[논문]점착성 유사의 침강특성에 관한 연구

최인호; 김종우

doi:10.17663/jwr.2017.19.3.303

점착성 유사의 침강특성에 관한 연구
Study of Settling Properties of Cohesive Sediments 원문보기

한국습지학회지 = Journal of wetlands research, v.19 no.3, 2017년, pp.303 - 310

초록
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본 연구의 목적은 난류흐름에서 이온의 영향아래 점착성 유사의 침강특성을 이해하는데 있다. 실험연구는 자유수면을 가지는 소형 환형수조에서 실시하였다. 실험에서 유사 재료로써 실리카($SiO_2$)를 사용하였으며, 부유농도는 CCD-Camera로 측정하였다. 실리카의 침강실험은 7g/L의 농도일 경우 다양한 바닥전단응력을 부여해 실시되었다. 바닥전단응력이 증가하게 되면 실리카의 플럭(floc)입자 입경(D)은 pH6.8에서보다 pH4.2와 높은 NaCl 농도에서 더 크다. 실리카의 침강속도($W_s$)는 pH4.2에서보다 10g NaCl/L에서 더 높다. 본 연구에서 예측된 농도-시간 곡선은 실제 흐름에서 이온의 영향아래 실측된 농도-시간 곡선과 잘 일치하는 것으로 나타났다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper is to understand the settling properties of cohesive sediments under effects of ions in turbulent flow. The experiments were conducted using a miniature annular flume(mini flume) with a free water surface. Silica was used as sediment of experiment. The suspended concentrations were measured by using a CCD-Camera. Settling of silica($SiO_2$) was allowed to occur under various shear stresses in a concentration of 7g/L. At condition of pH 4.2 and high NaCl concentration, the floc size D of silica was larger than D at condition of pH6.8 with the bed shear stress increasing. The settling velocity $W_s$ of silica was higher at condition of 10g NaCl/L than $W_s$ at condition of pH4.2. Comparison of measured concentration-time curves and concentration-time curves calculated by this study showed similar tendency in flow under effects of ions.

주제어

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문제 정의

따라서 본 연구는 점착성 유사의 이송, 침강과 퇴적량을 예측하고 이를 바탕으로 한 대책 마련을 위해 물리-화학적인 인자 중 전단력, pH, NaCl을 고려한 점착성 유사의 침강특성에 관한 실험이다. 센서의 교란 없이 CCD-Camera를 이용하여 부유농도를 측정하고 침강속도를 결정하며, 이를 기본자료로 플럭입자를 산정하고자 하였다.
본 연구는 소형 환형수조에서 바닥전단응력 변화와 이온(NaCl, HCl, NaOH) 영향을 고려하여 점착성 유사(실리카)의 침강특성에 영향을 주는 플럭입자, 플럭입자와 침강속도와 관계, 예측농도와 실측농도변화 등에 관한 실험을 실시하였다. 그 결과를 요약하면 다음과 같다.

가설 설정

이러한 일차 입자간 결합된 덩어리인 플럭은 하천, 습지, 호수, 항만, 댐, 연안해역에서 점착성 유사의 침강특성에 중요한 역할을 한다. 플럭 현상의 영향을 받는 점착성 유사의 침강속도는 부유된 미세입자의 이송(transport), 침강(settling) 및 퇴적(deposition)에 큰 영향을 끼친다. 이와 같은 플럭 현상은 흐름의 물리적 특성과 수중에 녹아 있는 화학적 특성에 따라 좌우되어, 그 현상을 이해하기가 복잡하다.

제안 방법

혼합 후 우선 pH와 바닥전단력 변화에 따른 농도를 측정하여 플럭입자의 크기 및 침강속도를 측정하였다. 또한 동일한 실리카의 초기농도 7g/L를 NaCl와 혼합된 증류수에 20분 동안 균일하게 섞은 후 이온(NaCl)의 영향아래 바닥전단력 변화에 따른 침강현상에 대해 실험하였다. 이때 염분농도는 0g NaCl/L, 5g NaCl/L 및 10g NaCl/L이며, 바닥전단응력은 0 ∼ 0.
센서의 교란 없이 CCD-Camera를 이용하여 부유농도를 측정하고 침강속도를 결정하며, 이를 기본자료로 플럭입자를 산정하고자 하였다. 또한 점착성 유사의 주성분인 실리카(SiO₂)의 플럭입자와 침강속도의 관계를 이해하며, 결정된 플럭입자의 크기를 고려한 4개의 모형을 비교분석하여 침강농도 예측에 관하여 분석을 실시하였다.
따라서 본 연구는 점착성 유사의 이송, 침강과 퇴적량을 예측하고 이를 바탕으로 한 대책 마련을 위해 물리-화학적인 인자 중 전단력, pH, NaCl을 고려한 점착성 유사의 침강특성에 관한 실험이다. 센서의 교란 없이 CCD-Camera를 이용하여 부유농도를 측정하고 침강속도를 결정하며, 이를 기본자료로 플럭입자를 산정하고자 하였다. 또한 점착성 유사의 주성분인 실리카(SiO₂)의 플럭입자와 침강속도의 관계를 이해하며, 결정된 플럭입자의 크기를 고려한 4개의 모형을 비교분석하여 침강농도 예측에 관하여 분석을 실시하였다.
1). 점착성 유사의 부유농도는 CCD-Camera로 관측하였으며, 회전수조의 바닥으로부터 25 mm 지점에 설치하여 LED(Light Emitting Diode: 발광다이오드) 빛의 강도를 측정하였다. 부유농도 측정방법에 대해서는 Kim and Nestmann(2009)가 자세히 밝히고 있다.
플럭크기를 고려한 모형(Table 1)들을 적용한 예측농도와 바닥전단응력과 이온변화에 따른 실리카의 실측농도와 비교하였다. 실리카의 부유농도는 pH6.
즉 실리카의 초기농도 7g/L를 각각 이온(HCl, NaOH)수에 섞어 20분 동안 균일하게 혼합한다. 혼합 후 우선 pH와 바닥전단력 변화에 따른 농도를 측정하여 플럭입자의 크기 및 침강속도를 측정하였다. 또한 동일한 실리카의 초기농도 7g/L를 NaCl와 혼합된 증류수에 20분 동안 균일하게 섞은 후 이온(NaCl)의 영향아래 바닥전단력 변화에 따른 침강현상에 대해 실험하였다.

대상 데이터

Hwang et al. (2008)이 언급한 새만금, 시화호에서 퇴적물의 주된 광물질인 실리카를 실험재료로 사용했으며, 실리카 중앙입경(d₅₀)은 4.2 μm이다. 실험 전 증류수에 HCl과 NaOH이온을 섞어 pH를 조절하였으며, 증류수에 염분농도 0 ∼ 10g NaCl/L를 섞는다.

이론/모형

하지만 플럭입자의 크기와 유사의 형상 파라미터는 플럭입자 구조의 고유한 불규칙성 때문에 측정하기가 쉽지 않다. 따라서 본 연구에서는 비교적 간단한 침강 분석법을 적용하였다. 침강 분석법은 Stokes(1851)법칙에 따라 유사 자체가 갖는 고유의 성질로 가장 중요한 플럭입자의 크기를 결정하는 것이다.
022 N/m²을 적용하였다(Choi and Kim, 2016). 또한 본 연구에서 퇴적확률(P)은 Partheniades 모형을 사용하였다. 그 이유는 Partheniades 모형이 Krone 모형보다 실제 퇴적률(deposition rate)과 잘 일치하기 때문이다(Choi and Kim, 2015).
실리카의 플럭크기는 침강 분석법에 따라 파악했으며, 초기농도 7 g/L이면 수중에 녹아 있는 이온의 영향을 피하기 위해 증류수에서 실험하였다. 이때 전단력 변화는 0 ∼0.
3) 흐름변화에 따른 이온의 영향아래 4개의 모형에 의해 산정된 예측농도와 실측농도를 비교하였다. 이때 농도로 결정된 침강속도를 적용하여 Stokes’ Law으로 플럭입자의 크기를 산정하였으며 4개의 모형에 적용하였다. 그 결과 4개의 모형 모두 실측농도와 비슷한 경향을 보였지만 모형 No.
플럭크기에 영향을 받는 침강속도는 Winterwerp(1998), Cheng(1997), Zanke(1977) 및 Kajihara(1971)와 Lick and Huang (1993)가 제시한 경험공식을 사용하였다(Table 1).

성능/효과

2) 바닥전단응력 0 N/m²일 경우 플럭입자의 최대 침강속도는 pH4.2조건에서 0.012 mm/s이고 10g NaCl/L조건에서는 0.064 mm/s이며, 10g NaCl/L조건일 경우 pH4.2조건에서보다 5배 이상 증가한다. 따라서 점착성 유사의 침강특성에 영향을 주는 침강속도는 HCl보다 증가된 NaCl의 영향을 더 받으며, 빠르게 침전된다.
2조건에서보다 5배 이상 증가한다. 따라서 점착성 유사의 침강특성에 영향을 주는 침강속도는 HCl보다 증가된 NaCl의 영향을 더 받으며, 빠르게 침전된다.

후속연구

1의 모형은 플럭크기와 프랙탈 차원(=n_f)의 영향을 크게 받고 있음을 나타낸다. 따라서 본 연구의 간단한 방식에 따라 결정된 플럭입자를 모형들에 적용한다면 쉽게 점착성 유사의 침강거동을 예측할 수 있을 것으로 판단된다.
본 연구의 침강실험에 따른 간단한 평가기법은 수질변동과 점착성 유사의 동적거동 예측시스템 개발에 활용될 수 있을 것이다. 좀 더 명확한 해석과 예측시스템 입력자료 구축을 위해서는 기타 인자(유사입자의 형태, 유사의 광학적인 성질, 밀도변화, 온도, 유속 등)에 대한 지속적인 연구가 이루어질 필요가 있다고 본다.
본 연구의 침강실험에 따른 간단한 평가기법은 수질변동과 점착성 유사의 동적거동 예측시스템 개발에 활용될 수 있을 것이다. 좀 더 명확한 해석과 예측시스템 입력자료 구축을 위해서는 기타 인자(유사입자의 형태, 유사의 광학적인 성질, 밀도변화, 온도, 유속 등)에 대한 지속적인 연구가 이루어질 필요가 있다고 본다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	부유된 미세입자의 이송(transport), 침강(settling) 및 퇴적에 영향을 주는 요소는 무엇인가?	이러한 일차 입자간 결합된 덩어리인 플럭은 하천, 습지, 호수, 항만, 댐, 연안해역에서 점착성 유사의 침강특성에 중요한 역할을 한다. 플럭 현상의 영향을 받는 점착성 유사의 침강속도는 부유된 미세입자의 이송(transport), 침강(settling) 및 퇴적(deposition)에 큰 영향을 끼친다. 이와 같은 플럭 현상은 흐름의 물리적 특성과 수중에 녹아 있는 화학적 특성에 따라 좌우되어, 그 현상을 이해하기가 복잡하다.
	점착성 유사의 크기와 밀도가 변화하는 이유는 무엇인가?	이때 점착성 유사의 결합을 플럭(floc)이라고 부른다. 플럭은 수중에서 붕괴 또는 결합되기 때문에 크기와 밀도가 변화한다. 이러한 일차 입자간 결합된 덩어리인 플럭은 하천, 습지, 호수, 항만, 댐, 연안해역에서 점착성 유사의 침강특성에 중요한 역할을 한다.
	부유된 점착성 유사가 다른 미세입자와 쉽게 결합하는 이유는 무엇인가?	부유된 점착성 유사는 표면의 이온성분 때문에 다른 미세입자와 쉽게 결합한다. 이때 점착성 유사의 결합을 플럭(floc)이라고 부른다.

참고문헌 (22)

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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