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문제 정의
- 본 연구에서는 대기환경에서 관심의 대상이 되고있는 입경 (10、2.5, I μm)을 기준으로 에어로졸의 크기를 분류하여 질량 농도와 화학적 조성을 파악하는데 사용될 수 있는 3단 임팩터를 설계하고자 하였다. 정 격 흡인유량은 30L/min로, 각 단의 기 판과 최종필터 (after fitter)의 직 정은 37 mm로 설정하였다.
- 본 연구에서는 대기환경의 규제 입경인 10, 2.5 [im와 앞으로 규제 가능성이 있는 1 μm를 기준으로 입자를 분리할 수 있는 3단 임팩터를 설계, 제작하여 성능을 평가하였다. 임팩터의 성능을 파악하기 위하여 단분산 입자를 발생시킨 후 중량법과 계수법을 사용하여 각 단의 입자채취효율을 측정하였다.
가설 설정
- 모든 임팩터의 단은 같은 원리에 의해 작동되는데、노즐을 통과한 에어로졸 입자가 공기와 함께 평평한 임팩터 기판으로 향하고, 유선 이 90° 로 급격히 변하는 과정에서 관성이 큰 입자는 기류를 따라가지 못하고 임팩터 기판에 충돌하게 돈I다. 이때 충돌된 모든 입자가 기판에 부착된다고 가정하면.충돌하지 않은 입자들은 기류를 따라 다음 단으로 빠겨나가고.
제안 방법
- 곡선을 나타낸 것이다. 1단과 2단은 중량 법, 3단은 입자 계수법을 사용하여 입자 채취효율을 구하였다. 채취효율 곡선으로부터 구한 1, 2, 3단의 50% 분리 입 경은 각각 9.
- 즉, 채취효율을 계산하는데 평균적으로 5개 채널을 사용하였고, 3단의 상류와 하류의 농도는 선택한 채널들의 농도를 더하여 구하였다. 1대의 공기 역학적 입경 측정기를 사용하였으므로, 2개의 볼 밸브와 Y관을 이용하여 상류와 하류의 농도를 교대로 측정하였다. 이때 공기역학적 입경 측정기의 흡인 유량(5.
- 그림을 보면, 노즐 직경이 큰 경우 (model B) 노즐을 통과하는 평균 기류 속도가 작아지므로 분리 입경이 증가한다. I단과 2단의 A 모델의 경우(W = 8.0mm와 W = 2.1 mm) 50% 분리입경이 설계치보다 작았으므로, A 모델에 대한 실험 결과로부터 스톡스 수를 계산하여 B 모델을 설계, 제작하여 성능을 다시 평가하였다.B 모델의 경우(W = 8.
- PMI(1. PM”와 향후 규제 가능성이 있는 PMi을 구분하여 채취할 수 있는 3단 임팩터를 설겨'제작하여 성능을 평 가하였다. 중량법과 계 수법 을 사용하여 임 팩터의 단별 입 자채 취 효율을 구하였고, 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 계수법으로 구하여 나타낸 것이다. PSL 입 자를 사용하여 다양한 입경에 대한 채취효율을 구하는데 제 약이 있으므로, 홉인유량을 변 경 하여 스톡스 수의 범위를 넓혔다. 즉.
- 임팩터의 기판과 최종필터는 측정 전과 측정 후 24시간 동안 데시케이터에 보관하여 항습시킨 후 분해능이 1 Ug인 전자저울 (model MT5, Mettler-Toledo) 로 무게를 측정하였다. 각 단의 입경별 채취효율은 임팩터의 기판과 최종필터에 채취된 입자의 무게로부터 구하였다.
- , USA)를 사용하여 임 팩터의 상류와 하류의 입자 수 농도와 평균 입경을 측정하였다. 공기역학적 입경 측정기의 대표 값으로는 기하 평균 입경을 사용하였고, 최대 농도의 10% 이상을 나타내는 채널들을 선택하여 데이터를 처리하였다. 즉, 채취효율을 계산하는데 평균적으로 5개 채널을 사용하였고, 3단의 상류와 하류의 농도는 선택한 채널들의 농도를 더하여 구하였다.
- 가.공하기 쉽고 레이놀즈 수의 범위를 만족하도록 각 단의 노즐 수와 직경을 선정하였고, 직경 37mm 인 기판에 에어로졸이 모두 채취될 수 있도록 직경 25 mm 인 원 의 내 부에 노즐을 배 치 하였다. ] 차 시제품의 설계치와 1차 실험결과를 근거로 결정한 2차시 새품의 설계치를 표 }에 나타냈다.
- 위해 계수법을 사용하였다. 그림 4와 같이 샘플링 프로브가 설치된 연결부를 3단의 상류와 하류에 장착하여 입 자채취 효율을 평가하였다. 분무기 (atomizer, model 9302, TSI Inc.
- 또한.본 연구결과를 상용 다단 임팩터 (microorifice uniform deposit impactor, MOUDI, model 100, MSP Corp., USA)의 성능과 비교하였다 (배귀남 등, 1999; Marple et al., 1991).
- 따라서, 실제 임팩터의 채취효율 곡선은 S자 형태이고, 채취효율 곡선의 경사 (stiffness)가 급할수록 분리성능이 좋은 임팩터가 된다. 본 연구에서는 3단 임팩터의 입자 채취 특성을 살펴보기 위하여 분리입경이 각각 10, 2.5nm 인 1단과 2단은 중량법, 분리입경이 lum 인 3 단은 계수법으로 입자채취효율을 평가하였다.
- 000이어야 한다. 본 연구에서도 이들이 제시한 설계 조건을 만족시킬 -V 있도록 설계 인자의 값을 결정하였다.
- 분리입경 이 Uim인 3단의 채취효율을 평가하기위해 계수법을 사용하였다. 그림 4와 같이 샘플링 프로브가 설치된 연결부를 3단의 상류와 하류에 장착하여 입 자채취 효율을 평가하였다.
- 그림 4와 같이 샘플링 프로브가 설치된 연결부를 3단의 상류와 하류에 장착하여 입 자채취 효율을 평가하였다. 분무기 (atomizer, model 9302, TSI Inc., USA)로 단분산 PSL (polystyrene latex) 입 자를 발생 시키고, 공기 역학적 입경 측정 기 (aerodynamic particle sizer spectrometer, APSS, model 3320, TSI Inc., USA)를 사용하여 임 팩터의 상류와 하류의 입자 수 농도와 평균 입경을 측정하였다. 공기역학적 입경 측정기의 대표 값으로는 기하 평균 입경을 사용하였고, 최대 농도의 10% 이상을 나타내는 채널들을 선택하여 데이터를 처리하였다.
- 二L런 더), 원형 노즐을 여러 개 사용하는 경우 제트 유동간의 상호작용에 의해 임 팩터의 분리 성능이 달라 질 수 있으므로. 설계 자의경힘에 의해 각 단마다 약간 다른 스톡스 수를 사용하여 임팩 터를 설계 한다. 본 연구에서는 먼저 J.
- 제 작한 후. 실험적으로 얻은 1차 시제품■에 대한 입자채취효율 곡선으로부더 분리입경에 해당하는 仝톡스 수를 구하였다. 이벟개 구한 각 단의 스톡-八 수를 기준으로 노즐 직 경을 변경하여 임팩터의 2차 시세품(model B)을 제작하여 성능을 평가하였다’
- 1대의 공기 역학적 입경 측정기를 사용하였으므로, 2개의 볼 밸브와 Y관을 이용하여 상류와 하류의 농도를 교대로 측정하였다. 이때 공기역학적 입경 측정기의 흡인 유량(5.0L/min)을 고려하여 임팩터의 3단을 통과하는 유량이 30L/min 가 되도록 니들 밸브와 질량유량계 (mass flowmeter, model 3036, TSI Inc., USA) 로 조절하였다.
- 실험적으로 얻은 1차 시제품■에 대한 입자채취효율 곡선으로부더 분리입경에 해당하는 仝톡스 수를 구하였다. 이벟개 구한 각 단의 스톡-八 수를 기준으로 노즐 직 경을 변경하여 임팩터의 2차 시세품(model B)을 제작하여 성능을 평가하였다’
- 임팩터의 성능을 파악하기 위하여 단분산 입자를 발생시킨 후 중량법과 계수법을 사용하여 각 단의 입자채취효율을 측정하였다. 임팩터 기판의 재질에 따른 채취효율 곡선의 변화와 기판에서 고체 입자의 튕김 현상에 의한 영향을 조사하였다. 또한.
- 기판의 표면은 코팅 등의 처리를 하지 않고 그대로 사용하였다. 임팩터의 기판과 최종필터는 측정 전과 측정 후 24시간 동안 데시케이터에 보관하여 항습시킨 후 분해능이 1 Ug인 전자저울 (model MT5, Mettler-Toledo) 로 무게를 측정하였다. 각 단의 입경별 채취효율은 임팩터의 기판과 최종필터에 채취된 입자의 무게로부터 구하였다.
- 특정 크기의 PSL 입자만 시판되고 있으므로. 임팩터의 분리입경에 해당하는 스톡스 수를 구하기 위하여 식 (1)에서 알 수 있는 것처럼 입경 뿐만 아니라 노즐을 통과하는 평균 속도, 즉 임팩터의 흡인유량을 3 가지 (25, 30, 35 L/min)로 변경하여 스톡스 수의 함수로 임팩터의 채취효율을 나타냈고, 이것으로부터 50% 분리입 경을 구하였다.
- 5 [im와 앞으로 규제 가능성이 있는 1 μm를 기준으로 입자를 분리할 수 있는 3단 임팩터를 설계, 제작하여 성능을 평가하였다. 임팩터의 성능을 파악하기 위하여 단분산 입자를 발생시킨 후 중량법과 계수법을 사용하여 각 단의 입자채취효율을 측정하였다. 임팩터 기판의 재질에 따른 채취효율 곡선의 변화와 기판에서 고체 입자의 튕김 현상에 의한 영향을 조사하였다.
- PM”와 향후 규제 가능성이 있는 PMi을 구분하여 채취할 수 있는 3단 임팩터를 설겨'제작하여 성능을 평 가하였다. 중량법과 계 수법 을 사용하여 임 팩터의 단별 입 자채 취 효율을 구하였고, 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 중량법으로 임팩터의 성능을 평가하기 위하여 그림 3에 나타낸 바와 같이 진동 오리피스 입자 발생 장치 (vibrating orifice aerosol generator, VO AG, model 3450, TSI Inc., USA)-f- 사용하여 단분산 입자를 발생시키고, 흡인유량을 조절할 수 있는 성능평가 장치를 제작하여 실험을 수행하였다. 습식 가스미터 (wet gas meter, model W-NK-10A, Sinagawa Corp.
- 공기역학적 입경 측정기의 대표 값으로는 기하 평균 입경을 사용하였고, 최대 농도의 10% 이상을 나타내는 채널들을 선택하여 데이터를 처리하였다. 즉, 채취효율을 계산하는데 평균적으로 5개 채널을 사용하였고, 3단의 상류와 하류의 농도는 선택한 채널들의 농도를 더하여 구하였다. 1대의 공기 역학적 입경 측정기를 사용하였으므로, 2개의 볼 밸브와 Y관을 이용하여 상류와 하류의 농도를 교대로 측정하였다.
대상 데이터
- 1. Design parameters of the prototype three stage impactors.
- 2g/cm, )으로 만든 고체 입자를 사용하였다. 기판으로는 직경이 37 mm인 테플론 필터 (Teflon filter, F2996-25, zefluor, pore size 2 |im, Gelman Scientific>와 알루미늄 호일 (A】 foil)을 사용하였다. 최종필터로는 직 경이 37 mm인 테플론 필터를 사용하였다.
- , Japan)로 압력 (진공도)에 따라 교정된 유량계 (rotameter)를 사용하여 임팩터로 흡인되는 유량을 설정 값 (30 L/min)으로 일정하게 유지하였다. 시험 입자로는 올레 인산 (oleic acid, 밀도 = 0.895 g/cm, )으로 만든 액체 입자와 소금(NaCl, 밀도 = 2.2g/cm, )으로 만든 고체 입자를 사용하였다. 기판으로는 직경이 37 mm인 테플론 필터 (Teflon filter, F2996-25, zefluor, pore size 2 |im, Gelman Scientific>와 알루미늄 호일 (A】 foil)을 사용하였다.
- 입자채취효율을 왜곡시킬 수 있다. 입자의 튕김을 최소화시키기 위하여 알루미늄 호일을 실리콘스프레이로 코팅하여 기판으로 사용하였다. 특정 크기의 PSL 입자만 시판되고 있으므로.
- 기판으로는 직경이 37 mm인 테플론 필터 (Teflon filter, F2996-25, zefluor, pore size 2 |im, Gelman Scientific>와 알루미늄 호일 (A】 foil)을 사용하였다. 최종필터로는 직 경이 37 mm인 테플론 필터를 사용하였다. 기판의 표면은 코팅 등의 처리를 하지 않고 그대로 사용하였다.
성능/효과
- (2) 임팩터의 흡인유량과 노즐의 개수, 노즐과 기판 간 거리가 결정되어 있는 경우 노즐의 직경이 작아지면 단의 분리입경이 작아지고 채취효율 곡선은 입경이 작은 쪽으로 이동한다. 그■러나.
- (3) 표면이 매끄럽지 않은 테플론 필터를 기판으로 사용한 경우 분리입 경보다 작은 입경에서 채취효율이 알미늄 호일을 기판으로 사용한 경우보다 약간 높게 나타나지 민'분리입 경은 변하지 않는다.
- (4) 고체 입 자의 경우 기판에서 입 자의 튀어나오는 현상으로 인해 최대 채취효율이 1단의 경우 30% 이 하. 3단의 경우 60% 이 하로 낮다.
- MOUDI의 경우 직경 이 47mm인 기판을 사용하고, 노즐에서 상대적으로 큰 관성을 갖는 입자들이 노즐로 유입되기 이전에 기류가 급격히 변하는 부분에서 손실되어 감소하기 때문이 라고 생각된다. 본 실험 결과에 의하면 기판에서 입자가 튀어나오는 현상으로 인해 분리입경보다 큰 입자의 채취효율이 크게 달라지는데, 기판을 코팅하여 사용하면 입자의 튕김에 의한 측정결과의 왜곡을 최소화시킬 수 있다.
- 개발 임팩터의 경우 최대 채취효율이 30% 이하로 MOUDI 1단의 채취효율에 비해 낮다. 이것으로부터 본 연구에서 제작한 1단에서의 튕김 현상이 상대적으로 더 크다는 것을 알 수 있다. MOUDI의 경우 직경 이 47mm인 기판을 사용하고, 노즐에서 상대적으로 큰 관성을 갖는 입자들이 노즐로 유입되기 이전에 기류가 급격히 변하는 부분에서 손실되어 감소하기 때문이 라고 생각된다.
후속연구
- 향후 임 팩 터 내부 벽면에 서의 입 자 손실을 정 량화시키고. 실제 현장에서 유사 기기와의 비교 실험을 거치면, 3단 임팩터 시제품을 대기 에어로졸 연구에 사용할 수 있을 것으로 예상된다.
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