초기 강우에 의한 대기 중 입자상 물질의 크기별 제거 효율

강경구,곽경환 한국기상학회 2021 한국기상학회 학술대회 논문집 Vol.2021 No.10

대기 중 입자상 물질은 주로 건식침적과 습식침적을 통해 제거된다. 습식침적은 건식침적보다 짧은 시간에 많은 양의 입자상 물질을 제거하는 과정이다. washout은 강우 입자가 대기 중에 떠다니는 입자상 물질과 충돌하여 제거되는 과정으로 강우 강도, 물방울의 입경과 상관관계를 가지며 대기 중 입자상 물질의 크기에 따라 제거되는 방식이나 효율이 다르다. 따라서 본 연구에서는 2018년 11월부터 2021년 6월까지 강원도 춘천시 강원대학교에서 Optical Particle Counter(Grimm model 1.109)와 Scanning Mobility Particle Sizer(TSI 3910 nanoscan SMPS), 자동 기상관측 장비(AWS)의 강우량계(RG3-M, Onset Computer)를 동일한 지점에 설치하여 강우와 입자상 물질의 크기분포를 함께 측정하였다. OPC와 SMPS를 이용한 측정은 강우 예보 최소 6시간 전부터 강우 전후를 포함하는 시간 동안 1분 간격으로 수행하였다. 분석에 사용한 강우 사례는 강우량이 0.1 mm 이상, 강우 지속시간이 3시간 이상을 기준으로 선정하였으며, 강우가 종료된 후 6시간이 지난 뒤 발생하는 강우는 별도의 사례로 구분하였다. 강우 강도는 강우 시작 이후 5시간까지 평균한 시간당 강우량을 기준으로 강한 강우와 약한 강우를 구분하였다. PM2.5 질량 농도 감소율과 강우 지속시간, 누적 강우량 간의 회귀분석을 통해 질량 농도감소는 강우 지속시간과 더 상관성이 높은 것을 확인하였고, PM2.5 질량 농도의 50%가 감소하기 위한 조건은 강우 지속시간이 5시간 이상, 누적 강우량이 8.5 mm 이상임을 확인하였다. 이에 따라 강우 초기 시간의 기준을 강우 시작 이후 5시간까지로 정하였다. 입자 크기에 따른 세정 효율 분석에서 coarse mode (Dp > 2 μm) 입자는 강한 강우에서 입자의 크기가 클수록 크게 감소하였고, accumulation mode (Dp ~ 0.1-1 μm) 입자는 약한 강우에서도 감소하는 것을 확인하였다. Aitken mode (Dp < 0.1 μm)의 입자 수농도는 약한 강우가 시작되면서 일시적으로 증가하는 경향도 확인하였다. 분석 결과를 바탕으로 초기 강우에서 강우 강도별 입자의 크기에 따른 입자 제거 효율을 산정하여 제시하였다.

구름 입자 크기 관측 정확도 향상을 위한 Cloud Particle Imager 보정 연구

박성민,엄준식,Paul Connolly,Greg M. McFarquhar,정희정 한국기상학회 2021 한국기상학회 학술대회 논문집 Vol.2021 No.10

구름의 물리적 특성과 복사적 특성을 이해하기 위해서는 구름 입자 크기 분포(particle size distributions, PSDs)의 이해가 필수적이다. Cloud Particle Imager (CPI) 관측기기는 높은 해상도(2.3μm)의 구름입자 이미지를 제공하는 장점이 있으나, CPI 관측 자료로부터 정확한 PSDs의 도출을 위해서는 일렬의 후처리 보정 작업이 필요하다. 선행연구에서는 통계적으로 유의미한 장시간 관측과 함께 실험실에서 도출한 보정계수를 적용하는 후처리 작업을 거치면 CPI의 PSDs를 보다 정확하게 보정할 수 있음을 제시하였다. CPI에서 관측한 입자 크기와 피사계 심도(depth of field)를 보정하기 위한 선행연구는 Fresnel-Kirchhoff 회절개념을 사용하였다. 또한, 샘플 볼륨 내 입자 위치가 관측되는 입자 크기에 영향을 줄 수 있음을 제시하였다. 그러나 기존 선행연구에서 사용한 방법은 다양한 CPI 버전 중 1.0을 기준으로 개발되어 광학적 특성이 다른 버전의 CPI에 적용할 수 없는 한계점이 존재한다. 본 연구는 광학적 특성이 다른 세 가지 버전(1.0, 1.5, 2.0)의 CPI 관측결과를 보정하는 방법을 개발하였다. 크기를 알고 있는 구형의 유리구슬(glass bead)과 비구형 빙정 모형(ice analogue)을 CPI 샘플볼륨 내 다양한 위치에서의 반복 관측 실험을 통해 샘플 볼륨 내에서 입자의 위치를 변화에 따른 초점(focus), 입자의 크기, 배경 강도, 진원도(roundness)를 측정하였으며, 이를 이용하여 두 가지 경험식과 각 CPI 버전에 적합한 보정 계수를 도출하였다. 보정된 입자의 크기는 실제 입자 모형의 크기와 비교하여 정확도를 확인하였다. 본 연구에서 개발된 경험식과 보정 계수를 사용하여 Small Particle in Cirrus (SPARTICUS) 캠페인에서 항공기에 장착된 CPI의 개별 구름 입자 크기와 PSDs를 보정하였으며, 다른 관측 기기 자료와 비교하여 새로 개발된 보정 방법이 실제 구름입자의 PSDs에 미치는 영향에 대하여 분석하였다. 본 연구 결과는 현재 기상과학원에 건설 중인 구름물리실험챔버에 장착될 CPI의 관측결과에 적용될 예정이다.

에어로졸 역학-CFD 결합 모형을 이용한 도로변 연소·응축·마모·비산 입자의 확산 및 변환 모의

곽경환,이현호,김연욱,강경구,최원식,이석환,우상희,김창혁,이승복 한국기상학회 2021 한국기상학회 학술대회 논문집 Vol.2021 No.10

본 연구는 자동차 미세먼지의 배출원별 도로변 이격거리에 따른 확산 및 변환 과정을 현실적으로 모의하기 위하여 에어로졸 역학 모형을 결합한 전산 유체 역학(CFD) 모형을 개발하였다. 에어로졸 역학 모형은 sectional 방식을 사용하여 가스상 물질의 응축 과정과 입자들 간의 충돌·병합 과정이 반영된 에어로졸 크기 분포를 모의한다. 자동차의 연소 입자, 응축성 입자, 마모 입자, 비산 입자를 구분하는 입자 배출 모듈을 구성하여 도로이동오염원의 배출량을 산정하고 모형에 입력하였다. 차종별 입자 배출량 산정에는 현장 실측 및 실험실 측정에 기반한 배출 계수와 연료별 배출 입자 크기 분포를 활용하였다. 도로로부터 배출되는 입자의 이격거리에 따른 확산 및 변환을 모의하기 위해 5 nm - 10 μm 범위의 입자 크기에 해당하는 15개 bin을 설정하였다. 모의 대상 기간 및 지역은 2020년 5월 25-28일 경부고속도로 안성IC-북천안IC 구간 중 안성천교 부근이다. 도로 풍하측 인접 지점에서는 20-30 nm 입자 수농도가 가장 높은 반면, 도로로부터 풍하측으로 이격거리가 증가함에 따라 배경 대기와의 혼합 및 배출 입자의 성장 과정에 의해 주로 60-100 nm 입자 수농도가 가장 높은 형태로 변화하였다. 모의한 이격거리별 입자 크기 분포는 현장에서 관측한 입자 크기 분포와 비교함으로써 모의 결과의 정확도를 검증하였다. 지속적인 연구를 통해 개발한 모형의 불확실성을 파악하고 배출원별 입자 배출량 등 정확한 입력 자료를 구축하여 점차 모의 정확도를 개선할 계획이다.

입자 분포를 고려한 고체 로켓의 연소 불안정 예측

주성민(Seongmin Joo),김준성(Junseong Kim),문희장(Heejang Moon),이도형(Dohyung Lee) 한국추진공학회 2014 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2014 No.12

본 논문은 고체 로켓 모터의 연소 불안정 예측을 위한 연구로서 입자를 포함한 추진제 연소시 발생하는 응축된 입자의 크기 분포가 음향 감쇠 효과에 미치는 영향에 관하여 단일 입자 크기 분포를 가정한 경우와 비교/해석하였다. 입자 분포도를 고려한 입자 감쇠는 다양한 크기의 입자를 고려하였기 때문에 단일 크기 분포를 고려한 경우에 비해 비교적 완만한 곡선의 주파수별 입자 감쇠를 보임을 확인하였다. This paper represents the acoustic damping effect due to the condensed particle size distribution, which occurred during the firing of the solid propellant contained the particulate matter, comparing with a single particle size distribution case. It is found that calculation of particle damping with size distribution has a more gentle curve than single size distribution due to the consideration of a wide range of particle size.

입자 크기 분포가 금 콜로이드의 광학성질에 미치는 영향에 대한 이론 연구

김효정,장준경,Kim, Hyo-Jeong,Saha Leton Chandra,Jang, Joon-Kyung 대한화학회 2007 대한화학회지 Vol.51 No.5

크기 분포를 가진 금 나노 입자 콜로이드의 소광 스펙트럼을 미 이론으로 계산하고 실험과 비교하였다. 입자 크기 분포를 고려한 계산이 크기 분포를 고려하지 않은 계산보다 실험과 더 가까움을 확인하였다. 최소 자승법을 이용하여 실험에서 얻은 소광 스펙트럼으로부터 입자 크기 분포를 이론적으로 도출하였다. 이렇게 얻은 입자 크기는 입자 지름이 10에서 28 나노미터인 경우 투과전자현미경 분석 결과와 잘 일치하였다. Mie theory has been used to calculate the extinction of a gold nanoparticle in water by varying its diameter from 1 to 1000 nm. Utilizing this size-dependent theoretical spectrum, we have calculated the extinction spectrum of a colloidal gold by taking into account the size distribution of particle. Such calculation is in better agreement with experiment than the calculation without considering the size distribution. A least-squares fitting is used to deduce the size distribution from an experimental extinction spectrum. For particles with their diameters ranging from 10 to 28 nanometers, the fitting gives reasonable agreement with the size distribution obtained from tunneling electron microscope images.

압축성 여재 여과를 이용한 하수의 고형물질 제거 타당성 연구

김예슬(Ye Seul Kim),정찬일(Chan Il Jung),오재일(Je Ill Oh),윤여민(Yeo Min Yoon) 大韓環境工學會 2014 대한환경공학회지 Vol.36 No.2

최근 미국과 일본을 중심으로 높은 공극과 압축성이라는 장점을 지닌 압축성 섬유여재 여과에 대한 다양한 기술이 개발되면서 이를 이용한 집약적 하·폐수 처리에 대한 관심이 높아지고 있다. 이에 따라 본 연구에서는 다양한 유입수질의 하수에 대하여 압축성 섬유여재 여과의 적용성을 검토하고자 하며, 해당 유입수에 대한 최적의 운전조건을 도출하고자 한다. 이를 위하여 예비 실험으로서 추적자 시험을 진행하였으며, 이를 통하여 다양한 압축률 및 여과 율에서의 여과 양상을 검토하였다. 그 결과 높은 압축률에서 높이에 따라 다른 공극률이 적용되어 이론적인 결과값과의 뚜렷한 차이를 관찰할 수 있었다. 하수처리장의 침사지 유출수를 대상으로 다양한 압축률 조건에서 압축성 섬유여재 여과의 TSS 제거 및 제거 입자크기분포를 살펴본 결과, 압축률 30%가 최적의 운전조건으로서 제거효율 70% 이상을 나타냈으며, 작은 크기의 입자 제거율 증대를 위해 최소 15% 이상의 압축률이 요구되었다. 또한 여과 유출수 농도의 주요 영향인자인 10 μm 이하 입자의 제거 효율을 증대시키기 위해서는 응집과 같은 추가 공정이 필요하다고 판단되었다. 모델링 결과를 통하여 압축률이 증가할수록 여과 초기에 입자크기에 따른 TSS 제거효율이 두드러지게 나타남을 관찰하였고, 유입수의 입자크기분포에서 가장 큰 비율을 차지하는 10 μm크기 입자를 대상으로 높이에 따른 모델링 결과 높이 150-300 mm 여재층이 해당 입자 크기에 대하여 가장 활발한 여과 작용을 나타내었다. Recently, as a variety of techniques of CMF (Compressed media filter) that has advantages of high porosity and compressibility have been developed in the U.S. and Japan. Therefore, the interest of intensive wastewater treatment using CMF has grown. This study examined the feasibility of CMF with varying sewage water quality to determine the optimum operating conditions. A preliminary tracer test that investigated the filtering process under various compression and flow rate conditions was performed. In a high compression condition, different porosities were applied to each depth of the column. Therefore, a distinct difference between a theoretical value and results of tracer test was observed. For the TSS (Total suspended solid) removal and particle size distribution of CMF for pre-treatment water under the various compression conditions, the compression ratio of 30percent as the optimal condition showed greater than 70% removal efficiency. In addition, the compression ratio of >15% was required to remove small-sized particles. Also, an additional process such as coagulation is necessary to increase the removal efficiency for<10 μm particles, since these small particles significantly influence the effluent concentration. Modeling results showed that as the compression rate was increased, TSS removal efficiency in accordance with each particle size in the initial filtration was noticeably observed. The modeling results according to the depth of column targeting 10 μm particles having the largest percentage in particle size distribution showed that 150-300 mm in filter media layer was the most active with respect to the filtering.

지형에 따른 강원지역의 강설입자 크기 분포 특성 분석

방원배,김권일,염대진,조수정,이청룡,이대형,예보영,이규원 한국지구과학회 2019 한국지구과학회지 Vol.40 No.3

Heavy snowfall events frequently occur in the Gangwon province, and the snowfall amount significantly varies in space due to the complex terrain and topographical modulation of precipitation. Understanding the spatial characteristics of heavy snowfall and its prediction is particularly challenging during snowfall events in the easterly winds. The easterly wind produces a significantly different atmospheric condition. Hence, it brings different precipitation characteristics. In this study, we have investigated the microphysical characteristics of snowfall in the windward and leeward sides of the Taebaek mountain range in the easterly condition. The two snowfall events are selected in the easterly, and the snow particles size distributions (SSD) are observed in the four sites (two windward and two leeward sites) by the PARSIVEL distrometers. We compared the characteristic parameters of SSDs that come from leeward sites to that of windward sites. The results show that SSDs of windward sites have a relatively wide distribution with many small snow particles compared to those of leeward sites. This characteristic is clearly shown by the larger characteristic number concentration and characteristic diameter in the windward sites. Snowfall rate and ice water content of windward also are larger than those of leeward sites. The results indicate that a new generation of snowfall particles is dominant in the windward sites which is likely due to the orographic lifting. In addition, the windward sites show heavy aggregation particles by nearby zero ground temperature that is likely driven by the wet and warm condition near the ocean. 강원지역은 우리나라의 다설지로서 복잡한 지형 때문에 강설량의 공간변동성이 크다. 특히 동풍조건에서 강설이 발생할 시 강설량의 공간적 변동을 예측하기 어렵다. 동풍조건에서는 강원지역 내 위치에 따라 대기환경조건이 다르며 이는 강설의 특성에도 영향을 줄 수 있다. 본 연구에서는 동풍 조건에서 태백산맥의 풍상측과 풍하측에서 강설의 미세 물리적 특성을 서로 비교 분석하였다. 강원지역 내 4개 관측지점을 선정하여 파시벨 수적계로 입자크기분포를 관측하였다. 얻어진 강설입자 크기 분포의 특성을 풍상측과 풍하측간 비교한 결과, 풍상측의 강설입자 크기 분포는 풍하측에 비해 넓은 분포를 가졌고 작은 강설입자의 수도 많았다. 강설입자의 수농도에 비례하는 보편특성수농도와 강설입자의 직경에 비례하는 보편특성직경 둘 다 풍상측에서 상대적으로 큰 값을 보였다. 또한, 얼음수함량과 강설강도 비교에서도 풍상측 지점에서 큰 평균값을 가졌다. 이 결과가 나타난 원인은 태백산맥 산사면에서 공기덩어리의 강제적 상승효과로 풍상측 지점 상공에 새로운 강설입자의 생성이 활발했기 때문으로 추정된다. 또한, 풍상측은 따뜻하고 습한 동풍이 불어오므로 이로 인해 지상기온이 0°C 근처에 머무르며 강한 부착과정이 일어나기 좋은 조건이다.

PCB로 오염된 연안 퇴적물 입자의 침강 및 연직확산 모델연구

이두곤 한국교원대학교 환경과학연구소 1998 환경연구논문집 Vol.- No.4

본 연구는 수중에서 PCB로 오염된 연안퇴적물 입자의 입자크기분포의 변화를 시뮬레이션 할 수 있는 수치모델을 제시한다. 이 모델은 입자의 침강과 연직확산과 함께 응집 현상을 포함하며 공간적으로는 연직방향으로 일차원 모델이다. 연직방향 메커니즘에 대한 고려는 퇴적물 입자의 수중 체류시간을 계산하기 위함이다. 본 연구에서 모델을 개발 제시함과 아울러 실제 미국의 한 사례지역에서의 PCB로 오염된 연안퇴적물의 입자크기분포를 사용하여 모델의 시뮬레이션 결과를 제시하였다. 이 결과 모의시간인 48시간 내에 퇴적물 입자크기 변화가 상당히 진행되며 수중에서 입자크기별로 입자가 다르게 제거됨과 이 과장에서 응집이 중요한 요인이 될 수 있음을 보이고 있다. 본 연구에서 개발 제시된 모델은 준설 등 환경정화사업과 관련 불가피하게 수반될 수 있는 오염퇴적물의 재부유로 인한 오염확산범위를 평가하는데 유용하게 이용될 수 있다. This study presents a numerical model that can simulate change of particle size distribution (PSD) of PCB-contaminated coastal sediments. The developed model has one spatial dimension including sedimentation and vertical dipersion as well as coagulation. The reason for considering the vertical transport mechanisms is to calculate residence time of the particles. Using the model and initial PSD data based on actual coastal sediments contaminated with PCBs, this study shows results of model simulation. Within 48 hours of the simulation time, the PSD changed significantly and the particles were removed from water in different rates between different particle sizes. It also shows that coagulation can act an important role in this process. The model may be useful in assessing the range of resuspended sediments that can pollute neighboring area during environmental remediation projects such as dredging.

준강자성 ZnFe$_2$O$_4$ 나노입자의 자기 이방성 상수의 온도 의존성

윤성현 한국물리학회 2017 새물리 Vol.67 No.4

The temperature dependence of the effective magnetic anisotropy constant of ferrimagnetic ZnFe$_2$O$_4$ nanoparticles was studied based on vibrating sample magnetometer (VSM) and superconducting quantum interference device (SQUID) magnetometry measurements. The dependence of the blocking temperature $T_B$ on the particle radius $r$ was first calculated by combining the particle-size distribution and the anisotropy energy-barrier distribution obtained from the hysteresis curve and the magnetic thermal decay curve, respectively. Finally, the magnetic anisotropy constant at a specific temperature was computed from the $r-T_B$ graph by using the Néel-Arrhenius relation. The resultant effective magnetic anisotropy constant increased monotonically with decreasing temperature from 0.2$\times$10$^4$ (J/m$^3$) at 60 K to 11.3$\times$10$^4$ (J/m$^3$) at 4.2 K. 준강자성 ZnFe$_2$O$_4$ 나노입자의 VSM 및 SQUID 측정 결과를 바탕으로 유효 자기이방성 상수의 온도의존성을 구하였다. 이를 위하여 나노입자의 크기분포 함수와 이방성 에너지장벽의 분포 함수를 구하고 이로부터 자기 이방상수의 온도 의존성을 구하는 방법을 소개한다. 나노입자의 크기분포 함수는 자기이력 곡선을 분석하여 구하였고, 자기 이방 에너지 장벽의 분포는 열자기 감쇄곡선을 분석하여 구하였다. 이를 바탕으로 입자의 크기와 blocking 온도의 관계를 구하고 Néel-Arrhenius 방정식으로부터 자기 이방상수 $K$를 온도의 함수로 구하였다. 자기 이방상수는 4.2 K에서 60 K에 이르는 동안 11.3$\times$10$^4$ (J/m$^3$)에서 0.2$\times$10$^4$ (J/m$^3$)으로 빠르게 감소하는 것으로 나타났다.

오리멀젼 연소시 발생하는 백연의 연기거리 전산모사

곽병규(Byoung Kyu Kwak),김종호(Jong Ho Kim),주지봉(Ji Bong Joo),이정진(Jeongjin Lee),김진수(Jinsoo Kim),김영훈(Younghun Kim),이종협(Jongheop Yi) 한국청정기술학회 2008 청정기술 Vol.14 No.2