Fine Particle Classification and Dewatering of Construction Waste Slurry Using Hydrocyclone

습식사이클론을 이용한 건축폐기물 슬러리의 정밀분급과 탈수

신희영¹⁾· 지상우²⁾* · 최상현³⁾· 박일환³⁾· 유경근³⁾· 박제현⁴⁾· Richard Diaz Alorro⁵⁾

Fine Particle Classification and Dewatering of Construction Waste Slurry Using Hydrocyclone

Hee-young Shin, Sang-woo Ji

_*

(Received 16 November 2015; Final version Received 8 December 2015; Accepted 17 December 2015)

Abstract : The classification and dewatering processes are required to use efficiently slurry generated from recycling processes of construction wastes. The classification tests with 2-inch hydrocyclone were performed using two samples; as-recived one and re-dispersed one in distilled water after filtration, and the effects of pressure and pulp density on the separation efficiency and dewatering were investigated. In the tests with as-recieved sample, the median diameter of underflow product decreased with increasing the pressure, and the diameter was 31.10 ㎛ at 0.3 MPa with 5% pulp density. The dewatering efficiency was higher in the tests with re-dispersed sample than with as-received one, which would be due to foam observed in the classification test. In the case of re-dispersed sample test, the dewatering efficiency increased with increasing pulp density, the water content of underflow product was 48.8% at 0.3 MPa with 8% pulp density.

Key words : Hydrocyclone, Construction wastes, Dewatering, Fine particle classification

요 약 : 건설폐기물 재활용 공정에서 발생하는 슬러리의 효율적인 이용을 위해 적절한 분급과 탈수공정이 필요하다. 당 연구에서는 건축폐기물 재활용 공정 슬러리와 이를 탈수 후 증류수에 재분산한 시료를 대상으로 2 인치 습식사이클론 분급실험을 수행하였고, 주입압력(공급유량)과 광액농도가 분급 및 탈수에 미치는 영향을 조사하였다. 원시료의 분급실험에서 주입압력을 증가시켰을 때, underflow 산물의 평균입도는 감소하여 광액농 도 5%, 주입압력 0.3 MPa의 조건에서 31.10 ㎛이었다. 탈수효율은 원시료보다 증류수에 재분산한 경우가 높았 는데, 이는 원시료의 분급실험 중 발생하는 기포가 분급효율을 저해하는 것으로 판단되었다. 재분산시료를 사용 한 경우 광액농도가 증가할수록 탈수효과가 증가하여 8% 광액농도, 0.3 MPa 조건에서 분급을 실행한 결과 underflow 산물의 함수율은 48.8%이었다.

주요어 : 습식사이클론, 건축폐기물, 탈수, 정밀분급

1) 한국지질자원연구원 광물자원연구본부

2) 한국지질자원연구원 지구환경연구본부

3) 한국해양대학교 에너지자원공학과

4) 한국광해관리공단 광해기술연구소

5) 커틴대학교 제련광물공학과

*Corresponding Author( 지상우) E-mail; [email protected]

Address; Geologic Environment Division, Korea Institute of Geoscience & Mineral Resources

서 론

도시의 효율적인 이용을 위하여 도시재개발이 활발히 이 루어지고 있으며, 이 때 노후 건축물이 해체되어 건축폐기

물이 대량으로 발생한다. 이 중 콘크리트용 골재로 재활용 이 가능한 물질로는 큰크리트 폐기물이 가장 많은 양을 차 지하고 있다(Han et al., 2002). 국내 건설폐기물은 주로 도 로보조기층용, 콘크리트제품 제조용, 채움재용, 수평배수 층용으로 구분될 수 있다(Kim and Chung, 2012). 건축폐 기물의 재활용 공정에서 다량의 슬러리가 발생하게 되나 이에 대한 대책은 부족한 실정이다.

습식사이클론(hydrocyclone)은 입자의 침강속도를 가

속화하기 위하여 원심력을 이용하며 입자들을 분리하는 분

급 또는 입자와 액체를 분리하는 탈수 용으로 활용하는 장

치다(Bradley, 1965; Kim et al., 2015). 특히 미립의 입자를

처리할 때 효과적이며, 처리용량에 비해 설치면적이 작고

기술보고

Fig. 1. Schematic diagram of hydrocyclone classification system.

Fig. 2. The particle size distribution of as received sample and products obtained at 0.3 MPa with 5% pulp density using 2-inch hydrocyclone.

필요 동력이 적어 경제적으로 운영이 가능하다. 습식사이 클론의 처리가능 입도는 주로 사이클론 크기(내경)에 의해 결정되며, 이외에 주입구, vortex finder, apex valve의 직 경, 사이클론의 높이 등이 분급성능에 영향을 미치며, 운전 조건으로 광액농도, 주입유량, 압력손실(pressure drop)이 보고되었다(Bradley, 1965; Kim et al., 2015).

본 연구에서는 건설폐기물 재활용 공정에서 발생하는 슬 러리와 슬러리 용액을 증류수로 대체한 시료를 대상으로 2 인치 습식사이클론을 이용한 분급실험을 실시하였다. 광 액농도와 주입압력을 조절한 주입유량을 변수로 하여 분급 실험을 실시하고, overflow와 underflow의 입도분포를 조 사하였으며, 이를 분급성능곡선으로 나타내어 분급효과를 검증하였다. 또한 overflow와 underflow 각각의 함수율을 측정하여 탈수효과 또한 조사하였다.

실험방법

본 연구에 사용된 시료는 국내 건축폐기물 재활용 공정 에서 발생한 슬러리이며, 이 슬러리에는 계면활성제가 함 유되어 있어 분급실험 중 기포가 발생하기 때문에 이 영향 을 조사하기 위해 슬러리를 탈수한 후 증류수로 대체한 것 을 비교시료로 사용하였다. 분급실험에 사용된 습식사이

클론시스템은 2인치 습식사이클론을 장착하였으며, Fig. 1 에 분급시스템의 모식도를 나타내었다. 시료를 슬러리탱 크에 주입 후 펌프를 가동시켜 현탁액을 습식사이클론으로 이송하며, 이 때 바이패스관의 밸브를 조절하여 습식사이 클론에 공급되는 현탁액의 양을 조절하게 된다. 습식사이 클론에 공급되는 양은 압력계를 통하여 정량화할 수 있다.

overflow 와 underflow로 분급된 시료는 탱크로 낙하하여 재순환되는 시스템이며, 조건을 부여하고 5분 후 overflow 와 underflow의 시료를 각각 채취하여 분석을 실시하였다.

입도분석은 Microtrac사의 S3500 입도분석기를 사용하여 분석하였고, 함수율은 Sartorius사의 MA 150 수분측정기 를 사용하여 측정하였다.

실험결과 및 고찰

일반적으로 건축현장에서 골재로 사용되는 모래는 0.075 mm 보다 큰 입자를 칭하며, 이보다 작을 때는 실트 또 는 점토로 취급된다. 건축폐기물로부터 순환골재를 회수 하는 공정에서 주로 자갈과 모래가 회수되며, 이 때 발생되 는 처리수에는 0.075 mm보다 작은 실트 성분이 포함된다.

순환골재 회수공정의 경제성을 향상시키기 위해서는 실트 성분의 활용과 폐수의 효율적인 처리가 요구되고 있다. 즉, 슬러리 중 입자의 입도분포를 정밀하게 나눌 경우 용도별 사용이 가능해지며, 슬러리의 함수율을 낮출 경우, 건조에 소요되는 시간을 단축시키고, 배송시 수분에 해당하는 무 게를 감소시킬 수 있어 운송비 절약에 의한 경제성 향상이 기대된다. 당 연구에서는 건축폐기물 슬러리를 대상으로 정밀분급을 실시하여 탈수 및 실트성분 회수 가능성에 대 한 검토를 진행하고자 하였다.

Fig. 2 에 원시료와 2인치 습식사이클론을 광액농도 5%,

주입압력 0.3 MPa로 운전하여 얻은 산물의 입도분포를 나

Fig. 3. The median diameters of overflow and underflow products with input pressure.

Fig. 4. Tromp curves of hydrocyclone products with input pressure at 5% pulp density.

Fig. 5. The median diameters of overflow and underflow products with pulp density and input pressure.

타내었다. 원시료의 입자는 대부분 75 ㎛ 이하 입자에 분포 하여 현재 운영 중인 건축폐기물 재활용 공정에서 실트성 분을 적절히 제거하고 있는 것을 알 수 있다. 당 실험에서 2 인치 습식사이클론으로 실험한 결과로부터 overflow 산물 과 underflow 산물의 입도분포에서 겹치는 구간이 7.78 ㎛ – 44 ㎛로 겹치는 구간이 비교적 넓은 것을 알 수 있다.

Fig. 3 에 광액농도 5%에서 주입압력을 0.2 MPa와 0.3 MPa 로 하여분급한 시료의 overflow와 underflow 평균입 도(median diameter, d

) 를 각각 나타내었다. 일반적으로 습식사이클론의 운전조건을 증감함에 따라 분리되는 입도 를 조절하는 것이 가능하며, 광액농도는 분리입도에 비례 하나 압력손실(pressure drop)과 유량은 분리입도에 반비 례하는 것으로 알려져 있다. 분리입도가 증가하는 것은 overflow 로 배출되는 양이 증가하여 overflow와 underflow 의 평균입도가 증가하는 것을 의미한다. Fig. 3에서 알 수 있듯이 underflow 산물은 주입압력(공급유량)이 증가할수 록 분리입도가 감소하는 것을 알 수 있으며 overflow의 변 화는 크지 않았다. 광액농도 5%, 주입압력 0.2 MPa의 조건

에서 underflow의 평균입도는 32.84 ㎛이나, 광액농도 5%, 주입압력 0.3 MPa의 조건에서 underflow의 평균입도는 31.10 ㎛로 습식사이클론의 분리이론과 잘 일치하는 것을 알 수 있다.

Fig. 4 에 5% 광액농도의 조건에서 수행한 2인치 습식사 이클론 분급실험의 결과를 주입압력에 따라 트롬프 곡선으 로 나타내었으며, 다음 식에 의해 분급효율을 평가하였다.

   



 

(1)

여기서 I는 분급효율(imperfection)이다(Wills and Napier- Munn, 2005). 식에서 알 수 있듯이 75%와 25% 통과입도 의 차이가 작을수록 이상적인 분급에 가까운 것으로 평가 될 수 있으며, 트롬프곡선에 의해 분석된 결과는 0.2 MPa 과 0.3 MPa에서 각각 0.34와 0.45로, 주입압력을 감소시킬 수록 분급효율의 수치가 감소하여 이상적인 분급효율에 근 접하고 있는 것을 나타낸다.

건축폐기물 재활용 공정에서 이송된 슬러리 시료로 분급 실험을 진행하였을 때 슬러리탱크에서 다량의 기포가 발생 하여 거품층이 형성되었다. 슬러리를 여과한 후, 증류수에 재분산시켜 분급실험을 수행한 후 결과를 비교하였다. Fig.

5 에 광액농도를 5%와 8% 조절한 시료를 0.2 MPa과 0.3 MPa 의 조건에서 분급실험을 진행하여 얻은 산물들의 평 균입도를 나타내었다. Underflow 산물과 overflow 산물 모 두에서 광액농도가 증가할수록, 주입압력(공급유량)이 감 소할수록 분리입도가 증가하는 것을 알 수 있으며, 이는 습 식사이클론의 분리이론과 잘 일치한다.

당 연구에서는 습식사이클론을 사용하여 분급효율 뿐 아

니라 탈수효율도 분석하였다. 2인치 습식사이클론 분급 후

underflow 의 함수율을 측정하여 Fig. 6과 7에 나타내었다.

Fig. 6. Water content in underflow product using the samples as received and re-dispersed in fresh water.

Fig. 7. Water content in underflow product with pulp density.

Fig. 6 에는 원시료와 증류수에 재분산한 슬러리를 5%의 광 액농도 조건에서 함수율을 비교한 결과이다. 함수율은 95% 에서 underflow 산물의 경우 50.2% - 58.2%로 크게 감 소하는 것을 알 수 있다. 또한 재분산한 시료에서 함수율의 감소효과가 더 큰 것을 알 수 있다. Fig. 7에는 재분산한 슬 러리시료의 광액농도를 5%와 8%로 하여 진행한 분급실험 의 함수율 결과를 나타냈으며, underflow 산물의 함수율은 광액농도가 클수록 탈수효과는 큰 것으로 나타나, 8% 광액 농도, 0.3 MPa 조건에서 분급을 실행한 결과 underflow 산 물의 함수율은 48.8%이었다. 추가적인 함수율의 감소를 위해서 광액농도 조절을 통한 연구가 수행되어야 할 것으 로 판단된다.

결 론

건설폐기물 재활용 공정에서 발생하는 슬러리와 이를 탈 수 후 증류수에 재분산한 시료를 대상으로 2 인치 습식사이 클론을 이용해 분급실험을 수행했다. 원시료의 분급실험 에서 주입압력(공급유량)을 증가시켰을 때, underflow 산 물의 평균입도는 감소하여 광액농도 5%, 주입압력 0.3 MPa 의 조건에서 31.10 ㎛로 나타났다. 용액을 증류수로 대체하여 실험한 경우 광액농도가 증가할수록, 주입압력 이 감소할수록 분리입도가 증가하여 습식사이클론 분리이 론과 잘 일치하였다. 탈수효율은 원시료보다 증류수에 재 분산한 경우가 높았으며, 광액농도가 증가할수록 탈수효 과가 증가하여 8% 광액농도, 0.3 MPa 조건에서 분급을 실 행한 결과 underflow 산물의 함수율은 48.8%이었다. 이는 원시료 슬러리에서 기포가 발생하는 것이 습식사이클론 분 급거동을 저해하는 것이 원인으로 판단되었다.

사 사

본 논문은 한국지질자원연구원 자체사업의 지원에 의해 수행되었습니다. 당 연구를 지원해주신 관련자분들께 감 사드립니다.

References

Bradley, D., 1965, The Hydrocyclone, Pergamon Press, London, UK, pp. 41-62.

Han, C.G., Oh, S.K., Lee, S.T. and Kim, J.J., 2002,

“Physical Properties of Planting Concrete Using Recycled Aggrgates,” Journal of the Korea Concrete Institute, Vol.

14, No. 1, pp. 16-23.

Kim, J., Yoo, K., Choi, H., Choi, U.K., Park, J.H., and Alorro, R.D., 2015, “Fine Particle Classification and Dewatering of Tailing Using Hydrocyclone,” Journal of Korean Institute of Resources Recycling, Vol. 24, No. 4, pp. 56-60.

Kim, Y.J. and Chung, M.H., 2012, “Study on the Recycling of the Construction Wastes and Reformation of the System,” Journal of Korea Organic Resources Recycling Association, Vol. 20, No. 2, pp. 27-35.

Wills, B.A. and Napier-Munn, T.J., 2005, Mineral Processing

Technology; An Introduction to the Practical Aspects of

Ore Treatment and Mineral Recovery, 7

Ed., Butterworth-

Heinemann, Amsterdam, pp. 242-243.

신 희 영

1982 년 한양대학교 자원공학과 공학사 1985 년 한양대학교 자원공학과 공학석사 2000 년 한양대학교 자원공학과 공학박사

현재 한국지질자원연구원 광물자원연구원 책임연구원 (E-mail; [email protected])

최 상 현

2015 년 한국해양대학교 에너지자원공학 과 공학사

현재 한국해양대학교 해양에너지자원공학과 석사과정 (E-mail; [email protected])

유 경 근

현재 한국해양대학교 에너지자원공학과 부교수 ( 本 學會誌 第52券 第4号 參照)

Richard Diaz Alorro

2002 년 Mindanao State University, Philippines 공학사

2007 년 Hokkaido University 공학석사 2010 년 Hokkaido University 공학박사

현재 Curtin University, Department of Mining Engineering and Metallurgical Engineering, Lecturer

(E-mail; [email protected])

지 상 우

1995 년 한양대학교 자원공학과 공학사 1997 년 한양대학교 자원공학과 공학석사 2004 년 한양대학교 자원공학과 공학박사

현재 한국지질자원연구원 지구환경연구본부 책임연구원 (E-mail; [email protected])

박 일 환

2014 년 한국해양대학교 에너지자원공학 과 공학사

현재 한국해양대학교 해양에너지자원공학과 석사과정 (E-mail; [email protected])

박 제 현

1997 년 한양대학교 자원공학과 공학사 2000 년 한양대학교 자원공학과 공학석사 2006 년 한양대학교 자원공학과 공학박사

현재 한국광해관리공단 광해기술연구소 선임연구원

(E-mail; [email protected])