[논문]HRT 변화에 따른 미세입자 분리 특성

안광호; 안재환; 김이태; 김석구; 강성원; 박은주; 이영섭

doi:10.4491/ksee.2013.35.12.937

HRT 변화에 따른 미세입자 분리 특성
Characteristics of Micro-Particle Separation according to HRT Changes 원문보기

대한환경공학회지 = Journal of Korean Society of Environmental Engineers, v.35 no.12, 2013년, pp.937 - 942

안광호 (한국건설기술연구원 환경연구실) , 안재환 (한국건설기술연구원 환경연구실) , 김이태 (한국건설기술연구원 환경연구실) , 김석구 (한국건설기술연구원 환경연구실) , 강성원 (한국건설기술연구원 환경연구실) , 박은주 (한국건설기술연구원 환경연구실) , 이영섭 (인천대학교 임베디드시스템공학과)

초록
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유체 내에서 발생된 음파 또는 초음파가 반사벽에 의해 반대방향으로 진행하면서 일정한 파동을 형성하는 음파를 음향정재파(acoustic standing wave)라고 한다. 본 연구에서는 주파수 1.0 MHz와 2.0 MHz의 음향정재파 발생모듈을 설치한 연속식의 입자분리장치에서, 유입수의 층류(laminar flow)를 고려하여, 수리학적체류시간(HRT) 변화에 따른 입자분리 특성을 살펴보았다. 정재파 가동에 다른 입자분리장치 내의 수온은 $1.3{\sim}2.8^{\circ}C$ 정도 증가하였으나 정재파 형성에 큰 영향을 주지 않았다. 주파수 1.0 MHz 가동 시 HRT 1시간에서 2시간, 4시간으로 길어짐에 따라 입자분리 효율(탁도)은 각각 64.1%, 70.0%, 74.3%로, 2.0 MHz에는 HRT에 따라 각각 58.0%, 61.8%, 70.7%로 증가된 것으로 나타났다. 즉, 동일한 주파수일 경우 HRT에 따라 처리효율이 10% 이상 차이가 발생하고 있으며, 1.0 MHz 주파수에서는 2시간, 2.0 MHz에서는 4시간 정도에서 70% 이상의 처리효율을 유지할 수 있다. 주파수 1.0 MHz와 2.0 MHz를 동시에 가동한 결과, HRT 1시간, 2시간, 4시간에서의 입자 분리 효율은 각각 63.8%, 70.6%, 77.6% 나타나 연속된 정재파의 발생 보다는 HRT가 입자분리에 많은 영향을 주는 것을 알 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

Fluid generated within the sonic or ultrasonic waves are reflected by the wall, while the opposite direction forming a predetermined sound wave to the acoustic standing wave is referred to. In this study, the frequency of 1.0 MHz and 2.0 MHz acoustic standing wave generation module is installed in a continuous particle separation device, the laminar flow of influent, taking into account the hydraulic retention time (HRT) in accordance with changes in particle separation characteristics investigated. Operation of a standing wave in the particle separation device about $1.3{\sim}2.8^{\circ}C$ temperature is increased, but did not significantly affect the formation of standing waves. During operation, the HRT 1 hr frequency 1.0 MHz 2 hr, 4 hr longer as the particle separation efficiency (turbidity) were 64.1%, 70.0%, 74.3% and, 2.0 MHz has 58.0%, respectively, depending on HRT, 61.8%, 70.7% in the respectively. That is, the same frequency, the HRT treatment efficiency is 10% or more, depending on differences in generation and, 1.0 MHz frequency, 2 hr, 2.0 MHz 4 hr at about 70% or more of the processing efficiency can be maintained. Frequency of 1.0 MHz and 2.0 MHz operation at the same time, as a result, HRT 1 hr, 2 hr, 4 hr particle separation efficiency of 63.8%, respectively, 70.6%, 77.6%, rather than the generation of standing waves appear continuous HRT is affecting a lot of particles to separate could know.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

^6,7) 이와 같이 입자분리장치의 분리채널 폭이 작을 경우, 입자분리 장치 내에 트렌듀서에 의한 수온증가로 인하여 미세입자들의 운동속도가 증가되어 정재파의 형성 시, 입자들의 분리 및 배열에 영향을 줄 수 있다.^8,9) 본 연구에서는 트렌듀서와 반사판의 간격이 100 mm로 증대시켜 별도의 냉각장치가 필요 없고, 층류(laminar flow)를 형성할 수 있는 입자분리장치에서의 HRT 변화에 따른 입자분리 특성을 살펴보았다.

제안 방법

1 MHz와 2 MHz 주파수의 음향정재파를 이용하여 연속 반응기에서 HRT 변화에 따라 카올린의 입자분리 특성을 실험한 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다. 반응조를 레이놀즈수에 따라 설계한 결과, 층류를 형성하였으며 반응조 내 수온은 1 + 2 MHz에서 HRT 증가에 따라 수온이 2.
57%, 미량의 Fe₂O₃, CaO, MgO로 구성되었다. 실험 전에 카올린 혼합용액을 30분 동안 침전시켜 자연침강에 의해 분리되는 입자들을 최소화하여 실험하였으며, 이때 초기 카올린 농도와 탁도는 각각 100 ppm, 30 NTU이다. 입자분리실험에 이용된 음향정재파의 주파수는 1 MHz와 2 MHz이며, 각각의 주파수에서 수리학적체류시간(HRT) 변화에 따른 탁도 변화를 알아보고, 1 MHz와 2 MHz의 주파수를 동시에 같이 작동하여 탁도 변화를 실험하였다.
0 MHz (±7%)의 주파수를 갖는 진동모듈(transducer) 내부에는 각각 지름 60 mm의 압전소자(Piezoelectric materials)가 내장되어 있어서 평면의 초음파를 발생 시키게 된다. 유입구는 층류(laminar flow)를 형성할 수 있도록 콘(cone) 형태로 제작되었으며 1 MHz와 2 MHz를 병렬형태로 두어 전단과 후단에서 주파수에 따른 크기가 다른 입자들이 포집될 수 있도록 하였다. 음향 정재파를 형성시키는 1 MHz 초음파발진기(Megasonic generator, model SS1003)는 최대출력전압 30 W, 전원 AC 220V ± 5% 단상 60 Hz, 소비전류는 2.
음향 정재파를 형성시키는 1 MHz 초음파발진기(Megasonic generator, model SS1003)는 최대출력전압 30 W, 전원 AC 220V ± 5% 단상 60 Hz, 소비전류는 2.0 A였으며, 2 MHz 초음파발진기(Megasonic generator, model HS2402)는 최대출력전압 200 W, 전원 AC 220 V ± 5% 단상 60 Hz, 소비전류는 4.5 A를 사용하였다.
실험 전에 카올린 혼합용액을 30분 동안 침전시켜 자연침강에 의해 분리되는 입자들을 최소화하여 실험하였으며, 이때 초기 카올린 농도와 탁도는 각각 100 ppm, 30 NTU이다. 입자분리실험에 이용된 음향정재파의 주파수는 1 MHz와 2 MHz이며, 각각의 주파수에서 수리학적체류시간(HRT) 변화에 따른 탁도 변화를 알아보고, 1 MHz와 2 MHz의 주파수를 동시에 같이 작동하여 탁도 변화를 실험하였다. 수중에 분리된 입자의 모습은 samsung NX1000 카메라(접사렌즈 60 mm)를 이용하여 촬영하였다.
최소입자의 크기는 변화가 없었으며, 최대입자가 점차 감소하는 경향을 나타내었다. 입자의 크기는 Malvern Mastersizer 2000E (Malvern Instrument Ltd., UK)를 탁도는 Turbidity meter (HACH 2100N)을 사용하여 분석하였으며, 유입수는 연속으로 유입하고 유출수를 HRT 변화에 따라 실험하였다.

대상 데이터

반응조 제원은 L 480 × W 100 × H 100 mm으로 아크릴 재질로 제작하고, 음파의 반사판은 sus304를 설치하였다.
입자분리실험에 이용된 음향정재파의 주파수는 1 MHz와 2 MHz이며, 각각의 주파수에서 수리학적체류시간(HRT) 변화에 따른 탁도 변화를 알아보고, 1 MHz와 2 MHz의 주파수를 동시에 같이 작동하여 탁도 변화를 실험하였다. 수중에 분리된 입자의 모습은 samsung NX1000 카메라(접사렌즈 60 mm)를 이용하여 촬영하였다. Fig.
입자분리 실험을 위하여 평균입경 6.8 µm의 카올린을 이용하였다.
8 µm의 카올린을 이용하였다. 주요 성분은 SiO₂ 72.1%, Al₂O₃ 19.57%, 미량의 Fe₂O₃, CaO, MgO로 구성되었다. 실험 전에 카올린 혼합용액을 30분 동안 침전시켜 자연침강에 의해 분리되는 입자들을 최소화하여 실험하였으며, 이때 초기 카올린 농도와 탁도는 각각 100 ppm, 30 NTU이다.

성능/효과

6%로 병렬로 연결하였을 때 탁도 제거효율이 향상되었다. 1 MHz와 2 MHz 각각의 주파수 변화에 비해 1 MHz와 2 MHz를 병렬로 연결하여 실험하였을 때의 제거효율이 높게 나타났다. HRT 0.
75 mm가 되어 1 MHz보다 2 MHz에서 더 작은 입자들이 정재파의 노드면에 분리․응집 되는데,¹⁴⁾ 본 실험에서는 30분 침전된 카올린의 미세입자로 1 MHz와 2 MHz에서의 제거효율이 유사하게 나타났다. 1 MHz와 2 MHz를 병렬로 연결하였을 때 탁도 제거효율은 HRT 0.5에서는 44.7%로 낮게 나타났으며, HRT 1시간에서 4시간까지 64.2~75.6%로 병렬로 연결하였을 때 탁도 제거효율이 향상되었다. 1 MHz와 2 MHz 각각의 주파수 변화에 비해 1 MHz와 2 MHz를 병렬로 연결하여 실험하였을 때의 제거효율이 높게 나타났다.
반응시간 120분까지 탁도 제거율은 72% 정도로 안정화 단계를 유지하였다. 120분 이후, 1 MHz만 작동시킬 경우 탁도가 62% 정도를 증가하였다가 다시 1 + 2 MHz를 작동하면서 탁도가 감소하여 70% 이상의 제거효율을 유지하는 것으로 나타났다. 2 MHz만 작동할 경우도 1 MHz만을 작동시킨 경우와 유사한 탁도 제거율을 보였다.
6은 1 MHz와 2 MHz를 동시에 병렬로 연결하여 HRT 변화에 따른 탁도 변화를 나타낸 것으로 정재파를 가동하고 약 40분까지 급격하게 탁도가 감소하였으며, HRT의 증가에 따라 탁도가 감소하였다. HRT 0.5시간~4시간에서의 입자제거효율은 각각 46.6%, 63.8%, 70.6% 그리고 70.7%로 나타나 70% 이상의 제거효율을 목표로 할 경우 HRT 2시간 이상을 유지하는 것이 적정할 것으로 사료된다.
4는 1 MHz에서 HRT 변화에 따른 탁도변화를 나타낸 것으로 정재파 형성 후 40분까지 30 NTU에서 약 15 NTU 로 급격하게 탁도가 감소되었으며 이후 서서히 감소하였다. HRT 1시간, 2시간 및 4시간에서의 입자제거효율(탁도 기준)은 각각 64.1%, 70.0%, 74.3%로 나타났다. Fig.
Table 1은 연속반응기 내의 온도변화를 나타낸 것으로 초기 온도는 22~25℃에서 실험이 수행되었으며 HRT 증가에 따라 수온은 점차로 증가하였다. 또한 1 MHz와 2 MHz 각각에서 보다 1 MHz와 2 MHz를 병렬로 연결하여 실험한 반응조에서의 온도가 높게 나타났다. HRT 4시간에서 1 + 2 MHz의 온도증가폭은 2.
1 MHz와 2 MHz 주파수의 음향정재파를 이용하여 연속 반응기에서 HRT 변화에 따라 카올린의 입자분리 특성을 실험한 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다. 반응조를 레이놀즈수에 따라 설계한 결과, 층류를 형성하였으며 반응조 내 수온은 1 + 2 MHz에서 HRT 증가에 따라 수온이 2.8℃증가하였으나 정재파에 의한 입자의 배열에는 영향이 없었다. 정재파 형성 후 약 40분에서부터 입자분리층 형성 및 플럭의 증가로 인해 입자분리장치내부의 탁도가 급격하게 감소하고, 이후 탁도 농도가 서서히 감소하는 경향을 나타냈다.
5는 2 MHz에서 HRT 변화에 따른 탁도변화를 나타낸 것으로 1 MHz와 유사하게 정재파 가동 후 50분까지 급격하게 감소하였으며 이후 서서히 감소하였다. 수리학적 체류시간 별 입자제거효율은 Fig. 6은 1 MHz와 2 MHz를 동시에 병렬로 연결하여 HRT 변화에 따른 탁도 변화를 나타낸 것으로 정재파를 가동하고 약 40분까지 급격하게 탁도가 감소하였으며, HRT의 증가에 따라 탁도가 감소하였다. HRT 0.
계속해서 다음 1시간은 다시 1 + 2 MHz의 정재파를 가동하고 이후 2 MHz로 실험하였다. 실험 초기, 약 50분까지 비교적 뚜렷한 정재파의 형성으로 수중의 입자가 정재파의 노드면에 분리되고, 분리된 입자들은 서로 플록을 형성하면서 비중 차이로 침강되는 모습을 보여주었다. 반응시간 120분까지 탁도 제거율은 72% 정도로 안정화 단계를 유지하였다.
이상과 같은 실험을 통하여 정재파 발생 모듈과 반사판의 간격이 100 mm 이상의 넓은 입자분리장치에서도 미세입자 분리가 원활이 이루어짐을 알 수 있었다. 향후 계속적인 연구를 통하여 실규모의 환경시설에 입자분리장치의 적용 및 구현이 가능할 것으로 사료된다.
8℃증가하였으나 정재파에 의한 입자의 배열에는 영향이 없었다. 정재파 형성 후 약 40분에서부터 입자분리층 형성 및 플럭의 증가로 인해 입자분리장치내부의 탁도가 급격하게 감소하고, 이후 탁도 농도가 서서히 감소하는 경향을 나타냈다. 주파수 1.
정재파 형성 후 약 40분에서부터 입자분리층 형성 및 플럭의 증가로 인해 입자분리장치내부의 탁도가 급격하게 감소하고, 이후 탁도 농도가 서서히 감소하는 경향을 나타냈다. 주파수 1.0 MHz 가동 시 HRT 1시간에서 2시간, 4시간으로 길어짐에 따라 입자분리 효율(탁도)은 각각 64.1%, 70.0%, 74.3%로, 2.0 MHz에는 HRT에 따라 각각 58.0%, 61.8%, 70.7%로 증가된 것으로 나타났다. 즉, 동일한 주파수일 경우 HRT에 따라 처리효율이 10% 이상 차이가 발생하고 있으며, 1.
0 MHz에서는 4시간 정도에서 70% 이상의 처리효율을 유지할 수 있다. 주파수 1.0 MHz와 2.0 MHz를 동시에 가동한 결과, HRT 1시간, 2시간, 4시간에서의 입자분리 효율은 각각 63.8%, 70.6%, 77.6% 나타나 연속된 정재파의 발생 보다는 HRT가 입자분리에 많은 영향을 주는 것을 알 수 있었다.
8 µm)로 점차 평균입자가 감소하였다. 최소입자의 크기는 변화가 없었으며, 최대입자가 점차 감소하는 경향을 나타내었다. 입자의 크기는 Malvern Mastersizer 2000E (Malvern Instrument Ltd.

후속연구

이상과 같은 실험을 통하여 정재파 발생 모듈과 반사판의 간격이 100 mm 이상의 넓은 입자분리장치에서도 미세입자 분리가 원활이 이루어짐을 알 수 있었다. 향후 계속적인 연구를 통하여 실규모의 환경시설에 입자분리장치의 적용 및 구현이 가능할 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	1 MHz와 2 MHz 주파수의 음향정재파를 이용하여 연속 반응기에서 HRT 변화에 따라 카올린의 입자분리 특성을 실험한 결과 얻을 수 있는 결론은?	1 MHz와 2 MHz 주파수의 음향정재파를 이용하여 연속 반응기에서 HRT 변화에 따라 카올린의 입자분리 특성을 실험한 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다. 반응조를 레이놀즈수에 따라 설계한 결과, 층류를 형성하였으며 반응조 내 수온은 1 + 2 MHz에서 HRT 증가에 따라 수온이 2.8℃증가하였으나 정재파에 의한 입자의 배열에는 영향이 없었다. 정재파 형성 후 약 40분에서부터 입자분리층 형성 및 플럭의 증가로 인해 입자분리장치내부의 탁도가 급격하게 감소하고, 이후 탁도 농도가 서서히 감소하는 경향을 나타냈다. 주파수 1.0 MHz 가동 시 HRT 1시간에서 2시간, 4시간으로 길어짐에 따라 입자분리 효율(탁도)은 각각 64.1%, 70.0%, 74.3%로, 2.0 MHz에는 HRT에 따라 각각 58.0%, 61.8%, 70.7%로 증가된 것으로 나타났다. 즉, 동일한 주파수일 경우 HRT에 따라 처리효율이 10% 이상 차이가 발생하고 있으며, 1.0 MHz 주파수에서는 2시간, 2.0 MHz에서는 4시간 정도에서 70% 이상의 처리효율을 유지할 수 있다. 주파수 1.0 MHz와 2.0 MHz를 동시에 가동한 결과, HRT 1시간, 2시간, 4시간에서의 입자분리 효율은 각각 63.8%, 70.6%, 77.6% 나타나 연속된 정재파의 발생 보다는 HRT가 입자분리에 많은 영향을 주는 것을 알 수 있었다. 이상과 같은 실험을 통하여 정재파 발생 모듈과 반사판의 간격이 100 mm 이상의 넓은 입자분리장치에서도 미세입자 분리가 원활이 이루어짐을 알 수 있었다. 향후 계속적인 연구를 통하여 실규모의 환경시설에 입자분리장치의 적용 및 구현이 가능할 것으로 사료된다.
	음향정재파는 무엇인가?	유체 내에서 발생된 음파 또는 초음파가 반사벽에 의해 반대방향으로 진행하면서 일정한 파동을 형성하는 음파를 음향정재파(acoustic standing wave)라고 한다. 본 연구에서는 주파수 1.
	수체 내에 고형물 입자를 분리하는 기술 중 고속침전, 응집침전, 멤브레인 등을 이용한 기술들의 문제점은?	수체 내에 고형물 입자를 분리하는 기술은 고속침전, 응집침전 그리고 멤브레인 등을 이용한 다양한 기술들이 있으나, 각각의 기술들은 여과지의 막힘 현상이나 응집을 위한 화학물질들의 이용으로 또 다른 문제점을 갖고 있다. 입자의 분리기술 중 하나로 수체에 추가적인 영향을 미치지 않는 음향정재파(acoustic standing wave) 응용기술을 제안할 수 있으며, 최근에는 미세입자의 분리 및 제어부분에 많은 연구가 진행되고 있다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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