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논문 기본 정보
- 자료유형
- 학위논문
- 저자정보
- 지도교수
- 장인성
- 발행연도
- 2018
- 저작권
- 호서대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
이용수5
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경수는 Ca2+, Mg2+ 이온을 다량 포함한 물로 열교환기나 보일러의 배관 내부를 통과하면서 스케일 (scale)을 형성한다. 생성된 스케일은 열교환기의 열전달 효율을 감소시켜 불필요한 에너지 소비의 원인이 되며, 또한 장비의 유지비용도 증가시켜 경제적 손실로 이어지게 된다. 스케일 형성을 저감하기 위해 물리·화학적 공정이 사용되고 있으나 막대한 에너지 사용과 2차 오염물질 발생, 화학약품의 운송, 보관, 취급에 대한 안전비용이 증가하고 있다. 따라서 물리·화학적 공정의 단점을 보완할 수 있는 대체 탈염기술 개발의 필요성이 대두되고 있다. 본 연구에서는 고전압 임펄스 (High Voltage Impulse, HVI) 기술을 대체 탈염기술로 활용하고자 하였다. HVI 기술은 수 kV의 전압을 μs 이하의 단위로 방전시켜 전기장을 형성시키는 기술로 현재 식품의 비열살균 공정에서 활용되고 있다. 최근 대체 탈염기술로서 자기장과 고주파, 플라즈마를 이용하여 수중의 Ca2+ 농도를 제어하는 연구 결과가 보고되고 있다.
HVI 기술을 활용하여 수중의 Ca2+ 이온을 CaCO3로 사전에 석출시켜 경도를 제어하는 기본연구를 수행하여 대체 탈염기술로써 가능성을 확인하였다.
본 연구에서는 인가시간에 따른 Ca2+ 이온 농도 저감 효과를 연구하였다. HVI를 반응기 내 Ca2+ 용액에 최대 720시간 인가해준 결과 Ca2+ 농도는 69 % 까지 감소하였다. 초기 Ca2+ 이온 농도는 빠른 속도로 감소 하지만 48 ~ 72시간이 지난 후에는 포화상태로 더 이상의 Ca2+ 이온 농도는 감소하지 않고 일정해지는 것을 확인 하였다. 이를 통해 HVI 인가시간이 Ca2+ 이온 농도 저감 효과에 주요한 변수임을 확인하였다.
HVI를 Ca2+ 용액에 인가하였을 때 생성되는 CaCO3의 반응 차수 및 반응속도 상수를 비교한 결과 HVI 인가시간에 따른 CaCO3의 생성반응은 2차 반응으로 나타났으며 HVI를 인가한 실험군의 반응속도 상수가 HVI를 인가하지 않은 대조군의 반응속도 상수 보다 2.5배 커짐을 확인하였다.
HVI 인가 시 발생되는 수중 화학적 변화 중 산화력이 뛰어난 하이드록실 라디칼 (·OH)의 발생여부를 확인하기 위해 RNO (N,N-dimethyl-4-nitrosoaniline)를 사용하여 HVI 인가 전후의 농도를 분석하였다.
HVI 반응기 내 인가전압을 5, 10, 15 kV로 증가시키고, 각 전압 하에서 5시간동안 인가한 후 RNO 농도 변화를 관찰한 결과 인가시간과 임계점 이상의 전압이 인가되어야만 충분한 하이드록실 라디칼 생성시킬 수 있는 것으로 나타났다.
HVI 반응기 내 RNO 용액의 공기주입량을 0, 0.3, 0.7 L/min으로 주입 하여 RNO 농도 변화를 관찰한 결과 공기공급량이 증가할수록 반응기 내 공급되는 공기 중 산소의 증가로 RNO 농도를 더욱 감소시키는 것으로 나타났다.
에폭시 전극과 테프론 전극을 사용하여 RNO 농도 변화를 관찰한 결과 코로나가 발생된 테프론 전극에서 RNO 농도가 더 높은 감소율을 나타내었다.
HVI 반응기 내 RNO 용액의 pH와 전기전도도를 측정한 결과 인가전압의 세기, 전도도, 공기주입량이 증가하여도 pH와 전기전도도는 거의 변화가 없는 것으로 나타났다.
코로나가 발생된 용액에서 Ni2+과 Cr2+이 검출된 것으로 보아 코로나가 방전으로 인해 전극에서 전리가 일어나 용액 내 금속이온이 용해된 것으로 판단할 수 있다.
HVI 기술을 활용하여 수중의 Ca2+ 이온을 CaCO3로 사전에 석출시켜 경도를 제어하는 기본연구를 수행하여 대체 탈염기술로써 가능성을 확인하였다.
본 연구에서는 인가시간에 따른 Ca2+ 이온 농도 저감 효과를 연구하였다. HVI를 반응기 내 Ca2+ 용액에 최대 720시간 인가해준 결과 Ca2+ 농도는 69 % 까지 감소하였다. 초기 Ca2+ 이온 농도는 빠른 속도로 감소 하지만 48 ~ 72시간이 지난 후에는 포화상태로 더 이상의 Ca2+ 이온 농도는 감소하지 않고 일정해지는 것을 확인 하였다. 이를 통해 HVI 인가시간이 Ca2+ 이온 농도 저감 효과에 주요한 변수임을 확인하였다.
HVI를 Ca2+ 용액에 인가하였을 때 생성되는 CaCO3의 반응 차수 및 반응속도 상수를 비교한 결과 HVI 인가시간에 따른 CaCO3의 생성반응은 2차 반응으로 나타났으며 HVI를 인가한 실험군의 반응속도 상수가 HVI를 인가하지 않은 대조군의 반응속도 상수 보다 2.5배 커짐을 확인하였다.
HVI 인가 시 발생되는 수중 화학적 변화 중 산화력이 뛰어난 하이드록실 라디칼 (·OH)의 발생여부를 확인하기 위해 RNO (N,N-dimethyl-4-nitrosoaniline)를 사용하여 HVI 인가 전후의 농도를 분석하였다.
HVI 반응기 내 인가전압을 5, 10, 15 kV로 증가시키고, 각 전압 하에서 5시간동안 인가한 후 RNO 농도 변화를 관찰한 결과 인가시간과 임계점 이상의 전압이 인가되어야만 충분한 하이드록실 라디칼 생성시킬 수 있는 것으로 나타났다.
HVI 반응기 내 RNO 용액의 공기주입량을 0, 0.3, 0.7 L/min으로 주입 하여 RNO 농도 변화를 관찰한 결과 공기공급량이 증가할수록 반응기 내 공급되는 공기 중 산소의 증가로 RNO 농도를 더욱 감소시키는 것으로 나타났다.
에폭시 전극과 테프론 전극을 사용하여 RNO 농도 변화를 관찰한 결과 코로나가 발생된 테프론 전극에서 RNO 농도가 더 높은 감소율을 나타내었다.
HVI 반응기 내 RNO 용액의 pH와 전기전도도를 측정한 결과 인가전압의 세기, 전도도, 공기주입량이 증가하여도 pH와 전기전도도는 거의 변화가 없는 것으로 나타났다.
코로나가 발생된 용액에서 Ni2+과 Cr2+이 검출된 것으로 보아 코로나가 방전으로 인해 전극에서 전리가 일어나 용액 내 금속이온이 용해된 것으로 판단할 수 있다.
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