기술 · 기포 특성 측정
기포 크기·발생량·전위 측정과 조절 방법
기포는 크기·발생량(BVC)·제타전위 3가지 특성으로 측정합니다. 크기는 화상분석(0.7㎛ 이상)과 입자계수(1~1,000㎛, 약 5분)로 직접 재고, 700nm 이하 나노기포는 초음파 합체법·DO 농도법으로 추정합니다. 혼합챔버 격벽 설계로 평균 기포 크기를 33.4㎛(DAF 6atm)에서 22.1㎛로 줄였고, Al3+ 주입으로 만든 (+) 기포로 응집 없이 조류 98%를 제거했습니다.
- 측정 항목크기 · BVC · 제타전위
- 직접 측정 범위0.7㎛ ~ 1,000㎛
- 나노기포 추정700nm 이하
- 최소 평균 크기22.1㎛ (SIF M2)
- (+) 기포 조건Al3+ · pH 6~8
기포 크기 측정 방법 비교
기포 크기는 부상 속도, 폭발력, 물질전달력을 좌우합니다. 측정 목적과 크기 범위에 따라 직접법과 간접법을 골라 씁니다.
| 방법 | 구분 | 측정 범위 | 정확도 | 측정 시간 | 특징 |
|---|---|---|---|---|---|
| 화상분석법 | 직접 | 0.7㎛ ~ ∞ | 매우 우수 | 30분 | 현미경·CCD 카메라·분석 프로그램, 장치 구성 복잡 |
| 입자계수법(PCMS) | 직접 | 1 ~ 1,000㎛ | 우수 | 5분 | 장치 구성 단순, 온라인 측정 가능 |
| 초음파 합체법 | 간접 | 700nm 이하 | 경향 파악 | 초음파 2초 조사 | 28kHz·60W로 기포를 합체시켜 커진 크기로 역산 |
| DO 농도법 | 간접 | 700nm 이하 | 초음파법보다 신뢰도 높음 | 정상상태 도달까지 | 정상상태 용존산소 농도로 기포 크기 추정 |
측정 데이터: 압력·격벽 설계에 따른 기포 크기
가압 DAF는 압력이 높을수록 평균 기포가 작아집니다. 초음파 조사 후 합체 크기와 DO 농도도 같은 경향을 보여, 나노기포 생성 가능성을 간접 확인했습니다.
| 조건 | 초음파 조사 전 평균 크기 | 초음파 조사 후 평균 크기 | DO 농도 |
|---|---|---|---|
| DAF 2atm | 71.3㎛ | 590.0㎛ | 9.2ppm |
| DAF 3atm | 42.6㎛ | 307.2㎛ | 9.7ppm |
| DAF 6atm | 33.4㎛ | 243.2㎛ | 10.0ppm |
| 장치 | 정상상태 평균 DO 농도 | 추정 최대 기포 크기(DO 농도법) |
|---|---|---|
| SIF(N1) | 35.9ppm | 약 626nm |
| SIF(N2) | 44.8ppm | 약 408nm |
| SIF(N3) | 48.0ppm | 약 359nm |
크기·발생량 조절 방법
펌프와 혼합챔버만으로 기포를 만드는 SIF(초고속 임펠러 부상) 장치는 챔버 내부 격벽의 수와 두께로 기포 특성을 조절합니다.
격벽 수
22.1㎛
얇은 격벽을 늘린 SIF(M2)는 34.2㎛(SIF M1)에서 22.1㎛로 작아졌습니다. 유속 증가로 벽면 마찰과 캐비테이션이 커지고 기포 성장 시간이 줄어듭니다.
격벽 두께
359nm
두꺼운 격벽은 손실수두와 부압을 키워 기포를 쪼갭니다. SIF(N3)에서 최대 기포 크기를 약 359nm로 추정했습니다.
발생량(BVC)
62.8%
SIF(M1)의 평균 BVC는 DAF 6atm 대비 약 62.8% 수준입니다. 크기를 줄이면 BVC가 줄 수 있어, 효율을 정할 때 발생량을 함께 고려합니다.
- 크기 축소: 얇은 격벽 수 증가, 두꺼운 격벽 적용(나노기포 영역)
- 크기 확대: 초음파 조사로 기포 합체 유도
- 발생량 조절: 격벽 수로 크기와 BVC 사이 균형 선택
- BVC 측정: 물 치환법(직접), 입자계수 부피법 PCMV(간접) — 두 방법의 변화 경향이 유사해 PCMV로 비교 가능
제타전위 측정과 (+) 기포 만들기
자연 상태의 기포는 대부분 음(-)전하를 띱니다. 조류와 탁도 입자도 음전하이므로, 기포 전하를 (+)로 바꾸면 부착력이 커지고 약품 주입량을 줄일 수 있습니다.
- 전기영동 셀에 기포 시료를 넣고 전압을 걸어 이동 속도를 현미경·CCD 카메라로 촬영합니다.
- 화상분석 소프트웨어로 이동 속도를 구해 제타전위(mV)로 환산합니다.
- Al3+ 등 금속이온을 1E-03M로 주입하고 pH를 바꿔 가며 전위 변화를 비교합니다.
- pH 6~8(자연수 범위)에서 Al3+ 조건의 (+) 기포를 수처리에 적용합니다.
맞춤형 기포의 수처리 성능
| 대상 | 제거율 | 조건 | 작용 |
|---|---|---|---|
| 조류 | 98% | SIF(M1), 알루미늄 응집제 15ppm 주입, 플록 형성 공정 없음 | 부력 + (+) 기포 정전기 부착 |
| 탁도 입자 | 94.5% | 재순환비 15%, 분리 3분, 응집 공정 없음 | 부력 + 수력학적 힘 + (+) 기포 |
- 저에너지 SIF 장치만으로 응집 없이 입자와 조류를 제거할 수 있음을 확인했습니다.
- 측정 기술은 신규 기포발생장치 개발, DAF 시설 진단, 기포층 깊이 측정을 통한 최적 운전조건 도출에 활용합니다.
- 서울대학교 건설환경공학부 연구 기반 기술입니다.
자주 묻는 질문
미세기포 크기는 어떻게 측정하나요?
미세기포 크기는 화상분석법과 입자계수법으로 직접 측정합니다. 화상분석법은 현미경·CCD 카메라로 0.7㎛ 이상 기포를 촬영해 약 30분 동안 분석하며 정확도가 높습니다. 입자계수법은 1~1,000㎛ 범위를 약 5분 만에 측정하고 장치 구성이 단순해 온라인 측정에 적합합니다.
나노버블(700nm 이하)도 측정할 수 있나요?
700nm 이하 나노기포는 직접 보기 어려워 초음파 합체법과 DO 농도법으로 간접 추정합니다. 28kHz·60W 초음파를 2초 조사해 합체된 기포 크기를 재거나, 정상상태 용존산소 농도로 크기를 환산합니다. DO 농도법은 초음파법보다 신뢰도가 높으며, 격벽형 장치에서 최대 기포 크기를 약 359nm로 추정했습니다.
기포 발생량(BVC)은 왜 중요한가요?
기포 발생량은 처리 효율과 필요한 장치 개수를 결정하기 때문에 중요합니다. 기포가 작아지면 발생량(BVC)이 줄고, 커지면 늘어나는 경향이 있어 크기와 발생량 중 무엇을 우선할지 판단해야 합니다. 시험에서 SIF(M1)의 평균 BVC는 DAF 6atm 대비 약 62.8% 수준이었으며, 효율 결정 시 발생량을 반드시 고려합니다.
기포의 제타전위를 (+)로 바꿀 수 있나요?
네, 알루미늄 이온(Al3+)을 주입하면 자연수 pH 6~8 범위에서 (+) 전하 기포를 만들 수 있습니다. 수산화 착물이 기포 표면에 특이흡착하고 수산화물 침전이 형성되기 때문입니다. 0.01M NaCl 배경 실험에서 Al 조건만 pH 6~7에서 약 +25mV, pH 8 부근까지 (+)를 유지했고, Mg·Ca·K·Na는 음전하를 유지했습니다.
(+) 기포를 쓰면 응집 공정 없이 처리할 수 있나요?
(+) 기포는 응집(플록 형성) 공정 없이도 조류와 탁도 입자를 높은 효율로 제거했습니다. 음전하를 띤 조류·입자에 (+) 기포가 정전기적으로 부착하고 부력과 수력학적 힘이 더해지기 때문입니다. 1L 실험에서 조류 제거율 98%, 입자 제거율 94.5%를 기록했으며 분리 시간은 3분이었습니다.