제철 폐수내 부유 고형물의 자성 유체분리

김 용 하, 서 근 학, 여 평 모, 남 우 석, 김 두 호

부경대학교 화학공학과

Magnetic Fluid Separation of Suspended Solids

in Steel-making Wastewater

Yong-Ha Kim, Kuen-Hack Suh, Pyoung-Mo Yeo,

Woo-Seok Nam and Doo-Ho Kim

Department of Chemical Engineering, Pukyong National University

서론

본 연구자들이 1997년부터 연구 개발중인 폐수내 부유 고형물의 자성 유체분리 기술 (Mag-Clean Technology)은 폐수내 부유 고형물과 자성 미분체 (magnetite, 자철광분, 제강 슬럿지, 환원철분 등)가 모두 분체이면서 평균 입경이 30 □이하로 작기 때문에 쉽게 침전이 되지 않는 반면 이들 사이에는 van der Waals 힘과 같은 응집력이 작용하여 자성플럭 (Magnetic Floccule)을 형성함에 착안하고 있다. 부유 고형물이 포함된 폐수내에 자성 미분체를 혼합 교반시켜 부유 고형물에 자성 미분체가 부착된 형태의  자성 플럭을 만들고 이와 같은 자성플럭을 유체의 흐름과정에서 중력이나 유체력보다 강한 자력에 의해 분리 배출하는 것을 기본 원리로 한다 (여 등, 1997).

이와 같은 자성 유체분리 시스템의 구성은 폐수내 부유 고형물의 화학적, 자기적 물성에 따라 두가지 mode로 구분된다.

* One-Step mode :

폐수내 부유물이 비자성인 경우에는 원 폐수내 부유물의 농도를 기준하여 자성 미분체를 적정 비율로 혼합 교반하여 자성 플럭을 형성한 후 자성 유체분리 탑을 한번 통과시키는 방식 (대상 폐수 : 생활오수, 축산폐수 등)

* Two-Step mode :

제철 공업의 세정수와 같이 부유물에 자성이 띠고 있는 FeO (wustite)나 Fe3O4(magnetite) 성분이 포함되어 있는 경우, 자성 미분체를 전혀 투입하지 않은, 즉 원 제철 세정수를 자성 유체분리 탑으로 통과시켜 세정수내 자성 부유물를 제거하고 이때 얻어진 1차 자성 유체분리 수에 자성 미분체를 잔존하는 비자성 부유물의 농도를 기준하여 적정 비율로 혼합 교반하여 자성 플럭을 형성한 후 한번 더 자성 유체분리 탑을 통과시켜 1차 자성 유체분리 수내 잔존했던 부유물까지를 제거하는 방식 (대상폐수 : 제철 냉각수, 산세수, 제철 집진수 등)

제철공업의 야금과 정련공정에서는 분진을 습식으로 제거 처리하고 있다. 이 과정에서 발생되는 세정수내에는 철광석, 코크스 그리고 석회석의 분진에 의한 부유물이 많이 함유되어 있어 정화처리후 방류 내지는 재사용하여야한다. 용광로 세정수와 전로가스 세정수내 부유물의 농도는 각각 500 - 3,000 ppm과 2,000 - 5,000 ppm으로 이들 세정수내 부유물은 비교적 입경이 크고 밀도가 높아 2 - 3 시간 정치를 시키면 약 80 %에 해당되는 100 □ 이상의 분진은 침강 제거되지만 그 이하의 미립자를 제거하기 위해서는 pH의 조정과 응집제를 주입하여 응집침전하거나 모래 여과시키는 방법을 사용하고 있다. 이와 같은 방법은 처리속도가 낮고, 화학약품의 필연적 주입에 따른 2차오염과 처리수의 순환 사용이 어려운 문제점을 안고 있다. 제철 세정수의 경우에는 세정수내 부유물에 자성을 띠고 있는 FeO (wustite)나 Fe3O4 (magnetite) 성분이 60 - 80 %까지 포함되어 있어 자성 유체분리 기술의 적용시 위에서 설명한 two-step mode가 타당하다고 판단된다. 이와 같은 방법으로 제철폐수를 제철 세정수로 재사용할 수 있는 수준까지 정제함과 동시에 1 차 자성 유체분리 탑에서 얻어지는 슬럿지로부터는 자성 유체분리에 사용되는 제철계 자성 미분체의 원료 확보도 가능해진다 (김 & 서, 1999).

본 연구는 이와 같은 자성 유체분리 기술을 제철 세정수의 청정화에 확대 적용함에 있어서, 첫째 제철 공정별로 방출되는 폐수의 물리적/화학적 물성을 조사하여 부유 고형물의 자화성을 평가하며, 둘째, 자성 유체분리 탑을 통한 제철 폐수내 부유 고형물의 제거에 대한 조업변수의 영향을 규명하고자 한다. 그 결과는 제철 세정수의 자성 유체분리 공정 구성과 설계 및 조업성 향상에 직접 적용될 것으로 기대된다.

실험

본 실험에 사용한 자성 유체분리 장치는 자성 유체분리 탑, 폐수와 자성미분체의 혼합기, 슬러리 (폐수 + 자성미분체) 공급 pump, On/Off식 자석 set로 구성되어 있다 (여 등, 1997). 제철 폐수를 대상으로 한 two-step mode 운전은 1차 자성 유체분리와 1차 자성 유체분리 수와 자성 미분체의 혼합교반, 그리고 2차 자성 유체분리가 직렬로 연속 진행되는데 비해 본 실험은 다음과 같이 불연속적으로 진행되었다. 즉, 제철소부터 공급된 제철 슬럿지가 물에 희석된 제철 폐수는 교반형 slurry 탱크로부터 peristaltic pump를 경유하여 자성 유체분리 탑의 하부로 유입되어 상부로 흐르는 과정에서 1차 자성 유체분리가 된다. 1차 자성 유체분리에서 얻어진 1차 자성 유체분리 수의 탁도를 측정하여 1차 자성 유체분리 수내 잔존하는 부유물의 농도를 예측하고 이를 기준으로 자성 미분체/부유물의 질량비가 일정값을 갖도록 자성 미분체를 1차 자성 유체분리 수에 투입 교반하게 된다. 1차 자성 유체분리 수와 자성 미분체의 혼합수는 교반형 slurry 탱크로부터 peristaltic pump를 경유하여 다시 한번 자성 유체분리 탑을 흐르는 과정에서 2차 자성 유체분리가 된다.

제철 폐수내 부유 고형물의 농도는 제철 공정에서 배출되는 폐수를 기준하여 440 - 1600 ppm의 범위에서 조절하거나 제철 공정에서 배출되는 원 폐수를 그대로 사용하였다. 본 실험에서는 제철소의 제선, 제강, 스텐레스 공정에서의 제진수, 산세수 그리고 선재 냉각수 등을 제철 폐수의 대상으로 하였다. 자성 유체분리 탑에서 제철 폐수의 공탑 액체유속은 0.1 - 0.9 cm/s의 범위에서 조절하였다. 자성 미분체로써는  평균입도가 약 2 □m인 1급 시약용 四三酸化鐵과 POSCO 제철 공정의 배가스에서 포집되는 자성 분체 (제강 sludge, 제강 dust)와 천연산 자성 철분 (Romeral (페루산) 자철분), 철가공에서 발생되는 분진(G/D & shot dust) 등을 사용하였으며 부유 고형물에 대한 자성 미분체의 질량비 (: magnetic powders/SS)는 0 - 4.0의 범위에서 조절하였다. 각 조건에서의 실험시간은 약 30분, 시료 채취는 2회로 하였으며 폐수내 고형 부유물의 농도는 Standard Method, 탁도는 HACH 2100N turbidimeter, 입도는 SHIMADZU SALD-2001에 의해 분석하였다.

결과 및 고찰

Photo 1은 철판의 산세 과정에서 발생되는 폐수에 자성 미분체를 투입시 부유 고형물의 표면에 자성 미분체가 다수 부착되어 형성된 자성 플럭을 현미경으로 관찰한 것이다. 이와 같은 자성 플럭이 자석에 접근했을 때 자성 플럭의 자화력과 자석의 자력이 폐수 흐름의 유체력보다 큰 조건에서 자석에 포집 제거되는 것이다. 자성 플럭의 자화력은 부유 고형물과 자성 미분체 자체의 자화력, 자성 미분체와  부유 고형물의 입경, 그리고 부유 고형물에 부착된 자성 미분체의 양에 따라 영향을 받게된다.

(a) before                            (b) after

Photo 1. Photos of floc before and after magnetic flocculation

(× 400 microscope)

자성 유체분리에서는 폐수내 부유 고형물에 상대적으로 입경이 작은 자성 미분체가 흡착되게 된다. 따라서 일반 흡착에서 볼 수 있는 바와 같이 흡착제 단위 질량당 흡착되는 물질의 양, 즉 부유 고형물에 부착되는 자성 미분체의 양이 제한받게 된다. 자성 미분체의 투입량이 많을수록 부유 고형물과 자성 미분체사이의 거리가 감소되면서 van der Waals 힘이 강해지고 생성되는 자성 플럭의 자화력이 높아져 결국 부유 고형물의 제거가 용이하게 된다. 한편 자성 미분체의 투입량 증가는 자성 미분체의 투입 비용은 물론 궁극적으로는 자성 플럭 슬럿지의 발생을 증가시키게 되어 이들의 탈수와 건조 등 후처리 공정에서의 처리 부하가 커지는 문제가 있다. 이와 같은 관점에서 제철 폐수내 부유 고형물의 자성 유체분리시 자성 미분체의 투입없이  1차 자성 유체분리를 통해 자성이 있는 부유 고형물을 미리 제거한다는 것은 경제적, 환경적으로 큰 의미를 갖는다.

Figs. 1와 2는 각각 D 산업 산세수의 1차 자성 유체분리 수내 부유 고형물의 농도, 즉 단위 부피당 부유 고형물의 질량에 대해 투입되는 자성 미분체의 질량비에 따른 부유 고형물과 탁도의 변화를 나타낸 것이다. 공탑 액체유속은 0.56 cm/s, 자성 미분체/부유 고형물의 질량비는 0.5 - 3.5, 그리고 자성 미분체로는 magnetite와 G/D 및 Shot 분진을 사용하였다. 이때 원 세정수내 부유 고형물의 농도와 탁도는 각각 280 - 1200 ppm, 100 - 850 NTU, 그리고 1차 자성 유체분리 수내 부유 고형물의 농도와 탁도는 각각 200 - 800 ppm, 100 - 550 NTU이었다. 자성 미분체/부유 고형물의 질량비가  0.5 이상으로 증가되면서 부유 고형물의 농도와 탁도 모두가 안정적으로 낮아지는 것으로 보아 바람직한 자성 미분체/부유 고형물의 질량비는 약 1.0으로 판단된다. 단, 자성 미분체의 물성에 따라 자성 미분체/부유 고형물의 적정 질량비에는 약간의 차이가 있을 것으로 예상된다.

참고문헌

1. 여평모, 김용하, 서근학, 서인국, □자성 유체분리에 의한 폐수내 부유고형

물의 제거□, 화학공학의 이론과 응용, Vol. 3, No. 2, 2933-2936 (1997)

2. 김용하, 서근학, □제철 제진수내 분진의 연속 제거를 위한 자성 유체분리

장치□, 대한민국 특허출원 번호 : 99 - 2463