초미세기포에 의한 세제절감 세정기술
1.서언
○ 물속의 신기한 초미세기포(micro bubble)현상을 선박의 마찰저항감소, 폐쇄수역의 수질환경개선, 건강의료 등의 분야에 이용하고 있다.
특히 20세
기말 지구환경문제가 심각해지면서, 산업체의 세정폐수와 가정에서 배출
하는 생활오수와 하수의 처리가 절실하게 요구되고 있다.
– 가정세제의 약 60%를 차지하는 세탁용 세제(164만 톤/년)는 매우 심
각한 환경오염물질이므로, 대체세제와 세정기술의 개발이 시급하다.
1995년에 제정된 오존층보호법은 특정프레온(염불화물)의 생산과 사
용을 단계적으로 금지하고 있으므로 대체품의 개발이 진행되고 있다.
○ 초음파, 광, 고압수, 초진동 등을 이용해서, 세제를 사용하지 않는 새로
운 세정기술들이 개발, 이용되고 있다.
이 연구는 초미세기포(이하 미세
기포)를 세제용액에 버블링하여 섬유포대의 오염성분을 씻어내는 세정
메커니즘 등을 소개하고 있다.
2. 미세기포 발생장치
○ 독자적으로 개발한 “H3형 미세기포 발생장치"는 흡입부의 앞부분은 원추형으로 내경은 작고, 원추경사관의 둘레에 액체만 유입하는 유입구가 있고,
경사관의 앞부분에 공기만 유입되는 기체유입구가 있다.
– 원추의 경사관 내부에 직경이 점점 커지는 또 다른 경사관이 있어, 액체의 유속이 점점 가속되어, 이때 발생하는 벤츄리효과로 공기가
흡인되어, 기․액 혼합부에서 미세기포가 발생한다. 따라서 공기압축기를 사용하지 않는다. 이 H3형 미세기포 발생장치(이하 H3형)에서
발생한 기포직경을 “음향식 기포직경분포 계측장치(ABS)”로 측정한 결과, 대부분 12~28㎛(약 500개/㎖)이었다.
3. 버블링한 물의 성분측정
○ 세정과학협회의 습식인공오염 섬유포대를 세제로 10분간 세정하고, 10분간 헹구어 완전히 씻은 다음, 섬유포대의 세정판정은 백색도계(일본
전색공업NW-1형)로 측정하여 씻기 전과 후를 비교하였다.
○ H3형으로 발생시킨 미세기포로 버블링한 수돗물과 증류수의 밀도, 점도 및 표면장력 측정을 위하여 유리 셀 안에 밀봉시켜,
25±1℃로 조절한 항온수조에 27ℓ의 수돗물(또는 증류수)을 채우고, 미세기포로 일정시간 버블링한 후 CH30LF120현미경과 디지털카메라(PS-5M-L1)로
정적 상태에서 측정하였다.
– 밀도측정은 10㎤의 비중병으로 25±0.01℃의 항온수조 안에서 측정하였다. 물속의 기포는 회전증발기(Rotary Evaporator)로 제거하고
눈으로 확인하였으며, 증류수는 Autostill WG200(야마토사 제품)의 증류장치로 증류하고, 다시 상압증류법으로 증류하여 초기의 증류분을 완전히 제거하였다.
– 잔류염소농도는 Pack Tester로, ㏗는 ㏗미터로, 점도는 모세관점도계로 25±0.01℃의 항온수조 안에서 측정하였고, 표면장력은 액적법의 일종인 적중법을 사용하였다.
○ 형광강도는 형광스펙트럼으로 석영유리 셀을 사용하여, 스릿트 폭을 여기광․발광 모두 5㎚, 스캔속도 240㎚/min으로 상온에서 측정하였다.
4-에틸페놀 수용액은 276㎚ 자외선으로 여기하여 측정한 결과 306㎚의 형광강도를 얻었다.
4. 미세기포를 이용한 세정결과 검토
○ 인공오염섬유포를 세제농도를 변화시키면서 미세기포로 세정한 전후와,
일반 물로 세정한 전후의 백색도 변화량을 측정 비교하였다.
① 세정농도12.5㎎/㎗에서 미세기포로 세정한 백색도는 20, 일반 물세정은 7
②
‰모니터링분석 3
ReSEAT 프로그램(http://www.reseat.re.kr)
25㎎/㎗에서 미세기포 세정은 30, 일반 물세정은 10
③ 50㎎/㎗에서 미세기포 세정은 42, 일반 물세정은 13으로 미세기포 세정효과가 2~3배
좋았으며, 세제농도가 진할수록 세정효과는 증가하였다.
– 미세기포 세정은 임계미셀농도(CMC: Critical Micelle Concentration)
의 약 25%에서 세제와
미세기포의 직접작용과 물 구조를 변화시켜
표면장력을 감소시키는 간접효과로 세정효과가 높아졌다.
– 또 미세기포로 버블링한 수돗물의 점도를 측정한 결과, 버블링한 물
은 수소결합이 절단되어 물의 클러스터가 적어지므로,
버블링 시간이
길수록 물의 상대점도는 적어졌다.
○ 세제만으로 씻는 세정메커니즘은, 세제분자가 피 오염물질의 표면에 스며들어, 오염물체 주위를 에워싸서 잘 떨어지도록 띄우고,
동시에 외부
의 힘으로 더러운 때는 표면에서 떨어져 깨끗하게 씻어진다.
세제분자가 오염물질과 반응하여 형성한 콜로이드입자를 씻어내기 위하여 린스가 필요하다.
○ 미세기포 세정메커니즘은, 미세기포들이 용액 속에서 수축, 파열하는 순간 발생하는 충격파가 오염물질을 피 오염물질에서 떨어지게 하거나,
오염물질을 직접 파괴하여 액체 속으로 분산시키므로 씻어진다.
– 액체 속에서 미세기포의 수축과정을 현미경으로 관찰한 결과, 185초
후 직경 29㎛의 미세기포는 현미경에 관측되지 않았으나,
105㎛ 이상
의 것은 그대로 관측되었다. 즉 작은 미세기포는 수축되고, 큰 미세기
포는 거의 변하지 않았다.
– 25℃의 증류수 안에서 40㎛의 미세기포는 10분, 80㎛는 30분 정도에서 미세기포가 수압에 의하여, 기포 내의 공기가 한꺼번에 파열, 용해되어 없어지지만,
120㎛ 이상은 시간에 관계없이 그대로 수면까지
올라와서 공기 중으로 사라진다.
직경 120㎛를 경계로 거동이 변화하
는 것으로 추측하였다.
○ 수돗물을 미세기포로 버블링한 후, 25℃로 조절한 항온조 안에서 밀도
‰ 모니터링분석 4
ReSEAT 프로그램(http://www.reseat.re.kr)
를 측정한 결과,
25℃와 42℃에서는 버블링 시간과 함께 밀도가 감소되었으나, 4℃ 물의 밀도는 시간에 관계없이 일정하였다.
미세기포로 버블링한 물의 구조변화는 짧은 시간에 원상태로 되돌아가지 않으므로,
물 클러스터구조는 시간이 지나도 어느 정도 유지된다.
5. 미세기포에 의한 유기화합물의 분해
○ 오염물질의 주성분은 생물로부터 발생하는 유지류 등이 부착된 유기화합물이 대부분이다.
미세기포로 이 물질을 씻어 내기 위해서는, 이 유기화합물의 원자결합, 또는 세정물질 표면원자와 때의 유기화합물질의
원자 간 결합을 끊을 수 있는 큰 힘을 미세기포가 가지고 있어야 한다.
– 이것을 밝히기 위하여 2.6×10 -5 mol/ℓ의 4-에틸페놀 수용액 1ℓ를 미세기포로 버블링하여 형광강도를 측정한 결과, 버블링 시간에 따라 형광강도가 감소하며 소광되었다.
이때 최대 형광강도를 나타내는 파장시프트가 나타나지 않았는데, 이 원인은 미세기포가 원자 간 결합을 끊지 못했기 때문이다.
– 미세기포로 버블링할 때 소광상태가 나타나는 것은, 4-에틸페놀 분자가 여기상태에서 기저상태로 흐르는 에너지방출방법이,
미세기포를 발생시키지 않는 경우와 다르기 때문이다. 즉 미세기포가 액체 속에서 없어질 때 발생하는 활성분자가 4-에틸페놀과 반응하지만,
미세기포는 원자 간의 결합을 끊을 만한 큰 힘을 갖지 못하기 때문이다.
6. 세제수용액에 미치는 미세기포 효과
○ 세제수용액의 표면장력은 세제농도에 따라 감소한다. 즉 세제의 계면활성
제 때문에 수소 결합력이 약해져서,
시간이 지날수록 표면장력이 감소하고,
표면장력이 감소하면 세제용액이 오염 섬유포 내부로 쉽게 스며들수 있어
섬유포의 오염물질들이
세제분자와 쉽게 반응하여 깨끗하게 씻긴다.
○ 보통 세제용액에 미소기포를 버블링하면, 표면장력의 감소와 미세기포
의 순간 파열효과로 세정효과가 좋아지지만,
이 연구에서는 시중 세제
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용량의 25% 용액에서 표면장력이 오히려 증가하였으나,
세정효과는
100% 용액 때와 똑같은 세정효과를 얻었다.
– 그 이유는, 농도가 낮은 세제용액농도(25%) 즉 미셀농도 이하에서 계
면활성제는 소수기를 가지므로 계면에 모여들고,
이때 세제용액의 기포와 계면활성제가 작용하여 미셀과 같은 구조를 만들어, 용액 안으
로 분산하므로 세정효과가 높아지기 때문이다.
7. 결론
○ 미세기포가 용액 안에서 수축되어 파열할 때, 발생하는 충격파가 오염
물질들을 피 세정물질로부터 씻겨 떨어지게 하는 직접효과와,
또 물분
자 간의 수소결합을 끊어서 표면장력을 감소시켜, 세정용액이 피 오염
물질에 쉽게 스며들 수 있도록 하는 간접효과로 세정효과를 높인다.
○ 25℃의 세제용액에 미세기포를 버블링하면, 표면장력은 증가하지만, 미세기포와 소수기가 작용하여,
미셀농도 이하에서도 미세기포가 계면활
성제에 미셀과 같은 구조를 형성시켜 세정효과를 좋아지게 한다.
– 미세기포가 갑자기 수축할 때, 원자 간 결합에너지를 끊을 만한 힘을
갖지는 못하나, 활성분자가 발생하므로
이 활성분자의 기능성이 세제
와 상승효과를 일으켜 매우 적은 세제량으로 세정효과를 높일 수 있
기 때문에, 많은 분야에 이 기술이 사용될 것으로 생각한다.
◁전문가 제언▷
○ 의복세탁과 주방세척을 비롯한 가정생활과, 모든 산업체에서도 세정공정은 기본적으로 필요하다.
더 쉽고 편리한 방법으로 세정하기 위하여 사용하는 화학세제와 첨가제 등은, 편리한 만큼 환경을 크게 오염시키므로 건강과 환경에 무해한 세제와 세정기술이 절실히 요구된다.
– 합성세제나 첨가제는 피부습진, 아토피, 알레르기를 유발하고, 수돗물의 염소와 반응하여 암을 유발하며 자동차배기의 벤조피린과 반응하여 적혈구를 파괴하기도 한다.
인산염은 부영양화로 수생식물을 사멸시키는 등 환경을 심하게 오염시키는 화학물질이다.
○ 전자, 통신, 의료 등 나노산업에서 초정밀세정이 필요하여, 친환경적인 나노미세기포(1㎛ 이하)세정,
레이저광 및 초임계CO 2를 이용한 첨단세정기술의 개발이 각광을 받고 있다.
– 이 보고서는 오염된 섬유포를 공기압축기를 사용하지 않고, 고압수의압력으로 공기를 흡인하여 초미세기포(12~28㎛)를 발생시키고, 세정
용액을 버블링하여, 미셀농도를 낮추고 활성분자의 기능성으로 세정효과를 높이므로 기존 세제사용량의 75%를 절약할 수 있는 초미세기포세정기술을 소개하고 있다.
○ 우리의 전기전자산업 등에서 많이 사용하는 초음파, 광 세정은 화학세정제 사용량을 줄여야 하며, 천연 세정제의 개발이 필요하므로 산․학․연이 공동으로
