전처리 및 정전선별에 의한 폐자동차 파쇄 잔재물의 분리효율 향상
임 시 온*, 김 민 규*, 한 오 형*, 박 철 현†
＊,†조선대학교, 에너지자원공학과
Improvement of Separation Efficiency of Automobile Shredder Residue by Pre-treatment and Electrostatic Separation
Si-On Lim
*, Min-Gyu Kim
*, Oh-Hyung Han
*and Chul-Hyun Park
,†*,†
Department of Energy & Resources Engineering, Chosun University, Gwangju, Korea (Received : Aug. 21, 2017, Revised : Sep. 16, 2017, Accepted : Sep. 23, 2017)
Abstract : In electrostatic separation process for recycling of Automobile Shredder Residue (ASR), its separation efficiency is decreased by the influence of conductive matters attached onto the fine glass particles. Hence induction electrostatic separation testwork has been carried out using non-magnetic products obtained through pre-treatment (such as sieving, washing, pyrolysis and oxidation) to remove impurities. From test result, the sieving and water washing are superior to pyrolysis and oxidation for removing the conductive matters. In the electrostatic separation for recovering non-ferrous, a grade of 78 % and recovery of 82 % could be successfully achieved under conditions of 30 kV electrode potential, 45 % relative humidity and 8 cm splitter position.
Keyword : ASR, non–ferrous metal, pre-treatment, induction electrostatic separator
1. 서 론
1)
일반적으로 폐 자동차로부터 철 및 비철금속을 회수 하는 공정은 크게 두 가지 작업에 의해 이루어진다 [1]. 1차적으로 해체업자에 의해 유용 부품이 회수된 후 압축 및 슈레더(shredder)의 과정을 거쳐 파쇄된 다[2]. 이후 폐차 파쇄물로부터 철 및 비철금속 등의 유용금속들이 회수되고 재활용이 곤란한 플라스틱, 고 무, 유리 및 혼합 금속 등이 남게 되는데 이를 자동차 파쇄 잔재물(ASR, Automobile Shredder Residue)라 고 한다[3]. 그러나 ASR 재활용에 있어서 일부 업체는 각 재질별 분리․선별을 위해 자력선별, 풍력 선별 및 중액선별 등의 분리방법을 적용하고 있으나 선별시스템 개발이 미비하고 체계적이지 못해 대부분 인력에 의한 수선별에 의존하고 있다[4].
†Corresponding Author 성 명 : 박 철 현
소 속 : 조선대학교 에너지자원공학과 주 소 : 광주 동구 필문대로 309 조선대학교 전 화 : 062-230-7238
E-mail : chpark@chosun.ac.kr
현재 국내에서 발생되는 폐자동차 발생량은 2016년 기준 약 79만대이며 매년 증가하는 추세 이다[5]. 국내 폐차 재활용률은 전체 차량 중량 대비 75% 수준으로 재활용 물질은 철과 비철금속에 국한 되며 나머지는 대부분 매립되고 있는 실정이다[6]. 환 경부의 자원순환법률의 궁극적인 목표인 폐차의 95%
재활용을 달성하기 위해서는 폐차 중량의 총 25%를 차지하는 ASR의 재활용은 필수적이다[7].
현재까지의 연구에서는 ASR을 파쇄-공기분급-분쇄 -자력-정전선별 공정으로 분리·선별하고 있으나 자력 선별 후 정전선별 과정에서 비철금속의 품위와 회수율 이 크게 저하되었다. 이는 비금속(유리등) 표면에 부 착된 미립의 전도성 물질 때문으로, 선별효율 향상을 위해 이들의 제거가 필수적이다.
따라서 본 연구에서는 자력선별 후의 비자성 물질을 대상으로 체질, 세척, 열분해 및 산화 등 전처리 비교 실험을 통해 미립의 전도성 물질을 제거하고 제거된 시료를 대상으로 유도형 정전선별법을 이용하여 ASR 내 비철금속의 품위 및 회수율을 향상시키는데 있다,
2. 시료 및 실험방법 2.1 시료
본 연구에 사용된 시료는 ASR 처리 사업장에서 입 수된 2 mm이하의 산물을 대상으로 자력선별을 거친 비자성산물(이하 원시료라 함)이었다. Table 1은 원 시료를 수선처리한 후 구성물질의 중량비를 결과낸 것 으로써 비철금속의 대부분은 구리선이며 비금속은 87% 이상을 유리가 차지하고 있음을 확인하였다.
Fig. 1은 실체현미경과 SEM/EDS를 이용하여 원 시료 중 미립의 유리입자 표면을 분석한 결과를 나타 낸 것이다. 먼저 (a)의 현미경 관찰에서 보는 바와 같 이 유리입자 표면에 부착된 갈색의 이물질이 확인되었 다. 이들의 이물질을 대상으로 한 (b)의 SEM/EDS 분석결과, 주로 산소(O)와 탄소(C)로 구성된 유기물 외에 미량의 철(Fe) 성분이 확인되었다.
따라서 본 연구에서는 정전선별 효율향상을 위해 유 리에 부착된 이들 갈색의 이물질, 즉 미립의 전도성 물질의 제거를 위한 전처리 실험을 수행하였다.
(a) Stereoscopic microscope
(b) SEM
(c) EDS analysis
Figure 1. Microscopic analysis of non-magnetic sample.
(a)Stereoscopic microscope, (b)SEM, (c)EDS analysis
Table 1. The composition of raw sample Composition Weight (%)
Copper 7.20
Aluminum 0.37
Piece of paint 0.03
Plastic 0.92
Glass 87.83
Wood 0.15
Stone 3.50
Total 100.00
Figure 2. Flowsheet for recovering ferrous and non-ferrous metals from ASR
2.2 실험방법
Fig. 2는 ASR으로부터 비철금속 회수를 위한 공정 을 나타낸 것이다. 본 연구영역은 파쇄-공기분급-분쇄 -자력-정전선별 전공정 중 자력선별 후의 비자성 산물 을 대상으로 한 이물질 제거 전처리 및 정전선별 실험 이었다.전처리 실험은 비자성 산물을 대상으로 체질, 수세 척, 열분해 및 산화법을 통해 유리 시료중의 미립의 전도성 이물질을 제거하였다. 먼저 체질의 경우 시료 의 입도는 각각 +30, +40 그리고 +60 mesh로 조 절되었다. 수세척은 실험실 수돗물과 교반기를 이용하 여 5분과 0-2000 rpm의 조건에서 세척, 여과 및 건 조 과정을 거쳤으며 열분해의 경우 전기로에서 150-300°C 및 2시간 동안 소성시켰다. 또한 산화법 은 0.1, 0.5, 1 및 5 몰의 과산화수소(H2O2) 수용액 에 시료를 2시간 동안 반응(80 °C) 시킨 후 여과 및 건조 과정을 거쳤다.
이후 체질 및 전처리된 각각의 비자성산물을 대상으 로 유도형 정전선별을 수행하였다. 정전선별은 사전 예비실험을 통해 가장 분리효율이 높았던 조건을 설정
하였으며 상대습도: 45 %, 급광량: 130 g/min., 전 압세기: 30 kV 그리고 분리대의 위치: 8 cm의 조건 에서 각각 2회 반복하여 수행되었다. Fig. 3은 유도 형 정전선별기의 개략도를 나나낸 것으로, 장치의 제 원은 가로×세로×높이가 각각 270×60×60 ㎝이며 장 치의 구성은 크게 시료 투입장치, 유도판, 분리대 및 편향 전극판으로 구성되어 있다.
Figure 3. Schematic diagram and photo of induction electrostatic separator
3. 결과 및 토의 3.1 정전선별 예비실험
Fig. 4는 유도형 정전선별에서 전압세기, 분리대 간격에 따른 비철금속의 품위 및 회수율을 확인하기 위한 반응표면 분석도(reponse surface plot)이다.
반응표면분석은 독립 변수의 요인수준이 0인 시점에서 수행되었다[8]. 실험조건은 전극의 전압세기: 10~40 kV 그리고 분리대 위치: 2~9.5 cm이었다. 예비실험 결과, Fig. 4-(a)와 (b)에서와 같이 비철금속의 품위 와 회수율을 고려한 선별효율이 아주 낮은 것을 알 수 있다.특히 회수율이 증가할수록 품위가 크게 저하되는 것 을 알 수 있는데 이는 상당량의 비전도성 물질인 유리 등이 전도성물질의 회수존인 정광으로 혼입되기 때문 이다[9]. 따라서 Fig. 1에서와 같이 정광내에 혼입된 유리입자의 표면을 실체현미경과 SEM/EDS를 이용 하여 분석한 결과, 유리입자 표면에 부착된 갈색의 이물질이 확인되었고 이들은 주로 산소(O)와 탄소(C) 로 구성된 유기물 외에 미량의 철(Fe) 성분이 확인되 었다. 따라서 이후 정전선별 효율 향상을 위해 이들의 제거를 위한 전처리 실험을 수행하였다.
3.2 전처리 및 정전선별 3.2.1 체질
Fig. 5는 원시료를 +30, +40 그리고 +60 mesh로 입도조절한 후 정전선별을 수행하여 각 입도 에 대한 비철금속의 품위 및 회수율을 비교한 결과로 서, 이때의 실험조건은 전압세기: 30 kV와 및 분리대 위치: 8 cm로써 고정되었다.
(a)
(b)
Figure 4. Preliminary test of ASR using induction electrostatic separator.
실험결과, 원시료를 대상으로 한 정전선별에 비해 각 입도별로 단순 체질만으로도 분리효율이 상당히 증 가하는 것을 알 수 있다. 이는 체질을 통해 전도성 유 기물이 부착된 미립의 유리입자들이 제거됨으로써 전 도성물질의 품위가 증가하기 때문이다. 품위와 회수율 을 고려한 적정입도는 +40 mesh로써 이때 품위와 회수율이 각각 58.11±1.23 %와 80.12±1.21 %이 었다.
Figure 5. Results of induction electrostatic separation after sieving
3.2.2 세척에 의한 전처리
Fig. 6은 원시료를 교반속도(0~2000 rpm)에 따 라 수세척한 후 정전선별을 수행하여 각 비철금속의 품위와 회수율을 비교한 결과로서, 이때의 실험조건은 전압세기: 30 kV와 및 분리대 위치: 8 cm로써 고정 되었다.실험결과, 교반 속도가 증가할수록 분리효율이 증가 하여 교반속도가 1500 rpm일 때, 품위와 회수율이 각각 53.33±2.22 %와 88.63±2.54 %으로 가장 높 은 분리 효율을 나타내었다. Fig. 7은 교반시 발생된 부유물질들을 나타낸 것으로 그림을 보는바와 같이 전 도성 물질의 부착으로 문제가 되는 미립의 유리가 부 유되었으며 플라스틱, 고무 및 나무 등도 관찰되었다.
Figure 6. Results of induction electrostatic separation after washing
Figure 7. Photos of matters floated by washing (stereoscopic microscope, ×25) 3.2.3 열분해
Fig. 8은 원시료의 전도성 유기물을 분해하기 위하 여 소성온도을 0~300℃까지 변화시켜 열분해한 후 정전선별을 수행한 결과이다[10]. 이때의 실험조건은 전압세기: 30 kV와 및 분리대 위치: 8 cm로써 고정 되었다.실험결과, 소성온도가 증가할수록 회수율은 다소 증 가하였으나 품위는 유의미한 증가를 나타내지 못하였 다. 따라서 열분해에 의한 전처리는 적합하지 않는 것 으로 확인되었다.
Figure 8. Results of induction electrostatic separation after pyrolysis
3.2.4 산화
유기물을 제거할 수 있는 또 다른 전처리 방법으로 는 산화가 있으며, 과산화수소를 이용하여 유기물을 분해할 수 있다. Fig. 9는 과산화수소의 첨가량을 0.1~ 5 mol까지 변화시켜 전처리 후 정전선별을 적 용한 결과이다. 과산화수소를 0.1 mol 첨가하여 산화 시켰을 때 품위가 48.88±4.56 %로 산화전과 비교했 을 때 약 25 % 상승하였으며, 회수율의 경우에는 약 70 % 상승하는 것을 확인하였다. 한편 사전 예비실험 에서 과산화수소의 첨가량을 0.1 mol 이하로 첨가하 여 반응시킨 후 정전선별을 실시하였으며, 품위 및 회 수율을 확인한 결과 낮은 분리 효율 및 재현성이 확인 되어 본 연구에 적합하지 않음을 확인하였다.
Figure 9. Results of induction electrostatic separation after oxidation using H2O2
3.2.5 체질 및 세척
앞서 수행된 유리에 부착된 미립의 전도성 이물질 제거 전처리를 통한 정전선별 실험결과, 열분해 및 산 화에 의한 처리법은 선별효과가 낮았으나 체질 및 수 세척의 경우 일정부분 선별효율이 향상된 결과를 얻었 다[11]. 따라서 Fig. 10에서와 같이 체질, 수세척 및 정선 등의 혼합공정에 의한 전처리 후 정전선별 실험 을 수행하였다. 이때의 정전선별 실험조건은 전압세 기: 30 kV와 및 분리대 위치: 8 cm로 각각 고정되
었다.실험결과, 체질(+40 mesh), 세척 그리고 정선횟 수 1회의 전처리에 의한 정전선별시 선별효율이 가장 높게 나타났다. 각각의 전처리별 실험결과를 비교해 보면 원시료에 비해 원시료를 1회 정선한 경우 선별 효율이 약 2배 이상 향상되었고 원시료를 체질+세척 그리고 세척+정선한 경우 약 품위와 회수율이 약 62-67 %와 80-83 %을 크게 향상된 것을 알 수 있 다. 특히 체질+세척+정선의 경우 품위와 회수율이 각각 76.19±1.32 %와 80.63±1.22 %로써 회수율 의 변화없이 상당량의 품위가 증가하였다. 따라서 원 시료를 대상으로한 미립의 전도성 물질 제거를 위한 최적 전처리법은 체질+세척+정선의 공정이었으며 이 때 정전선별의 효율이 최적임을 확인할 수 있었다.
Figure 10. Results of induction electrostatic separation after different pre-treatment
4. 결론
ASR 시료를 대상으로 전처리법을 적용 후 정전선 별을 수행하여 다음과 같은 결론을 도출하였다.
1) ASR 시료를 대상으로 한 정전유도형 정전선별 에서 상당량을 차지하는 미립의 유리입자가 정광으로 유입되어 선별효율을 감소시키는 원인 유리에 부착된 전도성 물질이었다.
2) 체질(+40 mesh) 및 세척, 정선에 의한 전처리 공정을 통해 습도 45 %, 전압세기 30 kV, 분리대 위치 8 cm의 조건에서 정전유도형 정전선별 실험결과 품위와 회수율이 76.19±1.32 %와 80.63±1.22 % 인 비철금속 산물을 얻을 수 있었다.
감 사
이 논문은 2016학년도 조선대학교 학술연구비의 지 원을 받아 연구되었습니다.
참고문헌
01. Cossu. R, Fiore. S, Lai. T, Luciano. A, Mancini G, Ruffino. B, Viotti. P and Zanetti. M.C, “Review of
Italian experience on automotive shredder residue characterization and magnagement”, Waste Management, 34 1752-1762 (2014).
02. Luciano M., Alessandro S., Fabrizio P. and Ivano V.,
“Automotive shredder residue(ASR) characterization for a valuable management”, Waste Management, 30 2228-2234 (2010)
03. Li J., Lu H., Xu Z. and Zhou Y., “A model for computing the trajectories of the conducting particles from waste printed circuit boards in corona electrostatic separators”, Journal of Hazardous Materials 151 52-57 (2008)
04. Wu J., Li J. and Xu Z., “ An improved model for computing the trajectories of conductive particles in roll-type electrostatic separator for recycling metals from WEEE”, Journal of Hazardous Materials 167 489-493 (2008)
05. http://www.kasa.or.kr/, Korea Auto Dismenflement Recycling Association, Korea Automobile Recycling cooperative (2017)
06. http://www.me.go.kr/home/web/main.do, Ministry of Environment (2017)
07. http://kostat.go.kr/portal/korea/index.action, Statistics Korea
08. Lee S.E, Kim J.K, Han S.K, Chae J.S, Lee K.D and Koo K.K, "Optimization of a Crystallization Process by Response Surface Mehodology", Appl. Chem. Eng, Vol. 26, No. 6, 730-736 (2015)
09. Das S., Samuila A., Dragan C. and Dascalescu L.,
“Behaviourof charged insulating particles in contack with a rotating roll electrode”, Journal of Electrostatincs 67 189-192 (2009)
10. Hwang. I. H, Yokono. S and Matsuto. T,"Pretreatment of automobile shredder residue(ASR) for fuel utilization", Chemosphere 71 879-885 (2008)
11. Hwang. I. H, Yokono. S and Matsuto. T,"Pretreatment of automobile shredder residue(ASR) for fuel utilization", Chemosphere 71 879-885 (2008)
