국내산 석회석의 석회 제조 과정에서의 소성 특성에 관한 응용광물학적 연구

이현철 강원대학교 대학원 2009 국내석사

현재 국내에서 생석회 제조 용도로 사용되는 세립질 석회석을 대상으로 이들의 소성 특성을 규제하는 원광의 응용광물학적 세부 영향 요인들의 관여 정도를 평가함으로서, 생석회 제조 과정에서 원광 선택의 중요성을 고취시키고자 하였다. 이를 위해서 원광의 조성 및 조직적 특성과 동일한 가열처리 조건(온도: 1000℃, 시간: 30분, 2, 4, 10, 16 시간) 하에서 합성된 소성 산물들의 품질 특성을 체계적으로 분석 및 계측하고 그 결과를 비교.검토 하였다. 선정된 광석들은 모두 방해석 품위가 98 wt%를 상회하는 고품위 석회석이지만 결정도, 조직 및 불순물의 조성의 조성에 있어서 다소간의 차이를 나타낸다. 이 같은 원광 특성상의 차이에 따라 합성된 생석회는 다양한 품질 특성을 보인다. 이 연구에서는 중요한 원광 특성 인자인 원암의 결정 입도, 결정형상 및 조직에 관한 사항을 총체적으로 지시하는 형상계수와 경계 빈도수 논리와 방법론을 적용하여 석회석 원광과 합성된 생석회 간의 생성적 관계를 해석하였다. 일반적으로 광석의 결정 형상계수와 경계 빈도수의 증가는 생석회 제조 과정에서 높은 소성율과 낮은 소결 정도를 조장할 뿐만 아니라 분화율에 있어서도 긍정적인 효과를 보였다. 그렇지만 결정 형상계수와 경계 빈도수가 상대적으로 클 경우에는 쉽게 과소성 되기 때문에 고반응성 생석회를 제조하는 데에는 가열처리 시간을 최소화하는 공정상의 기술이 요구된다. 석회석이 산출되는 암층별로는 풍촌층 석회석이 상대적으로 매우 낮은 소성율을 나타내는 것이 특징이고, 갑산층과 정선층 석회석은 소성율과 분화율에 있어서 좋은 품질 특성을 보였다. 소성율과 소결 정도 및 분화율 등에 있어서 전반적으로 정선층에서 산출된 석회석이 고반응성 생석회의 원료로서 가장 적합한 것으로 평가되었다. 또한 소결 현상은 상대적으로 황철석 및 침철석과 같은 함철광물의 함량이 높은 갑산층 석회석에서 보다 두드러지게 나타나는 것이 특징이다. This study is aimed to emphasize the significance of ore selection in lime manufacturing through the evaluation of applied-mineralogical impact factors of crude ores controlling calcination characteristics for some domestic limestones used currently for lime manufacturing. To do this work, systematic characterization and determination were carried out for the limestone ores and their calcination products in a fixed calcining condition (target temperature: 1000℃, retention time: 30 minutes, 2, 4, 10, 16 hours), and the results were correlated and discussed. Selected high-Ca limestones in this study are as much as > 98 wt%, but they are somewhat diverse in crystallinity, texture, and impurity composition. Synthesized quicklimes are varied depending on such a difference in ore characters. Theory and methodology for shape factor and grain boundary frequency representing the whole factor of crystal size, crystal shape, and texture, were adopted in this study to elucidate the genetic relationship between limestone ore and its calcined equivalent. In general, an increase in crystal shape factor and grain boundary frequency obviously facilitates not only higher calcination rate and lower sintering effect but also good decrepitation in quality. However, a technical advance to minimize the retention time is necessary for manufacturing of highly-reactive quicklime, because higher crystal shape factor and grain boundary frequency may induce easily to the dead-burned state. The Pungchon limestone has relatively very low calcination rate, and the limestones from the Gabsan formation and the Jeongseon formation exhibit good quality in calcination rate and decrepitation. Among these samples, the limestone ore from the Jeongseon formation is evaluated to be best for crude ore in manufacturing of highly-reactive quicklime. In addition, it is characteristic that the Gabsan limestone comparative rich in Fe-bearing mineral such as pyrite and goethite is more conspicuous in sintering effect.

미세 입자 이동 발생 조건 및 영향에 관한 연구

표원미 고려대학교 대학원 2018 국내석사

해저 지반에서의 가스 하이드레이트 생산 시, 압력 변화로 인해 미세 입자 이동이 발생할 위험이 있다. 지반의 안정성과 가스 하이드레이트 생산성을 위하여 미세 입자 이동의 원인과 그로 인해 지반이 받는 영향을 파악할 필요가 있다. 미세 입자 이동의 원인과 영향을 파악하고자 다양한 조건의 미세 입자 이동 모사 실험을 수행하였다. 입경이 다양한 글라스 비즈와 모래 실트를 사용하여 다공성 매질을 구성하는 조립토와 압력에 의해 이동하는 세립자의 입경비와 입자 형상에 따른 미세입자 이동 모사 실험을 수행하였다. 세립토에 대한 조립토의 입경비가 클수록 입자 이동이 원활히 발생하고, 입자 형상에 따라 입자 이동이 가능한 입경비가 다르게 나타났다. 조립토와 세립자의 형상이 구형에 가까울수록 clogging 현상이 적게 일어나 입자 이동 범위가 증가하였다. 주문진 표준사와 diatom을 사용하여 해저 지반을 모사하여 미세 입자 이동 실험을 수행하고 투수계수와 전기비저항을 측정하였다. 입자 이동이 발생하여 diatom 부피비가 증가하고 간극비가 감소하면, 투수계수는 감소하고 전기비저항은 증가하는 것으로 나타났다. 본 연구를 통하여 투수계수와 전기비저항의 반비례관계를 이용하여, 미세 입자 이동으로 인한 혼합시료의 거동을 예측하기 위하여 전기비저항 측정을 활용할 수 있음을 알 수 있었다.

Development of particle coating technology with aerodynamic de-agglomeration process and its application on photocatalytic metal mesh

한장섭 Graduate School, Yonsei University 2020 국내박사

Volatile organic compounds (VOCs) are considered to be as some of the most important anthropogenic pollutants generated in urban and industrial areas. These VOCs are widely used in both industrial and domestic activities since they are ubiquitous chemicals that are used as industrial cleaning and degreasing solvents. VOCs come from many well-known indoor sources, including cooking and tobacco smoke, building materials, furnishings, dry cleaning agents, paints, glues, cosmetics, textiles, plastics, polishes, disinfectants, household insecticides, and combustion sources. VOCs are not only hazardous compounds, but also participate in undesirable mechanisms with harmful by-products, including organic compounds, ozone, and secondary organic aerosols. Several air purification techniques have been proposed for VOCs removal. Among the various techniques, photocatalyst oxidation (PCO) is a promising VOCs removal method. In order to use these TiO2 nanoparticle efficiently, it is important to select an appropriate generation and coating method. In this study, a particle coating technology with a de-agglomeration process was developed in which the nanoparticle agglomerates were broken up using inertial impaction. This coating technology was able to improve the specific surface area of TiO2 nanoparticle agglomerates. And the TiO2 nanoparticles were coated on the fine metal mesh using the electric coating method. Finally, the photocatalytic performance of the TiO2-coated metal mesh was evaluated. In Chapter 2, a de-agglomeration characteristics of TiO2 nanoparticle agglomerates was evaluated. In this study, a particle de-agglomeration characteristics by shear force and impaction was evaluated using a lab-designed single-stage impactor and a low-pressure sampling chamber system, and commercial P25 TiO2 agglomerates were used as test particle. In the evaluation through particle size distribution, de-agglomeration occurred at approximately 90 m/s jet-velocity in the rapid expansion and the degree of fragmentation increased with increasing jet velocity, but not all the nanoparticle agglomerates were broken up even at the 260 m/s jet velocity. In the evaluation of de-agglomeration characteristics by impaction, the de-agglomeration occurred from the 63 m/s jet velocity and at the 120 m/s jet velocity or more, the injected particles were all broken into small particles. In the evaluation of poly-disperse TiO2 nanoparticle agglomerates, the particle size distribution was changed into a distribution with smaller GMD by de-agglomeration process. As a result, the specific surface area of the TiO2 nanoparticles was increased according to the jet velocity. This increased specific surface area is expected to improve the photocatalytic performance of the TiO2. In Chapter 3, electrical cascade impactor, one of the particle measuring instruments, was developed and used it to measure the change of shape factor of the TiO2 nanoparticle agglomerates. When the TiO2 nanoparticle agglomerates are generated, they are contained within the droplets and after the water has evaporated, they have a spherical cluster structure. When these spherical cluster structures are broken by impaction, not only are they broken into smaller nanoparticles, but also become irregular shapes. This irregular shape has the effect of improving the specific surface area and consequently the photocatalytic performance is increased. The change of particle shape by de-agglomeration process was evaluated using an electrical cascade impactor, and it was confirmed that TiO2 nanoparticle with de-agglomeration process had a more irregular shape on average. In Chapter 4, TiO2 nanoparticle agglomerates with increased specific surface area through the de-agglomeration process were coated on fine metal mesh and the photocatalytic degradation performance for VOCs was evaluated. The electrical coating method was used to coat the TiO2 nanoparticles onto the metal mesh. The TiO2 nanoparticles were electrically charged using corona charge and were deposited on the surface of metal mesh by diffusion and electric force by an electric field. Acetaldehyde was selected as the test VOCs, and photocatalytic degradation efficiency was evaluated using a xenon lamp as a light source. In the comparison to the TiO2-coated metal mesh without de-agglomeration process, the TiO2-coated metal mesh with de-agglomeration process showed higher photocatalytic degradation performance in both the light source intensity and the initial concentration of VOCs. The evaluation for different coating areal density showed the most considerable difference in photocatalytic degradation efficiency at the smallest coating areal density. 최근, 주거 양식의 변화와 삶의 질의 향상으로 대기 환경에 대한 관심이 더욱 높아지고 있다. 대표적인 대기 오염원 중에서 휘발성 유기 화합물 (VOCs, volatile organic compounds)은 휘발성이 높은 유기 화합물을 총칭하는 것으로 도시 및 산업 지역 뿐만 아니라 가정 내에 있는 여러가지 생활 용품에서도 많이 발생하는 것으로 알려져 있다. 이러한 휘발성 유기 화합물에 대해서 인체 유해성이 많이 보고되었고 일부 물질들은 발암물질로 알려져 있다. 또한 NOx와 함께 대기중 광화학 반응의 주원인 물질로 알려지면서 배출 규제가 더욱 강화되고 있다. 여러가지 VOCs 저감 방법 중에서 TiO2 광촉매를 이용한 광산화 처리 방법은 우수한 처리 능력과 경제성 그리고 안전성 때문에 널리 사용되고 있는 저감 방법이다. 이러한 TiO2 나노 입자를 효율적으로 사용하기 위해서는 적절한 분사 방법과 코팅 방법을 선정하는 것이 중요하다. 본 연구에서는 나노입자를 분사하는 보편적인 방법중에 하나인 미립화기를 이용한 스프레이 방식에 추가로 공기역학적 파쇄 공정을 도입하여 에어로졸 상태로 나노입자 응집체들을 더 작고 불규칙한 나노입자로 발생시켰다. 이를 통해 TiO2 나노입자의 비표면적을 향상시켰고 전기식 코팅 방법을 이용해 미세 구조의 메탈 메쉬에 코팅하였다. 최종적으로 비표면적이 향상된 TiO2 입자를 코팅한 메탈 메쉬의 광촉매 성능을 비교평가 하였다. Chapter 2 에서는 TiO2 나노입자 응집체들의 충돌 특성에 대해 평가한 내용을 서술하였다. 먼저 단분산 TiO2 나노입자에 대해 충돌 특성을 평가하였다. 임팩터에서 충돌판이 없는 조건을 만들어 급속 팽창에 의한 파쇄 특성을 평가하고 이후에 충돌판을 설치하여 충돌에 의한 파쇄 특성을 평가하였다. 입자 크기 분포를 통한 파쇄 평가 결과, 급속 팽창에서는 대략 90 m/s 노즐 속도에서부터 파쇄가 일어났고 속도를 증가시킴에 따라 파쇄 정도가 증가하였지만 260 m/s 에서도 주입된 입자를 모두 파쇄시키지는 못하였다. 충돌에 의한 파쇄에서는 63 m/s 노즐 속도부터 파쇄가 일어났고 120 m/s 노즐 속도 이상에서는 주입된 입자들이 모두 파쇄되는 것을 확인하였다. 하지만 260 m/s 노즐 속도에서도 나노 입자 응집체를 구성하고 있는 하나의 1차 입자(primary particle)까지로 파쇄시키진 못하였다. 최종적으로 다분산 입자의 파쇄 특성 평가를 진행하였고 260 m/s 노즐 속도에서 확연한 비표면적 증가 효과를 나타내었다. Chapter 3 에서는 전기식 다단 임팩터 (Electrical cascade impactor)라고 하는 입자 측정 장비를 개발하고 이를 이용해 TiO2 나노 입자 응집체의 파쇄에 따른 형상 변화를 관찰하는 내용을 다루었다. 미립화기를 이용해 분사한 나노 입자의 경우 용액과 함께 분사되어 건조과정을 거치며 구형의 클러스터 구조를 갖게 된다. 이러한 구형의 클러스터 구조가 충돌에 의해 파쇄되면 더 작은 나노 입자로 파쇄되는 것 뿐만 아니라 불규칙한 형상으로 변하게 된다. 이러한 불규칙한 형상은 비표면적이 향상되는 효과를 갖게 되고 결과적으로 광촉매 성능이 증가하게 된다. 전기식 다단 임팩터를 이용하여 이러한 파쇄에 의한 입자 형상의 변화를 동력학적 형상 계수를 통해 관찰하였고 파쇄 후의 TiO2 나노입자 응집체가 평균적으로 더 불규칙한 형상을 갖는 것을 확인하였다. Chapter 4 에서는 파쇄 공정을 통해 비표면적이 증대된 TiO2 나노입자를 메탈 메쉬에 코팅하고 이를 이용해 VOCs 에 대한 광촉매 저감 성능을 평가한 내용에 대해 서술하였다. TiO2 나노입자를 메탈 메쉬에 코팅하기 위해 전기식 코팅 방법을 사용하였다. 코로나 하전기를 이용하여 TiO2 나노입자를 전기적으로 하전시키고 미세 와이어로 이루어진 메탈 메쉬 전기장을 가하여 코팅하였다. 대상 VOCs 로는 아세트 알데히드를 선정하였고 광원으로는 제논 램프를 사용하여 광촉매 특성을 평가하였다. 파쇄 공정을 거치지 않고 TiO2 나노입자를 코팅한 메탈 메쉬와 비교 평가 하였고 광원의 세기에 따른 평가와 초기 농도에 따른 평가에서 모두 파쇄 공정을 이용해 코팅한 메탈 메쉬에서 더 높은 광촉매 성능을 나타내었고 코팅 밀도에 따른 평가에서는 코팅 밀도가 가장 작은 경우에서 광촉매 성능이 크게 향상된 것으로 나타났다.

Design and performance test of the impactor for morphology analysis

최낙경 Graduate School, Yonsei University 2009 국내석사

This paper describes a serial method to estimate the effective density and fractal dimension of particles, especially DPM. Physical and morphological parameters like fractal dimension, effective density, bulk density and dynamic shape factor were derived or at least approximated from the measurements of electrical mobility diameter and aerodynamic diameter. We designed and performed the evaluation of the impactor by using an electrical method. To evaluate the collection efficiency of the impactor, sodium chloride (NaCl) particles smaller than 0.10 μm in diameter and dioctyl sebacate (DOS) particles larger than 0.10 μm in diameter were used. The cut-off diameter agreed well with the design value.Then, measurement of DPM was performed on a Common-rail DI engine with the impactor and DMA. This data enabled us to determine the effective density. And we also estimate the fractal dimension of DPM. We found that the effective density decreases as the particle diameter increases. This indicates a dynamic shape factor χ increases with electrical mobility diameter. As a result, we obtained that the fractal dimension of DPM is 2.28. Furthermore, we applied this method to a commercial diesel vehicle. Then we obtained the effective density and fractal dimension from DMA-impactor technique.