공기흐름계에서 자성/비자성 미분체의 연속적 자성분리

여 평 모, 김 용 하

부경대학교 화학공학과

Continuous Separation of Magnetic/non-Magnetic Powders

in Pneumatic Conveying System

Pyoung-Mo Yeo and Yong-Ha Kim

Department of Chemical Engineering, Pukyong National University

서론

자성분리 기술은 입자들의 자화율(Magnetic susceptibility)의 차이를 이용하여 분리하는 것으로 철광석의 선별 등에 19 세기부터 이용되기 시작하였다. 자성 특성, 즉 자화율(M/H, 자장강도에 대한 자화정도)에 따라 물질은 크게 세 가지로 분류된다. 자화율이 보통 1의 차수를 가지는 물질을 강자성(ferromagnetic), 10-3 - 10-5 범위에 있는 물질을 상자성(paramagnetic), 10-5에서 음수 값을 가지는 물질을 반자성(diamagnetic) 물질이라 한다. 이와 같이 자화율이 다른 물질들이 섞여 있는 혼합체 경우에 자성(강자성 또는 상자성) 물질을 농축분리 또는 반자성 물질을 선택적으로 분리하는 방법으로 자성분리 기술이 광범위하게 이용되고 있다.

자성분리 기술의 이용 분야로는 화학, 식품, 의약품 등에서 불순물인 철분을 제거, 광물질 중에서 니켈, 석회석, 철 등을 선별하는 광물질 선광(Mineral beneficiation), 폐수 중에 있는 부유물질, 기름 등을 제거하는 수처리, 석탄의 정제 등을 들 수 있다.1) 자기장이 형성된 영역내로 입자의 부유상이나 혼합체를 통과시켜 자성 입자를 선택적으로 분리하는데 있어서 자성 입자에 가해지는 외력으로는 자력(Magnetic forces)외에 중력, 유체력, 관성 및 원심력 등이 작용하게 된다. 또한 정전기와 전자기력 등과 같은 부착력, 반발력 등 입자간의 상호작용에도 자성분리는 영향을 받게 된다. 자성입자가 선택적으로 분리되기 위해서는 자력이 외력 및 입자 상호간 힘의 합보다 커야만 분리가 가능하게 된다.2) 자성분리 장치로는 다수의 특허와 논문이 발표되었으며, 또한 응용된 장치도 많다. 일반적으로 자성분리 장치는 중력을 이용한 격자형, 드럼형과 벨트형 등이 있다. 이들은 상대적으로 입경이 큰 물질과 강자성 물질의 분리에 효과적이다.3) 그러나, 이와 같은 저강도 자성분리장치로는 상자성체는 분리하기가 어렵다. 상자성체를 분리하는데 충분한 자력을 얻기 위해서는 철망과 같은 강자성체 망(Ferromagnetic matrix)등을 입자들이 통과하는 부분에 삽입한 고구배 자성분리(High gradient magnetic separation, HGMS)가 이용되고 있다.4) 이러한 HGMS는 matrix 또는 steel wool을 사용하기 때문에 고농도의 흐름에서는 압력손실이 발생하며, matrix나 steel wool 등에 포집된 자성체를 단속적으로 분리 회수해야 하기 때문에 연속적인 조업이 어렵다.

흐름의 압력손실을 최소화하고, 자성/비자성 혼합분체로부터 연속적으로 자성입자만을 분리하기 위한 장치로 전자석 유동층이 제안된바 있다.5) 이러한 이중관식 전자석 유동층은 제거율면에서는 효과적이지만 상향식(up-flowing)이기 때문에 가스와 미분체의 흐름이 core-annulus 형태를 가지게 된다. 중심의 희박영역에서는 가스와 미분체가 상승하고, 벽부근의 annulus 영역에서는 미분체가 농후상으로 하강하게 된다.6) 이러한 미분체의 하강에 의한 역혼합 때문에 내관에서 외관으로 자성분체 뿐만 아니라, 비자성분체도 빠져 나오는 현상이 일어나게 된다.

이러한 미분체의 역혼합을 억제하고, 축 방향의 분포를 일정하게 하면서 cluster 형성을 최소화 하는 방법으로 하향식(down-flowing) 방법이 이용될 수 있다. 반경방향의 고체분율이 상향식 경우에는 벽쪽으로 갈수록 지수적으로 증가하는 경향을 보이지만, 하향식 경우에는 반경이 증가할수록 일정한 고체분율을 가지며 벽쪽에서 약간 증가하다가 감소하는 경향을 보인다. 또한 입자들의 침강속도 분포도 거의 일정해진다.7) 따라서, 하향식 이중관은 자력분리에 보다 효과적인 유체역학적 특성을 가지고 있어, 내관에서 외관으로 비자성물질이 빠져나오는 현상을 최소화 할 수 있다.

본 연구에서는 전자석 유동층을 하향식으로 개선한 자성분리 장치를 제안하고, 자성/비자성 혼합분체의 선택적 분리 특성 및 자성분체의 제거에 대한 조업변수의 영향을 규명하고자 한다.

실험

Fig. 1은 본 연구에서 사용된 실험장치의 개략도로 자성분리 탑, 전자석, 입자 공급기 및 공기공급기, 사이클론과 bag filter로 구성되어 있다. 자성분리 탑은 투명한 아크릴관으로 외관은 내경 10 cm, 두께 1 cm, 높이 124 cm, 내관은 내경 7 cm, 두께 0.3 cm, 높이 124 cm로 두 부분으로 제작되었다. 이는 공기 및 중력에 의해 자성/비자성 혼합분체가 흐르는 내측 core와 자성분체를 분리하여 배출하는 annulus부를 택해 연속적 그리고 선택적인 분리를 위한 것이다. 내관에는 직경이 2 mm인 구멍을 8개/cm2(개구율 : 25 %)로 전자석이 위치한 부분에 뚫어 자성 입자가 자력의 영향을 받아 core로부터 annulus로의 흐름을 가능하게 하였다. 전자석은 연철(mild steel, 0.2 C)에 구리선을 6100 회 감아서 제작한 전자석을 Fig. 2와 같이 180°로 서로 마주 보는 형태를 1 세트로 하여 15 cm 간격으로 3단, 총 6개를 설치하였다. 이와 같은 전자석에 각각 최대 4 A의 전류를 흘러보내 자기장을 하부로부터 첫 번째, 세 번째 전자석 세트와 두 번째 전자석 세트를 각각 따로 on/off가 가능하도록 하였다. 이는 자석에 포집된 자성물질을 분리하기 위해서는 자기장을 소멸시켜야하는데 전체 전자석이 소멸되지 않고 각각 따로 소멸되도록 하여 연속적으로 분리가 가능해야 하기 때문이다. 입자 공급기는 진동과 공기수송을 이용하여 본 연구자들이 개발한 장치를 사용하였다.8) 실험에 사용한 자성분체는 C 특수강 회사에서 배출되는 평균입경 21 □인 G/D 분진과 평균입경 87 □인 Shot 분진을, 비자성분체로는 평균입경이 48 □인 미분탄을 각각 단일성분 또는 일정량을 혼합하여 사용하였다. 실험방법은 입자 공급기를 이용하여 미분체는 상부에서 공기와 같이 단일 노즐에 의해서 분산되도록 하였다. 약 3 분 동안 공급을 하여 annulus에 축적된 분체와 사이클론과 bag filter에 포집된 분체 내에 포함된 자성 미분체의 분율을 X-선 회절 분석에 의한 검량곡선과 비교하여 자성 미분체의 제거효율을 구하였다.

결과 및 고찰

Fig. 3은 3 단으로 설치된 전자석의 on/off 시간에 따른 자성분체의 회수율 변화를 나타낸 결과이다. 자성 미분체로는 G/D 분진과 Shot 분진을 단일 성분으로  사용하였으며, 공탑가스유속은 0.31 Nm/s, 각 전자석에 흐르는 전류는 각각 4 A로 하였다.

G/D, Shot 분진 모두 전자석 세트를 on/off를 하지 않고 계속 자기장을 주었을 경우 즉, on/off 시간이 0 일 경우에는 자성분체 회수율이 약 50 % 정도이었다. 이 결과는 시간의 경과에 따라 자력선을 따라서 반경방향으로 자성분체의 chains이 형성되기 때문에 내관에서 외관으로의 흐름이 방해받고, 또한 비개구면의 내측에 일부 자성입자들이 붙어있는 현상이 일어나기 때문으로 판단된다. 한편 자기장을 첫 번째 및 세 번째 단과 두 번째 단의 전자석을 번갈아 가면서 on/off 시켰을 경우에는 구멍사이에서 자성분체의 chains 형성을 억제할 뿐만아니라 연속적인 조업도 가능해졌다. Shot 분진 경우에는 제거효율은 약 50 %에서 약 80 % 정도로 상승하였고, G/D 분진 경우에는 약 60 - 70 % 정도로 증가하는 경향을 보였다. Shot 분진에서 더 높은 회수율을 보이는 것은 자장강도에 대한 자화정도 평가에서 Shot 분진의 자화율이 더 높은데 기인한다고 본다.

참고문헌

1. Tsouris, C. and Yiacoumi, S., Separation Science and Technology, 32, 1-4,

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2. Svoboda, J., Magnetic Methods for the Treatment of Minerals, ELSEVIER

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3. Oberteuffer, J. A,: IEEE Transactions on Magnetics, Mag-10, 2, 223-238

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4. Oder, R. R., IEEE Transactions on Magnetics, Mag-12, 5, 428-435 (1976)

5. Kim, Y. H. and Suh, I. K., J. of Korean Inst. of Resources Recycling, 6, 1,

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7. Wei, F. and Zhu, J. X., The Chemical Engineering Journal, 64, 345-352

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8. Yeo, P. M. and Kim, Y. H., Theories and Application of Chemical

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