Sub-micron ozone bubble에 의한 용존 오존농도 및 산화효율 분석

Abstract

오존은 높은 산화력으로 인하여 폐수 처리, 토양 세척, 살균 등 다양한 분야의 처리 공정에 적용되고 있다. 현재 사용 중인 산기 방식의 오존 주입 방법은 오존 전달 효율이 낮으며, 배오존 처리 등의 문제를 가지고 있다. 이러한 상황에서 마이크로버블을 이용한 방법은 기존 산기 방식에 비해 기포의 크기가 작기 때문에 오존 전달 효율이 좋을 것으로 생각되어 새로운 오존 주입 방식으로 주목받고 있다. 최근 마이크로버블보다 크기가 더 작은 서브마이크론 버블에 대한 연구가 진행되고 있다. 그러나 서브마이크론버블로 오존 기포를 주입하는 방법에 대한 연구는 현재 다뤄지지 않고 있다.

따라서 본 연구에서는 서브마이크론버블에 의한 오존의 주입에 대한 연구로 오존 기포 크기(2 mm, 57 μm, 960 nm)와 오존 반응에 영향을 미친다고 알려진 pH(5, 7, 9)를 변화 시키며 오존을 주입하여 오존의 용해 효율과 오존에 의한 산화 효율을 분석해보았다.

1. pH를 5, 7, 9로 조절한 증류수에 다른 기포 크기로 오존을 20분 간 주입한 후 40분 간 방치시키며 용존 오존농도를 측정한 결과, pH 5, 7, 9 순서대로 오존을 주입할 때에는 용존 오존농도가 빠르고 높게 올라갔으며, 방치할 때에는 용존 오존농도가 천천히 낮아졌다. 이 경향은 모든 기포 크기에서 동일하게 나타났다. 기포의 크기를 변화시키며 용존 오존농도를 측정한 결과 기포 크기가 작은 순서대로 용존 오존농도가 높게 올라갔으며, 오래 지속되었다. 이는 기포의 크기가 작을수록 물질전달 효율이 높아서인 것으로 판단된다.

2. 증류수에 액체비누를 넣은 후 pH를 조절한 후 세 가지 기포크기로 오존을 주입하여 각각의 상황에서 COD 제거효율을 분석하였다. 그 결과 pH 5, 매크로버블일 때 제거율은 0.9%로 가장 낮았고, pH 9, 서브마이크론버블일 때 제거율이 36.2%로 가장 높았다. pH가 높을수록, 기포 크기가 작을수록 처리효율이 좋은 경향을 보였다. 이는 pH가 높을 때 오존 분해가 촉진되어 OH Radical이 많이 생성되고, 기포 크기가 작을 때 물질 전달 효율이 높아져 반응이 촉진되기 때문인 것으로 판단된다.

3. COD 제거효율과 비슷한 방법으로 증류수에 잉크를 넣은 후 450 nm에서의 흡광도를 분석하여 색도 제거효율을 분석하였다. 그 결과 pH 5, 매크로버블일 때 흡광도 감소율이 5%로 가장 낮았고, pH 9, 서브마이크론버블일 때 흡광도 감소율이 94%로 가장 높았다. 이 결과는 COD 제거 실험과 비슷한 양상을 보였다. 특히 pH가 5일 경우 제거효율이 pH 7, 9 일 때에 비하여 크게 떨어졌는데 이는 용존 오존농도에서 pH에 따라 큰 차이를 보인 결과와 비슷하다.

본 연구에서는 다양한 크기의 오존 기포에 대한 물질 전달 특성 및 산화 효율에 관한 분석을 하였으며, 이 결과는 오존 산화 공정을 최적화 하는데 기초적 자료로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

주요어: 오존, 오존 산화, 마이크로버블, Sub-micron bubble, 오존 물질 전달, 미세기포

Ozone is utilized in various field of treatment processes like wastewater, soil, sterilizing because of its high oxidation potential. Existing ozone injection method like using diffuser have problems of low efficiency or high ozone off-gas.

Ozone injection by microbubble is receiving attention because smaller bubble can make high efficiency of mass transfer. Several studies about properties and lab-scale experiments by ozone microbubble have been conducted. Sub-micron bubble is much smalleer than microbubble. Three different diameter(2 mm, 57 μm, 960 nm) ozone bubble at three different pH(5, 7, 9) are studied.

1. Three different diameter ozone bubble injected 20 minutes in three different pH water. Then water is leaved 40 minutes. Dissolved ozone concentration is measured during 60 minutes. When injecting, dissolved ozone concentration increase faster and higher in pH 9 and slower and lower in pH 5. When leaved, dissolved ozone concentration decrease slower in pH 9 and faster in pH 5. This results are all same in three kinds of bubble. In bubble diameter point of view, smaller bubble make high dissolved ozone concentration and dissolved ozone concentration lasting longer in smaller bubble experiment.

2. Liquid soap poured in water and made COD 150 water. Like previous experiments, three kinds of bubble injected in three pH soapy water. Ozone bubble injected 60 minutes and removal of COD is analyzed. Removal efficiency was smallest when injected by macrobubble in pH 5 solution, 0.9 %. When injected by sub-micron bubble in pH 9 solution, removal efficiency was highest, 36.2 %. Higher pH and smaller bubble size make higher oxidation efficiency.

3. Black ink poured in water and made absorbance at 450 nm 1.2. Ozone bubble injected 60 minutes and decrease of absorbance(removal of color) is analyzed. Removal efficiency was smallest when injected by macrobubble in pH 5 solution, 5 %. When injected by sub-micron bubble in pH 9 solution, removal efficiency was highest, 94 %. Higher pH and smaller bubble size make higher oxidation efficiency.

In this study, three diameters of bubble including sub-micron size is used for injecting ozone gas. Basic properties of mass transfer and oxidation by ozone bubble is studied and this results can be utilized in various processes using ozone.

Keyword: Ozone, Ozone oxidation, Microbubble, Sub-micron bubble, Ozone bubble, Ozone mass transfer