[논문]초음파를 이용한 수질정화 기술

이영진

초음파를 이용한 수질정화 기술 원문보기

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문제 정의

본 기고에서는 그 중 하나의 대안이 될 수 있는 초음파를 이용한 수질 정화 기술에 대한 초음파 트랜스듀서에 대한 기술을 간략히 소개하였으며, 이를 이용하여 발암물질로 최근 이슈가 되고 있는 난분해 유해물질인 TCE를 선정하여 초음파 조사에 의한 제거 효과를 확인하였다.
본 기고에서는 초음파 기술을 이용하여 지하수에 포함된 난분해 유해물질인 TCE를 효율적으로 분해할 수 있는 초음파 트랜스듀서 (=변환기)의 설계 및 효과에 대한 실험을 통해 소개하고자 한다.

제안 방법

본 실험에서는 TCE의 초음파 조사에 의한 제거효율을 확인하고자 아래 Fig. 10과 같은 밀폐형 반응조를 제작하였다. 직경 250 mm, 높이 400 mm의 반응조 및 항온조를 구성하고 온도조절 유무 및 시간에 따른 초음파 조사에 의한 제거도를 평가하였다.
10과 같은 밀폐형 반응조를 제작하였다. 직경 250 mm, 높이 400 mm의 반응조 및 항온조를 구성하고 온도조절 유무 및 시간에 따른 초음파 조사에 의한 제거도를 평가하였다.
2. 초음파 조사를 통한 음파 조사.

대상 데이터

여러 설계 변수들에 따른 공진 주파수 변화 경향성 등의 자료를 토대로 Class I flextensional 변환기를 제작하였으며, End plate, 쉘은 SUS304 재질을 이용하여 제작하였고, 볼트 및 너트는 일반 steel 재료를 이용하였다. 제작된 변환기를 Fig.

이론/모형

일반적으로 초음파는 가청주파수인 20 kHz 이상의 음파를 칭하는 것으로 수질정화 등의 정화기술에 사용되는 주파수는 주로 28kHz 근처에서 사용되고 있다. 세정조 내에 초음파를 방사하여 진동에너지에 의해 정화를 촉진하는 이 방법은 1985년 K. Freirk가 개발한 것으로, 발진 부분만 수중에 넣은 상태에서 초음파를 발생시키는 방법을 이용하였다. 이후 구동부 일체형 트랜스듀서 (=변환기)가 1993년 M.

성능/효과

1) PCE는 뛰어난 세척력과 화재에 대한 안정성에 인하여 미국, 일본 등 선진국의 세탁업계에서는 드라이크리닝제로 PCE를 대부분 사용하고 있고, 우리나라도 국내 35,000여 세탁업소 중 약 2%인 700여 업소가 PCE를 연간 440톤 정도 사용하고 있다.²⁾ 이와 같은 PCE와 TCE는 특정 수질유해물질로 규정되어 있으며 또한 국제 암연구센터에서 발암 우려 물질로 지정하고 있고, 다량 흡입합 경우 중추신경계 기능을 저하해 현기증, 피로감, 두통, 발한(發汗), 조정력 저하 증상을 보이거나 폐부종을 일으킬 수 있고, 간 괴사 증상을 보이거나 허파와 심장, 신장에 영향을 줄 수 있어 매우 엄격히 관리할 필요가 있는 물질이다.
초음파 조사에 의한 수중의 TCE 제거율은 반응시간이 경과함에 따라 점차 높아지는 경향을 나타내었으며, 초기농도가 높을수록 제거율도 높아짐을 알 수 있었다. 또한, 온도조절에 따른 제거율 변화도 보였는데, 온도조절을 하지 않은 경우, 초음파 조사에 의해 수온이 상승하여, 온도를 일정하게 한 경우에 비해 대기중으로 휘발하는 분율이 높아 제거율이 높아진 것으로 판단된다. 이는 반응조가 개방형으로 되어 있는 것에 기인하는 것으로 사료된다.
초음파 조사에 의한 수중의 TCE 제거율은 반응시간이 경과함에 따라 점차 높아지는 경향을 나타내었으며, 초기농도가 높을수록 제거율도 높아짐을 알 수 있었다. 또한, 온도조절에 따른 제거율 변화도 보였는데, 온도조절을 하지 않은 경우, 초음파 조사에 의해 수온이 상승하여, 온도를 일정하게 한 경우에 비해 대기중으로 휘발하는 분율이 높아 제거율이 높아진 것으로 판단된다.

후속연구

이상의 결과로부터 초기농도가 낮을수록, 온도를 일정하게 유지할수록 일정제거율에 도달하는데 소요되는 시간이 길어지는 것으로 나타났으며, 제거율 증가속도도 비교적 완만하게 나타나 비교적 장시간이 소요되었는데, 이는 반응조의 형태와 초음파 형식 및 출력과 상관이 있으므로, 향후 반응조 설계에 있어서 초음파 진동자의 물리적 특성과 아울러 반응조의 형태에 대한 검토가 필요할 것으로 사료된다.

핵심어

질문

논문에서 추출한 답변

오염 지하수 정화 기술에는 어떤 방법들이 있는가?

현재까지 다양한 오염 지하수 정화 기술이 개발되어 적용되고 있으나 기술 개발의 주방향은 2차 오염의 최소화, 지하 생태계에 대한 영향을 최소화하는 방향으로 개발이 집중되고 있으며, 크게 물리 화학적 처리방법, 생물학적 처리방법, 열적 처리 방법 등이 있다.3)

오염 지하수 정화 기술 중 물리 화학적 처리방법으로는 어떤 것들이 있는가?

; SVE, Air sparging, Air stripping, Chemical Reduction 등

압전식 초음파 정화에 사용되는 음향 트랜스듀서는 어떻게 구분할 수 있는가?

크게 초음파를 발생시키는 방법은 압전진동자 또는 자왜 진동자를 이용하여 전기적 신호를 기계적 운동으로 변화하여 음파를 발생시킨다. 압전식 초음파 정화에 사용되는 음향 트랜스듀서는 크게 tonpiltz형과 flextensional형으로 구분할 수 있다.

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