부유선별 기법을 적용한 청정에너지로서의 Clean Coal 제조에 대한 연구

Abstract

Coal(석탄)은 우리나라가 다량 보유하고 있는 화석 연료로서 석유나 가스와 같은 다른 화석에너지에 비해 매장량이 풍부하여 공급이 안정적이고, 지역적인 편재가 심하지 않으며 경제성이 중장기적으로 우수하여 지금과 같은 고유가 시대에 수입 에너지를 대체할 수 있는 대안 중 하나이다. 그러나 장기적인 에너지 공급을 위해서는 연소 시 혹은 연소 후 발생되는 대기오염 근원 물질을 제거하여 clean coal을 이용할 수 있는 기술 개발이 뒤따라야 한다. 본 연구에서는 coal 중 환경오염물질인 황성분과 순수한 coal을 분리하여 clean coal을 얻는 기술을 고찰하기 위해 coal과 coal에 존재하는 중요한 황 함유 물질인 pyrite(황철석)를 대상으로 접촉각 측정실험과 부유선별 실험을 수행함으로써 표면 특성을 파악하였다. 부유선별과 직접적으로 연관되는 기초연구로서 coal과 pyrite의 표면 접촉각을 측정하여 이들의 부유 특성을 조사하였으며 이러한 접촉각 측정 결과로부터 coal과 pyrite의 Zisman plot을 구성하여 부유 선별에 관한 표면 특성을 파악하였다. 또한 포수제 및 산화제, 환원제의 종류, 농도, 시간을 변수로 접촉각을 측정하여 시약 첨가에 따른 표면 특성 변화를 살펴보았다. 접촉각 측정을 통해 고찰한 coal의 표면 특성과 실제 부유선별 효율을 비교 분석하기 위해 coal을 분쇄하여 부유선별 실험을 수행하였다. 실험실 규모의 부유선별기를 제작하여 사용하였고, 부유선별 실험을 수행할 때에 pH, coal의 입자크기, 포수제의 종류 및 conditioning time, 산화제의 영향 등을 고려하였으며 zeta potential 측정과 분석을 통해 시약첨가와 pH에 따른 coal의 입자 거동을 파악하였다. 접촉각 측정 결과를 토대로 coal과 pyrite의 Zisman plot을 구성하였으며, 그 결과 임계표면장력은 coal(12.102 dynes/cm)이 pyrite(18.945 dynes/cm)보다 낮은 값을 나타내 coal이 pyrite보다 부유선별 가능 영역이 넓은 것으로 확인되었다. 산화제의 종류와 농도를 다르게 하여 coal과 pyrite의 접촉각 변화를 시간에 따라 관찰한 결과, coal은 KMnO4에 의한 산화와 그에 따른 접촉각의 감소가 나타났으나 그 정도가 크지 않은 반면, pyrite에서는 그 현상이 뚜렷이 나타났으며 KMnO4의 농도가 10-3 M 이상일 때 충분한 접촉각 감소 및 친수성 증가가 일어나는 것으로 평가되었다. coal과 pyrite 두 시료 모두 H2O2에 의한 표면변화는 미미하였고, ascorbic acid에 의한 환원과 접촉각 증가가 pyrite 표면에서 나타났으며 coal의 표면에서 크게 나타나지 않았다. Coal과 pyrite의 접촉각에 미치는 포수제의 영향을 관찰한 결과, DDA에 의한 coal의 접촉각 증가가 pyrite에 비해 뚜렷하게 크게 나타났고, SDS에 의한 coal과 pyrite의 접촉각 증가 정도의 차이는 크지 않았다. 부유선별 실험을 수행한 결과, 120~ 160 μm coal의 부유선별 회수율이 가장 뛰어났으며 120 μm 보다 작은 입자크기의 coal은 입자크기가 작아질수록 부유선별 회수율이 상대적으로 감소하고, 160 μm 이상의 coal은 회수율이 크게 떨어지는 것을 확인하였다. KMnO4 처리에 따른 표면 산화에 의해 coal의 부유선별 회수율이 어느 정도 감소하지만 접촉각의 감소와 비슷한 양상이며, pyrite와 친수성 차이가 큰 2일 동안의 산화는 분리 효율이 클 것으로 사료된다. Kerosene, DDA, SDS 세 종류의 포수제에 conditioning 후 coal의 부유선별 실험 결과, conditioning time 5분에서 대체로 최대의 효율을 관찰할 수 있었으며, kerosene에 의한 coal 회수율이 가장 뛰어났고, 접촉각 측정에서 관찰한 결과와 마찬가지로 DDA의 효과가 SDS보다 월등한 것을 확인하였다. SDS의 pH를 2, 4, 6, 8, 10, 12로 조절하여 부유선별 실험을 수행했을 때 pH에 따라 SDS 부유선별 회수율의 차이가 크게 나타났으며, pH 4에서 뛰어나게 가장 높았고, pH 8 이상으로 커지면 회수율이 크게 낮아지는 경향을 볼 수 있었다. coal의 pH 별 zeta potential을 측정한 결과, 전체 pH 영역에서 양의 값을 나타냈으며 이는 음이온 포수제의 영향을 크게 받을 수 있음을 의미한다. 또한 pH 4에서 가장 큰 값을 나타냈고, pH 8일 때 상대적으로 크게 낮아졌으며 pH에 의한 전체적인 zeta potential의 변화양상은 음이온 포수제인 SDS의 pH에 따른 coal 부유선별 회수율 변화 양상과 매우 흡사하였다. 본 연구의 결과는 부유 선별에 의한 clean coal 회수에 있어 의미 있는 자료로 활용될 수 있으며 표면 특성 변화를 통한 물질의 처리와 회수에 있어 중요한 기초개념을 제공할 수 있을 것이라 기대된다.;The purpose of this study is to investigate the characteristics of surface changes of coal and pyrite in order to confirm the possibility of removal of sulfidel and obtaining clean coal by flotation. In this study, contact angle measurement for investigating the characteristics of surface changes and flotation that is appropriate for separating of coal and pyrite were applied with the variation in kinds and quantity of reagents. Coal used in all the experiments was an anthracite coal obtained from Yeongwol coal field and pyrite was purchased from Wards Natural Science Establish, USA. To evaluate the change of contact angle of coal and pyrite Theta lite( Attension by KSV) was used. The critical surface tensions of coal and pyrite were estimated to be 12.102 dynes/cm and 18.945 dynes/cm based on Zisman plot. A laboratory scale flotation system was for coal flotation test. When coal samples of 120~160 μm particle size were applied the flotation recovery was highest. The influence of oxidation on the surface hydrophilicity of coal and pyrite was investigated using KMnO4 and H2O2 as an oxidizing agent. As a result of contact angle measurement, the case using KMnO4 obtained the result of decrease in contact angle of coal and pyrite and the degree of decline of pyrite was far larger than coal. The measurement using H2O2 obtained the result of little surface change of both coal and pyrite. As a result of flotation, using oxidizing agent KMnO4 had very little effect on coal flotation recovery when conditioning for 2 days. In order to select the proper collector which increase hydrophobicity of coal for the flotation of coal, the contact angles of coal and pyrite immersed in collectors; DDA(dodecyl amine) and SDS(sodium dodecyl sulfate) were measured. As a result, contact angle of coal increased distinctly larger than contact angle of pyrite by DDA and the difference between contact angle change of coal and pyrite by SDS was very slight. Flotation tests were carried out by using various collectors; kerosene, DDA, and SDS. Kerosene was most efficient collector for coal flotation and DDA was more efficient than SDS as the result of contact angle measurement showed. When measuring the zeta potential of coal, zeta potential values of coal were positive on the whole range of pH and the value was highest at pH 4. Therefore, in this study the possibility of separation of pyrite from coal by making a difference between their characteristics of surfaces was confirmed. Also, a correlation of contact angle increase and flotation recovery was confirmed. The fundamental information obtained in this study will be useful not only for improving coal cleaning efficiencies during the pre-processing of clean coal technology but for the recovery of materials by using the physical/chemical characteristics of particle surface.