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연소에 의한 분진의 형성과 성장 전개 : 예혼합화염에서 생성된 단성분 에어로솔의 거동
장혁상 嶺南大學校 環境問題硏究所 1995 環境硏究 Vol.14 No.2
연소과정에 의해 형성되는 입자상 물질의 성장과정에 대해 연구하였다. 응핵(Nucleation) 및 응집(Coagulation)작용이 입자상 물질의 거동에 영향을 주는 주요인자로 작용되는 고온의 산화반응 분위기에서 형성된 단성분 입자상 물질의 성장 전개과정을 Lognormal 입자분포 모델을 기초로 구성하여 이론적인 추정을 시행하였다. 실험적으로는 과잉공기상태의 메탄-공기 예혼합 화염대(flame front)에 사염화규소(SiCl₄)를 통과시킴으로서 미소한 산화규소(SiO₂)입자를 생성하게 하여 연소과정으로 부터 발생되는 입자상 물질을 모사(Simulation)하였고 화염대 부근에서 발생되어 후류로 전달되어가는 입자상 물질의 전개과정에 대해 실험 및 이론적 추정을 시행하였다. 제한된 조건반응에서 입자상 물질의 전개과정에 대한 이론적 추정 결과는 실험적 측정결과와 잘 일치한다. A study on the formation and growth of the aerosol generated in the flame was carried out. A lognormal aerosol model which accounts for the formation and growth of the single component aerosol in hot gas is developed and used to predict the aerosol behavior in flame, where the aerosol phenomena such as nucleation and coagultion are considered as major contributors to the aerosol dynamics. With the controlled experiments, the model is tested. The formation of silica(SiO₂) particles by the oxidation of the silicon tetreachloride (SiCl₄) across the premixed flame front under the air rich condition simulated the particle generation in a combustion process. The results of experimental determination have good agreements with those of the model prediction.
장혁상,이정우,장한권 한국화학공학회 2001 Korean Chemical Engineering Research(HWAHAK KONGHA Vol.39 No.5
본 연구에서는 예혼합 평면 화염 에어로졸 반응기를 이용하여 응집체의 형상전개에 관한 실험적 연구가 수행되었다. SiCl₄및 TiCl₄를 주어진 화염온도에서 각 물질의 화학반응속도 차이를 이용하여 확산제한적인 경우와 반응제한적인 경우에 대해 SiO₂및 TiO₂입자의 형상전개과정을 이해하는 것이 본 연구의 목적이다. 입자형상 관찰 및 측정을 위해 열영동채취법을 이용한 전자현미경 관찰 및 광산란 측정법이 사용되었다. 주어진 반응기 내 온도에서 반응초기 이외는 반응속도 상수가 매우 낮은 SiCl₄의 경우, 전자현미경을 이용해 반응기내 위치에 따라 SiO₂응집체 형성과정을 관찰함으로써 확산응집이 응집체 형성의 주요 기작으로 작용됨을 확인했다. 반면 반응후기까지 반응속도 상수가 높게 유지되는 TiCl₄의 경우 TiO₂응집체 형성에 있어서 반응제한적 입자성장에 해당됨을 확인했다. 광산란 실험결과 SiO₂및 TiO₂ 응집체의 프랙탈 차원은 1.23-1.84, 2.81-2.94로 각각 측정되었는데 이는 현미경 사진 결과와 일치한다. 본 연구에서 제조된 TiO₂ 입자의 광촉매로서의 활용가능성을 조사하기 위해 XRD분석을 수행한 결과, 광화학적 활성이 높은 anatase 성분이 주성분임이 측정되었다. Using a premixed flat flame aerosol reactor, the experimental study on the morphological evolution of the aggregates was done. With the objectives to understand the morphological process of SiO₂ and TiO₂ particle that matches to the cases of the reaction-limited aggregation process and the diffusion-limited aggregation process respectively, the difference in chemical reaction rate of SiCl₄ and TiCl₄ was utilized under given flame temperatures. To evaluate the morphological evolution of the aggregates, the light scattering measurement and electron microscopy coupled with thermophoretic sampling method were used. In the case of SiCl₄ oxidation that produces SiO₂particles, the microscopic observation obtained with respect to the axial position in the reactor showed that the diffusion-limited aggregation was the dominant mechanism in the aggregation process because that the very low reaction rates was maintained excepted the earlier reaction stage in the given reactor temperature profile. In the case of TiCl₄ that maintains the higher reaction rate during the later reaction stage, it was observed that the reaction-limited aggregation process is the main mechanism on the aggregation. According to the results of the light scattering measurements, the fractal dimension of SiO₂ and TiO₂ aggregates was 1.23-1.84 and 2.81-2.94 respectively, and those results are corresponds with the photometric measurement. To observe applicability of TiO₂ particles as photocatalyst, XRD analysis was conducted. TiO₂ particles were generated in our study consisted of anatase mainly that has high photochemical activity.