플라스틱 리사이클링 기술
한국과학기술정보연구원 전 문 연 구 위 원 유 효 신 (peteryuman@reseat.re.Kr)
1. 특허의 요약
○ 이 특허는 경화(硬化) 실리콘 조성(composition)과 플라스틱을 분리하는 방법에 관한 것이다.
– 첫 단계에서는 경화 실리콘 조성과 플라스틱을 이들의 중간 값을 가 진 액체와 혼합한다.
– 두 번째 단계에서는 경화 실리콘 조성과 플라스틱이 이 액체에서 층 상을 형성하게 한다.
– 세 번째 단계에서는 이 액체에서 이 층상을 제거함으로써 경화 실리 콘 조성과 플라스틱이 분리된다.
2. 서 론
○ 플라스틱을 리사이클링 하는 데서 얻는 이득은 잘 알려져 있고 에너지와 자원 절감, 환경보호, 비용절감을 들 수 있다. 사용된 후(post-consumer) 의 플라스틱 재활용 공정은 먼저 플라스틱 물품이 수집되는데 요즈음 거의 모든 도시는 현지에 플라스틱 수집공정 시설을 가지고 있다.
– 분류 : 일반적으로 플라스틱 물품이 수집되면 이들은 다른 수집된 재 활용 물질과 분리되고 플라스틱 조성에 따라 분류된다. 일단 분류된 후, 플라스틱은 구멍이 뚫어지고 곤포(bale)로 포장되어 재활용 플라 스틱의 가치를 낮 출수 있는 비 플라스틱 물질을 분리하기 위한 공 정을 수행하는 재생업자(reclaimer)에게 보내진다.
– 세척 : 재생 공정에서 다른 물질로부터 플라스틱을 분리하는 하나의
수단은 세척 단계이다. 세척단계에서 물질을 물에 넣으면 물보다 비 중이 낮은 물질은 뜨고 물보다 높은 물질인 목적하는 플라스틱은 가 라앉아 서로 분리가 된다. 한 가지 문제는 비중이 유사한 물질들은 적절히 분리되거나 서로 제거될 수가 없다.
○ 경화 실리콘은 플라스틱 병에 쓰이는 밸브 격막(diaphragm)과 같은 분 야에서 용도를 찾을 수 있다. 경화 실리콘의 탄성이 정밀히 조정될 수 있고 열 안정성이 우수하고 여러 가지 조건하에서 일관된 성능을 제공 하는 데 우수하고 저온에서 유연성을 가지고 있기 때문에 경화 실리콘 은 쓸모가 다양하다.
– 그러나 플라스틱과 함께 존재하는 경화 실리콘은 플라스틱에서 분리 하기가 어렵기 때문에 플라스틱 리사이클링 공정에서 문제가 된다.
리사이클링 공정에서 경화 실리콘 조성이 플라스틱에 남아 있으면 이 리사이클링 된 플라스틱은 변색의 문제 때문에 품위가 떨어진다.
– 불완전한 점을 감추기 위해 제조업자들은 재활용 플라스틱의 용도를 제한시키는 다량의 착색과 같은 단계를 취해야만 한다. 이러한 부가 가치가 없는 단계를 피하기 위해 재생업자들은 플라스틱 재활용 공 정흐름으로부터 경화 실리콘을 수작업으로 제거하고 있으나 이런 방 법으로 하면 공정비가 크게 오른다.
○ 이 특허는 경화 실리콘을 분리하는 수작업 분리법의 필요성을 감소 혹 은 제거하는 고유한 방법에 관한 것이다.
3. 특허의 개요
○ “경화”라는 표현은 농축, 중합(重合), 첨가와 같은 화학반응에 의해 실 리콘 폴리머 혹은 실리콘 수지의 물리적 성질을 변형시킴을 의미한다.
이러한 경화반응은 일반적으로 열, 압력, 가교제(cross-linker), 유리(遊 離) 라디칼 발생, UV 에너지 빔, 또는 촉매, 이들의 결합에 의해 이루 어진다.
○ “공동(hollow)”이라는 표현은 단단한 물질이 없고 겉(shell)과 빈속(core)
만의 구조를 말한다. 그런데 이 구조에는 겉 물질은 고형체이고 빈속은 공기 또는 특정 가스, 고체 포말(泡沫) 또는 스위스치즈와 같은 구조의 빈 공간(거품) 대다수를 함유한 반고체(semi-solid) 불연속 구조물이다.
○ 이 특허에서 말하는 silicone은 실리콘에 붙어 있는 각종 유기 라디칼과 더불어 실리콘원자와 산소원자의 교차로 이루어진 실록산(siloxane) 중 합체이고 이러한 본드를 함유한 실리콘 수지와 중합체를 지칭한다.
4. 특허의 내용
○ 분리용 액체에 경화실리콘 조성과 플라스틱을 넣는 수단의 예로는 공 기, 벨트, 리본 또는 스크루 콘베이어가 있다.
○ 경화실리콘 조성과 플라스틱을 물에 혼합하기 전에 이들은 전처리된다.
이러한 전처리에는 조각조각 내기(shredding), 자르기(chopping), 파쇄 및 세척이 있다. 이러한 방법으로 이들은 하나하나로 분리된 조각들로 분쇄된다. 이미 알려진 방법으로 정해진 처리법에 필요한 장비 선택을 할 수 있다.
– 경화실리콘 조성은 유기질 폴리실록산(organopolysiloxane) 물질로 구성되어 있고 사용하는 액체의 비중 대비 플라스틱의 비중과 반대 되는 비중을 가진다.
– 플라스틱의 비중이 액체보다 높으면 경화실리콘의 비중이 낮아서 액 체위에 뜨게 되는 반면, 플라스틱 비중이 액체보다 낮으면 경화실리 콘 조성의 비중은 액체보다 높다. 그러므로 실질적인 경화실리콘 조 성의 비중은 경우에 따라 변화한다. 경화실리콘 조성의 비중은 0.5에 서 1.5까지 변한다.
– 어느 경우에는 경화실리콘 조성의 실제 비중이 액체의 비중보다 높 지만 공기가 경화실리콘 표면에 집중되어 있기 때문에 액체 위에 뜨 고 층을 형성한다. 우리는 경화실리콘이 가라앉으리라고 생각하는데 반해, 이것이 몰려 있는 공기는 용매보다 낮아 경화실리콘의 비중을 효과적으로 낮춘다.
○ 경화실리콘 조성의 제조를 제한하는 유일한 방법은 생성 경화실리콘 조성이 특허에서 제시하는 분리공정에 꼭 맞는 비중을 가지는 것이다.
이 조성은 상온 또는 승온(elevated temperature), 경화, 사출성형, 가압 가류(press vulcanization), 압출성형(extrusion), 갤린더링 가공(calendering) 등의 방법으로 제조된다.
○ 액체 organopolysiloxane이 경화실리콘 조성을 구성하지만 실리콘 껌 (gums) 사용을 고려해 볼 수 있다. 어떤 경우, organosiloxane 조성은 열경화성(thermosetting) organosiloxane과 촉매 혹은 가교제로 되어 있 고 상온보다 높은 온도에서 경화한다.
– 열경화성 organosiloxane의 경화시간은 organosiloxane의 두께와 경 화온도에 달려있다. 전형적으로 열경화성 organosiloxane가 경화하는 시간은 온도가 증가하면 가속화된다. 사출성형 공정에 요구되는 적 정 경화 속도를 얻기 위해 경화온도는 변할 수 있다. 경화온도는 경 우에 따라 50에서 250℃까지이다.
– 어떤 경우, 상온 경화 organosiloxane 조성은 실라놀(silanol) 화합물 과 organosiloxane 함유 실라놀 그룹, organohydrogenpolysiloxane 및 촉매로 구성되어 있다.
○ Organosiloxane 조성 물질에는 금속 촉매와 무기 또는 유기 과산화물 (peroxides), 백금, 로듐, 상납 및 다(多)원소 촉매 등이 있다. 비중을 낮 추기 위해 사용되는 이들은 공동(空洞) 생성(void-creating) 물질이라고 하는데 경화 실리콘 조성에 빈 공간을 생성한다. 주입 가스, 발생 가스, 고형 포말(foam), 공동 유리 또는 세라믹 구(球) 등이 이들에 속한다.
– 예를 들면, 경화실리콘이 빈 유리구로 되어 있으면 유리구는 경화실 리콘 전체에 걸쳐 충분히 분산되어야 한다. 경화실리콘은 액체와 결 합하기 전에 전처리 공정의 일부로서 조각조각으로 분쇄된다.
– 그런데 경화실리콘의 분쇄된 조각들의 상당량은 액체 안에서 층상화 (層狀化)한다. 그러나 유리구와 같은 비중용 환원제를 불균일 분포를 원하는 곳에서 사용하는 것은 심사숙고하여 결정해야 한다.
– Organopolysiloxane 조성은 도료, 반응 억제제(inhibitor), 필러, 발연 (fumed) 실리카, 침전 실리카, 발광체, 향미료, 항균성제, 비타민 및 향료 등의 추가 성분으로 되어 있다.
○ 이 특허에서 말하는 속이 빈(hollow) 입자들에는 유리구도 포함된다.
유리구는 크기와 두께가 다르다. 이 구들은 한번의 실험(batching), 경 화 및 과대 파손이 없는 사출성형과 연관된 스트레스를 지탱할 수 있 는 충분한 강도를 가지고 있다.
– 지각균형(isostatic) 파쇄압력은 압력 하에서 특정 평균밀도의 유리구 의 평균 생존가능성(survival)이 80에서 90%인 경우를 의미한다. 유 리구의 파쇄 강도는 8,000~29,000psi이다.
– 유리구의 밀도는 경화실리콘 조성의 비중에 영향을 준다. 유리구의 용량(dosage)이 일정하다면 유리구 밀도가 감소함에 따라 생성 경화 실리콘 조성의 비중도 감소한다. 유리구의 밀도는 0.4에서 0.8g/cm3 까지 변한다. 유리구는 Dow Corning Z-6300과 Z6518과 같은 상표명 으로 시판되는 유기기능성 실란 결합제와 함께 처리된다.
– 유리구의 평균직경은 10~100㎛ 범위이다. 상업화된 유리구의 예를 들 면, Eccospheres, SPHERICEL 60P18, Ｓ60, S60HS, iM30K 유리거품 등의 시판되고 있다. Organopolysiloxane 조성에 사용되는 유리구의 용량도 3~50wt% 범위로 변화가 가능하다.
○ 리사이클링 되는 다른 물질로부터 플라스틱을 분류하는데 도움을 주는 용액은 1차 용액과 용해가 잘되는 2차 용액의 혼합물이다. 1차와 2차 용액으로는 물, 저분자량 유기 알코올과 글리콜이 있다. 비중을 감소시 킬 목적으로 사용되는 2차 용액의 양은 플라스틱과 경화실리콘 조성을 층상화하는 데 필요한 비중에 따라 다르다.
– 표준 온도와 압력에서 액체의 비중은 실험조건에 따라 다르지만 그 범위는 0.6에서 1.5이다. 이 기술에 숙련된 사람은 목적하는 비중을 얻기 위해 액체를 혼합하는 방법과 염을 넣는 방법을 알고 있다.
– 용액 안에 있는 경화실리콘 조성과 플라스틱의 층상화를 방해하지 않는 한, 추가물(additional materials)을 액체에 넣을 수 있다. 이러 한 물질의 예를 들면 산, 염기, 용매, 비누, 표면활성제, 세제, 유기 염, 킬레이트 시약, 산화물, 폴리올 등이 있다.
○ 이 특허의 두 번째 단계는 경화실리콘 조성과 플라스틱이 액체 안에서 층을 만드는 것이다. 이러한 층은 탱크, 저수통, 파이프 및 원심분리기 와 같은 분리 공정에 사용되는 장비에서 행해진다.
○ 경화실리콘 조성과 플라스틱을 층상화시키는 방법은 이들을 교반 없이 탱크 안에서 적치시키거나 진동, 원심분리, 교반, 에어레이션(aeration) 등의 방법으로 층상화를 이루도록 한다.
출처 : Rapson, Lawrence, “Method of Recycling Plastic”, WO2008097306, pp.1~26.
◁전문가 제언▷
○ 이 특허에서 적용한 분리기술은 광물처리 즉 선광기술의 하나인 중액 선별(heavy-fluid separation) 또는 중매선별이라는 기술이다. 물속에 비 중이 큰 매질 가루를 분산시켜 겉보기비중을 크게 한 후, 매질보다 비 중이 큰 물질은 가라앉고 가벼운 물질은 떠오르게 하는 기술이다.
○ 이 기술은 실제로 석탄에서 맥석을 분리하는데 사용되고 있다. 석탄의 비중이 1.2~2.0이고 맥석의 비중이 약 2.65이므로 석탄보다 높다. 그러 므로 자철석 등 고상의 매질을 미분으로 만들어 물에 분산시킴으로서 중액의 역할을 하게한다. 이러한 고상 분산액을 의중액이라고 부른다.
– 염화칼슘, 염화아연의 순수 액체시약을 중액으로 사용이 가능하나 공 장 단위 대규모 시설에는 비싼 가격으로 인해 사용되지 않고 있다.
– 분리 탱크 아래에 남은 맥석과 자철석 혼합물은 다시 자력선별을 통 하여 자철석만 회수하면 매질로 계속 재사용이 가능하다.
○ 이 특허에서 제시하는 기술은 플라스틱을 재질별로 분리하는 일반적인 분리 방식이 아니고 플라스틱 중에 있는 경화실리콘 조성을 회수하여 재사용함과 동시에 재생 플라스틱 품위를 올림으로서 부가가치를 향상 하는 데 있다.
○ 이 특허에서는 중매선별을 적용하기 위하여 상품화된 유리구를 매질로 사용하여 유기 경화실리콘을 플라스틱으로부터 분리하는 기술을 제시 하고 있다. 이 특허의 경제성은 경화실리콘의 함량과 공정비에 달려 있 다. 만일 경화실리콘의 함량이 적다면 경제성이 별로 없을 것이고 작업 온도가 상온 이상이라면 연료비가 적지 않을 것이다.
○ 국내 플라스틱 생산량은 연간 약 900만 톤으로 세계에서 4위이고 폐플 라스틱 발생량은 연간 약 400만 톤이며 재활용률은 20~30%로 낮다. 국 내 민간 수집상은 수집된 혼합 플라스틱을 PET, PP, PE, PVC, PS 등 5~6 가지로 분류한다. 분류하고도 남는 잔여 플라스틱 양도 연간 약 100만 톤이 넘는다.
