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본 연구에 이용한 시료는 폐CMB촉매 슬러리 탄산화반응 생성물(이하 폐CMB촉매)이며 최종적으로 코발트를 회수하고자 하는 대상원료물질로 Fig. 1과 같이 A와 B 두 종류로 ㈜새빗켐 으로부터 공급받았다. 같은 종류의 시료이지만 수분과 유기원소 함량에 있어 큰 차이를 보였다. 시료 A는 소량으로 기초 수분증발속도 측정에 이용하였고, 시료 B는 회전 열풍 건조로를 이용한 건조실험에 이용하였다.

Fig. 1. 
Waste CMB Catalysts as experimental materials

2.1.2 수분증발속도 측정

폐CMB촉매의 수분증발율 측정을 위해서 시료 A를 이용하였으며, Fig. 2와 같은 수분분석계(AND ML-50)를 이용하여 측정하였다. 이는 일정시간 동안 시료를 가열 후 수분이 증발되고 남은 시료의 무게를 측정하여 시간에 따른 시료의 무게 감소를 측정함으로써 시료의 수분 증발속도를 측정하는 방법이다.^[5] 시료가 가열됨에 따라 시료의 무게 감소가 점점 증가하게 되고 결국에는 특정한 값으로 수렴하게 되어 수분함유량이 결정되어지는 것이다. 수분 분석계는 가열 열원으로써의 할로겐램프와 가열 전 후의 시료의 무게를 측정 할 수 있는 전자저울이 함께 내장되어 있다.

Fig. 2. 
Moisture analyzer (AND ML-50)

온도별 수분증발속도를 측정하기 위해 각각 100℃, 120℃, 140℃, 180℃, 200℃의 조건으로 실험하였다.

수분 증발율은 초기시료무게에 대하여 증발된 수분의 무게 비율이며, 다음과 같이 나타 낼 수 있다.

여기서 m_int는 시료의 초기 질량으로 본 실험에서는 각 온도별 조건마다 5g의 일정량의 폐CMB촉매를 사용하였다. m_t 는 증발이 일어나는 과정 중 시료의 질량을 나타낸다. 시간이 지남에 따라 m_t 의 값이 감소하고 증발율(%)이 증가함을 나타내며, 최종적으로는 시료의 수분함량에 도달하게 된다. 각각의 건조온도에 대한 수분증발속도를 Fig. 5에서 나타내고 있다. 100℃에서 200℃까지 각각 다른 온도에서의 최종 수분증발율은 평균 65.9wt.%로 Table 1에서 보여준 폐CMB촉매 A의 수분함유량과 일치하고 있음을 알 수 있다. 하지만 수분증발속도는 각각 다른 건조온도에서 다르게 나타나고 있음을 볼 수 있다. 건조온도가 높을수록 수분증발이 더 빠르게 일어남을 알 수 있다. 시간에 따른 수분증발율을 양적으로 비교하기위하여 다음과 같이 평균 수분증발속도를 계산 할 수 있다.

Fig. 5. 
Moisture evaporation according to time at each different temp

Fig. 5에서 보여주는 바와 같이 각 건조온도별로 초기 수분 증발되는 속도는 빠르나 최종 수분증발율 65.9wt.%에 근접하게 되면 최종 값에 수렴하는 형태를 보여주므로 수분증발속도를 초기 증발이 빠르게 일어나는 구간인 수분증발율 5wt.%에서 60wt.%구간과 전체 수분증발구간과 구별하여 Fig. 6에서 비교하여 보았다. 그 결과 평균 수분증발속도는 건조온도가 증가함에따라 선형적으로 증가하는 경항을 보였다. 이는 건조 온도를 높이면 건조시간을 빠르게 단축 할 수 있음을 보여준다.

Fig. 6. 
Moisture evaporation rate according to the drying temperature

폐CMB촉매의 실제 건조실험을 위해서 10kg/hr용량의 회전열풍식 건조로를 이용하여 실험하였으며, 열풍온도를 달리하고, 회전 수를 변화시키면서 각각의 건조효율과 수분증발속도를 측정 및 계산하였다. Fig. 7은 건조기 열원인 에어히터를 각각 350℃, 450℃, 550℃설정하였을 때 회전열풍식 건조로의 입구측 온도와 건조배가스의 출구 측 온도를 측정하여 나타내었다. 입구측 온도는 에어히터의 설정온도에 따라 다르지만 출구 측 배가스 온도는 120℃정도로 예열 후 실험을 하였다.

Fig. 7. 
Dryer inlet temp. and outlet temp. during the drying process at each setting temperature of air heater

Table 3은 폐CMB촉매의 건조실험을 진행하는 동안 측정한 값들을 나타내었다. 전류계로 건조기에 인입되는 전류량을 측정하여 사용된 전력을 계산하였으며, 폐CMB촉매의 건조 전･후의 수분 함유량을 측정하여 시료 투입량에 대비한 총 수분 제거량의 값을 기록하였다.

Table 4에는 건조 실험의 조건에 따른 건조효율과 수분증발속도를 나타내고 있다. Table 3의 측정값들을 바탕으로 수분증발속도는 식 (2)를 이용하여 건조 전 후의 시료의 질량차이를 수분제거량으로 보고 총 건조 시간으로 나눈 값이며, 건조효율은 아래와 같은 식으로 계산하였다.

여기서,
총수분 증발에너지(kcal) = 건조수분량(kg)×증발잠열(619kcal/kg)
건조기투입에너지(kcal) = 건조기투입전력(kW)×860.42(kcal/kW)

Fig. 8과 Fig. 9는 Table 3의 내용을 그래프로 도시한 것이다.

Fig. 8. 
Drying efficiency and moisture evaporation rate of waste CMB according to the heating temperature

Fig. 9. 
Drying efficiency and moisture evaporation rate of waste CMB according to the drum’s RPM

건조온도가 증가 할수록 건조효율은 350℃일 때 39.3%에서 450℃일 때 33.6wt.%, 550℃일 때 30.9% 까지 감소하는 경향을 보이고, 수분증발속도는 각각 약 1.776kg/hr, 1.755kg/hr, 1.741kg/hr로 온도가 증가함에 따라 근소하게 줄어들거나 거의 차이가 없음을 알 수 있다. 이와 같은 경향을 Fig. 8의 그래프에서도 잘 나타내고 있다.

다음은 Fig. 9에서 건조온도 450℃에서 건조드럼 회전수의 증가에 따른 건조효율은 각각 0.2RPM일 때 43.8%에서 0.5RPM 일때 37.4%, 1RPM 일 때 33.6%로 감소하고 있음을 알 수 있다. 마찬가지로 회전수를 증가시킴에 따라서 수분 증발속도도 0.2RPM 일 때 2.26kg/hr에서 1RPM 일 때 1.76kg/hr으로 감소하였다. 이는 폐CMB촉매의 건조는 건조로 내 온도상승의 효과 보다는 체류시간에 더 많은 영향을 받는다는 것을 알 수 있다.