본 연구는 NRF 과제 “회전식 수력학적 공동현상 발생장치의 실험적 연구: 하수슬러지 처리(2019R1F1A1061458)” 및 NSFC과제 “A study on the cavitation characteristics and its influencing mechanism on the external characteristics of an advanced rotational hydrodynamic cavitation reactor (51906125) 의 연구 성과 및 한중 연구책임자간 근년의 교류 성과를 바탕으로 다음과 같은 연구내용을 수행한다.” (1) 전체 범위의 유량 및 회전 속도 조건 하(유량: 8, 10, 12, 14L/min 및 회전속도: 2400, 2800, 3200, 3600, 4000 rpm)에서 ARHCR의 WAS 처리 실험을 수행하며 (한국 측), 실험 조건이 WAS 처리 효과에 미치는 영향을 연구하고, 이를 캐비테이션수 또는 붕괴율 등과 같은 매개 변수를 통해 기확보된 내부 특성 및 외부 특성 간의 상관성을 분석한다. (2) SEM, TEM 및 입자분석 결과를 바탕으로 처리 전후의 WAS의 형태학적인 변화를 분석하여 ARHCR의 WAS에 대한 손상 원리를 규명한다. (3) 기확립된 수치해석 방법을 바탕으로 ARHCR의 공동현상 발생 유닛(CGU)의 구조가 WAS처리에 미치는 영향에 대한 표면반응법을 수행한다. 외부 특성 반응 모델 및 반응 표면을 건립하며 CGU 구조가 유동장 및 분해율의 변화에 미치는 영향을 조사한다. (4) NSGA-II 유전자알고리즘을 바탕으로 CGU 구조를 최적화하며 최적 CGU인 ARHCR의 WAS처리 실험으로 최적화 결과를 검증한다. 상술한 바를 종합하면, ARHCR의 WAS처리 성능 및 원리를 제시하며 새로운 메커니즘 연구 방법을 제출한다.

a) 기존의 세척방법과 회전식 공동현상 발생장치의 세척방법으로부터 처리된 폐플라스틱 내 잔여 오염물질을 측정하여 세척능력을 비교한다. 공동현상의 물리적 효과는 펌프의 임펠러, 선박의 프로펠러에 미세한 자국을 형성하여 강도를 저하시킬 만큼 국소영역에 미치는 영향은 매우 크다. 공동현상을 이용한 세척기술은 이를 이용하기 때문에 강력한 세척기술이며 플라스틱 폐기물 세척기술에도 충분히 적용할 수 있는 능력을 보유하고 있을 것으로 판단한다. 이에 구축한 인프라를 적극 활용하여, 미세저울과 분광기를 이용한 CPI(Cleaning Performance Index)를 측정 및 계산하여[17, 18] 기존의 세척방법과 비교분석을 하여 그 효과의 정도를 보여 공동현상의 응용 가능성을 보인다. b) 세척능력 비교 실험 후, 탈취능력을 비교분석한다. 플라스틱 폐기물은 다양한 악취원인물질을 포함하고 있어 탈취의 어려움을 내재하고 있다. 공동현상은 화학적 효과인 강력한 산화제를 통해 악취원인물질의 다양성을 극복하고 효과적으로 플라스틱의 탈취효과를 얻을 수 있는 지를 분석하기 위해 다양한 탈취분석 방법 중 적절한 방법을 선정하여 기존의 세척방법과 비교분석을 진행한다. c) 많은 연구 결과를 통해, 공동현상을 응용한 하수슬러지 전처리기술은 유망한 하수슬러지 전처리기술이라는 것을 인정받은 기술이다. 공동현상은 세척과 동시에, 폐수를 전처리하여 환경오염을 저감할 수 있는 지를 분석하기 위해, 세척공정에서 발생되는 폐수를 회수하여 TCOD, BCOD, TS, VSS 등을 측정한다. 측정결과를 통해, 플라스틱 폐기물 세척공정 페수의 처리용이성을 비교하여 처리방법의 친환경성 및 경제성을 분석한다.

본 과제는 지하철과 같이 초미세먼지가 많은 다중이용시설에서 공기를 깨끗하게 하고, 초미세먼지 농도를 실시간으로 확인할 수 있는 고성능 IoT 소형 공기청정기 및 모니터링 시스템을 개발하는 연구임. 특히, 필터 수명을 늘리기 위해 스스로 청소하는 기능을 포함함. 연구 목표는 초미세먼지 모니터링 및 자동 필터 청소기능을 갖춘 고성능 IoT 소형 집진장치 개발임. 지하철 등 다중이용시설의 초미세먼지 모니터링 및 집진에 활용하며, 초미세먼지 측정 정확도, 제거율 90% 이상, 필터 수명 개선율 50% 이상 달성을 목표로 함. 핵심 연구 내용은 초미세먼지 측정 보정 모델링 기술 개발, 백필터 집진장치 기술 분석 및 헤파필터 적용을 통한 집진장치 소형화, 에어·진동 발생기 최적화 설계를 통한 필터 크리닝 장치 연구, 그리고 DB·BIG-DATA 처리 및 사용자용 API 개발을 위한 서버·S/W 개발임. 기대 효과는 초미세먼지 측정보정 및 소형화 핵심 기술 확보, 미세먼지 모니터링 스팟 확보, OPEN API를 통한 공공데이터화 역량 보유임. 더 나아가 IoT 소형집진기 독보적인 기술 확보로 미세먼지 제거 및 측정기 확장, 과학적 분석 기반 선행 기술 및 오픈 플랫폼 확보에 기여함. 이는 정부 미세먼지 로드맵 및 4차 산업혁명 분야에 부합하며, 대기질 수준 향상 및 국민 삶의 질 증진, 소형 집진기 수입대체 효과를 창출할 것으로 전망됨.

1 회전식 수력학적 공동현상 발생장치의 공동현상 강도 평가 회전식 수력학적 공동현상 발생 장치는 균일한 처리와 높은 공동현상 강도를 동시에 달성할 수 있는 방법이다. 하지만 이를 위해서는 회전식 수력학적 공동현상 발생장치에 대한 기초적인 연구가 선행되어야 한다. 공동현상을 이용한 하수처리는 기포 붕괴 에너지를 이용하므로 회전식 수력학적 공동현상 발생장치에서 기포 붕괴 에너지를 조절하여야 하며 이를 위해 기포 붕괴 에너지를 나타내는 지표인 공동현상 강도에 대한 연구가 필요하다. 본 연구에서는 회전식 수력학적 공동현상 발생장치의 공동현상 강도를 평가하기 위해 초고속카메라를 이용한 유동가시화와 기포 붕괴 에너지에 의해 발생한 열 에너지 발생량을 평가지표로 이용하고자 한다. 2 초음파 공동현상을 이용한 하수슬러지 처리장치와의 처리 성능 비교 회전식 수력학적 공동현상 발생장치를 하수슬러지 처리장치로써 이용하기 위해서 먼저 하수슬러지 처리 장치로써 적용가능성을 파악하고자 한다. 하수처리에 있어 처리 성능은 처리 대상의 특성에 매우 종속된다[12, 13]. 즉, 회전식 수력학적 공동현상 발생장치의 하수처리 기술로써 사용가능성을 확인하기 위해 동일한 슬러지를 이용하여 초음파 공동현상을 이용한 하수처리장치와 성능 비교를 하고자 한다. 성능 비교를 위해 소모에너지를 동일하게 설정한 후 비교를 진행하려 하며, 처리 성능 평가지표로는 입자분해능력과 가용화능력을 비교하고자 한다. 선행 연구에 따르면 슬러지의 입자가 작을수록 혐기성 소화 성능과 탈수율이 증가하는 것으로 알려져 있다[12, 14-17]. 또한, 가용화의 경우 슬러지의 화학적 산소 요구량 중 용해성 화학적 산소 요구량을 이용하여 평가하며 가용화 정도가 클수록 슬러지의 혐기성 소화능력이 증가하는 것으로 알려져 있다[18-20]. 이 두 평가지표를 이용하여 회전식 수력학적 공동현상 발생장치의 하수슬러지 처리장치로써 가능성을 검증하려 한다. 3 회전식 공동현상 발생장치의 하수슬러지 처리 성능 평가 회전식 수력학적 공동현상 발생 장치는 회전을 이용하여 단면적을 변화시키기 때문에 회전을 이용하는 다른 유체 기계와 같이 전단응력 및 난류 소산 등의 부가적인 에너지를 발생시킨다. 허나 이는 회전을 이용한 유체기계에서 발생할 수 있는 일반적인 성질이기 때문에 공동현상에 의한 하수처리 성능과 분명히 구별되어야 한다. 이를 확인하기 위해 회전식 수력학적 공동현상 발생장치에서 회전에 의한 전단응력, 난류 소산에 의한 열에너지와 공동현상이 하수처리에 미치는 영향을 각각 파악하고자 한다. 또한, 회전식 공동현상 발생 장치는 근본적으로 유체기계이기 때문에 공동현상 강도에 큰 영향을 주는 것으로 알려져 있는 회전속도와 처리 대상이 되는 액체의 압력을 조절하여 하수슬러지 처리 성능을 평가하려 한다. 하수슬러지 처리 성능은 위에 언급한 분해 성능과 가용화성능을 이용하여 평가하려 한다.