입자의 역학과 행동

입자의 역학과 행동

 

일반적 특성

하구에서 입자들은 부유 상태로 확산(1차적 입자)되거나 복합체(composite particle)로 구성되어진다(flocs, aggregates 또는 agglomerate라 칭함), 이 들은 어떻게 구별되는가? 이들 각각의 입자들을 서로서로 연결시키는 힘의 본성과 강도는 뚜렷한 특성을 갖는다 (Schubel, 1982), 구성 물질과 물리적 특성에 따라서 Floccules는 무기물 즉, 광물 또는 죽어 있는 생물성 물질이다. 이들은 서로 전자화학적 힘에 의해서 결합되어 있다. Agglomerates는 표면 장력 또는 끈적끈적한 유기물 같은 것이 상대적으로 약한 힘으로 결합된 유기물 또는 비유기물로 구성되어 있다. Aggregates는 분자들 사이에 또는 점성력(cohesive atomic force)에 의해서 강력히 결합된 무기적 입자들이다. 일반적으로 하구에서 부유물의 총 숫자는 각각 입자로 설명되고, 입자의 총 무게 또는 부피는 복합체(유기물 또는 무기물)로 구성되어 있다(Schubel, 1971; Schubel and Kana, 1972).

복합체(composite particles)는 다음과 같은 과정에 의하여 형성된다.

1. 물리화학적 flocculation
2. 생물학적 작용과 결합(biological processing & binding)
3. 다른 작용(bubble과 enmeshment)

이 같은 작용은 입자의 크기가 작은 것일수록 더욱 활동적이다. 점토(clay)가 가장 활동적이고 모래 (sand) 크기는 일정한 크기를 유지한다. 따라서 침강속도도 본래의 확산된 입자들 보다 빠른 속도로 침강됨을 보여준다.

 

이 같은 작용은 역으로 일어날 수도 있다. flocs가 해수에서 담수로 이동할 때 반대로 deflocculation이 발생할 수도 있다. Meade(1972)에 의하면 "salt flocculation”은 실험실 실험에서는 거의 나타나지 않지만, 하구 내 어디서 그리고 어떻게 많이 퇴적되는가 하는 것은 결국 하구의 순화(estuarine circulation)이 중대한 역할을 한다고 하였다. 그러나 이에 대한 많은 연구와 토론이 이루어져야 할 것이다.

 

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Flocculation & Aggregation

많은 학자들에 의해서 연구되었는데 대표적으로 이 같은 작용은 입자의 충돌(particle collision) 또는 이온 농도와 표면 부하 차이에 의해서 불안정해질 때, 유체의 운동(fluid motion)에 의하여 야기될 때, 입자의 집성화(aggregation)를 예견할 수 있는 집성화 역학의 양적 모델(quantitative model of aggregation kinetics)을 채택했다.

다른 접근은 실험 flume 또는 정조수(still water) 실험에서 flocculation의 비율에 대하 염분도(salinity), 광물(mineralogy), 입도(particle size), 변하는 퇴적물 농도 등의 효과를 모의 실험 (simulation)하는 것이다. 이 작용은 입자의 크기 그리고 농도, 입자 수에 따라서 변한다. 또한 퇴적된 퇴적물의 입도는 부유 상태의 부유물질의 입자와 차이가 있음이 나타났다. 이처럼 많은 변수에 따라서 변화하는데,
하구 퇴적물의 크기는 단순한 점토(clay)에서 flocs들이 집단으로까지 다양하게 나타난다. 이 같은 flocs는 어떻게 변천하여 형성되어 나타나는가?

 

평평한 부유 물질이 약간 둥근 모양으로 결합되고 이 각각의 flocs는 다시 chain 모양으로 연결되어서 보다 둥글게 되어진다. 이렇게 해서 형성된 62㎝ 직경인 25%의 광물 양을 포함한 복합체는 거의 1000개의 각 성분의 입자(component particles)로 구성되어 있다. 3% 이상의 염분도에서 부유 상태의 세립자는 불안정하여 쉽게 flocculation이 일어나고 중력(gravity)과 와류(turbulent force)에 의하여 점차 충돌(collision)이 증진되어 다른 크기의 입자들의 이동과 퇴적 속도에 변화를 나타내는 원인이 된다. 보다 큰 입자들은 이 작용에 불감하여 일정한 상태를 보이고 충돌도 덜 일어난다. 결국 가장 큰 floc의 침강 속도가 나타날 때 가장 큰 입자의 속도가 동일하게 되고 folcculation이 멈추게 된다.
요약하면, flocculation과 aggregation은 다음과 같은 2가지 조건이 전제되어야 한다.

 

1. 많은 부유물질 또는 aggregates가 존재하여야 한다.
2. 충돌하는 입자들이 서로서로 매달려야 한다.

 

이들을 시행시켜 주는 원인(cause)은 응집력(cohesion)이다. 이 응집력은 'Vander Waals' 힘이라 하는 인력과 입자들 사이에 반발하는 전자화학 힘(repulsive electrochemical forces)의 균형에 의해서 결정된다. 이 응집력은 용존 상태인 양이온의 양과 형태, pH, 점토 광물의 형태 그리고 입도에 의하여 좌우된다. 이들은 매우 복잡하여 실험장치로 제시하기 힘들다. 염분도(salinity)와 점토 광물의 선별
flocculation의 효과를 강조한 학자들도 있다.

 

결과는 illite, kaolinite의 순수 점토 부유는 1 ~ 2%에서 부유 활동을 시작한다. 단지 21%의 염분도 증가에 따라서 일라이트(illite)는 갑자기 털모양화(flocculation)된다. 반면에 montmorillonite는 넓은 범위에서 일어난다. 이 같은 현상은 담수가 처음 해수와 만나게 되는 곳에서 발생하고 특히 고농도 부유물질에서 일어난다. 이 같은 현상은 실제로 여러 하구에서 나타난다. 응집력을 작용하기에 충분할 정도로 입자들을 가까이 가져오는데 필요한 충돌(collision)은 다음 3가지 작용에 의해서 쉽게 이루어진다.

 

1. 브라운 운동(brownian motion)
2. 유체 내 유속 경사에 의해서 형성된 전단력 (fluid shearing)
3. 다른 입도를 가진 입자들의 선별 침강 (differential setting)

 

이들 모두가 입자의 농도(particle concentration)에 따른다. 이들 세 가지 작용의 상대적인 효율성(relative efficiency)과 충돌 빈도 함수에 따라서 측정된다. 브라운 운동은 초미세한 입자에 중요하고 선별 침강은 집성화(aggregation)가 상당히 진행되어 유속이 약할 때 더욱 중요한 작용이다, 대부분 시간에 fluid shearing에 의한 aggregation은 가장 중요한 충돌 작용이다.

요약하면, flocculation은 입자들이 서로 충돌할 수 있고 서로 붙게 될 수 있는 조건을 요구한다. 입자충돌의 횟수(frequency)는 부유물질의 농도(숫자)에 비례한다. 이는 지역적인 fluid shear 비율만큼 입자의 크기(particle size)의 다양성(heterogeneity)에 크게 좌우된다. 거친 와류(wild turbulence)는 입자의 충돌을 증진시켜 flocculation을 일으키나 강한 와류(severe turbulence)는 큰 flocs를 파괴하여 flocculation을 방해하게 한다. 응집력(cohesion)은 입자의 성분과 부유 물질의 염분도에 따른다. 염분도 증가는 입자의 척력(repulsion)을 감소시켜서 응집력을 발생시킨다.

 

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생불성 작용(biological processing)

하구는 다른 연안 환경 보다 생산성이 높기 때문에 많은 부유성, 저서 생물을 갖고 있어서 퇴적 작용에 많은 영향을 줄 수 있다. 퇴적물은 여러 가지 형태로 나타나는데 고형분(pellet) 같은 것이 대표적이다. 또한 생물의 내장(gut)에서 걸러지고 다져지는 작용(filtration, compaction), 그리고 나서 퇴적되는 작용(subsequence)을 생물 퇴적 작용 (biodeposition)이라 한다.

고형분(배설물: pellet)의 특성은 매우 다양하다. 성분, 크기, 형태 등 넓은 분포를 나타낸다(rods, pellet, ribbon, discs로 구성), 이들의 크기, 형태, 밀도에 따라서 침강속도가 0.4 ~ 2cm/sec에 이른다(coarse silt-세립에 해당), 굴(oyster, Crassostrea virginica)은 부유 물질의 상당량을 거르고, 먹고, 비우고 하여 응집된 고형분(agglomerated fecal pellet: 50 ~ 300㎜)으로 성장한다. 이외에 저서 생물 보다 적은 동물성 플랑크톤(copepods) 중요한 다른 예이다. 이처럼 생물성 작용은 하구에서 퇴적작용에 중요한 역할을 한다. 이들 flocculation과 생물학적 작용은 서로 밀접한 관계가 있다. 하구 퇴적물내의 미생물과 퇴적물과의 화학적 작용, 저층에서 유기물의 순환 등은 역학적 작용뿐만 아니라 담수 또는 해수와의 복잡한 관계와 연관시켜 하구의 퇴적환경을 이해할 수 있다.