교류 전기장에서 물/기름 에멀젼의 Demulsification의 증가

문준혁, 양승만

한국과학기술원 화학공학과

Enhanced Demulsification of W/O Emulsion in an AC Electric Field

Jun Hyuk Moon, Seung-Man Yang

Department of Chemical Engineering

Korea Advanced Institute of Science and Technology

서론

전기장을 이용한 방울 합체(droplet coalescence)의 향상은 기술적으로 많은 이용이 있었다. 원유에 미세하게 분산된 물방울의 분리처럼 물/기름의 에멀젼상태에서 물을 분리해 내는 것은 그 예이다. 이것은 에너지 차원에서 효과적인데 그것은 그 힘이 분산상을 포함한 연속상 모두에 작용하는 것이 아니라 분산상과 연속상의 계면에만 그 힘이 작용하기 때문이다. 그러나 유체내에 분산된 방울들 사이의 정전기적, 수력학적 작용이 복잡하기 때문에 완전한 메커니즘의 이해와 방울 합체의 향상을 예측은 이루어지지 않고 있다 [1,2]. 전기장 측면에서는 전극의 절연여부, 교류/직류같은 전기장의 모양, 전기장의 전압과 주파수가 방울 합체가 향상되는데 영향을 주는 인자이다. 이 중 주파수의 영향은 Bailes [3]에 의해 처음 실험되어졌고, 높은 주파수에서는 현저하게 에멀젼의 상분리가 일어나는 것이 밝혀졌다. 그리고 Wang과 Yan [4]은 에멀젼의 상분리를 통하여 optimum 주파수를 알아내었다. 하지만 아직까지 주파수의 효과에 대해서는 많은 연구가 이루어지지 않았다. 그래서, 이 논문에서는 기름에 분산된 물방울에 교류전기장을 가해주어 전압과 주파수의 효과를 알아보았다. 또한 교류전기장에서 분리된 물방울의 움직임도 살펴보았다.

이론

에멀젼에서 분산상을 이루는 방울들은 상대적으로 다르게 미치는 힘에 의해 상대적인 운동을 하고 그 결과로 서로 충돌하여 합체가 일어나게 된다. 여기서 작용하는 힘은 전기장과 중력 등을 들 수 있다.

전기장에서 분산상은 극성을 띄게 된다. 즉, 방울 표면에 유도된 전하에 의해 dipole-dipole interaction이 존재하고,

. [eqn: rm{F~=~3/8pi epsilon_c LEFT ( {epsilon_d ~-~ epsilon_c} over {epsilon_d ~+~ 2epsilon_c} RIGHT )^2 LEFT ( {d } over s RIGHT )^4 d^2 E^2}]                                (1)

로 표현된다.

여기서, [eqn: rm{epsilon_d` ,` epsilon_c}]는 각각 분산상과 연속상의 유전상수, d는 방울의 직경, s는 두 방울의 사이의 거리, 그리고 E는 전기장의 세기를 나타낸다. 한편, d/s는 분산상 부피분율의 1/3승에 비례하고 대략 분자크기에 따라 변하지 않으므로, (d/s)4는 상분리가 일어날 때까지  변하지 않는다. 그래서 처음에 작용하는 힘은 주로 d2 에 의존한다. 상분리가 어느정도 일어나면, d/s는 0에 가까워지고, 그에 따라 작용하는 힘또한 줄어들게 된다.

중력장에서 방울들은 밀도차에 의해 다른 속도로 부상하거나 침강한다. 에멀젼에 분산된 방울의 크기가 매우 작으므로 그 거동은 수력학적 관점에서 볼 때 미동흐름의 원리를 따른다 [5,6]. 이때, 분산상의 부상이나 침강속도는 방울의 반경의 제곱에 비례하므로 합체가 일어날 수록 부상이나 침강속도가 커지게 된다.

[eqn: rm{u~=~{2d^2 triangle rho g }over {9 mu}}]                                             (2)

중요한 것은 수력학적 작용은 전기장이나 작용에 의한 것보다 방울들간의 거리에 비해 천천히 감소한다는 것이다 [7].

실험

100ml 비이커에 실험에 사용할 에멀젼을 담고 위 아래에 각각 절연된 전극을 접촉시켰으며 그때 간격은 5cm였다. 전극은 교류 전원 (TREK 20/20B)에 연결하였다.

에멀젼은 연속상으로 Silicone oil (KF96-30cs, Shin-etu Co.)을 사용하였고, 분산상으로는 증류수를 사용하였다. 분산상의 부피분율은 20%로 하였다. 우선 분산상에 에멀젼 안정화를 위해 0.01M의 SDS (Dodecyl sulfate, sodium salt)를 첨가하였다. 그리고 연속상과 섞어 1200RPM으로 10분간 교반시켜 에멀젼을 제조하였다. 이렇게  에멀젼을 비이커에 담고 전압과 주파수를 변화시켜 분리된 물의 양을 측정하였다. 한편 에멀젼 크기는 현미경을 사용하여 관찰하였다.

전기장에서, 분리된 물방울의 움직임은 평행하게 설치된 전극 사이에 물방울의 침강을 막기 위한 지지대를 놓고, 그 위에 물방울을 올려 놓아 CCD camera를 이용해 관찰하였다.

결과 및 토론

Fig. 1은 주파수를 20Hz로 고정시키고 전압을 변화시키고, Fig. 2는 전압을 1kV로 고정시키고 주파수에 따른 상분리 정도를 나타내었다. 시간에 따른 상분리 정도는 대략 S자 형태의 곡선을 나타낸다. 하지만 전압을 고정시키고 주파수를 변화시켰을때 서론에서 상기한 논문에서 보이는 optimum 주파수는 관찰되지 않았다. 이는 실험에서 범위로 정한 주파수의 영역이 낮은 영역에 치우쳐 있어서라고 생각된다. 처음 상분리 속도가 더딘 것은 전기장을 걸었을 때 식 (2)에 의해 방울의 침강이 크지 않고, 주로 방울의 합체가 주를 이루기 때문이다. Taylor [8]는 교류전기장에서 방울의 주기적인 진동에 의한 표면적의 증가가 방울 합체 향상의 원인이라고 하였다. 실험에 의하면 주파수의 증가에 따라 방울의 진동주기도 증가하고 그 변형은 직류전기장에서 보다 작다. 그러나 직류전기장에서는 같은 전압의 교류전기장에서 보다 상분리 속도가 현저하게 작았으며 이것은 위의 원인외에 다른 효과가 더 지배적일 수 있다는 것을 말해준다. 또한 직류전기장에서는 교류전기장에서보다 같은 전기장에서 방울이 변형이 더 크게 일어나는 것을 생각할때[9] 실험에서 사용한 전기장의 세기에서는 직류전기장에서 방울의 파괴도 함께일어나 합체를 방해한다고 볼 수 있다. (Fig. 3)

Fig. 4에서 보듯이 합체되어 증가한 방울들은 중력장에서 침강하고 그 속도는 반지름의 제곱에 비례하게 되어 급격히 상분리 속도가 증가하는 영역이 나타나게 된다.

Fig. 5, 6는 각각 주파수와 전압에 대해서 물이 50% 상분리 되었을때의 시간의 역수(1/t50)를 나타낸 것이다. 50%의 물이 상분리 될때는 방울의 합체가 지배적인 부분이고 Fig. 4에서 식(1)에서 보듯이 전압의 증가에 따라 상분리 속도가 지수적으로 증가함을 알 수 있다.

(a)	(b)

Fig. 3 같은 전압 1.1kV/cm에서 Silicone oil상의 d=1.53cm인 물방울의

변형 (a)20Hz 교류전기장; (b)직류전기장

한편 Fig. 5에서는 전압이 상대적으로 낮을때는 주파수의 의존성이 덜함을 볼 수 있는데 이것은 전기장에 의해 방울에 유도된 전하의 relaxation time이 주파수가 증가할수록 상대적으로 느려져서 어느 이상의 주파수에 대해서는 전하가 주파수를 따라가지 못하게 되는 것으로 설명할 수 있다. 그리고 상대적으로 높은 전기장에서는 전기장의 세기가 지배적인 요인이 된다.

참고문헌

1. Waterman, L. C., Chem. Eng. Prog., 1965, 61, 51.

2. Ptasinski, K. J., and P. J. A. M Kerkhof, Sep. Sci. Tech., 1992, 27, 955.

3. Bailes, P. J., and S. L. Larkai, Trans. Instn. Chem. Engrs., 1981, 59, 229.

4. Wang, L., and Z. Yan, J. Disp. Sci. Tech., 1994, 15, 35.

5. Hadamard, J. S., C. R. Acad. Sci., 1911, 152, 1735.

6. Rybczynski, W., Bull. Acad. Sci. Cracovie, 1911, A, 40.

7. Zhang, X., O. A. Basaran, and R. M. Wham, AIChE J., 1995, 41, 1629

8. Taylor, S. E., Trans IChemE, 1996, 74 526

9. Vizika, O., and D. A. Saville, J. Fluid Mech., 1992, 239, 1

Fig. 4. 시간에 따른 분산상크기의 변화

Fig. 2. 주파수에 따른 상분리 정도

Fig. 1. 전압에 따른 상분리 정도

Fig. 6. 전압에 따른 1/t50

Fig. 5. 주파수에 따른 1/t50