KR101370327B1 - 저압형 이산화탄소의 용해방법 및 장치 - Google Patents

저압형 이산화탄소의 용해방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 정수 pH 조절용 저압형 이산화탄소의 용해방법 및 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 정수처리장에 유입되는 원수의 pH를 조절하기 위한 효율적인 저압형 이산화탄소의 용해방법 및 장치에 관한 것이다.
본 발명의 정수 pH 조절용 저압형 이산화탄소 용해장치를 이용하여 기액비(0.06 내지 1.0)를 바꾸어가면서 저압형 이산화탄소 용해실험을 수행 한 결과, 최소의 기액비인 0.06에서도 30초 이내에 pH 6정도를 나타내어 본 발명의 이산화탄소 용해장치가 효율적으로 운전됨을 확인할 수 있다. 또한, 2 kgf/cm2 이하의 저압에서도 평균 100 ㎛의 초미세 이산화탄소 기포가 만들어지면서 효율적으로 용해되었으며, 출구의 이산화탄소 농도는 검지관으로 측정한 결과 2000 내지 4000 ppm을 나타내었으며, 이는 이산화탄소 활용비율이 99.7%임을 나타내는 것을 확인할 수 있다. 상기 방법으로 pH가 조절된 경우 pH를 조절하지 않은 원수에 비해 적은양의 응집제로도 유기물 제거효율이 상당히 증가하는 것을 확인할 수 있다.

Description

저압형 이산화탄소의 용해방법 및 장치{The Dissolution Method and Apparatus for Carbon Dioxide at Low Pressure}
본 발명은 정수 pH 조절용 저압형 이산화탄소의 용해방법 및 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 정수처리장에 유입되는 원수의 pH를 조절하기 위한 효율적인 저압형 이산화탄소의 용해방법 및 장치에 관한 것이다.
기존 상수원의 수질악화로 인하여 효율적인 유기물 제거를 위한 다각적인 연구가 진행되고 있다. 국내에서도 봄, 가을 조류변성으로 pH가 상승하는 경우(팔당댐의 경우 최근 1년에 200여일 이상 평균 pH가 7.5 이상을 나타냄), 정수처리공정에서 응집효율이 저하되면서 응집제의 요구량이 증가하게 된다. 이러한 현상에 대응하기 위하여 상수원수에 황산과 같은 산성 물질을 주입하여 원수의 pH를 적정수준으로 낮추어 최적량의 응집제를 투여하는 최적응집개념이 제시되고 있다. 하지만, 황산은 부식성이 강하고 독성이 있기 때문에 황산을 주입하지 않고 이산화탄소를 사용하여 정수의 pH를 조절하는 연구가 진행되고 있다.
대한민국 등록특허공보 제10-0672055호 및 제10-0982095호에도 개시되어 있는 바와 같이, 이산화탄소를 사용하는 경우, 원수 속에서 해리된 탄산이 원수의 알카리농도를 증진시켜 완충능력을 갖도록 하며 물 수송배관 내부의 부식을 방지할 수 있어 선진국에서는 황산 대신 이산화탄소로 대체하는 추세에 있다. 현재 수처리 공정에서 기체 용해기술은 산기장치를 이용하여 이산화탄소를 용해할 수 있으나, 이는 용해효율이 떨어지는 단점이 있다. 또한, 고압(7~10 kgf/cm2)에서 이산화탄소 기체를 용해시켜 미세기포를 만드는 가압 탱크식 용해기술이 있으나, 이 또한 고압에서 반응이 이루어지기 때문에 가압에 의한 과다한 동력비용의 문제점을 가지고 있다.
이에 본 발명자들은 보다 경제적으로 정수 pH 조절용 저압형 이산화탄소 용해 방법 및 장치를 개발하기 위해 예의 연구 노력한 결과, 산기장치 또는 고압(7~10 kgf/cm2)으로 기체를 용해시키지 않고, 저압(2 kgf/cm2이하)에서 95% 이상의 이산화탄소 용해율을 갖는 것을 확인하고 본 발명을 완성하게 되었다.
본 발명의 목적은 저압(2 kgf/cm2이하)에서 95% 이상의 이산화탄소 용해율을 갖는 정수 pH 조절용 저압형 이산화탄소 용해방법 및 장치를 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 이산화탄소 저장탱크: 취수저장소로부터 물이 펌프에 의해서 공급되고, 이산화탄소 저장조에서 이산화탄소가 도입되어 이산화탄소를 물에 자연흡입시키는 벤츄리; 상기 벤츄리를 통과한 이산화탄소와 물이 하단부로 공급되고, 내부 압력은 1.5 내지 2.0 kgf/cm2으로 유지되는 반응기; 상기 반응기 내부의 상부에 설치되어 상기 벤츄리로부터 도입된 이산화탄소가 충돌되어 30 내지 200 ㎛인 이산화탄소 미세기포가 물에 분산되도록 하는 충돌판; 상기 충돌판에 의해서 분산된 이산화탄소 미세기포를 포함한 물이 배출되어 정수조로 이송되도록 하는 배출구;를 포함하는 정수처리장에서 유입되는 원수에 이산화탄소를 용해시키는 저압형 이산화탄소 용해장치를 제공한다.
본 발명은 또한, 취수저장소로부터 물이 펌프에 의해서 공급되고, 이산화탄소 저장조에서 이산화탄소가 도입되어 이산화탄소를 물에 자연흡입시키는 벤츄리 (a) 취수 저장소로부터 공급되는 물을 펌프에 의해서 순환시키는 단계; (b) 펌프에 의해 순환되는 물에 이산화탄소 저장탱크에서 공급되는 이산화탄소를 벤츄리를 통해 자연 흡입시키는 단계; (c) 상기 벤츄리에서 배출되는 이산화탄소와 물이 내부 압력은 1.5 내지 2.0 kgf/cm2으로 유지되는 반응기 하단부로 도입되어 반응기 중심에 설치된 파이프를 통해 상부로 이동하는 단계; (d) 상부로 이동한 상기 이산화탄소와 물이 반응기 상부에 설치된 충돌판에 높은 유속으로 충돌되어 30 내지 200 ㎛인 이산화탄소 미세기포가 물에 분산되는 단계; (e) 이산화탄소 미세기포를 포함한 물이 배출구를 통하여 배출되어 정수조로 유입되는 단계를 포함하는 정수처리장에서 유입되는 원수에 대한 저압형 이산화탄소 용해방법을 제공한다.
본 발명에 따른 정수 pH 조절용 저압형 이산화탄소의 용해 방법 및 장치는 기존 상수원의 수질악화로 인하여 정수처리장 응집공정에서의 유기물을 효율적으로 제거할 수 있으며, 황산을 사용하지 않고 이산화탄소를 사용하여 원수 속에서 해리된 탄산이 원수의 알카리농도를 증진시켜 완충능력을 갖도록 하며 물 수송배관 내부의 부식을 방지할 수 있다. 또한, 고압(7~10 kgf/cm2)에서 이산화탄소 기체를 용해시켜 미세기포를 만드는 가압 탱크식에 비해, 저압(2 kgf/cm2이하)에서 반응이 이루어지기 때문에 가압에 의한 과다한 동력비용을 절감할 수 있다.
도 1은 저압형 이산화탄소의 용해장치의 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 저압형 이산화탄소 용해장치 반응기(50-a)의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 저압형 이산화탄소 용해상태에 관한 것이다.
도 4는 본 발명의 저압형 이산화탄소 용해장치 반응기(50-b)의 단면도이다.
도 5는 본 발명의 pH 조절용 저압형 이산화탄소 용해실험장치 출구의 이산화탄소 농도를 검지관으로 측정한 것이다.
도 6은 기액비 조건별(액체유량 17 L/min, CO2유량 1 L/min) 시간에 따른 정수 pH 변화를 나타낸 것이다.
도 7은 기액비 조건별(액체유량 17 L/min, CO2유량 2 L/min) 시간에 따른 정수 pH 변화를 나타낸 것이다.
도 8은 기액비 조건별(액체유량 7.3 L/min, CO2유량 3 L/min) 시간에 따른 정수 pH 변화를 나타낸 것이다.
도 9는 기액비 조건별(액체유량 8 L/min, CO2유량 8 L/min) 시간에 따른 정수 pH 변화를 나타낸 것이다.
도 10은 pH 조건별 응집제 주입량에 따른 TOC 변화를 나타낸 것이다.
다른 식으로 정의되지 않는 한, 본 명세서에서 사용된 모든 기술적 및 과학적 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 숙련된 전문가에 의해서 통상적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 일반적으로, 본 명세서에서 사용된 명명법은 본 기술 분야에서 잘 알려져 있고 통상적으로 사용되는 것이다. 본 발명에서 지칭하는 저압은 2 kgf/cm2 이하를 지칭하는 것으로, 저압에서 운전되는 장치이면 저압형 장치라고한다.
본 발명은 일 관점에서, 이산화탄소 저장탱크: 취수저장소로부터 물이 펌프에 의해서 공급되고, 이산화탄소 저장조에서 이산화탄소가 도입되어 이산화탄소를 물에 자연흡입시키는 벤츄리; 상기 벤츄리를 통과한 이산화탄소와 물이 하단부로 공급되고, 내부 압력은 1.5 내지 2.0 kgf/cm2으로 유지되는 반응기; 상기 반응기 내부의 상부에 설치되어 상기 벤츄리로부터 도입된 이산화탄소가 충돌되어 30 내지 200 ㎛인 이산화탄소 미세기포가 물에 분산되도록 하는 충돌판; 상기 충돌판에 의해서 분산된 이산화탄소 미세기포를 포함한 물이 배출되어 정수조로 이송되도록 하는 배출구;를 포함하는 정수처리장에서 유입되는 원수에 이산화탄소를 용해시키는 저압형 이산화탄소 용해장치에 관한 것이다.
보다 구체적으로, 상기 반응기는 중심부에 상기 벤츄리로부터 도입된 이산화탄소가 상부로 이동할 수 있는 파이프가 포함되고, 반응기 상부에 충돌판이 설치되어 있는 것이 바람직하다. 본 발명에 따른 정수 pH 조절용 저압형 이산화탄소의 용해방법 및 장치는 도 1에 나타난 바와 같이, 취수 저장소로부터 공급되는 물은 펌프에 의해 순환되고, 벤츄리를 통해 이산화탄소를 자연 흡입 시키고 반응기로 주입되고 반응기 하단부로 배출되어 정수조로 유입되는 흐름도를 나타낸 것이다. 보다 상세하게는 취수저장소와 저압형 이산화탄소 용해장치를 거쳐 정수조로 연결되는 구성이며, 상기 저압형 이산화탄소 용해장치는 액체유량계, 유량계, 벤츄리 및 반응기(미세기포장치)를 포함하는 구성이다. 또한, 상기 반응기 하부에 형성되어 있는 배출구에서 배출되는 물의 pH를 측정하는 pH 측정기를 포함하고, 상기 pH 측정기에서 측정된 pH값이 입력되어 상기 반응기 내부의 pH를 제어하기 위하여 상기 이산화탄소 저장 탱크의 유량을 제어하는 pH 제어기를 포함하는 것이 바람직하다.
도 2는 본 발명의 저압형 이산화탄소 용해장치의 반응기(50-a) 단면도를 나타낸 것으로 반응기는 하단부의 주입구(51), 중심부에 설치된 파이프(52), 상부에 설치된 충돌판(53) 및 하단부의 배출구(54)를 포함한다.
이때, 상기 반응기는 그 내부의 액체를 외부로 배출할 수 있도록 한 배수구(56) 및 장치의 조립 또는 청소를 용이하게 하기 위한 플렌지(57)를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 반응기는 그 형태가 특별히 한정되는 것은 아니지만, 길이방향으로 확장된 원통형 형상을 갖는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 저압형 이산화탄소 용해장치의 반응기(50-a)는 이산화탄소와 물이 반응기 하단부의 주입구(51)를 통하여 반응기 내부로 유입되고, 반응기 중심부의 파이프(52)를 통하여 상부로 이동하게 되며 반응기 상부에 설치된 충돌판(53)에 높은 유속으로 충돌하고 충돌판에 의해서 분산된 이산화탄소 미세기포를 포함한 물이 반응기 하단부의 배출구(54)를 통하여 정수조로 연결되는 저압형 이산화탄소 용해장치에 관한 것이다.
이때, 상기 파이프(52)는 반응기(50-a)의 길이방향을 따라 확장되도록 반응기 내부에 구비되는 것이 좋고, 상기 충돌판(53)은 파이프(52)의 종단 직경보다 큰 면적을 갖는 판상 형태인 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 따른 반응기(50-a)는 이산화탄소가 물에 용이하게 용해되도록 방해판(55)을 더 포함할 수 있으며, 방해판(55)은 파이프(52) 종단부 보다 낮은 위치 또는 배출구(54) 위치 보다 높은 위치 또는 이들 위치 모두에 더 설치 할 수 있다.
여기서, 상기 방해판(55)은 표면에 원형의 구멍을 일정한 간격으로 설치하여 초미세기포를 포함하는 액체의 흐름을 방해하도록 한다
도 3은 이산화탄소와 물이 반응기 중심에 설치된 파이프를 통해 상부로 이동하여, 반응기 상부에 설치된 충돌판에 높은 유속으로 충돌 및 분산되어 초미세 이산화탄소 기포가 용해되어 있는 상태의 화보이다.
도 4는 본 발명의 저압형 이산화탄소 용해장치의 반응기(50-b) 단면도를 나타낸 것으로 반응기는 하단부의 주입구(51), 중심부에 설치된 나선형의 파이프(52), 상부에 설치된 충돌판(53) 및 상단부의 배출구(54)를 포함한다.
이때, 상기 반응기는 그 내부의 액체를 외부로 배출할 수 있도록 한 배수구(56)를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 반응기는 그 형태가 특별히 한정되는 것은 아니지만, 길이방향으로 확장된 원통형 형상을 갖는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 저압형 이산화탄소 용해장치의 반응기(50-b)는 이산화탄소와 물이 반응기 하단부의 주입구(51)를 통하여 반응기 내부로 유입되고, 반응기 중심부의 파이프(52)를 통하여 상부로 이동하게 되고, 반응기 상부에 설치된 충돌판(53)에 높은 유속으로 충돌하고 충돌판에 의해서 분산된 이산화탄소 미세기포를 포함한 물이 반응기 상단부의 배출구(54)를 통하여 정수조로 연결되는 저압형 이산화탄소 용해장치에 관한 것이다.
이때, 상기 파이프(52)는 반응기(50-b)의 길이 방향을 따라 확장된 나선형, 예를 들면 상방향으로 확장된 나선형 형태일 수 있다. 상기 나선형 형태는 파이프(52)로 유입된 기체 및 액체의 혼합액이 나선형 형태의 파이프(52)를 따라 이동하며 유속이 증가하도록 한다.
여기서, 파이프(52)가 나선형 형태로 구성됨에 따라, 단순히 길이 방향으로 확장된 관 형태로 파이프를 구성하는 것 보다 동일한 압력조건일 때 보다 난류에 의한 빠른 유속을 제공하여 용이하게 초미세기포를 형성할 수 있다.
다른 특정 양태로서, 본 발명에 따른 파이프(52), 특정적으로 나선형 형태를 갖는 파이프의 말단(58)은 파이프(52)를 통과하는 혼합액의 유속을 증가시키기 위해 말단(24)으로 갈수록 직경이 감소하는 형태, 예를 들면 원추형 형태로 마무리 될 수도 있다.
또한, 본 발명에 따른 충돌판(53)은 상기 파이프(52)와 인접하도록 설치되어 파이프(52)의 말단(58), 예를 들면 파이프(52)의 말단에 구비된 원추형 말단(58)으로부터 배출되는 혼합액이 충돌하며 초미세기포를 형성하도록 한다.
이때, 상기 충돌판(53)은 파이프(52)의 말단 직경보다 큰 면적을 갖는 형태를 가질 수 있다.
여기서, 상기 기체와 액체의 용이한 접촉을 위해 상기 충돌판(53)은 혼합액과 충돌하는 부분이 볼록하게 튀어나온 형태 또는 오목하게 만곡된 형태로 형성될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 반응기(50-b)는 이산화탄소가 물에 용이하게 용해되도록 방해판(55)을 더 포함할 수 있으며, 방해판(55)은 충돌판(53)과 배출구(54) 사이에 설치할 수 있다.
여기서, 상기 방해판(55)은 반응기(50-b)의 길이방향을 기준으로 수직의 판상으로서, 판상의 표면에 원형의 구멍을 일정한 간격으로 설치하여 초미세기포를 포함하는 액체의 흐름을 방해하도록 한다.
본 발명은 다른 관점에서, 취수저장소로부터 물이 펌프에 의해서 공급되고, 이산화탄소 저장조에서 이산화탄소가 도입되어 이산화탄소를 물에 자연흡입시키는 벤츄리 (a) 취수 저장소로부터 공급되는 물을 펌프에 의해서 순환시키는 단계; (b) 펌프에 의해 순환되는 물에 이산화탄소 저장탱크에서 공급되는 이산화탄소를 벤츄리를 통해 자연 흡입시키는 단계; (c) 상기 벤츄리에서 배출되는 이산화탄소와 물이 내부 압력은 1.5 내지 2.0 kgf/cm2으로 유지되는 반응기 하단부로 도입되어 반응기 중심에 설치된 파이프를 통해 상부로 이동하는 단계; (d) 상부로 이동한 상기 이산화탄소와 물이 반응기 상부에 설치된 충돌판에 높은 유속으로 충돌되어 30 내지 200 ㎛인 이산화탄소 미세기포가 물에 분산되는 단계; (e) 이산화탄소 미세기포를 포함한 물이 배출구를 통하여 배출되어 정수조로 유입되는 단계를 포함하는 정수처리장에서 유입되는 원수에 대한 저압형 이산화탄소 용해방법에 관한 것이다.
또한, 상기 (e)단계 이후에 (f) 상기 배출구에서 배출되는 물의 pH 값을 측정하는 단계; (g) 측정된 상기 pH 값을 pH 제어기로 전송하는 단계; (h) 전송된 상기 pH 값에 따라서 상기 이산화탄소 저장 탱크의 유량을 제어하는 단계를 포함하는 저압형 이산화탄소 용해방법을 제공한다.
보다 구체적으로, 본 발명의 취수저장소로부터 공급되는 물은 펌프에 의해 순환되고 펌프에 의해 순환되는 물은 벤츄리를 통해 이산화탄소를 자연 흡입시키고 반응기 하부로 유입된 후, 반응기 중심에 설치된 파이프를 통해 상부로 이동한다. 상부에 설치된 충돌판에 높은 유속으로 충돌 및 분산되어 이산화탄소 미세기포를 포함한 물이 반응기 하부로 배출되어 정수조로 유입되는 단계를 거치며 상기 반응기에서 이산화탄소와 물이 체류되는 시간이 1분 이하인 것이 바람직하며, 0.1분 이하인 것이 더욱 바람직하다. 본 반응기를 사용할 경우 이산화탄소는 충돌판에서 분산되어 미세기포화되며 짧은 시간에 용해되기 때문에 일정시간 이상으로 체류시간이 커질 경우 용해율의 증가 없이 반응기의 크기만 비례하여 커지게 된다. 또한, 이산화탄소 미세기포는 5 내지 200 ㎛인 것이 바람직하고, 30 내지 200 ㎛인 것이 가장 바람직하다. 미세기포 크기가 30㎛ 이하인 경우 미세기포발생에 동력이 많이 소모되는 반면 용해율에서는 큰 차이가 없으며, 200㎛ 이상일 경우 용해율이 급격히 떨어지게 된다.
본 발명의 정수 pH 조절용 저압형 이산화탄소 용해실험에 사용된 이산화탄소는 99.9%의 액화 이산화탄소를 사용하여 수행하였으며, 출구의 이산화탄소 농도는 검지관으로 측정한 결과 2000 내지 4000 ppm(0.2 내지 0.4 vol%)를 나타내었다(도 5). 이는 이산화탄소 활용비율이 99.7%임을 나타내는 결과이다. 원가스 및 용해 후 배출 이산화탄소의 농도는 LMS potable detector를 이용하여 vol%로 측정하였다. 따라서, 본 발명의 정수 pH 조절용 저압형 이산화탄소의 용해방법으로 99% 이상의 이산화탄소가 용해되었음을 알 수 있다.
또한, 본 발명의 정수 pH 조절용 저압형 이산화탄소 용해실험에 의해 pH를 조절한 후 응집제 저감효과를 jar test를 통하여 수행하였다. 기존의 산성물질을 주입하여 원수의 pH를 적정 수준까지 낮춘 후, 최적량의 응집제를 투여하는 최적응집개념이 제시되고 있다. 이러한 최적응집개념을 적용 할 경우, 요구되는 과량의 응집제 투입 없이 효과적으로 소독부산물 전구물질인 자연유기물질(NOM) 제거효율을 높일 수 있는 장점이 있다.
본 발명에서는 이산화탄소를 이용한 pH 조정에 의한 정수처리공정에서 응집제 사용량을 감소시키기 위한 실험을 수행하였다. pH 조정을 하지 않은, 정수장 착수정의 원수(pH 8.26)와 이산화탄소를 이용하여 pH를 조절한 용액(pH 6.5)을 사용하여 응집제 주입량에 따른 TOC(Total Organic Carbon) 변화를 확인하였다. 이산화탄소를 이용하여 pH조절한 용액에 응집제를 주입했을 때 TOC는 원수에 응집제를 주입했을 때 보다 17%이상의 TOC제거율을 나타냈다.
실시예
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 예시하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지 않는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
실시예 1 : 기액비 조건별 시간에 따른 정수 pH 변화
본 발명에 따른 pH 조절용 저압형 이산화탄소 용해효율을 측정하기 위하여, 저압형 이산화탄소 용해실험에 사용된 원수 pH는 9.5, 펌프의 압력은 1.8 kgf/cm2에서 실험을 진행하였으며, 반응기 출구의 pH를 측정하여 기액비 조건별 시간에 빠른 정수 pH 변화를 측정하였다. 상기 실험장치에 pH 컨트롤러를 장착하여 pH가 제어되도록 하였으며, 취수저장소의 pH는 NaOH 1 mol 용액을 제조하여 pH를 조절하였다. 도 6 내지 도 9를 참고로 하여 본 발명에 따른 기액비 조건별 정수 pH 변화를 상세히 설명한다.
도 6 및 표 1은 최소의 기액비 즉, 0.06(액체유량 17 L/min, 기체유량 1 L/min)에서 시간에 따른 정수 pH 변화를 나타낸 것으로 30초 이내에 출구 pH가 6 정도를 나타내어 본 발명의 저압형 이산화탄소 용해장치가 효율적으로 운전됨을 확인할 수 있다.
시간(min) 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5
출구 pH 7.1 6.8 6.5 6.5 6.5 6.5 6.4 6.5 6.5
도 7 및 표 2는 기액비 0.12(액체유량 17 L/min, 기체유량 2 L/min)에서 시간에 따른 정수 pH 변화를 나타낸 것으로 2분 이내에 출구 pH가 6 정도를 나타내어 본 발명의 저압형 이산화탄소 용해장치가 효율적으로 운전됨을 확인할 수 있다.
시간(min) 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5
출구 pH 9.1 8.8 7.1 6.8 6.4 6.3 6.4 6.3 6.3
도 8 및 표 3은 기액비 0.41(액체유량 7.3 L/min, 기체유량 3 L/min)에서 시간에 따른 정수 pH 변화를 나타낸 것으로 30초 이내에 출구 pH가 6 정도를 나타내어 본 발명의 저압형 이산화탄소 용해장치가 효율적으로 운전됨을 확인할 수 있다.
시간(min) 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5
출구 pH 6.5 6.3 6.1 6.1 6.1 6.0 6.1 6.1 6.1
도 9 및 표 4는 기액비 1.00(액체유량 8 L/min, 기체유량 8 L/min)에서 시간에 따른 정수 pH 변화를 나타낸 것으로 60초 이내에 출구 pH가 6 정도를 나타내고 시간이 흐르면서 점차 감소하여 3분 이후에는 출구 pH가 6.0으로 매우 안정적임을 알 수 있고, 본 발명의 저압형 이산화탄소 용해장치가 효율적으로 운전됨을 확인할 수 있다.
시간(min) 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5
출구 pH 7.4 6.8 6.3 6.2 6.1 6.0 6.0 6.0 6.0
기액비(0.06 내지 1.0)를 바꾸어가면서 저압형 이산화탄소 용해실험을 수행 한 결과, 최소의 기액비인 0.06에서도 30초 이내에 pH 6정도를 나타내어 본 발명의 이산화탄소 용해장치가 효율적으로 운전됨을 확인할 수 있다. 또한, 2 kgf/cm2 이하의 저압에서도 평균 100 ㎛의 초미세 이산화탄소 기포가 만들어 지면서 효율적으로 용해되었으며, 출구의 이산화탄소 농도는 검지관으로 측정한 결과 2000 내지 4000 ppm을 나타내었으며, 이는 이산화탄소 활용비율이 99.7%임을 나타내는 것을 확인할 수 있다.
실시예 2 : pH 조건별 응집제 주입량에 따른 TOC 변화
본 발명에서는 이산화탄소를 이용한 pH 조정에 의한 정수처리공정에서 응집제 사용량을 감소시키기 위한 실험을 수행하였으며, 상기 실험에 사용된 원수는 2012년 4월 3일 대전시에 위치한 정수장 착수정의 원수를 채취하여 사용하였다. 상기 채취한 원수의 pH는 8.26, TOC는 1.25 mg/L, UV254는 3.5L/m를 나타내었으며, TOC와 UV254 값으로 나타내는 SUVA(Specitif UV Absorbance)는 2.8을 보여 자연유기물질(NOM)은 친수성 및 소수성 물질로 다양하게 구성되어 있음을 알 수 있다. 또한, 실험에 사용된 응집제는 정수처리장에서 많이 사용하는 PAC(Poly Aluminium Chloride)을 사용하였다.
상기 응집제 사용량을 감소시키기 위한 실험은 pH 조정을 하지 않은 정수장 착수정의 원수(pH uncontrolled)와 이산화탄소를 이용하여 pH 6.5로 조절한 용액(pH controlled to 6.5)을 사용하여 응집제(PAC) 주입량에 따른 TOC 변화를 도 10에 나타내었다. 응집제 PAC를 20 ppm 주입시 TOC 제거율은 pH 미조정시에는 33%(0.85 mg/L), 이산화탄소를 이용한 pH를 조정시에는 50%(0.6 mg/L)로 나타났다. 따라서, 적정한 범위내로 원수의 pH를 조정하면 적은양의 응집제로도 유기물 제거효율이 상당히 증가하는 것을 확인할 수 있다.
이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시태양일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서, 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.
A : 저압형 이산화탄소 용해실험장치
110 : 취수저장소
120 : 정수조
200 : 이산화탄소
10 : 펌프
20 : 벤츄리
30 : 압력계
40 : 밸브
50-a, 50-b : 반응기
51 : 유입구
52 : 파이프
53 : 충돌판
54 : 배출구
55 : 방해판
56 : 배수구
57 : 플렌지(Flange)
58 : 말단
60 : pH 측정기
100 : pH 제어기

Claims (7)

  1. 정수처리장에서 유입되는 원수에 이산화탄소를 용해시키는 저압형 이산화탄소 용해장치에 있어서,
    이산화탄소 저장탱크:
    취수저장소로부터 물이 펌프에 의해서 공급되고, 이산화탄소 저장탱크에서 이산화탄소가 도입되어 이산화탄소를 물에 자연흡입시키는 벤츄리;
    상기 벤츄리를 통과한 이산화탄소와 물이 하단부로 공급되고, 내부 압력은 1.5 내지 2.0 kgf/cm2으로 유지되는 반응기;
    상기 반응기 내부의 상부에 설치되어 상기 벤츄리로부터 도입된 이산화탄소가 충돌되어 30 내지 200 ㎛인 이산화탄소 미세기포가 물에 분산되도록 하는 충돌판;
    상기 충돌판에 의해서 분산된 이산화탄소 미세기포를 포함한 물이 배출되어 정수조로 이송되도록 하는 배출구; 상기 배출구의 하류에 설치되어, 배출되는 물의 pH를 측정하는 pH 측정기;
    상기 pH측정기에서 측정된 pH값이 입력되어 상기 반응기 내부의 pH를 제어하기 위하여 상기 이산화탄소 저장 탱크의 유량을 제어하는 pH 제어기를 포함하는 저압형 이산화탄소 용해장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 반응기는 중심부에 상기 벤츄리로부터 도입된 이산화탄소가 상부로 이동할 수 있는 파이프가 포함되어 있는 것을 특징으로 하는 저압형 이산화탄소 용해장치.
  3. 삭제
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 반응기에서 이산화탄소와 물이 체류되는 시간이 1분 이하인 저압형 이산화탄소 용해장치.
  5. 다음의 단계를 포함하는 정수처리장에서 유입되는 원수에 대한 저압형 이산화탄소 용해방법:
    (a) 취수 저장소로부터 공급되는 물을 펌프에 의해서 벤츄리로 공급시키는 단계;
    (b) 펌프에 의해 순환되는 물에 이산화탄소 저장탱크에서 공급되는 이산화탄소를 벤츄리를 통해 자연 흡입시키는 단계;
    (c) 상기 벤츄리에서 배출되는 이산화탄소와 물이 내부 압력은 1.5 내지 1.8 kgf/cm2으로 유지되는 반응기 하단부로 도입되어 반응기 중심에 설치된 파이프를 통해 상부로 이동하는 단계;
    (d) 상부로 이동한 상기 이산화탄소와 물이 반응기 상부에 설치된 충돌판에 높은 유속으로 충돌되어 30 내지 200 ㎛인 이산화탄소 미세기포가 물에 분산되는 단계;
    (e) 이산화탄소 미세기포를 포함한 물이 배출구를 통하여 배출되어 정수조로 유입되는 단계
    (f) 상기 배출구에서 배출되는 물의 pH 값을 측정하는 단계;
    (g) 측정된 상기 pH 값을 pH 제어기로 전송하는 단계;
    (h) 전송된 상기 pH 값에 따라서 상기 이산화탄소 저장 탱크의 유량을 제어하는 단계.
  6. 삭제
  7. 제 5항에 있어서,
    상기 반응기에서 이산화탄소와 물이 체류되는 시간이 1분 이하인 저압형 이산화탄소 용해방법.
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