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중심합성설계법을 적용한 폐인공주물사의 화학적 재생 공정 최적화
김경호 ( Kyeong Ho Kim ),고은영 ( Eun Yeong Ko ),이만식 ( Man Sig Lee ),백재호 ( Jae Ho Baek ) 한국폐기물자원순환학회(구 한국폐기물학회) 2020 한국폐기물자원순환학회 춘계학술발표논문집 Vol.2020 No.-
주조 공정에 사용되는 무기바인더는 최근 들어 알루미늄 주조 공정을 중심으로 유기바인더를 대신하여 사용량이 점차 증가하고 있으며, 대부분 천연주물사에 무기바인더를 사용하여 중자 또는 주형을 만들고 있다. 그러나 인공주물사는 천연주물사에 비해 단가가 높지만, 사용 과정에서 분진 발생이 작고 입형이 구형임으로 바인더의 사용량을 줄일 수 있다. 또한 높은 강도로 인해 폐주물사를 재생하는 과정에서 부서지거나 파쇄되지 않는 장점이 있다. 본 연구에서는 인공주물사와 무기바인더를 사용한 폐주물사를 화학적으로 재생하는 실험을 진행하였으며, 실험 계획법의 중심합성설계법을 적용하여 재생 조건을 최적화하였다. 폐주물사의 재생 공정은 알칼리 용액을 이용하여 바인더를 제거한 다음, 사용된 알칼리 용액 또는 잔류 바인더를 제거하기 위해 물로 세척하였다. 실험에 사용된 변수는 세척액의 온도(20℃, 60℃), 세척 시간(5분, 20분) 그리고 물로 추가 세척한 횟수(1회, 3회)를 선정하였다. 재생 효율에 대한 분석은 폐사와 재생사의 화학적 성분을 분석하여 무기바인더의 주성분인 SiO<sub>2</sub>의 함량을 기반으로 계산하였다. 바인더 제거율은 세척액의 온도가 높을수록, 세척 시간이 길수록, 물로 세척한 횟수가 많을수록 높게 나타났다. 그러나 세척액의 온도를 높게 하면 이를 유지하기 위한 에너지 비용이 많아지며, 세척 횟수가 많을수록 발생하는 폐수의 양이 증가하고 재생 시간이 증가하는 역효과가 발생할 수 있다. 따라서 중심합성설계법을 이용하여 3가지 변수에 대한 최적화를 진행하였으며, 이를 통해 폐수 발생량은 기존 4 L에서 2.1 L로 줄였으며, 세척 시간 또한 기존 80분에서 15분으로 줄일 수 있었다. 또한 최적화 조건에 대한 검증 실험을 통해 최적화를 통해 도출한 SiO<sub>2</sub>의 예상 함량과 실제 실험을 통해 나타난 SiO<sub>2</sub>의 함량이 유사한 것을 확인하였다.