초음파를 이용한 수질정화 기술

압전 세라믹과 초음파 응용

특 집

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1. 서론

현재 우리나라는 80% 이상의 수자원을 하천 및 호소 등 지표수로부터 공급받고 있다. 현재 수자원으로 이용 되고 있는 대부분의 호소 및 하천은 수질오염에 인해 해 결해야 할 많은 문제점을 안고 있으며, 수질 개선을 위한 오염부하 저감을 위한 다양한 정책 제안 및 기술이 개발 되고 있으나 인위적인 방법을 통한 수질개선에는 한계점 에 도달된 상황으로 추정되고 있다. 따라서 국가적인 차 원에서도 체계적이고 합리적인 수자원 개발과 관리가 수 행되어야 할 상황에 직면해 있다.

특히 지하수의 수자원 측면에서의 중요성이 부각되기 시작하여 국가적인 차원에서 체계적이고 엄격한 개발 및 관리 기준이 만들어졌으나 아직 기존의 폐공의 위치 확 인 및 사후 관리, 산간 지역의 지하수 개발 및 관리에 있 어서는 보완해야 할 事項이 많은 것이 현실이다. 지하 토 양 내 자연 정화능력에 의해 분해될 수 있는 유기물질의 경우에는 어느 정도 문제성이 덜 하지만, 방향족 화합물 등 난분해성 유해 물질의 경우에는 완전히 분해되기 까 지 장시간이 소요되며, 특히 방향족 화합물의 대부분은 분해과정에서 초기 물질보다 독성이 증가되는 이차 오염 문제가 더욱 심각하다. 따라서 단시간에 완전 분해를 유 도할 수 있는 정화기술에 대한 공정개발이 필요하다.

오염물질은 미생물과 질산성 질소 등 일반오염물질이 초과한 경우가 대부분이며, 인위적 오염물질 중 특히

(trichloroethene)는 섬유 세척제, 금속 탈지제, 유기용제

등 여러 용도로 국내 세탁업체 및 화학 산업계에서 연간

미국, 일본 등 선진국의 세탁업계에서는 드라이크리닝제 로 PCE를 대부분 사용하고 있고, 우리나라도 국내 35,000 여 세탁업소 중 약 2%인 700여 업소가 PCE를 연간 440 톤 정도 사용하고 있다.

이와 같은 PCE와 TCE는 특정 수질유해물질로 규정되어 있으며 또한 국제 암연구센터 에서 발암 우려 물질로 지정하고 있고, 다량 흡입합 경우 중추신경계 기능을 저하해 현기증, 피로감, 두통, 발한 (發 汗), 조정력 저하 증상을 보이거나 폐부종을 일으킬 수 있고, 간 괴사 증상을 보이거나 허파와 심장, 신장에 영향 을 줄 수 있어 매우 엄격히 관리할 필요가 있는 물질이다.

본 기고에서는 초음파 기술을 이용하여 지하수에 포함 된 난분해 유해물질인 TCE를 효율적으로 분해할 수 있는 초음파 트랜스듀서 (=변환기)의 설계 및 효과에 대한 실 험을 통해 소개하고자 한다.

2. 수질 정화 기술

현재까지 다양한 오염 지하수 정화 기술이 개발되어 적용되고 있으나 기술 개발의 주방향은 2차 오염의 최소 화, 지하 생태계에 대한 영향을 최소화하는 방향으로 개 발이 집중되고 있으며, 크게 물리 화학적 처리방법, 생물 학적 처리방법, 열적 처리 방법 등이 있다.

초음파를 이용한 수질정화 기술

글

_ 이영진

한국세라믹기술원

CERAMIST

초음파를 이용한 수질정화 기술

·물리 화학적 처리방법

; SVE, Air sparging, Air stripping, Chemical Reduction 등

·생물학적 처리방법

; Bioventing, Bioreactor, Land farming 등

·열적 처리 방법

; Low/High Temperature, Thermal Description, Steam Injection

이 중 PCE, TCE의 정화의 경우, 현재 산업선진국들에 서는 이들 오염물질을 처리하기 위해 ZVM (Zero Valent

환경 방재 방법과 비교 시 다양한 장점을 가진 기술이다.

우선 사용되는 ZVM은 산업 활동을 통해 발생한 부산물 을 원재료로 사용하므로 폐기물을 재활용할 수 있는 기 술이며, 오염 부지 내/외에서 처리가 가능한 방법이다.

그러나 ZVM에 의한 처리시 ZVM의 표면에 침전되는 물질 (광물상)이 오염물질의 처리기능 (효율성)을 저하시 키는 것이 중요한 문제점으로 대두되었다. 그 외 표준화 된 팔라듐 코팅 나노 영가철 제작기술을 통한 정화기술 이 제시된 바 있으며, 활성탄 흡착 외 TiO

분해방법도 개발되어 사용되고 있다.

초음파를 이용한 정화기술은 비교적 일찍부터 제시되 어 왔다. 난분해성 액체물질에 초음파를 조사하여 발생 하는 케비테이션 (공동화현상)을 이용하여 미세기포가 내파되는 과정에서의 순간 압력, 전단력, 고온을 에너지 원으로 각종 오염물질의 물리, 화학적 변화 플럭 구조를 파괴하여 난분해 유기물의 분해를 유도하는 방법이다.

이와 같은 원리를 이용하여 주로 하수처리장의 난분해성 박테리아와 미생물 분해를 촉진하고, 또한 녹조 등의 해 수 및 담수의 오염물질 처리에 적용되어 왔다.

특히 최근에는 오염된 토양을 초음파로 정화하는 방법 이 호주 CSIRO 산업 물리연구소 연구진에 의해 개발되 었으며, DDT, PCB (폴리염화비페닐)로 오염된 토양에 물을 섞은 뒤 초음파를 이용해 오염물의 분자구조를 파 괴하는 방법을 통해 하루에 토양 250~500 kg의 오염된 모래를 오염물의 97%까지 처리 가능하다고 제시했다.

일반적으로 초음파는 가청주파수인 20 kHz 이상의 음 파를 칭하는 것으로 수질정화 등의 정화기술에 사용되는 주파수는 주로 28kHz 근처에서 사용되고 있다. 세정조 내에 초음파를 방사하여 진동에너지에 의해 정화를 촉진 하는 이 방법은 1985년 K. Freirk가 개발한 것으로, 발진 부분만 수중에 넣은 상태에서 초음파를 발생시키는 방법 을 이용하였다. 이후 구동부 일체형 트랜스듀서 (=변환 기)가 1993년 M. Walter에 의해 개발되어 세정 튜브의 공 간제약을 받지 않고 원하는 주파수대역의 초음파를 발생 시킬 수 있도록 하였다.

초음파를 이용한 정화기술은 국내에서도 비교적 일찍 부터 제시되어 왔다. 폐수처리장용 난분해성 액체물질에 초음파를 조사하여 분해를 돕는 연구 외에도, 초음파, 오 존, 고주파, 자외선 병용에 의한 폐수정화 방법, 해수의 적 조생물을 파괴시키는 방법, 토양에 초음파를 이용하여 오염물질의 분해를 돕는 방법 등이 개발되어 있다. 한국 해양연구원, 한국기계연구원, 한국생명공학연구원 등 연

Fig. 1. 초음파 분해 원리.

슬러지플럭

초음파 케비테이션 초음파 케비테이션

1단계 2단계

박테리아 고형물질 기타

구소와 대학 중심으로 초음파 정화기술이 연구되어 왔으 며, 동성이엔지(주), (주)에코젠, (주)울트라텍엘티디 등 기업체에서도 초음파 벌킹균 제거, 하수 슬러지 (=폐기물) 감량화 등의 용도에 초음파 정화기술을 확보하고 있다.

3. 수질 정화용 초음파 트랜스듀서 (=변환기)

초음파를 이용한 정화기술에서 가장 중요한 요소는 물 론 초음파의 발생장치에 있다. 크게 초음파를 발생시키 는 방법은 압전진동자 또는 자왜 진동자를 이용하여 전 기적 신호를 기계적 운동으로 변화하여 음파를 발생시킨 다. 압전식 초음파 정화에 사용되는 음향 트랜스듀서는 크게 tonpiltz형과 flextensional형으로 구분할 수 있다.

Tonpiltz형은 압전 세라믹 양쪽에 금속재질의 무게추

를 두어 진동을 발생시키는 방법으로 주로 초음파 세척 기, 융착기 등에 주로 사용되고 있으며 전달하고자 하는 매질의 케이스 외부에 부착하여 진동을 인가하는 방식을 사용하여 비교적 출력이 약한 문제가 있다. 이에 비하여

한 후 외곽에 금속판 재질 등의 하우징을 통해 진동자의 수직 운동을 하우징 부의 팽창운동으로 변환시켜 큰 출 력을 얻는 구조로 사용하는 주파수 대역에서 부피와 무 게는 크게 줄이면서 큰 부피 변위 진폭을 얻을 수 있을

뿐만 아니라, 잠긴 상태에서 모든 방향으로 음파를 발생 할 수 있기 때문에 고출력 수중 음향 변환기로 주로 사용 되고 있다. 그리고 flextensional형 변환기는 성능 면에서 도 기존의 tonpilz형 변환기에 비해 몇 배에 이르는 큰 진 폭 및 음압을 발생시키는 것으로 연구 결과가 나와 있고, 구조적인 특성상 안정성이 뛰어나 우수한 내구성을 가지 는 것으로 증명되어 장시간에 걸쳐 큰 출력을 필요로 하 는 곳에 가장 적합한 것으로 알려져 있다.

그간 flextensional 변환기에 대한 많은 연구가 수행되 어져 왔고, 다양한 설계법에 의해 다양한 공진 주파수를

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Fig. 2.

초음파 조사를 통한 음파 조사

Fig. 4. Tonpiltz형 압전진동자.

Fig. 5. Flextensional transducer.

가지는 여러 종류의 flextensional 변환기가 개발되어 사 용되고 있다. G. Brigham과 W. Lam 등은 수학적으로

회로 해석법으로 변환기를 해석하고자 하였으며,

Ring과 G. Wojcik 등은 다른 해석법에 비해 정확성이

월등히 뛰어난 유한요소 해석법으로 flextensional 변환 기를 해석하고 설계하였다.

일반적으로 flextensional 변환기는 사용하는 중심 주파수 대역의 파장에 비해 그 크기가 작기 때문에 무지향성 방사체로 볼 수 있으나, S.

C. Butler등은 압전 세라믹에 인가되는 전압의 위상을 제

어하여 지향성을 가지는 flextensional 변환기 개발에 대 한 연구를 진행하기도 하였다.

수질 정화 응용과 같이 낮은 중심 주파수를 가지는 수 중 음향 변환기를 사용할 경우, 잡음은 줄어들며 탐지 범 위도 넓어지지만, 효율성은 저하되는 문제가 있다. 탐지 범위와 음향 변환기의 효율은 각각의 사용 환경에 따라 다르게 요구되고 따라서 사용 환경에 알맞은 중심 주파 수를 가지는 음향 변환기의 설계가 매우 중요하다.

일반적으로 flextensional 변환기의 공진 주파수는 쉘 의 3가지 진동모드, 즉 제1 flextensional 진동모드, 제2

층 진동자의 두께 진동모드의 결합으로 이루어진다. 선 행 연구결과들에 의하면 먼저 쉘의 제1, 2 flextensional 진동모드의 공진 주파수는 쉘을 두 개의 수직 bar가 결합 한 것으로 단순화하여 가정했을 때 식 (1)로 표현될 수 있다.

단, 식 (1)은 쉘 내부의 세라믹 적층 진동자 등의 영향

은 모두 무시하고 내부가 비어있는 쉘만의 특성을 본 것 이다. 다음으로 쉘의 breathing 진동모드의 공진 주파수

는 원주와 파장이 같을 때 나타나는 것으로 식 (2)로 표 현된다.

변수는 위의 (1)식과 동일하다. 세라믹 적층 진동자의

두께 진동모드 공진 주파수는 식 (3)으로 표현되어진다.

그러나 위의 (1), (2), (3)식은 쉘과 세라믹 적층 진동자

각각에 대해서는 적용될 수 있으나, 쉘과 세라믹 적층이 결합한 상태인 복합 구조를 가지는 flextensional 변환기 에 대해서는 다른 변수들의 영향을 고려하지 못하므로 경향성은 파악할 수 있으나, 정확한 주파수를 계산하기 는 불가능하다.

여러 설계 변수들에 따른 공진 주파수 변화 경향성 등 의 자료를 토대로 Class I flextensional 변환기를 제작하 였으며, End plate, 쉘은 SUS304 재질을 이용하여 제작하 였고, 볼트 및 너트는 일반 steel 재료를 이용하였다. 제 작된 변환기를 Fig. 8에 나타내었고, 실제 변환기의 임피 던스 특성을 Fig. 9에 나타내었다.

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초음파를 이용한 수질정화 기술

Fig. 6. flextensional

초음파 변환기의 제

진동모드.

4. 초음파를 이용한 TCE 제거 효과

본 실험에서는 TCE의 초음파 조사에 의한 제거효율을 확인하고자 아래 Fig. 10과 같은 밀폐형 반응조를 제작 하였다. 직경 250 mm, 높이 400 mm의 반응조 및 항온

조를 구성하고 온도조절 유무 및 시간에 따른 초음파 조 사에 의한 제거도를 평가하였다.

초음파 조사에 의한 수중의 TCE 제거율은 반응시간이 경과함에 따라 점차 높아지는 경향을 나타내었으며, 초 기농도가 높을수록 제거율도 높아짐을 알 수 있었다. 또 한, 온도조절에 따른 제거율 변화도 보였는데, 온도조절

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Fig. 7.

초음파 변환기 시제품의 방사특성

Fig. 8.

수질 정화용

Fig. 9.

시제품의 임피던스 특성

Fig. 10. TCE

제거도 평가 장치 셋업.

Fig. 11. TCE

초기농도별 제거율 비교.

을 하지 않은 경우, 초음파 조사에 의해 수온이 상승하여, 온도를 일정하게 한 경우에 비해 대기중으로 휘발하는 분율이 높아 제거율이 높아진 것으로 판단된다. 이는 반 응조가 개방형으로 되어 있는 것에 기인하는 것으로 사 료된다.

한편, 제거율 수치를 보면, 초기농도의 80%를 제거하 는 데는 온도조절을 하지 않은 경우, 초기농도 50 ppm에 서 약 160분, 초기농도 100 ppm에서는 65분 정도가 소 요되었다. 반면, 온도조절을 한 경우에는, 초기농도 50

소요된 것으로 나타났다.

이상의 결과로부터 초기농도가 낮을수록, 온도를 일정 하게 유지할수록 일정제거율에 도달하는데 소요되는 시 간이 길어지는 것으로 나타났으며, 제거율 증가속도도 비교적 완만하게 나타나 비교적 장시간이 소요되었는데, 이는 반응조의 형태와 초음파 형식 및 출력과 상관이 있 으므로, 향후 반응조 설계에 있어서 초음파 진동자의 물 리적 특성과 아울러 반응조의 형태에 대한 검토가 필요 할 것으로 사료된다.

5. 결언

최근 녹조, 적조 등 환경, 보건 관련된 수질개선에 대 한 요구가 급증하고 있다. 물론 현재까지 개발 및 적용된 다양한 제거 방법들이 활발하게 적용되고 있으나, 보다 더 효율적이고 대량 정화가 가능한 신기술에 대한 요구 는 더욱더 높아져 가고 있다.

본 기고에서는 그 중 하나의 대안이 될 수 있는 초음파 를 이용한 수질 정화 기술에 대한 초음파 트랜스듀서에 대한 기술을 간략히 소개하였으며, 이를 이용하여 발암 물질로 최근 이슈가 되고 있는 난분해 유해물질인 TCE를 선정하여 초음파 조사에 의한 제거 효과를 확인하였다.

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CERAMIST

초음파를 이용한 수질정화 기술

이 영 진

1995년 경북대학교 전자공학과 공학사 2001년 경북대학교 센서공학과 공학박사 2001년 대구과학대학 정보전자통신계열 전임강사 2003년 ㈜삼성전기 전자소자사업부 책임연구원 2005년-현재 한국세라믹기술원 전자소재 모듈팀

책임연구원