침강분석에 의한 입자크기 측정 실험

문서 내 토픽

1. Stokes 법칙과 침강분석

침강분석은 현탁액에서 입자가 중력에 의해 침강할 때 입자의 크기와 침강 속도의 상관관계를 이용하는 방법입니다. Stokes 법칙을 적용하여 종말속도 공식 ut = gD²(ρp - ρf)/18μ를 도출하고, 이를 통해 입자의 직경을 계산합니다. 이 방법은 입자가 완전한 구형이고 레이놀즈수가 1보다 작을 때 적용 가능하며, 유체의 점성계수, 입자와 유체의 밀도 등의 물성치가 필요합니다.
2. Andreasen Pipette를 이용한 입자 추출

Andreasen Pipette는 용액 속 입자의 침강속도가 입자의 직경에 따라 달라지는 원리를 이용하여 입경 분포를 구하는 기구입니다. 피펫필러를 이용해 정해진 시간에 맞추어 용액을 추출하며, 추출한 용액을 Conical Tube에 보관합니다. 기구의 상부와 하단부의 구멍 위치를 정확히 맞추는 것이 중요하며, 액면의 거동이 정지된 시점부터 시간을 측정합니다.
3. 적산분포와 입자 크기 분포

적산분포는 특정 입자 크기에 대한 분포를 백분율로 나타내는 방법입니다. 질량 백분율 S = (mx × V)/(10ml × mx0) × 100% 공식을 사용하여 계산하며, 이를 통해 다양한 크기의 입자들이 어느 정도의 비율로 존재하는지 파악할 수 있습니다. 본 실험에서는 시간이 경과함에 따라 무거운 입자가 먼저 침강하고 가벼운 입자가 남아있음을 확인했습니다.
4. 입자 응집과 응결에 의한 오차

침강분석 실험에서 주요 오차 원인은 입자 간 응집과 응결 현상입니다. Van der Waals Force에 의한 입자간 응집, CaCO3의 상전이(Vaterite, Aragonite, Calcite)에 따른 용해도 차이, 그리고 중력에 의한 연쇄적 충돌로 인한 응결이 발생합니다. 이러한 현상을 제어하기 위해 표면 전하를 상쇄시키는 첨가제 사용, 증류수 사용, 신속한 실험 진행 등이 필요합니다.

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1. Stokes 법칙과 침강분석

Stokes 법칙은 유체 내에서 구형 입자의 침강 거동을 설명하는 기본적이고 중요한 원리입니다. 이 법칙은 점성력과 중력의 균형을 통해 종말 속도를 계산하며, 입자 크기 분석에 광범위하게 적용됩니다. 다만 실제 응용에서는 입자의 비구형성, 유체의 비뉴턴 특성, 그리고 입자 간 상호작용 등으로 인해 이상적인 Stokes 법칙과 실제 거동 간의 편차가 발생할 수 있습니다. 따라서 침강분석을 수행할 때는 Stokes 법칙의 적용 범위와 한계를 명확히 이해하고, 필요시 보정 계수를 적용하여 측정 정확도를 향상시키는 것이 중요합니다.
2. Andreasen Pipette를 이용한 입자 추출

Andreasen Pipette는 침강분석에서 특정 깊이의 시료를 추출하여 입자 크기 분포를 측정하는 고전적이고 신뢰할 수 있는 방법입니다. 이 기법은 상대적으로 간단한 장비와 절차로 정확한 결과를 얻을 수 있다는 장점이 있습니다. 그러나 수동 조작에 따른 오차, 시간 소비, 그리고 작업자의 숙련도에 따른 재현성 문제 등의 단점이 존재합니다. 현대에는 자동화된 침강분석 장비가 개발되었지만, Andreasen Pipette 방법은 여전히 표준 참조 방법으로서의 가치를 유지하고 있으며, 특히 교육 목적이나 검증 작업에 유용합니다.
3. 적산분포와 입자 크기 분포

적산분포(cumulative distribution)는 입자 크기 분포를 표현하는 중요한 방식으로, 특정 크기 이하의 입자 누적 백분율을 나타냅니다. 이는 미분분포(differential distribution)보다 직관적이고 해석하기 쉬우며, 공정 관리 및 품질 관리에 매우 유용합니다. 적산분포 곡선의 형태를 통해 입자 크기 분포의 특성을 빠르게 파악할 수 있고, 중앙값(median)이나 백분위수 같은 통계적 지표를 쉽게 도출할 수 있습니다. 다만 분포의 세부 특성을 파악하기 위해서는 미분분포와 함께 고려하는 것이 권장되며, 두 표현 방식의 상호 보완적 활용이 입자 특성 분석의 정확성을 높입니다.
4. 입자 응집과 응결에 의한 오차

입자 응집과 응결은 침강분석에서 측정 오차를 야기하는 주요 요인입니다. 응집된 입자는 개별 입자보다 빠르게 침강하므로 실제보다 큰 입자로 인식되어 입자 크기 분포를 왜곡시킵니다. 이러한 오차를 최소화하기 위해서는 시료 준비 단계에서 분산제 사용, 초음파 처리, 그리고 적절한 pH 조절 등의 조치가 필요합니다. 또한 측정 전 충분한 정치 시간 확보와 온도 제어도 중요합니다. 응집 정도는 입자의 표면 특성, 분산 매질의 성질, 그리고 입자 농도에 따라 달라지므로, 각 시료에 맞는 최적화된 전처리 조건을 수립하는 것이 신뢰할 수 있는 측정 결과를 얻기 위한 필수 요소입니다.

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