서 론
도시의 효율적인 이용을 위하여 도시재개발이 활발히 이루어지고 있으며, 이 때 노후 건축물이 해체되어 건축폐기물이 대량으로 발생한다. 이 중 콘크리트용 골재로 재활용이 가능한 물질로는 큰크리트 폐기물이 가장 많은 양을 차지하고 있다(Han et al., 2002). 국내 건설폐기물은 주로 도로보조기층용, 콘크리트제품 제조용, 채움재용, 수평배수층용으로 구분될 수 있다(Kim and Chung, 2012). 건축폐기물의 재활용 공정에서 다량의 슬러리가 발생하게 되나 이에 대한 대책은 부족한 실정이다.
습식사이클론(hydrocyclone)은 입자의 침강속도를 가속화하기 위하여 원심력을 이용하며 입자들을 분리하는 분급 또는 입자와 액체를 분리하는 탈수 용으로 활용하는 장치다(Bradley, 1965; Kim et al., 2015). 특히 미립의 입자를 처리할 때 효과적이며, 처리용량에 비해 설치면적이 작고 필요 동력이 적어 경제적으로 운영이 가능하다. 습식사이클론의 처리가능 입도는 주로 사이클론 크기(내경)에 의해 결정되며, 이외에 주입구, vortex finder, apex valve의 직경, 사이클론의 높이 등이 분급성능에 영향을 미치며, 운전조건으로 광액농도, 주입유량, 압력손실(pressure drop)이 보고되었다(Bradley, 1965; Kim et al., 2015).
본 연구에서는 건설폐기물 재활용 공정에서 발생하는 슬러리와 슬러리 용액을 증류수로 대체한 시료를 대상으로 2 인치 습식사이클론을 이용한 분급실험을 실시하였다. 광액농도와 주입압력을 조절한 주입유량을 변수로 하여 분급실험을 실시하고, overflow와 underflow의 입도분포를 조사하였으며, 이를 분급성능곡선으로 나타내어 분급효과를 검증하였다. 또한 overflow와 underflow 각각의 함수율을 측정하여 탈수효과 또한 조사하였다.
실험방법
본 연구에 사용된 시료는 국내 건축폐기물 재활용 공정에서 발생한 슬러리이며, 이 슬러리에는 계면활성제가 함유되어 있어 분급실험 중 기포가 발생하기 때문에 이 영향을 조사하기 위해 슬러리를 탈수한 후 증류수로 대체한 것을 비교시료로 사용하였다. 분급실험에 사용된 습식사이클론시스템은 2인치 습식사이클론을 장착하였으며, Fig. 1에 분급시스템의 모식도를 나타내었다. 시료를 슬러리탱크에 주입 후 펌프를 가동시켜 현탁액을 습식사이클론으로 이송하며, 이 때 바이패스관의 밸브를 조절하여 습식사이클론에 공급되는 현탁액의 양을 조절하게 된다. 습식사이클론에 공급되는 양은 압력계를 통하여 정량화할 수 있다. overflow와 underflow로 분급된 시료는 탱크로 낙하하여 재순환되는 시스템이며, 조건을 부여하고 5분 후 overflow와 underflow의 시료를 각각 채취하여 분석을 실시하였다. 입도분석은 Microtrac사의 S3500 입도분석기를 사용하여 분석하였고, 함수율은 Sartorius사의 MA 150 수분측정기를 사용하여 측정하였다.
실험결과 및 고찰
일반적으로 건축현장에서 골재로 사용되는 모래는 0.075 mm보다 큰 입자를 칭하며, 이보다 작을 때는 실트 또는 점토로 취급된다. 건축폐기물로부터 순환골재를 회수하는 공정에서 주로 자갈과 모래가 회수되며, 이 때 발생되는 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 무게를 감소시킬 수 있어 운송비 절약에 의한 경제성 향상이 기대된다. 당 연구에서는 건축폐기물 슬러리를 대상으로 정밀분급을 실시하여 탈수 및 실트성분 회수 가능성에 대한 검토를 진행하고자 하였다.
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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. |
Fig. 2에 원시료와 2인치 습식사이클론을 광액농도 5%, 주입압력 0.3 MPa로 운전하여 얻은 산물의 입도분포를 나타내었다. 원시료의 입자는 대부분 75 ㎛ 이하 입자에 분포하여 현재 운영 중인 건축폐기물 재활용 공정에서 실트성분을 적절히 제거하고 있는 것을 알 수 있다. 당 실험에서 2인치 습식사이클론으로 실험한 결과로부터 overflow 산물과 underflow 산물의 입도분포에서 겹치는 구간이 7.78 ㎛ – 44 ㎛로 겹치는 구간이 비교적 넓은 것을 알 수 있다.
Fig. 3에 광액농도 5%에서 주입압력을 0.2 MPa와 0.3 MPa로 하여분급한 시료의 overflow와 underflow 평균입도(median diameter, d50)를 각각 나타내었다. 일반적으로 습식사이클론의 운전조건을 증감함에 따라 분리되는 입도를 조절하는 것이 가능하며, 광액농도는 분리입도에 비례하나 압력손실(pressure drop)과 유량은 분리입도에 반비례하는 것으로 알려져 있다. 분리입도가 증가하는 것은 overflow로 배출되는 양이 증가하여 overflow와 underflow의 평균입도가 증가하는 것을 의미한다. Fig. 3에서 알 수 있듯이 underflow 산물은 주입압력(공급유량)이 증가할수록 분리입도가 감소하는 것을 알 수 있으며 overflow의 변화는 크지 않았다. 광액농도 5%, 주입압력 0.2 MPa의 조건에서 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.
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Fig. 3. The median diameters of overflow and underflow products with input pressure. |
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Fig. 4. Tromp curves of hydrocyclone products with input pressure at 5% pulp density. |
Fig. 4에 5% 광액농도의 조건에서 수행한 2인치 습식사이클론 분급실험의 결과를 주입압력에 따라 트롬프 곡선으로 나타내었으며, 다음 식에 의해 분급효율을 평가하였다.
(1)
여기서 I는 분급효율(imperfection)이다(Wills and Napier- Munn, 2005). 식에서 알 수 있듯이 75%와 25% 통과입도의 차이가 작을수록 이상적인 분급에 가까운 것으로 평가될 수 있으며, 트롬프곡선에 의해 분석된 결과는 0.2 MPa과 0.3 MPa에서 각각 0.34와 0.45로, 주입압력을 감소시킬수록 분급효율의 수치가 감소하여 이상적인 분급효율에 근접하고 있는 것을 나타낸다.
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Fig. 5. The median diameters of overflow and underflow products with pulp density and input pressure. |
건축폐기물 재활용 공정에서 이송된 슬러리 시료로 분급실험을 진행하였을 때 슬러리탱크에서 다량의 기포가 발생하여 거품층이 형성되었다. 슬러리를 여과한 후, 증류수에 재분산시켜 분급실험을 수행한 후 결과를 비교하였다. Fig. 5에 광액농도를 5%와 8% 조절한 시료를 0.2 MPa과 0.3 MPa의 조건에서 분급실험을 진행하여 얻은 산물들의 평균입도를 나타내었다. Underflow 산물과 overflow 산물 모두에서 광액농도가 증가할수록, 주입압력(공급유량)이 감소할수록 분리입도가 증가하는 것을 알 수 있으며, 이는 습식사이클론의 분리이론과 잘 일치한다.
당 연구에서는 습식사이클론을 사용하여 분급효율 뿐 아니라 탈수효율도 분석하였다. 2인치 습식사이클론 분급 후 underflow의 함수율을 측정하여 Fig. 6과 7에 나타내었다. Fig. 6에는 원시료와 증류수에 재분산한 슬러리를 5%의 광액농도 조건에서 함수율을 비교한 결과이다. 함수율은 95%에서 underflow 산물의 경우 50.2% - 58.2%로 크게 감소하는 것을 알 수 있다. 또한 재분산한 시료에서 함수율의 감소효과가 더 큰 것을 알 수 있다. Fig. 7에는 재분산한 슬러리시료의 광액농도를 5%와 8%로 하여 진행한 분급실험의 함수율 결과를 나타냈으며, underflow 산물의 함수율은 광액농도가 클수록 탈수효과는 큰 것으로 나타나, 8% 광액농도, 0.3 MPa 조건에서 분급을 실행한 결과 underflow 산물의 함수율은 48.8%이었다. 추가적인 함수율의 감소를 위해서 광액농도 조절을 통한 연구가 수행되어야 할 것으로 판단된다.
결 론
건설폐기물 재활용 공정에서 발생하는 슬러리와 이를 탈수 후 증류수에 재분산한 시료를 대상으로 2 인치 습식사이클론을 이용해 분급실험을 수행했다. 원시료의 분급실험에서 주입압력(공급유량)을 증가시켰을 때, underflow 산물의 평균입도는 감소하여 광액농도 5%, 주입압력 0.3 MPa의 조건에서 31.10 ㎛로 나타났다. 용액을 증류수로 대체하여 실험한 경우 광액농도가 증가할수록, 주입압력이 감소할수록 분리입도가 증가하여 습식사이클론 분리이론과 잘 일치하였다. 탈수효율은 원시료보다 증류수에 재분산한 경우가 높았으며, 광액농도가 증가할수록 탈수효과가 증가하여 8% 광액농도, 0.3 MPa 조건에서 분급을 실행한 결과 underflow 산물의 함수율은 48.8%이었다. 이는 원시료 슬러리에서 기포가 발생하는 것이 습식사이클론 분급거동을 저해하는 것이 원인으로 판단되었다.
