치는 요소로 알려져 있으며, 물질전달속도에 영향을 주는 이러한 인자들에 변화를 주어 총괄물질전달계수를 증가시키기 위한 방안들로 기포분쇄물질첨가, 액상교반 및 반응기 구조개선 등 여러 가지 기술들이 국내□외에서 활발히 연구되고 있다. 특히 액상교반 기술은 기포의 크기를 미세하게 분쇄시켜 기-액 접촉면적을 증가시킬 뿐만 아니라 액상의 유동화로 인하여 기-액 접촉효과도 증가시켜 주는 것으로 알려져 있기 때문에 다양한 액상교반 기술의 연구를 통하여 효율적으로 적용이 가능한 기술을 모색하는 것은 매우 의미 있는 연구가 될 것으로 보인다.

따라서 본 연구에서는 포기조 공정의 최적 운전조건과 설계자료를 도출하고자 공기공급량, 교반속도, 액상온도 등의 실험변수에 따른 다양한 액상교반 기술의 산소전달속도에 미치는 영향을 고찰하고 이들 실험변수에 따른 총괄물질전달계수에 대한 상관식을 도출하고자 하였다.

2. 이론적 고찰

기체전달의 메카니즘은 Lewis와 Whitman에 의해 제안된 이중막 이론(two-film theory)으로 설명될 수 있다. 이 이론은 기체-액체의 경계면에 두 개의 막이 존재한다는 물리학적 모델에 근거를 두고 있으며, 액체막의 저항이 산소전달율을 제한한다고 가정한 난류 조건하에서 가스상으로부터 액체상으로의 산소의 전달은 총괄 물질전달계수 [eqn: K_L a]와 산소 부족량의 함수이며, 이를 식으로 표시하면 다음과 같다.

[eqn: {dC over dt} ~ = ~ K_L a (C_S ~ - ~ C)]                        (1)

적분을 하면

[eqn: K_L a ~ = ~ {ln [(C_S ~-~C_1 ) /(C_S ~ - ~ C_2 )]} over {t_2 ~ - ~ t_1 }]         (2)

여기서

[eqn: C] : 시간 t에서의 DO 농도

[eqn: K_L a] : 총괄물질전달계수, T-1

[eqn: C_S] : 표준 온도, 압력, 염도에서의 수중 포화 DO 농도

[eqn: C_1] : 시간 [eqn: t_1]에서의 DO 농도

[eqn: C_2] : 시간 [eqn: t_2]에서의 DO 농도

총괄 물질 전달 계수([eqn: K_L a])는 Fig. 1에서 보듯이, 먼저 포기조내에 질소가스를 불어넣어 용존산소를 제거한 다음 용존산소의 초기농도([eqn: C_o])를 측정한 후, 다시 공기를 포기조내에 일정시간 불어넣어서 시간에 따른 용존산소농도([eqn: C_t])를 측정한 다음에 (2)식을 이용해서 용존산소 농도와 시간과의 관계를 linear regression함으로써 얻을 수 있다.

3. 실험 장치 및 방법

본 실험에 사용된 실험장치는 Fig. 1과 같이, 포기조, 공기 및 질소 주입부,  용존산소(Dissolved Oxygen) 측정기, 교반기로 구성되었다. 포기조는 직사각형 형태의 아크릴 재질에 유효용량이 3□이고, 밑부분의 dead space를 없애고 기-액 접촉이 용이하도록 제작되었으며, 포기조의 하부에는 다공성 확산석이 배치되었다. 또한 포기조내의 액상온도를 일정하게 유지하기 위하여 포기조는 항온수조안에 위치하였다. 액상으로는 증류수가 사용되었고, 질소가스에 의해 포기조내의 액상산소농도를 0.1 mg/□이하로 떨어지도록 purge되었으며, 공기는 air pump에서 공급되어 air flow meter에서 공급량이 조절되어 포기조의 하부에 설치된 다공성 확산석에 의해서 액상에 불어넣었다. 용존산소 측정기는 YSI사의 model 58이 사용되었고, 액상의 수면에서 아래로 2.5cm 지점에서 설치되어 시간에 따른 용존산소농도를 측정하였다. 교반기는 3개의 blade로 제작된 직경 4.2cm의 임펠러를 포기조의 밑바닥에서 위로 5cm 지점에서부터 4cm간격으로 설치하여 임펠러의 위치 및 갯수에 변화를 주었으며, 교반속도는 최대 3000rpm 까지 조절할 수 있다.

본 실험에서의 주요 실험인자와 조건은 공기공급량 0.5 ∼ 3.0□/min, 교반속도 0 ∼1000rpm이고, 액상온도는 20 ∼ 40 ℃이다

4. 실험 결과 및 고찰

Fig. 2는 공기공급량을 변화시키면서 포기조내에 설치된 임펠러의 수에 따른 총괄물질전달계수의 변화를 나타낸 것이며, 교반속도는 250rpm이고, 액상온도는 20oC이다. 그림에서 보듯이, 공기공급량이 증가할수록 모든 조건에서 총괄물질전달계수가 증가하고 있으나 임펠러의 수에는 크게 영향을 받지 않고 있다. 실험에서 임펠러 부근에서 기포 합체 현상을 관찰할 수 있었는데, 이는 기-액간의 접촉면적을 감소시켜서 임펠러 수의 증가에 따른 효과가 뚜렷하게 구별되지 않았던 것으로 보인다.

Fig. 3은 Fig. 2와 동일한 조건이며, 다만 교반속도만 750rpm으로 높여준 상태에서 총괄물질전달계수의 변화를 나타낸 것이다. Fig. 3에서 보듯이, 모든 조건에서 공기공급량이 증가할수록 총괄물질전달계수가 증가하고 있고, 특히 임펠러의 수가 두 개인 경우는 한 개인 경우에 비해서 총괄물질전달계수가 미미한 증가를 보이고 있으나 세 개인 경우는 급격한 증가를 보이고 있다. 액상의 교반에 의한 유동화 현상으로 인하여 기포의 분쇄와 합체 현상이 동시에 존재함을 포기조내의 기포 형태를 관찰함으로써 짐작할 수 있었으며, 이러한 기포의 분쇄와 합체는 교반속도와 임펠러의 위치에 따라 좌우될 수 있음을 전 연구결과와 Fig. 2, Fig. 3의 결과에 미루어 짐작할 수 있다.

Fig. 4는 교반속도에 따라서 임펠러의 수와 위치의 총괄물질전달계수에 미치는 영향을 나타낸 것이다. 공기공급량은 1.0 L/min이고, 액상온도는 20oC이다. Fig. 4에서 보듯이, 모든 조건에서 교반속도가 증가할수록 총괄물질전달계수가 증가하는 경향을 보이고, 특히 임펠러의 수가 세 개인 경우에 총괄물질전달계수가 급격한 증가를 보인 반면에 임펠러 수가 두 개인 경우는 한 개인 경우에 비하여 두드러진 효과를 보이지 않았는데, 이러한 것은 Fig. 3에서 언급했듯이, 임펠러의 위치에 기인된 것으로 보인다.

본 실험에서 측정한 총괄물질전달계수를 액상교반속도(N), 공기공급량(Qg), 액상온도(T) 및 임펠러의 수(S)에 따라서 식(3)과 같이 correlation할 수 있었으며, 상관계수는 0.937로 양호한 결과를 나타내었다.

[eqn: {K}_{L}a] = 0.50801N0.3641Qg0.8000T0.4445S0.2287            (3)

5. 참고문헌

1. 도진환, Thakur, N. N., 장호남, 이상엽, “폴리글루탐산 발효에서 two           impeller를 사용한 산소전달계수의 향상”, 화학공학의 이론과 응용, Vol. 6,      No. 1, 1265-1268(2000).

2. 박영성, 이은덕, 김근범, 이형근, “Mg(OH)2를 이용한 습식탈황에서 폐슬러리    산화반응특성 연구”, 한국에너지공학회지, Vol. 9, No. 2, 123-129(2000).

3. 이민수, 강전한, 함승주, “순산소 표면 포기조에서의 혼합 매개변수에 따른      산소전달효율 및 교반효과에 관한 연구”, 화학공학의 이론과 응용, Vol. 5,      No. 1, 1701-1704(1999).

Fig. 1 Schematic diagram of               experimental apparatus

Fig. 2 Effect of air flow rate and          number of impeller on KLa

for N=250rpm

Fig. 4 Effect of rotation speed and      number of impeller on KLa

Fig. 3 Effect of air flow rate and         number of impeller on KLa for N=750rpm