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문제 정의
- 본 연구에서는 정전선별법 중에서 마찰하전 형 정전선별법을 적용하여 H사 폐플라스틱 맥주병 (PET와 Nylon) 의 하전특성과 분리실험을 수행하여, 재질분리에 적합한 하전장치의 개발 및 기초 데이터를 확보하고, 하전효율 및 분리효율을 극대화할 수 있는 최적 선별공정을 개발하고자 하였다.
제안 방법
- 4. Bench scale triboelectrostatic separator used in this study.
- Fig. 7은 하전장치 내에서 플라스틱 하전량에 대한 입자의 체류시간과 입자와 입자간, 입자와 하전 장치 간의 마찰하전 특성을 조사한 것으로, PMMA 재질의 하전 장치 내에서 PET와 Nylon을 각각 단일 상태와 9:1 의 혼합 상태로 투입시킨 후, 체류시간을 각각 변화하여 투입된 플라스틱을 하전시켜 하전량을 측정하였다. 실험 변수인 상대습도와 온도 그리고 회전속도를 각각 30%와 25℃ 그리고 250rpm으로 조절하였다.
- 9는 분리대의 위치를 negative(-) 전극과 positive(+) 전극으로 각각 9cm까지 변화하며 실험한 결과이다. PET와 Nylon 의 혼합비 9:1, 공기속도 8.31 m/s, 상대습도 30% 그리고 전압세기를 25kV로 고정하고 분리대의 위치 변화에 따른 선별효율을 관찰하였다. 실험결과 분리대의 위치가 negative(-) 전극으로 갈수록 PET의 회수율은 증가하나 품위는 점차 감소하는 것을 알 수 있고, 반대로 분리대의 위치가 positive(+) 전극으로 이동하면 PET의 품위는 증가하나 회수율이 감소하는 것을 알 수 있다.
- 63 m/s까지 변화하며 실험한 결과이다. PET와 Nylon의 혼합비 9:1, 전압세기 25 kV, 상대습도 30% 그리고 분리대의 위치는 중앙(0)에서 공기속도 변화가 PET 와 Nylon의 선별효율에 미치는 영향을 확인하였다. 실험 결과 공기의 속도변화에 따라 PET의 품위와 회수율이 크게 변화하는 것을 알 수 있다.
- 3의 (C)에 나타낸 faraday cage를 사용하여 하전극성 및 하전량을 측정하였다. 그리고 이를 기초로 하여 폐플라스틱 맥주병 (PET 와 Nylon)의 재질분리를 위한 마찰하전형정전선별의 하전 물질을 선정하였다. 또한 하전특성 연구로서 입자와 입자, 입자와 하전장치 표면의 상대적 하전량을 비교하였으며, 하전량과 하전극성에 영향을 미치는 체류 시간에 대한 조건변화 실험을 수행하였다.
- 마찰 시킨 후, 서로 다른 극으로 하전되 입자를 고전압의 전기장으로 이동 시켜 분리하였다. 또한 전극의 전압세기, 공기의 세기, 분리대의 위치, 습도 등의 실험조건을 변화하면서 폐플라스틱 맥주병 PET의 최적 선별조건 및 분리효율을 확인하였다.
- 그리고 이를 기초로 하여 폐플라스틱 맥주병 (PET 와 Nylon)의 재질분리를 위한 마찰하전형정전선별의 하전 물질을 선정하였다. 또한 하전특성 연구로서 입자와 입자, 입자와 하전장치 표면의 상대적 하전량을 비교하였으며, 하전량과 하전극성에 영향을 미치는 체류 시간에 대한 조건변화 실험을 수행하였다.
- 입도 조절된 시료는 PMMA 재질의 pipe line과 cyclone 내부에 공기와 함께 투입하여 충돌 . 마찰 시킨 후, 서로 다른 극으로 하전되 입자를 고전압의 전기장으로 이동 시켜 분리하였다. 또한 전극의 전압세기, 공기의 세기, 분리대의 위치, 습도 등의 실험조건을 변화하면서 폐플라스틱 맥주병 PET의 최적 선별조건 및 분리효율을 확인하였다.
- 5 nC/ g) 순이었다. 본 연구에서는 PU와 PMMA의 하전량 차이(0.5nC/g)가 크지 않고, PU 재질의 장치제작 한계로 인하여 PMMA 재질을 하전물질로 선정하게 되었다.
- 본 연구에서는 폐플라스틱 맥주병의 재활용을 위해 마찰 하전형정전선별법을 이용하여, 日사 폐플라스틱 맥주병의 PET와 Nylon을 대상으로 하전특성 및 재질 분리 연구를 수행하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 수직왕복형 하전장치의 경우 하단부 모터를 통한 회전운동을 cam 축에 의해 상하 왕복운동으로 변환시켜 상단의 하전통에 투입된 플라스틱 입자를 하전시키도록 고안하였다. 본 연구에서는 하전 물질 선정을 위하여 시료를 cutting mill로 파쇄하여 체에 의해 l~6mm 크기로 입도조절 하였다. 입도 조절된 시료는 자체 제작한 하전통에 투입하고 수직 왕복형 하전장치로 마찰충돌 시킨 후 Fig.
- 7은 하전장치 내에서 플라스틱 하전량에 대한 입자의 체류시간과 입자와 입자간, 입자와 하전 장치 간의 마찰하전 특성을 조사한 것으로, PMMA 재질의 하전 장치 내에서 PET와 Nylon을 각각 단일 상태와 9:1 의 혼합 상태로 투입시킨 후, 체류시간을 각각 변화하여 투입된 플라스틱을 하전시켜 하전량을 측정하였다. 실험 변수인 상대습도와 온도 그리고 회전속도를 각각 30%와 25℃ 그리고 250rpm으로 조절하였다. 실험 결과 체류 시간 5분까지는 단일시료와 혼합시료 모두 하 전량이 증가되는 것을 알 수 있지만, 이보다 하전시간이 길어지면 하전량의 변화가 거의 없어 임계 하전시간에 도달됨을 알 수 있다.
- 5는 폐플라스틱 맥주병(PET와 Nylon)의 재질 분리를 위한 마찰하전형정전선별법의 실험공정을 나타낸 것으로, 시료를 cutting mill에 의해 파쇄한 후, 체 가름에 의해 목적한 크기 (l~emin)로 입도조절 하였다. 입도 조절된 시료는 PMMA 재질의 pipe line과 cyclone 내부에 공기와 함께 투입하여 충돌 . 마찰 시킨 후, 서로 다른 극으로 하전되 입자를 고전압의 전기장으로 이동 시켜 분리하였다.
- 본 연구에서는 하전 물질 선정을 위하여 시료를 cutting mill로 파쇄하여 체에 의해 l~6mm 크기로 입도조절 하였다. 입도 조절된 시료는 자체 제작한 하전통에 투입하고 수직 왕복형 하전장치로 마찰충돌 시킨 후 Fig. 3의 (C)에 나타낸 faraday cage를 사용하여 하전극성 및 하전량을 측정하였다. 그리고 이를 기초로 하여 폐플라스틱 맥주병 (PET 와 Nylon)의 재질분리를 위한 마찰하전형정전선별의 하전 물질을 선정하였다.
대상 데이터
- PET와 Nylon(폐플라스틱 맥주병)의 하전량 차이는 PU(29.0nC/g), PMMA(28.5nC/g), Al(24.5nC/g) 순이지만, PU와 PMMA의 차이 (0.5nC/g)가 크지 않고, PU 재질의 장치제작 한계로 인하여 PMMA 재질을 하전 물질로 선정하게 되었다. 이때 PET(폐플라스틱 맥주병)는 PMMA 보다 일함수 값이 커 negative(-) 그리고 Nylon(폐플라스틱 맥주병)은 PMMA 보다 일함수 값이 작아 Positive(+)로 하전이 이루어져 PET와 Nylon(폐플라스틱맥주병)의 재질분리가 이루어지게 되는 것이다.
성능/효과
- 1. PET와 Nylon의 효율적인 하전 및 선별을 위한 하전 물질 선정실험 결과, PET와 Nylon을 분극 할 수 있는 재질로는 PU, PMMA, A1 이었으며, 이들의 하 전량차이 는 PU(29.0nC/g), PMMA(28.5 nC/g), Al(24.5 nC/ g) 순이었다. 본 연구에서는 PU와 PMMA의 하전량 차이(0.
- 2. 하전장치 내에서 PET와 Nylon의 체류시간이 하 전량에 미치는 영향을 관찰한 결과, 5분의 체류 시간 이면 임계 하전시간에 도달됨을 알 수 있었다. 또한 단일재질과 혼합재질(PET:Nylon=9:l)에 대한 하전특성을 비교한 결과, PET와 Nylon 혼합시료의 하전량이 각 단일시료를 대상으로 한 하전량 보다 높게 나타남을 확인하였다.
- 3. PMMA 재질의 pipe line과 cyclone 하전장치를 이용한 분리실험 결과, 최적조건인 공기의 세기 8.31 m/s, 분리대의 위치 중앙(0cm), 전극의 전압세기 25 kV 그리고 상대습도 30%인 조건에서 PET의 품위와 회수율이 각각 99.6%와 88.2%인 결과를 얻어, 폐플라스틱 맥주병 (PET와 Nylon)을 재질분리 할 수 있는 기초 데이터를 확보하였다.
- Table 1은 H사 플라스틱 맥주병의 분석 결과를 나타낸 것으로, 마개는 전체 중량의 5.8% 그리고 열 증착되어 재질분리가 불가능한 입구와 바닥부분의 PET와 Nylone 26.5%를 이루고 있으며, 본 연구에서 재질 분리가 가능한 body 부분의 PET와 Nylone 각각 61.0 %와 6.7%로 전체 플라스틱 맥주병의 67.7% 이다. 본연구에서는 마개 그리고 PET와 Nylon이 증착되어 있는 입구와 바닥부분을 제외하고 실험을 수행하였으며, 분석결과 PET와 Nylon이 각각 90.
- 0%로 큰 차이를 보이지 않는다. 그러나 상대습도가 이보다 증가하면 선별효율이 크게 낮아져 상대습도 70%에서는 PET의 품위와 회수율이 각각 68.5%와 48.7%까지 감소되어, 높은 선별효율을 위해서는 상대습도가 40% 이하로 유지되어야 함을 알 수 있다. 본 연구에서는 상대습도 30%를 최적실험 조건으로 분리실험을 수행하였으며, 이때 PET의 품위와 회수율이 각각 99.
- 또한 단일재질과 혼합재질(PET:Nylon=9:l)에 대한 하전특성을 비교한 결과, PET와 Nylon 혼합시료의 하전량이 각 단일시료를 대상으로 한 하전량 보다 높게 나타남을 확인하였다. 따라서 각 단일시료를 대상으로 한 하전량 측정값보다 혼합된 시료의 하전량 측정값이 높아, 실질적인 분리실험에서는 이론적 예측치보다 높은 분리효율을 얻을 수 있음을 규명하였다.
- 하전장치 내에서 PET와 Nylon의 체류시간이 하 전량에 미치는 영향을 관찰한 결과, 5분의 체류 시간 이면 임계 하전시간에 도달됨을 알 수 있었다. 또한 단일재질과 혼합재질(PET:Nylon=9:l)에 대한 하전특성을 비교한 결과, PET와 Nylon 혼합시료의 하전량이 각 단일시료를 대상으로 한 하전량 보다 높게 나타남을 확인하였다. 따라서 각 단일시료를 대상으로 한 하전량 측정값보다 혼합된 시료의 하전량 측정값이 높아, 실질적인 분리실험에서는 이론적 예측치보다 높은 분리효율을 얻을 수 있음을 규명하였다.
- 7%까지 감소되어, 높은 선별효율을 위해서는 상대습도가 40% 이하로 유지되어야 함을 알 수 있다. 본 연구에서는 상대습도 30%를 최적실험 조건으로 분리실험을 수행하였으며, 이때 PET의 품위와 회수율이 각각 99.6%와 88.2%인 결과를 얻었다.
- 실험결과 분리대의 위치가 negative(-) 전극으로 갈수록 PET의 회수율은 증가하나 품위는 점차 감소하는 것을 알 수 있고, 반대로 분리대의 위치가 positive(+) 전극으로 이동하면 PET의 품위는 증가하나 회수율이 감소하는 것을 알 수 있다. 본연구에서 분리대의 위치는 PET의 품위와 회수율을 고려할 때 전기장의 중앙(Ocm)이 가장 효과적이었으며, 이때 PET의 품위와 회수율이 각각 96.2%와 88.2%인 결과를 얻었다.
- 7% 이다. 본연구에서는 마개 그리고 PET와 Nylon이 증착되어 있는 입구와 바닥부분을 제외하고 실험을 수행하였으며, 분석결과 PET와 Nylon이 각각 90.1 %와 9.9%로 구성되어 있음을 확인하였다.
- PET와 Nylon의 혼합비 9:1, 전압세기 25 kV, 상대습도 30% 그리고 분리대의 위치는 중앙(0)에서 공기속도 변화가 PET 와 Nylon의 선별효율에 미치는 영향을 확인하였다. 실험 결과 공기의 속도변화에 따라 PET의 품위와 회수율이 크게 변화하는 것을 알 수 있다. 즉, 공기의 속도가 가장 느린 4.
- 31 m/s, 분리대 위치 중앙(Ocm) 그리고 상대습도 30% 어〕서, 전극의 전압 세기를 5kV에서 25kV까지 변화하며 전압 세기가 선별에 미치는 영향을 관찰한 것이다. 실험 결과 전압세기가 증가하면 PET의 품위와 회수율 모두증가되는 것을 알 수 있다. 즉, 전압의 세기가 가장 낮은 5kV에서 PET의 품위와 회수율이 각각 97.
- 실험 변수인 상대습도와 온도 그리고 회전속도를 각각 30%와 25℃ 그리고 250rpm으로 조절하였다. 실험 결과 체류 시간 5분까지는 단일시료와 혼합시료 모두 하 전량이 증가되는 것을 알 수 있지만, 이보다 하전시간이 길어지면 하전량의 변화가 거의 없어 임계 하전시간에 도달됨을 알 수 있다.
- 31 m/s, 상대습도 30% 그리고 전압세기를 25kV로 고정하고 분리대의 위치 변화에 따른 선별효율을 관찰하였다. 실험결과 분리대의 위치가 negative(-) 전극으로 갈수록 PET의 회수율은 증가하나 품위는 점차 감소하는 것을 알 수 있고, 반대로 분리대의 위치가 positive(+) 전극으로 이동하면 PET의 품위는 증가하나 회수율이 감소하는 것을 알 수 있다. 본연구에서 분리대의 위치는 PET의 품위와 회수율을 고려할 때 전기장의 중앙(Ocm)이 가장 효과적이었으며, 이때 PET의 품위와 회수율이 각각 96.
- 31 m/s 그리고 분리대의 위치 중앙(0) cm에서 , 실험실의 상대습도를 가습기와 제습기로 20%에서 70%까지 변화하며 PET와 Nylon의 분리 특성을 관찰한 것이다. 실험결과 상대습도 40%까지는 PET 의 품위와 회수율에 큰 영향을 미치지 않지만, 이보다 상대습도가 증가하면 품위와 회수율이 크게 감소되어 선별효율을 크게 떨어뜨리게 되는 것을 알 수 있다. 즉 상대습도가 가장 낮은 20%일 때 PET의 품위와 회수율이 각각 99.
- 실험결과 상대습도 40%까지는 PET 의 품위와 회수율에 큰 영향을 미치지 않지만, 이보다 상대습도가 증가하면 품위와 회수율이 크게 감소되어 선별효율을 크게 떨어뜨리게 되는 것을 알 수 있다. 즉 상대습도가 가장 낮은 20%일 때 PET의 품위와 회수율이 각각 99.7%와 88.3%로 가장 높지만 상대습도 40%에서도 품위와 회수율이 각각 99.1%와 88.0%로 큰 차이를 보이지 않는다. 그러나 상대습도가 이보다 증가하면 선별효율이 크게 낮아져 상대습도 70%에서는 PET의 품위와 회수율이 각각 68.
- 실험 결과 공기의 속도변화에 따라 PET의 품위와 회수율이 크게 변화하는 것을 알 수 있다. 즉, 공기의 속도가 가장 느린 4.15 m/s에서 PET의 품위와 회수율이 각각 99.1%와 68.9%로 낮지만, 공기속도가 증가할수록 선별효율이 증가하여 공기속도 8.31 m/s 에서는 PET의 품위와 회수율이 각각 99.6%와 88.2%로 가장 높다. 그러나 이보다 공기의 속도가 빨라지면 오히려 선별효율이 감소되어 공기속도 10.
- 실험 결과 전압세기가 증가하면 PET의 품위와 회수율 모두증가되는 것을 알 수 있다. 즉, 전압의 세기가 가장 낮은 5kV에서 PET의 품위와 회수율이 각각 97.5%와 61.2% 으로 가장 낮지만, 전압 세기가 커질수록 PET의 품위와 회수율이 증가하여 본 연구에 사용된 power supply 의 최대 전압인 25kV에서는 품위와 회수율이 각각 99.6%와 88.2%로 가장 높다.
후속연구
- 재질분리가 불가능하다. 그러나 H사의 플라스틱 맥주병은 산소와 탄산을 차단하기 위하여 안쪽과 바깥쪽에 PET를 사용하고 중간에 Nylon 계통의 차단물이 덧붙여져 있어 파쇄과정에서 쉽게 단체분리가 이루어져, 우수한 재질분리 기술만 개발된다며 재활용이 가능할 것이다. 또한 주류업계에 따르면, H사 페트병 맥주는 2004 년 기준 1,000만 상자(1600 m/ 6병 기준) 이상이 판매되었으며, 운반과 보관의 이유를 들어 전체 맥주 시장에서의 점유율이 꾸준히 증가하고 있다고 보고하고 있다.
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