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문제 정의
- 이상의 기존 초음파 토양세척공정 연구는 대부분 초음파 캐비테이션 현상에 대한 이해를 바탕으로 하지 않고 기존 기술에 초음파 기술이 추가된다는 측면에 초점을 맞춰 연구가 진행되어 보다 효율적인 공정 개발에 한계가 있었다. 본 연구에서는 이러한 한계를 극복하기 위해 기존의 본 연구그룹에서 얻어진 순수 액상에서 확인된 초음파 캐비테이션 현상의 극대화 결과를 바탕으로 글라스 비드 및 알루미늄 호일을 이용한 초음파 토양세척 공정의 최적화 기초연구를 수행하였다.
제안 방법
- 1,16,17) 수위가 변화함에 따른 초음파 효과의 변화가 물리적 효과에도 적용되는 경우는 몇몇 기존 연구에서도 확인되었는데,14,18) 본 연구에서 사용된 초음파 반응기에서도 동일한 현상이 일어나는지 여부를 확인하기 위해 임의의 수위 3개를 선정하여 알루미늄 호일 부식 실험을 수행하여 Fig. 2에 나타내었다. 동일한 유입에너지 조건에서 수위의 변화만으로도 육안으로 확인이 될 정도로 수위가 낮을 때 보다 수위를 어느 정도 상승시킨 경우 알루미늄 호일의 손상이 더 심화됨을 알 수 있었다.
- 7,14) 본 연구에서는 원형 파이렉스 반응기에 글라스 비드를 채운 후 글라스 비드 하단, 상단에 알루미늄 호일을 위치시키고 초음파를 조사하여 초음파 캐비테이션의 물리적 효과에 의해 알루미늄 호일이 부식되는 정도를 분석하였다. 알루미늄 호일은 일반적으로 사용되는 주방용 알루미늄 호일(두께 15 µm)을 이용하였다.
- 사용한 글라스 비드의 직경은 각각 1, 2, 4 mm였으며, 반응기 내부에 글라스 비드가 없는 경우, 5, 10, 15, 20 mm 높이의 조건을 실험하였다. 글라스 비드 위의 물 높이는 5, 10, 15, 20 mm로 변화시켰다.
- 루미놀 용액(루미놀 0.1 g/L, NaOH 1g/L)과 디지털 카메라의 노출 기능을 이용하여 암실 조건에서 캐비테이션 현상의 활성화 부분을 시각화할 수 있는 음파발광 이미지 실험을 수행하였다. 다음의 식 (1)과 같이 루미놀 분자가 캐비테이션 현상에 의해 발생되는 OH 라디칼과 반응하여 빛이 발생하게 되며, 이를 노출 기능을 통해 장시간 기록하면 캐비테이션 현상의 활성화 부분을 시각화하여 확인할 수 있다.
- 7) 구멍이 커지는 경우 동일 지점의 물리력을 측정할 수 없게 되는 문제가 발생하게 되므로 부식의 정도를 확실하게 파악할 수 있으며, 물리력 측정이 최대한 합리적으로 수행할 수 있는 조사시간의 결정이 요구되었다. 본 연구에서는 본 연구그룹의 기존 결과와 예비실험 결과 등을 종합적으로 분석하여 60초의 조사시간을 결정하여 적용하였다.
- 파이렉스 원형 반응기 내부에는 글라스 비드를 채웠으며, 글라스 비드 위의 물 높이를 조절하였다. 사용한 글라스 비드의 직경은 각각 1, 2, 4 mm였으며, 반응기 내부에 글라스 비드가 없는 경우, 5, 10, 15, 20 mm 높이의 조건을 실험하였다. 글라스 비드 위의 물 높이는 5, 10, 15, 20 mm로 변화시켰다.
- 알루미늄 호일은 일반적으로 사용되는 주방용 알루미늄 호일(두께 15 µm)을 이용하였다. 알루미늄 호일은 표면 손상이 최대한 일어나지 않으며, 정확한 크기로 절단하기 위해 종이 절단기를 이용하여 정사각형 형태로 절단하였다.
- 앞서 수행된 예비실험은 초음파 조사방향에 수평하게 호일을 위치시킨 경우이며, 알루미늄 호일을 조사방향과 수직하게, 즉 반응기 바닥에 놓이는 형태로 위치시킨 경우의 알루미늄 호일 부식 실험을 추가적으로 수행하였다. Fig.
- 예비 실험에서 확인된 내용을 바탕으로 세 종류의 글라스 비드 직경(1, 2, 4 mm)에 대하여 반응기 내 비드 높이(5, 10, 15, 20 mm) 및 글라스 비드 위 수위 (5, 10, 15, 20 mm)의 조건에 대하여 알루미늄 호일 부식 실험을 수행하였다. 초음파 조사 시간은 앞서 결정된 대로 60초로 적용하였다.
- 알루미늄 호일은 초음파 캐비테이션에 의한 마이크로제트 등의 물리적 효과에 의해 표면에 충격을 받아 미세한 자국이 생기며, 시간이 흐름에 따라 강하게 영향을 받는 부분은 충격 자국이 심화되어 결국 구멍이 뚫리는 정도에 이르게 된다. 이러한 물리적 충격 정도를 정량적으로 분석하기 위해 육안분석 및 포토샵 등의 이미지 프로그램을 이용하였으며, 전체 알루미늄 호일 대비 초음파 캐비테이션 물리적 효과를 받은 부분을 수치화하여 비교분석하였다.
- 초음파 캐비테이션에 의한 알루미늄 호일 부식의 정도가 Fig. 3과 Table 1~3에 나타낸 바와 같이 글라스 비드의 유무에 따라 크게 차이가 나기 때문에 반응기 바닥에 알루미늄 호일을 위치시키고 글라스 비드를 채운 경우의 알루미늄 호일 부식 실험을 수행하였다. Fig.
- 파이렉스 원형 반응기 내부에는 글라스 비드를 채웠으며, 글라스 비드 위의 물 높이를 조절하였다. 사용한 글라스 비드의 직경은 각각 1, 2, 4 mm였으며, 반응기 내부에 글라스 비드가 없는 경우, 5, 10, 15, 20 mm 높이의 조건을 실험하였다.
- 반응기 내부에 증류수 약 20 L를 채우고 수면 근처에 초음파 토양세척 공정을 모사할 수 있는 파이렉스 원형 반응기(직경 8 cm, 깊이 10 cm)를 설치하였다. 하단의 초음파 진동자 모듈의 유입 에너지는 전력측정기(HPM-300A, ADPower)를 이용하여 측정하였으며 약 240 W 수준을 유지하였다.
대상 데이터
- 알루미늄 호일은 일반적으로 사용되는 주방용 알루미늄 호일(두께 15 µm)을 이용하였다.
성능/효과
- 1) 초음파 캐비테이션 현상은 초음파가 전달되는 반응기 내부의 형태 등에 영향을 크게 받아 수위 등의 조건을 변화시키는 경우 알루미늄 호일의 부식과 같은 캐비테이션 현상의 결과 정도가 크게 달라졌다.
- 2) 가상 토양 입자 역할의 글라스 비드를 이용하여 알루미늄 호일 부식 실험을 수행한 결과, 비드의 입자가 상대적으로 크기 때문에 초음파 감쇠 현상이 덜 발생하는 경우와 비드 위 수위가 높은 경우에 부식의 정도가 크게 증가하였다.
- 7) 구멍이 커지는 경우 동일 지점의 물리력을 측정할 수 없게 되는 문제가 발생하게 되므로 부식의 정도를 확실하게 파악할 수 있으며, 물리력 측정이 최대한 합리적으로 수행할 수 있는 조사시간의 결정이 요구되었다.
- 보다 확실한 분석을 위해서는 초음파 조사시간을 1분 이상으로 연장하여 알루미늄 호일의 표면 손상이 보다 심화되는 경우를 비교하는 것이 타당할 것으로 판단되었다. 그러나 이미지 분석 프로그램을 이용하여 분석한 결과 알루미늄 호일의 부식이 가속 단계 내에 있는 것으로 판단되었고, 정량적 비교 분석이 가능한 것으로 판단되어기 결정된 조사시간 1분의 결과를 나타내었다.
- 동일한 유입에너지 조건에서 수위의 변화만으로도 육안으로 확인이 될 정도로 수위가 낮을 때 보다 수위를 어느 정도 상승시킨 경우 알루미늄 호일의 손상이 더 심화됨을 알 수 있었다. 그러므로 초음파 토양세척 공정 역시 하단에서 상부로 조사하는 경우 토양 입자 위 액상의 높이가 초음파 물리적 효과에 의한 처리 효율을 크게 변화시킬 수 있을 것으로 예상되었다.
- 글라스 비드가 있는 상태에서의 알루미늄 호일 부식의 정도는 글라스 비드 없이 직접적으로 초음파 캐비테이션 효과를 받는 Fig. 3의 결과에 비해 구멍이 생기지 않고 자국만 생기는 매우 약한 수준으로 확인되었다. 이는 음파의 감쇠 현상 및 그에 따른 캐비테이션 현상의 저감 때문인 것으로 판단되었다.
- 2에 나타내었다. 동일한 유입에너지 조건에서 수위의 변화만으로도 육안으로 확인이 될 정도로 수위가 낮을 때 보다 수위를 어느 정도 상승시킨 경우 알루미늄 호일의 손상이 더 심화됨을 알 수 있었다. 그러므로 초음파 토양세척 공정 역시 하단에서 상부로 조사하는 경우 토양 입자 위 액상의 높이가 초음파 물리적 효과에 의한 처리 효율을 크게 변화시킬 수 있을 것으로 예상되었다.
- 5의 초음파 음파발광(Sonochemiluminescence, SCL) 이미지에서도 확인할 수 있다. 밝게 빛나는 부분은 캐비테이션 현상에 의해 발생되는 OH 라디칼 등이 루미놀과 반응하여 화학반응을 일으키면서 빛을 내는 부분으로 낮은 수위에서는 거의 빛이 발생하지 않지만 15, 20 mm의 수위에서는 빛의 밝기가 더 세지며, 활성화되는 부분이 확장되는 것을 확인할 수 있다.
- 즉, 고체 입자상 물체로 인한 감쇠 현상으로 초음파의 전달이 제한적이게 되며, 이로 인해 초음파 캐비테이션 현상의 정도가 크게 감소하는 것으로 생각될 수 있다. 보다 확실한 분석을 위해서는 초음파 조사시간을 1분 이상으로 연장하여 알루미늄 호일의 표면 손상이 보다 심화되는 경우를 비교하는 것이 타당할 것으로 판단되었다. 그러나 이미지 분석 프로그램을 이용하여 분석한 결과 알루미늄 호일의 부식이 가속 단계 내에 있는 것으로 판단되었고, 정량적 비교 분석이 가능한 것으로 판단되어기 결정된 조사시간 1분의 결과를 나타내었다.
- 본 연구그룹에서는 액상에서 초음파 캐비테이션 현상이 다양한 수위 조건에서 어떻게 변화하는지에 대한 연구를 지속적으로 수행하고 있는데, 현재까지의 결과를 정리하면 대상 부피가 작은 것보다 일정 부피 이상에서 초음파 캐비테이션의 화학적 효과가 극대화된다는 것이다.1,16,17) 수위가 변화함에 따른 초음파 효과의 변화가 물리적 효과에도 적용되는 경우는 몇몇 기존 연구에서도 확인되었는데,14,18) 본 연구에서 사용된 초음파 반응기에서도 동일한 현상이 일어나는지 여부를 확인하기 위해 임의의 수위 3개를 선정하여 알루미늄 호일 부식 실험을 수행하여 Fig.
- 본 연구에서는 비드 높이가 20 mm, 수위가 20 mm인 경우에 가장 심한 알루미늄 호일 손상이 확인되었으며, 다른 조건과 비교한 결과 비드 높이 변화보다 동일 비드높이에서 수위가 변화할 때 손상의 정도가 보다 심화되는 것으로 나타났다. 이는 고체상의 입자 사이즈에 따라 전달되는 초음파 에너지가 결정되고, 이로 인한 캐비테이션 현상은 입자 위 물 높이에 의해 크게 영향 받을 수 있음을 의미한다고 할 수 있다.
- 알루미늄 호일의 부식 정도를 글라스 비드의 직경, 비드의 높이, 비드 위 물 높이의 다양한 조건으로 비교 분석한 결과, 대체적으로 글라스 비드의 직경이 클수록, 글라스 비드의 높이가 높을수록, 비드의 물높이가 높을수록 알루미늄 호일의 부식이 큰 것으로 확인되었다. 글라스 비드의 직경이 클수록 알루미늄 호일의 손상이 큰 이유는 동일한 비드 높이(부피) 조건에서 비드의 직경이 클수록 동일 부피 내 고체가 차지하는 비율이 감소하여 초음파가 고체에 의해 감쇠되는 현상이 최소화되기 때문인 것으로 판단되었다.
- 6에 나타낸 바와 같이 글라스 비드 상단에 위치시킬 때보다 바닥에 위치하여 비드에 의한 감쇠현상을 겪지 않은 초음파의 영향을 받을 때 그 효과가 월등히 높은 것을 확인할 수 있었다. 즉, 글라스 비드의 높이 및 글라스 비드의 수위에 따라 초음파 캐비테이션에 의한 부식의 정도가 크게 변화할 수 있으나 근본적으로 감쇠현상을 겪지 않을 때 부식의 정도가 월등히 높은 것으로 분석되었다.
후속연구
- 3) 초음파 캐비테이션 현상을 이용한 세척 효과를 극대화 하기 위해서는 글라스 비드를 통과하면서 초음파 에너지가 크게 감쇠하므로 초음파 에너지가 가장 강한 반응기 하단으로 입자를 보낼 수 있는 기계적 교반 등의 방안이 추가적으로 고려되어야 한다.
- 이상의 기존 초음파 토양세척공정 연구는 대부분 초음파 캐비테이션 현상에 대한 이해를 바탕으로 하지 않고 기존 기술에 초음파 기술이 추가된다는 측면에 초점을 맞춰 연구가 진행되어 보다 효율적인 공정 개발에 한계가 있었다. 본 연구에서는 이러한 한계를 극복하기 위해 기존의 본 연구그룹에서 얻어진 순수 액상에서 확인된 초음파 캐비테이션 현상의 극대화 결과를 바탕으로 글라스 비드 및 알루미늄 호일을 이용한 초음파 토양세척 공정의 최적화 기초연구를 수행하였다.
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