본 연구는 환경, 에너지, 재료 등 다양한 분야에 적용할 수 있는 초음파 기술을 수처리 공정에 적용하기 위한 기초 연구로 수행되었다. 초음파 기술과 같은 고도산화처리공법은 중금속, 내분비계장애물질, 의약물질 등의 미량오염물질 처리에 효과적이어서 하천, 호소, 습지의 수질 향상에 크게 기여할 수 있을 것으로 기대되고 있다. 초음파 기술은 파를 기반으로 하기 때문에 본 연구에서는 적용 주파수의 파장을 이용하여 $0{\sim}4{\lambda}$ 구간의 수위를 $1/4{\lambda}$ 간격으로 나누어 동일한 유입에너지 조건에서 발생하는 열에너지 및 초음파 캐비테이션의 화학적 효과를 정량화 하였다. 실험 결과 낮은 수위 (적은 부피)의 에너지 밀도가 높은 조건보다 높은 수위 (큰 부피)의 에너지 밀도가 낮은 조건에서 열에너지 및 화학적 효과가 극대화되는 것을 확인하였다. 이러한 현상을 반응기 내부의 캐비테이션 활성도 시각화를 통해 알아본 결과, 높은 수위 (큰 부피) 조건에서는 에너지 밀도가 낮음에도 불구하고 반응기 전체적으로 높은 활성도를 얻을 수 있기 때문인 것으로 확인되었다. 따라서 본 연구결과를 이용하여 초음파 기술을 수처리 분야에 적용할 경우 반응성 및 에너지 효율 측면에서 적용 가능성을 보다 높일 수 있을 것으로 예상된다.
본 연구는 환경, 에너지, 재료 등 다양한 분야에 적용할 수 있는 초음파 기술을 수처리 공정에 적용하기 위한 기초 연구로 수행되었다. 초음파 기술과 같은 고도산화처리공법은 중금속, 내분비계장애물질, 의약물질 등의 미량오염물질 처리에 효과적이어서 하천, 호소, 습지의 수질 향상에 크게 기여할 수 있을 것으로 기대되고 있다. 초음파 기술은 파를 기반으로 하기 때문에 본 연구에서는 적용 주파수의 파장을 이용하여 $0{\sim}4{\lambda}$ 구간의 수위를 $1/4{\lambda}$ 간격으로 나누어 동일한 유입에너지 조건에서 발생하는 열에너지 및 초음파 캐비테이션의 화학적 효과를 정량화 하였다. 실험 결과 낮은 수위 (적은 부피)의 에너지 밀도가 높은 조건보다 높은 수위 (큰 부피)의 에너지 밀도가 낮은 조건에서 열에너지 및 화학적 효과가 극대화되는 것을 확인하였다. 이러한 현상을 반응기 내부의 캐비테이션 활성도 시각화를 통해 알아본 결과, 높은 수위 (큰 부피) 조건에서는 에너지 밀도가 낮음에도 불구하고 반응기 전체적으로 높은 활성도를 얻을 수 있기 때문인 것으로 확인되었다. 따라서 본 연구결과를 이용하여 초음파 기술을 수처리 분야에 적용할 경우 반응성 및 에너지 효율 측면에서 적용 가능성을 보다 높일 수 있을 것으로 예상된다.
Ultrasound technology can be applied in various fields including environmental, energy, and material engineering processes. In this study the effect of liquid height/volume on calorimetric energy and sonochemical oxidation was investigated as one of the basic steps for the design of water/wastereate...
Ultrasound technology can be applied in various fields including environmental, energy, and material engineering processes. In this study the effect of liquid height/volume on calorimetric energy and sonochemical oxidation was investigated as one of the basic steps for the design of water/wastereater treatment sonoreactors. The liquid height was increased from 0 to $4{\lambda}$ by $1/4{\lambda}$ and it was found that both calorimetric energy and sonochemical oxidation were significantly increased at relatively high liquid height/volume where the power density was relatively low. The sonochemiluminescence (SCL) images for the visualization of the activity of cavitation also showed that larger and more stable active zone was formed with high SCL intensity at high liquid height/volume. Therefore, it was revealed that sonoreactors for water/wasterwater treatment could be significantly effective in terms of removal efficiency and energy consumption.
Ultrasound technology can be applied in various fields including environmental, energy, and material engineering processes. In this study the effect of liquid height/volume on calorimetric energy and sonochemical oxidation was investigated as one of the basic steps for the design of water/wastereater treatment sonoreactors. The liquid height was increased from 0 to $4{\lambda}$ by $1/4{\lambda}$ and it was found that both calorimetric energy and sonochemical oxidation were significantly increased at relatively high liquid height/volume where the power density was relatively low. The sonochemiluminescence (SCL) images for the visualization of the activity of cavitation also showed that larger and more stable active zone was formed with high SCL intensity at high liquid height/volume. Therefore, it was revealed that sonoreactors for water/wasterwater treatment could be significantly effective in terms of removal efficiency and energy consumption.
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제안 방법
그러므로 수위가 변화하는 조건에서는 대상 부피도 변화하기 때문에 생성물의 농도 비교는 초음파 캐비테이션의 산화력을 비교·평가하는데 적합하지 않은 것으로 판단되어 I3- 이온의 총 생성질량을 기반으로 한 cavitation yield를 이용하여 비교·분석하였다.
7에 나타내었다. 또한 루미놀 실험을 이용하여 얻어진 이미지를 Fig. 8과 같이 이미지 분석 프로그램을 이용하여 빛의 세기를 분석함으로써 반응의 정도를 정량화하였다.
반응기 내 초음파 캐비테이션에 의한 화학적 효과의 시각적 분석을 위해 루미놀 용액을 암실 조건에서 초음파 조사하여 내부에 형성되는 캐비테이션 활성도 분포를 촬영하였다. 이러한 이미지를 음파화학적발광 (Sonochemiluminescence, SCL) 이미지라 한다.
반응기 내부의 초음파 캐비테이션 현상에 대한 대략적인 평가를 위해 알루미늄 호일 표면의 손상 부위를 분석한 결과 Fig. 3과 같이 초음파 캐비테이션 현상에 의한 물리력 발생으로 인해 호일 표면이 손상되고 구멍이 뚫리는 현상을 확인하였다. 실험결과 손상 정도가 구간 별로 다르게 나타났는데, 손상 정도가 심한 부분일수록 캐비테이션 현상이 강하게 일어나는 곳임을 유추할 수 있었다 (Son et.
본 연구에 이용한 초음파 반응기는 Fig. 2에 나타낸 바와 같이 36 kHz의 단일 진동부 (Mirae Ultrasonic Tech)가 하단에 설치되어 있으며, 초음파가 윗 방향으로 조사되는 시스템으로 수면의 높이를 변화시켜 조사 대상 액상의 부피를 변화시켰다. 유입 전기에너지는 전력 측정기 (HPM-300A, ADPower)를 이용하여 모든 액상 높이/부피 조건에서 40 W로 고정하여 적용하였으며, 이로 인해 모든 액상 높이/부피 조건에서 유입 전기 에너지가 동일하게 유지되도록 하였다.
본 연구에서는 초음파 수처리 공정 연구의 초기 연구로 36 kHz의 초음파 반응기를 이용하여 액상의 높이, 즉 진동자에서 수면까지의 거리를 변화시켜 그로 인한 초음파의 화학적 효과와 내부에 형성되는 캐비테이션 활성도 분포의 변화를 분석하였다. 초음파의 화학적 효과 분석을 위해서는 가장 널리 사용되는 KI 분석방법 (KI dosimetry)을 적용하였으며, 반응기 내부의 캐비테이션 활성도 (Cavitation activity) 분포 분석을 위해서 루미놀 방법을 이용하였다.
산화 라디칼에 의해 형성된 I3- 이온의 농도는 파장 350 nm 조건의 UV-vis spectrophotometer (Libra S60, Biochrom)을 이용하여 정량 분석하였다. 또한 수위 변화로 인해 액상 부피가 변화함으로 이를 보정하기 위하여 생성물의 농도가 아닌 질량 기반의 분석을 위해 다음의 식과 같이 Cavitation yield 개념을 이용하였다 (Son et.
수위 조건별로 반응기 내부에서 초음파 캐비테이션의 화학적 반응이 어느 정도로 일어나고 있는지 시각적으로 확인하기 위하여 1, 2, 3, 4 파장의 수위에 대하여 루미놀 실험을 수행하였고, 결과인 음파화학적발광 (SCL) 이미지를 Fig. 7에 나타내었다. 또한 루미놀 실험을 이용하여 얻어진 이미지를 Fig.
액상 수위는 1, 2, 3, 4λ를 대상으로 루미놀 용액 (0.1 g/L 루미놀 (3-aminophthalhydrazide), 1 g/L의 NaOH)과 노출 기능이 있는 디지털 카메라 (500D, Canon)를 이용하여 초음파 조사 조건에서 5분간 노출시켜 촬영하였다 (Kim and Son, 2013).
2에 나타낸 바와 같이 36 kHz의 단일 진동부 (Mirae Ultrasonic Tech)가 하단에 설치되어 있으며, 초음파가 윗 방향으로 조사되는 시스템으로 수면의 높이를 변화시켜 조사 대상 액상의 부피를 변화시켰다. 유입 전기에너지는 전력 측정기 (HPM-300A, ADPower)를 이용하여 모든 액상 높이/부피 조건에서 40 W로 고정하여 적용하였으며, 이로 인해 모든 액상 높이/부피 조건에서 유입 전기 에너지가 동일하게 유지되도록 하였다. 액상의 높이는 적용 주파수인 36 kHz의 한 파장을 다음의 식 (1)에 의해 계산하여 이를 기본으로 1/4 간격으로 증가시켰다.
초음파 수처리 공정을 개발하기 위해서는 초음파 캐비테이션 현상에 의해 오염물질을 얼마나 산화시켜 분해시킬 수 있는지에 대한 평가가 필요하며, 본 연구에서는 이를 위해 다양한 수위/부피 조건에서 KI 용액을 이용하여 간접적으로 산화능력을 평가하는 KI dosimetry가 적용되었다. 일반적으로 유입에너지가 고정인 경우 높은 유입에너지 밀도 (Power density) 조건인 작은 부피에서는 생성물의 농도 증가가 크게 관찰되나 큰 부피에서는 유입에너지 밀도가 작아져 생성물의 농도 증가가 크지 않게 된다.
초음파 캐비테이션 현상의 정도를 대략적으로 평가하기 위해 액상에 가정용 알루미늄 호일 (두께: 16 ㎛)을 넣고 초음파를 조사하여 초음파 캐비테이션 현상의 물리적 효과로 인한 호일 표면의 손상 정도를 정성적으로 분석하였다 (Son et. al., 2011a).
대상 데이터
36 kHz의 한 파장은 약 42 mm로 본 연구에서는 10.5 mm에서 166.6 mm 까지의 총 16개 (0∼4λ)의 수위를 적용하였다.
이론/모형
이온의 농도는 파장 350 nm 조건의 UV-vis spectrophotometer (Libra S60, Biochrom)을 이용하여 정량 분석하였다. 또한 수위 변화로 인해 액상 부피가 변화함으로 이를 보정하기 위하여 생성물의 농도가 아닌 질량 기반의 분석을 위해 다음의 식과 같이 Cavitation yield 개념을 이용하였다 (Son et. al., 2011b; Asakura et. al., 2008).
반응기 내부로 전달되는 초음파 에너지를 정량화하기 위한 방법 중 하나인 소리 에너지가 액상에서 감쇄할 때 발생하는 열에너지를 측정하여 초음파 에너지로 환산하는 열량측정법 (Calorimetry)을 다음의 식 (2)를 이용하여 적용하였다 (Son et. al., 2011b; Kim and Son, 2013).
초음파 캐비테이션 현상의 화학적 효과 중 산화능력을 평가하기 위해서는 KI (Potassium iodide, Junsei, 99.5 %) 분석 방법을 적용하였다. KI 용액 (10 g/L)에 초음파를 조사하면 다음의 반응식과 같이 해리된 I- 이온과 OH 라디칼 등의 산화 라디칼이 반응하여 I 라디칼을 발생시키고, 두 개의 I 라디칼이 결합하여 I2가 형성된다.
본 연구에서는 초음파 수처리 공정 연구의 초기 연구로 36 kHz의 초음파 반응기를 이용하여 액상의 높이, 즉 진동자에서 수면까지의 거리를 변화시켜 그로 인한 초음파의 화학적 효과와 내부에 형성되는 캐비테이션 활성도 분포의 변화를 분석하였다. 초음파의 화학적 효과 분석을 위해서는 가장 널리 사용되는 KI 분석방법 (KI dosimetry)을 적용하였으며, 반응기 내부의 캐비테이션 활성도 (Cavitation activity) 분포 분석을 위해서 루미놀 방법을 이용하였다.
성능/효과
또한 1/4 파장마다 반복되는 패턴이 확인되었는데, 이는 사인함수와 같이 진행하는 파의 특성 때문일 것으로 판단되었으며, 이를 통해 초음파 캐비테이션 현상의 화학적 효과를 확인하는 경우에도 유사한 현상이 나타날 것으로 예상되었다. 기존의 연구에서는 파장단위로 수위를 변화시켰기 때문에 1/4 파장마다 반복되는 패턴은 확인되지 않았으나, 본 연구결과와 유사하게 수위가 증가하면서 열에너지, 즉 초음파 에너지가 증가하는 현상은 보고되었다 (Asakura et.
또한 Fig. 4의 초음파 에너지 분석 부분에서 예측한 바와 같이 1/4 파장 단위로 증가하고 감소하는 경향이 일부 구간에서 발생하였는데, 이를 통해 초음파 기술은 기존의 일반적인 화학반응과는 다른 반응 메커니즘을 갖고 있음이 확인되었다. 즉, 파를 기반으로 하는 초음파 기술은 기존의 반응기 설계 및 최적화 기법과는 다르게 적용 주파수의 파장을 이용한 기법 개발 및 적용이 필요할 것으로 예상되었다.
, 2011a). 또한 손상 부위가 일정 지점에 집중되어 나타나는 것을 볼 수 있었고, 손상 정도가 수면 쪽으로 올라갈수록 작아졌다 커졌다가 다시 작아지는 것으로 나타났기 때문에 캐비테이션 현상이 반응기 내부에서 균일하게 일어나지 않고 특정 수위에서 극대화되었던 것으로 판단되었다.
초음파 수처리 공정을 설계하기 위해서는 파의 성질을 바탕으로 한 연구가 필요하다. 본 연구는 1/4파장마다 초음파 캐비테이션 효과가 달라지며, 높은 에너지 밀도의 조건보다 상대적으로 낮은 일정 수준의 에너지 밀도 조건에서 보다 효과적인 초음파 캐비테이션 효과가 얻어지는 것을 확인하였다. 이는 반응성뿐만 아니라 에너지 효율 측면에서 초음파 수 처리 공정의 적용 가능성을 높일 수 있는 결과로 판단된다.
3과 같이 초음파 캐비테이션 현상에 의한 물리력 발생으로 인해 호일 표면이 손상되고 구멍이 뚫리는 현상을 확인하였다. 실험결과 손상 정도가 구간 별로 다르게 나타났는데, 손상 정도가 심한 부분일수록 캐비테이션 현상이 강하게 일어나는 곳임을 유추할 수 있었다 (Son et. al., 2011a). 또한 손상 부위가 일정 지점에 집중되어 나타나는 것을 볼 수 있었고, 손상 정도가 수면 쪽으로 올라갈수록 작아졌다 커졌다가 다시 작아지는 것으로 나타났기 때문에 캐비테이션 현상이 반응기 내부에서 균일하게 일어나지 않고 특정 수위에서 극대화되었던 것으로 판단되었다.
는 산화력이 극대화될 때의 수위이며, f는 적용 주파수를 의미한다. 위 식을 이용하는 경우 본 연구에서 적용한 36 kHz에 대한 최적 수위는 약 630 mm로 매우 높은 수위까지 초음파 에너지가 전달되어 산화력이 극대화될 수 있는 것으로 예측되었다. 그러나 동일한 반응기를 이용한 본 연구팀의 기존 연구 결과에서는 약 210∼250 mm의 수위에서 산화력의 정도가 극대화되는 것으로 확인되었다 (Son et.
초음파 캐비테이션의 화학적 효과에 대한 시각화 분석에서도 앞선 연구 결과와 동일하게 1λ 조건에서 4λ 조건으로 수위가 증가하여 부피가 4배 증가함에도 불구하고 반응기 내부의 캐비테이션 현상은 오히려 더 강해지는 것이 확인되었다.
후속연구
초음파 수처리 공정은 캐비테이션 현상을 이용하는 것으로, 특히 높은 산화력을 갖는 OH 라디칼 등의 산화 라디칼을 별도의 화학약품 주입 없이 지속적으로 발생시켜 이를 이용하는 공정이다. 그러므로 중금속, 내분비계장애물질, 의약물질 등과 같은 미량오염물질의 처리에 효과적으로 적용될 수 있을 것으로 예상된다. 초음파 수처리 공정을 설계하기 위해서는 파의 성질을 바탕으로 한 연구가 필요하다.
본 연구에서 수행한 수위 조건에서 가장 합리적인 수위는 가장 높은 수위인 4λ로 판단되며, 향후 4λ 이상의 수위 조건에 대한 결과가 추가되면 초음파 수처리를 위한 최적의 수위 조건을 도출할 수 있을 것으로 예상된다.
4의 초음파 에너지 분석 부분에서 예측한 바와 같이 1/4 파장 단위로 증가하고 감소하는 경향이 일부 구간에서 발생하였는데, 이를 통해 초음파 기술은 기존의 일반적인 화학반응과는 다른 반응 메커니즘을 갖고 있음이 확인되었다. 즉, 파를 기반으로 하는 초음파 기술은 기존의 반응기 설계 및 최적화 기법과는 다르게 적용 주파수의 파장을 이용한 기법 개발 및 적용이 필요할 것으로 예상되었다. Asakura et.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
초음파 수처리 공정이 미량오염물질의 처리에 효과적으로 적용될 수 있을 것으로 예상되는 근거는 무엇인가?
초음파 수처리 공정은 캐비테이션 현상을 이용하는 것으로, 특히 높은 산화력을 갖는 OH 라디칼 등의 산화 라디칼을 별도의 화학약품 주입 없이 지속적으로 발생시켜 이를 이용하는 공정이다. 그러므로 중금속, 내분비계장애물질, 의약물질 등과 같은 미량오염물질의 처리에 효과적으로 적용될 수 있을 것으로 예상된다.
고도산화처리공법은 무엇에 효과적인가?
본 연구는 환경, 에너지, 재료 등 다양한 분야에 적용할 수 있는 초음파 기술을 수처리 공정에 적용하기 위한 기초 연구로 수행되었다. 초음파 기술과 같은 고도산화처리공법은 중금속, 내분비계장애물질, 의약물질 등의 미량오염물질 처리에 효과적이어서 하천, 호소, 습지의 수질 향상에 크게 기여할 수 있을 것으로 기대되고 있다. 초음파 기술은 파를 기반으로 하기 때문에 본 연구에서는 적용 주파수의 파장을 이용하여 $0{\sim}4{\lambda}$ 구간의 수위를 $1/4{\lambda}$ 간격으로 나누어 동일한 유입에너지 조건에서 발생하는 열에너지 및 초음파 캐비테이션의 화학적 효과를 정량화 하였다.
고도산화처리공법은 어떤 것에 큰 기여를 할 수 있을 것으로 기대되는가?
본 연구는 환경, 에너지, 재료 등 다양한 분야에 적용할 수 있는 초음파 기술을 수처리 공정에 적용하기 위한 기초 연구로 수행되었다. 초음파 기술과 같은 고도산화처리공법은 중금속, 내분비계장애물질, 의약물질 등의 미량오염물질 처리에 효과적이어서 하천, 호소, 습지의 수질 향상에 크게 기여할 수 있을 것으로 기대되고 있다. 초음파 기술은 파를 기반으로 하기 때문에 본 연구에서는 적용 주파수의 파장을 이용하여 $0{\sim}4{\lambda}$ 구간의 수위를 $1/4{\lambda}$ 간격으로 나누어 동일한 유입에너지 조건에서 발생하는 열에너지 및 초음파 캐비테이션의 화학적 효과를 정량화 하였다.
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