해수에서 포말생성 영향 인자

신정식, 이주화, 서근학

부경대학교 화학공학과

khsuh@mail.pknu.ac.kr

The Effective factors of a Foam generation in Seawater

Jeong-Sik, Shin, Ju-Hwa, Lee and Kuen-Hack, Suh

Department of Chemical Engineering, Pukyong National University

khsuh@mail.pknu.ac.kr

서론

포말 분리법은 용액중의 희박한 농도의 용존물질이나 고형물질을 용액과 분리하는 기술 중의 하나로써 대부분의 분리공정이 목적 성분이 저농도일 경우 회수율이 급격히 감소하는 것에 비하여 포말분리법은 저농도에서도 목적 성분을 고농도로 농축하여 회수할 수 있는 장점을 가진다. 이런 이유로 최근 장치의 구조가 간단하면서 어류에 유해한 부유 고형물, 용존 유기물, 암모니아 등을 동시에 제거할 수 있을 뿐만 아니라 용존 산소도 공급할 수 있는 포말 분리장치를 활어수조에 적용하기 위한 연구가 진행되고 있다[1, 2-4].

본 실험에서는 포말 분리장치를 활어수조에 적용하기 위해 해수에서의 포말생성능력을 알아보기 위하여 단백질 농도, 기공크기, 공탑공기유속, pH, NaHCO3농도, 그리고 온도와같은 영향인자에 대하여 실험하였다.

실험

본 실험에서 사용된 포말 분리장치는 내경 50 mm, 높이 1500 mm의 아크릴관을 사용하여 제작하였다. 실험에 사용한 액본체 부피는 100 mL였으며  장치 하부에는 공기 분산기를 설치하여 기포가 균일하게 발생하도록 하였다.

공기 공급은 공기펌프를 이용하여 공급하였으며, 공기 유량은 rotameter를 이용하여 조절하였다. 각 실험조건에서의 최대 포말생성 높이는 회분식으로 3회 운전하여 준정상상태에서 포말생성 높이의 평균값을 취하였으며, 평균운전시간은 90초 가량 이었다. 실험수의 포말생성을 위한 단백질은 부경대학교 부속양어장에서 발생하는 포말 농축물을 수거하여 증류수로 희석시킨 후 인공해수 분말시약을 녹여 염도를 30 ◀로 맞춘 후 사용하였다.

결과 및 고찰

Fig. 1은 실험수의 단백질 농도에 따라 포말높이가 최대점에 도달하는데 걸리는 시간을 나타낸 그림이다.  공탑공기유속을 0.84 cm/sec로 하고 공기 분산기를 기공크기가 G3인 유리 여과기를 사용하여 운전한 결과, 단백질 농도 6.9, 13.2 mg/L에서는 운전시간 60초만에 포말높이가 최대점에 도달하였으며 30.2, 45.1, 56.2, 67.6 mg/L에서는 각각100초에서 120초만에 포말높이가 최대점으로 도달하였다. 포말높이가 최대점에 도달하는 시간은 비슷한 단백질 농도의 담수와 비교했을 때 거의 같은 것으로 나타났다.

Fig.  The change of the foam height                    according to the operating time for                 different protein concentration.

Fig. 2는 단백질 농도에 따른 포말생성 높이를 나타낸 그림이다. 공탑공기유속을 0.84 cm/sec로 하고 공기 분산기를 기공크기가 G3인 유리 여과기를 사용하여 운전한 결과 포말생성 높이는 단백질 농도에 따라 증가하는 것으로 나타났다. 담수와 해수에서 단백질 농도에 따른 최고 높이와 최저 높이의 차는 각각 59 cm 와 61 cm로 거의 비슷했다. 또한 단백질 농도가 30 mg/L 정도까지는 포말생성 높이 변화율이 거의 담수와 비슷했으나 그 이후의 농도에서는 포말생성 높이 변화율이 담수에서 보다 떨어지는 것으로 보아 단백질 농도변화에 의한 포말생성의 영향은 해수에서보다 담수가 더 큰 것으로 나타났다.

Fig.  The comparison of the foam height for           the protein concentration.

Fig. 3은 기공크기에 따른 포말생성 높이를 나타낸 그림이다. 기공크기에 대한 포말생성 실험은 90 - 150 □의 기공크기를 가지는 G1 size, 40 - 90 □의 기공크기를 가지는 G2 size, 15 - 40 □의 기공크기를 가지는 G3 size, 3 - 15 □의 기공크기를 가지는 G4 size 등 네 가지 규격의 유리 여과기와 기공크기를 알 수 없는 시중에서 판매되고있는 직경 3 cm 의 산기석을 이용하였다. 단백질 농도를 30.2 mg/L로 하고 공탑공기유속을 0.84

Fig.  The comparison of the foam height               for  the pore size.

cm/sec로 하여 운전한 결과 기공크기가 G1에서 G4로 작아질수록 포말생성 높이가 증가하는 것으로 나타났다. G1에서 G3까지는 기공크기에 따라 포말생성 높이의 차이가 30cm 정도로 컸으나 G3에서 산기석까지는 기공크기에 따라 포말생성 높이의 차이가 3cm에 불과 하였다. 공기 분산기의 기공이 작을수록 발생하는 기포의 크기가 작아지므로 동일한 공탑공기유속에서 기포의 단면적이 보다 작아진다. 기포의 크기는 연속식 포말분리공정에서 분리효율을 결정하는 중요한 인자이고 일반적으로 기공크기를 작을수록 분리효율은 높아진다.[5] 그러나 기공크기를 작게 하기 위해서는 비용이 증가하므로 경제성을 고려한다면 공기 분산기로 산기석을 이용하는 것도 무방하다고 할 수 있다. 그러나 산기석의 경우에는 기공크기가 일정하지 않기 때문에 유리 여과기에 비해 재현성이 떨어지는 것으로 나타났다. 본 실험에서는 포말생성 영향 인자를 알아보는 것이기 때문에 규격이 중간정도인 G3를 표준조건에서 사용하였다.

Fig.  The comparison of the foam height               for the superficial air velocity.

Fig. 4는 공탑공기유속에 따른 포말생성 높이를 나타낸 그림이다. 단백질 농도를 30.2 mg/L로 하고 공기분산기를 기공크기가 G3인 유리 여과기를 사용하여 운전한 결과 공탑공기유속이 0.26 cm/sec에서 0.59 cm/sec 까지는 포말생성 높이가 증가하다가 0.59 cm/sec 이후에서는 포말생성 높이가 거의 일정 하였다. 공탑공기유속을 증가시킬 경우 운전비용이 증가하므로 본 실험의 경우 공탑공기유속의 최적조건은 0.6 cm/sec 인 것으로 나타났다. 그러나 운전시 보다 안정적인 기포말생성을 위해서는 공탑공기유속을 0.7

Fig.  The comparison of the foam height               for the pH.

- 0.8cm/sec로 하는 것이 보다 좋을것으로 생각된다.

Fig.  The comparison of the foam height for           the NaHCO3 concentration.

Fig. 5는 pH의 변화에 따른 포말생성 높이를 나타낸 그림이다. 단백질 농도를 30.2 mg/L로 하고 공탑공기유속을 0.84

cm/sec, 공기분산기를 기공크기가 G3인 유리 여과기를 사용하여 운전한 결과 pH 2-3.5의 강산 부근에서는 최대 포말생성 높이가 거의 일정하다가 pH 5 부근에서 포말생성 높이가 증가하였다. pH 10 부근에서 최저점에 도달하였고, 그 이후에 차츰 포말생성 높이가 회복되는 것을 알 수 있었는데 이는 Suzuki and Maruyama[6]의 연구논문에서 해수를 희석하여 eel mucus를 이용한 kaolin의 제거에서와 비슷한 경향을 나타냈다.

Fig. 6은 해수 중 NaHCO3 농도에 따른 포말생성 높이 변화를 나타낸 그림이다. 단백질 농도를 30.2 mg/L로 하고 공탑공기유속을 0.84 cm/sec, 공기분산기를 기공크기가 G3인 유리 여과기를 사용하여 운전한 결과 포말생성 높이는 해수 중 NaHCO3 농도가 0 mg/L 일 경우 58cm 이었고 해수 중 NaHCO3  농도가 13370 mg/L 일 경우 포말생성 높이는 63cm로 해수에서 NaHCO3 농도에 의한 포말생성의 영향은 거의 없는 것으로 나타났는데 이는 해수 중에는 NaHCO3의 함유량 보다 NaCl의 함유량이 더 많기 때문에 NaCl농도의 영향을 더 많이 받기 때문이라고 생각된다.

Fig.  The comparison of the foam height for           the temperature.

Fig. 7은 온도의 변화에 따른 포말생성 높이를 나타낸 그림이다. 단백질 농도를 30.2 mg/L로 하고 공탑공기유속을 0.84 cm/sec, 공기분산기를 기공크기가 G3인 유리 여과기를 사용하여 운전한 결과 최대 포말생성 높이는 온도에 따라 증가하는 것을 알 수 있었다. 5℃에서는 포말생성 높이가 48cm로 최저였고, 31.5℃에서는 69.5 cm로 포말생성 높이가 최대가 되었다. 비슷한 온도의 담수와 비교했을 때 최대 포말생성 높이는 약 2배 정도 차이가 났다. 그러나 최저 높이와 최고 높이의 차는 담수와 거의 비슷했고 다른 인자보다는 영향이 비교적 적은 것으로 나타났다.

결론

해수 중 초기 단백질 농도가 증가할수록 준정상상태에 도달하는 시간이 길어졌으며 최대 포말생성 높이는 증가하였다. 공기분산기의 기공크기가 작을수록 포말생성 높이는 증가하였으나 G3, G4, 산기석에서는 포말생성 높이가 거의 비슷하게 나타났다. 공탑공기유속이 증가할수록 포말생성 높이는 증가하였으며 최적조건은 0.6 cm/sec 로 나타났으나 운전시 안정적인 기포생성을 위해서 공탑공기유속을 0.7-0.8 cm/sec 로 하는 것이 보다 좋을 것으로 생각된다. 최적 pH 조건은 5-8의 약산과 약염기 부근이었으며 해수에서 NaHCO3 농도에 따른 포말생성 높이의 변화는 거의 없는 것으로 나타났는데 이는 해수중 NaCl의 영향때문이라고 생각된다. 온도가 증가할수록 포말생성 높이는 증가하는 것으로 나타났으나 다른 인자에 비해서는 영향이 비교적 적은 것으로 나타났다.

참고문헌

[1] Chen, S., Stechy, D., and Malone, R. F., Elsevier, Amsterdam, 61-100(1996).

[2] Timons, M. B. and Chen, S. J., World Aquaculture Society, 26(3), 225-233(1995).

[3] Suh, K. H. and M. G. Lee, J. Korean. Fish. Soc., 28(5), 599∼606 (1995).

[4] 김병진, 이정훈, 김성구, 김용하, 이경범, 서근학., 화학공학, 39(1), 123-129(2001).

[5] 김병진, 공학박사 학위논문, 118-127(2002)

[6] Suzuki, Y. and Maruyama, T., 水環境學會誌, 23(5), 181-186(2000)