해초건조용 폐플라스틱 재활용을 위한 마찰하전형정전선별 기술개발
전호석1)* 백상호1) 박철현2) 김병곤1)
The Development of Triboelectrostatic Separation Technique for Recycling of Seaweed Drying Waste Plastic
Ho-Seok Jeon*, Sang-Ho Baek, Chul-Hyun Park and Byoung-Gon Kim
Abstract :In this study, we carried out a research on materials separation for recycling of seaweed-drying plastics by triboelectrostatic separation. Most of the seaweed-drying plastics mixed by PE and ABS is disposed by incineration and reclamation. As a result of charge characteristic research for choosing of charging material, PS material is verified as the optimum charger material for material separation of seaweed-drying plastics mixed. Therefore, we manufactured a cyclone type charger using PS material for separation of seaweed-drying plastic mixed. In optimum test conditions of triboelectrostatic separator using cyclone-type PS charger, we developed the separation techniques that recover PE material of 90.7 % as grade of 99.2 % from raw samples. From this study, we established the material separation technique that can recycle PE and ABS material from seaweed-drying plastics mixed.
Key words :Triboelectrostatic Separation, Seaweed drying waste plastic, Material separation, Charging material, Charger
요 약: 본 연구에서는 마찰하전형정전선별법을 적용하여 전량 소각 및 매립에 의해 처리되고 있는 해초건조용 폐플라스틱의 재질분리 연구를 수행하였다 하전재질 선정을 위한 하전특성 연구결과. , PS가 해초건조용 폐플라스 틱의 재질분리에 효과적인 하전재질로 확인되어, PS를 사용한cyclone하전장치를 개발하였다 또한 개발된 하전. 장치를 이용한 마찰하전형정전선별 실험결과 최적 실험조건에서 해초건조용 폐플라스틱의, PE와ABS로부터PE 의 품위와 회수율이 각각99.2 %와90.7 %인 결과를 얻어 해초건조용 폐플라스틱의 재활용을 위한 재질분리, 기술을 확립하였다.
주요어 : 마찰하전형정전선별법 해초건조용 폐플라스틱 재질분리 하전재질 하전장치, , , ,
서 론
우리나라는 석유화학공업의 발달로 미국 일본 독일, , 에 이어 세계 플라스틱 소비량의6%인 약950만 톤을 생산하고 있으며 이로 인하여 연간, 350만 톤의 폐플라 스틱이 발생하고 있다 뿐만 아니라 플라스틱을 대체할. 수 있는 다기능의 경제적인 재질의 개발이 이루어지지 않아 사용량이 매년10%이상 증가하고 있는 실정이다. 따라서 현재의 추세로 가면 년 내에5 1,100만 톤 이상의 플라스틱을 생산하여 500만 톤 이상의 폐플라스틱이
발생할 것으로 예상하고 있다 그러나 현재 폐플라스틱. 의 재활용률은20 30%～ 에 그치고 있어70 80%～ 를 매 립이나 소각에 의해 처리하고 있다 따라서 환경문제뿐. 만 아니라 경제적인 손실도 상당한 것으로 평가되고 있 다 박철현( , 2006; 전호석, 2006).
고체 산업폐기물은 소각하여 감용화하고 매립하는 것 이 일반적이다 그러나 폐플라스틱의 소각과 매립은 경. 제적인 손실뿐만 아니라 환경오염의 거시적인 원인이 되고 있다 폐플라스틱의 소각에 의한 처리는 일부 열에. 너지를 이용할 수 있지만 많은 경제적인 손실을 초래하 고 염화수소에 의한 소각로의 부식과 다이옥신 등 각종, 유독성 가스를 방출하여 환경문제를 유발할 수 있다 또. 한 플라스틱의 매립은 매립 부지의 확보문제뿐만 아니 라 유해성분이 용출될 수 있으며 단위 무게에 비해 부, 피가 커 매립효율을 저하시키고 물리화학적으로 안정, ․ 되어 있는 난분해성이라 매립지의 조기 안정화와 흙
년 월 일 접수 년 월 일 채택
2006 8 29 , 2006 11 7 한국지질자원연구원 자원활용소재연구부 1)
한양대학교 지구환경시스템공학부 2)
*Corresponding Author(전호석) E mail; [email protected]
Address; Mineral and Material Processing Division, KIGAM 연구논문
속에 반영구적으로 잔존하는 문제가 발생한다. 그리고 분해 시 토양오염 및 유해가스를 대기 중에 발 생하는 등 여러 가지 문제를 야기 시킨다(Jing Wei, 2003).
따라서 정부에서는EPR제도를2003년 월부터 시행하1 고 있으며 향후 폐플라스틱의 소각과 매립을 법으로 규, 제할 계획에 있어 플라스틱 산업 및 환경보호를 위해서 는 재활용 기술개발이 시급히 이루어져야 할 것이다 박( 철현, 2006; 전호석, 2006).
우리나라의 남해안과 서해안은 김과 같은 해초 재배가 많아 이를 위한 해초 건조용 발을 많이 이용하고 있다.
이러한 해초 건조용 발의 경우 염수로 인한 부식이 심해 사용기간이 짧다는 특징을 가지고 있어 정확한 통계는, 잡히지 않지만 많은 양의 폐플라스틱이 발생되고 있는 실정이다 그러나 재활용을 위한 기술개발이 이루어지지. 않아 전량 소각 및 매립에 의해 처리되고 있어 환경오염 및 경제적인 손실을 야기하고 있다.
본 연구에서는 전량 소각 및 매립에 의존하고 있는 해 초건조용 폐플라스틱의 재활용을 위하여 비중선별에 의, 해Nylon을 제거한 후PE와ABS의 혼합물을 대상으로 마찰하전형정전선별법을 적용하여 재질분리 연구를 수 행하였다. PE와ABS의 효율적인 분리를 위하여, PE와 의 하전극성과 하전량을 법으로 조사 ABS faraday cage
하고 하전재질을 선정하였다 그리고 선정된 하전재질을. 사용하여 연속처리가 가능한 마찰하전형정전선별 장치 를 개발하였으며 해초건조용 폐플라스틱의, PE와ABS 를 대상으로 분리실험을 수행하여 재활용을 위한 재질분 리 기술을 확립하고자 하였다.
이론적 배경
마찰하전정전선별의 원리는 물질의 일함수 값과 대전 서열을 이용한 것으로 입자와 입자간 입자와 하전장치, 간의 접촉에 의해서 반대 극성으로 하전된 물질을 정전 기적으로 분리하는 것이다(Dr. Michael B. Biddle, 1999; Li T. X., 1999; Manouchehri H. R., 2000). Fig.
은 입자의 마찰대전 과정을 나타낸 것으로 는 입자
1 , (a)
와 하전장치 표면과의 접촉에 의한 대전, (b)는 입자와 입자의 접촉에 의한 대전현상을 나타내고 있다 그림에. 서와 같이 입자가 서로 다른 입자나 혹은 하전장치 표면 에 충돌 마찰하게 되면 일함수 값의 차이에 의해 두 물 질의fermi-level이 같아지는 방향으로 전자의 이동이 있 게 된다 접촉 후 입자가 다시 표면에서 분리되면 전자의. 과잉 또는 부족현상이 생기므로 입자는negative(-) 혹은 로 대전하게 된다 이렇게 서로 반대 극성으 positive(+) .
로 하전된 입자들을 높은 전압이 흐르는 전기장 내로 통
과시키면 positive로 하전된 입자는 negative 전극으로 이동하게 되고 이와 반대로, negative로 하전된 입자는 전극으로 이동되어 각각 분리가 이루어지게 되 positive
는 것이다(Kelly E. G., 1988; Matsushita Y., 1999; Mihai Lungu, 2004).
시료 및 실험방법
본 연구에 사용된 시료는 주 에코닉스에서 입수한 해( ) 초건조용 폐플라스틱으로써 분석결과, PE 85%, ABS 10%
그리고Nylon 5%로 구성되어 있음을 확인하였다 이 중.
은 공기분급기를 이용하여 이상 제
Nylon zig-zag 99.9%
거하였으며, PE와ABS를 대상으로 마찰하전형정전선별 실험을 수행하였다.
본 연구에서는 Table 1에 나타낸 다양한 플라스틱의 값을 참고하여 대상 시료를 각각 다른 극 work function
으로 하전시킬 수 있는 하전재질 선정을 위한 기초자료 로 활용하였다 박철현( , 2006).또한 하전재질 선정을 위 하여 해초건조용 폐플라스틱의 PE와 ABS를 cutting 로 각각 파쇄하여 체에 의해 목적한 크기로 입도조 mill
절 하였다 입도 조절된 해초건조용 폐플라스틱 시료를. 선택한 하전통(PS, PET)에 투입하고 수직왕복형 하전장
Table. 1 Work function of various plastics obtained in this study
Plastics Work function(eV)
PVC 5.32
CO-PP 5.04
HDPE 4.77
HIPS 4.31
PET 4.42
ABS 4.08
PMMA 3.72
Fig. 1. A charging principle of triboelectrostatic separation.
치로 마찰 충돌 시킨 후faraday cage를 사용하여 하전 극성 및 하전량을 측정하였다 그리고 이를 기초로 하여. 해초건조용 폐플라스틱의 재질분리를 위한 마찰하전형 정전선별의 하전재질을 선정하였다.
는 본 연구에 사용된 마찰하전형정전선별 장치를 Fig. 2
나타낸 것으로 본체 상단에 연속처리가 가능한, cyclone 하전장치가 설치되어 있다 본 하전장치의 경우 하전재. 질 선정실험에서 규명된 해초건조용 폐플라스틱의PE와
의 분리에 적합한 가 내부에 되어
ABS PS cyclone taping 있다. Fig. 3은 마찰하전형정전선별법의 실험공정을 나 타낸 것으로 해초건조용 폐플라스틱을, cutting mill에 의해 파쇄하고 체에 의해 목적한 크기로 입도조절 하였
다 입도 조절된 시료는. PS가taping된cyclone 내부에 공기와 함께 투입하여 충돌 마찰시킨 후 서로 다른 극, 으로 하전된 입자를 고전압의 전기장으로 이동시켜 분리 하였다 또한 전극의 전압세기 분리대의 위치 공기의. , , 세기 습도 등의 실험조건을 변화하면서 최적 선별조건, 및 분리효율을 확인하였다.
실험결과 및 고찰
하전특성 연구
해초건조용 폐플라스틱의PE와ABS를 각각 다른 극과 많은 하전량으로 하전시킬 수 있는 하전재질을 선정하기 위해, Table 1에 나타낸 다양한 재질의work function 값을 활용하였다 따라서 하전재질로는. PE와 ABS의 중간 값을 가지는 와 를 선택하여 하전 work function PS PET
특성을 연구하였다. Fig. 4는 수직왕복형 하전장치와 선 택한 하전재질(PS, PET)을 이용하여 상대습도40% 이 하 수직왕복속도, 300rpm의 조건에서PE와ABS두 시 료를 각각 하전시킨 후, faraday cage로 하전극성과 하전 량을 측정한 결과를 나타낸 것이다. Fig. 4에서 알 수 있 듯이PS를 하전재질로 사용하였을 경우 전반적으로 높 은 하전 값을 보여주었으며 또한, retention time 7분에 서PE와ABS시료가 각각-22nC/g과24nC/g의 높은 하 전 값을 나타내었다 반면. , PET를 하전재질로 사용하였 을 경우PE와ABS시료 모두±5nC/g 이하의 하전 값을 나타내어, PS가PET보다 효과적임을 알 수 있다 따라. 서 본 연구에서는PS를 하전물질로 선정하여 분리특성
Fig. 2. Photo of bench scale triboelectrostatic separator.
Fig. 3. Flowchart of triboelectrostatic separation used this
study. Fig. 4. Charging density on retention time in charging test.
연구를 수행하였다.
분리특성 연구
하전특성 실험에서 규명된 해초건조용 폐플라스틱 시 료의 재질분리에 적합한PS 재질을 이용하여 연속처리 가 가능한 하전장치를 개발하였으며 재질분리를 위한 마, 찰하전형정선선별의 최적 실험조건을 확립하기 위해 다 양한 조건변화 실험을 수행하였다.
는 전극의 전압세기가 의 품위와 회수율에 미
Fig. 5 PE
치는 영향을 관찰하기 위하여 전극의 전압세기를, 10 에서25 까지 변화하며 실험한 결과이다 실험결과 전. 극의 전압세기가 높을수록PE의 품위와 회수율이 증가 하는 것을 알 수 있다 즉 전극의 전압세기. , 10 일 경우 분리된PE의 품위와 회수율이 각각 97.9%와60.6%로 가장 낮지만 전압의 세기가 증가되면 품위에는 큰 변화, 가 없지만 회수율은 크게 증가되어 전압의 세기가 가장 높은25 에서는PE의 품위와 회수율이99.2%와90.7%
까지 증가된다 이와 같이 전극의 전압세기가 증가하면. 서 선별효율이 증가하는 이유는 하전된 입자들의 하전량 이20nC/g 정도로 매우 낮아 이를 분리하기 위해서는 높 은 전기에너지가 필요하기 때문이다.
은 공기의 세기가 해초건조용 폐플라스틱의 재 Fig. 6
질분리에 미치는 영향을 나타낸 것이다 실험결과 공기. 량의 경우3 / 에서 가장 높은 선별효율을 나타내지만, 이보다 공기량이 작거나 많아지면 선별효율이 다소 감소 되는 것을 알 수 있다 즉 공기량이 가장 작은. , 2 / 일
경우PE의 품위와 회수율이 각각94.6%와81.8%로 낮 지만 이보다 공기량이 많은3 / 에서는PE의 품위와 회수율이 각각99.2%와90.7%로 가장 높은 것을 알 수 있다 또한 공기량이. 3 / 보다 증가하면PE의 품위와 회수율이 감소하여 공기량이 가장 높은 5 / 에서는 의 품위와 회수율이 각각 와 까지 감소된
PE 96.3% 83.2%
다 이와 같이. 2 / 에서 선별효율이 낮은 것은 공기량 이 부족하여 시료를 충돌 및 마찰에 의해 하전시킬 에너 지가 부족하기 때문이며, 3 / 보다 많은 공기량인 4 와 에서 선별효율이 감소하는 것은 공기량이 / 5 /
강해 입자들의 하전은 효율적으로 이루어지나 시료가 전 기장 내를 너무 빠르게 통과하기 때문이다.
하전된 입자들이 전기장을 통과하면서 분리될 때 하전 극성과 하전효율에 따라 낙하 위치가 다르기 때문에 높, 은 선별효율을 얻기 위해서는splitter position의 조절이 필요하다. Fig. 7은splitter position을 중앙으로부터po-
와 쪽으로 각각 까
sitive electrode negative electrode 6 지 이동하며 실험한 결과이다. Fig. 7에서 알 수 있듯이
의 품위는 이 중앙으로부터
PE splitter position positive 쪽으로 이동하면 증가하고
electrode , negative electrode 쪽으로 이동하면 감소하는 것을 알 수 있다 그러나. PE 의 회수율은 splitter position이 중앙으로부터 positive
쪽으로 이동하면 감소하고
electrode , negative electrode 쪽으로 이동하면 증가하는 것을 알 수 있다 이와 같은. 이유는splitter position에 따라 PE와ABS의 회수량이 달라지기 때문이며 또한 입자의 하전량이 개, 개의 입자
Fig. 5. The effect of potential difference on grade and recovery of PE in triboelectrostatic separation.
Fig. 6. The effect of air rate on grade and recovery of PE in triboelectrostatic separation.
마다 다르기 때문이다. 실험결과 splitter position이 쪽으로 이동한 지점에서 선별효 positive electrode 3
율이 가장 높은 것을 알 수 있다 즉. , splitter position을
보다 쪽으로 이동시켜 의 품위
3 positive electrode PE 를 높이려고 하면 더 이상의 뚜렷한 품위 증가 없이 회 수율이 크게 감소하게 되고 반대로, splitter position을 쪽으로 이동시켜 의 회수율을 높 negative electrode PE
이려고 하면 회수율은 증가하나 품위가 떨어지게 된다 따. 라서 본 연구에서는splitter position이 중앙에서positive 쪽으로 이동한 지점을 최적조건으로 하였 electrode 3
으며 이때, PE의 품위와 회수율이 각각99.2%와90.7%
인 결과를 얻었다.
은 해초건조용 폐플라스틱의 재질분리에서 실험 Fig. 8
실의 상대습도가 미치는 영향을 나타낸 것이다 실험결. 과 상대습도40%까지는PE의 품위와 회수율에 큰 영향 을 미치지 않지만 이보다 상대습도가 증가하면, PE의 품 위와 회수율이 크게 감소되어 선별효율을 크게 떨어뜨리 게 되는 것을 알 수 있다 즉 상대습도가 가장 낮은. , 20%
일 때PE의 품위와 회수율이 각각99.3%와91.0%로 가 장 높지만 상대습도, 40%에서도PE의 품위와 회수율이 각각99.2%와90.7%로 큰 차이를 보이지 않는다 그러. 나 상대습도가40%이상이 되면 선별효율이 점차 저하 되어 상대습도가 가장 높은70%일 때PE의 품위와 회수 율이 각각85.2%와66.2%로 크게 감소되는 것을 알 수 있다 따라서 선별효율을 높이기 위해서는 상대습도가. 이하로 유지되어야 함을 알 수 있다 이와 같이 상
40% .
대습도가 재질분리에 영향을 미치는 이유는 마찰하전형, 정전선별에서 상대습도가 높으면 입자의 하전효율을 감 소시키고 하전된 입자들의 방전을 진행시키기 때문이다.
결 론
본 연구에서는 마찰하전형정전선별법을 적용하여 해 초건조용 폐플라스틱을 대상으로 재질분리를 위한 하전 특성 및 분리특성 연구를 수행하였으며 다음과 같은 결, 론을 얻었다.
본 연구에 사용한 해초건조용 폐플라스틱의 분석결 1.
과PE 85%, ABS 10% 그리고Nylon 5%로 구성되어 있음을 확인하였다 이 중. Nylon은zig-zag 공기분급기 를 사용하여 99.9% 이상 제거하였다 따라서. Nylon의 경우 해초건조용 폐플라스틱의 재활용에 어려움이 없음 을 확인하였다.
와 를 하전재질로 사용하여 하전특성 연구를 2. PS PET
수행한 결과, PS를 하전재질로 사용하였을 때 최적
에서 와 시료가 각각 과
retention time PE ABS -22nC/g 의 높은 하전 값을 나타내어 와 시료 모
24nC/g , PE ABS
두±5nC/g이하의 하전 값을 나타낸PET보다 효과적임 을 확인하였다.
연속처리가 가능한 하전장치를 이용한 3. PS cyclone
마찰하전형정전선별 실험결과 최적 실험조건인 전극의, 전압세기25 , 공기의 세기3 / , splitter position은 중앙에서positive electrode 쪽으로3 그리고 상대습 Fig. 7. The effect of splitter position on grade and recovery
of PE in triboelectrostatic separation.
Fig. 8. The effect of relative humidity on grade and recovery of PE in triboelectrostatic separation.
도40% 이하에서PE의 품위와 회수율이 각각99.2%와 인 결과를 얻어 해초건조용 폐플라스틱의 재활용
90.7% ,
을 위한 재질분리 기술을 확립하였다.
사 사
본 연구는 과학기술부의21C Frontier연구개발 사업 으로 자원 재활용 기술개발사업단의 지원으로 연구가 수 행되었으며 이에 감사드립니다, .
참고문헌
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년 월 조선대학교 자원공학과 학사 2003 2
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현재 한국지질자원연구원 자원활용소재연구부 선임연구원 (E-mail; [email protected])
현재 한국지질자원연구원 자원활용소재연구부 신진연구원 (E-mail; [email protected])
박 철 현 김 병 곤
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년 조선대학교 자원공학과 석사 2000
년 연세대학교 대학원 금속공학과 1989
공학석사
년 강원대학교 대학원 자원공학과 2001
공학박사
현재 한양대학교 지구환경시스템공학과 박사과정 (E-mail; [email protected])
현재 한국지질자원연구원 자원활용소재연구부 책임연구원 (E-mail; [email protected])
