선행연구에서는 2차오염이 없는 물리적 처리방법인 전단응력을 이용한 선박평형수 처리장치에 대하여 연구하였다. 정지상태의 외부 실린더와 회전하는 내부 실린더 사이에 발생하는 전단응력을 이용하여 다양한 미생물을 파쇄 처리하는 원리이며, 전단응력은 실린더 표면의 형태나 회전속도에 따라 크기가 달라진다. 전단응력의 크기와 전단응력을 받는 시간에 따라 멸균정도가 차이를 보이기 때문에, 다양한 조건에 따른 멸균효율을 밝히는 실험이 필요하며 이를 통해 상업용 장치의 제작을 위한 기초 자료를 마련하고자 하였다. 선행연구에서는 disk type과 cylinder type의 비교를 통하여 cylinder type이 우수함을 밝혔다. 본 연구에서는 선행연구를 통하여 얻은 결과를 바탕으로 cylinder type, groove type, knurling type의 표면 조건을 변화시켜 가장 우수한 조합을 밝혀냄과 동시에 실린더 사이의 간격에 따른 회전속도 및 유속 조건을 최적화 하고자하였다. 그 결과 groove type에서 250 mL/min의 유량조건에서는 8000 rpm 이상, 혹은 500 mL/min의 유량조건에서는 10000 rpm 이상에서 100% 살균 처리되는 결과를 얻었다.
선행연구에서는 2차오염이 없는 물리적 처리방법인 전단응력을 이용한 선박평형수 처리장치에 대하여 연구하였다. 정지상태의 외부 실린더와 회전하는 내부 실린더 사이에 발생하는 전단응력을 이용하여 다양한 미생물을 파쇄 처리하는 원리이며, 전단응력은 실린더 표면의 형태나 회전속도에 따라 크기가 달라진다. 전단응력의 크기와 전단응력을 받는 시간에 따라 멸균정도가 차이를 보이기 때문에, 다양한 조건에 따른 멸균효율을 밝히는 실험이 필요하며 이를 통해 상업용 장치의 제작을 위한 기초 자료를 마련하고자 하였다. 선행연구에서는 disk type과 cylinder type의 비교를 통하여 cylinder type이 우수함을 밝혔다. 본 연구에서는 선행연구를 통하여 얻은 결과를 바탕으로 cylinder type, groove type, knurling type의 표면 조건을 변화시켜 가장 우수한 조합을 밝혀냄과 동시에 실린더 사이의 간격에 따른 회전속도 및 유속 조건을 최적화 하고자하였다. 그 결과 groove type에서 250 mL/min의 유량조건에서는 8000 rpm 이상, 혹은 500 mL/min의 유량조건에서는 10000 rpm 이상에서 100% 살균 처리되는 결과를 얻었다.
In the prior work, we studied a ballast water treatment apparatus, which is secondary pollution free by using physical treatment of shear stress. The principle of this apparatus is smashing various microorganisms by shear stress generated between stationary outer cylinder and revolving inner cylinde...
In the prior work, we studied a ballast water treatment apparatus, which is secondary pollution free by using physical treatment of shear stress. The principle of this apparatus is smashing various microorganisms by shear stress generated between stationary outer cylinder and revolving inner cylinder. Because of various magnitude of shear stress according to the inner cylinder surface type and revolution speed, an appropriate surface type and optimum revolution speed should be studied by consecutive experiment to determine the reference data for commercial apparatus. Through a comparative study of disk type and cylinder type of ballast water treatment apparatus, cylinder type is turned out to be superb to disk type. In this study, we studied to determine the superior collaboration of cylinder type, groove type and knurling type of inner cylinder to non patterned outer cylinder, and to optimize the revolution speed and flow rate according to the gap between inner cylinder and outer cylinder. As a result, we could get perfect sterilization effect at groove type under the conditions of 250 mL/min of flow rate at 8,000 rpm and 500 mL/min of flow rate at 10,000 rpm respectively.
In the prior work, we studied a ballast water treatment apparatus, which is secondary pollution free by using physical treatment of shear stress. The principle of this apparatus is smashing various microorganisms by shear stress generated between stationary outer cylinder and revolving inner cylinder. Because of various magnitude of shear stress according to the inner cylinder surface type and revolution speed, an appropriate surface type and optimum revolution speed should be studied by consecutive experiment to determine the reference data for commercial apparatus. Through a comparative study of disk type and cylinder type of ballast water treatment apparatus, cylinder type is turned out to be superb to disk type. In this study, we studied to determine the superior collaboration of cylinder type, groove type and knurling type of inner cylinder to non patterned outer cylinder, and to optimize the revolution speed and flow rate according to the gap between inner cylinder and outer cylinder. As a result, we could get perfect sterilization effect at groove type under the conditions of 250 mL/min of flow rate at 8,000 rpm and 500 mL/min of flow rate at 10,000 rpm respectively.
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문제 정의
또한, 회전체의 표면의 형태에 따라서 멸균효율이 달라지는 것을 확인하고, 표면의 형태를 세분화 하여 가장 우수한 형태의 표면 조건을 찾아내었다[18]. 본 연구에서는 선행연구를 통해 밝혀낸 우수 표면 조건들에서 간격과 유량을 변화시켜 가장 경제적이면서 효율적인 조건을 구하는 실험을 진행하였다. 연구를 통해 이루어진 최적화 조건은 상용화 장치개발에 기초자료로 사용될 예정이다.
본 연구에서는 선행연구에서 우수성을 확인한 장치의 세 가지 형태 중 보다 효율적인 것을 가리고자 실험을 진행하였다. Fig.
반면 회전체인 내부실린더가 민무늬(non pattern) 실린더인 경우의 혼합형에서는 멸균효율이 떨어지는 것으로 나타났다. 이 연구는 장치의 type에 따른 멸균효율을 비교하기 위해 그 외의 조건은 최대 멸균효율을 나타낼 수 있도록 맞춰주었다. 전단응력이 가장 높고, 오래 받을 수 있도록 간격은 가장 좁은 0.
전단응력을 이용하여 해수 중에 존재하는 균을 물리적이며 환경 친화적으로 처리하는 방법을 연구하였다. 전단응력은 유체의 흐름이 층류일 때만 나타나며, 비교적 흐름이 빠른 난류에서는 전단응력이 발생하지 않는다.
제안 방법
기본형인 Cylinder type에서 유량 250 mL/min이며, 회전속도는 2,000과 4,000, 6,000, 8,000, 10,000 rpm일 때 간격에 따른 멸균효율을 실험하였다. 결과를 나타낸 그래프는 Fig.
대조군에 해당하는 원액 시료를 채취하고, 회전속도를 2000 및 4000, 6000, 8000, 10000 rpm으로 변화시켜서 10분간 유지후 처리된 바닷물을 채취한다.
5와 1, 2, 3 mm 및 유량 250과 500 mL/min에서 실험하였다. 또한, 장치를 보다 안정적이도록 보완하여 회전속도를 보다 높은 10,000 rpm까지 높여 실험하였다.
본 실험은 기본형과 변형형 type의 최적 조건에서 우수한 type을 선별하여 보다 나은 type인 cylinder type 및 groove type, knurling + groove type의 보다 넓은 간격과 높은 유량에서 멸균효율을 비교하였다.
실험을 통해 밝혀낸 우수한 type의 간격과 유량에 대한 최적화 조건을 찾기 위해서, 우수 type인 cylinder-cylinder, groove-groove 및 knurling-groove type에서 간격 0.5와 1, 2, 3 mm 및 유량 250과 500 mL/min에서 실험하였다. 또한, 장치를 보다 안정적이도록 보완하여 회전속도를 보다 높은 10,000 rpm까지 높여 실험하였다.
선행연구에서 2차오염의 위험이 없는 물리적 처리방법을 연구하였다[17,18]. 전단응력을 이용하여 균을 파쇄하여 멸균하는 원리의 장치를 개발하고, 전단응력과 멸균정도에 영향을 미치는 조건을 변화시키며 더 우수한 조건을 찾는 실험을 진행하였다[17,18]. 회전속도와 회전체의 직경을 달리한 두 장치의 비교를 통하여 동일한 전단응력이라면, 회전속도가 높은 것이 직경이 큰 것보다 멸균효율이 좋다는 것을 밝혀냈다[17].
괄호 속 disk type의 회전속도일 때, disk type의 2배에 이르는 cylinder type의 회전속도일 때와 동일한 전단응력을 가진다. 전단응력이 동일할 때의 cylinder type과 disk type을 비교한 선행연구를 통해 disk type은 cylinder type에서 완전히 멸균되는 회전속도에서도 멸균 처리되지 않음을 확인하고 cylinder type을 기본형으로 선정하였다.
1의 (a)는 속도분포를 나타내고, 전단응력분포는 (b)와 같이 나타나며 최대 전단응력은 4589 kg/cm·min2 이다. 좌표는 원주좌표를 적용해야 하나 실린더 직경에 비해 실린더 간의 간격이 작아서 직교좌표를 적용하였다.
7에 나타나있다. 회전속도 2000부터 10,000 rpm까지 2,000 단위로 변화를 주며, 간격에 따른 멸균효율을 살펴보았다. 완전 멸균 되는 지점은 최소간격인 0.
따라서 이 둘은 서로 반비례 관계에 있다. 회전속도가 높은 장치와 직경이 큰 장치 중 더 유리한 조건을 찾기 위해서 회전체의 직경은 작으나 회전속도가 빠른 cylinder type과 회전체의 직경은 크나 회전속도가 느린 disk type을 제작하여 실험하였다. Cylinder type은 disk type에 비해 회전속도가 2배로 빠르고(2,000, 4,000, 6,000, 8,000 rpm) 회전 반경이 절반이다.
회전체의 표면형태는 기본형인 cylinder type과 변형형인 groove type, 혼합형의 외부 실린더로 사용되는 knurling type이 있으며, 총 5가지 type 비교에서 우수성을 입증한 cylinder type과 groove type, knurling + groove type에 대한 간격과 유량을 최적화에 관한 실험을 하였다.
성능/효과
결론적으로 cylinder type보다 groove type 및 knurling + groove type이 우수했으며, groove type과 knurling + groove type은 동일한 우수성을 보여 비교하기가 어려웠다. 우수한 두 type에서 간격은 3 mm의 최대 간격에서 멸균이 가능하여 간격 확장의 가능성을 보였고, 유량과 회전속도는 서로 영향을 미쳤기 때문에 한가지를 선택하기는 어려웠다.
회전속도 8,000 rpm으로처리하는경우, 처리가능한유량이 250 mL/min 이하이기 때문에, 처리 속도 면에서 경제적으로 불리한 단점을 가지고 있다. 따라서 상업용 장치 제작에 소요되는 장비의 비용 및 장치의 설계 처리용량을 고려하여 최적화범위 내에서 선택하여야함을 확인하였다.
cylinder type은 낮은 유량(250 mL/min)에서만 완전 멸균의 결과가 나타났지만, groove와 knurling + groove type은 500 mL/min에서도 완전 멸균의 결과를 나타내었다. 또한, 간격에서도 변형형과 혼합형은 3 mm까지완전멸균이가능했지만, 기본형에서는 1 mm 혹은 2 mm 까 지만 완전 멸균이 나타나는 한계를 보였다.
기본형 cylinder type과 변형형 groove type은 8,000 rpm에서 완전 멸균을 보였고, 혼합형 가운데 외부 실린더 knurling에 내부 실린더 groove type에서만 8,000 rpm에서 완전 멸균을 보인다. 반면 회전체인 내부실린더가 민무늬(non pattern) 실린더인 경우의 혼합형에서는 멸균효율이 떨어지는 것으로 나타났다. 이 연구는 장치의 type에 따른 멸균효율을 비교하기 위해 그 외의 조건은 최대 멸균효율을 나타낼 수 있도록 맞춰주었다.
2에 나타난 groove type 그래프에서 변형형의 가능성을 확인하였다. 비교결과 완전히 멸균되는 지점은 8,000 rpm으로 동일하지만, 보다 낮은 회전속도에서 cylinder type보다 멸균정도가 우수했기 때문에, 변형형이 기본형보다 더 우수한 멸균성을 가질 가능성을 확인할 수 있었다.
선박평형수 물리적 처리장치의 최적화 조건을 찾은 결과, 유량이 낮을수록 완전 멸균되는 회전속도와 실린더 간격 조건이 다양하고, 기본형인 cylinder type에 비해 변형형 groove type과 혼합형 knurling + groove type이 간격과 유량에서 더 경제적인 결과를 나타내었다. cylinder type은 낮은 유량(250 mL/min)에서만 완전 멸균의 결과가 나타났지만, groove와 knurling + groove type은 500 mL/min에서도 완전 멸균의 결과를 나타내었다.
12과 같이 나타났다. 실린더의 조합에 따라 유량이 250 mL/min일 때는 8,000 rpm에서도 살균효과가 우수하나 유량이 500 mL/min을 넘어가면 10,000rpm 이상이 되어야 살균효과가 나타나는 것으로 확인되었다.
회전속도 2000부터 10,000 rpm까지 2,000 단위로 변화를 주며, 간격에 따른 멸균효율을 살펴보았다. 완전 멸균 되는 지점은 최소간격인 0.5 mm에서도 나타나지 않았기 때문에 cylinder type에서 처리할 경우 본 실험 조건 범위 내 살균가능 최대 유량은 250 mL/min임을 알 수 있었다.
8는 변형형의 groove type에서 유량 250 mL/min이며, 간격과 회전속도에 따른 멸균효율을 실험한 결과 그래프이다. 장치의 최대 간격인 3 mm와 8,000 rpm에서 완전 멸균 결과를 보여, 보다 넓은 간격에서의 멸균 가능성을 보여주었다.
10은 외부 실린더 knurling type에 내부 실린더 groove type에서 유량이 250 mL/min일 때 간격과 회전속도에 따른 멸균효율을 나타낸다. 최대간격인 3 mm와 8,000 rpm 이상의 범위에서 완전 멸균되는 것을 확인 할 수 있었다.
후속연구
본 연구에서는 선행연구를 통해 밝혀낸 우수 표면 조건들에서 간격과 유량을 변화시켜 가장 경제적이면서 효율적인 조건을 구하는 실험을 진행하였다. 연구를 통해 이루어진 최적화 조건은 상용화 장치개발에 기초자료로 사용될 예정이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
2차 오염 물질을 걸러내는 추가적인 처리시설을 필요한 이유는?
선박평형수의 처리방법에는 화학적 처리와 물리적 처리, 생물학적 처리가 있으며, 현재 개발된 기술가운데 물리적 처리방법은 규제 대상이 큰 유기물의 처리는 가능하나 대장균을 포함한 박테리아의 처리가 어렵다는 단점이 있다[2,8]. 화학적 처리방법과 생물학적 처리방법은 유기체 처리가 가능한 반면 화학물질의 잔여나 유기체의 돌연변이 발생 등의 2차 오염 발생의 위험이 있다[9-12]. 따라서 2차 오염 물질을 처리하는 추가적인 처리시설을 필요로 한다[13-16].
국제해사기구에서 규제하는 것은?
선박평형수의 많은 이동은 선박평형수가 배출되는 인근 해역의 외래종 및 병원균 도입을 광범위하게 증가시키고 있다[5]. 이에 국제해사기구에서는 선박평형수 배출농도를 설정함에 따라 외래종 및 병원균의 이동, 방출을 규제하고 있다[6-8]. 선박평형수의 처리방법에는 화학적 처리와 물리적 처리, 생물학적 처리가 있으며, 현재 개발된 기술가운데 물리적 처리방법은 규제 대상이 큰 유기물의 처리는 가능하나 대장균을 포함한 박테리아의 처리가 어렵다는 단점이 있다[2,8].
선박평형수의 처리방법의 종류는?
이에 국제해사기구에서는 선박평형수 배출농도를 설정함에 따라 외래종 및 병원균의 이동, 방출을 규제하고 있다[6-8]. 선박평형수의 처리방법에는 화학적 처리와 물리적 처리, 생물학적 처리가 있으며, 현재 개발된 기술가운데 물리적 처리방법은 규제 대상이 큰 유기물의 처리는 가능하나 대장균을 포함한 박테리아의 처리가 어렵다는 단점이 있다[2,8]. 화학적 처리방법과 생물학적 처리방법은 유기체 처리가 가능한 반면 화학물질의 잔여나 유기체의 돌연변이 발생 등의 2차 오염 발생의 위험이 있다[9-12].
참고문헌 (18)
Rivas-Hermann, R., Kohler, J. and Scheepens, A. E., "Innovation in Product and Services in the Shipping Retrofit Industry: A Case Study of Ballast Water Treatment Systems," Journal of Cleaner Production, 106, 443-454(2015).
Jung, Y., Yoon, Y. Hong, E., Kwon, M. and Kang, J., "Inactivation Characteristics of Ozone and Electrolysis Process for Ballast Water Treatment Using B. Subtilis Spores as a Probe," Marine Pollution Bulletin, 72(1), 71-79(2013).
Seiden, J. M. and Rivkin R. B., "Biological Controls on Bacterial Population in Ballast Water During Ocean Transit," Marine Pollution Bulletin, 78, 7-14(2014).
Wright, D. A., Gensemer, R. W., Mitchelomore, C. L., Stubblefield, W. A., Genderen, E. V., Dawson, R., Dawson, C. E. O., Bearr, J. S., Mueller, R. A. and Cooper, W. J., "Shipboard Trials of An Ozone-based Ballast Water Treatment System," Marine Pollution Bulletin, 60(9), 1571-1583(2010).
Zhang, N. and Shan, K. H. B., "Ballast Water Treatment Using UV/ $TiO_2$ Advanced Oxidation Processes: An Approach to Invasice Species Prevention," Chemical Engineering Journal, 243, 7-13(2014).
Maranda, L., Cox, A. M., Campbell, R. G. and Smith, D. C., "Chlorine Dioxide as a Treatment for Ballast Water to Control Invasive Species: Shipboard Testing," Marine Pollution Bulletin, 75(1-2), 76-89(2013).
International Maritime Organization (IMO), International covention for the control and management of ship's. ballast Water and Sediments, 25/09/06, accessed from website(2004).
International Maritime Organization (IMO), Global ballast water management programme, 15/01/08, accessed from http://globallast.imo.org(2008).
David, M., Gollasch, S. and Leppakoski, E., "Risk Assessment for Exemptions from Ballast Water Management - The Baltic Sea Case Study," Marine Pollution Bulletin 75(1-2), 205-217(2013).
Delacroix, S., Vogelsang, C., Tobiesen, A. and Liltved, H., "Disinfection by-products and Ecotoxicity of Ballast Water After Oxidative Treatment - Results and Experiences from Seven Years of Full-scale Testing of Ballast Water Management Systems," Marine Pollution Bulletin, 73(1), 24-36(2013).
Zhang, N., Ma, B., Li, J. and Zhang, Z., "Factors Affecting Formation of Chemical by-products During Ballast Water Treatment Based on An Advanced Oxidation Process," Chemical Engineering Journal, 231, 427-433(2013).
Tang, Z., Butkus, M. A. and Xie, Y. F., "Enhanced Performance of Crumb Rubber Filtration for Ballast Water Treatment," Chemosphere, 74(10), 1396-1399(2009).
Zhang, N., Zhang, Y., Bai, M., Zhang, Z. and Chen, C., "Risk Assessment of Marine Environments from Ballast Water Discharges with Laboratory Scale Hydroxyl Radicals Treatment in Tianjin Harborm China," Journal of Environmental Management, 145, 122-128(2014).
Lafontaine, Y. D. and. Despatie, S. P., "Performance of a Biological Deoxygenation Process for Ships' Ballast Water Treatment Under Very Cold Water Conditions," Science of the Total Environment, 472, 1036-1043(2014).
Feng, D., Shi, J. and Sun, D., "Inactivation of Microalgae in Ballast Water with Pulse Intense Light Treatment," Marine Pollution Bulletin, 90(1-2), 299-303(2015).
Akram, A. C., Noman, S., Javid, R. M., Gizicki, J. P., Reed, E. A., Singh, S. B., Basu, A. S., Banno, F., Fujimoto, M. and Ram, J. L., "Development of an Automated Ballast Water Treatment Verification System Utilizing Fluorescein Diacetate Hydrolysis as a Measure of Treatment Efficacy," Water Research, 70, 404-413 (2015).
Kang, A., Kim, S. and Song, J., "A Study on the Sterilization Effect of Ballast Water According to the Combination of Types of Treatment Apparatus," J. Korean Oil Chemists' Soc., 32(3), 412-417(2015).
Kang, A., Kim, S., Kim, Y. and Song, J., "A Comparison Study on the Sterilization Effect of Ballast Water with Cylinder Type and Groove Type," J. Korean Oil Chemists' Soc., 32(4), 363-371 (2015).
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