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초미세기포의 존재에 따른 용존기체농도의 획기적 향상
Substantial enhancement of dissolved gas concentration in the presence of ultrafine bubble

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Authors
김은아
Advisor
최용주
Major
공과대학 건설환경공학부
Issue Date
2018
Publisher
서울대학교 대학원
Keywords
초미세기포헨리의 법칙Young-Laplace 방정식기포 크기 측정Dynamic Light Scattering
Description
학위논문 (석사)-- 서울대학교 대학원 : 공과대학 건설환경공학부, 2018. 2. 최용주.
Abstract
최근 수처리 분야를 중심으로 크기 1 μm 이하의 초미세기포의 발생 기술이 개발되면서 다양한 분야에 초미세기포의 적용가능성에 대한 관심이 확대되고 있다. 초미세기포는 높은 내부압력을 가져 다량의 기체를 녹일 수 있으며, 기포의 표면 전하로 인해 쉽게 병합하지 않는 높은 안정성을 가지고 있다. 따라서, 초미세기포를 포함하고 있는 초미세기포수는 고농도의 기체 농도를 유지하는 기체 운반체로서 농∙어업의 효율 증대, 환경 오염 정화 등 기존의 공법으로 한계가 있던 부분에 실용적인 대안이 될 수 있다. 초미세기포수의 보다 정밀하고 재연성 있는 적용가능성을 확보하기 위해서 초미세기포수에 대한 특성 분석이 요구된다.
기존의 초미세기포관련 연구는 수처리에서 오염 물질 제거에 필요한 특성, 주로 기포의 크기나 표면 전하에 관한 연구로 이루어져있다. 그러나, 다양한 분야에 적용 가능한 기체 운반체로서의 초미세기포수의 특성을 규명하기 위하여 초미세기포수의 기체 분자 분배, 총 기체 보유량 등 물리∙화학적 특성에 대한 연구가 필요하다. 따라서 본 연구는 초미세기포수의 기체 운반체로서 정량적인 분석을 하기 위하여 새로운 실험 방법을 개발하고 이를 기존의 이론 식에 적용하여 그 타당성을 확보하고, 기포의 크기 측정을 통하여 이를 검증하고자 수행되었다.
순산소, 순질소, 순헬륨으로 발생시킨 초미세기포수의 특성 분석을 위해 두 가지의 실험 방법이 변형∙개발되었으며, 첫번째는 초음파를 이용하여 기포를 제거하였을 때 감소하는 기포 수의 부피를 측정, 두번째는 밀폐된 용기에 담기 초미세기포수의 기체를 병 상부에 모아 압력 변화 측정을 통하여 초미세기포수의 전체 기체 보유량을 측정하였다. 이 두 실험값은 기포의 크기와 기포의 내부 압력의 관계를 설명하는 Young-Laplace 방정식과 기체의 압력과 액체의 기체 농도의 관계를 설명하는 헨리의 법칙을 조합한 새로운 식에 적용되었다. 그 결과, 기포를 제거한 초미세기포수의 부피 변화가 0.31 ± 0.16 mL/L suspension (평균±표준편차
n=3)로 매우 적게 나타난 반면, 초미세기포수는 각각 산소 305.65 ± 57.19 mg/L suspension (평균±표준편차
n=3), 질소 117.47 ± 9.89 mg/L suspension (평균±표준편차
n=3), 헬륨 15.13 ± 0.38 mg/L suspension 로 다량의 기체를 녹일 수 있는 것으로 측정되었다. 또한, 초미세기포수가 보유하는 총 기체의 대부분(약 98%)은 용존 상태로 존재하며, 기포 자체가 보유한 기체의 양은 매우 적지만 높은 내부압력을 유지하여 주변 물이 용존 기체의 과포화 상태를 유지시키는 역할을 하는 것을 확인할 수 있었다. 기포의 내부 압력 계산을 통하여 기포의 평균 크기를 계산할 수 있었는데, 초미세기포는 약 400 nm 크기로 확인할 수 있었다. 이는 Dynamic Light Scattering 방식을 이용하여 측정한 기포의 크기와 비교되었으며, ANOVA 분석을 시행한 결과 두 결과값은 95%의 신뢰도로 같은 값 임을 확인할 수 있었다. 이는 초미세기포의 특성 분석을 위하여 가정하였던 기존의 이론 Young-Laplace 방정식, 헨리의 법칙이 수백 나노미터 크기의 초미세기포에 적용가능하다는 것을 보여준다. 또한, Sensitivity Analysis를 통하여 두 가지의 실험 값 중 초미세기포수의 총 기체 보유량 값이 기포 크기를 결정하는데 더 큰 영향을 미치는 것으로 확인하였다.
본 연구에서 개발된 초미세기포의 특성 분석 방법을 통하여 수백 나노미터에 해당하는 기포의 크기를 간단하게 실험적으로 확인할 수 있을 뿐 아니라, 초미세기포수의 기포의 역할에 대한 명확한 규명을 할 수 있었다. 따라서, 다양한 분야에서 초미세기포수를 이용하여 정량적이고 재연성 있는 연구하는데 뒷받침 할 수 있을 것으로 판단된다.
Language
Korean
URI
http://hdl.handle.net/10371/141346
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College of Engineering/Engineering Practice School (공과대학/대학원)Dept. of Civil & Environmental Engineering (건설환경공학부)Theses (Master's Degree_건설환경공학부)
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