MgSO3 폐슬러리의 산화처리용 포기조에서 산소전달특성 연구

백현창, 이은덕, 문숙, 박영성

대전대학교 환경공학과

A Study on Oxygen Transfer Characterization in Aeration Reactor for Oxidation Treatment of MgSO3 Waste Slurry

Hyun Chang Baek, Yeong Seong Park, Eun Duk Lee,  Suk Moon

Department of Environmental Engineering, Taejon University

1. 서론

Mg(OH)2를 사용한 습식배연탈황공정에서 탈황 및 산화과정을 거치면서 부산물로 MgSO3 성분이 포함된 폐슬러리가 생성되는데, 이들은 대부분 하천이나 해양을 통해 폐수로 방류시킬 경우에 폐수에 포함된 각종 성분들이 하천이나 해양의 부영양화 촉진과 함께 수질오염을 가중시킬 수 있으므로, 이의 효율적인 처리를 통한 전체공정의 경제성을 높이기 위한 필요성이 대두되고 있다.

MgSO3 폐슬러에 대한 처리방법에는 산화반응, 흡착, 여과, 침전, 부상법등 생물학적 및 물리화학적인 방법이 있으나 폐슬러리의 농도, 입자크기, 밀도, 점도 등의 특성에 따라 적응성이 다르기 때문에 다양한 종류의 실험분석과 기술검토를 통해 대상 폐슬러리에 대해 효율적으로 적용이 가능한 처리기술을 모색하는 것이 매우 중요하다.

특히 MgSO3는 용해도가 아주 낮아(용해도 0.84g/100ml H2O at 50℃) 과포화시 고형성분의 첨전과 함께 관폐쇄등 원활한 운전을 저해시키게 되므로 산화과정을 거쳐 용해도가 높은 MgSO4(용해도 33g/100ml H2O at 50℃)로 변환시켜 방류시키는 것이 우선적으로 요구되고 있다. 이와 같은 폐슬러리산화처리는 주로 포기방식에 의해 이뤄지므로 반응장치의 조업에 있어서 산소전달특성이 중요한 요소에 해당된다.

따라서 본 연구에서는 MgSO3 폐슬러의 효율적인 산화반응을 통한 최적의 습식배연탈황공정의 개발에 앞서, 공기공급량, 포기조의 교반 정도 및 온도 등에 따른 산소전달 특성을 고찰하였다.

2. 이론적 고찰

산소전달에는 물질전달저항이 있는데 각 저항은 크게 세 부분으로 나눌 수가 있다. 기상과 기-액 계면에서의 gas film 저항, 기-액 계면에서의 계면 저항, 계면과 액상 사이의 liquid film 저항으로 구분할 수 있으며, 총괄산소전달저항은 각 개 저항의 합과 같고, 각 저항의 상대적인 값은 액의 조성과 밀도, 기-액 접촉면 현상에 따라 달라진다. 그러나 보통 기포의 크기가 작고 기상은 충분히 혼합되어 있다고 보기 때문에 다른 저항에 비하여 gas film 저항은 무시된다. 또한 기포면에서의 산소농도나 기포내에서의 농도는 같기 때문에 기-액 계면 저항도 무시된다. 따라서 산소 공급면에서 볼 때, 주 저항은 기포를 둘러싸고 있는 liquid film에서의 저항이고, 이 때 총괄산소전달계수([eqn: K_L a])는 liquid film의 산소전달계수([eqn: k_L a])라고 볼 수 있다.

액체막의 저항이 산소전달율을 제한한다고 가정한 난류 조건하에서 가스상으로부터 액체상으로의 산소의 전달은 총괄 전달계수 [eqn: K_L a]와 산소 부족량의 함수이다.

[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 다음에서 설명하는 방법에 의해 물리적으로 측정할 수 있다. 전달효율을 결정하기 위해 가장 일반적인 방법인 시험 탱크 또는 실제 포기조내의 탈산소화된 물의 비정상상태 재포기방법에 의해서 산소전달을 측정할 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 포기용액의 온도를 일정하게 유지하기 위하여 포기조는 항온수조안에 위치하였다. 포기용액은 증류수가 사용되었고 질소가스에 의해 DO농도를 0.06 mg/□까지 떨어지도록 purge되었으며, 공기는 air pump에서 공급되어 air flow meter에서 공급량이 조절되어 포기조의 하부에 설치된 다공성 확산석에 의해서 액상에 공급되었다. DO meter는 YSI model 58이 사용되었고 포기용액의 수면아래 2.5cm 지점에 DO probe가 위치하도록 하였으며, 교반기는 3개의 blade로 제작된 1개의 임펠러를 포기조의 밑바닥에서 5cm 지점에 위치하도록 하였고, 교반속도는 최대 3000rpm 까지 가능하다.

본 실험에서의 산소전달특성에 대한 주요 영향 인자와 조건으로, 공기공급량은 0.5∼2.5□/min, 교반속도는 250∼1000rpm, 포기용액의 온도는 20 ∼ 40℃이다.

4. 실험 결과 및 고찰

Fig. 2는 공기공급량이 총괄물질전달계수(KLa)에 미치는 영향을 나타낸 것이며, 포기용액의 온도는 20℃이다. 그림에서 보듯이, 모든 교반 조건에서 공기공급량이 증가할수록 산소전달계수는 급격한 증가를 보이고 있고, 특히 교반속도가 1000rpm인 경우에 현저한 증가를 보였다. 공기공급량이 증가할수록 총괄물질전달계수가 증가하는 것은 기포생성량의 증가로 인한 기체체류량과 기-액 접촉면적의 증가에 기인된 것으로 볼 수 있다.

Fig. 3은 포기조의 교반정도에 따른 총괄물질전달계수의 변화를 나타낸 것이며, 포기용액의 온도는 31℃이다. Fig. 3에서 보듯이. 모든 공기공급량 조건에 대하여 교반속도가 증가함에 따라 총괄물질전달계수는 증가함을 알 수 있고, 공기공급량이 2.5 L/min인 경우에 교반속도의 증가에 따른 총괄물질전달계수의 증가폭이 두드러지게 나타나고 있다. 포기조를 교반함에 따라 총괄물질전달계수가 증가하는 것은 포기액의 와류형성으로 인하여 기포입자가 미세하게 분쇄됨에 따라 기-액 접촉면적이 증가하였기 때문인 것으로 보이고, 이러한 현상은 특히 포기조의 교반 강도가 증가함에 따라 증진됨을 짐작할 수 있다.

Fig. 4는 공기공급량을 변화시키면서 포기용액의 온도가 산소전달계수에 미치는 영향을 나타낸 것이며, 포기조의 교반은 이루어지지 않았다. 그림에서 보듯이, 포기용액의 온도가 증가함에 따라 총괄물질전달계수는 증가함을 보이고 있는데. 이는 포기용액의 온도가 높아질수록 포기용액의 용존산소의 포화농도에 도달하는 시간이 짧아지기 때문이다.

본 실험에서 측정한 총괄물질전달계수를 포기조의 교반정도(N), 공기공급량(Qg) 및 포기용액의 온도(T)에 따라서 식 (3)과 같이 correlation할 수 있었으며, 상관계수는 0.9543이다.

KLa = 0.7116N0.381Qg0.81T0.334          (3)

지금까지의 실험결과에서, 총괄물질전달계수는 공기공급량, 포기조의 교반정도 및 포기액의 온도에 영향을 받음을 확인하였고, 특히 공기공급량에 민감한 영향을 받음을 알 수 있었다.

5. 참고문헌

1. W. M. Lu, H. Z. Zhang, C. Y. Chou,“Effect of Impeller-Blade Number on    KLa in the Mechanically Agitated Vessels”, Proceedings of the6Th Asian      Conference on Fluidized-Bed and Three-Phase Reactor, pp. 167-172, 1998

2. 우광재, 조용준, 김기인, 강용, 김상동,“가압기포탑에서 기-액 흐름의 Chaos      해석 및 물질전달 특성”, Hwahak Konghak, Vol. 36, No. 6, December, pp.     937-944, 1998

3. 박찬직,“삼상슬러리기포탑의 성능개선을 위한 상체류량 및 물질전달 증진 방     안 연구”, 대한환경공학회지. Vol. 20, No.5, pp. 621∼630, 1998

Fig. 2 Effect of air flow rate on KLa        in agitated aeration reactor

Fig. 1 Schematic diagram of

oxidation test unit

Fig. 4 Effect of liquid temperature on KLa in aeration reactor

Fig. 3 Effect of rotation speed on       KLa in agitated aeration reactor