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문제 정의
- 본 연구에서 활성탄으로 표면이 코팅된 전극을 이용하여 전극 간격 별, 전압 별 분진 부착량 그리고 이의 결과를 기초로 전극의 적정 배열에 대하여 알아보았다.
- 본 연구에서는 분진제거를 목적으로 제작된 활성탄 전극의 적정 간격 및 전압 그리고 전극의 적정한 배열 등 활성탄 전극의 분진제거에 관련된 기초 인자에 대하여 실험연구를 통하여 알아보고자 하였다.
가설 설정
- 4. Hypothetical movement of charged dust at positive and negative electrodes.
제안 방법
- 1)~3)에서 수행한 전극의 전압변화 및 전극간격 별 분진 부착량 등의 실험결과를 기초하여 전극을 설치하고 분진 제거효율 실험을 수행하였다.
- 3.1절에서는 극판에 분진이 계속 누적되면 분진표면의 전하가 역전되어 분진의 역류가 발생되는 것으로 사료되어 본절에서는 누적량을 측정하지 않고 매시간 측정 후 분진을 털어내어 시간에 따른 전극에 부착된 분진량에 대하여 알아보았다.
- 활성탄 기공에 갇혀 있던 메탄올을 휘발시키기 위하여 메탄올의 휘발점보다 훨씬 높은 약 100℃에서 약 1시간 추가 건조시켰다. 건조과정에서 활성탄 세공은 그대로 살아 있고 접착제는 굳어짐을 이용하는 방법으로 제작하였다. 활성탄과 PVA의 배합비(무게비)는 1 : 0.
- 중반부는 전극간격을 2 cm 그리고 후단부는 전극간격을 1 cm로 하여 각각의 모듈은 2개로 설치하고, 전극판은 3 cm의 경우와 마찬가지로 서로 교차되지 않도록 배치하였다. 그리고 각 전극모듈에는 분진 샘플 포터를 설치하여, 거리에 따른 분진 제거효율을 알아보았다. 유입공기량은 약 180 L/min로 주입하여 선속도는 약 6 cm/sec였으며, 주입분진 농도는 평균 약 10 mg/m3를 유지하였다.
- 범위로 유입하였다. 그리고 총운전 시간 150분 동안 전극간격 및 유입구로부터 거리에 따른 먼지 제거효율을 나타내었다.
- 우선 산 세척한 활성탄을 200℃의 건조기에 두어서, 활성탄 세공의 기체 및 휘발성 물질을 제거한 후, 분말활성탄은 밀폐된 용기에 넣고 접착제에 사용된 것과 같은 용매제(메탄올)를 주입한 후 약 1기압의 압력을 가하여 강제로 세공에 용매제를 주입하였다. 본 연구에서는 약 1 L의 아크릴용기에 분말활성탄 및 메탄올을 넣고 질소가스가 충전된 봄베의 압력을 이용하였다. 약 1일간 메탄올을 충전 후 여과시킨 활성탄은 접착제(PVA, polyvinyl acetate)와 혼합 후 제조된 전극판의 크랙(crack)을 방지하기 위하여 상온에서 약 2시간 건조시켰다.
- 분진 유입부는 유입된 공기가 45o로 확산되도록 콘(cone)형태로 제작하였고, 전극조는 10개의 모듈(W 15 cm × H 15 cm × L 10 cm)로 구성하고, 각각의 모듈은 2개의 셀(cell, W 14.5cm × H 14.5 cm × L 4.5 cm)이 안착될 수 있도록 하였다.
- 컨베이어에 의해 이송된 분진은 콤프레셔의 유압에 의해 유동되는 모래층(sand bed)로 유입되어, 분진이 발생되며 발생된 분진은 홀더로 유입된 후, 홀더에서는 추가로 blower에 의해 발생되는 주입공기량을 이용하여 농도를 조절하였다. 분진제거 활성탄 전극조는 분진 유입부와 분진제거 전극조로 구성하였다. 분진 유입부는 유입된 공기가 45o로 확산되도록 콘(cone)형태로 제작하였고, 전극조는 10개의 모듈(W 15 cm × H 15 cm × L 10 cm)로 구성하고, 각각의 모듈은 2개의 셀(cell, W 14.
- 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위한 방안으로, 전극판의 비표면적을 증가시켜 분진의 부착면적을 증대시키고, 전류밀도를 전극판에 고르게 분포시켜서3) 분진의 부착이 한 곳에 편중되지 않고 균일하게 부착되도록 하고자 하였다. 그 방안으로 활성탄을 개질하여 전기 저항값을 낮추고, 결합재(binder)를 사용하여도 활성탄 세공을 이용한 고유기능이 살아있는 활성탄을 박판으로 코팅한 활성탄 전극을 개발하여 알루미늄 전극과 활성탄을 코팅한 전극과의 분진 부착 능력을 비교한 실험결과에서 활성탄을 코팅한 전극이 약 4배 정도 분진 부착량이 많음을 확인한 바 있다.
- 우선 산 세척한 활성탄을 200℃의 건조기에 두어서, 활성탄 세공의 기체 및 휘발성 물질을 제거한 후, 분말활성탄은 밀폐된 용기에 넣고 접착제에 사용된 것과 같은 용매제(메탄올)를 주입한 후 약 1기압의 압력을 가하여 강제로 세공에 용매제를 주입하였다. 본 연구에서는 약 1 L의 아크릴용기에 분말활성탄 및 메탄올을 넣고 질소가스가 충전된 봄베의 압력을 이용하였다.
- 유입 분진농도는 약 8 mg/m3 , 선속도는 8 cm/sec, 전극 간격을 3 cm, 2 cm, 1 cm로 설치하고 각 간격별로 전압은 3 kV, 5 kV, 7 kV 및 9 kV로 변화시켜서 전압변화에 따른 분진 부착량을 알아보았다.
- 전극의 운전조건은 1)의 전극 간격 별 분진부착 누적량 실험방법과 동일하게 유지하고 1시간 운전 후 부착분진을 제거하고, 3시간 운전 후 다시 제거하여 운전시간에 따른 분진 부착량을 산정하였다.
- 전극판에 최대 부착될 수 있는 분진량을 알아보기 위하여 유입 분진농도는 약 8 mg/m3 , 선속도는 8 cm/sec, 전압은 5 kV로 유지하고 전극 간격을 3 cm, 2 cm, 1 cm 로 각각 설치하여 각 간격 별로 시간에 따른 누적 분진량을 측정하였다. 간격 3 cm의 경우 셀에 전극을 양전극-음전극을 각각 한 쌍을 설치하였고, 간격 2 cm의 경우는 셀에 양전극-음전극을 각각 3쌍 그리고 간격 1 cm인 경우는 4쌍을 설치하여 수행하였다.
- 분진발생 원리는 다음과 같다. 컨베이어에 의해 이송된 분진은 콤프레셔의 유압에 의해 유동되는 모래층(sand bed)로 유입되어, 분진이 발생되며 발생된 분진은 홀더로 유입된 후, 홀더에서는 추가로 blower에 의해 발생되는 주입공기량을 이용하여 농도를 조절하였다. 분진제거 활성탄 전극조는 분진 유입부와 분진제거 전극조로 구성하였다.
- 건조과정에서 활성탄 세공은 그대로 살아 있고 접착제는 굳어짐을 이용하는 방법으로 제작하였다. 활성탄과 PVA의 배합비(무게비)는 1 : 0.2-0.3이 적당하였고 black carbon을 전기전도도를 향상시키기 위하여 주입하였다.
대상 데이터
- 실험장치는 분진발생장치, 먼지홀더, 유입유량계, 분진제거 활성탄 전극조, 그리고 처리공기 유출부로 구성되어 있다. 분진발생장치는 일본 kanomax사의 Model 3211 fludized bed dust generator를 사용하였다. 실험에 사용한 분진(Association powder process industry.
- 실험에 사용한 분진(Association powder process industry. Eng., Japan)의 주성분은 실리카이고, 크기는 1-8 µm였다.
- 실험장치는 분진발생장치, 먼지홀더, 유입유량계, 분진제거 활성탄 전극조, 그리고 처리공기 유출부로 구성되어 있다. 분진발생장치는 일본 kanomax사의 Model 3211 fludized bed dust generator를 사용하였다.
성능/효과
- 결과적으로 먼지가 전극판에 누적되면 음극과 양극판의 거리가 가까울수록 전극판으로의 먼지의 부착 및 탈착의 빈도수가 증가함을 알 수 있었다.
- 결론적으로 상기의 실험결과로 보아 분집 유입 선속도가 8 cm/sec일 경우 전극 간격 2 cm가 유입선속도보다는 정전기에 의해 부착되는 속도가 더 빨라서 분진부착량은 가장 많으나, 전극배열에 있어서 부착된 먼지는 표면전하의 역류 현상에 의하여 탈착이 우려됨으로, 후단으로 갈수록 전극의 간격을 좁혀서 부착면적을 증가시켜 설치하는 것이 바람직하다고 사료되었다.
- 분진의 부착이 한 곳에 편중되지 않고 균일하게 부착되도록 하고자 하였다. 그 방안으로 활성탄을 개질하여 전기 저항값을 낮추고, 결합재(binder)를 사용하여도 활성탄 세공을 이용한 고유기능이 살아있는 활성탄을 박판으로 코팅한 활성탄 전극을 개발하여 알루미늄 전극과 활성탄을 코팅한 전극과의 분진 부착 능력을 비교한 실험결과에서 활성탄을 코팅한 전극이 약 4배 정도 분진 부착량이 많음을 확인한 바 있다.4) 정전기를 이용한 분진제거에 있어서 전극에서의 분진의 부착 및 탈착에 관한 연구는 국․내외적으로 사례가 매우 드물며 특히 활성탄을 전극판으로 제작하여 분진제거를 수행한 연구 사례는 전무하다.
- 3 cm 의 경우는 최대 분진착량이 약 80 mg, 2 cm의 경우는 약 120 mg, 1cm의 경우는 약 60 mg으로 전극 간격 2 cm가 가장 높은 부착량을 보여 주었다. 그리고 각각의 양전극 및 음전극의 분진부착량을 비교하여 보면 통상 분진의 표면전하는 음이온을 나타내어 양전극에 더 많은 양의 분진이 부착할 것으로 예상하였으나, 양전극 및 음전극에 관계없이 부착량은 유사함을 알 수 있었다. Fig.
- 분진의 부착량에 있어서 단위전극당 분진 부착량은 양전극과 음전극간에 거리가 멀수록 부착량은 높았으나 총 제거량에 있어서는 전극간에 거리가 가까울수록 커져서 전극의 배열은 전단보다는 후단으로 갈수록 간격을 좁혀서 설치하는 것이 바람직한 것으로 사료되었다. 그리고 전압의 변화에 따라서는 부착량에 큰 변화가 없었으나 5 kV에서 가장 안정적인 부착량을 보였으며 이때의 가장 높은 분진 부착량을 보여준 전극간의 간격은 2 cm였다.
- 전극 간격 별 분진 부착량에 있어서 양전극 및 음전극의 간격이 가까울수록 전극에 부착된 분진의 표면전하의 변화로 탈착 및 부착의 빈도가 높았다. 분진의 부착량에 있어서 단위전극당 분진 부착량은 양전극과 음전극간에 거리가 멀수록 부착량은 높았으나 총 제거량에 있어서는 전극간에 거리가 가까울수록 커져서 전극의 배열은 전단보다는 후단으로 갈수록 간격을 좁혀서 설치하는 것이 바람직한 것으로 사료되었다. 그리고 전압의 변화에 따라서는 부착량에 큰 변화가 없었으나 5 kV에서 가장 안정적인 부착량을 보였으며 이때의 가장 높은 분진 부착량을 보여준 전극간의 간격은 2 cm였다.
- 4에서와 같이 추론할 수 있었다. 유입 분진 중 표면전하가 양이온인 경우는 음전극에 부착되고 표면전하가 음이온인 분진은 양전극에 붙게 되는데 탈착 없이 장기간 운전 시 양전극에 부착된 분진의 표면전하는 양이온으로 전환되고 음전극에 부착된 분진의 표면전하는 음이온으로 전환되어 표면전하의 역류 때문에 탈착 및 부착이 반복 되는 것으로 사료되었다.
- 9의 분진제거효율과 비교하여 보면 후단으로 갈수록 제거효율이 높아서 전극간격 1 cm에서 분진 부착량이 가장 높아야 하지만 반대의 경향을 보여 주었다. 이는 전극간격 3 cm에서는 전극수가 4개지만 1 cm에서는 10개여서 다시 말하여 전극수가 적으면 부착량은 많지만 총제거량이 적고 전극수가 많으면 부착량은 적지만 총제거량은 많음을 보여주어서 분진제거효율을 높이기 위해서는 전극간격을 줄여서 설치수를 늘리는 것이 바람직하다고 사료되었다.
- 반면에 1 cm의 경우는 5 kV까지는 증가하는 추세를 보였으나, 7 kV 및 9 kV에서는 감소하는 추세를 보였다. 이는 전술한 바와 마찬가지로 표면전하의 역류 때문인 것으로 사료되며, 표면전하의 역류는 전극 간격뿐만 아니라, 전극간격이 좁을 경우는 전압이 높을수록 증가함을 알 수 있었다. 따라서 정전기를 이용한 전극판에서 적정 전극간격은 2 cm 또는 1 cm 그리고 적정 전압은 5 kV였다.
- 전극간격 3 cm 에서 전극은 4개, 2 cm에서는 8개, 1cm에서는 10개를 설치하였으며, 단위 전극 당 평균부착량은 전극간격 3 cm에서는 80 mg, 2 cm에서는 95 mg, 1 cm에서는 70 mg를 나태내어 전극간격 2 cm에서 가장 많은 부착량을 보였고 1 cm에서 가장적은 부착량을 보였다. 이의 결과를 Fig. 9의 분진제거효율과 비교하여 보면 후단으로 갈수록 제거효율이 높아서 전극간격 1 cm에서 분진 부착량이 가장 높아야 하지만 반대의 경향을 보여 주었다. 이는 전극간격 3 cm에서는 전극수가 4개지만 1 cm에서는 10개여서 다시 말하여 전극수가 적으면 부착량은 많지만 총제거량이 적고 전극수가 많으면 부착량은 적지만 총제거량은 많음을 보여주어서 분진제거효율을 높이기 위해서는 전극간격을 줄여서 설치수를 늘리는 것이 바람직하다고 사료되었다.
- 전극 간격 별 분진 부착량에 있어서 양전극 및 음전극의 간격이 가까울수록 전극에 부착된 분진의 표면전하의 변화로 탈착 및 부착의 빈도가 높았다. 분진의 부착량에 있어서 단위전극당 분진 부착량은 양전극과 음전극간에 거리가 멀수록 부착량은 높았으나 총 제거량에 있어서는 전극간에 거리가 가까울수록 커져서 전극의 배열은 전단보다는 후단으로 갈수록 간격을 좁혀서 설치하는 것이 바람직한 것으로 사료되었다.
- 전극간격 3 cm 에서 전극은 4개, 2 cm에서는 8개, 1cm에서는 10개를 설치하였으며, 단위 전극 당 평균부착량은 전극간격 3 cm에서는 80 mg, 2 cm에서는 95 mg, 1 cm에서는 70 mg를 나태내어 전극간격 2 cm에서 가장 많은 부착량을 보였고 1 cm에서 가장적은 부착량을 보였다. 이의 결과를 Fig.
- 각 전극의 간격 별 설치 수는 전극간격 3 cm에서는 양-음전극 2쌍, 2 cm에서는 3쌍, 1 cm에서는 4쌍을 설치하여 수행하였다. 전극간격 3 cm에서 운전시간이 지남에 따라 먼지 부착량은 점차 증가하다가 약 4시간 운전 후에는 감소 추세를 보였으며, 그 이후에는 다시 증가 추세를 보였다가 약 8시간 운전 후에는 다시 감소함을 보여주었다. 전극간격 2 cm에서도 마찬가지로 초기에는 점차 증가하다가 약 2시간 후에는 감소하였으며, 다시 증가하다가 역시 4시간에서는 감소하였으며, 6시간에서도 유사한 경향을 보였다.
- 전극간격이 3 cm인 전반부에서의 제거효율은 7-8%, 전극간격이 2 cm인 중반부에서는 20-30% 그리고 전극간격이 1 cm인 말단부에서 첫 번째 모듈은 약 50% 이어서 두 번째 모듈에서는 72%로 후단으로 갈수록 제거효율이 증가함을 알 수 있었다.
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