Hydrocyclone Filter 장치를 이용한 강우유출수내 미세입자 제거특성 분석

이준호(Jun Ho Lee),방기웅(Ki Woong Bang),홍성철(Sung Chul Hong) 大韓環境工學會 2009 대한환경공학회지 Vol.31 No.11

Hydrocyclone은 높은 수면적부하율 운전이 가능하고, 구동부분이 없고, 운전 및 유지관리비가 적게 소요되어 미세입자물질 제거에 효과적인 장치로 다양한 산업 분야에서 활용되고 있다. Hydrocyclone에 나선형 유입부를 통해 직각으로 유입되어 중력이 아닌 원심력에 의해 입자물질이 하부배출구로 분리되고 처리수는 vortex finder를 통해 배출된다. 입자분리에 hydrocyclone은 많은 장점을 가지고 있음에도 불구하고 도시지역 강우유출수 처리사례는 드문 실정이다. 본 연구에서는 변형된 hydrocyclone과 perlite 여재를 조합한 hydrocyclone filter (HCF)을 이용하여 강우유출수내 미세입자의 제거능을 분석하였다. 입자물질들은 인공입자들을 이용하여 강우유출수내 입자농도를 모의 실험하였다. 인공입자들을 물에 분산시켜 강우유출수를 재현하였는데 사용한 입자들은 이온교환수지, 도로측구 퇴적물질, 상업지역 맨홀퇴적물질, 그리고 실리카겔 등이다. 하부배출부와 vortex finder 구조를 달리하여 HCF-open system과 HCF-closed system으로 구분하여 처리능을 분석하였다. HCF장치는 아크릴 수지를 이용하였는데 hydrocyclone의 직경은 120 mm이고 여과조의 직경은 250 mm이고 전체적인 높이는 800 mm로 제작하였다. 운전조건별 유입수 농도와 입경을 다양하게 적용하였고 SS와 COD농도를 분석하여 처리효율을 산정하였다. HCF-open system의 경우 운전 가능한 최대 수면적부하율은 700 m3/m2/day이었고 HCF-closed system의 경우 수면적부하율 1,200 m3/m2/day까지이다. HCF-open system 운전결과 HCF-closed system에 비교하여 평균 수면적부하율은 2배 이상 높게 운전이 가능하며 처리효율도 8~20% 이상 향상되는 것으로 분석되었다. 또한 유입수 SS농도가 높을수록 처리효율이 증가하며, 입경이 클수록 수면적부하율의 변화에 대한 처리효율의 영향이 적은 것으로 분석되었다. HCF-closed system의 실험을 통한 수면적부하율 변화에 대한 실리카겔입자의 제거 효율과 CFD입자추적기법을 이용한 예측 처리효율을 비교한 결과 CFD에 예측효율이 실제실험결과와 비교하여 다소 높게 나타나지만 처리효율의 경향은 매우 유사하게 나타나 CFD추적기법을 이용한 HDS유형 처리장치 설계 시 유용한 도구로 활용될 수 있을 것으로 판단된다. Hydrocyclone is widely used in industry, because of its simplicity in design, high capacity, low maintenance and operational cost. The separation action of a hydrocyclone treating particulate slurry is a consequence of the swirling flow that produces a centrifugal force on the fluid and suspended particles. In spite of hydrocyclone have many advantage, the application for treatment of urban stormwater case study were rare. We conducted a laboratory scale study on treatable potential of micro particles using hydrocyclone filter (HCF) that was a combined modified hydrocyclone with perlite filter cartridge. Since it was not easy to use actual storm water in the scaled-down hydraulic model investigations, it was necessary to reproduce ranges of particles sizes with synthetic materials. The synthesized storm runoff was made with water and addition of particles; ion exchange resin, road sediment, commercial area manhole sediment, and silica gel particles. Experimental studies have been carried out about the particle separation performance of HCF-open system and HCF-closed system. The principal structural differences of these HCFs are underflow zone structure and vortex finder. HCF was made of acryl resin with 120 mm of diameter hydrocyclone and 250 mm of diameter filter chamber and overall height of 800 mm. To determine the removal efficiency for various influent concentrations of suspended solids (SS) and chemical oxygen demand (COD), tests were performed with different operational conditions. The operated maximum of surface loading rate was about 700 m3/m2/day for HCF-open system, and 1,200 m3/m2/day for HCF-closed system. It was found that particle removal efficiency for the HCF-closed system is better than the HCF-open system under same surface loading rate. Results showed that SS removal efficiency with the HCF-closed system improved by about 8~20% compared with HCF-open system. The average removal efficiency difference for HCF-closed system between measurement and CFD particle tracking simulation was about 4%.

Improvement of performance efficiency of a hydrocyclone with design modification by suppressing air core

Bhim Charan Meikap,Rajendran Sripriya,Nikkam Suresh,Sudipto Chakraborty 한국화학공학회 2011 Korean Journal of Chemical Engineering Vol.28 No.1

Hydrocyclones have been used for beneficiation of coal and mineral in coal washeries and mineral process industries. To enhance the efficiency of hydrocyclone, it is very essential to quantify the presence or absence of air core within the hydrocyclone. In the present study, for the first time, a new hydrocyclone design has been conceptualized and tested for its efficiency in separation of particles based on gravity. Experimental investigations have been carried out using design of experiments and the results have been analyzed statistically. The results have shown that suppressing the air core improves the separation efficiency of the hydrocyclone. Efforts have been made to explain the concept through fundamentals of fluid flow in hydrocyclone. The air core has a significant effect on particle separation as the relative density of the particles approach to the fluid density. The results will be used in the development of a new design of dense medium hydrocyclone at industrial scale that will improve the separation efficiency of the hydrocyclones by separating the near gravity particles more efficiently.

Separation of fine organic particles by a low-pressure hydrocyclone (LPH)

Applied Science Publishers ; Elsevier Science Ltd 2014 Aquacultural engineering Vol.63 No.-

The separation performance of a low-pressure hydrocyclone was tested using fine organic particles from 1 to 700μm. The dimensions of the low-pressure hydrocyclone were an inflow diameter of 30mm, a cylinder length of 575mm, an overflow diameter of 60mm, an underflow diameter of 50mm, a cylinder diameter of 335mm and a cone angle of 68<SUP>o</SUP>. The low-pressure hydrocyclone was operated with a lower inlet pressure (average 1.38-5.56kPa) that could be maintained under water level differences that ranged from 17.5 to 53.5cm between the water surface of the feeding mass cylinder and the middle of the inlet pipe of the low-pressure hydrocyclone. By varying the inflow rate, underflow ratio and feed concentration, the separation performance of the low-pressure hydrocyclone was affected. The separation performances were determined from total separation efficiency and grade efficiency. Separation performances were determined according to the different inflow rates of 400, 600, 800 and 1000mls<SUP>-1</SUP> and their respective underflow ratios that ranged from 5% to 30%. The maximum total separation efficiencies for each inflow rate were 41%, 46% and 46% at 400, 800 and 1000mls<SUP>-1</SUP> inflow rates, respectively, and at underflow rates of 30% of the inflow rates. In addition, a total separation efficiency of 46% was employed at 600mls<SUP>-1</SUP> of inflow rate and with an underflow rate of 25% its inflow rate. As the feed concentration increased from 25 to 150mgl<SUP>-1</SUP>, the separation performances were gradually decreased. For the fine particles ranging 1-200μm, the grade efficiency was higher at the higher inflow rate (higher than 600mls<SUP>-1</SUP>) and higher underflow rate. However, for the coarse particles ranging 400-700μm, the grade efficiency was higher at the lower inflow rate (lower than 600mls<SUP>-1</SUP>) and higher underflow rate. The cut-point (d<SUB>50</SUB>) values ranged from 30 to 200μm for a feed size range of 1-700μm. The Response Surface Method (RSM) model predicted an optimum operating inflow rate and underflow ratio of 721mls<SUP>-1</SUP> of inflow rate and 30%, respectively, for the low-pressure hydrocyclone at a maximum total separation efficiency. Based on these findings, further design and operating adaptation of low-pressure hydrocyclones used for fine solids removal in recirculating aquaculture systems is expected.

수력사이클론을 이용한 하수슬러지의 인공습지처리에 관한 연구

김성대 ( Sung-dae Kim ),서동일 ( Dong-il Seo ),최재훈 ( Jae-hun Choy ),오준성 ( Joon-seong Oh ) 한국환경기술학회 2010 한국환경기술학회지 Vol.11 No.3

생활하수처리장에서 배출되는 슬러리상의 하수슬러지를 수력사이클론을 이용하여 유기물이 함유된 상부토출물과 무기물이 농축된 하부토출물로 분리시켜, 무기물이 농축된 하부토출물은 안전하게 매립처리하고, 유기물이 함유된 상부토출물은 인공갈대습지로 유입시켜 안정화시키는 친환경적 처리방법을 실험하였다. 소형 수력사이클론 제작 및 분리실험을 통하여 무기물을 고효율로 분리하는 2단계 하부토출 수력사이클론을 개발하였으며, 수력사이클론 내 하수슬러지 유입압력 1.2㎏/㎠ 이상부터 무기물분리율 66%이상을 달성할 수 있었다. 2단계하부토출수력사이클론의 1단계 토출부 간극 2.0 및 1.5㎜조건에서 장섬유분리율 90%이상을 얻을 수 있었다. 유기물이 함유된 상부토출물을 인공갈대습지내에 5개월간 공급하여 탄소제거율 52.9%의 처리결과를 얻을 수 있었다. Sewage sludge from municipal wastewater treatment plants was separated into upper part discharge consisting of organic matter and lower part discharge consisting of inorganic matter using a hydrocyclone. The lower part discharge was safely disposed by landfill, while environment-friendly processing methods were trialed for the upper part discharge, involving flows into artificial reed wetlands. A second-stage hydrocyclone was developed that effectively separated inorganic matter. The second-stage hydrocyclone improved the inorganic matter separation rate by more than 66% when the stream pressure of sewage sludge was more than 1.2㎏/㎠. The long-fiber separation rate was more than 90% under one step outlet gap of 2.0 and 1.5㎜in the second-stage hydrocyclone. Carbon removal was 52.9% as a result of the upper part discharge consisting of organic matter flowing into artificial reed wetlands for 5 months.

Hydrocyclone 응집을 이용한 건설현장 고탁도 폐수처리

이준호 ( Lee Junho ),이택경 ( Lee Taek Kuyoung ),양승호 ( Yang Seungho ) 한국물환경학회 2020 한국물환경학회·대한상하수도학회 공동 춘계학술발표회 Vol.2020 No.-

건설현장(Construction sites) 절토, 성토, 굴착, 발파 공사 등으로 인하여 나무, 식물, 암반 등의 토양 안정물질 제거가 수반된다. 이 과정에서 표토 유실, 토사면 노출 등이 발생할 수 있고, 강우 시에 부유 또는 퇴적토사(sediment: suspended, deposited, 이하 토사로 정의)가 혼합된 비점오염(non-point source pollution) 발생하여 공사 현장 주변 수계에 악영향을 준다(이종찬 등, 2013; Shen 등, 2018). 본 연구의 목표는 건설현장에서 발생하는 고탁도 폐수를 처리하고 슬러지를 재활용하기 위해 2차 환경오염이 없는 키토산(chitosan)응집제을 hydrocyclone을 이용하여 고속응집시키는 기술개발이다. 골프장 임시저류지, 건설골재 석분폐수, 하천퇴적물질, 터널공사 현장 폐수를 대상으로 입경분석과 chitosan 및 PACS응집제를 이용하여 응집교반실험을 실시하였다. PACS 주입농도에 따라 pH는 7.4에서 4.9까지 급격히 저하되는 특성을 나타내고 있고 PACS 20mg/L이상 주입 시 pH저하로 응집이 발생하는 않는 조건을 나타내어 pH조정이 필요 한 것을 분석되었다. Chitosan를 주입한 Figure 1.8(b)의 경우 주입농도 20mg/L에서 잔류 탁도 18.0 NTU를 나타내었다. 25mg/L 주입 시 SS 4mg/L의 최저 잔류농도를 나타내었다. Chitosan 주입농도에 따라 pH는 7.2~6.8의 중성범위를 나타내어 처리 시 별도의 pH조정이 필요없는 것으로 분석되었다. Chitosan을 주입한 점토질 토양에 주입한 경우 주입농도 7mg/L에서 잔류 탁도 19.9 NTU이며, chitosan을 5mg/L 주입시 최저 잔류SS는 12mg/L를 나타내었다. 건설현장 침사 저류조를 실험실 규모로 모의하기 위해 Figure 1.15(a)와 같이 장치를 구성하였다. 실험실 규모 처리장치의 구성은 내경 80mm hydrocyclone, 자류조 300L, 유입용 0.25HP 수중펌프, chitosan 주입용 MasterFlux정량펌프, 약품저류조, 기타 밸브 및 배관으로 구성하였다. Chitosan은 hydrocyclone 유입부 25mm PVC 배관에 주입포트를 통해 정량 펌프을 이용하여 주입하였다. Chitosan은 Jar test 결과를 기초하여 300L 저류조 용량에 5~10mg/L가 되도록 주입하였다. 점토질토양시료에 chitosan을 주입 전·후의 입경분포의 변화를 Figure 1.18에 나타내었다. Chitosan 주입전 3~5㎛입경은 주입후 30~40㎛로 증가되었으며 30분 침전 후 탁도 90%, SS 93% 처리효율을 나타내었다. 건설현장에서 발생하는 부유물질의 대부분 미세입자이므로 clay와 silt 혼합시료로 건설현장 시료를 모의한 경우 시간(t,min)와 처리효율(E,%)와의 회귀식은 다음과 같다. E(Turbidity) = 7.62 Ln(t) + 65.5, R2 = 0.98 (1) E(SS) = 14.04 Ln(t) + 47.5, R2 = 0.96 (2)

The internal flow field simulation of the cyclone separator of different structures

Chen Xin,Liu Jin(유진),Erfan Zal Nezhad 대한기계학회 2016 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2016 No.12

In view of the increasingly serious problems of oily waste water treatment, this paper encompasse d development structure parametric and operating condition of defiling hydrocyclone by CFD simulation. The large eddy simulation was used to calculate the hydrocyclones of different structures. The main aim was to study the effects of different structure sizes and operating conditions on the performances of hydrocyclone. The results showed that in the straight pipe hydrocyclone and taper pipe hydrocyclone, the pressure and flowing radius were positively correlated. The pressure decreased with the reducing of the flowing radius, and the pressure reaches the lowest point at the central axis part. If tangential speed increased, the centrifugal force would be strengthened which can help oil drop move to the center part. Therefore, the separation efficiency was improved. On the contrary, the separation efficiency would decrease. However, it was not true that the bigger the tangential speed was, the better it was. If the tangential speed was too fast, the shear stress borne by the oil drop would increase which may cause the oil drop breakage and would aggravate the oil drop emulsification. This was not benefit to improve the separation efficiency. The oil and water separation effect of the taper pipe hydrocyclone was better than that of straight pipe hydrocyclone.

Hydrocyclone 응집을 이용한 건설현장 고탁도 폐수처리

이준호 ( Lee Junho ),이택경 ( Lee Taek Kuyoung ),양승호 ( Yang Seungho ) 한국물환경학회 2020 한국물환경학회·대한상하수도학회 공동 춘계학술발표회 Vol.2020 No.-

건설현장(Construction sites) 절토, 성토, 굴착, 발파 공사 등으로 인하여 나무, 식물, 암반 등의 토양 안정물질 제거가 수반된다. 이 과정에서 표토 유실, 토사면 노출 등이 발생할 수 있고, 강우 시에 부유 또는 퇴적토사(sediment: suspended, deposited, 이하 토사로 정의)가 혼합된 비점오염(non-point source pollution) 발생하여 공사 현장 주변 수계에 악영향을 준다(이종찬 등, 2013; Shen 등, 2018). 본 연구의 목표는 건설현장에서 발생하는 고탁도 폐수를 처리하고 슬러지를 재활용하기 위해 2차 환경오염이 없는 키토산(chitosan)응집제을 hydrocyclone을 이용하여 고속응집시키는 기술개발이다. 골프장 임시저류지, 건설골재 석분폐수, 하천퇴적물질, 터널공사 현장 폐수를 대상으로 입경분석과 chitosan 및 PACS응집제를 이용하여 응집교반실험을 실시하였다. PACS 주입농도에 따라 pH는 7.4에서 4.9까지 급격히 저하되는 특성을 나타내고 있고 PACS 20mg/L이상 주입 시 pH저하로 응집이 발생하는 않는 조건을 나타내어 pH조정이 필요 한 것을 분석되었다. Chitosan를 주입한 Figure 1.8(b)의 경우 주입농도 20mg/L에서 잔류 탁도 18.0 NTU를 나타내었다. 25mg/L 주입 시 SS 4mg/L의 최저 잔류농도를 나타내었다. Chitosan 주입농도에 따라 pH는 7.2~6.8의 중성범위를 나타내어 처리 시 별도의 pH조정이 필요없는 것으로 분석되었다. Chitosan을 주입한 점토질 토양에 주입한 경우 주입농도 7mg/L에서 잔류 탁도 19.9 NTU이며, chitosan을 5mg/L 주입시 최저 잔류SS는 12mg/L를 나타내었다. 건설현장 침사 저류조를 실험실 규모로 모의하기 위해 Figure 1.15(a)와 같이 장치를 구성하였다. 실험실 규모 처리장치의 구성은 내경 80mm hydrocyclone, 자류조 300L, 유입용 0.25HP 수중펌프, chitosan 주입용 MasterFlux정량펌프, 약품저류조, 기타 밸브 및 배관으로 구성하였다. Chitosan은 hydrocyclone 유입부 25mm PVC 배관에 주입포트를 통해 정량 펌프을 이용하여 주입하였다. Chitosan은 Jar test 결과를 기초하여 300L 저류조 용량에 5~10mg/L가 되도록 주입하였다. 점토질토양시료에 chitosan을 주입 전·후의 입경분포의 변화를 Figure 1.18에 나타내었다. Chitosan 주입전 3~5㎛입경은 주입후 30~40㎛로 증가되었으며 30분 침전 후 탁도 90%, SS 93% 처리효율을 나타내었다. 건설현장에서 발생하는 부유물질의 대부분 미세입자이므로 clay와 silt 혼합시료로 건설현장 시료를 모의한 경우 시간(t,min)와 처리효율(E,%)와의 회귀식은 다음과 같다. E(Turbidity) = 7.62 Ln(t) + 65.5, R2 = 0.98 (1) E(SS) = 14.04 Ln(t) + 47.5, R2 = 0.96 (2)

Design and performance evaluation of hydrocyclones for removing micron particles suspended in water

Hee-Soo Shin,이재근,David Pui 한국화학공학회 2008 Korean Journal of Chemical Engineering Vol.25 No.4

A hydrocyclone for collecting micron-sized hydrosols efficiently has been studied through experimentation. Hydrocyclones separate particles of the dispersed phase from the liquid on the basis of the density difference between the phases. The purpose of this study was to design and evaluate the performance of a high-capacity hydrocyclone for the removal of submicron-sized particles suspended in liquid. Furthermore, the performance of three types of hydrocyclone was evaluated with regard to solid particle density using fly ash and coagulation sludge. The particle cut-size decreases with reducing inlet area and increasing inlet velocity in the hydrocyclone. The hydrocyclones have good performance, which is demonstrated by the optimal cut-size of 20 μm in mass median diameter at the inlet diameter per body diameter ratio of 0.21 and the pressure drop of 72.5 kPa with a particle density of 2,500 kg/m³.

하이드로사이클론 내벽 헬리컬 패턴 최적 설계에 따른 미세 입자 집진 효율 향상 연구

정국진(Kuk Jin Jung),Rahmadio Catur Putra,김윤제(Youn-Jea Kim) 대한기계학회 2020 大韓機械學會論文集B Vol.44 No.5

하이드로사이클론은 서로 다른 밀도의 상을 중력과 원심력을 이용하여 분리하는 장치이다. 간단한 구동 원리와 손쉬운 유지 보수로 인해 많은 분야에서 활용되고 있다. 그러나 산업 현장에서 미세 먼지 등으로 인한 많은 문제가 발생하고 해당 장치는 미세 입자 분리에는 한계를 보인다. 따라서 본 연구에서는 미세 입자 분리 효율 향상을 위해 내벽에 헬리컬 패턴의 설계안을 제시하고 검증 후 분리 효율에 대한 최적 설계안을 도출하였다. 물과 구형으로 가정한 지름 1μm 아스팔트에 관하여 수치 해석적 연구를 진행하였으며, 실험계획법과 반응표면법을 통하여 최적 설계를 진행하였다. 내벽 특성에 대해 각각의 인자에 따른 영향도를 분석하고 효율 상승 원인을 고찰하였다. A hydrocyclone is a device that separates phases of different densities using gravity and centrifugal force. It is used in a wide range of applications owing to its simple driving principle and easy maintenance. However, the fine particle separation occurring in industrial sites is limited. To address this limitation, a helical-patterned design was applied to the inner wall of the hydrocyclone. In this study, numerical research and optimal design were conducted on water and 1-μm asphalt particles, which were assumed to be spherical, using a hydrocyclone with a modified configuration. The optimal design targeted the diameter, pitch, and roughness of the helical pattern, and utilized the response surface method using genetic algorithm and design of experiment. As a result, the helical pattern characteristics and roughness were derived for optimum fine particle collection efficiency, and the cause was determined.

Electrowinning of gold from a dilute solution using hydrocyclone-type cell

Bae Mooki,Kim Hongin,Kim Sookyung,Lee Hyunju 한국자원공학회 2022 Geosystem engineering Vol.25 No.4

The redox reaction mechanism of gold−cyanide [Au(CN)2 −] during hydrocyclone electrowinning was investigated in this work by conducting Hull cell test, potentiodynamic polarization, and computational fluid dynamics (CFD) simulations. A leaching solution of waste printed circuit boards (WPCBs) was prepared as an electrolyte, and the effects of flow rate and applied voltage on the recovery of gold and destruction of cyanide through hydrocyclone electrowinning were investigated. A numerical simulation of the flow field in the cell was performed, and the results were visualized by conducting a finite element analysis in FLUENT. The CFD simulations and Hull cell test showed that the cylindrical cathode region had a flow velocity of ~11.05 m·s−1, which was higher than that at the center of the cylindrical part (<6.45 m·s−1). The optimum conditions for electrowinning were found to be as: an electrode distance of 4.9 mm and a current density of 73.78 mA·cm−2. The anodic polarization results showed that an Ir-based mixed metal oxide (MMO) anode could more efficiently oxidize the free cyanide because of its high current density than other types of anodes (Ir-based MMO: 299.3 mA·cm−2 > SS304: 3.5 mA·cm−2 > Pt-coated Ti: 1.3 mA·cm−2). Through the demonstrated hydrocyclone electrowinning test, the gold concentration could be decreased from 100 to 0.24 mg·L−1 within 12 h while destroying almost total amount of free cyanide in a day.