실내 환경 및 산업체 배기가스중의 미세먼지를 제거하는 방법으로서 압력손실이 낮으면서도 집진효율이 높은 전기집진기가 널리 사용되어지고 있다. 그러나 전기집진기는 서브마이크로미터 크기의 먼지에 대한 제거효율이 낮기 때문에, 정전분무법으로 하전액적을 공급하여 먼지와의 충돌을 촉진시켜 하전효율을 높이는 방법이 대안으로 떠오르고 있다. 그러나 먼지의 하전효율은 정전분무된 액적의 크기 및 개수와 밀접한 관계가 있으나, 액적의 크기를 효과적으로 측정하는 방법이 확립되어 있지 않은 것이 현실이다. 본 연구에서는 손쉽게 이용할 수 있는 수돗물로 정전분무를 한 후, 분무된 액적을 다양한 방법으로 가시화하여 고속카메라로 촬영하였다. 그리고 Image J 프로그램으로 액적의 크기분포를 측정하여 가시화방법에 따른 액적의 크기를 상호 비교하였다. 결과적으로, 레이저로 가시화하여 고속카메라로 촬영하면 미세액적의 이미지화가 가능하기 때문에, 그 액적의 크기는 Xenon광으로 가시화하여 측정한 것보다 약 50 % 작음을 알 수 있었다. 또한 레이저로 가시화하여 측정한 액적의 크기가 $Fern{\acute{a}}ndez$ de la Mora and Loscertales (1994)의 예측치와 비교적 잘 일치함을 알 수 있었다.
실내 환경 및 산업체 배기가스중의 미세먼지를 제거하는 방법으로서 압력손실이 낮으면서도 집진효율이 높은 전기집진기가 널리 사용되어지고 있다. 그러나 전기집진기는 서브마이크로미터 크기의 먼지에 대한 제거효율이 낮기 때문에, 정전분무법으로 하전액적을 공급하여 먼지와의 충돌을 촉진시켜 하전효율을 높이는 방법이 대안으로 떠오르고 있다. 그러나 먼지의 하전효율은 정전분무된 액적의 크기 및 개수와 밀접한 관계가 있으나, 액적의 크기를 효과적으로 측정하는 방법이 확립되어 있지 않은 것이 현실이다. 본 연구에서는 손쉽게 이용할 수 있는 수돗물로 정전분무를 한 후, 분무된 액적을 다양한 방법으로 가시화하여 고속카메라로 촬영하였다. 그리고 Image J 프로그램으로 액적의 크기분포를 측정하여 가시화방법에 따른 액적의 크기를 상호 비교하였다. 결과적으로, 레이저로 가시화하여 고속카메라로 촬영하면 미세액적의 이미지화가 가능하기 때문에, 그 액적의 크기는 Xenon광으로 가시화하여 측정한 것보다 약 50 % 작음을 알 수 있었다. 또한 레이저로 가시화하여 측정한 액적의 크기가 $Fern{\acute{a}}ndez$ de la Mora and Loscertales (1994)의 예측치와 비교적 잘 일치함을 알 수 있었다.
Electrostatic precipitator is widely used to remove particulate matters in indoor air and industrial flue gas due to low pressure drop and high collection efficiency. However, it has a low collection efficiency for the submicrometer sized particles. Electrospraying is a potential method to increase ...
Electrostatic precipitator is widely used to remove particulate matters in indoor air and industrial flue gas due to low pressure drop and high collection efficiency. However, it has a low collection efficiency for the submicrometer sized particles. Electrospraying is a potential method to increase the particle charging efficiency, which results in increased collection efficiency. Although particle charging efficiency is highly dependent upon droplet size, the effective measuring method of the droplets is still uncertain. Tap water was electrosprayed in this study, and the images of electrosprayed droplets were taken with a high speed camera coupled with several visualization methods in order to measure the droplets size. The droplet size distribution was determined by an image processing with an image-J program. As a result, a droplet measured by a laser visualization, had a half size of that by a Xenon light visualization. In addition, the experimentally measured droplet sizes were a good agreement with the predicted values suggested by $Fern{\acute{a}}ndez$ de la Mora and Loscertales(1994).
Electrostatic precipitator is widely used to remove particulate matters in indoor air and industrial flue gas due to low pressure drop and high collection efficiency. However, it has a low collection efficiency for the submicrometer sized particles. Electrospraying is a potential method to increase the particle charging efficiency, which results in increased collection efficiency. Although particle charging efficiency is highly dependent upon droplet size, the effective measuring method of the droplets is still uncertain. Tap water was electrosprayed in this study, and the images of electrosprayed droplets were taken with a high speed camera coupled with several visualization methods in order to measure the droplets size. The droplet size distribution was determined by an image processing with an image-J program. As a result, a droplet measured by a laser visualization, had a half size of that by a Xenon light visualization. In addition, the experimentally measured droplet sizes were a good agreement with the predicted values suggested by $Fern{\acute{a}}ndez$ de la Mora and Loscertales(1994).
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문제 정의
본 연구에서는 가시화 방법이 정전분무 액적의 크기분포에 미치는 영향을 실험적으로 증명하였다. 전기전도도와 표면장력이 높은 수돗물을 정전분무를 한 후, 분무된 액적을 Xenon광과 Laser광으로 가시화하여 고속카메라로 촬영하였다.
제안 방법
본 연구에서는 상압조건에서 비교적 전기전도도와 표면장력이 큰 수돗물을 이용하여 특정한 운전조건(수돗물의 공급유량 : 15~35 ml/min, 인가전압 : 30 kV, 용액의 전기전도도 : 0.0195 S/m)에서 정전분무를 하였으며, Xenon광 또는 Laser광으로 가시화한 후 고속카메라(일반렌즈 또는 고배율 렌즈)로 촬영하여 액적의 크기분포를 측정하였다. 이를 통해 가시화 방법에 따라서 액적의 크기분포가 어떻게 변화함을 살펴보았으며, 예측식에 의한 액적의 크기와도 비교가 이루어졌다.
0195 S/m)에서 정전분무를 하였으며, Xenon광 또는 Laser광으로 가시화한 후 고속카메라(일반렌즈 또는 고배율 렌즈)로 촬영하여 액적의 크기분포를 측정하였다. 이를 통해 가시화 방법에 따라서 액적의 크기분포가 어떻게 변화함을 살펴보았으며, 예측식에 의한 액적의 크기와도 비교가 이루어졌다.
본 연구에서는 가시화 방법이 정전분무 액적의 크기분포에 미치는 영향을 실험적으로 증명하였다. 전기전도도와 표면장력이 높은 수돗물을 정전분무를 한 후, 분무된 액적을 Xenon광과 Laser광으로 가시화하여 고속카메라로 촬영하였다. 결과적으로 Xenon광으로 가시화하여 고속카메라로 촬영한 액적의 크기에 비하여 레이저로 가시화하여 측정한 액적의 크기가 1/2 정도로 나타남을 알 수 있었다.
가시화 방법이 측정되어지는 액적의 크기분포에 미치는 영향을 파악하기 위하여 정전분무시스템의 운전조건을 일정하게 유지하였다. 챔버 내부의 압력을 상압조건으로 유지하면서 비교적 전기전도도(0.0195 S/m)와 표면장력(0.073 N/m)이 큰 수돗물을 15~35 ml/min의 공급유량, 30 kV의 인가전압에서 정전분무를 하였으며, 실험챔버 투시창의 한쪽 편에서 Xenon광 또는 Laser광으로 광원을 공급하고 반대편에서 고속카메라(일반렌즈 또는 고배율 렌즈)로 촬영하였다. 촬영에는 shadow기법이 적용되었으며, 촬영된 영상으로부터 약 10여장의 이미지를 얻어서 Image J 프로그램으로 약 100개의 액적의 크기를 세어 크기분포를 측정하였다.
데이터처리
고속카메라는 full frame으로 초당 5,000 프레임의 사진을 촬영하였으며, 노출시간은 10 μs로 설정하였다. 얻어진 액적의 분무영상은 Image J 프로그램으로 분석하였으며, 노즐의 외경 값을 기준치를 설정하여 액적의 크기분포를 얻었다.
이론/모형
073 N/m)이 큰 수돗물을 15~35 ml/min의 공급유량, 30 kV의 인가전압에서 정전분무를 하였으며, 실험챔버 투시창의 한쪽 편에서 Xenon광 또는 Laser광으로 광원을 공급하고 반대편에서 고속카메라(일반렌즈 또는 고배율 렌즈)로 촬영하였다. 촬영에는 shadow기법이 적용되었으며, 촬영된 영상으로부터 약 10여장의 이미지를 얻어서 Image J 프로그램으로 약 100개의 액적의 크기를 세어 크기분포를 측정하였다. 액적의 크기는 Feret경(액적에 수평방향의 선을 그었을 때 가장 긴 길이)을 기준으로 측정이 되었으며, 이 때 노즐의 외경 값이 기준이 되었다.
성능/효과
전기전도도와 표면장력이 높은 수돗물을 정전분무를 한 후, 분무된 액적을 Xenon광과 Laser광으로 가시화하여 고속카메라로 촬영하였다. 결과적으로 Xenon광으로 가시화하여 고속카메라로 촬영한 액적의 크기에 비하여 레이저로 가시화하여 측정한 액적의 크기가 1/2 정도로 나타남을 알 수 있었다. 이는 Image J 프로그램으로 액적의 크기를 측정하는데 있어서 영상에 담기는 액적만이 측정의 대상이 되기 때문에, Xenon광보다 심도가 깊어 초점이 선명하게 찍히는 Laser광으로 가시화한 것이 더욱 작은 액적까지 이미지에 반영되기 때문이다.
고배율 렌즈를 추가로 장착함에 따라서 액적의 크기가 약 70~80 %정도로 작아졌음을 확인할 수 있다. 또한 본 실험결과를 통해 수돗물의 공급유량이 증가할수록 단위시간당 노즐로 유입되는 액체의 부피가 증가하고 대전된 액적이 띄는 전하간의 반발력이 줄어들어 큰 액적을 형성함을 알 수 있었다.
그림에서 볼 수 있는 바와 같이 용액의 공급량이 증가할수록 액적의 크기가 증가한다는 것을 알 수 있으며, 측정된 액적의 크기와 Fernández de la Mora and Loscertales의 예측식에 의해 도출된 값이 잘 일치하고 있음을 알 수 있다. 본 연구에서 사용하고 있는 액적의 분무형태가 cone-jet모드는 아니지만, 액적의 크기가 상기의 예측식과 일치하는 것으로 보아 cone-jet모드에 근접하고 있음을 알 수 있다.
그림 5에는 다양한 가시화방법별로 측정된 액적의 크기를 서로 비교하여 나타내었다. 실험결과를 토대로 할 때, 레이저로 가시화하여 측정한 액적의 크기가 Xenon광으로 가시화하여 일반렌즈로 측정한 값에 비하여 1/2정도의 값을 보임을 알 수 있었다. 실험적으로 측정된 액적의 크기는 Fernández de la Mora and Loscertales (1994)가 제시한 아래의 예측식에 의한 계산결과와 함께 나타내어졌다.
이는 Image J 프로그램으로 액적의 크기를 측정하는데 있어서 영상에 담기는 액적만이 측정의 대상이 되기 때문에, Xenon광보다 심도가 깊어 초점이 선명하게 찍히는 Laser광으로 가시화한 것이 더욱 작은 액적까지 이미지에 반영되기 때문이다. 이것이 액적의 크기분포를 결정하는 요인이 되며, 레이저광으로 가시화하여 측정한 액적의 크기는 Fernández de la Mora and Loscertales의 예측식과 비교하였을 때 비교적 잘 일치함을 알 수 있었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
정전분무법이란?
정전분무법은 용액이 공급되는 노즐 또는 유도전극에 고전압을 인가하여 정전기력이 액적의 표면장력을 초과하도록 하여 미세액적을 만드는 것으로서, 마이크로미터 또는 나노미터 크기의 액적까지 만들 수 있다고 알려져 있다(Jaworek, 2007; Kim et al.,2011).
전기집진기의 문제점은?
산업체의 배기가스나 생활환경 중에 존재하는 먼지의 특성이 점착성을 가지거나, 낮은 압력손실을 유지하면서 먼지를 제거하여야 하는 시설에서는 전기집진기가 널리 사용되어지고 있다. 그러나 전기집진기는 유입되어지는 먼지를 하전 시켜 전기장에 의해 분리하는 장치이기 때문에, 하전효율이 낮은 서브마이크로미터 크기의 먼지는 집진효율이 낮은 문제점이 있다. 이러한 문제점을 해결하는 방법론으로서 정전분무기술을 도입하는 방안이 검토되어지고 있다(Kim et al.
전기집진기의 문제점을 해결하기 위한 방법은 무엇인가?
그러나 전기집진기는 유입되어지는 먼지를 하전 시켜 전기장에 의해 분리하는 장치이기 때문에, 하전효율이 낮은 서브마이크로미터 크기의 먼지는 집진효율이 낮은 문제점이 있다. 이러한 문제점을 해결하는 방법론으로서 정전분무기술을 도입하는 방안이 검토되어지고 있다(Kim et al., 2010).
참고문헌 (11)
Banerjee, S., and Mazumdar, S. (2012). Electrospray ionization mass spectrometry : A technique to access the information beyond the molecular weight of the analyte. International Journal of Analytical Chemistry, 2012, 1-40.
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Tepper, G., and Kessick, R. (2008). A study of ionization and collection efficiencies in electrospray-based electrostatic precipitators. Journal of Aerosol Science, 39, 609-617.
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