[논문]전기집진기의 10 nm 급 초미세 나노입자의 하전 및 집진 특성

한방우; 김학준; 김용진; 송동근; 홍원석; 신완호

doi:10.3795/ksme-b.2011.35.10.1013

전기집진기의 10 nm 급 초미세 나노입자의 하전 및 집진 특성
Characteristics of Charging and Collection of 10-nm-Class Ultrafine Nanoparticles in an Electrostatic Precipitator 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. B. B, v.35 no.10 = no.313, 2011년, pp.1013 - 1018

한방우 (한국기계연구원 그린환경기계연구본부) , 김학준 (한국기계연구원 그린환경기계연구본부) , 김용진 (한국기계연구원 그린환경기계연구본부) , 송동근 (한국기계연구원 그린환경기계연구본부) , 홍원석 (한국기계연구원 그린환경기계연구본부) , 신완호 (한국기계연구원 그린환경기계연구본부)

초록
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전기집진에서의 10 nm 급 초미세 나노입자의 하전 및 집진 특성을 파악하였고, 나노입자의 확산효과와 비교해 보았다. 나노입자의 하전율과 확산손실 효과의 지배력에 따라 전기집진기에서의 나노입자 집진효율이 결정되는 것을 확인할 수 있었다. 10nm 급 영역에서는 입자 크기가 작아질수록 지속적으로 집진효율이 감소하였다. 10 nm 이하의 영역에서는 나노입자의 부분적 하전효과가 전기집진기 내의 확산 손실 효과보다 지배적인 것을 알 수 있었다. 10 nm 이하의 나노입자에 대하여 집진효율 실험 결과가 단극 확산 하전 이론을 적용한 입자하전율 계산 결과와도 잘 일치하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The charging of 10-nm-class nanoparticles in an electrostatic precipitator (ESP) according to particle charging ratio has been investigated and compared to the diffusion effect of the nanoparticles. The competition between the charging probability and the diffusion loss effect determines the collection efficiency of nanoparticles in the ESP. The collection efficiency of nanoparticles decreased continuously with decreasing particle diameter. This indicates that the partial charging effect of 10-nm-class nanoparticles is more dominant than their diffusion loss effect in the ESP for nanoparticles in the particle size range of less than 10 nm. The charging ratios based on unipolar diffusion charging calculations were in good agreement with the experimental collection efficiencies for nanoparticles less than 10 nm in diameter.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 10 nm 급 초미세 나노입자의 전기집진기에서의 정전하전 및 집진 특성을 파악하였다. 나노입자는 입경이 작을수록 미하전 입자의 비율이 증가하므로 전기집진기의 집진효율이 감소하는 경향을 보였다.
따라서, 이 두 가지 반대되는 하전특성과 확산특성의 영향력 경쟁에 의해 10 nm 급 나노입자의 하전 및 집진 특성이 결정될 수 있다. 본 연구에서는 전기집진기에서의 나노입자의 하전과 확산에 따른 특성을 파악하였고 실험적으로 나타난 나노입자의 집진 및 하전특성을 단극 이온의 확산하전을 고려한 수치결과와 비교해 보았다.

제안 방법

장치는 크게 에어로졸 나노입자 발생 반응로, 나노입자 분급 시스템, 전기집진기 그리고 나노입자 계수측정기로 구성되어있다. NaCl 나노입자는 증발 응축법(evaporation condensation)을 이용하여 NaCl 고체를 500-550℃의 고온의 반응로에서 증발시킨 뒤 약 5℃ 정도의 냉각튜브를 통과시켜 3-30 nm 정도의 크기로 제조하였다. 발생된 입자는 Kr-85 입자중화기에 의해 중화된 뒤 Nano-DMA(differential mobility analizer, Model 3085, TSI Inc.
이렇게 생성시킨 균일 크기의 하전되지 않은 입자를 30 l/min의 깨끗한 공기와 함께 원통형 전기집진기로 유입시켰다. 전기집진기에는 고전압 인가장치(최대전압/전류 20 kV/ 5 mA)를 이용하여 직류전압 0-10 kV를 인가하였다.
5 mm의 텅스텐선을 이용하였다. 전기집진기의 입구 및 출구에서 응축핵 계수기(condensation particle counter, Model 3025, TSI Inc., St. Paul, MN)를 이용하여 입자 수농도를 측정하였다.

대상 데이터

원통형 전기집진기는 내경 30 mm, 길이가 200 mm의 크기로 제작하였고 내부방전극은 0.5 mm의 텅스텐선을 이용하였다. 전기집진기의 입구 및 출구에서 응축핵 계수기(condensation particle counter, Model 3025, TSI Inc.

이론/모형

β의 값으로는 Fuchs 가 제시한 입자하전 이론을 사용하였다.

성능/효과

7x10¹³ m^-3s일 때의 이론적 입자하전율의 결과를 비교한 것이다. 10 nm 이하의 입자의 경우 7.8, 8.0 kV의 충분한 전기장이 인가되었을 때 하전된 입자가 모두 집진기에 포집됨에 따라 집진효율 실험값이 이론적 하전율 결과와 잘 일치하는 것을 확인할 수 있다. 하지만 10 nm 이상의 입자나 전기장의 크기가 약한 7.
본 연구에서는 10 nm 급 초미세 나노입자의 전기집진기에서의 정전하전 및 집진 특성을 파악하였다. 나노입자는 입경이 작을수록 미하전 입자의 비율이 증가하므로 전기집진기의 집진효율이 감소하는 경향을 보였다. 즉, 크기가 작아질수록 확산에 의한 집진효과는 증가하였으나 그 효과가 미하전율 증가에 의한 집진성능 저하에 비해 상대적으로 작아서 전체적으로 집진효율이 감소하였다.
또한, 10 nm 급 나노입자에 대하여 전기집진기의 입자하전율이 단극이온에 의한 입자의 확산하전(diffusion charging)으로 설명한 이론적 결과와 잘 일치함을 알 수 있었다. 따라서, 10 nm 급의 초미세 나노입자의 경우 확산하전에 의한 입자 하전이론이 전기집진기의 하전특성을 해석하는데 유용하고, 확산에 의한 입자손실효과보다는 입자 하전율이 나노입자의 전기집진기의 집진성능을 좌우하는 지배성분임을 확인할 수 있었다.
즉, 크기가 작아질수록 확산에 의한 집진효과는 증가하였으나 그 효과가 미하전율 증가에 의한 집진성능 저하에 비해 상대적으로 작아서 전체적으로 집진효율이 감소하였다. 또한, 10 nm 급 나노입자에 대하여 전기집진기의 입자하전율이 단극이온에 의한 입자의 확산하전(diffusion charging)으로 설명한 이론적 결과와 잘 일치함을 알 수 있었다. 따라서, 10 nm 급의 초미세 나노입자의 경우 확산하전에 의한 입자 하전이론이 전기집진기의 하전특성을 해석하는데 유용하고, 확산에 의한 입자손실효과보다는 입자 하전율이 나노입자의 전기집진기의 집진성능을 좌우하는 지배성분임을 확인할 수 있었다.
0 kV의 고전압을 인가했을 때 입자 크기에 따른 집진효율 변화를 나타내고 있다. 모든 크기영역에서 인가전압을 증가시킬수록 집진효율이 지속적으로 증가하는 것을 확인할 수 있다. 또한 Fig.
0kV 일 때의 집진효율 실험값과 비교한 것을 보여주고 있다. 비교적 이론적 결과가 실험값의 경향을 잘 나타내주고 있음을 알 수 있다. 10 nm 이상에서 집진효율 실험값이 입자 하전율 이론값보다 다소 낮게 나타난 이유는 앞에서 언급한 것과 같이 일부 하전된 입자가 전기이동도가 작아 충분한 체류시간을 갖지 못해 전기집진기에 포집되지 못한 것으로 판단된다.
하지만 10 nm 급의 초미세 나노입자의 전기집진 하전특성에 대한 연구는 아직 미비한 상태이다. 입경이 작아질수록 이온과의 충돌확률 감소에 따라 하전될 가능성이 낮아지고 전기 집진기에서의 집진효율은 감소할 것으로 예상되나 나노입자에서 입경이 작을수록 입자에 작용하는 확산력이 급격히 증가하므로 전기집진기에서 확산에 의한 입자 침착이 증가할 것으로 예상된다. 따라서, 이 두 가지 반대되는 하전특성과 확산특성의 영향력 경쟁에 의해 10 nm 급 나노입자의 하전 및 집진 특성이 결정될 수 있다.
8은 전기집진기의 전기장을 인가하지 않았을 때의 전기집진기 전·후단에서의 입자농도 비교를 통해 확산에 의한 입자손실을 나타낸 것이다. 입자 크기가 작아질수록 확산 효과가 두드러지므로 확산에 의한 입자 손실 효과가 우수해지는 것을 확인할 수 있다. 그러나 앞에서 언급한 것과 같이 입경이 작아질 때 확산에 의한 입자 손실 효과 보다 입자의 미하전 비율 증가에 따른 집진성능 저하가 집진효율을 결정하는데 더 지배적임을 알 수 있다.
나노입자는 입경이 작을수록 미하전 입자의 비율이 증가하므로 전기집진기의 집진효율이 감소하는 경향을 보였다. 즉, 크기가 작아질수록 확산에 의한 집진효과는 증가하였으나 그 효과가 미하전율 증가에 의한 집진성능 저하에 비해 상대적으로 작아서 전체적으로 집진효율이 감소하였다. 또한, 10 nm 급 나노입자에 대하여 전기집진기의 입자하전율이 단극이온에 의한 입자의 확산하전(diffusion charging)으로 설명한 이론적 결과와 잘 일치함을 알 수 있었다.
이와 같이 입경이 작아질수록 집진효율이 지속적으로 감소하는 이유는 나노입자의 표면적이 작을수록 이온의 확산 충돌에 의한 나노입자와 붙을 확률을 나타내는 나노입자의 하전율이 급격하게 감소하여 나노입자의 평균하전수가 1 이하로 작아지기 때문이다. 한편, 입경이 작아질수록 나노입자의 확산 손실에 의한 집진은 증가하게 되는데 그럼에도 불구하고 집진효율이 지속적으로 감소하는 것은 10 nm 이하의 범위에서 입자의 하전량 감소가 입자의 확산손실 효과보다 훨씬 지배적인 것을 확인할 수 있다. 표 1은 이론적 계산을 수행하기 위한 내부 전기장 세기 및 이온농도값을 나타내고 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	에어로졸 입자의 하전은 무엇으로 나눌 수 있는가?	에어로졸 입자의 하전은 기체상 이온과의 충돌을 통해 이루어지는데 크게 확산하전(diffusion charging)과 전계하전(field charging)으로 나눌 수 있다. 전계하전은 외부의 전기장에 의해 이온이 가속되어 상대적으로 정체되어 있는 입자에 충돌하여 하전되는 것을 말하고 확산하전은 이온과 입자가 불규칙한 브라운운동에 의해 충돌하면서 하전되는 것을 의미한다.
	확산하전은 무엇을 의미하는가?	에어로졸 입자의 하전은 기체상 이온과의 충돌을 통해 이루어지는데 크게 확산하전(diffusion charging)과 전계하전(field charging)으로 나눌 수 있다. 전계하전은 외부의 전기장에 의해 이온이 가속되어 상대적으로 정체되어 있는 입자에 충돌하여 하전되는 것을 말하고 확산하전은 이온과 입자가 불규칙한 브라운운동에 의해 충돌하면서 하전되는 것을 의미한다. 특히 400 nm 이하의 미세입자의 경우 외부에서 아무리 강한 전기장을 인가하더라도 주로 확산하전이 지배적인 역할을 한다.
	10 nm 급 초미세 나노입자의 전기집진기에서의 정전하전 및 집진 특성을 파악한 결과, 나노입자의 크기와 집진효과, 집진효율의 상관성은 어떠한가?	본 연구에서는 10 nm 급 초미세 나노입자의 전기집진기에서의 정전하전 및 집진 특성을 파악하였다. 나노입자는 입경이 작을수록 미하전 입자의 비율이 증가하므로 전기집진기의 집진효율이 감소하는 경향을 보였다. 즉, 크기가 작아질수록 확산에 의한 집진효과는 증가하였으나 그 효과가 미하전율 증가에 의한 집진성능 저하에 비해 상대적으로 작아서 전체적으로 집진효율이 감소하였다. 또한, 10 nm 급 나노입자에 대하여 전기집진기의 입자하전율이 단극이온에 의한 입자의 확산하전(diffusion charging)으로 설명한 이론적 결과와 잘 일치함을 알 수 있었다.

참고문헌 (9)

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표제어: PCR

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