나노버블의 생성 및 응용에 관한 연구

국문 초록 (Abstract)

나노버블은 긴 수명, 넓은 비표면적, 다양한 응용 분야와 같은 장점들로 인해 큰 관심을 받아 왔으나 작은 개체수, 낮은 잡음비, 불분명한 안정화 메커니즘과 같은 문제의 해결이 요구되고 있다. 따라서 본 연구에서는 고농도 나노버블 용액이 생성가능한 생성 기법을 개발하고 기법들 간의 우위를 평가했으며, 이를 통해 언급한 문제들을 해결했다. 감압, 캐비테이션, 기-액 혼합을 이용한 나노버블 생성 기법을 개발했으며, 이들 기법은 증류수 내에 직경이 200 nm이하인 버블의 개체수가 2.0~10.0 ×10^8 particles/ml인 나노버블 용액을 생성하는데 유효함을 확인했다. 그러나 증류수와 연료 내에 나노버블이 생성 가능하고, 생성된 버블의 안정성이 가장 뛰어난 생성 기법은 감압 기법 (나노버블 수: 최소 7 일, 나노버블 혼합 가솔린: 최소 121 일)인 것으로 나타났다. 한편 기-액 혼합 기법의 경우, 가장 빠른 속도로 나노버블을 생성할 수 있지만 생성된 버블의 안정성이 감압 기법에 비해 상대적으로 떨어졌다. 이와 같은 나노버블의 뛰어난 안정성은 음전하로 대전된 표면 (초기 제타 전위: -24.01~-30.51 mV)에 의해 버블간 충돌 및 융합이 억제되는 것에 기인한다. 이에 더하여, 감압 기법을 통해 생성된 증류수 내 나노버블의 열적 안정성을 조사했다. 가열 실험을 통해 일단 생성된 나노버블은 쉽게 사라지지 않음 (최소 약 0.2 ×10^8 particles/ml)을 확인했으며, 나노버블의 안정성은 버블 주변의 용존 기체 농도에 의존하지만 과포화된 용액은 나노버블 생성에 필요한 전제조건이 아님을 확인했다. 마지막으로 나노버블의 공학적 유용성을 조사하기 위해 나노버블 혼합 배양 배지 및 연료를 제조하고 이를 이용한 세포 배양 및 연소 시험을 수행했다. 나노버블 혼합 배양 배지를 이용해 섬유아 세포와 조골 세포를 배양했으며, 이를 통해 나노버블이 혼합될 경우 (5~20 %), 세포 증식률이 향상됨 (36.97~111.78 %)을 확인했다. 이와 같은 증식률 향상은 나노버블 혼합 배양 배지에 증류수가 함유되어 있음에도 불구하고 나타났으며, 이를 통해 나노버블 혼합 배양 배지를 이용함으로써 배지 구성 성분 (예: 혈청)의 사용량을 줄일 수 있음을 알 수 있다. 또한 나노버블 혼합 가솔린을 생성하고 물성 측정, 연소 시험 (엔진 회전 속도: 2000 rpm, 엔진 부하: 40~80 %), 성분 분석을 수행했다. 이를 통해 나노버블 혼합 가솔린 생성 공정은 가솔린의 물성을 거의 변화시키지 않으며, 연료의 제동 출력 (0.7~4.0 % 증가)과 연료 소비율 (2.5~7.4 % 감소)이 향상시킴을 확인했다. 또한 나노버블 혼합 가솔린의 기체 크로마토그래피/질량 분석 결과로부터 가솔린의 화학적 조성이 변화되었음을 확인했다. 따라서 연소 특성의 향상은 수소 기체와 나노버블 또는 나노버블 생성 공정에 의해 변화된 가솔린의 화학적 구성에 기인함을 알 수 있다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Nanobubbles have drawn great attention due to their long lifespan, large specific surface area, various applications in many fields, however, there are still unsolved problems such as small population number, low signal to noise (SN) ratio, and ambiguous stability mechanism. Thus, in this study, nanobubble generation methods which can fabricate high concentration nanobubble solution were developed and evaluated on their performance to solve the problems mentioned above. Decompression, Cavitation, Gas-liquid mixing type nanobubble fabrication method were developed, and results showed that these methods are effective to generate nanobubbles that are smaller than 200 nm in diameter and 2.0~10.0 ×10^8 particles/ml in concentration. However, Decompression type method is the only method which can generate nanobubbles in both DI water and fuel. In addition, the stability of bubbles fabricated through Decompression type method showed a remakable difference (Nanobubble water: 7 days at least, Nanobubble gasoline blend: 121 days at least). Meanwhile, Gas-liquid mixing type method is the most rapid method to fabricate nanobubbles, however, nanobubble stability is not as good as those fabricated through Decompression type method. Such an excellent stability of naobubbles is due to negatively charged surface (initial ζ-potential: -24.01~-30.51 mV) which suppresses the bubble collision and coalescence. Moreover, thermal stability of nanobubbles fabricated through Decompression type method was investigated. The heating experiment showed that nanobubbles, once formed, do not disappear easily (about 0.2 ×10^8 particles/ml at least), and although their stability depends on dissolved gas concentration, the supersaturated solution is not a prerequisite for nanobubble formation. Lastly, to investigate the utility of nanobubble solution in engineering field, nanobubble blended culture medium and fuel were fabricated and then cell culture and engine test were performed. Fibroblasts and osteoblasts were cultured, and obtained results showed that mixed nanobubble water in culture medium (5~20 %) improves the cell proliferation (36.97~111.78 %). This improvement was obtained despite the presence of the DI water in nanobubble blended culture medium, and this means that nanobubble blended culture medium could be applied to reduce the amount of ingredient (ex: serum) usage in culture medium. Also, fabrication of nanobubble blended gasoline, measurement of its properties, engine test (engine speed: 2000 rpm, engine load: 40~80 %), and component analysis were performed. Obtained results showed that the nanobubbling process in gasoline does not make significant change of the gasoline properties, but improves the brake power (0.7~4.0 % increase) and fuel consumption (2.5~7.4 % decrease). In addition, gas chromatography/mass spectrum revealed that the chemical composition of the gasoline was changed during the nanobubble generation, specifically by means of replacement reactions of functional groups. Therefore, it is sure that improvements in combustion characteristics comes from hydrogen gas in gasoline and changed chemical composition of gasoline due to nanobubble or nanobubbling process.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서론 1
• 1.1 연구 배경 및 목적 1
• 1.2 연구 동향 10
• 1.2.1 나노버블 생성 기법 10
• 1.2.2 세포 배양 배지 16
• 1.2.3 친환경 연료 18
• 1.3 연구 내용 및 방법 21
• 제 2 장 나노버블 생성 기법 25
• 2.1 서론 25
• 2.2 실험 방법 26
• 2.2.1 실험 재료 26
• 2.2.2 입도 분석 26
• 2.3 감압을 이용한 나노버블 생성 30
• 2.3.1 정의 30
• 2.3.2 나노버블 생성 원리 30
• 2.3.3 나노버블 생성 결과 34
• 2.4 캐비테이션을 이용한 나노버블 생성 38
• 2.4.1 정의 38
• 2.4.2 나노버블 생성 원리 38
• 2.4.3 나노버블 생성 결과 42
• 2.5 기-액 혼합을 이용한 나노버블 생성 46
• 2.5.1 정의 46
• 2.5.2 나노버블 생성 원리 46
• 2.5.3 나노버블 생성 결과 52
• 2.6 요약 55
• 제 3 장 나노버블의 생성 및 안정성 58
• 3.1 서론 58
• 3.2 실험 방법 59
• 3.2.1 실험 재료 59
• 3.2.2 나노버블 생성 59
• 3.2.3 입도 분석 60
• 3.2.4 제타전위 측정 60
• 3.3 결과 및 고찰 66
• 3.3.1 나노버블 생성 66
• 3.3.2 나노버블의 안정성 76
• 3.4 요약 97
• 제 4 장 나노버블의 열적 안정성 101
• 4.1 서론 101
• 4.2 실험 방법 102
• 4.2.1 실험 재료 102
• 4.2.2 증류수 내 나노버블 생성 102
• 4.2.3 입도 분석 103
• 4.2.4 용존 산소 농도 측정 103
• 4.2.5 가열 실험 104
• 4.3 결과 및 고찰 106
• 4.3.1 증류수 내 나노버블 생성 106
• 4.3.2 나노버블의 열적 안정성 106
• 4.3.3 나노버블의 핵생성 안정성 111
• 4.4 요약 123
• 제 5 장 나노버블 혼합 배양 배지 및 이를 이용한 세포 배양 126
• 5.1 서론 126
• 5.2 실험 방법 128
• 5.2.1 실험 재료 128
• 5.2.2 증류수 내 나노버블 생성 128
• 5.2.3 입도 분석 128
• 5.2.4 세포 배양 129
• 5.3 결과 및 고찰 131
• 5.3.1 증류수 내 나노버블 생성 131
• 5.3.2 세포 배양 133
• 5.4 요약 142
• 제 6 장 나노버블 혼합 연료 및 이를 이용한 연소 시험 144
• 6.1 서론 144
• 6.2 실험 방법 146
• 6.2.1 실험 재료 146
• 6.2.2 가솔린 내 나노버블 생성 146
• 6.2.3 입도 분석 146
• 6.2.4 엔진 시험 147
• 6.2.5 점도 및 표면 장력 측정 150
• 6.2.6 기체 크로마토그래피/질량 분석 151
• 6.3 결과 및 고찰 153
• 6.3.1 가솔린 내 나노버블 생성 153
• 6.3.2 나노버블 혼합 가솔린의 물성 155
• 6.3.3 엔진 시험 155
• 6.3.4 기체 크로마토그래피/질량 분석 161
• 6.4 요약 164
• 제 7 장 결론 167
• 참 고 문 헌 173
• [부록 1] 186
• 국 문 초 록 189
• ABSTRACT 191