1. 서 론
1)전기화학적 처리장치는 20세기 초에 개발된 이후 전 해반응기의 구조 및 양극과 음극 전극의 기하학적인 모 양을 달리하면서 많은 발전을 거듭하였다. 전기화학적 처리의 연구자들에 의해서 가장 널리 사용되고 있는 양 극 및 음극 전극의 형태는 판형(plate type), 봉형(rod type) 그리고 망사형(mesh type) 등이었다. 전기화학적 처리의 특성은 전해반응기의 구조, 양극과 음극 전극의 형태 및
Received 1 September 2016, revised 16 December 2016, accepted 19 December 2016
*Corresponding author: Jaebok Lee (E-mail: [email protected])
재질 , 오염물질의 종류 그리고 하･폐수의 전기전도도 등 에 따라서 다양하게 나타나고 있다(Guohua, 2004; Yu and Kupferle, 2008; Jonnalagadda and Nadupalli, 2004).
전극의 기하학적 형태는 전해반응기의 모양을 결정하 게 되며 , 처리하고자 하는 오염물질의 제거효율과 운전 및 관리의 편리성, 경제성 등과도 연계되어 있다. 따라 서 전극의 기하학적 형태에 따라서 적절한 전해반응기 의 구조를 결정하는 것은 중요한 설계요소가 된다.
일반적으로 전기화학적 공정의 반응원리는 전극의 표면에 흡착된 OH˙과 오염물질 사이의 전자전달반응에 의해 분해되는 직접양극산화공정(direct anodic oxidation process)과 전해반응에 의해 생성될 수 있는 차아염소산
CFD 모사 기법을 이용한 전해반응기 내부 흐름 특성 분석
Flow Characteristics Analyses within the Electrolysis Reactor using the CFD Simulation Technique
정종식1･이승재2･이재복3*
Jongsik Jeong
1･Seungjae Lee
2･Jaebok Lee
3*1
욱성화학(주) 기술연구소,
2GS건설(주) 환경공정설계팀,
3경성대학교 건설환경도시공학부
1
R&D Center of Ukseung Chemical Co., Ltd,
2GS E&C, Environ. Process Engrng. Team,
3
Dept. of Civil, Environ. and Urban Eng., Kyungsung University
ABSTRACT
The objective of this study was to investigate design factors of the electrolysis reactor through the CFD(computational fluid dynamics) simulation technique. Analyses of velocity vector, streamline, chloride ion concentration distribution showed differences in flow characteristics between the plate type electrode and the porous plate type electrode. In case of the porous plate type electrode, chlorine gas bubbles generated from the anode made upward density flow with relatively constant velocity vectors. Electrolysis effect was more expected with the porous plate type electrode from the distribution of chloride ion concentration. The upper part of the electrolysis reactor with the porous plate type electrode had comparatively low chloride concentration because chloride was converted to the chlorine gas formation. Decreasing the size and increasing total area of rectifying holes in the upper part of cathodes, and widening the area of the rectifying holes in the lower part of cathodes could improve the circulation flow and the efficiency of electrolysis reactor.
Key words: Computational Fluid Dynamics, Electrolysis Reactor, Porous Plate Electrode, Velocity Contour, Velocity Vector
주제어: 전산유체역학, 전해반응기, 다공성 판형 전극, 등속도선, 속도벡터
(hypochlorous acid), 오존(ozon), 과산화수소(hydrogen peroxide) 또는 산화된 금속이온과 같은 강한 산화제에 의해서 분해되는 간접산화공정(indirect oxidation process) 으로 알려져 있다(Brillas et al., 2000; Dziewinski et al., 1996; Chiang et al., 1995). 최근에는 간접산화공정에 의한 전기화학적 처리에 주목하고 있는데, 폐수 중 에 NaCl이 존재할 때 NaCl에 의한 간접산화는 전 기화학적 반응에 의하여 양극에서는 염소가스(Cl
2) 가 발생되고, 음극에서는 수소가스(H
2)가 발생된다.
이들은 벌크 영역에서 온도와 pH의 변화에 따라 차 아염소산(hypochlorous acid, HOCl)과 차아염소산이온 (hypochlorite ion, OCl
-)으로 변하면서 하･폐수 중의 오 염물질을 산화시킨다. 이와 같이 전기화학적 반응기에 서 전극은 전기화학반응에 의하여 하･폐수 중에 용해되 어 있는 염소이온을 염소가스로 전환시킬 뿐만 아니라, 전해반응기 내의 수류에도 영향을 주어 전해반응기의 반응 효율에 크게 영향을 준다. 따라서 본 연구에서는 전해반응기의 전극 형상이 수류에 어떠한 영향을 주는 지에 대하여 전산유체역학(computational fluid dynamics, CFD) 모사 기법을 이용하여 속도벡터(velocity vector), 유선(streamline), 속도분포(velocity distribution) 그리 고 염화이온의 농도 분포 등 전해반응기 내부의 흐름 특성을 평가함으로써 전해반응기의 최적 설계 방안을 위한 기초자료를 제시하고자 하였다.
2. 연구방법
2.1 전해반응기 구조
본 연구의 CFD 모사 기법을 이용한 흐름 특성을 평가 하기 위하여 사용한 전해반응기의 구조를 Fig. 1에 나타 내었다. 전해반응기는 내경(inner diameter)이 120mm인 아크릴 내부에 폭이 25mm, 길이가 400mm인 판형 전극 3개를 수직으로 세워서 설치한 구조로 되어 있다. 전극 중앙에는 양극 전극을 설치하고 양극 전극 양쪽에는 음 극 전극을 설치하였다. 중간에 있는 양극 전극과 양쪽에 있는 음극 전극 사이의 간격은 10mm가 되도록 하였다.
전해반응에 참여하는 유효전극의 길이는 400mm이었다.
유입 폐수는 아래에서 위로 흐르는 구조로 되어 있고, 아크릴 내부에는 단회로 흐름이 되는 것을 방지하기 위 하여 3개의 도류판(baffle)을 설치하였다. 이때 도류판은 10mm 높이로 돌출되도록 제작하였다.
(a) Plate type electrode (b) Porous plate type electrode Fig. 1. Schematic diagram of electrolysis reactors.
Fig. 1의 (a)와 같이 천공이 되지 않은 판형 음극을 사용한 전해반응기와 (b)와 같이 직경 6mm 크기로 천 공이 되어 있는 다공성 판형 음극을 사용한 전해반응 기에 대하여 각각 본 연구의 CFD 모사 기법을 이용하 여 흐름 특성을 비교 평가하였다. 본 연구에서 사용한 양극 전극의 재질은 이산화루테늄(RuO
2)이 전착된 티 타늄(Ti)이었으며, 음극 전극의 재질은 스테인리스 스 틸이었다. 전해반응기의 내부에서 유속에 대한 실측 은 여건상 불가능하여 관찰에 의존하여 CFD 모사 결 과와 비교하였다.
2.2 CFD 모사 방법
전해반응기의 형상은 Fig. 1과 같이 판형 전극과 다 공성 판형 전극으로 구분하였다. 두 가지의 반응기 모 두 2개의 음극 전극과 1개의 양극 전극이 직사각형 형태로 존재하지만, 다공성 판형 전극이 설치되어 있 은 전해반응기의 경우 음극 전극에는 직경 6mm의 정 류공(rectifying hole)을 균등하게 72개를 설치하였다.
CFD 모사를 수행하는 방법으로서 전해반응기 내부
의 속도벡터, 유선, 그리고 속도분포를 예측하기 위하
여 상용 전산유체 프로그램인 CFX 11.0을 사용하였
다. CFD 기법은 전해반응기 내부의 유동장 해석을 유
한차분법(finite difference method, FDM)을 이용하여
작은 셀 (cell)로 분할하여 각각의 경계조건을 두어 해를
구하는 방법으로 본 연구에서 격자 생성 프로그램에 의한 셀의 격자형성은 사면체로 구성되게 하였다.
Table 1과 같이 전극의 형태에 따라 판형 전극에 대하 여는 265,000개의 격자로 구성하고, 다공성 판형 전극
에 대하여는 456,000개의 격자로 구성하였다(Stovin and Saul, 1996; Jayanti and Narayanan, 2004). Fig. 2에는 판형 전극을 사용한 전해반응기와 다공성 판형 전극을 사용한 전해반응기의 격자 형태를 각각 나타내었다.
<Side view> <Plane view>
Reactor Cathode Anode
(a) Plate type electrode
<Side view> <Plane view>
Reactor Cathode Anode
(b) Porous plate type electrode
Fig. 2. The grid of electrolysis reactors with plate and porous plate type electrode.
Table 1. The number of grid for plate and porous plate type electrodes
Electrode type Reactor Cathode Anode Plate type electrode 265,000 3,346 1,886 Porous plate type electrode 456,000 6,444 790
본 연구에서 CFD 모사를 수행함에 있어서 도입된 가정조건은 다음과 같다: 양극 전극에서는 염화이온 의 산화반응만을 고려하였으며 전기화학적 반응에 따 라 기체는 염소가스만 발생하는 것으로 가정하였다.
충분한 염화이온이 공급되는 조건으로서, 염화이온의 농도는 40,000 mg/L를 공급하는 것으로 하고 25˚C 등 온의 환경조건에서 반응하는 것으로 설정하였다. 염 화이온 및 발생되는 염소가스의 확산은 무시하고 대 류와 전기화학적 반응에 의한 이동현상만 고려하였 다. 그리고 등온조건에서 발생된 기체는 이상기체로 가정하고 발생된 기체의 용해 또는 이동시 병합 및 분리는 고려하지 않는 것으로 하였다.
본 연구의 모델에서는 등온조건을 적용하였기 때문 에 에너지 방정식을 제외한 다음과 같은 3개의 지배 방정식을 사용하였다(Lee, et al., 2011a; Lee, et al., 2016; Park, et al., 2008).
연속방정식 :
∇ ∙
운동량 방정식 :
∇ ∙
∇ ∇ ∙ ∇
수송 방정식 :
∇ ∙
∇ ∙
∇
여기서, : 밀도, : 속도장, : 압력,
: 중력, : 각 각의 물질 종(species, i.e. Cl
2, Cl
-, water), : 각 물질 종(species)의 농도, : 확산계수 (i.e. 0),
: 전기화학 반응에 의한 물질 생성 항(source term)
본 연구에서 난류의 해석을 위해 일반적으로 가장 많이 이용되고 있는 standard k-ε model 이 이용되었으 며, (Lee et al., 2011a; Lee et al., 2012; Lee et al., 2016) 이러한 지배방정식과 난류해석 방정식을 통한 유체의 유동은 ADV(acoustic doppler velocimetry), PIV(particle
image velocimetry) 등을 이용한 실측된 속도 많은 논 문에서 유동 검증이 실시되었고 그 결과 선정된 방정 식과 해석기준은 실제와 비슷하다는 결론을 가져올 수 있었다. (Park and Park, 2002; Lee, et al., 2011a)
염화이온으로부터 발생하는 염소가스는 다음의 반응 식을 따르고 아래의 식에 의하여 전기화학적 반응에 의한 염화이온의 소모량,
이 계산된다(Laminie and Dicks, 2003, Lee, et al., 2011b).
→
① 염화이온 하나 당 한 개의 전자가 방출 :
×
②
③ 염화이온의 몰 질량(molar mass)은 35.5 ×10
-3kg/mole 이므로
×
염소가스의 발생량,
는 다음과 같이 계산하였 다. 전자의 질량은 무시하여 소모량과 발생량은 동등 한 값으로 계산하였다.
×
CFD 모사는 전류를 5A, 15A, 20A로서 각각 일정하 게 공급하는 조건에 대하여 계산을 수행하였다. 본 연 구의 전해반응기에 대한 모사를 위한 유입수는 물과 염소이온이 96 : 4의 질량 비율로 구성하였다. 운전 시 유입수의 유량은 150 mL/min로 공급되며, 유출구는 0 기압 조건을 적용하였고, 모든 벽면은 점착조건(no-slip condition)이 성립하는 것으로 가정하였다(Park, et al., 2008; Hwang, et al., 2009; Lee et al., 2016; Park et al., 2016). 개발된 모델을 해석하기 위하여 상용 CFD software인 CFX 11.0을 이용하였으며, 최대 반복계산 횟수는 100으로 설정하였고 수렴조건의 RMS(root mean square)는 10
-4을 적용하였다.
본 연구에서는 일반적으로 통용되는 유동방정식,
경계조건, 해석기준을 통하여 전해 반응기의 유동을
분석하는 것에 촛점을 맞추었으며, 향후 연구에서는
PIV, ADV 등을 통한 실측된 유동특성과 CFD 시뮬레
이션을 통한 예측된 유동을 비교․분석하고, 염소가스 발생량 측정 등을 통해 CFD 시뮬레이션의 전기화학 반응식의 적정성을 평가하고자 하였다. 또한, 이러한 결과를 토대로 향후 연구에서는 전해반응기에 대한 최적화 설계에 대하여 논의할 계획이다.
3. 결과 및 고찰
3.1 속도분포 특성
유량을 150 mL/min으로 하고 전류의 세기를 5A, 15A, 20A 조건으로 하였을 때 흐름의 특성 중 하나인 속도분포를 등속도선(velocity contour)을 이용하여 Fig.
3에 나타내었다. 모든 전류의 세기 조건에서 판형 전 해반응기보다 다공성 판형 전해반응기에서 유체의 흐 름이 활발하게 일어나는 것을 확인할 수 있었다. 그러
나 판형 전해반응기나 다공성 판형 전해반응기 모두 에서 반응기 상부가 막혀 있음으로 인하여 상부 벽면 효과에 의한 와류가 발생함을 관찰할 수 있었고 따라 서 상부에서 활발한 유동 특성을 보이는 것으로 나타 났다.
다공성 판형 전해반응기의 경우 양극 전극에서 염 소가스의 발생으로 인하여 양극 전극과 음극 전극 사 이에서 강한 상승류 흐름 특성을 관찰할 수 있었다.
양극 전극에서 발생된 염소가스가 액체와 혼합됨으로 써 양극 전극과 음극 전극의 사이에 있는 유체의 경 우 밀도가 낮아지는 것으로 나타났다. 상대적으로 유 체의 밀도가 높은 다공성 음극 전극 외부의 유체가 정류공을 통하여 유체를 내부로 유입시키는 밀도류 (density current)를 발생시켜서 전해반응의 효율을 높 이는데 기여할 것으로 판단되었다. 밀도류를 통하여 1 차적으로 0.1∼0.2 m/sec의 속도로 상승한 유체는 상부
5A Run 15A Run 20A Run
(a) Velocity contour of plate type electrode
5A Run 15A Run 20A Run
(b) Velocity contour analysis of porous plate type electrode
Fig. 3. Results of velocity contour analysis.
벽면효과에 의하여 와류가 발생하고 다시 전해반응기 벽면을 따라서 0.004∼0.008 m/sec의 속도로 하강하여 음극 전극의 천공된 부분인 정류공으로 유입되어 순환 에 의한 연속 전해반응이 진행되는 것으로 나타났다.
본 연구에서 사용한 전해반응기의 경우 단회로 흐 름을 방지할 목적으로 전해반응기 내부에 3개의 도류 판을 설치하였는데, Fig. 3에 나타난 바에 의하면 도류 판이 오히려 전해반응기 내부의 순환을 방해하는 것 으로 나타났다. 양극 전극에서 발생된 염소가스로 인 하여 유체는 1차적으로 상승하게 되며, 그 이후 전해 반응기 벽면을 따라 아래쪽으로 이동하게 되는데, 전 해반응기 측면에 설치되어 있는 도류판으로 인하여 오히려 하강 속도가 크게 줄어드는 것을 관찰할 수 있었다. 따라서 전해반응기 내부의 전체 흐름 특성을 개선하기 위하여 내부에 설치되어 있는 도류판을 없 애는 것이 전해반응에 효과적인 것으로 분석되었다.
3.2 속도벡터 특성
본 연구에서 사용한 2종류의 전해반응기에 대하여 속 도벡터를 Fig. 4에 나타내었다. 그림을 비교한 결과 판형
전해반응기나 다공성 판형 전해반응기의 양극 전극 모두 에서 염소가스의 발생으로 인하여 전극 내부 공간에서는 0.1∼0.2 m/sec의 속도를 갖는 상승류가 나타났다. 또한 전술한 속도분포에서 해석한 바와 같이 두 가지 전해반응 기의 상부 공간에서 벽면효과에 따른 와류가 약 0.05m/sec의 속도로서 발생하는 것으로 나타났다.
속도벡터 분포는 판형 전해반응기보다 다공성 판형 전해반응기에서 보다 균일하고 활발하게 나타나는 것을 확인할 수 있었는데, 이는 다공성 판형 전해반응기의 경우 음극 전극에 천공한 정류공을 통하여 밀도류에 의한 유체의 순환이 원활하기 때문으로 판단되었다.
Fig. 5에는 다공성 판형 전해반응기의 음극 전극에 서의 법선속도(normal velocity) 분포를 나타내었다. 천 공된 음극 전극 상부의 정류공에서는 0.10∼0.15 m/sec의 속도로서 음극 전극 외부로 유출되고 음극 전 극 하부의 정류공에서는 음극 전극 내부로 유입되는 법선 속도벡터가 나타났는데, 이는 전해반응기 내에 서 지속적인 유체의 순환을 발생시키고 전해반응에 긍정적인 영향을 미치는 것으로 판단되어 오염물질 처리 효율을 높일 수 있는 핵심 요소로 인식되었다.
(a) Plate type electrode
(b) Porous plate type electrode
Fig. 4. Results of velocity vector analysis.
Fig. 5. Normal velocity analysis at a cathode of the porous plate type electrode.
다공성 판형 전해반응기의 경우 음극 전극에서 정 류공의 전체 면적은 유지하되 천공된 정류공의 크기 를 줄이고 그 수를 늘리면, 와류의 생성을 억제하고 염소가스의 생성과 더불어 강한 순환 흐름을 생성하 여 빠른 하강류를 발생시킬 수 있을 것으로 분석되었 다. 반대로 하부에 천공된 정류공의 경우는 그 면적을 증가시켜서 양극 전극 쪽으로 유입되는 유량을 증가 시킬 필요가 있는 것으로 판단되었으며, 이는 유체의 순환 흐름을 원활하게 생성하여 전해반응의 효율을 개선할 것으로 분석되었다.
3.3 염화이온 농도 분포
