초음파를 이용하여 현탁용액내의 입자들을 분리하는 방법

초음파를 이용하여 현탁용액내의 입자들을 분리하는 방법{A method for seperation of particles from the suspended solution using ultrasonic waves}

본 발명은 입자들이 섞여 있는 현탁 용액내에서 초음파 입자 분리기를 이용 초음파에 의해 입자들이 응집되도록 하여 용액으로부터 입자를 분리하는 방법에 관한 것이다.

고체-액체 분리공정은 화학공정 및 환경공정에서 널리 활용되고 있는 공정이며, 더욱이 음료수, 생활폐수 및 산업폐수 처리 분야에서 고체-액체 분리 공정이차지하는 비중은 매우 크다.

종래, 이러한 용액중의 미세한 고형물들을 효율적으로 분리하기 위한 전통적인 방법으로는 중력을 이용한 자연 침강법(DBPurchas (Ed.), Solid-Liquid separation Equipment Scale-up, Uplands Press, London, 1977), 원심력을 이용한 원심분리법(Bass, E., Periodica Politechnica Eng. Machinen u. Burwesen, Budapest, 4, 1, 1960), 응집제를 이용한 응집법(Schulze, H., Prackt. Chem., 25, 431, 1882), 필터를 이용한 각종 여과법(Smith, GRS, Chem. Eng., Feb, 16, 84, 1976) 등이 널리 이용되고 있다.

그러나, 이러한 방법들은 용액속에 현탁되어 있는 고형물들의 물리적 성질에 따라 그 조작을 달리하여야 하며, 또한 그 조작도 복잡하다는 문제점이 있기 때문에, 용액속에 섞여 있는 입자들의 성질에 관계없이 간편하게 입자를 분리할 수 있는 새로운 방법이 요구되었다.

이에, 본 발명자들은 상기한 문제점을 해결할 수 있는 새로운 방법을 찾고자 연구를 거듭한 결과, 초음파를 이용하여 입자를 분리한다면, 현탁용액속의 입자의 성질에 관계없이 간편하게 입자를 분리할 수 있으며, 중력을 이용하여 입자를 분리하는 방법보다 분리효율이 향상됨을 발견하고 본 발명을 완성하게 되었다.

따라서, 본 발명의 목적은 현탁 용액속의 입자를 입자의 성질에 관계없이 간편하게 분리할 수 있으면서, 분리효율이 우수한 입자 분리 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적, 특징 및 장점은 하기 발명의 구성으로부터 더욱 명백해질 것이다.

도 1은 본 발명에서 사용된 초음파 입자분리기의 구조를 나타내는 도면이다.

도 2는 현탁용액내의 입자분리시, 시간의 경과에 따른 입자분리기의 유속과 분리효율의 관계를 나타내는 도면이다.

도 3은 현탁용액내의 입자분리시, 현탁용액의 농도와 분리효율과의 관계를 나타내는 도면이다.

도 4는 현탁용액내의 입자분리시, 초음파 입자분리기의 진동자에 인가된 전압과 잡힘시간과의 관계를 나타내는 도면이다.

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 방법은 반응기(1); 초음파생성장치(2); 상기 초음파 생성장치(2)에 연결되어 초음파를 발생시키는 진동자(3); 상기 진동자(3)로부터 발생된 초음파가 반사되는 반사판(4); 현탁용액을 초음파 분리기가 설치되어 있는 반응기로 이동시키는 펌프(5); 공기역압을 가하는 펌프(6) 및 현탁용액을 초음파 파장부까지 끌어올리는 펌프(7)를 포함하는 초음파 입자 분리기를 이용하고, 초음파에 의해 입자가 응집되도록 하여 현탁용액으로부터 입자를 분리함을 특징으로 한다.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.

본 발명의 입자 분리방법에 사용된 초음파 입자분리기는 도 1에 나타낸 바와 같이, 반응기(1); 초음파 생성장치(2); 상기 초음파 생성장치(2)에 연결되어 초음파를 발생시키는 진동자(3); 상기 진동자(3)로부터 발생된 초음파가 반사되는 반사판(4); ; 현탁용액을 초음파 분리기가 설치되어 있는 반응기로 이동시키는 펌프(5); 공기역압을 가하는 펌프(6) 및 현탁용액을 초음파 파장부까지 끌어올리는 펌프(7)로 이루어진 것으로, 그 작동원리는 다음과 같다.

초음파 생성장치(2)에 연결된 진동자로부터 초음파를 발생시키면, 진동자로부터 발생된 초음파는 반사판(4)에 반사되어 정제파(standing wave)를 형성하게 되는데, 펌프(5)에 의해 이러한 초음파 장내에 현탁입자가 유입되면 입자는 정제파의속도 안티노드(velociety anti-node)로 이동하여 서로 응집하게 되므로, 응집된 입자들은 중력에 의해 침강되고, 용액은 펌프(7)에 의해 초음파 파장부 밖으로 유출됨으로써 입자와 용액이 분리되는 것이다.

한편, 현탁용액의 농도가 고농도인 경우, 즉, 약 10g/ℓ이상인 경우에는 초음파 파장부를 가득 매운 입자들이 초음파 파장부 밖으로 배출되는 현상이 발생하기 때문에, 초음파를 조사한 후, 입자들이 입자 분리기 밖으로 유출되기 시작하였을 때, 초음파의 조사를 중단하고 펌프(6)를 이용하여 역압(back pressure)을 가하여 입자를 반응기 내부로 돌려보낸 후, 다시 초음파를 조사하는 방법으로 운전을 하여야만, 입자를 용액으로부터 분리할 수 있다.

또한, 본 발명에서 사용된 초음파 입자분리기 중 초음파 생성장치(2)에 연결된 진동자에 45V이하의 전압, 바람직하게는 약 30V의 전압을 인가하여, 이로부터 발생된 초음파에 의해 입자가 분리될 수 있도록 한다.

본 발명의 방법으로 분리될 수 있는 입자의 종류는 특별히 한정되지 않고, 용액속에 현탁되어 있는 모든 입자의 분리가 가능하다. 구체적으로 예를 들면, 카올린 등의 무기질 입자, 폴리스틸렌 등의 유기질 입자, 토마토 등의 과일 고형입자등의 분리가 가능하다. 또한, 분리할 수 있는 입자의 크기도 특별히 한정되지 않고, 모든 크기의 입자를 분리할 수 있지만, 바람직하게는 입자의 크기를 따라 적정유속을 선정하여 분리하도록 한다.

이하, 실시예를 들어 본 발명을 상세히 설명하지만, 본 발명이 이들 예로만 한정되는 것이 아니다.

[실시예 1]

현탁용액으로서, 0.1~4㎛의 카올린(Kaloin, Sigma)을 5g/ℓ의 농도로 현탁시킨 용액을 사용하였다.

현탁용액을 각각 0.75㎝/min, 1.0㎝/min 및 1.5㎝/min의 유속으로 초음파 입자 분리기에 유입시켰을 때와, 중력을 이용하는 입자분리기에 유입시켰을 때의 분리효율을 하기 수학식 1에 따라 계산하고, 그 결과를 도 2에 나타내었다.

식 중,

C o 는 반응기내 입자의 농도이고

C i 는 초음파 입자 분리기 밖으로 배출되는 용액에서 채취한 입자의 농도이다.

도 2로부터, 초음파 입자 분리기의 유속을 0.75㎝/min으로 한 경우에는, 초음파를 이용하여 분리한 경우와 중력을 이용하여 분리한 경우에 있어서 그 효율에 뚜렷한 차이가 없지만, 유속이 1.0㎝/min인 경우에는 분리효율이 93로 중력을 이용하여 분리하는 경우의 효율 63보다 약 30정도 향상된 효율을 나타낸다는 것을 알 수 있다. 한편, 유속이 1.5㎝/min인 초음파를 조사하는 경우에는 초음파의 힘보다 유속의 힘이 강하기 때문에, 중력을 이용하는 경우와 차이가 없음을 알 수 있다.

[실시예 2]

유속을 1.0㎝/min으로 하고, 0V, 20V, 30V 또는 45V의 전압을 진동자에 인가한다는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 현탁용액의 입자를 분리하고, 분리효율을 표 1에 나타내었다.

표 1로부터, 초음파를 조사하는 경우에는 진동자에 인가되는 전압에 관계없이 중력에 의한 분리방법보다 효율이 증가된다는 것을 알 수 있으며, 30V에서 분리효율이 가장 높음을 알 수 있다.

[실시예 3]

현탁용액내 입자들의 크기가 분리효율에 미치는 영향을 살펴보기 위하여, 다양한 크기의 폴리스틸렌 입자들(20±10㎚, 80±15㎚, 140±15㎚, 250±20㎚, 600±30㎚)을 이용하여 실시예 1과 동일한 방법으로 효율을 측정하고, 그 결과를 표 2에 나타내었다.

표 2로부터, 입자의 크기와 관계없이 초음파 입자분리기를 이용하여 입자를분리하는 경우, 중력을 이용하는 경우보다 분리효율이 향상된다는 것을 알 수 있으며, 또한, 입자의 크기가 작을수록 분리효율이 증가하고, 입자의 크기에 따라 적정 유속으로 조절하면 효율을 증가시킬 수 있음을 알 수 있다.

[실시예 4]

토마토를 10~40㎛의 크기로 분쇄한 후, 물에 0.3, 1.0 및 2.3g/ℓ의 농도로 현탁시키고, 각각의 토마토 과즙용액내의 토마토 현탁입자들을 실시예 1과 동일한 방법으로 분리한 다음, 분리효율을 측정하여 그 결과를 표 3에 나타내었다.

표 3으로부터, 초음파 입자 분리기를 이용하여 입자를 분리하는 경우, 입자의 종류에 상관없이 중력을 사용하여 입자를 분리하는 경우보다 분리효율이 향상된다는 것을 알 수 있다.

[실시예 5]

유속을 1.0㎝/min으로 하고, 현탁용액의 농도를 변화시킨다는 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 방법으로 분리효율을 측정하고, 그 결과를 도 3에 나타내었다.

도 3으로부터, 현탁용액의 농도가 10g/ℓ이하에서는 초음파 파장부에 응집된 입자들이 일정크기가 되어 자연적으로 중력침강을 일으켜 평균 93의 높은 분리효율을 나타냄을 알 수 있다. 그러나, 현탁용액의 농도가 10g/ℓ이상에서는 현탁용액의 농도가 높아 초음파장부에 응집되어 있던 입자들이 중력방향으로 침강을 일으키지 않으므로, 펌프에 의해 초음파장부로 입자들이 계속해서 유입됨에 따라 초음파장부의 입자농도는 증가되고, 따라서, 일정시간이 지나자 초음파 파장부를 가득 메운 입자들이 초음파 파장부 밖으로 배출되는 현상이 발생한다.

그러므로, 초음파 입자 분리기를 이용하여 입자를 분리하는 경우에는 현탁용액의 농도에 따라 초음파 입자 분리기의 운전전략을 달리 하여야 함을 알 수 있다.

[실시예 6]

전압이 분리효율에 미치는 영향을 살펴보기 위하여, 실시예 1과 동일하게 실시하되 현탁용액의 농도를 10g/ℓ로 일정하게 하고, 0V, 20V, 30V 또는 45V의 전압을 진동자에 인가시켰다. 한편, 현탁용액의 농도가 10 g/ℓ이상에서는 실시예 4에서와 같이, 초음파 파장부에 응집되어 있던 입자들이 일정시간이 지난 후 중력침강하지 못하고 초음파 입자분리기 밖으로 배출되는 현상이 발생하기 때문에, 10g/ℓ이상의 농도에서는 분리효율로서 초음파 입자 분리기의 성능을 표현하기에 부적절하므로, 초음파 파장부에 응집되어 잡혀있는 시간, 즉 잡힘시간(holding time)으로 초음파 입자 분리기의 효능을 측정하고, 그 결과를 표 4 및 도 4에 나타내었다.

표 4로부터, 초음파 입자분리기를 사용하여 입자와 용액을 분리할 때, 10g/ℓ에서도 실시예 2의 결과와 같이 30V의 전압이 가장 효율적이며, 유속이 높을수록 잡힘시간이 감소된다는 것을 알 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 방법은 초음파 입자분리기를 사용하여 초음파에 의해 입자가 응집되도록 하여 용액으로부터 입자를 분리하는 방법으로, 중력을 이용하여 입자를 분리하는 방법보다 분리효율이 우수하며, 용액내의 입자의 성질에 관계없이 간편하여 입자를 분리할 수 있다. 한편, 본 발명에서 초음파 입자 분리 방법은 식품산업, 생활폐수 및 산업폐수 처리 분야에서의 고체-액체 분리 공정에 폭넓게 이용될 수 있다.