폐그물의 재활용을 위한 마찰하전 정전선별 연구

1.

실험재료

이번 연구에 사용된 시료는 국내 P사에서 제공한 폐 그물로, -10 mm로 파쇄되어 제공되었으며 가는 실 형 태의 Nylon, PP (polypropylene), PE (polyethylene)가 혼합되어 있다. Table 1은 수선(hand picking)에 의한 분석 결과 및 재질별 사진을 나타낸 것으로, 옅은 녹색 인 Nylon 76.3%, 하얀색인 PE 14.8% 그리고 녹색인 PP 8.9%의 무게비로, 회수 대상인 Nylon이 대부분임 을 확인하였다.

Table 1.

Weight ratio of raw sample by material

2.

실험방법

2.1.

하전특성

이번 연구에서는 회수하고자 하는 폐그물의 Nylon 과 PE 및 PP를 반대 극성으로 하전시킬 수 있는 하전 재질(charging material)을 선정하기 위한 하전특성 실 험을 수행하였다. 서로 다른 일함수 값과 대전서열을 가진 하전통[charging containers, PVC (polyvinyl chloride), PP, PE, PET (polyethylene terephthalate), HIPS (high impact polystyrene), ABS (acrylonitrile butadiene styrene), PMMA (polymethyl methacrylate), POM (polyoxymethylene), Nylon]에 순수한 pellet 형태의 Nylon, PE, PP를 각각 단일 상태로 투입하고 수직왕복 형 하전장치로 하전시킨 후, Nylon, PE, PP의 하전극 성과 하전량을 Faraday Cage를 이용하여 측정하였다. Nylon, PE, PP의 하전극성과 하전량을 Faraday Cage 를 이용하여 측정하였다. 시료는 20 g을 사용하였으며, 실험변수인 상대습도와 온도는 각각 30%와 25°C, 회 전속도와 체류시간을 각각 250 rpm과 2분으로 고정하 고 실험을 수행하였다.

Fig. 1.

Vertical reciprocating tribo-charger set.

Fig. 1은 하전특성 연구를 위해 사용된 하전장치 set 을 나타낸 것으로, 수직왕복형 하전장치, 다양한 하전 통(charging containers), Faraday Cage로 구성되어 있 다. 수직왕복형 하전장치의 경우, 하단부 모터를 통한 회전운동을 cam 축에 의해 상하 왕복운동으로 변환시 켜 상단의 하전통에 투입된 입자를 하전시키도록 고안 되었다.

2.2.

선별특성

Fig. 2는 이번 연구에서 선별특성 연구를 위해 사용 된 마찰하전 정전선별 장치를 나타낸 것이다. 본체 후 면에 pipe line 하전장치, 중앙에 전극이 설치되어 있으 며, 전극은 구배력이 큰 스크린 타입의 구리 재질이 사 용되었다. 본체 하단에는 시료 투입 장치가 있어 이를 통해 시료가 공기와 함께 하전장치를 거쳐 전기장으로 투입된다. 선별장치 하단에는 최대 전압이 25,000 Voltage인 positive와 negative power supply가 설치되 어 있다. 시료의 이동은 압축공기를 이용하였으며, 공 기 중 수분함량이 하전 및 선별효율에 영향을 미치기 때문에 compressor에 수분을 제거할 수 있는 장치를 별도로 설치하였다. 실험방법은 10 g의 시료를 pipe line 하전장치 내부에 공기와 함께 투입하여 충돌/마찰 시킨 후, 서로 다른 극으로 하전된 입자를 고전압의 전 기장으로 이동시켜 분리하였다. 분리된 시료는 각각의 회수대에 수집되었으며, 수선을 통해 분석되었다. 그리 고 선별효율에 영향을 미치는 인자인 전극의 전압세기, 공기의 속도, 분리대의 위치 그리고 습도의 실험조건을 변화하면서 최적 선별조건 및 효율을 확인하였다.

Fig. 2.

Triboelectrostatic separation equipment set.

이번 연구의 목적은 Nylon 재질의 품위와 회수율을 최대한 높이는 것이다. 따라서 선별효율은 negative 전 극쪽으로 회수되는 산물의 Nylon 품위와 회수율을 기 반으로 평가되었으며, 아래 식 (1), (2)와 같다. 여기에 서 NY_g는 negative 전극쪽으로 회수된 산물의 Nylon 품위, N_n은 negative 전극쪽으로 회수된 산물의 Nylon 함량, N_p는 negative 전극쪽으로 회수된 산물의 PE와 PP 함량이다. 그리고 NY_r은 negative 전극쪽으로 회수 된 산물의 Nylon 회수율, P_n은 positive 전극쪽으로 회 수된 산물의 Nylon 함량이다.

(1)

NY g = N n N n + N p × 100

(2)

NY r = N n N n + P n × 100

1.

하전특성

이번 연구에서는 폐그물을 구성하는 재질인 Nylon 과 PE 및 PP를 반대 극성으로 하전시킬 수 있는 하전 재질을 선정하기 위한 하전특성 실험을 수행하였다. Fig. 3은 실험결과를 나타낸 것으로, Nylon (sample)의 경우, 같은 재질인 Nylon (charging material)에서 거의 하전이 이루어지지 않았으며, 그 외의 모든 재질에서 positive로 하전이 이루어지는 것을 알 수 있다. 이는 Nylon의 일함수 값(work function)이 다른 재질에 비해 낮기 때문이다. PE와 PP (sample)의 경우, 같은 재질인 PE와 PP (charging material), PVC를 제외한 모든 재질 에서 negative로 하전되는 것을 확인하였다. 이는 PE와 PP (sample)가 세 재질(PVC, PE, PP)을 제외한 모든 재질보다 일함수 값이 높기 때문이다. 그리고 Fig. 3에 서 알 수 있듯이 PE와 PP는 서로 유사한 일함수 값을 가지고 있어 하전효율이 낮은 것을 알 수 있다. 실험결 과, PE와 PP는 상대적으로 높고 Nylon은 낮은 일함수 값을 가지는 것을 확인하였다. 그리고 Nylon과 PE 및 PP를 분극할 수 있는 재질은 PET, HIPS, ABS, PMMA, POM 재질임을 확인하였다.

Fig. 3.

Charging property of Nylon, PE and PP as charging materials.

이번 연구에 사용된 폐그물의 경우, Nylon 재질이 전체의 76.3%이다. 따라서 PE와 PP의 하전량이 많은 PMMA와 POM 재질보다는 Nylon의 하전량이 많은 PET, HIPS, ABS 재질에서 효과적인 분리가 예상된다. 이번 연구에서는 PET, HIPS, ABS 재질 중, 상대적으 로 하전량 차이가 큰 ABS 재질을 선정하였으며, ABS pipe line 하전장치로 마찰하전 정전선별 연구를 수행 하여 최적 선별조건 및 효율을 확인하였다.

2.

선별특성

하전특성 연구에서 Nylon과 PE 및 PP를 분극할 수 있는 재질 중 하나인 ABS 재질의 pipe line을 하전장 치로 사용하여 마찰하전 정전선별을 수행하였으며, 다 양한 조건을 변화하며 최적 선별조건 및 효율을 확인 하였다.

Fig. 4.

Effect of applied voltage on separation efficiency.

Fig. 4는 전극의 전압세기가 선별효율에 미치는영향 을 관찰한 것으로, 공기속도 10.28 m/s, 분리대의 위치 중앙에서 negative 전극 쪽으로 6 cm 이동한 지점, 상 대습도 30%의 조건에서 전압세기에 따른 선별효율을 확인하였다. 실험결과, 전압세기가 증가할수록 Nylon 의 품위와 회수율이 증가하는 것을 알 수 있다. 즉, 전 압세기가 가장 약한 5 kV에서 품위와 회수율이 각각 95.7%와 70.0%로 가장 낮지만, 가장 강한 25 kV에서 는 각각 98.8%와 83.3%까지 증가하였다. 이처럼 전극 의 전압세기가 본 연구에 영향을 미치는 이유는, 하전 장치 내에서 하전된 입자들의 하전량과 전기장 내에서 낙하하는 속도가 모두 다르며, 하전된 입자들의 하전량 이 nC 단위의 미미한 에너지이므로 이 입자들을 전극 쪽으로 끌어당기기 위해서는 높은 에너지가 필요하기 때문이다⁹⁾. 이번 연구에 사용된 power supply의 최대 용량은 25 kV로 그 이상의 전압 세기에 관한 연구는 이루어지지 않았으며, 전극의 전압세기를 25 kV로 고 정하고 분리실험을 수행하였다.

Fig. 5.

Effect of air velocity on separation efficiency.

Fig. 5는 이번 연구에서 시료를 전기장으로 이송하고 하전을 일으키는 공기속도가 선별효율에 미치는 영향 을 확인하기 위하여, 공기속도를 6.23m/s에서 12.45 m/s까지 변화하며 실험한 결과이다. 전극의 전압세기 25 kV, 분리대의 위치 중앙에서 negative 전극 쪽으로 6 cm 이동한 지점, 상대습도 30%에서 공기속도의 변 화가 선별에 미치는 영향을 관찰하였다. 실험결과, 공 기속도가 가장 낮은 6.23m/s에서 Nylon의 품위와 회 수율은 각각 96.3%와 71.4%로 가장 낮지만, 공기속도 10.28 m/s에서는 각각 98.8%와 83.3%로 가장 높은 것 을 알 수 있다. 그러나 공기속도가 10.28 m/s보다 증가 하면 선별효율이 감소되어, 공기속도 12.45 m/s에서는 각각 98.3%와 80.6% 이었다. 이처럼 하전장치 내의 공기속도가 선별효율에 영향을 미치는 이유는 공기속 도가 높아져 유체의 외부에너지가 증가하면 유동층 내 시료의 운동 에너지도 증가하게 되어 하전장치 내벽과 입자 그리고 입자와 입자 간의 충돌 횟수와 강도가 증 가하기 때문이다. 시료의 충돌 횟수와 강도가 증가하면 전자의 이동이 활발해져 입자의 표면 하전량도 증가한 다. 이렇게 하전량이 큰 입자는 고전압의 전기장에서 쉽게 전극 쪽으로 편향되어 선별효율이 증가한다. 그러 나 공기속도가 적정 속도보다 커지면 입자의 하전량은 높일 수 있으나, 전기장 내에서 체류시간이 짧고 입자 의 낙하 속도를 증가시켜 전극으로의 편향에 영향을 줄 수 있다. 또한, 편향된 입자의 속도가 빨라져 전극이나 분리대에 bounding 되어 선별효율이 감소하게 된다¹⁰⁾.

Fig. 6.

Effect of splitter position on separation efficiency.

하전장치에 의해 하전된 입자들이 전기장 내에서 분 리될 때, 하전량에 따라 전극으로 이동되는 속도와 거 리가 달라서 전기장 하단에 있는 분리대를 이동시켜 선별에 적합한 조건을 얻을 수 있다. Fig. 6은 분리대 의 위치가 선별효율에 미치는 영향을 관찰하기 위하여 전극의 전압세기 25 kV, 공기의 속도 10.28 m/s 그리고 상대습도를 30%로 고정하고, 분리대의 위치를 중앙으 로부터 positive와 negative 전극 쪽으로 각각 6 cm까지 이동하며 실험한 결과이다. 실험결과, 분리대의 위치가 negative 전극으로 이동할수록 Nylon의 품위는 증가하 나 회수율이 감소하였다. 반대로 분리대의 위치가 positive 전극으로 이동할수록 품위는 감소하나 회수율이 증가하는 것을 확인하였다. 본 연구에서 분리대의 위치 는 품위와 회수율을 고려하여, 중앙에서 negative 전극 쪽으로 6 cm 이동한 지점을 최적 분리대의 위치로 선 택하였다. 이때 Nylon의 품위와 회수율은 각각 98.3% 와 80.6%인 결과를 얻었다. 이처럼 분리대의 위치에 따라 선별효율이 달라지는 이유는 분리대의 위치에 따 라 하전된 입자의 회수량이 차이를 보이기 때문이다. 즉, 분리대의 위치가 positive 전극으로 이동하게 되면 positive로 하전된 Nylon의 회수존이 넓어져 Nylon의 회수율은 높아지지만, 하전효율이 낮은 PE와 PP가 Nylon 회수존으로 이동할 수 있어 Nylon의 품위가 낮 아지는 것이다. 반대로 분리대의 위치가 negative 전극 으로 이동하게 되면 Nylon의 회수존이 좁아져 하전효 율이 높은 Nylon만 회수되기 때문에 품위는 높아지나, 하전효율이 낮은 Nylon이 PE와 PP 회수대로 이동하여 회수율이 낮아지는 것이다.

Fig. 7.

Effect of relative humidity on separation efficiency.

Fig. 7은 실험실의 상대습도가 선별효율에 미치는 영 향을 관찰한 것으로, 전압의 세기 25 kV, 공기속도 10.2 8m/s 그리고 분리대의 위치 중앙에서 negative 전 극 쪽으로 6 cm 이동한 지점에서 실험실의 상대습도를 가습기와 제습기를 이용하여 20%에서 70%까지 조정 하며 선별효율을 확인하였다. 상대습도 40%까지는 선 별효율에 큰 영향을 미치지 않지만, 이보다 상대습도가 증가하면 Nylon의 품위와 회수율이 크게 감소하는 것 을 알 수 있음. 즉, 상대습도가 가장 낮은 20%일 때, Nylon의 품위와 회수율이 각각 98.7%와 84.1%로 가장 높지만, 상대습도 40%에서도 각각 98.5%와 81.0%로 큰 차이를 보이지 않는다. 그러나 상대습도가 이보다 증가하면 선별효율이 크게 낮아져 상대습도 70%에서 는 품위와 회수율이 각각 61.5%와 55.7%까지 감소하 여, 높은 선별효율을 위해서는 상대습도가 40% 이하 로 유지되어야 함을 확인하였다. 본 연구에서는 상대습 도 30%를 최적 실험조건으로 분리실험을 수행하였으 며, 이때 Nylon의 품위와 회수율이 각각 98.8%와 83.3% 이었다. 이처럼 마찰하전 정전선별에서 상대습 도가 선별효율에 영향을 미치는 이유는, 상대습도가 높 을수록 공기 중의 수분이 마찰하전 시 입자 간의 표면 분극을 방해하고, 하전된 입자의 전하를 방전시키기 때 문이다¹¹⁾.