Effects of Surface Chemical and Electrochemical Factors on the Dewatering Characteristics of Fine Particle Slurry

Abstract

Coal suspension was used in vacuum filtration process to observe the dewatering tendency of fine particle slurry. Suspension of fine particles was hard to dewater, and as the size of coal particle increases, the specific resistance was decreased in all cases. Suspensions containing the mineral particles with a broad range of sizes have high resistance, and cannot filter easily when combined or modified process is not applied. To improve dewaterability and make more economical filtration, some factors such as slurry pH, pressure, temperature, and the particle size of coal were studied in this investigations. This study also reports an experimental investigation on the effect of an anionic (Sodium Dodecy Sulfate, SDS) and a cationic (Dodecylpyridinium Chloride, DPC) surfactant by examining the change in the characteristics of coal particle surface according to the concentration of surfactants. The dewaterability was estimated by calculation of the specific resistance using integrated form of Darcy's law. Dewatering was observed to be more efficient when DPC was used than when SDS was employed. Even though surface tension of filtrate was reduced in the presence of any surfactant, there are some cases in which the improvement of dewatering was not observed, because surface tension reduction does not account for all the effects of dewatering. On the other hand, the contact angle of solution droplet on the coal surface conditioned with surfactant solution had a relation with the dewatering efficiency. Contact angle was increased with the increase in the hydrophobicity, therefore, it was directly associated with filterability. The critical surface tension determined by contact angle measurement increased with the increase in the hydrophobicity of coal surface. The coal conditioned with DPC solution had higher critical surface tension than that with SDS solution or without surfactant treatment. To improve dewatering rate and reduce final moisture content of slurry, electrodewatering combined with vacuum filtration was applied and the effects of some different variables were observed, such as the colloid properties and the characteristics of the slurry (in the absence and presence of surfactant), electrode(arrangements and materials), and the electrical parameters (voltage and current). The influence of these factors have been investigated. By application of electrodewatering, dewatering efficiency was observed to be significantly raised compared with conventional vacuum filtration.;탈수공정은 슬러리 처리공정 중 많은 부분을 차지하는 중요한 공정으로, 효율적인 탈수 공정은 슬러지의 효율적 처분 및 이용 이외에도 운반, 보관 등에 편리한 이점을 지닌다. 슬러리는 일반적으로 열처리에 의해서 많은 양의 수분을 효과적으로 처리 가능한데, 이 방법은 에너지 소모에 따른 처리비용이 높아서 경제적으로 처리하는데 어려움이 따른다. 이러한 점을 보완하기 위하여 열처리 이전에 기계적인 여과 장치를 사용하여 처리하는 방법 등이 이용되어 왔는데, 이는 상대적으로 낮은 처리효율을 가지고 있어 공정의 수정, 보완 및 타 공정과의 결합이 요구된다. 본 연구에서는 미세입자로 구성된 슬러리로 인공적으로 제조한 석탄 슬러리를 이용하여 진공여과 실험을 수행하였다. 탈수율을 향상시키고, 좀더 경제적인 여과를 위하여 pH, 압력, 계면활성제의 종류와 농도, 그리고 석탄 입자의 크기를 각각 변화시키면서 탈수효율을 조사하였다 계면활성제의 종류에 따른 비교실험에서는 탈수양상을 표면화학적으로 고찰하기 위해 각각의 계면활성제에 접촉시킨 석탄표면위에 물이 형성하는 접촉각을 측정하였는데, 양이온 계면활성제의 경우 가장 큰 임계표면장력이 관찰되었고, zeta-potential 이 전처리 하지 않은 석탄슬러리에 비해 양의 방향으로 이동하고 있어 석탄 입자와 계면활성제간에 전기적 중화 및 소수성의 향상에 의해 탈수효율을 증가시키는 것이 확인되었다. 또한, 슬러리를 구성하는 고체입자의 크기 및 조합비에 따라 탈수속도가 영향을 받을 것으로 예측되어, 이의 정량적인 검토를 위해 석탄입자의 크기를 -100/+200, -200/+325, -325 mesh로 조절하여 이들의 구성비를 변화시키면서 탈수효율을 관찰하였다. 일반적으로 입자의 크기가 증가함에 따라 슬러리의 탈수 효율도 증가하는 현상이 나타났는데, 광범위의 입자 크기를 가지는 슬러리는 좁은 범위의 그것보다 효율이 감소되는 것을 알 수 있었다. 이는 넓은 범위 크기의 입자들로 구성된 슬러리의 경우에 슬러리 케이크의 압축성이 더 증가하기 때문인 것으로 사료되었으며, 압축성의 증가는 저항의 증가로 이어지게 되어 탈수율을 감소시키는 결과를 보이는 것으로 파악되었다. 비저항을 저감시키기 위한 또 하나의 방법으로 진공여과장치에 전극을 결합시킨 형태의 전기여과 방법을 이용하였는바, 이 방법을 통해 고효율의 수분제거효과를 얻을 수 있었다. 전압을 크게 할수록, 전극의 면적을 증가시키고 전극의 거리가 가까울수록, 그리고 슬러리의 온도를 증가시킬수록 탈수효율이 증가하는 것으로 관찰되었다. 한편, 일반적으로 적용한 직류와 비교하기 위해 교류 전압의 영향 또한 검토하였는데, 이 경우 여과성이 다소 향상되는 것으로 나타났다. 직류는 음의 전하를 띠는 석탄 입자가 양극으로 일관성 있게 이동하는데 반해, 교류의 경우는 양극과 음극을 1Hz의 주기로 계속 변화시키기 때문에 석탄입자의 이동방향이 계속 변하게 되고 이로 인해 양방향으로 이동하던 입자들의 충돌과 침전현상이 더욱 증가하게 되어, 고액분리를 촉진시키는 것으로 사료되었다. 탈수공정을 적용하는 슬러지의 특성에 따라 그 양적 처리정도 등은 변화 가능하지만, 본 연구에서 검토한 제반 변수들의 탈수공정에 미치는 영향의 양상은 유사하게 나타날 것으로 사료된다. 따라서, 본 연구의 결과는 실제 슬러리 처리공정에 있어 의미있는 자료를 제공할 수 있을 것으로 여겨지며, 탈수장치 및 처리에 소요되는 비용과 탈수 효율 등을 실제 발생하는 슬러리에 따라 적절하게 적용시킨다면, 좀더 향상된 효율의 경제적인 탈수처리가 가능할 것으로 예측된다.