담수에서 포말생성 영향 인자

신정식·이주화·서근학

부경대학교 화학공학과

khsuh@mail.pknu.ac.kr

The Effective factors of a Foam generation in Freshwater

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

Department of Chemical Engineering, Pukyong National University

khsuh@mail.pknu.ac.kr

1. Separation Column    2. Air Distributor

3. Air Inlet              4. Rotameter

5. Air Pump

Fig. 1. The schematic diagram of the batch foam separator.

서론

포말 분리법은 용액 내에 존재하는 계면 활성 물질과 생물학적 오염물을 장치 외부로부터 유입된 공기가 분산되어 발생시키는 기포에 흡착시켜 시스템 외부로 제거하는 공정이다.

계면 활성 물질이 기-액 계면(gas-liquid surface)에 흡착되는 것은 친수기(hydrophilic side chain)와 소수기(hydrophobic side chain)를 동시에 가진 계면 활성 물질이 포함되어 있는 용액 내에 기포를 발생시킬 경우, 초기에는 소수기가 기체 쪽을 향하여 이동하다가 시간이 지나감에 따라 기-액 계면에 나란히 배열되고, 액본체(bulk)의 농도가 증가함에 따라 기-액 계면에 흡착되는 용질의 분자수가 점점 더 증가하여, 평형 상태에서는 그 계면이 완전 포화되어 표면과잉농도에 이르는 현상에 의한 것이다[1].

포말 분리가 효과적으로 수행되기 위해서는 포말의 안정적인 생성이 중요하다. 본 실험에서는 담수에서의 안정적이고 효과적인 포말생성을 위하여 포말생성에 영향을 미치는 인자인 단백질 농도, 기공크기, 공탑공기유속, pH, 염농도, 그리고 온도등에 대하여 검토하였다.

실험

본 실험에서 사용된 포말 분리장치는 Fig. 1과 같이 내경 50 mm, 높이 1500 mm의 아크릴관을 사용하여 제작하였다. 포말 분리관의 액본체 부피는 100 mL였으며 포말 분리관 하부에는 유리 여과기를 이용한 공기 분산기를 설치하여 기포가 균일하게 발생하도록 하였다.

Fig. 2. The change of the foam height according to the operating time for different protein concentration.

공기 공급은 공기펌프를 이용하여 공급하였으며, 공기 유량은 유량계의 조절밸브를 이용하여 조절하였다. 각 실험조건에서의 최대 포말 생성 높이는 회분식으로 3회 운전하여 준정상상태에서 포말높이의 평균값을 취하였으며, 평균 운전 시간은 1분 30초 가량 이었다.

실험수의 포말 생성을 위한 단백질은 부경대학교 부속양어장에서 발생하는 포말 농축물을 수거하여 증류수로 희석시켜 사용하였으며 단백질의 농도 분석은 Lowry의 방법[2]을 이용하여 수행하였다.

Fig. 3. The comparison of the foam height for the protein concentration.

결과 및 토론

Fig. 2와 Fig. 3은 실험수의 단백질 농도의 변화에 따라 운전시간에 따른 포말 생성 높이와 각 단백질 농도 변화에 따른 최대 포말 생성 높이를 나타낸 그림이다. 공탑공기유속을 0.84 cm/sec로 하고 공기 분산기를 기공크기가 G3인 유리 여과기를 설치하여 운전한 결과, 단백질 농도 8, 20.5, 26.2 mg/L에서는 운전시간 60초만에 최대점에 도달하였으나 41.5, 55.1, 69.4 mg/L의 단백질 농도에서는 120초에서 최대점에 도달하는 것으로 보아 단백질 농도가 증가할수록 안정적인 포말 생성이 이루어지는 시간이 길어진다는 것을 알 수 있었다. 또한 Fig. 3을 보았을 때 단백질 농도가 8 mg/L에서는 3 cm의 최대 포말 생성 높이를 형성하였으나 단백질 농도 69.4 mg/L에서는 65 cm의 최대 포말 생성 높이를 보였다. 이는 단백질은 포말 분리기에서 수집기로써의 기능뿐만 아니라 부상기로써의 역할을 동시에 수행할 수 있는데 본 연구에서는 부상기로써의 단백질 역할을 관찰할 때 실험수의 단백질 농도가 증가할수록 최대 포말 생성 높이가 증가하는 것으로 보아 양어장수에서 수거한 포말 농축물이 부상기로써의 능력을 충분히 수행할 수 있을 것으로 판단되어진다.

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

Fig. 4는 기공크기에 따른 포말 생성 영향을 나타낸 그림으로써 단백질 농도를 26.2 mg/L로 하고 공탑공기유속을 0.84 cm/sec로 하여 기공크기를 알 수 있는 G1에서 G4까지 조절하여 실험한 결과 기공크기가 작아질수록 최대 포말생성 높이가 높아지는 것을 알 수 있었다. 운전시간은 최대 90초로 증가하였으며 G3와 G4의 경우 운전시간 60초까지는 동일한 포말생성을 보였으나 G3로 운전했을 때 60초 이후에는 포말 생성이 이루어지지 않았다.

Fig. 5. The comparison of the foam height for the superficial air velocity.

Fig. 5는 공탑공기유속 변화에 따른 포말 생성 높이의 영향을 알아본 그림으로써 단백질 농도를 31.9 mg/L로 하고 G3의 유리 여과기를 설치하여 운전한 결과 공탑공기유속이 증가할수록 최대 포말 생성 높이도 증가하였으나 0.84 cm/sec 이상의 공탑공기유속에서는 최대 포말 생성 높이의 차이가 크지 않았다. 이는 포말 생성을 위한 실험수의 단백질 농도가 일정하여 공기 공급량이 포화상태에 도달한 것으로 판단되어진다. 그러므로 0.84 cm/sec 이상으로 운전시 운전비의 상승효과를 보임으로써 최적 공탑공기유속의 운전조건은 0.84 cm/sec로 보여진다.

Fig. 6. The comparison of the foam height for the pH.

Fig. 6은 pH변화에 따른 포말 생성높이를 나타낸 그림이다. 단백질 농도를 31.9 mg/L로 하고 G3의 유리 여과기를 설치하여 0.84 cm/sec의 공탑공기유속으로 실험한 결과 강산에서 47 cm의 가장 높은 최대 포말 생성 높이를 보여주었다. 그러나 pH 4.5∼5사이에서 17 cm로 가장 낮은 포말 생성 높이를 보였는데 이는 Suzuki and Maruyama[3]의 보고에서 단백질의 등전점이 pH 4.6 부근에서 나타나며 가장 낮은 포말생성 능력을 보인다고 한 것과 비슷한 결과를 보이고 있다. 또한 중성인 pH 7 부근에서 다시 활성을 찾아 최대 포말생성 높이가 25 cm로 상승하였으나 pH 10의 염기성에서 포말 높이가 감소하다가 강염기에서 포말 높이의 회복세를 보여주었다.

Fig. 7. The comparison of the foam height for NaCl and NaHCO3 concentration.

Fig. 8. The comparison of the foam height for the temperature.

Fig. 7은 NaCl과 NaHCO3의 염 농도 변화에 따른 포말 생성 높이를 알아본 그림이다. 단백질 농도를 31.9 mg/L로 하고 G3의 유리 여과기를 설치하여 0.84 cm/sec의 공탑공기유속으로 실험한 결과 NaCl을 첨가했을 때 5000 mg/L 까지는 포말생성 높이의 차이가 없었으나 10000 mg/L을 첨가하였을 때 포말생성 높이가 33 cm까지 급격히 증가하는 것을 볼 수 있었다. 또한 NaHCO3를 첨가한 실험에서는 7000 mg/L까지 첨가했을 때 최대 포말생성 높이가 27 cm로 꾸준히 증가하다가 14000 mg/L를 첨가했을 때에는 포말생성 높이가 45 cm로 급격히 증가하는 것을 볼 수 있었다. 또한 NaCl 보다 NaHCO3를 첨가하였을 때 포말생성에 대한 영향을 더 많이 받는 다는 것을 알 수 있었다. 이와 같이 수중에 염 성분의 존재는 포말의 생성을 촉진한다는 것을 알 수 있었으며 포말 분리기를 해수에 적용할 경우 보다 높은 포말생성 효과를 나타낼 것으로 판단되어 진다.

Fig. 8은 온도 변화에 따른 포말 생성 높이를 나타낸 그림으로써 단백질 농도를 31.9 mg/L로 하고 G3의 유리 여과기를 설치하여 0.84 cm/sec의 공탑공기유속으로 실험한 결과 5℃로 운전했을 때 가장 낮은 20 cm의 포말 생성 높이를 보여주었으며 온도가 상승할수록 포말 생성 높이가 높아져서 32℃로 운전했을 때 최대 포말 생성 높이가 33 cm로 나타났다. 그러나 다른 포말생성 조건과 비교했을 때 온도에 따른 포말생성 높이의 변화가 가장 작은 영향을 보이는 것을 알 수 있었다.

결론

단백질 농도가 증가할수록 포말생성 높이가 높게 형성되었으며 공기 분산기의 기공크기가 작아질수록 포말생성 높이가 높아지는 것을 알 수 있었다. 또한 공탑공기유속 증가하면서 포말생성 높이도 증가하였고 공탑공기유속의 최적 운전조건은 0.84 cm/sec 였다. pH 영향에서는 강산에서 가장 높은 포말생성 높이를 보여주었고 중성인 pH 7 부근에서 포말생성 높이가 회복되었다.

NaCl과 NaHCO3의 염 농도에 대한 영향에서는 수중의 염 성분 존재가 포말생성을 촉진한다는 것을 알 수 있었으며 NaCl 보다 NaHCO3에 대한 포말생성에 대한 영향을 더 받는 것을 알 수 있었으며 온도에 대한 영향에서는 온도가 상승할수록 최대 포말 생성 높이가 높아지는 것을 알 수 있었다.

참고문헌

[1] Brown, A. K., Kaul, A and Varley, J.:  Biotechnol. Bioeng., 62(3), 278(1999).

[2] Lowry, O.H., Rosebrough, N.J., Farr, A.L. and Randall, R.J.: J. Biotech., 193, 265(1951).

[3] Suzuki, Y. and Maruyama, T.: Water Research, 36, 2195(2002).