Ultrafine Bubble Generator(UB-G)의 운전 및 설계 인자가 초미세기포의 발생에 미치는 영향

Abstract

일반적으로 하수를 처리하거나, 조류를 제어하거나, 물고기를 양식 할 때 다량의 산소가 소비하는데, 공기를 큰 기포의 형태로 주입하기 때문에 충분한 양을 공급하기 위해서는 많은 시간의 운전이 필요하며, 그로인하여 많은 에너지를 소비된다. 이러한 문제점들을 해결하기 위하여 최근에는 초미세기포가 새로운 대안으로 제시되어 지고 있다. 초미세기포는 직경이 1um 미만인 미세기포로 정의가 되며, 높은 용해도와 물질전달율 그리고 느린 부상속도를 갖는 특성을 가지고 있기 때문에 작게 다량으로 발생시킬 수 있다면 효과적인 해결책이 될 수 있다.

이를 위하여 본 연구에서는 Ultrafine-Bubble Generator(UB-G)의 운전 및 설계 인자에 따른 초미세기포의 물리적 특성 변화에 대하여 알아보았다. 크기 및 발생량의 측정방법을 설정하고 이를 통하여 각 인자에서의 경향성을 분석하였으며, 결과를 바탕으로 UB-G의 최적화 방안을 모색하였다.

초미세기포의 크기는 수중에서 초미세기포의 거동이 작은 입자가 불규칙적으로 움직이는 브라우니안 모션을 띠는 점을 착안하여 광산란 방식을 통하여 측정하는 DLS(Dynamic Light Scattering)를 사용하였다. 발생량은 리액터에 초음파를 주사하면 초미세기포가 융합되어 부상하는 특성을 지니는 점을 활용하여 IT 기반의 소형 현미경으로 감소되는 높이 변화를 측정하여 수치로 정량화하였다.

유량은 증가할수록 초미세기포의 크기가 감소하며, 발생량은 증가하였다. 이러한 결과의 주된 원인으로는 스플리터 내 유속이 증가함에 따라서 전단력이 상승하여 작은 초미세기포가 다량으로 발생한 것으로 판단된다. 마찬가지로 공기비도 증가할수록 초미세기포의 크기는 감소하였으며, 발생량은 증가하였다. 이는 흐르는 물에 공기가 주입되면 난류층이 형성이 되고, 증가하는 레이놀즈수에 따라 비례하여 전단력이 증가하였기 때문이라고 판단된다.

설계적인 부분에서 믹싱인렛의 경우에는 세 가지 인자를 고려하였다. 공기 유입구는 직경이 좁을수록 작은 초미세기포가 다량으로 발생하였다. 이는 동일한 압력의 컴프레서가 공기를 밀어줄 때 공기 유입구의 직경이 좁을수록 면적에 작용되는 공기의 압력이 상승하여 더 많은 공기비로 운전이 되기 때문이라고 분석된다. 그러므로 공기 유입구의 직경은 좁게 설계하는 것이 바람직하다. 유출 관도 좁은 직경에서 작은 초미세기포가 다량으로 발생하였다. 동일한 유량에서 좁은 유출 관을 사용하여 운전을 하면 상대적으로 빠른 속도로 물이 흐르게 되는데, 베르누이 방정식에 따라서 압력은 감소하게 되어 외부의 공기가 더 많이 유입될 수 있기 때문으로 사료된다. 마지막으로 공기 유입구의 각도는 발생량에는 큰 변화가 없었지만, 각도가 낮아 물의 흐름방향과 공기의 흐름방향이 일치할수록 초미세기포의 크기는 감소하였다. 향후 설계에서는 믹싱인렛의 구조를 변형하여 공기를 물의 흐름방향과 일치시켜서 주입시킬 수 있는 방법을 모색할 필요가 있다.

마찬가지로 프리티드 필터의 경우에는 두 가지 인자를 고려하였다. 먼저, 필터의 높이는 감소할수록 발생하는 초미세기포의 크기는 감소하였지만, 발생량에는 영향을 미치지 않았다. 이는 필터의 높이가 높으면 선과정으로 쪼개진 미세기포가 스플리터로 유입되기 까지 부상해야하는 거리가 증가하게 되는데, 이 과정에서 미세기포 사이에 교란이 발생하여 융합과정이 일어났기 때문이라고 사료된다. 공극의 크기는 감소할수록 더 작은 초미세기포가 다량으로 발생하였다. 프리티드 필터는 공극이 작을수록 스플리터로 유입되는 미세기포의 크기가 감소하게 된다. 하지만, 만약 공극이 큰 프리티드 필터를 사용하면, 스플리터 내에서 유입된 공기를 충분히 쪼개지 못하기 때문에 운전과정에서 불안정한 큰 기포가 간헐적으로 발생하였기 때문이라고 판단된다.

본 연구 결과를 바탕으로 UB-G를 설계하고, 산소를 다량으로 소비하는 시스템에 적용하여 운전한다면, 기존의 시스템이 가지고 있는 문제점들을 효과적으로 해결할 수 있을 것이 기대된다.