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문제 정의
- 본 연구에서 폐플라스틱은 다양한 종류의 플라스틱과 구성의 다양성으로 인해 연소속도가 상이하다. 본 연구에서는 열가소성 플라스틱의 특성 연구를 기본으로 하여 플라스틱 고형연료인 RPF의 혼합 폐플라스틱 연소 시의 설계요소 도출을 위한 열중량 분석 및 분해 카이네틱을 규명하였다.
- 본 연구에서는 플라스틱 폐기물을 환경적인 자원으로 무해하면서 안정적으로 처리하는 열분해 기술 중 열분해를 통한 탈휘발 특성을 thermogravimetric analyzer(TGA)에서 분석하고 Kinetics 특성을 고찰하였다. 폐플라스틱의 탈휘발은 질소 조건하에서 비등온 실험을 통하여 수행되었으며 각 온도 구간별로 열중량 특성을 분석하고 물질특성 연구를 통해 Kinetics 특성 및 승온 속도에 따른 반응 속도 상수의 빈도인자를 도출하였다.
제안 방법
- 건조된 시료의 경우 균일성을 위해 부피가 큰 입자는 도구를 사용하여 파쇄하여 약 1 ± 0.1 g을 펠렛형으로 만들어 열량계(Bomb Calorimeter PARR 1341)로 측정하여 분석하였다7).
- 본 실험에 사용된 각각의 시료의 공업분석을 통해 시료의 특성을 분석하였다. 공업분석은 실험방법에서 언급한 것과 같이 폐기물 공정시험법에 따라 시행하였다.
- 본 실험에 사용된 플라스틱 및 RPF는 실험의 일관성을 유지하기 위해 시료를 24시간 자연 건조 시킨 후 플라스틱 파쇄기를 이용하여 분쇄하였으며, 표준 체거름체 30 mesh (체의 눈 : 600 μm)를 이용하여 체거름 하였다.
- 그리고 HDPE는 LDPE와 거의 유사하나 LDPE와 비교하면 인장강도가 크고 결정화도가 높은 특징이 있으며, 주로 쓰레기 종량제 봉투(100리터 이하의 소용량 봉투), 쇼핑백(검은 비닐봉지 및 약국에서 사용하는 비닐봉지), 위생백(두루마리로 말려 있는 뿌연 비닐봉투 및 롤 형식의 비닐), 일회용 장갑(음식 조리용), 우유병, 식용유병(빈병 상대에서 다소 불투명해 보이는 것은 HDPE임), 가정용 생수통 등이 대표적이다. 본 실험에 사용한 LDPE는 지퍼백 및 랩 HDPE는 검정 비닐봉지 및 위생백 위주로 분류하였다. 본 실험에 사용된 플라스틱 및 RPF는 실험의 일관성을 유지하기 위해 시료를 24시간 자연 건조 시킨 후 플라스틱 파쇄기를 이용하여 분쇄하였으며, 표준 체거름체 30 mesh (체의 눈 : 600 μm)를 이용하여 체거름 하였다.
- 실험에 사용된 시료는 각각의 열가소성 플라스틱의 성상별 시료와 플라스틱 고형연료(RPF)를 통해 공업분석을 기본 바탕으로 하여 발열량 측정 및 TGA를 분석하였다. 열가소성 플라스틱의 성상별 시료와 플라스틱 고형연료의 연소 시 반응 특성을 열중량 분석법으로 해석하여 연소 반응속도를 계산할 수 있는 활성화 에너지 및 반응속도 상수의 빈도인자를 구하였다.
- 열 중량 분석 시 승온속도가 열분해에 미치는 영향을 파악하기 위해 승온속도를 각각 5, 10, 20, 30 및 50°C/min으로 하였다.
- 실험에 사용된 시료는 각각의 열가소성 플라스틱의 성상별 시료와 플라스틱 고형연료(RPF)를 통해 공업분석을 기본 바탕으로 하여 발열량 측정 및 TGA를 분석하였다. 열가소성 플라스틱의 성상별 시료와 플라스틱 고형연료의 연소 시 반응 특성을 열중량 분석법으로 해석하여 연소 반응속도를 계산할 수 있는 활성화 에너지 및 반응속도 상수의 빈도인자를 구하였다.
- 열분해 온도 특성 분석을 위해 시료를 건조오븐에서 100°C, 5시간동안 건조시킨 후 정량 (±15 mg)하여 TGA (Thermo Gravimetric Analyzer: Shimadzu 50series) 분석기를 이용하여 실험을 실시하였으며, N2를 사용하였다.
- 열중량 분석시 승온속도가 열분해에 미치는 영향을 파악하기 위해 RPF와 열가소성 플라스틱 성상별 종류에 따라 TGA를 분석하였다. 승온 속도의 변화는 각각 5, 10, 20, 30 및 50°C/분이었다.
- 본 연구에서는 플라스틱 폐기물을 환경적인 자원으로 무해하면서 안정적으로 처리하는 열분해 기술 중 열분해를 통한 탈휘발 특성을 thermogravimetric analyzer(TGA)에서 분석하고 Kinetics 특성을 고찰하였다. 폐플라스틱의 탈휘발은 질소 조건하에서 비등온 실험을 통하여 수행되었으며 각 온도 구간별로 열중량 특성을 분석하고 물질특성 연구를 통해 Kinetics 특성 및 승온 속도에 따른 반응 속도 상수의 빈도인자를 도출하였다.
대상 데이터
- 플라스틱의 재질별 열분해 특성 분석에는 생활폐기물 내의 폐플라스틱을 재질별로 저밀도폴리에틸렌(LDPE), 고밀도폴리에틸렌(HDPE), 폴리프로필렌(PP), 폴리스틸렌(PS), 폴리염화비닐(PVC)로 구분하여 분석하였으며, 시료는 일상의 생활폐기물로서 대구광역시 북구 소재의 S아파트 재활용 분리수거함에서 채취하였다. 폴리에틸렌 중 LDPE는 에틸렌과 자유라디칼 개시제가 고압하에 제조되며, 주쇄(Main chain)에 연결된 가지(Side chain)가 많아 패킹(Packing) 능력이 낮아 HDPE 보다 결정성이 떨어지는 특징이 있으며, 주로 지퍼백(봉투에 지퍼가 달려 있음), 김치포장용 봉투(유리처럼 투명하고 부드러운 봉투), 주방용 랩이 대표적이다.
이론/모형
- Kissinger 방법의 해석을 통해 활성화 에너지와 빈도 인자를 구하였다. 플라스틱 성상별 종류 중 LDPE가 133.
- TGA 분석 데이터를 바탕으로 Kissinger 방법을 이용하여 동역학적 특성을 분석하였으며, 이로부터 활성화 에너지를 도출하였다. Fig.
- 본 실험에 사용된 각각의 시료의 공업분석을 통해 시료의 특성을 분석하였다. 공업분석은 실험방법에서 언급한 것과 같이 폐기물 공정시험법에 따라 시행하였다.
- 동역학적 분석을 위해 Kissinger 방법을 사용하였으며, 일반적인 고체 물질에 관한 열분해 동역학식을 이용하여 유도하였다.7,9)
- 본 연구에서 열분해 반응속도에 미치는 승온 속도의 영향은 Kissinger 방법을 통해 해석하였으며, 승온 속도에서의 활성화 에너지 및 빈도인자를 예측할 수 있었다. 폐플라스틱 열분해 특성 연구를 위하여 적용된 방법은 실제의 반응기에서 반응기의 성능, 설계 및 최적 운전 조건을 결정할 때의 중요한 기초자료로 사용될 수 있을 것으로 사료된다.
성능/효과
- Kissinger 방법 분석 결과, 모두 양호한 직선성을 형성하였으며 Kissinger의 해석 방법이 유효하게 적용될 수 있을 것으로 판단할 수 있다. 그래프 추세선의 기울기로부터 도출한 활성화 에너지 및 빈도인자는 플라스틱 성상별 종류 중 LDPE가 133.
- LDPE의 무게감량 96 ~ 99%, HDPE의 무게감량 98 ~ 99%, PP의 무게감량은 97 ~ 99%, PS의 무게감량 98 ~ 99%, PVC의 무게감량 91 ~ 93% 및 RPF의 무게 감량은 20°C/min 80%의 낮은 감량율, 50°C/min 94%의 높은 감량율로 나타났다.
- 21%였다. PVC의 회분은 15.62%, RPF는 6.15%, 강열감량은 HDPE의 측정치가 99.98%로 가장 높았으며, LDPE와 PS가 각각 99.92% 및 99.91%였다. 발열량 분석 결과 HDPE의 발열량이 9,522 kcal/kg으로 가장 높았고 PVC의 발열량이 4,111 kcal/kg으로 가장 낮았으며, RPF의 발열량은 7,613 kcal/kg이였다.
- 폐플라스틱의 성상별 발열량은 HDPE의 발열량이 9,522 kcal/kg으로 가장 높았고 PVC는 4,111 kcal/kg으로 가장 낮게 나타났다. RPF는 7,613kcal/kg으로 나타났으며 각각의 시료의 함수율의 차이는 있었지만 함수율이 약 1%미만이라 그 영향은 아주 미미할 것으로 사료된다. LDPE, HDPE, PP, PS 및 RPF의 경우 7,267 ~9,522 kcal/kg로 고형연료 등급기준 “가” 군에 만족하였다.
- 따라서, LDPE가 열분해 반응 시 가장 많은 에너지를 필요로 하며 온도변화에 대한 민감성이 크다는 것을 알 수 있다. RPF의 경우에는 72.9 kJ/mol이였으며, 각각의 폐플라스틱의 활성화 에너지의 평균치보다는 높게 나타났다. 빈도인자 역시 LDPE 다음으로 높은 값을 보였으며 HDPE, PP, PS, PVC보다 열분해 속도가 빠르며 각각의 폐플라스틱 단독으로 열분해 했을 때 보다 안정적으로 열분해 되는 과정을 보였다.
- RPF의 함수율이 0.71%로 가장 높았으며 PS의 함수율이 0.15%로 가장 낮았다. 휘발분의 경우, PS가 99.
- TGA 분석 결과에서 분석에 사용된 플라스틱의 열분해 시작온도는 약 220 ~ 300°C였으며, 약 535°C에서모두 완전 분해가 되었다.
- 91%였다. 발열량 분석 결과 HDPE의 발열량이 9,522 kcal/kg으로 가장 높았고 PVC의 발열량이 4,111 kcal/kg으로 가장 낮았으며, RPF의 발열량은 7,613 kcal/kg이였다.
- 9 kJ/mol이였으며, 각각의 폐플라스틱의 활성화 에너지의 평균치보다는 높게 나타났다. 빈도인자 역시 LDPE 다음으로 높은 값을 보였으며 HDPE, PP, PS, PVC보다 열분해 속도가 빠르며 각각의 폐플라스틱 단독으로 열분해 했을 때 보다 안정적으로 열분해 되는 과정을 보였다.
- LDPE의 무게감량 96 ~ 99%, HDPE의 무게감량 98 ~ 99%, PP의 무게감량은 97 ~ 99%, PS의 무게감량 98 ~ 99%, PVC의 무게감량 91 ~ 93% 및 RPF의 무게 감량은 20°C/min 80%의 낮은 감량율, 50°C/min 94%의 높은 감량율로 나타났다. 승온속도에 따른 TGA 결과 승온속도 증가에 따라 열분해 시작온도는 소폭 증가하였지만 종결온도는 시작온도에 비해서 큰 폭으로 증가하고 전체 열분해 반응온도의 구역도 넓어졌다. 승온 속도가 빠를수록 최대 반응 속도점의 온도는 더 높은 쪽으로 이동하였다.
- 에너지 전환률은 약 85 ~ 99%였으며 LDPE가 가장 낮았으며 PP 및 PS가 가장 높은 전환률을 보였다. 승온속도에 따른 열분해 분석 결과 승온속도가 증가함에 따라 분해가 완료되는 최종 온도는 상승하였다. 이는 승온온도가 증가함에 따라 시료표면에 열이 가해지는 시간이 짧아지게 되어 시료의 내부까지 열분해에 필요한 열이 충분히 전달되지 않기 때문에 최대 반응속도를 갖는 온도가 점차 고온으로 전이되는 것으로 사료된다.
- 단, PVC의 경우 1000°C에서 분해가 완료되었으며 열분해 진행 시 불안정한 경향을 보였다. 에너지 전환률은 약 85 ~ 99%였으며 LDPE가 가장 낮았으며 PP 및 PS가 가장 높은 전환률을 보였다. 승온속도에 따른 열분해 분석 결과 승온속도가 증가함에 따라 분해가 완료되는 최종 온도는 상승하였다.
- 폐플라스틱의 성상별 발열량은 HDPE의 발열량이 9,522 kcal/kg으로 가장 높았고 PVC는 4,111 kcal/kg으로 가장 낮게 나타났다. RPF는 7,613kcal/kg으로 나타났으며 각각의 시료의 함수율의 차이는 있었지만 함수율이 약 1%미만이라 그 영향은 아주 미미할 것으로 사료된다.
- Kissinger 방법의 해석을 통해 활성화 에너지와 빈도 인자를 구하였다. 플라스틱 성상별 종류 중 LDPE가 133.5 kJ/mol로 비교적 높은 활성화 에너지 값을 나타냈고 휘발분이 비슷한 PP와 PS는 각각 17.7 kJ/mol 과 17.8 kJ/mol로 비슷한 활성화 에너지 값을 나타냈다. RPF의 경우 72.
후속연구
- 본 연구에서 열분해 반응속도에 미치는 승온 속도의 영향은 Kissinger 방법을 통해 해석하였으며, 승온 속도에서의 활성화 에너지 및 빈도인자를 예측할 수 있었다. 폐플라스틱 열분해 특성 연구를 위하여 적용된 방법은 실제의 반응기에서 반응기의 성능, 설계 및 최적 운전 조건을 결정할 때의 중요한 기초자료로 사용될 수 있을 것으로 사료된다.
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