[논문]병뚜껑의 열분해에 대한 연구

황재영; 진달샘; 서무룡

doi:10.5322/jes.2010.19.12.1355

병뚜껑의 열분해에 대한 연구
Research for Pyrolysis of Metal Caps 원문보기

한국환경과학회지 = Journal of the environmental sciences, v.19 no.12, 2010년, pp.1355 - 1359

황재영 (경상대학교 자연과학대학 화학과) , 진달샘 (경상대학교 자연과학대학 화학과) , 서무룡 (경상대학교 기초과학 연구소)

Abstract ▼ AI-Helper

The application of metal caps has been continuously increased as real life are extended. Metal caps is usually made of aluminum and polyethylene(PE) as packing. Since metal caps contain 75% aluminum on a weight basis, metal caps may be a valuable source when these were properly recovered. The recovery methods of metal caps have mechanical peeling and incineration. However these are either hard to apply in some case or environmentally unacceptable. So in this investigation, recovery method of aluminum from metal caps was investigated using pyrolysis. The result shows that pyrolysis temperature and pyrolysis time was $450^{\circ}C$ and 120min. respectively. Also 100% of aluminum was recovered from metal caps. Heat content of recovered oil was high enough to use as a fuel representing 7,425.0, 7,793.1, 7,583.2, 7,726.2(cal/g). Heavy metal contens in the oil were under regulatory limit indicating.

주제어

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문제 정의

열분해는 무산소 상태에서 간접적인 열공급으로 물질의 흡열반응에 의한 경제적 이익이 오는 오일이나 가스로 전환이 가능하며 대기오염물질의 발생이 소각법 보다 적고 알루미늄의 회수가 용이하다는 장점이 있다. 따라서 열분해법으로 병뚜껑의 수지성분을 제거하기 위한 수지성분의 열분해 온도, 열분해 시간, 회수량 등에 대한 조사를 하였다. 또한 회수한 재생오일의 발열량과 중금속의 포함 여부를 조사하여 재생오일이 폐기물관리법에 근거한 재생연료유로 사용할 수 있는 지의 가능성을 조사하였다.
따라서 열분해법으로 병뚜껑의 수지성분을 제거하기 위한 수지성분의 열분해 온도, 열분해 시간, 회수량 등에 대한 조사를 하였다. 또한 회수한 재생오일의 발열량과 중금속의 포함 여부를 조사하여 재생오일이 폐기물관리법에 근거한 재생연료유로 사용할 수 있는 지의 가능성을 조사하였다.
뿐만 아니라 수지재가 열분해 되어 발생된 분해가스를 냉각장치를 통과하게 함으로써 재생오일을 회수하는 폐병뚜껑으로부터 알루미늄을 회수하는 방법을 연구하였다.

제안 방법

드링크 병뚜껑(A), 소주 병뚜껑(B), 막걸리 병뚜껑(C)의 3종류의 병뚜껑과 시료 (A), (B) 및 (C)를 각각 5개씩 선정하여 혼합한 병뚜껑을 각각에 대해서 5개씩의 sample을 채취하여 열분해 실험을 통하여 병뚜껑으로부터 알루미늄을 회수하기 위한 연구에서 다음과 같은 결론을 얻었다.
열분해 반응이 완결된 후 반응조에 남아 있는 알루미늄과 카아본 성분을 분리하여 알루미늄 성분의 무게를 측정한다. 또한 PE 성분의 열분해에 의해서 생성된 분해가스로부터 회수한 오일에 대하여 발열량과 중금속 함유량 분석하였다. 이때 발열량은 시료 0.
또한 열분해가 끝난 후 열분해용기를 실온까지 냉각시키고 남아있는 내용물(알루미늄 병뚜껑)을 회출하여 무게를 측정하였다.
또한 회수된 재생오일에 대해서 중질유와 경질유의 분리과정의 실험은 수행하지 않았으며 회수된 재생오일의 발열량은 시료 0.5～1.0 g을 달아 bomb calorimeter(Shimazu, CA-3)를 이용하여 측정하였다.
본 실험에서 설계한 열분해용기를 이용하여 앞에서 조사한 열분해 온도(450℃) 및 열분해 시간(120분)의 최적조건에서 폐병뚜껑을 열분해할 수 있는 양, 즉 본 실험에서 설계한 장치를 이용하여 폐병뚜껑을 열분해할 수 있는 효율을 조사하였다. 시료 (A), (B), (C) 및 (D)에 대해서 열분해 용기에 병뚜껑의 양을 5g에서 30 g의 범위에서 투입한 후, 각각의 경우에 대해서 앞에서 조사한 열분해의 최적 조건인 열분해 온도 450℃에서 120분 동안 병뚜껑 내부에 밀착되어 있는 수지재를 열분해 시켰다.
시료 (A), (B), (C) 및 (D)에 대해서 각각 5개 씩을 열분해 반응용기에 투입한 후, 온도를 조절하면서 병뚜껑 내부에 밀착되어 있는 수지재를 열분해 시킨다. 본 실험에서 열분해온도는 200℃에서 500℃의 범위에서 수지재를 열분해 시켰으며, 각 열분해온도에서 120분 동안 열분해 시켰다.
시료 (A), (B), (C) 및 (D)에 대해서 각각 5개 씩을 열분해 반응용기에 투입한 후, 200℃에서 500℃의 온도범위에서 각각의 경우에 대해서 120분 동안 병뚜껑 내부에 밀착되어 있는 수지재를 열분해시켰다.
시료 (A), (B), (C) 및 (D)에 대해서 각각 5개 씩을 열분해 반응용기에 투입한 후, 온도를 조절하면서 병뚜껑 내부에 밀착되어 있는 수지재를 열분해 시킨다. 본 실험에서 열분해온도는 200℃에서 500℃의 범위에서 수지재를 열분해 시켰으며, 각 열분해온도에서 120분 동안 열분해 시켰다.
시료 (A), (B), (C) 및 (D)에 대해서 각각 5개 씩을 열분해반응용기에 투입한 후, 열분해 온도를 450℃로 고정하고 20분에서 160분의 시간범위에서 각각의 경우에 대해서 병뚜껑 내부에 밀착되어 있는 수지재를 열분해 시켰다.
시료 (A), (B), (C) 및 (D)에 대해서 각각 5개 씩을 열분해반응용기에 투입한 후, 열분해 온도를 450℃에서 열분해 시킬때 병뚜껑의 팩킹재로 압착된 PE 성분의 수지재가 열분해 되어 발생된 분해가스를 냉각장치를 통과시켜 회수한 재생오일의 발열량 및 중금속 함유량을 측정한 결과를 Table 2에 나타내었다. Table 2에 나타낸 바와 같이 발열량은 각각 7,425.
본 실험에서 설계한 열분해용기를 이용하여 앞에서 조사한 열분해 온도(450℃) 및 열분해 시간(120분)의 최적조건에서 폐병뚜껑을 열분해할 수 있는 양, 즉 본 실험에서 설계한 장치를 이용하여 폐병뚜껑을 열분해할 수 있는 효율을 조사하였다. 시료 (A), (B), (C) 및 (D)에 대해서 열분해 용기에 병뚜껑의 양을 5g에서 30 g의 범위에서 투입한 후, 각각의 경우에 대해서 앞에서 조사한 열분해의 최적 조건인 열분해 온도 450℃에서 120분 동안 병뚜껑 내부에 밀착되어 있는 수지재를 열분해 시켰다.
열분해 반응이 완결된 후 반응조에 남아 있는 알루미늄과 카아본 성분을 분리하여 알루미늄 성분의 무게를 측정한다. 또한 PE 성분의 열분해에 의해서 생성된 분해가스로부터 회수한 오일에 대하여 발열량과 중금속 함유량 분석하였다.
또한 PE 성분의 열분해에 의해서 생성된 분해가스로부터 회수한 오일에 대하여 발열량과 중금속 함유량 분석하였다. 이때 발열량은 시료 0.5~1.0 g을 달아 bomb calorimeter (Shimazu, CA-3)로 측정하였으며 중금속 함유량은 폐기물 공정 시험법(폐기물공정시험법, 2008)에 따라 시료를 전처리 한 후 ICP(Perkin Elmer, OPTIMA 4300DV/500DV)를 이용하여 수은(Hg), 비소(As), 납(Pb), 카드뮴(Cd) 및 크롬(Cr)의 함유량을 측정하였다.

대상 데이터

본 실험을 위한 병뚜껑의 열분해 장치는 Fig. 1과 같으며 열공급장치와 열분해반응기 및 냉각수에 의한 생성유 회수장치로 구성되어 있다. 열공급장치는 열 분해온도의 조절이 가능한 맨틀로 구성되어 있으며, 열분해반응기는 1L 용량의 둥근 플라스크로 구성되며 냉각수에 의한 생성유 회수장치는 일련의 냉각장치로 구성된다.
현재 국내에서 생산되고 있는 드링크 병뚜껑(A), 소주 병뚜껑(B), 막걸리 병뚜껑(C)의 3종류의 병뚜껑을 선정하여 실험에 사용하였으며 각각에 대해서 5개씩의 sample을 채취하여 평균값을 측정하였다. 시료(D)인 경우는 시료 (A), (B) 및 (C)를 각각 5개씩 선정하여 혼합한 후, 그 평균값을 나타낸 것이다.

이론/모형

본 연구에서는 기존의 방법의 단점을 보완할 수 있는 열분해에 의한 금속병뚜껑으로부터 알루미늄의 회수 방법을 적용하였다. 열분해는 무산소 상태에서 간접적인 열공급으로 물질의 흡열반응에 의한 경제적 이익이 오는 오일이나 가스로 전환이 가능하며 대기오염물질의 발생이 소각법 보다 적고 알루미늄의 회수가 용이하다는 장점이 있다.

성능/효과

1) 열분해온도 450℃에서 반응은 시료 중의 알루미늄은 실제적으로 100% 회수되었다.
2) 열분해시간은 최소한 120분 이상 열분해 시켜야만 시료 중의 알루미늄은 실제적으로 100% 회수되었다.
3) 병뚜껑의 열분해에 의하여 생성된 재생오일의 발열량은 각각 7,425.0, 7,793.1, 7,583.2, 7,726.2(cal/g)로서 폐기물을 활용한 재생에너지원으로 사용하기에 충분한 발열량을 가지고 있다.
열분해 후 반응조에 남아있는 알루미늄은 카아본성분으로 부터 쉽게 분리되었으며 원 시료 중 알루미늄성분은 병뚜껑의 함량과 비교할 때(Table 1) 실질적으로 전량이 회수되었음을 보였다. 이는 병뚜껑의 알루미늄 성분은 무산소 상태에서 가해진 반응온도 범위에서 화학적으로 안정함을 나타낸다.

후속연구

4) 열분해 후 재생오일에 분포된 중금속이 “폐기물 관리법 시행규칙 별표 5”에 규정된 된 재생연료유의 허용 기준치 이하로 검출되기 때문에 별다른 처리 없이 페기물 관리법에 규정한 재생연료유로 사용 가능하리라 사료된다.
따라서 병뚜껑의 열분해에 의하여 생성된 재생오일은 “폐기물관리법 시행규칙 별표 5”에 규정된 재생 연료유의 허용 기준치인 저위(低位)발열량: kg 당 3,500 kcal 이상, 수은 및 그 화합물: kg 당 1.5 mg 이하, 비소 및 그 화합물: kg 당2 mg 이하, 납 및 그 화합물: kg 당 100 mg 이하, 카드뮴 및 그 화합물: kg 당 1 mg 이하, 크롬 및 그 화합물: kg 당 50 mg 이하인 조건에 합당하므로 회수된 재생오일은 별다른 처리없이 페기물 관리법에 규정한 재생연료유로 사용 가능하리라 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	금속재 뚜껑의 성질은?	대부분의 유리병은 내부의 내용물을 외부로부터 보호하도록 입구를 금속재의 뚜껑으로 밀폐시킨다. 이 같은 금속재의 뚜껑은 용기에 대단히 견고하게 압착되므로 별도의 도구를 사용하지 않는 한 쉽게 열리지가 않을 뿐 아니라 외부로부터의 충격에도 미세한 변형만 초래할 뿐 즉시 그 자체의 탄성력에 의해 복원되는 성질을 갖는다.
	우리나라 알루미늄의 수요가 증가하는 이유는?	현재 우리나라에서는 기간산업의 발달과 그 기기들의 사용이 보편화되고 생활수준의 향상으로 알루미늄의 수요는 매년 증가되고 있다. 이에 따른 알루미늄의 국내 생산량은 매년 증가하고 있으나 급격히 늘어나는 수요량을 충족하지 못하여 생상량의 대부분을 수입에 의존하고 있는 실정이다(비철금속회보, 1993).
	알루미늄에 대해 수입에 의존하고 있는 이유는?	현재 우리나라에서는 기간산업의 발달과 그 기기들의 사용이 보편화되고 생활수준의 향상으로 알루미늄의 수요는 매년 증가되고 있다. 이에 따른 알루미늄의 국내 생산량은 매년 증가하고 있으나 급격히 늘어나는 수요량을 충족하지 못하여 생상량의 대부분을 수입에 의존하고 있는 실정이다(비철금속회보, 1993). 그리고 국내의 알루미늄의 수요는 대부분 건축자재와 생활용품 자재의 생산에 사용되고 있으며, 알루미늄의 생산량과 수요량의 증가에 맞추어 발생되는 폐알루미늄의 회수 및 재이용은 자원으로써 충분한 가치가 있다고 사료된다(환경처, 1991; 심, 등, 1987; 국립환경연보, 1985).

참고문헌 (10)

국립환경연구원보, 9, 365-378.
심응기 등, 1987, 폐기물의 재생연료화 기술개발 및 환경오염 방지대책에 관한 연구(I).
한국비철금속제련협회, 1993, 비철금속회보, 2, 4547.
환경처, 1991, 폐기물 회수 및 처리방법에 관한 규정, 환경처 고시 제 91-99호.
폐기물공정시험법, 2008, 동화기술, 409.
Brunner, C. R., 1991, Handbook of Incineraion System,
Buekens, A. G., Schoters, J. G., 1986, European

상세보기
Dean, R. B., 1988, Incineration of Municipal Waste,
Flagan, R. C., Seinfeld, J. H., 1998, Fundamentals of
Liu, Z., Zheng, Q., Liu, J. Z., 2010, Appliied Physics

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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