태양열 발전 플랜트에 사용되는 중고온 범위의 축열조에 고체-액체간 상변화를 수행하는 용융염을 축열물질로 사용하면 액체상 또는 고체상만으로 된 열저장 매체에 비해 축열조의 규모를 축소함과 동시에 축열온도의 균일성 향상에 기여할 수 있다. 중온인 $250{\sim}400^{\circ}C$ 범위에서 이용 가능한 용융염으로는 질산칼륨($KNO_3$), 질산리튬($LiNO_3$)등이 있다. 그러나 이러한 용융염의 가장 큰 단점은 열전도율이 매우 낮다는 것이며, 이로 인해 요구되는 열전달률을 성취하기 위해서는 많은 열접촉면적이 필요하다는 것이다. 이러한 단점을 극복하는 방법을 도입하지 않고서는 축열시스템의 소규화를 성취하는데 큰 효과를 가져올 수 없다. 한편 열수송 성능이 탁월한 히트파이프를 사용하면 열원 및 열침과 축열물질 사이의 열전달 효율을 증가시켜 시스템의 성능 향상과 동시에 소규모화에 기여할 수 있다. 중온 범위 히트파이프의 작동유체로서 다우섬-A(Dowtherm-A)는 $150^{\circ}C$이상 $400^{\circ}C$까지의 범위에서 소수에 불과한 선택적 대안 중 하나이다. 따라서 본 연구에서는 용융염을 사용하는 중온 태양열축열조에 적용 가능한 다우섬-A 히트파이프의 성능을 파악하여 기술적 자료를 제시하고자 하였다. 열원으로는 고온 고압의 과열증기, 그리고 열침으로는 중온의 포화증기를 고려하였다. 용융염 축열조를 수직으로 관통하는 히트파이프는 하단부에서 열원 증기와 열교환 가능하며, 중앙부에서 축열물질과 열교환하고, 상단부에서는 중온 증기와 접촉할 수 있도록 배치하였다. 축열모드에서는 히트파이프의 하단부가 증발부로 작동하고, 중앙부가 응축부로 작동하여 용융염으로 열을 방출하면 용융염의 온도가 상승하고 용융점에 도달하면 액상으로의 상변화가 진행되면서 축열이 활성화된다. 축열모드에서 히트파이프의 상단부는 단열부로 작동한다. 방열과정에서는 히트파이프의 하단부가 단열된 상태이고, 중앙부는 용융염으로부터 열을 받아 증발부로 작동하며, 상단부는 중온 증기로 열을 방출하므로 응축부로 작동한다. 즉, 축열시스템의 작동모드에 따라 하나의 히트파이프에서 증발부, 응축부, 단열부의 위치가 변하게 된다. 특히, 히트파이프의 중앙 부분이 응축부에서 증발부로 전환될 때에도 작동이 보장되려면 내부 작동유체의 연속적인 재순환이 가능해야 하므로, 일반 히트파이프에서와는 달리 초기 작동액체의 충전량을 증발부 전체의 체적보다 더 많이 과충전해야 한다. 이러한 히트파이프의 성능 파악을 위한 실험에서 고려한 변수들은 열부하, 작동액체의 충전률, 작동온도 등이며, 열수송 성능의 지표로서는 유효열전도율과 열저항을 이용하였다. 중온범위에서 적정한 작동온도를 성취하기 위해 실험에서는 전압 조절기로 열부하를 조절하는 동시에 항온조로 응축부의 냉각수 입구 온도를 제어하였다. 하나의 히트파이프에 대해서 최대 1 kW까지의 열부하에서 냉각수 입구 온도를 $40^{\circ}C$에서 $80^{\circ}C$ 범위로 변화시키면 히트파이프 작동온도를 약 $250^{\circ}C$ 내외로 조절 가능하였다. 히트파이프 작동액체 충전률은 윅구조물의 공극 체적을 기준으로 372%에서 420%까지 변화 시켰다. 실험 결과를 토대로 열저항과 유효 열전도율을 각각 입력 열유속, 작동온도, 작동액체 충전률 등의 함수로 제시했다. 동일한 냉각수 온도에서는 충전률이 높을수록 히트파이프의 작동온도가 감소하였다. 열저항 값의 범위는 최소 $0.12^{\circ}C/W$에서 최대 $0.15^{\circ}C/W$까지로 나타났으며 유효 열전도율의 값은 최소 $7,703W/m{\cdot}K$에서 최대 $8,890W/m{\cdot}K$까지 변화했다. 최소 열저항은 충전률 420%인 경우에 나타났는데 이때의 작동온도는 약 $262^{\circ}C$이었다. 히트파이프의 작동한계로서 드라이아웃(dry-out)은 충전률 372%의 경우에 열부하 950 W에서 발생하였으나, 그 이상의 충전률에서는 열부하 1060 W까지 작동한계 발생이 관찰되지 않았다. 실험 결과 본 연구에서의 히트파이프는 중온 태양열 축열조에 적용되어 개당 약 1 kW의 열부하를 이송하면서 축열물질 및 축방열 대상 유동매체와 열교환을 하는데 사용하는데 충분할 것이라 판단된다.
Kim, Seog-Ku;Lee, Mi-Kyung;Ahn, Jae-Hwan;Yun, Sang-Leen;Kim, So-Jung
Journal of Korean Society of Environmental Engineers
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v.28
no.4
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pp.438-446
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2006
A lab-scale batch test was conducted to develop capping materials to reduce the sediment phosphorus in the stagnant water zone of Gyeongancheon in Paldang Lake. The mean grain size(Mz) of sediment in the investigated area was 7.7 ${\phi}$, which is very fine, and the contents of organic carbon($C_{org}$) was 2.4%, which is very high. For the phosphorous release experiment to select the optimal capping material, sand layer, powder-gypsum($CaSO_4{\cdot}2H_2O$), granule-gypsum, complex layer(gypsum+sand) and the control were compared and evaluated in the 150 L reactor for 45 days. In case of the capping with the sand, it was found that the phosphorous from the sediment could be reduced by around 50%. However, it was found that this caused the reduction of the dissolved oxygen in the water column(by less than 3 mg/L) due to the resuspension of sediment and the organic matter decomposition that comes from the generation of $CH_4$ gas in the 1 cm of the sand layer. Therefore, it is likely that the sand layer has to be thickener in case of the sand capping. Powder-gypsum and granule-Gypsum reduced phosphorous release by more than 80%. However, the concentration of ${SO_4}^{2-}$ in the water column increased, making it difficult to apply it to the drinking water protection zone. We developed Fe-Gypsum and $SiO_2$-gypsum materials to reduce the solubility of ${SO_4}^{2-}$. Powder-Gypsum creates the interception film that does not have any aperture on the sediment layer when it is combined with the water. However phosphorous release caused by the generation of $CH_4$ gas may happen at a time when the gypsum layer has the crack. Capping through the complex layer(granule-Gypsum+sand(1 cm)) found to be suitable for the drinking water protection zone because it was effective to prevent phosphorus release. Moreover, this leads to the lower solubility from the concentration of ${SO_4}^{2-}$ into the water column than the powder-Gypsum and granule-Gypsum. The addition of gypsum($CaSO_4{\cdot}2H_2O$) into the sediment can reduce the progress of methanogensis because fast early diagenesis and sufficient supply of ${SO_4}^{2-}$ to the sediment, stimulate the SRB(sulfate reducing bacteria) highly.
Surfactant enhanced in-situ soil flushing was performed to remediate the soil and groundwater at an oil contaminated site, where had been used as a military vehicle repair area for 40 years. A section from the contaminated site (4.5 m $\times$ 4.5 m $\times$ 6.0 m) was selected for the research, which was composed of heterogeneous sandy and silt-sandy soils with average $K_d$ of 2.0$\times$$10^{-4}$cm/sec. Two percent of sorbitan monooleate (POE 20) and 0.07% of iso-prophyl alcohol were mixed for the surfactant solution and 3 pore volumes of surfactant solution were injected to remove oil from the contaminated section. Four injection wells and two extraction wells were built in the section to flush surfactant solution. Water samples taken from extraction wells and the storage tank were analyzed on a gas-chromatography (GC) for TPH concentration in the effluent with different time. Five pore volumes of solution were extracted while TPH concentration in soil and groundwater at the section were below the Waste Water Discharge Limit (WWDL). The effluent TPH concentration from wells with only water flushing was below 10 ppm. However, the effluent concentration using surfactant solution flushing increased to 1751 ppm, which was more than 170 times compared with the concentration with only water flushing. Total 18.5 kg of oil (TPH) was removed from the soil and groundwater at the section. The concentration of heavy metals in the effluent solution also increased with the increase of TPH concentration, suggesting that the surfactant enhanced in-situ flushing be available to remove not only oil but heavy metals from contaminated sites. The removal efficiency of surfactant enhanced in-situ flushing was investigated at the real contaminated site in Korea. Results suggest that in-situ soil flushing could be a successful process to remediate contaminated sites distributed in Korea.
Kim, Kyeongtae;Latief, Ilham Abdul;Kim, Danu;Kim, Seonhee;Lee, Minhee
Economic and Environmental Geology
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v.55
no.4
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pp.377-388
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2022
Laboratory-scale experiments were performed to identify the As removal mechanism of the residual slag generated after the mineral carbonation process. The residual slags were manufactured from the steelmaking slag (blast oxygen furnace slag: BOF) through direct and indirect carbonation process. RDBOF (residual BOF after the direct carbonation) and RIBOF (residual BOF after the indirect carbonation) showed different physicochemical-structural characteristics compared with raw BOF such as chemical-mineralogical properties, the pH level of leachate and forming micropores on the surface of the slag. In batch experiment, 0.1 g of residual slag was added to 10 mL of As-solution (initial concentration: 203.6 mg/L) titrated at various pH levels. The RDBOF showed 99.3% of As removal efficiency at initial pH 1, while it sharply decreased with the increase of initial pH. As the initial pH of solution decreased, the dissolution of carbonate minerals covering the surface was accelerated, increasing the exposed area of Fe-oxide and promoting the adsorption of As-oxyanions on the RDBOF surface. Whereas, the As removal efficiency of RIBOF increased with the increase of initial pH levels, and it reached up to 70% at initial pH 10. Considering the PZC (point of zero charge) of the RIBOF (pH 4.5), it was hardly expected that the electrical adsorption of As-oxyanion on surface of the RIBOF at initial pH of 4-10. Nevertheless it was observed that As-oxyanion was linked to the Fe-oxide on the RIBOF surface by the cation bridge effect of divalent cations such as Ca2+, Mn2+, and Fe2+. The surface of RIBOF became stronger negatively charged, the cation bridge effect was more strictly enforced, and more As can be fixed on the RIBOF surface. However, the Ca-products start to precipitate on the surface at pH 10-11 or higher and they even prevent the surface adsorption of As-oxyanion by Fe-oxide. The TCLP test was performed to evaluate the stability of As fixed on the surface of the residual slag after the batch experiment. Results supported that RDBOF and RIBOF firmly fixed As over the wide pH levels, by considering their As desorption rate of less than 2%. From the results of this study, it was proved that both residual slags can be used as an eco-friendly and low-cost As remover with high As removal efficiency and high stability and they also overcome the pH increase in solution, which is the disadvantage of existing steelmaking slag as an As remover.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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