Numerical Analysis Study on Micro-plastic Particle behavior According to the Shape of Cyclone Separator

Cyclone separator의 형상에 따른 미세플라스틱 입자 거동 수치해석 연구

Abstract

Micro-plastics are synthetic high-differentiation chemicals of less than 5mm in size, and are deposited not only on the sea surface but also on the coast. If these micro-plastics are not properly separated from the sand, they can threaten marine ecosystems. Thus, in the present study, we aimed to apply cyclone separator to the micro-plastic retrieval in order to predict the movement of particles according to the formation of the cyclone separator by applying the centrifugal force of the particle in accordance with the rotational movement of the air. The cyclone separator has three shapes, the first one is a typical interconnected cyclone separator. The second is the horn form, except for the cylinder in a regular cyclone separator, and the third is a form that increases the horn's height twice in the second. The numerical analysis simulation of the Cyclone separator used the Fluent software package. The output speed of the Cyclone separator was 5 to 13m/s at 1m/s intervals. The simulated particles include sand, Styrofoam, PET, PP, and PU. Sand particles are assigned a fixed diameter of 2mm, while other particles have a diameter of 3mm. As a result of the analysis, the first form was not separated from plastic. The Styrofoam separation efficiency in the second showed its highest efficiency at 72.7% at 7m/s, and the efficiency decreased after 12m/s as the sand particles were mixed into the plastic attachment location. In the third form, the separation efficiency of Styrofoam at 12m/s was highest at 67.9%.

Nomenclature

η : Particle separation efficiency (%)

ρ : Density (kg/m³) (밀도)

V : Outlet velocity (m/s) (출구 속도)

1. 서론

산업 발전과 코로나19 팬데믹을 겪으며 전 세계적으로 플라스틱 사용량이 증가하였고 이에 따라 많은 양의 플라스틱이 해양으로 유입되고 있다. 연간 약 640여만 톤의 쓰레기들이 해양으로 유입되는데, 이 중 플라스틱이 차지하는 비율은 약 60~80%에 이른다[1]. 해양에 유입된 플라스틱은 파랑, 자외선, 생물분해 등 풍화 과정을 거쳐 플라스틱 잔해나 미세플라스틱으로 분해된다[2]. 미세플라스틱은 일반적으로 크기가 5 mm 이하인 플라스틱 조각을 통칭한다[3]. 이는 매우 미세하여 해양생물들이 먹이로 섭취할 수 있고 그로 인해 해양생태계를 위협하고, 어류 섭취를 통해 인간에게 피해를 유발한다[4].

국내 남해안의 미세플라스틱 오염도는 일본, 브라질, 포르투갈, 미국의 해변에 비해 매우 높다[5]. 국내 해안에 미세플라스틱이 많은 이유는 스티로폼 부표에 의한 비중이 매우 높고, 이는 해안가 미세플라스틱의 대부분을 차지한다[6]. 양식장에 주로 사용되는 스티로폼 부표는 연간 200만 개 이상 생산되고 있으며, 개당 수백만 개의 미세플라스틱과 수억 개의 나노 크기 입자로 분해된다[7]. 미세플라스틱 입자는 그 분포가 산발적이고 수거가 어렵기 때문에 미세플라스틱 입자를 포함하는 모래를 다량 포집 후 미세플라스틱과 모래를 분류하는 방법이 효과적이다[8]. 세계적으로 미세플라스틱의 심각성과 분석 방안에 대한 연구를 활발하게 진행함에도 불구하고 미세플라스틱 수거 장비의 개발에 관한 연구는 미진한 실정이다[9]. 이에 본 연구는 미세플라스틱 수거에 사이클론 분리기(Cyclone separator)를 적용하고자 하였다.

사이클론 분리기는 공기의 선회운동에 따른 입자의 원심력을 이용하여 분진 입자를 분리하는 장치이다. 사이클론 분리기는 단순한 형상임에도 다소 복잡한 유동을 보이는데 이는 장치의 성능과 직결된다. 따라서 장치의 형상 변화를 통해 내부 벽면에서 빠른 속도로 유동이 회전하고 벽면 전체에 유동이 고르게 분포하도록 함으로써, 혼합물에서 각 유체의 입자를 효과적으로 분리시킬 수 있다[10]. 이에 따라 본 논문에서는 사이클론 분리기(cyclone separ -ator)를 미세플라스틱 입자와 모래를 분리하는 데 사용하였고, 사이클론의 형상 변화에 따라 분리 효율을 확인하고자 한다.

미세플라스틱을 구성하는 재질은 poly ethylene(PE), polypropylene(PP), polystyrene(PS), polyethylene terephthalate (PET), polyurethane(PU) 등 다양하다. 이중 해양환경에서 발견되는 미세플라스틱의 종류는 42개의 보고된 사례 중 polyethylene(PE, 79%)이 33회로 가장 많이 발견되었고, polypropylene(PP, 64%, 27회), polystyrene(PS, 40%, 17회), polyamide(PA, 17% 7회) 순으로 보고되었다[9].

이러한 조사를 통해 해안의 미세플라스틱은 스티로폼과 PP, PE, PET 등이 대부분임을 확인하였다.

따라서 본 연구에서는 스티로폼(Styrofoam), PP, PET PU 등 밀도가 다른 4종류의 미세플라스틱과 모래를 사이클론 분리기를 통해 분리하는 수치해석을 진행하였다. 사이클론 분리기의 운전조건 및 내부 형상에 따라 미세 플라스틱의 입자 거동을 파악하고, 수거 효율을 비교 분석하였다.

2. 해석방법 및 내용

2.1. 사이클론 분리기 형상

본 연구에서는 미세플라스틱 분리 수거에 적합한 모델을 찾기 위해 사이클론 분리기 형상을 3가지로 구성하였다. 첫 번째 형상(Type-A)은 일반적인 접선 유입식 사이클론 분리기로 모양과 각 부분의 길이는 Fig. 1과 같다. 두 번째와 세 번째 형상은 사이클론 분리기를 미세 플라스틱 분리 수거 효율에 영향을 미치는 내부 치수 등을 변형한 형상이다. 두 번째 형상(Type-B)은 일반적인 사이클론 분리기에서 원통부를 제외한 원뿔 형태(Fig. 2(a))이며, 세 번째 형상(Type-C)은 두 번째 형상에서 원뿔 부분의 높이만 2배 키운 형상이다(Fig. 2(b)).

Fig. 1 Shape and dimensions of Cyclone separator: Type-A.

Fig. 2. Shape and dimensions of Cyclone separator: (a) Type-B (b) Type-C.

입자 거동을 확인하기 전 공기 유동만 해석한 결과, 일반적인 사이클론 분리기와 달리 사이클론 내부에 유입된 공기는 원통부 형상이 아닌 원뿔 형상의 접선을 따라 와류를 형성함을 확인하였다.

2.2. 수치해석 조건

사이클론 분리기의 수치해석 시뮬레이션은 Ansys Fluent 소프트웨어 패키지를 사용하였다. 유동은 3차원 정상상태 유동으로 가정하고 해석의 수렴성을 높이기 위해 k-ε standard 난류 모델을 사용하였다. 본 논문에서는 연속성이 10⁻⁴ 이하일 때를 수렴 기준으로 설정하였다.

입자 거동 시뮬레이션은 DPM(Discrete Phase Model)을 사용하였고 입자의 유입과 배출은 Fig. 3과 같다. Inlet을 통해 입자가 작동 유체인 공기와 혼입된 후, 상부의 Plastic out으로 모래를 제외한 플라스틱 입자가 배출되고 하부 Sand trap으로 모래 입자들이 포집되도록 하였다.

Fig. 3. Plastic and Sand collection locationin cyclone separators.

사이클론 분리기는 유속이 증가할수록 효율이 높아지지만, 일정 범위 이상에서는 관성 난류 현상이 증가하여 분리 효율이 낮아진다. 따라서 본 연구에서는 출구 속도를 5~13 m/s까지 1 m/s 간격으로 설정하였다.

입자는 모래와 스티로폼, PET, PP, PU로 구성하였으며 입자 크기와 밀도는 Table 1에 나타내었다. 형상계수(Shape factor)는 모래는 1로 이외의 플라스틱들은 0.1로 고정하였다.

Table 1. Properties of particles

사이클론 분리기에서 모래와 플라스틱의 입자 분리 효율 식은 다음과 같이 계산하였다. 플라스틱 입자의 분리 효율 계산은 식 (2)와 같이 Plastic out으로 포집된 Sand 입자는 제외하였다.

\(\begin{align}\eta_{\text {sand }}=\frac{\text { trap particle }}{\text { total particle }}\end{align}\)       (1)

\(\begin{align}\eta_{\text {plastic }}=\frac{\text { escape plastic-escape sand }}{\text { total particle }}\end{align}\)       (2)

3. 해석 결과 및 고찰

3.1. Tangential velocity

Fig. 4는 각 형상의 출구 속도에 따른 접선 방향 속도를 나타낸 것이다. Fig. 4(a)에 나타낸 Type-A의 경우, 중앙 축을 기준으로 좌우 대칭되는 형태를 보여 주고 있다. 이를 통해 사이클론 내부의 회전 유동이 잘 형성되었다는 것을 알 수 있다. Type-B와 Type-C는 각각 상대적으로 Type-A보다 좌우 대칭성이 좋지 않으나, 대칭되는 형태가 나타나고 있다(Fig. 4(b), Fig. 4(c)). 따라서 3가지 형상 모두 사이클론 내부의 회전 유동이 잘 형성되었음을 알 수 있었다.

Fig. 4. Tangential velocity.

3.2. Axial velocity

Fig. 5는 사이클론 분리기의 축 방향 속도를 보여 주는 것이다. Fig. 5(a)에 나타낸 Type-A의 경우, 속도가 증가함에 따라 내부 회전 영역의 축 속도는 증가하고, 외부 회전 영역의 축 속도는 거의 0으로 나타났다. Fig. 5(b)와 Fig. 5(c)는 각각 원뿔 형상인 Type-B와 Type-C의 축 속도를 나타낸 것이다. 원뿔 형상인 Type-B와 Type-C는 속도가 증가함에 따라 중앙 부분의 축 방향 속도가 점차 증가하여 벽면을 따라 모래 포집 위치인 사이클론 하부로 가는 속도가 증가하고 있다. 그 결과, 사이클론 하부는 무거운 입자의 분리에 효과적이고[11], 이로부터 모래와 플라스틱을 분리하는데 Type-B와 Type-C의 형상이 더 적합함을 실험을 통하여 알 수 있었다.

Fig. 5. Axial velocity.

3.3. 압력 손실

압력 손실은 내부 유동의 에너지 손실과 관련되기 때문에 사이클론의 성능을 평가할 때 중요한 요소 중 하나이다[12]. 본 연구에서는 사이클론의 입구 압력과 사이클론의 몸통 부분의 압력 중 최솟값의 차이를 통해 압력 손실을 계산하였다. 각각의 형상과 속도에 따른 압력 손실은 Fig. 6과 같다. 이를 통해 Outlet velocity의 속도가 증가할수록 압력 손실이 증가함을 알 수 있다.

Fig. 6. Pressure drop.

일반적으로 사이클론의 압력 손실 값이 클수록 사이클론 분리기의 입자 분리 성능이 우수하게 나타난다. 하지만 본 연구는 서로 다른 입자를 다른 출구로 분리하는데 목적이 있어 압력 손실 값이 가장 작은 Type-B를 미세플라스틱 수거에 적용하는 것이 합리적임을 알 수 있었다.

3.4. 분리 효율

Fig. 7(a)는 Type-A의 모래와 플라스틱 4종류의 분리 효율을 나타낸 것이다.

Fig. 7. Cyclone separator separation efficiency.

입자 거동 해석 결과, Type-A에서 모래를 제외한 플라스틱은 분리되지 않았다. 모래의 경우 5~9 m/s에서는 분리되지 않았고 12 m/s에서 분리 효율 38.3%로 낮은 효율을 보였다.

원뿔 모양의 Type-B의 분리 효율은 Fig. 7(b)와 같다. 해석 결과, Type-B는 11 m/s까지 모래와 스티로폼, PET, PP, PU 모두 분리가 잘 되지만 12m/s 이후부터 플라스틱 포집 위치로 모래가 혼합되어 포집되는 것을 확인하였다. 국내 해안에 많이 분포하는 스티로폼의 경우 Type-B 형상에서 속도 7 m/s일 때 분리 효율이 72.7%로 최대를 보였다.

원뿔의 길이를 두 배로 한 Type-C 형상의 분리 효율은 Fig. 7(c)에 나타내었다. 해석 결과, Type-C는 Sand의 분리 효율이 매우 우수하며 속도가 증가할수록 PET, PP, PU의 분리 효율이 향상하였다. Type-C는 12 m/s에서 스티로폼의 분리 효율이 67.9%로 최대를 보였다.

이는 일반적인 사이클론 분리기의 형태보다 원뿔 모양이 서로 다른 입자를 각각 다른 출구로 분리하는 데 더 적합하기 때문이라고 판단된다. 속도가 증가할수록 플라스틱 포집 위치로 모래가 혼합 포집되는 것은 내부 유동의 증가에 의한 것으로 판단된다.

4. 결론

본 논문에서는 해변의 미세플라스틱을 모래와 분리하기 위해 사이클론 분리기 적용 가능성을 확인하고자 유동 해석 및 입자 거동 시뮬레이션을 진행하였다. 일반적인 형상인 접선 유입식 사이클론 분리기와 원뿔 모양의 Type-B, 길이 변화를 준 Type-C 형상을 적용하여 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.

일반적인 접선 유입식 사이클론 형상인 Type-A는 미세플라스틱과 모래를 분리하지 못하였다. 반면에 원뿔 모양의 Type-B는 출구 속도 7 m/s에서 모래 분리 효율 100%, 스티로폼 분리 효율 72.7%, 이외 PET, PP, PU의 분리 효율도 각각 92.8%, 94.7%, 95.4%로 가장 높은 효율을 보였다.

하지만 출구 속도 11 m/s 이상에서는 내부 유동 속도의 증가로 인하여 모래가 플라스틱 포집 위치로 혼합되어 분리 효율이 낮아짐을 알 수 있었다.

Type-B에서 원뿔의 길이를 2배로 한 Type-C는 출구 속도 12 m/s인 조건에서 모래의 분리 효율 99.8%, 스티로폼 분리 효율 67.9%을 보였지만, Type-B에 비해 낮은 효율을 보였다.

본 연구는 사이클론 분리기를 이용하여 모래와 미세 플라스틱을 서로 다른 출구로 분리 가능한지 해석적으로 파악하는 것이다. 해석을 통하여 사이클론 분리기의 출구 속도 및 내부 형상이 분리 수거 효율에 영향을 미치는 것을 알 수 있었고, 이로부터 해변에 존재하는 미세플라스틱은 사이클론 분리기 이용하여 분리 가능함으로 해석을 통하여 알 수 있었다.