KR100807720B1 - 기체 포화에 의한 케이크 여과의 여과 속도 향상 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 기체 포화에 의한 케이크 여과의 여과 속도 향상 방법에 관한 것이다. 특히, 압축성이 큰 케이크 물질의 여과 공정에서, 여과 대상 현탁액에 기체를 포화시키는 단계, 및 상기 기체로 포화된 현탁액을 여과하는 단계를 포함하는 기체 포화에 의한 케이크 여과의 여과 속도 향상 방법에 대한 것이다.

본 발명에 따르면 여과대상 현탁액에 가스를 포화시킴에 따라 압축성 케이크의 여과 속도가 2배 이상 증가하는 현상을 이용하여, 하수처리장의 고액분리 공정에서 발생하는 잉여 슬러지 등과 같은 압축성 케이크를 형성시키는 물질의 탈수를 위한 여과 공정에서, 그 여과 속도를 대폭 향상시킴으로써 고액분리 효율을 상승시켜 에너지 효율면에서 유리할 것으로 기대된다.

케이크 여과, 압축성 물질, 고액분리, 기체포화

Description

기체 포화에 의한 케이크 여과의 여과 속도 향상 방법{Method for Improving Cake Filtration Rate Using Gas Saturation}

도 1은 본 발명에 대한 가압 여과 실험장치의 개략도;

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 벤토나이트 플럭의 CO₂ 가스 주입 여부에 대한 여과실험 결과를 나타낸 그래프;

도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따른 벤토나이트 플럭의 여과에 의해 생성된 케이크 내의 공간율을 이론적으로 계산한 그래프;

도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 벤토나이트 플럭의 여과에 의해 생성된 케이크 내의 액압 분포를 이론적으로 계산한 그래프; 및

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 1 무게% 탄산칼슘 현탁액의 여과에서 CO₂ 가스 포화 여부에 대한 여과실험 결과를 나타낸 그래프.

본 발명은 기체 포화에 의한 케이크 여과의 여과 속도 향상 방법에 관한 것이다. 특히, 본 발명의 기체 포화 케이크 여과 공정에 있어서, 여과대상 현탁액에 가스를 포화시킴에 따라 압축성 케이크의 여과 속도가 2배 이상 증가하는 현상을 이용하여, 하수처리장의 고액분리 공정에서 발생하는 잉여 슬러지 등과 같은 압축성 케이크를 형성시키는 물질의 탈수를 위한 여과 공정에서, 그 여과 속도를 대폭 향상시킴으로써 고액분리 효율을 상승시키는 기체 포화에 의한 케이크 여과의 여과 속도 향상 방법에 대한 것이다.

사람의 일상 생활과 관련하여 화장실이나 목욕탕, 주방 등에서 배출되는 오·페수 또는 가축의 분뇨나 축산 폐수 등은 일차적으로 각 가정이나 산업체에 설치된 오수 정화시설 또는 정화조 등을 거친 후, 최종적으로 하수종말처리장이나 오·폐수처리장에서 처리되고 있다.

이러한 오·폐수처리장에서 발생된 슬러지(sludge)는 다량의 수분을 포함하고 있기 때문에 최적의 정화 처리 공정을 수행하기 위해서는 슬러지의 탈수처리 공정인 고액분리공정이 반드시 수반되어야만 한다.

고액분리(solid-liquid separation; SLS) 분야는 여과 대상 현탁액으로부터 고체물질을 분리시키기 위한 공정으로서, 각종 화학 산업, 제약 산업 및 환경 분야에서 널리 이용되고 있다. 고액분리 공정에는 감압 또는 가압여과, 원심분리가 포함되고, 상하수도 및 산업 폐수 처리에서의 슬러지 처리, 각종 폐기물 또는 폐액의 처리에서도 폭 넓게 사용되고 있다. 이 외에도 오·폐수처리 결과 발생한 물질의 수송, 건조, 폐기물의 소각 및 매립을 위한 전처리에도 사용될 수 있다.

고액분리 공정 중에서도 케이크 여과(cake filtration) 공정은 과거부터 현재까지 가장 많이 사용되며 또한 많은 연구가 진행되고 있다. 케이크 여과 이론은 과거 60여 년간 많은 발전을 이루었다. 1953년 틸러(Tiller)가 여과 케이크 내의 압력 분포를 계산하여, 케이크 내부 현상에 대한 분석을 근간으로 하는 현대 여과 이론을 시작했다. 이 케이크 내의 압력 분포를 사용하여 틸러는 1962년 여과 케이크 내의 공간율 분포를 계산하였으며, 이를 기반으로 1973년에는 압축성이 매우 큰 케이크의 공간율 분포의 계산에 의거하여 치밀층(dense skin)이라는 개념을 제안하였다.

이 이론에 의하면 플럭(floc) 여과와 같이 매우 압축성이 큰 케이크가 형성되는 케이크 여과의 경우, 케이크 내의 여과 매체와 접하는 아주 얇은 부분에 공간율이 작고 물을 잘 통과시키지 않는 치밀층이 형성된다. 이러한 치밀층이 형성되는 고압축성 케이크는 다음과 같은 특성을 가진다.

첫째, 치밀층을 치밀하지 않은 층과 구분하는 명확한 개념은 아직 존재하지 않으나, 치밀층이 케이크 전체의 5~10% 정도를 차지한다. 그리고, 나머지 90% 이상의 치밀하지 않은 케이크 부분은 수분 함량이 매우 높아 여과대상물질의 수분함량과 크게 다르지 않다.

둘째, 여과 압력을 증가시키면 치밀층의 치밀도가 더욱 증가한다. 특히 여 과 매체에 접촉하는 부분의 치밀도가 크게 증가한다. 여과 압력의 증가에도 불구하고 나머지 치밀하지 않은 부분은 계속 치밀하지 않은 생태로 유지된다.

셋째, 높은 압력에 의해 증가된 치밀한 부분은 물의 흐름을 느리게 하여 케이크 전체의 평균 비저항 값이 상당히 큰 정도로 증가하게 된다.

넷째, 그러므로 압력의 증가가 여과속도의 증가로 귀결(歸結)되지 않는다.

다섯째, 압력의 증가에 의해 영향을 받는 치밀층은 두께가 매우 얇으므로, 높은 압력에 의한 여과로 함수량이 작은 케이크가 형성되지 않는다.

결론적으로 압축성이 큰 케이크를 형성하는 여과에서는 높은 압력에서도 여과속도가 빨라지지 않으며, 케이크의 함수율도 증가되지 않는다. 보통 정도의 압축성을 가진 케이크에 의한 여과에서는 여과압력을 높이면 압력에 거의 비례하여 여과속도가 증가하며, 함수율이 적은 케이크를 얻을 수 있다. 그러나 앞에서 분석한 이유로 인하여 현재까지 플럭과 같은 압축성이 큰 물질의 여과에서는 여과속도를 증진시키기 위한 방법이 제시되지 못하고 있는 실정이다.

따라서, 본 발명은 높은 압력에도 여과 속도가 증가하지 않는 압축성이 큰 물질의 여과에서 여과속도를 증진시키기 위하여 기체 포화에 의한 케이크 여과의 여과 속도 향상 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 여과 대상 현탁액에 물에 잘 녹는 기체를 포화시키는 단계, 및 상기 기체로 포화된 현탁액을 여과시키는 단계를 포함하는 케이크 여과의 여과 속도 향상 방법을 제공한다.

이하, 본 발명을 상세하게 설명한다.

본 발명은 (a) 여과 대상 현탁액에 물에 잘 녹는 기체를 포화시키는 단계, 및 (b) 상기 기체로 포화된 현탁액을 여과시키는 단계를 포함하는 케이크 여과의 여과 속도 향상 방법을 제공한다.

단계 (a)는 여과 대상 현탁액에 물에 잘 녹는 기체를 포화시키는 과정을 포함한다.

본 발명에 있어서, 상기 케이크는 압축성 케이크 물질 또는 비압축성 케이크 물질을 포함하며, 상기 압축성 케이크 물질은 예컨대, 벤토나이트 플록과 같은 화학 플럭 및 폐활성 슬러지 등일 수 있고, 상기 비압축성 케이크 물질은 탄산칼슘 현탁액으로부터 형성되는 것과 같은 입자성 현탁액일 수 있으나, 이에만 한정되지 않는다.

상기 기체로는 물에 쉽게 또는 많이 녹는 기체를 사용하는 것이 바람직하며, 구체적인 예로는 H₂, O₂, N₂, CO₂ 및 암모니아 등을 들 수 있다. 여과 전에 여과 대상 현탁액에 상기 기체를 먼저 포화시킨 후 여과를 수행함으로써 여과 속도를 향상시킬 수 있다. 이는 일반적인 플럭으로 직접 여과를 수행하는 것보다 플럭에 기체를 포화시켜 여과를 수행하면, 여과 비저항 값이 대폭적으로 감소하며 이것은 여과 속도가 여과 비저항 값에 역비례적으로 크게 증가하였음을 의미한다.

본 발명은 압축성이 큰 벤토나이트 플럭의 여과 공정에서 포화 기체로 CO₂ 가스를 사용하는 경우, 여과 속도를 크게 향상시킬 수 있다.

단계 (b)는 상기 단계 (a)에서 얻어진 기체로 포화된 현탁액을 여과시키는 과정을 포함한다.

상기 여과는 데드 엔드 여과 방식(dead end filtration)에만 한정되는 것이 아니며, 교차 흐름 여과 방식(cross flow filtration)의 고액분리공정에도 적용될 수 있다.

막을 사용하는 여과 방식에는 데드 엔드 여과(dead end filtration)방식과 교차 흐름 여과(cross flow filtration)방식 등이 있다. 데드 엔드 여과방식은 여과막 공급액을 순환시키는 것 없이 전량을 여과하는 방식으로 전량 여과방식이라고도 하고, 교차 흐름 여과 방식은 공급액을 여과막 면에 평행하게 흐르게 하고 막을 투과하는 물이 공급액과는 직각 방향으로 흐르도록 하는 여과방식으로 십자류 여과방식이라고도 한다.

상기 교차 흐름 여과 방식은 여과막 면에 슬러지 혼합액이 투과 유속의 수 배 내지 수십 배의 상당한 유속으로 흐르기 때문에 막의 폐색을 늦추는 효과를 준다. 또한, 여과막 면이 항상 씻기는 상태로 있어 어떤 일정한 두께까지 케이크가 퇴적되지만 그 이상으로 두꺼워지기는 어렵다. 따라서, 교차 흐름 여과 방식은 침전물을 제거하고 동시에 여과막의 여과 저항을 감소시키는 작용을 하며, 투과 유속도 어떤 값까지는 낮아지지만 그 이하로는 되지 않는 이점을 갖는다. 그러나, 압축성이 큰 물질의 교차여과인 경우 치밀층만 여과막 위에 남고 나머지 부분이 떠내려가는 효과로 인해 여과저항이 대단히 증가하게 된다. 이런 경우 포화된 기체가 여과속도를 향상시키는 능력은 대단히 커지게 된다.

본 발명의 여과 케이크의 여과속도 향상 방법의 구현예를 설명하면 다음과 같다. 도 1은 본 발명에 대한 가압 여과 실험장치의 개략도로, 본 발명의 실험을 위한 케이크 여과 장치의 설계 모습을 나타낸 것이다.

도 1을 참조하면, 본 발명은 본 발명의 일 구현예인 가스 주입 장치를 가지는 기체 포화 케이크 여과 장치(100)를 통해 이루어진다. 여과매체(8)가 포함된 여과용기(1)는 상부의 마개(2)로 밀봉하여 가압할 수 있도록 제작된다. 압력을 조절하기 위한 압력게이지(5)를 포함하는 가스통(3)과 여과용기(1) 사이에 빈 용 기(6)가 포함되어 있고, 상기 빈 용기(6) 및 빈 용기(6)와 여과용기(1)를 잇는 도관(7)에는 입자제거수가 채워져 있다. 포화용 가스를 주입하기 위한 가스탱크(10)가 포함되어 있으며, 가스탱크(10)에서 단지시험기(Jar-tester)(4)의 현탁액까지 실리콘 튜브(11)로 연결되어 있다. 가스의 용해도를 높이기 위해 실리콘 튜브 끝에 산기관(12) 또는 좁은 관이 포함되어 있고, 가스의 주입 양을 조절하기 위해서 실리콘 튜브 중간에 유량계(13)가 설치되어 있다.

상기 빈 용기는 높은 압력의 기체가 여과대상 현탁액에 포화되어 여과에 미치는 영향을 막기 위함이다. 그러나, 본 발명에서 실제로는 여과대상 현탁액이 모두 여과되어 현탁액에 포함된 모든 입자를 케이크로 변환시킨 후, 이 케이크에 입자제거수를 통과시키기 위한 용도로 사용되었다.

CO₂ 가스 주입을 예로 들면 하기와 같이 행해진다. 여과대상 현탁액이 응집이 완료되면, CO₂ 가스탱크(10)에서 단지시험기(Jar-tester)(4)의 현탁액까지 실리콘 튜브(11)로 연결하여 충분한 시간 동안 너무 격렬하지 않게 가스를 주입하여 현탁액에 CO₂ 가스를 포화시킨다. 여과용기(1)에 상기 현탁액을 넣고 위의 마개(2)를 닫고 밀봉한 후, 압력게이지(5)의 압력을 조절하여 여과를 시작한다. 이때, 압력을 높이기 위한 가스통(3)과 여과용기(1) 사이에 빈 용기(6), 및 빈 용기(6)와 여과용기(1)를 잇는 도관(7)에 입자제거수를 채운다. 압력을 입자제거수가 들어있는 용기(6)에 공급하고, 여과가 진행되면 여과용기(1)에서 여과매체(8)를 통해 배출된 여액(9) 만큼의 입자제거수가 여과용기(1)에 공급된다.

이하, 본 발명을 실시예 및 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 단, 하기 실시예 및 도면들은 본 발명의 이해를 돕기 위해 제공되는 것으로 본 발명의 내용이 하기 도면의 일 실시예에 의해 제한되거나 한정되지 않음은 물론이다.

이하에서는 (a) 압축성 물질인 벤토나이트 플럭(floc)의 CO₂ 가스 주입 여부에 따른 여과실험과 (b) 비압축성 물질인 탄산칼슘 현탁액의 CO₂ 가스 주입 여부에 따른 여과실험을 비교하여 제시한다.

<실시예 1> 벤토나이트 플럭의 CO₂ 가스 주입 여부에 따른 여과실험

벤토나이트 4 g을 500 mL 입자제거수에 넣어 30분 동안 250 분당회전수(revolution per minute; rpm)로 교반하여 현탁액을 제조하였다. 이 현탁액에 1% 양이온 고분자 응집제(SC-581) 10 mL를 첨가하여, 4분간 급속 교반한 후 10분간 완속 교반하여 압축성 물질인 벤토나이트 플럭을 형성시켰으며 급속교반과 완속교반의 시간과 강도는 예비실험을 통해 결정하였다. 이것을 7분간 침전시켜 190~200 mL의 침전물을 형성시키고 CO₂ 가스를 포화시키지 않은 상태에서 이 침전물을 여과 용기에 넣고 여과를 시작하였으며, CO₂ 가스를 포화시킬 때에도 상기 언급한 방법으로 수행하였다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 벤토나이트 플럭의 CO₂ 가스 주입 여부에 대한 여과실험 결과를 나타낸 그래프이다. 도 2의 결과를 사용하면, 케이크 여과 장치의 설계 및 케이크 여과 이론의 전개에서 가장 큰 역할을 하는 여과 평균 비저항값(average specific cake resistance)을 계산할 수 있다. 여과 평균 비저항값, α_av는 CO₂ 가스를 넣지 않은 통상적인 여과실험의 결과 6.56×10¹¹ m/kg이었고, CO₂ 가스를 포화시켜 여과 실험한 평균 비저항 값은 2.72×10¹¹ m/kg이었다. CO₂ 가스를 포화시켰을 때, 여과 평균 비저항 값이 약 1/2.4로 감소(58.5% 감소)하였다. 이것은 여과 속도가 두 배 이상 증가하였다는 것을 의미한다.

도 3a 및 도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 벤토나이트 플럭의 여과에 의해 생성된 케이크 내의 공간율 및 액압 분포를 이론적으로 계산한 그래프이다. 각각 케이크 두께에 따른 공간율 분포(도 3a)와 액압 분포(도 3b)를 나타내었으며, x축의 x/L가 0인 부분은 여과 매체와 접하고 있는 케이크의 끝 부분이며, x/L가 1인 부분은 현탁액과 접하고 있는 케이크의 시작 부분이다.

보는 사람의 관점에 따라 차이가 있을 수 있으나, 도 3a에서 현탁액과 케이 크가 만나는 경계면(x/L=1)으로부터 케이크 두께의 70%까지는 공간율이 크게 변화하지 않고, 공간율의 값도 0.98 이상으로 여과 대상물질인 침전 플럭과 큰 차이가 없다. 그러나 여과매체와 접하고 있는 케이크에서 근접한 부분(x/L=0)에서는 공간율이 급격히 감소함을 알 수 있다. 명확한 경계를 정할 수는 없으나 이 공간율이 작은 부분을 틸러(Tiller)와 그린(Green)은 치밀층(dense skin)이라고 명명하였다. 치밀층의 존재는 1973년에 이론적으로만 예측되었으나, 1984년에 본 발명자에 의해 실험적으로 그 존재가 확인되었다. 이와 같이 여과 매체 부근에서 케이크의 특성이 급변하는 현상은 도 3b의 액압 분포에서 더 현저하다. 이 압축성이 매우 큰 케이크에서는, 전체 케이크 두께의 대부분에서는 압력의 변화가 크지 않고, 여과 매체와 접하고 있는 케이크 부분인 치밀층에서는 전체 케이크 두께의 7% 이내의 부분에서 전체 압력의 93.5%가 변화한다.

벤토나이트 플럭의 여과에서 CO₂ 가스 포화시킨 경우 여과속도가 빨라지는 현상을 이 치밀층에서의 압력변화와 연관지어 설명할 수 있었다. 즉, 거의 포화된 CO₂ 가스를 가진 액체가 형성된 케이크를 통과할 때, 90%의 두께를 통과할 때까지는 압력의 변화가 거의 없으므로 그대로 액체에 녹아있는 상태로 유지된다. 그 후에 치밀층에서는 도 3b에서와 같이 압력이 급속히 낮아지므로 CO₂ 가스의 용해도가 감소하게 된다. 녹아있던 CO₂ 가스는 치밀층 내부에서 상(相)이 변화하여 기체 상태로 바뀌어 일정한 부피를 가지게 되어 실제적인 작은 공간을 만든다고 생각한다. 이렇게 형성된 공간은 물이 흐르는 길을 마련하게 되고 이로 인하여 여과속도가 증가 한다고 잠정적으로 가정하였고, 실제로 실험 도중 여과 매체 아래 부분에서는 계속 공기방울이 나오는 것을 확인하였다.

<실시예 2> 탄산칼슘 현탁액의 CO₂ 가스 주입 여부에 따른 여과실험

비압축성 물질인 탄산칼슘의 농도 1 무게% 현탁액에 대해 1기압에서 CO₂ 가스의 포화 없이 통상적인 방법으로 여과실험을 수행하였다. CO₂ 가스를 포화시킬 때에는 약 3분간 기포를 현탁액에 통과시킨 후 여과실험을 수행하였다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 1 무게% 탄산칼슘 현탁액의 여과에서 CO₂ 가스 포화 여부에 대한 여과실험 결과를 나타낸 그래프이다. 도 4를 사용하여, 여과 평균 비저항, α_av를 계산하면 CO₂ 가스를 넣지 않은 경우, 1.16×10¹² m/kg 및 CO₂ 가스를 넣은 경우, 50×10¹¹ m/kg의 결과를 각각 얻을 수 있다.

CO₂ 가스를 포화시켰을 경우가 그렇지 않을 경우보다 여과 평균 비저항 값이 11% 감소하여 CO₂ 가스를 사용했을 때 여과 속도가 증가함을 확인할 수 있었다. 그러나, 벤토나이트 플럭의 경우 CO₂ 가스에 의해 평균 비저항 값이 58.5%가 감소한 것에 비하면 그다지 많이 감소하지는 않은 것이다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 여과대상 현탁액에 가스를 포화시킴에 따라 압축성 케이크의 여과 속도가 2배 이상 증가하는 현상을 이용하여, 하수처리장의 고액분리 공정에서 발생하는 잉여 슬러지 등과 같은 압축성 케이크를 형성시키는 물질의 탈수를 위한 여과 공정에서, 그 여과 속도를 대폭 향상시킴으로써 고액분리 효율을 상승시켜 에너지 효율면에서 유리할 것으로 기대된다.

Claims (5)

1. 여과 대상 현탁액에 기체를 포화시키는 단계; 및

   상기 기체로 포화된 현탁액을 여과시키는 단계

   를 포함하는 벤토나이트 플록을 포함한 화학 플럭 및 폐활성 슬러지로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 1종 이상의 케이크, 또는 탄산칼슘 현탁액을 포함한 입자성 현탁액으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 1종 이상의 케이크의 기체 포화에 의한 케이크 여과의 여과 속도 향상 방법.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서, 상기 기체는 H₂, O₂, N₂, CO₂, 및 암모니아 가스로 이루어지는 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 기체 포화에 의한 케이크 여과의 여과 속도 향상 방법.
4. 여과 대상 현탁액에 기체를 포화시키는 단계; 및

   상기 기체로 포화된 현탁액을 여과시키는 단계를 포함하는 기체 포화에 의한 케이크 여과의 여과 속도 향상 방법에 있어서, 상기 여과는 데드 엔드 여과 방식(dead-end filtration) 또는 교차 흐름 여과 방식(cross flow filtration)을 포함하는 고액분리공정에서 수행되는 것임을 특징으로 하는 기체 포화에 의한 케이크 여과의 여과 속도 향상 방법.
5. 제4항에 있어서, 상기 기체는 H₂, O₂, N₂, CO₂, 및 암모니아 가스로 이루어지는 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 기체 포화에 의한 케이크 여과의 여과 속도 향상 방법.

Images