1. 공기 중의 먼지는 왜 항상 뭉쳐 있을까요?
창문으로 햇살이 비칠 때, 공기 중에 떠다니는 먼지는 왜 항상 뭉쳐 날아다니는 걸까요? 밀가루가 물에 젖으면 서로 뭉쳐지기 때문에 휘젓더라도 분산시키기가 어렵습니다. 안개 낀 날씨에는 왜 대기 오염이 밤새도록 짙어지는 걸까요? 이러한 현상 뒤에는 입자의 특성이 있습니다. 마치 차가운 바람 속에서 사람들이 따뜻함을 찾아 모이는 것처럼, 입자들은 서로 뭉쳐지는 경향이 있습니다. 이 과정을 입자 응집이라고 합니다.
2. 입자는 왜 뭉쳐지나요?
입자가 응집되는 데에는 세 가지 주요 이유가 있습니다.
2.1 반데르발스 힘:
반데르발스 힘은 일종의 조용한 인력으로 볼 수 있습니다. 입자가 전하를 띠지 않더라도 분자 내부에서 전자가 순간적으로 이동하여 짧고 작은 자기극을 형성하는데, 이 전자들이 입자들을 서로 끌어당깁니다.
실제로 반데르발스 힘은 분자간 힘입니다.
마치 두 장의 종이가 가까이 다가가면 눈에 띄는 전하나 자성이 없더라도 정전기에 의해 끌리는 것처럼 말입니다. 마찬가지로 TV 화면에 가까이 다가가면 약한 분자력 때문에 머리카락이 펄럭입니다.
지름이 10마이크론 미만인 입자의 경우 반데르발스 힘이 중력보다 더 큰 경우가 많습니다. 따라서 PM2.5, PM1.0과 같은 미세 입자는 서로 뭉쳐 제거하기 어렵습니다.
2.2 액체 브리지 힘:
공기 중에 습기가 있으면 입자 표면이 수증기를 쉽게 흡수하여 두 개의 작은 공을 물방울로 연결하는 것과 같은 액체 다리를 형성합니다.
예를 들어, 마른 모래알 두 개는 서로 달라붙지 않지만, 약간 젖어 있으면 물에 의해 뭉쳐질 수 있습니다. 마른 모래로는 성을 쌓을 수 없지만, 젖은 모래로는 언덕을 쌓을 수 있습니다. 이것이 바로 원리입니다.
대표적인 예로는 주방 조미료가 습기로 인해 뭉치고, 세탁 세제가 습기를 흡수해 뭉치고, 비가 오는 도로의 먼지가 줄어드는 경우입니다.
2.3 충돌 및 응집:
입자가 공기나 물 속을 이동할 때 상대적인 움직임과 충돌이 많이 발생합니다. 조건이 적절하다면 (예: 속도가 너무 빠르지 않고 표면에 흡착이나 액체막이 있는 경우), 입자들은 충돌 후 서로 달라붙어 더 큰 입자를 형성할 수 있습니다.
흔들리는 버스에 사람들이 앉아 있는 모습을 상상해 보세요. 사람이 너무 많고 버스가 너무 심하게 흔들리면, 사람들은 종종 서로 부딪히면서 서로를 붙잡고 버티게 됩니다. 이러한 의도치 않은 접착은 입자의 충돌과 응집과 유사합니다.
이러한 유형의 응집 속도는 입자 농도, 유동장 속도, 그리고 난류 강도에 따라 달라집니다. 유동이 격렬하고 입자 수가 많을수록 충돌 가능성이 높아집니다.
3. 시뮬레이션에서 입자 응집을 연구하는 방법은?
공학에서는 입자의 응집 과정을 시뮬레이션하기 위해 전산 유체 역학(CFD)과 개체군 균형 모델(PBM)을 자주 사용합니다.
PBM은 각 입자의 궤적을 시뮬레이션하지 않고 대신 입자 크기 공간에서 "입자 앙상블"의 진화를 설명합니다.
시간이 지남에 따라 입자의 수는 어떻게 감소합니까(더 많은 입자가 더 큰 입자로 합쳐지기 때문)?
평균 입자 크기는 어떻게 증가합니까?
입자 크기 분포(PSD)가 모양을 어떻게 바꾸는가: 날카로운 단일 피크에서
→ 점차 넓어지거나 이중 봉우리를 형성합니까?
4. 어떤 산업이 입자 응집의 영향을 받습니까?
4.1 응집은 자연에서 흔히 발생합니다.
사구 형성: 모래 입자들은 바람에 의해 운반되어 서로 부착되고 축적됩니다. 토양 입단 구조: 점토와 유기물이 결합하여 물과 비료를 유지합니다. 세포 응집: 생물체 내의 분자간 인력은 조직 형성을 촉진합니다.
4.2 산업 응용 분야
응집은 산업적 응용 분야에서 축복이 될 수도 있고 저주가 될 수도 있습니다.
| 대본 | 영향 | 응집이 필요한가요? |
| 공기 정화 | 입자 크기가 커짐 → 여과가 더 쉬워짐 | ✔ 예 |
| 헤이즈 제어 | 응집으로 인해 침전이 더 쉬워짐 → 대기 질 개선 | ✔ 예 |
| 제약 제형 | 입자 크기가 불균일하다 → 투여량이 불안정하다 | ✕ 아니요 |
| 분무 건조 | 재결합으로 인해 노즐이 막히고 뭉쳐짐이 발생합니다. | ✕ 아니요 |
| 화학 반응기 | 반응 표면 감소 및 열전달 불량 | ✕ 아니요 |
4.3 응집 방지 기술
응집 현상의 메커니즘을 이해한 후, 엔지니어들은 이를 방지하기 위한 다양한 솔루션을 개발했습니다.
| 고결방지 기술 | 기구 | 응용 프로그램 시나리오 |
| 표면 코팅 | 실리카로 절연층을 형성합니다. | 분유, 인스턴트 커피 |
| 유동층 건조 | 뜨거운 공기는 입자 현탁액을 생성합니다. | 제약 과립화 |
| 정전기 방지제 | 표면 저항을 줄입니다 | 플라스틱 입자 가공 |
| 초음파 진동 | 액체 브리지 구조를 파괴합니다 | 분말 선별 장비 |
따라서 입자의 응집 행동을 정확하게 시뮬레이션하고 예측할 수 있는지 여부는 산업 공정 제어에 있어서 핵심 기술입니다.
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