Theories and Applications of Chem. Eng., 2002, Vol. 8, No. 2 3221
화학공학의 이론과 응용 제8권 제2호 2002년
케이크의 비저항 특성에 따른 여과 연구 이정언, 김남호, 김창동*
섬진 EST(주) 부설 HydroLAB 연구소, 동의공업대학* A Study for Filtration as a Specific Cake Resistance
Jung-Eun Lee, Nam-Ho Kim, Chang-Dong Kim*
Research Institute in Sum-Jin EST Company, Dongeui Institute of Technology* 서론
SLS(Solid-Liquid Separation)에서 여과(Filtration)는 매우 중요한 역할을 한다. 여과에 대한 체계적인 연구는 약 60년 간 수행되어 왔으며, 그 결과 다양한 형태의 여과 장치가 현재 산업현장에 적용되고 있다. 여과 장치의 효율 향상을 위해서는 장치적 측면의 연구 와 여과 대상 슬러지에 대한 연구가 상호 보완적으로 추진되어야 함에도 불구하고, 대부 분의 여과기 연구는 장치 개선 연구에 치중되는 경향이 있다. 본 연구는 여과의 성능 개 선에 중요한 인자로 작용하는 케이크의 비저항성을 변화시켜 여과의 특성을 변화시키는 연구이다. 이와 같은 목적을 달성하기 위해 1 차적으로 난여과성 Bentonite 물질에 친여 과성 Glass Bead를 첨가한 여과 특성을 분석한 후 이를 실제 산업현장에서 발생되는 슬 러지에 적용하였다. 즉 난 여과성 물질인 하수 슬러지에 친 여과성 물질인 회분를 첨가하 여 탈수 성능 향상 정도를 평가하였다.
이론
여과는 외부에서 일정한 압력을 인가하여 입자와 액체를 분리하는 것으로 Fig.1은 여 과이론에 대하여 설명한 그림이다. 여과 부과되는 총 압력 ΔP는 케이크 층에 작용하는 압력 ΔPc와 Filter Media에 작용하는 ΔPm의 합에 의해 결정된다.
ΔP = ΔP
c+ ΔP
m(1)
이때 Darcy에 의해 식 (1)의 각 압력은 다음과 같이 표현되었다.ΔP
c= μcVα
A
2․ dV
dt
(2)ΔP
m= μL
mKA
m․ dV
dt
(3)식 (2)와 식 (3)을 식 (1)에 대입하면 아래와 같이 식(4)를 얻을 수 있으며, 이를 적분하 여 정리하면 식(5)를 유도 할 수 있다.
ΔP = μcVα
A
2․ dV
dt + μL
mKA
m․ dV
dt
(4)t
V = μcαV
2A
2ΔP + μR
mAΔP
(5)여기서 V는 여액 체적, t는 여과 시간, μ는 점성(Pa s), c는 단위 여액 체적당 입자의 건 량(kgm-3), α는 케이크의 비저항(mkg-1), A는 여과 면적(m2), Rm=Lm/Am은 필터 저항 (m-1)이다.
식 (5)에서 보는 바와 같이 여과에 영향을 미치는 인자는 여과면적(A)와 여과압력차 (ΔP)에 의해 결정되는 장치설계변수와 μ, c, α와 같은 슬러지의 특성 변수에 의해 결 정된다. 비교 여과 실험에 있어 장치 설계 변수값은 상수에 해당하므로, 여과에 주로 영 향을 미치는 인자는 슬러지 특성 변수이며 그 중 케이크의 비저항(α)에 의해 주로 결정 된다.
Theories and Applications of Chem. Eng., 2002, Vol. 8, No. 2 3222
화학공학의 이론과 응용 제8권 제2호 2002년
α = 1
K ρ
p( 1 - ε ) = K ( 1 - ε )
2Sv
2ρ
pε
3 (6)여기서 K는 Kozeny Constant, ρp는 케이크 입자의 밀도, 그리고 ε는 케이크의 기공 (Local Porosity), Sv 케이크내 입자 체적 대비 표면적 값이다. 결국 여과에 있어 영향을 미치는 주요 인자는 케이크의 비저항이며 이를 결정하는 주 인자는 입자의 기공과 표면 적이다. 식(5)와 식 (6)을 통해, 케이크의 비저항이 작을수록 여과성능은 향상되는데, 이 를 위해서는 여과 대상 케이크층 내의 기공이 차지하는 비중을 향상 시켜야한다. 따라서 본 연구는 슬러지 케이크의 여과율 증대를 위해 케이크의 비저항을 감소시키기 위해 입 자의 특성을 변화시키는 연구를 1차적으로 수행하였다. 그리고 이에 대한 결과를 바탕으 로, 특성이 다른 슬러지에 대한 탈수 실험을 2 차적으로 수행하여 비교 검토하였다.
Suspension Flow
Filter Cake
Fibers of the Filter Medium
Filtrate
Suspension Flow Rate, Q Filtrate
Static Pressure Difference, P△
Filter Housing Filter Medium
Fig. 1. Mechanism of Filtration: (a) Cake Formation, (b) Flow Diagram of Filtration.
실험
Fig. 2는 일정한 여과 면적과 여과 압력의 조건에서 슬러지의 특성변수에 따른 여과 특성을 파악하기 위한 Piston형 여과장치로 내경 14cm 이고 높이가 25 cm이다. 여과면 적 154 cm2인 실린더 내에 슬러지 1 ℓ를 넣고 여과 장치 상부의 Piston에 의해 5 kgf/cm2의 압력을 케이크 층에 인가하여 3 mm의 케이크를 생산한다. 케이크층에 인가된 압력으로 인해 수분은 케이크 층내의 기공을 통해 하부로 이동하는데, 이때 케이크 층의 압력 차(ΔP) 증대를 위해 Filter Media 하부측에 진공압(300 mmHg)을 인가한다. Filter Media는 PP 재질로 된 것으로 Pore Size는 50 ㎛로 슬러지층에서 이동한 여액을 Filter Media를 통해 Piston의 하부로 배출되고 저울로 여과 시간의 경과에 따라 여액량을 측정 한다. 이 기본 자료를 바탕으로 케이크 내의 함수율 변화를 관찰하여 여과 성능을 평가한 다. 본 연구에 사용된 슬러지는 Bentonite와 Glass Bead를 이용하였는데, 시료를 여과 장 치에 투입하기 전 물로 희석 시켜 함수율을 97 wt%로 조정한다. Bentonite는 일반적으로 슬러지 상태에서 케이크의 비저항성이 큰 난 여과성 물질이며, Glass Bead는 상대적으로 비 저항성이 매우 낮은 친 여과성 물질이다. 이들 각 입자에 대한 개별 실험을 수행하여 여과성능을 평가한 후, Bentonite 슬러지에 Glass Bead를 각각 5, 10, 20 wt% 첨가하여 여과 특성을 분석하였다. 이때 첨가된 Glass Bead의 크기는 약 70 ㎛이다. 이와 같은 실 험을 통해 도출된 결과를 바탕으로 실제 현장에서 생산되는 난 여과성 슬러지(하수슬러 지)과 정수 슬러지에 대한 여과 특성을 평가한 후 하수 슬러지의 여과 성능 개선을 위해 친 여과성 입자인 회분첨가로 탈수 성능 향상 방안을 검토하였다.
결과 및 토론
Fig.3은 난 여과성 물질인 Bentonite에 친여과성 물질인 Glass Bead(입자 크기: 70
㎛)를 5, 10, 20 wt% 첨가하여 여과 실험을 수행한 결과를 나타낸 것이다. 그래프에서 보 는 바와 같이 여과 시간이 진행됨에 따라 케이크내의 함수율은 저하된다. 이때 함수율은 실험장치에서 설명한 바와 같이 여과액량을 측정하여 케이크내 Solid 량과 비로 평가한 것인데, 그래프의 기울기가 클수록 여과 성능이 향상된 것을 나타낸다. 최초 Bentonite
Theories and Applications of Chem. Eng., 2002, Vol. 8, No. 2 3223
화학공학의 이론과 응용 제8권 제2호 2002년
만을 여과하였을 때 케이크내 탈수율 저감 정도는 둔감하였으며 최종 케이크의 함수율은 92 wt%로 분석되었다. 그러나 Glass Bead의 투입량을 5, 10, 20 wt%로 점차 증대시킨 상태에서 여과성능을 평가한 결과 Glass Bead 투여량에 비례적으로 증가하였다. 이는 식 (5)에서 보는 바와 같이 난 여과성 물질인 Bentonite에 친여과성 물질인 Glass Bead이 첨가됨에 따라 Bentonite 케이크의 비저항성(α)이 감소하였기 때문으로 분석된다. 케이크 의 비저항성은 여과에서 있어 매우 중요한 인자로 작용하며, 슬러지 종류에 따라 케이크 의 비저항은 다양하게 나타난다. Fig. 4는 수계 슬러지 중 정수 슬러지(Water Treatment Sludge)와 하수 슬러지(Wastewater Sludge)에 대한 여과율을 비교하여 나타낸 것이다.
하수 슬러지에 비해 정수 슬러지의 여과율은 현격하게 큰 것으로 나타나는데, 이는 정수 슬러지의 무기물 함량을 비롯한 친 탈수성 물질이 하수 슬러지에 비해 상대적으로 매우 높아 케이크의 비저항성이 작기 때문이다. Fig.5는 Fig.3과 Fig.4의 결과를 바탕으로 난여 과성 수계 슬러지인 하수 슬러지의 비 저항성 변화를 위해 입자층의 비저항성이 매우 작 은 회분을 첨가하여 탈수를 수행한 결과를 나타낸 것이다. 그림에서 보는 바와 같이 회분 의 함량을 함수 슬러지의 고형분 대비 20, 50 wt%로 증가시키면서 투여하였는데, 여과율 은 투여량에 비례적으로 향상되는 경향을 나타낸다. 회분을 첨가하지 않은 하수 슬러지에 대한 여과결과 최종 함수율이 90 wt%인 케이크를 얻은 반면, 회분의 첨가량을 증대시킴 에 따라 여과 성능은 향상되어 회분 첨가량 50 wt% 투여하였을 때, 최종 함수율이 약 60 wt%인 케이크를 생산하였다. 이는 Fig. 3에서 실험 수행한 결과 동일한 경향을 보일 뿐 아니라 식(5)의 여과성능 변화는 케이크 비저항성 변수에 지배된다는 현상을 실제 현 장에서 발생되는 슬러지에 적용하여 일관성 있는 결과를 도출한 것이다.
결론적으로 여과에 있어 케이크의 비저항성은 탈수에 있어 매우 중요한 인자로 작용 한다. 현재 산업현장에서 사용되는 여과기의 성능 향상을 위해 여과장치의 구조개선 또는 외부 가압력의 효과적인가와 같은 방법을 강구하여 왔다. 하지만 슬러지내 입자의 특성 또는 여액의 배출 현상을 밀도있게 고려하지 않은 상태에서 장치 구조적 개선만으로는 여과성능 개선을 효과적으로 달성하는데 한계가 있다. 하지만 본 연구에서는 여과 대상 슬러지의 특성을 적절하게 변화시키면 여과 성능을 향상시킬 수 있는 점을 거시적 측면 에서 검토하였다. 향후 각종 케이크의 비저항성 특성, 비저항성과 기공의 상관관계, 외부 가압력이 케이크의 비저항성에 미치는 영향 분석 등과 같은 미시적 연구가 수행될 필요 가 있다고 사료된다.
참고문헌
Ernest Mayer, Cake Filtration Theory and Practice. Chemical Engineering Journal, 80, 233 (2000).
He, D.X., Chiang S.H., An Overview of Filtration and Dewatering. AFS Technology, 9, 848 (1995).
Lee, J.E., Lee, J.K., Kim, M.J., Development of Electrodewatering Filter Press. IWA
3rd World Water Congress 2002 Melbourne, Australia, e21155a,(2002).
Rushton, A., Ward, R.G., Holdich, R.G., Solid-Liquid Filtration and Separation Technology. VCH Publishers Inc., New York (1996).
Tiller, F.M., What the Filler Man Should Know About Theory. Filtration and
Separation, 386 (1975).
Wakeman, R.J., Tarleton, E.S., Modelling and Simulation of Batch Pressure Filter Cycles. Filtration and Separation, 36, 24 (1975).
이정언, 정수 슬러지에 대한 필터프레스의 탈수 특성, 대한환경공학회 2002춘계학술발표회 논문집(Ⅱ), 47-48 (2002).
Theories and Applications of Chem. Eng., 2002, Vol. 8, No. 2 3224
화학공학의 이론과 응용 제8권 제2호 2002년
Data Acquisition System
Compressed Air Supply
Air Regulator
Balance Sludge
Pressure Gauge
Porocity Plate
Filtration
Filter Colth Moving Plate
Piston Filter Press Material : SUS 304 Filter Cloth: 1800 Denia
Vacuum Gauge
Vacuum Pump Dryer
Piston
3-Way Vlave
0 30 60 90 120 150
86 88 90 92 94
10.0g Bentonite / 0.2L Water Without Glass Bead
9.5g Bentonite / 0.2L Water Added by Glass Bead of 5 wt%
9.0g Bentonite / 0.2L Water Added by Glass Bead of 10 wt%
8.0g Bentonite + 0.2L Water Added by Glass Bead of 20 wt%
Water Content, wt%
Dewatering Time, min
Fig.2. Schematic Diagram of Piston Filter Press Fig.3. Filtration as adding the Glass Bead into Bentonite
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180
70 75 80 85 90 95 100
Wastewater Treatment Sludge Water Treatment Sludge
Water Content, wt%
Dewatering Time, min 5 00 4 8 1 2 1 6 2 0
6 0 7 0 8 0 9 0 1 0 0
M u n ic ip a l D ig e s te d S lu d g e + F ly A s h ( + 7 5㎛) In itia l W a te r C o n te n t = 9 7 w t%
F ly A s h C o n te n t = 0 w t%
F ly A s h C o n te n t = 2 0 w t%
F ly A s h C o n te n t = 5 0 w t%
Water Content (wt%)
D e w a te r in g T im e ,θ ( m in )
Fig.4. Comparison of Filtration of Wastewater and Fig.5. Filtration as adding the Fly Ash Water Treatment Sludge. into Wastewater Sludge.
