• 제목/요약/키워드: Heat exchange efficiency

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고전압 임펄스 기술을 활용한 경도 제거에서 경수의 초기부피와 인가시간이 칼슘이온 농도에 미치는 영향 (Effect of Initial Volume of Hard Water and Contact Time on the Reduction of Calcium Ion Concentration using High Voltage Impulse Technique)

  • 조승연;김태희;장인성;홍웅기;이준호
    • 전기학회논문지
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    • 제66권7호
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    • pp.1066-1071
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    • 2017
  • Recently high voltage impulse (HVI) technique has been extensively studied for desalting processes to control the $CaCO_3$ scale formation in industrial water practices such as power plant, boiler, and heat exchange operations. Investigation of the operational parameters for the HVI is important, however, those had not been reported yet. In this study, the effect of initial feed volume and contact time on reduction of calcium ion concentration by the HVI technique was investigated. Initial feed volumes of artificial hard water which contained 100 mg/L of $Ca^{2+}$, were set to 1, 2, and 3 L respectively. After 24hr of HVI contact with 12kV, $Ca^{2+}$ ion was reduced to 50, 29 and 19 % of their initial concentration, indicating that calcium removal increased as initial feed volume decreased. This implies the applied HVI pulse energy per unit mass of calcium is important parameter determining overall desalting efficiency. A series of extended operations of HVI up to 30 days verified the long term stability of the HVI system. The calcium ion declined to 40 mg/L after 2~3 days, and further reduction of calcium was not achieved, indicating that optimum operation time could be 2~3 days under these experimental conditions. Consequently, it was confirmed that the important operational parameter of HVI technique is initial feed volume and contact time as well as the applied voltage that was already proven in the previous study.

Purification and Some Properties of the polyphenol Oxidase form Ascidian, Halocynthia roretzi

  • Jeon, Byeong-Jun;Lee, Kang-Ho;Ryu, Hong-Soo;You, Byeong-Jin
    • Preventive Nutrition and Food Science
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    • 제1권1호
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    • pp.111-116
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    • 1996
  • Polyphenol oxidase(PPO) isolated from the crude extract of ascidian, Halocynthia roretzi, showed higher affinity for catechol than tyrosine or DL-DOPA. Successful enzyme assay could be performed at $25^{\circ}C$, 10min. by mixing 0.2ml of crude enzyme extract with 2.8ml of 0.13M catechol in 0.1M sodium phosphate buffer(pH 6.4). The specific activity of PPO which had been purified with a combination of ammonium sulfate treatment, ion exchange chromatography on DEAE-cellulose, and gel filtration on Sepharose 6B was 13-fold disc gel electrophoresis. The activity of PPO was stable from pH 5.0 to 8.0 and showed the peak activity at pH 6.4 .The optimum reaction temperature for PPO oxidation on catechol was 35$^{\circ}C$ and those enzyme were heat stable up to 4$0^{\circ}C$. Molecular weigth of the enzyme was estimated about 170kDa. One molecule was found to be composed of gour subunits. Two of them had molecular weigh of 55kDa and the others 30kDa. The {TEX}$K_{m}${/TEX} values, {TEX}$V_{max}${/TEX} and catalytic efficiency({TEX}$V_{max}${/TEX}/{TEX}$K_{m}${/TEX}) for catechol were 0.12mM, 2.5mM/liter/min. and {TEX}$0.18min^{-1}${/TEX} respectively. The substrate affinity and electrophorectic pattern suggested that the enzyme of ascidian was considered to be not tyosine but catechol oxidase.

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기화 설비의 토출 온도 예측을 위한 인공지능 모델 개발 (Development of Artificial Intelligence Model for Outlet Temperature of Vaporizer)

  • 이상현;조기정;신종호
    • 산업경영시스템학회지
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    • 제44권2호
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    • pp.85-92
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    • 2021
  • Ambient Air Vaporizer (AAV) is an essential facility in the process of generating natural gas that uses air in the atmosphere as a medium for heat exchange to vaporize liquid natural gas into gas-state gas. AAV is more economical and eco-friendly in that it uses less energy compared to the previously used Submerged vaporizer (SMV) and Open-rack vaporizer (ORV). However, AAV is not often applied to actual processes because it is heavily affected by external environments such as atmospheric temperature and humidity. With insufficient operational experience and facility operations that rely on the intuition of the operator, the actual operation of AAV is very inefficient. To address these challenges, this paper proposes an artificial intelligence-based model that can intelligent AAV operations based on operational big data. The proposed artificial intelligence model is used deep neural networks, and the superiority of the artificial intelligence model is verified through multiple regression analysis and comparison. In this paper, the proposed model simulates based on data collected from real-world processes and compared to existing data, showing a 48.8% decrease in power usage compared to previous data. The techniques proposed in this paper can be used to improve the energy efficiency of the current natural gas generation process, and can be applied to other processes in the future.

A rapid separation of Cs, Sr and Ba using gas pressurized extraction chromatography with inductively coupled plasma-mass spectrometry

  • Sojin Jeong;Jihye Kim;Hanul Cho;Hwakyeung Jeong;Byungman Kang;Sang Ho Lim
    • 분석과학
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    • 제37권2호
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    • pp.123-129
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    • 2024
  • We present a rapid method for the determination of Cs, Sr, and Ba, heat generators found in highly active liquid wastes, by gas-pressurized extraction chromatography (GPEC) using a column containing a cation-exchange resin. GPEC is a microscale column chromatographic technique that uses a constant flow rate of solvent (0.07 mL/min) with pressurized nitrogen gas supplied through a valve. In particular, because this method uses a small sample volume (a few hundred microliters), it produces less chemical waste and allows for faster separation compared to traditional column chromatography. In this study, we evaluated the separation of Cs, Sr, and Ba using GPEC. The eluate from the column (GPEC or conventional column chromatography) was quantitatively analyzed using inductively coupled plasma-mass spectrometry to measure the column recovery and precision. The column reproducibility of the proposed GPEC system (RSDs of recoveries) ranged from 2.7 to 4.1 %, and the column recoveries for the three elements ranged from 72 to 98% when aqueous HCl was used as the eluent. The GPEC results are slightly different in efficiency and separation resolution compared to those of conventional column chromatography because of the differences in the eluent flow rate as well as the internal diameter and length of the column. However, the two methods had similar recoveries for Cs and Sr, and the precision of GPEC was improved by two-fold. Remarkably, the solvent volume required for GPEC analysis was five times lower than that of the conventional method, and the total analysis time was 11 times shorter.

해수 이용 LNG 재기화 공정의 딥러닝과 AutoML을 이용한 동적모델링 (AutoML and Artificial Neural Network Modeling of Process Dynamics of LNG Regasification Using Seawater)

  • 신용범;유상우;곽동호;이나경;신동일
    • Korean Chemical Engineering Research
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    • 제59권2호
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    • pp.209-218
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    • 2021
  • ORV의 열교환 효율 향상 및 운전 최적화를 위한, first principle 기반 모델링 연구들이 수행되어왔지만, ORV의 열 전달 계수는 시간, 위치에 따라 불규칙한 시스템으로, 복잡한 모델링 과정을 거친다. 본 연구는 복잡한 시스템에 대한 데이터 기반 모델링의 실효성을 확인하고자, LNG 재기화 공정의 실제 운전데이터를 이용해, ORV의 해수 유량, 해수온도, LNG 유량 변화에 따른 토출 NG 온도 및 토출 해수 온도의 동적 변화 예측이 가능한, FNN, LSTM 및 AutoML 기반 모델링을 진행하였다. 예측 정확도는 MSE 기준 LSTM > AutoML > FNN 순으로 좋은 성능을 보였다. 기계학습 모델의 자동설계 방법인 AutoML의 성능은 개발된 FNN보다 뛰어났으며, 모델 개발 전체소요시간은 복잡한 모델인 LSTM 대비 1/15로 크게 차이를 보여 AutoML의 활용 가능성을 보였다. LSTM과 AutoML을 이용한 토출 NG 및 토출 해수 온도의 예측은 0.5 K 미만의 오차를 보였다. 예측모델을 활용해, 겨울철 ORV를 이용해 처리 가능한 LNG 기화량의 실시간 최적화를 수행하여, 기존 대비 최대 23.5%의 LNG를 추가 처리 가능함을 확인하였고, 개발된 동적 예측모델 기반의 ORV 최적 운전 가이드라인을 제시하였다.

분리막을 이용한 공기 중 이산화탄소 제거 기술 (Membrane-based Direct Air Capture Technologies)

  • 유승연;박호범
    • 멤브레인
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    • 제30권3호
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    • pp.173-180
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    • 2020
  • 전 세계 화석 연료 사용이 지속적으로 증가함에 따라 공기 중 이산화탄소(CO2) 농도가 수 세기에 걸쳐 증가하고 있다. 대기로의 CO2 배출을 줄이기 위한 방법으로, 주요 배출원인 발전소와 공장에 적용할 수 있는 이산화탄소 포집 및 저장(carbon capture and sequestration, CCS) 기술이 개발되고 있다. 기후 변화 완화 정책에 따라 negative emission 기술로 언급되는 공기 중 CO2 직접 포집 기술(direct air capture, DAC)은 CO2 농도가 0.04%로 매우 낮기 때문에 기존의 CCS 기술에 적용된 기술과 달리 흡착제를 이용한 저농도 CO2 포집 연구에 집중되어 있다. DAC 분야는 주로 CO2의 흡착을 이용한 습식 흡착제, 건식 흡착제, 아민 기능화된 소재, 이온교환 수지 등이 연구되었다. 흡착제 기반 기술은 흡착제 재생에 따른 고온 열처리 공정이 필요하기 때문에 추가적인 에너지 소모가 없는 분리막 기반의 공기 중 CO2 포집 기술의 잠재력이 크다. 분리막은 특히 실내 공기 CO2 저감 환기 시스템 및 실내용 스마트팜(smart farm) 시스템의 연속적인 CO2 공급에 사용될 수 있을 것으로 기대된다. CO2 처리 기술은 기후 변화를 완화하기 위한 수단으로 개발이 지속되어야 하며 효율적인 공정 설계와 소재 성능 향상을 통해 공기 중 CO2 포집의 효율을 높일 수 있을 것이다.

미국 네브라스카의 관개된 옥수수 농업생태계의 복사, 에너지 및 엔트로피의 교환 (Radiation, Energy, and Entropy Exchange in an Irrigated-Maize Agroecosystem in Nebraska, USA)

  • 양현영;요하나 마리아 인드라와티;앤드류 수커;이지혜;이경도;김준
    • 한국농림기상학회지
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    • 제22권1호
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    • pp.26-46
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    • 2020
  • 이 연구의 목표는 관개된 옥수수 밭에서의 복사, 에너지 및 엔트로피의 교환을 평가하고 문서화하는 것이다. 열역학적 관점에서, 우리는 이 농업생태계를 태양 복사로 인해 시스템 내부와 외부 사이에 큰 경도(gradient)가 부여되는 열린 열역학적 시스템으로 간주하였다. 따라서 시스템이 평형에서 멀어질 때, 열역학적 원칙에 따라 비평형 소산 과정(nonequilibrium dissipative process)인 이 생태-사회시스템이 모든 생물, 물리, 화학 및 인위적 구성 요소를 사용하여 태양으로부터 주어진 경도에 저항하여 이를 감소시키도록 움직인다고 가정하였다. 이 가설을 검증하기 위한 첫 단계로서 미국 네브라스카의 옥수수 밭에 위치한 AmeriFlux의 NE1 사이트에서 2003년부터 2014년까지 관측된 플럭스 및 미기상 자료를 사용하여 복사, 에너지 및 엔트로피의 교환을 정량화하였다. 12년 평균한 생장기간의 결과에 따르면, 시스템의 에너지 포획(순복사와 하향단파복사의 비, Rn/Rs↓)은 옥수수의 생장과 함께 증가하였고, 생장기간이 비생장기간보다 약 80% 높았다. 생장기간 동안 시스템 내의 엔트로피 생성(σ)은 평균 9.56 MJ m-2 K-1이었고, 주로 하향단파 복사에 의해 결정되었다. 엔트로피 수송(J)은 잠열플럭스, 순장파복사, 현열플럭스의 순으로 기여하였고, 시스템 외부 환경으로 퍼낸 양은 σ의 ~84%에 해당하는 -7.99 MJ m-2 K-1이었다. 따라서 매년 생장 기간동안 시스템 내에 순 축적된 엔트로피(dS/dt)는 1.57 MJ m-2 K-1이었다. 탄소 흡수 효율(CUE)은 1.25~1.62, 물 사용 효율(WUE)은 1.98~2.92 g C (kg H2O)-1이었고 모두 옥수수의 성장과 함께 증가하였다. 극심한 가뭄으로 관개가 더 빈번하게 행해진 2012년의 경우, σ와 J가 모두 평년보다 10% 많은 최대값을 보였고, 그 결과 서로 대부분 상쇄되어 dS/dt는 평년보다 조금 높은 수준에 머물렀다. 가뭄 중에도 빈번한 관개로 인해 엔트로피 수송의 주된 경로가 현열플럭스에서 잠열플럭스로 바뀌면서 생산량과 CUE는 평년 값을 웃돌았으나 물과 빛의 사용 효율은 오히려 낮아졌다. 이러한 결과에 근거하여 관개된 옥수수 생태-사회시스템의 지속가능성의 변화를 평가하기에는 아직 여러가지 문제가 남아있다. 자기-조직화 과정은 시스템과 주변 간의 경도를 효과적으로 감소시키는 역할을 한다. 따라서 엔트로피 자료와 함께, 지속가능성의 척도가 되는 자기-조직화 역량을 나타내는 스펙트랄 엔트로피, 또는 하부시스템의 구조 및 에너지·물질의 흐름의 강도와 방향의 변화를 가늠할 수 있는 역학적 과정망(dynamic process network) 분석 등의 추가 연구가 병행되어야 한다.

저가습 조건에서 냉각 유체의 고분자전해질 연료전지에 대한 영향 (Effect of Coolant on PEMFC Performance in Low Humidification Condition)

  • 이흥주;송현도;권준택;김준범
    • 전기화학회지
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    • 제10권1호
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    • pp.25-30
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    • 2007
  • 고분자전해질 연료전지의 성능은 cell 온도, 전체 압력, 반응 기체의 부분 압력 상대습도와 같은 다양한 요인들에 의해 영향을 받는다. 이온화된 수소 이온은 $H_3O^+$의 형태로 membrane을 통과하여 물을 생성하는 반응으로 전기를 발생시킨다. 대용량 연료전지에서는 부수적으로 생성되는 열을 제거하거나 다른 용도로 사용할 목적으로 냉각시스템이 필요하다. 냉각수의 전도도가 상승할 경우에 연료전지에서 발생된 전류의 일부가 냉각수를 통하여 누설되어 연료전지의 성능을 감소시킬 수 있다. 본 연구에서는 3차 증류수와 ethylene glycol이 함유되어 있는 부동액을 사용하여 저항 수치 변화를 관찰하는 실험을 수행하였다. 3차 증류수의 경우 저항값이 설정치 이하로 내려가는데 약 28일이 소요되었고, 연료전지의 운전에 의한 영향은 관찰되지 않았다. 부동액을 냉각수로 사용한 경우는 43일이 지나도 저항값이 설정치 이하로 내려가지는 않았지만, stack 분리판의 접착부에 이상이 생긴 것으로 추정되는 연료전지의 성능 저하가 발생하여 전도도 실험을 중단하였다. 고분자전해질 연료전지에서는 수소이온의 이온전도성 저하를 방지하기 위하여 외부에서 가습하여 주는 방식이 일반적이지만, 소용량 연료전지에서는 무가습 조건을 적용하여 연료전지의 효율을 높이고 제작단가도 경감할 수 있다. 이를 위하여 저가습 및 무가습 실험을 수행하였으나 대용량 연료전지에서는 양측 무가습인 경우에 $50{\sim}60^{\circ}C$ 이상의 고온에서 성능이 발현되기 어려운 것으로 관찰되었다. 냉각수의 유량을 다르게 하여 실험을 수행한 경우에는 0.78L/min과 같은 낮은 유량에서 출구온도와 입구온도를 측정하여 본 결과 두 온도 사이에 ${\Delta}T$가 다른 유량에서보다 크게 발생하여 성능이 감소된 것으로 사료된다. 이와 같이 냉각수의 온도와 유량을 다르게 하여 양측 무가습 실험을 수행한 결과, 연료전지의 성능이 cell 온도에 직접적인 연관이 있는 것으로 관찰되었다.

지하수 관개에 의한 수도의 멸준양상과 그 방지책에 관한 연구 (Studies on the Rice Yield Decreased by Ground Water Irrigation and Its Preventive Methods)

  • 한욱동
    • 한국농공학회지
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    • 제16권1호
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    • pp.3225-3262
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    • 1974
  • The purposes of this thesis are to clarify experimentally the variation of ground water temperature in tube wells during the irrigation period of paddy rice, and the effect of ground water irrigation on the growth, grain yield and yield components of the rice plant, and, furthermore, when and why the plant is most liable to be damaged by ground water, and also to find out the effective ground water irrigation methods. The results obtained in this experiment are as follows; 1. The temperature of ground water in tube wells varies according to the location, year, and the depth of the well. The average temperatures of ground water in a tubewells, 6.3m, 8.0m deep are $14.5^{\circ}C$ and $13.1^{\circ}C$, respercively, during the irrigation period of paddy rice (From the middle of June to the end of September). In the former the temperature rises continuously from $12.3^{\circ}C$ to 16.4$^{\circ}C$ and in the latter from $12.4^{\circ}C$ to $13.8^{\circ}C$ during the same period. These temperatures are approximately the same value as the estimated temperatures. The temperature difference between the ground water and the surface water is approximately $11^{\circ}C$. 2. The results obtained from the analysis of the water quality of the "Seoho" reservoir and that of water from the tube well show that the pH values of the ground water and the surface water are 6.35 and 6.00, respectively, and inorganic components such as N, PO4, Na, Cl, SiO2 and Ca are contained more in the ground water than in the surface water while K, SO4, Fe and Mg are contained less in the ground water. 3. The response of growth, yield and yield components of paddy rice to ground water irrigation are as follows; (l) Using ground water irrigation during the watered rice nursery period(seeding date: 30 April, 1970), the chracteristics of a young rice plant, such as plant height, number of leaves, and number of tillers are inferior to those of young rice plants irrigated with surface water during the same period. (2) In cases where ground water and surface water are supplied separately by the gravity flow method, it is found that ground water irrigation to the rice plant delays the stage at which there is a maximum increase in the number of tillers by 6 days. (3) At the tillering stage of rice plant just after transplanting, the effect of ground water irrigation on the increase in the number of tillers is better, compared with the method of supplying surface water throughout the whole irrigation period. Conversely, the number of tillers is decreased by ground water irrigation at the reproductive stage. Plant height is extremely restrained by ground water irrigation. (4) Heading date is clearly delayed by the ground water irrigation when it is practised during the growth stages or at the reproductive stage only. (5) The heading date of rice plants is slightly delayed by irrigation with the gravity flow method as compared with the standing water method. (6) The response of yield and of yield components of rice to ground water irrigation are as follows: \circled1 When ground water irrigation is practised during the growth stages and the reproductive stage, the culm length of the rice plant is reduced by 11 percent and 8 percent, respectively, when compared with the surface water irrigation used throughout all the growth stages. \circled2 Panicle length is found to be the longest on the test plot in which ground water irrigation is practised at the tillering stage. A similar tendency as that seen in the culm length is observed on other test plots. \circled3 The number of panicles is found to be the least on the plot in which ground water irrigation is practised by the gravity flow method throughout all the growth stages of the rice plant. No significant difference is found between the other plots. \circled4 The number of spikelets per panicle at the various stages of rice growth at which_ surface or ground water is supplied by gravity flow method are as follows; surface water at all growth stages‥‥‥‥‥ 98.5. Ground water at all growth stages‥‥‥‥‥‥62.2 Ground water at the tillering stage‥‥‥‥‥ 82.6. Ground water at the reproductive stage ‥‥‥‥‥ 74.1. \circled5 Ripening percentage is about 70 percent on the test plot in which ground water irrigation is practised during all the growth stages and at the tillering stage only. However, when ground water irrigation is practised, at the reproductive stage, the ripening percentage is reduced to 50 percent. This means that 20 percent reduction in the ripening percentage by using ground water irrigation at the reproductive stage. \circled6 The weight of 1,000 kernels is found to show a similar tendency as in the case of ripening percentage i. e. the ground water irrigation during all the growth stages and at the reproductive stage results in a decreased weight of the 1,000 kernels. \circled7 The yield of brown rice from the various treatments are as follows; Gravity flow; Surface water at all growth stages‥‥‥‥‥‥514kg/10a. Ground water at all growth stages‥‥‥‥‥‥428kg/10a. Ground water at the reproductive stage‥‥‥‥‥‥430kg/10a. Standing water; Surface water at all growh stages‥‥‥‥‥‥556kg/10a. Ground water at all growth stages‥‥‥‥‥‥441kg/10a. Ground water at the reproductive stage‥‥‥‥‥‥450kg/10a. The above figures show that ground water irrigation by the gravity flow and by the standing water method during all the growth stages resulted in an 18 percent and a 21 percent decrease in the yield of brown rice, respectively, when compared with surface water irrigation. Also ground water irrigation by gravity flow and by standing water resulted in respective decreases in yield of 16 percent and 19 percent, compared with the surface irrigation method. 4. Results obtained from the experiments on the improvement of ground water irrigation efficiency to paddy rice are as follows; (1) When the standing water irrigation with surface water is practised, the daily average water temperature in a paddy field is 25.2$^{\circ}C$, but, when the gravity flow method is practised with the same irrigation water, the daily average water temperature is 24.5$^{\circ}C$. This means that the former is 0.7$^{\circ}C$ higher than the latter. On the other hand, when ground water is used, the daily water temperatures in a paddy field are respectively 21.$0^{\circ}C$ and 19.3$^{\circ}C$ by practising standing water and the gravity flow method. It can be seen that the former is approximately 1.$0^{\circ}C$ higher than the latter. (2) When the non-water-logged cultivation is practised, the yield of brown rice is 516.3kg/10a, while the yield of brown rice from ground water irrigation plot throughout the whole irrigation period and surface water irrigation plot are 446.3kg/10a and 556.4kg/10a, respectivelely. This means that there is no significant difference in yields between surface water irrigation practice and non-water-logged cultivation, and also means that non-water-logged cultivation results in a 12.6 percent increase in yield compared with the yield from the ground water irrigation plot. (3) The black and white coloring on the inside surface of the water warming ponds has no substantial effect on the temperature of the water. The average daily water temperatures of the various water warming ponds, having different depths, are expressed as Y=aX+b, while the daily average water temperatures at various depths in a water warming pond are expressed as Y=a(b)x (where Y: the daily average water temperature, a,b: constants depending on the type of water warming pond, X; water depth). As the depth of water warning pond is increased, the diurnal difference of the highest and the lowest water temperature is decreased, and also, the time at which the highest water temperature occurs, is delayed. (4) The degree of warming by using a polyethylene tube, 100m in length and 10cm in diameter, is 4~9$^{\circ}C$. Heat exchange rate of a polyethylene tube is 1.5 times higher than that or a water warming channel. The following equation expresses the water warming mechanism of a polyethylene tube where distance from the tube inlet, time in day and several climatic factors are given: {{{{ theta omega (dwt)= { a}_{0 } (1-e- { x} over { PHI v })+ { 2} atop { SUM from { { n}=1} { { a}_{n } } over { SQRT { 1+ {( n omega PHI) }^{2 } } } } LEFT { sin(n omega t+ { b}_{n }+ { tan}^{-1 }n omega PHI )-e- { x} over { PHI v }sin(n omega LEFT ( t- { x} over {v } RIGHT ) + { b}_{n }+ { tan}^{-1 }n omega PHI ) RIGHT } +e- { x} over { PHI v } theta i}}}}{{{{ { theta }_{$\infty$ }(t)= { { alpha theta }_{a }+ { theta }_{ w'} +(S- { B}_{s } ) { U}_{w } } over { beta } , PHI = { { cpDU}_{ omega } } over {4 beta } }}}} where $\theta$$\omega$; discharged water temperature($^{\circ}C$) $\theta$a; air temperature ($^{\circ}C$) $\theta$$\omega$';ponded water temperature($^{\circ}C$) s ; net solar radiation(ly/min) t ; time(tadian) x; tube length(cm) D; diameter(cm) ao,an,bn;constants determined from $\theta$$\omega$(t) varitation. cp; heat capacity of water(cal/$^{\circ}C$ ㎥) U,Ua; overall heat transfer coefficient(cal/$^{\circ}C$ $\textrm{cm}^2$ min-1) $\omega$;1 velocity of water in a polyethylene tube(cm/min) Bs ; heat exchange rate between water and soil(ly/min)

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석탄광산배수처리슬러지에 Na와 S를 첨가하여 개량한 흡착제의 세슘 흡착 특성 규명 (Identification of Sorption Characteristics of Cesium for the Improved Coal Mine Drainage Treated Sludge (CMDS) by the Addition of Na and S)

  • 전소영;김단우;변정현;신대현;양민준;이민희
    • 자원환경지질
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    • 제56권2호
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    • pp.125-138
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    • 2023
  • 수계 내 세슘(cesium: Cs)을 제거하기 위하여 개발된 대부분의 기존 Cs 흡착제들은 원재료 값이 고가라는 단점과, 해수와 같이 높은 이온 강도와 낮은 Cs 농도를 가지는 대규모의 오염수를 실질적으로 정화하는데 한계를 가지고 있었다. 본 연구에서는 석탄광산배수를 처리하는 과정에서 생성되는 슬러지(CMDS)에 Na와 S를 첨가하여 친환경적이고 높은 Cs 제거 효율을 가지는 Cs 흡착제를 개발하였다. Fe 및 Ca 함량이 풍부한 CMDS를 1차 소재로 사용하였고, 열처리 과정으로 Na와 S를 첨가하여 새로운 Cs 흡착제를 제조하였다(이하 본 연구에서 개발한 흡착제는 Na-S-CMDS라 명명함). Na-S-CMDS의 Cs 흡착능 및 흡착 기작을 평가하기 위해 실험실 규모의 실험과 흡착 동역학 및 등온 모델링 연구를 수행하였으며, XRF, XRD, SEM/EDS, XPS 등의 분석을 통해 Na-S-CMDS의 물리화학적, 광물학적 특성을 조사함으로써 Cs 흡착 기작을 규명하였다. 흡착 배치 실험 결과, Cs은 빠르게 Na-S-CMDS에 흡착되어 1시간 내 평형에 도달하였으며, 낮은 Cs 농도(0.5 mg/L) 조건에서도 높은 Cs 제거 효율(> 90.0%)을 보였다. 흡착 등온 모델링 결과, 단일 흡착을 가정하는 Langmuir 흡착 등온 모델에 대응되는 경향을 보였으며, 흡착 동역학 모델링 결과 흡착 경향이 유사 2차 속도(pseudo second order kinetic) 모델과 일치하는 경향을 보였고, 이러한 결과는 단순한 물리적 흡착보다 이온 교환과 같은 화학적 흡착이 우세함을 의미한다. 고농도의 Cs 용액으로 반응시킨 Na-S-CMDS의 XRF/XRD 분석 결과, Na-S-CMDS 내 Na 함량은 감소하고 흡착 전 존재하던 erdite (NaFeS2·2(H2O))가 관찰되지 않는 것을 통해, Na+과 Cs+ 사이에서 활발한 이온 교환 반응이 진행되었음을 알 수 있었다. XPS 분석 결과, Na-S-CMDS에서 Cs와 S 사이의 강한 결합 작용이 관찰되었으며, 이러한 Cs와 S(또는 S-복합체)내 결합에너지 감소도 Na-S-CMDS의 Cs 흡착능을 증가시키는 요인으로 판단되었다. 본 연구를 통해 기존에 폐기물로 처리되었던 석탄광산배수슬러지를 개량하여 제조한 Na-S-CMDS는 기존의 Cs 흡착제보다 제조 비용이 저렴하고, 해수 및 지하수와 같이 이온 강도는 높지만 Cs 농도가 낮은 대규모 오염 수계에서도 Cs 흡착능이 높게 유지되어, 현장에서 효과적인 Cs 흡착제로 사용할 수 있을 것으로 기대한다.