기존에 군에서 사용하는 훈련용 수류탄은 분해가 어려운 플라스틱 성분으로 구성되어 환경오염의 원인이 되었다. 그래서 짧은 시간 내에 생분해될 수 있는 PLA(Polylactic acid) 계열 소재를 적용하게 되었다. 특히 PLA 수지는 생분해성 고분자 물질로 최종적으로 이산화탄소와 물로 분해되어 타 분야에서도 플라스틱의 대체 물질로 관심이 높다. 그래서 이번 연구에서는 연습용 수류탄에 적용된 PLA계열 소재가 실제적으로 분해 능력을 가지는지 확인하고, 타 품목에 적용가능 여부를 판단하기 위해 파일럿-규모의 퇴비화 과정을 진행하였다. 퇴비화 시험은 ISO 16929(2013)에 따라 진행하였으며, 실험 후 모든 파라미터를 통해 실험 과정이 유효하다는 것을 확인할 수 있었다. 퇴비화 시험 마지막에(12주 후) 시험 장치 내 시료를 포함한 전체 내용물을 체에 거르고, 구분, 분리하여 분석하였다. 그 결과 12주 후 99.2%의 붕괴도를 보였으며, 이는 ISO 17088(2013), EN 13432(2000), ASTM D 6400-12의 기준인 90%를 통과할 수 있는 수준이라고 볼 수 있다. 그러므로 지속적인 연구를 통해 소모성이 큰 타 품목에 PLA 재질의 추가 적용이 필요하다고 판단된다.
기존에 군에서 사용하는 훈련용 수류탄은 분해가 어려운 플라스틱 성분으로 구성되어 환경오염의 원인이 되었다. 그래서 짧은 시간 내에 생분해될 수 있는 PLA(Polylactic acid) 계열 소재를 적용하게 되었다. 특히 PLA 수지는 생분해성 고분자 물질로 최종적으로 이산화탄소와 물로 분해되어 타 분야에서도 플라스틱의 대체 물질로 관심이 높다. 그래서 이번 연구에서는 연습용 수류탄에 적용된 PLA계열 소재가 실제적으로 분해 능력을 가지는지 확인하고, 타 품목에 적용가능 여부를 판단하기 위해 파일럿-규모의 퇴비화 과정을 진행하였다. 퇴비화 시험은 ISO 16929(2013)에 따라 진행하였으며, 실험 후 모든 파라미터를 통해 실험 과정이 유효하다는 것을 확인할 수 있었다. 퇴비화 시험 마지막에(12주 후) 시험 장치 내 시료를 포함한 전체 내용물을 체에 거르고, 구분, 분리하여 분석하였다. 그 결과 12주 후 99.2%의 붕괴도를 보였으며, 이는 ISO 17088(2013), EN 13432(2000), ASTM D 6400-12의 기준인 90%를 통과할 수 있는 수준이라고 볼 수 있다. 그러므로 지속적인 연구를 통해 소모성이 큰 타 품목에 PLA 재질의 추가 적용이 필요하다고 판단된다.
In previous years, practice hand grenades were composed of non-degradable plastics and caused environmental pollution. Therefore, this study applied PLA(Polylactic acid) to practice hand grenades that would biodegradable within a short time. High expectations are being placed on PLA as a substitute ...
In previous years, practice hand grenades were composed of non-degradable plastics and caused environmental pollution. Therefore, this study applied PLA(Polylactic acid) to practice hand grenades that would biodegradable within a short time. High expectations are being placed on PLA as a substitute for plastics because it can decompose to water and carbon dioxide. The aim of this study was to confirm that the PLA material of a practice hand grenade has biodegradability in a pilot-scale composting unit and estimate the applicability for other items. A composting test was progressed according to ISO 16929(2013). The test process was found to be valid. At the end of the composting test (after 12 weeks), the entire content of the test bin with the test sheet was sieved, sorted and analyzed. A disintegration percentage of 99.2% was obtained after 12 weeks of composting. Therefore, the 90% pass level required by ISO 17088(2013), EN 13432(2000), and ASTM D 6400-12 was easily reached. On the other hand, more research will be needed to determine additional applications of PLA material for consumables.
In previous years, practice hand grenades were composed of non-degradable plastics and caused environmental pollution. Therefore, this study applied PLA(Polylactic acid) to practice hand grenades that would biodegradable within a short time. High expectations are being placed on PLA as a substitute for plastics because it can decompose to water and carbon dioxide. The aim of this study was to confirm that the PLA material of a practice hand grenade has biodegradability in a pilot-scale composting unit and estimate the applicability for other items. A composting test was progressed according to ISO 16929(2013). The test process was found to be valid. At the end of the composting test (after 12 weeks), the entire content of the test bin with the test sheet was sieved, sorted and analyzed. A disintegration percentage of 99.2% was obtained after 12 weeks of composting. Therefore, the 90% pass level required by ISO 17088(2013), EN 13432(2000), and ASTM D 6400-12 was easily reached. On the other hand, more research will be needed to determine additional applications of PLA material for consumables.
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문제 정의
본 연구에서는 연습용 수류탄 제작에 사용된 PLA 수지를 대상으로 파일럿-규모의 퇴비화를 이용한 생분해 실험을 통해 실제와 유사한 환경에서 분해성이 있는지를 입증하고, 플라스틱이 쓰이는 타 소모성 군용 품목에 적용 가능성을 확인하는 데 목적이 있다. 여기서 생분해란 일반적인 퇴비화 과정 끝에 분별하지 못할 정도의 미세한 조각(＜ 2mm) 으로 떨어져 나가는 것을 말하며, 최종적으로 호기성 조건에서 미생물에 의해 유기화합물이 이산화탄소, 물, 암모니아, 무기염류 등으로 분해되는 것을 말한다[6].
제안 방법
10mm 이상, 5∼10mm, 2∼5mm 그리고 2mm 이하 파편에 대해 구분하여 총 고형분과 휘발성 고형분의 비율을 산정했다.
2mm이하 2∼ 5mm, 5∼10mm의 3가지 구역으로 나누어 무게를 측정하였으며, 이를 이용하여 붕괴도율을 구하였다.
105℃에서 분리된 입자를 일정한 양에 도달할 때까지 건조하며 얻은 총 고형 건조분으로부터 식(6)에 의해 붕괴도를 산출한다. 그리고 휘발성 물질 함량을 이용해 유기 물질의 양을 측정한다.
기체 분석은 CTRI column을 사용하는 PerkinElmer gas chromatograph로 수행하였다. INST L.
Gas chromatograph는 10% O2, 20% CO2, 30% N2그리고 40% CH4로 구성되는 표준 기체 혼합물에 의해 교정된다. 매일 기체 분석은 검증된 gas chromatography에 의해 진행되었다.
두 번째, 토양매립에 의한 평가는 토양 조건의 다양성으로 인해 분해성 평가 재현성이 부족하고 시간이 오래 걸린다는 점이 문제점으로 지적되어왔다. 반면 본 실험에서 이용한 파일럿 규모의 composting에 의한 생분해성 실험은 반응기 내에서 고온 활성 미생물에 자연환경과 유사한 조건을 제공하여 오염물질을 생물학적으로 분해할 수 있으며, 단시간 내에 평가할 수 있다는 장점이 있어 이번 실험에 이용하였다[8-9].
또한 일정 시간 간격으로 10mm에서 2mm체로 거른다. 시험 재료의 붕괴도는 시험한 양과 2mm의 체에 남겨진 시험 재료의 양 및 총 건조 고형분을 기초로 평가한다.
실험에 사용된 시료의 두께 측정을 위해 시료는 24시간 동안 23℃, 50% 상대습도에서 적응된 이후, 시료의 10군데 구역을 측정하였다.
측정은 ISO 4593(2009) “Plastics – Film and sheeting Determination of thickness by mechanical scanning”에 따라 universal bench micrometer(정확도 0.1㎛)로 진행하였다.
퇴비화 처리 2주 이후 PLA Sheet 내용물을 확인하기 위해 체에 걸러 분류하고 분석하였다. 2mm이하 2∼ 5mm, 5∼10mm의 3가지 구역으로 나누어 무게를 측정하였으며, 이를 이용하여 붕괴도율을 구하였다.
호기성 환경에서 생물학적 폐기물에 시험 물질을 1% (10×10cm, PLA Sheet) 추가하였으며, 중복하여 평가하였다.
대상 데이터
사실상 분석은 Gas chromatography를 이용해 완료된다. Gas chromatography는 Clarus 480이며 컬럼은 30m Stabilwax를 사용한다. Carrier gas는 H2이며 정확한 농도를 알고 있는 8개의 기준 휘발성 지방산의 혼합물질이 교정용으로 사용되며 2-methyl-caproic acid가 표준물질로 사용된다.
실험에는 3가지 종류의 저울이 사용되었다. 건조와 휘발성을 결정을 위해 Satorius AC 210(최대 200g, 최소 단위 0.1mg)을 사용했다. 그리고 시험 물질의 무게 측정을 위해 Satorius CP 12001S(최대 12100g, 최소단위 0.
1mg)을 사용했다. 그리고 시험 물질의 무게 측정을 위해 Satorius CP 12001S(최대 12100g, 최소단위 0.1g) 또는 Satorius CPA 12001S(최대 12100g, 최소단위 0.1g), Satorius AX6202(최대 6200g, 최소단위 0.01g), Acculab ATL-224(최대 220g, 최소단위 0.1mg), Satorius AX224(최대 220g, 최소단위 0.1mg)를 사용했다. 생물학적 폐기물과 퇴비화 용기의 무게 측정을 위해 Robbe Low Profile balance를 사용했다.
실험은 ISO 16929(2013)에 근거해 산업폐기물 퇴비화 과정을 모사하여 파일럿-규모에서 이루어졌다. 세부 적인 실험은 OWS(Organic Waste System, Belgium)에서 수행했으며, 내용은 다음과 같다. 호기성 환경에서 생물학적 폐기물에 시험 물질을 1% (10×10cm, PLA Sheet) 추가하였으며, 중복하여 평가하였다.
실험에 사용한 생분해성 플라스틱은 전술 훈련용 수류탄의 어댑터 부분의 조성과 같은 플라스틱 시편이다. 이는 TLC(Top Leaf Chemical) Korea Co.
실험에는 3가지 종류의 저울이 사용되었다. 건조와 휘발성을 결정을 위해 Satorius AC 210(최대 200g, 최소 단위 0.
데이터처리
신선한 생물학적 폐기물은 쓰레기매립지의 고형쓰레기의 유기물 조각이며 시험 재료와 함께 혼합되었다. 그림 4와 같은 파일럿-규모의 퇴비화 장치를 이용하여 실험을 진행하였으며 분해정도를 평가하였다. 폐기통은 2L이며 두 개를 준비하여 각 통은 두 개의 구역으로 나누어 중복실험 한다.
이론/모형
2.8 Ammonium-Nitrogen (NH4+-N)
NH4+ -N에 대한 분석은 FIA: Flow injection analysis (spectrometric detection)에 의해 진행되었다
. 퇴비의 NH4+-N은 수용액 추출로부터 결정된다(Demineralised water와 시료의 비율은 5:1 과 같다).
본 연구에서는 훈련용 수류탄 재질로 쓰인 PLA (Polylactic acid)의 생분해 성능에 대한 확인을 위해 파일럿-규모에서 ISO 16929(2013)에 따라 실험을 진행하였다. 동일한 실험군을 중복 평가 후 2mm 이상의 입자 무게 측정에 의한 붕괴도 산출 결과 각각 99.
-N에 대한 분석은 FIA: Flow injection analysis (spectrometric detection)에 의해 진행되었다. 퇴비의 NH4+-N은 수용액 추출로부터 결정된다(Demineralised water와 시료의 비율은 5:1 과 같다).
1mg)를 사용했다. 생물학적 폐기물과 퇴비화 용기의 무게 측정을 위해 Robbe Low Profile balance를 사용했다.
실험은 ISO 16929(2013)에 근거해 산업폐기물 퇴비화 과정을 모사하여 파일럿-규모에서 이루어졌다. 세부 적인 실험은 OWS(Organic Waste System, Belgium)에서 수행했으며, 내용은 다음과 같다.
성능/효과
7℃를 짧은 시간 나타 내어 즉각 조치 이후 온도 감소가 이루어졌다. 그리고 이후 연속적인 4주간 40℃ 이상을 유지하여 최적화된 퇴비화 환경임을 입증하였다.
본 연구에서는 훈련용 수류탄 재질로 쓰인 PLA (Polylactic acid)의 생분해 성능에 대한 확인을 위해 파일럿-규모에서 ISO 16929(2013)에 따라 실험을 진행하였다. 동일한 실험군을 중복 평가 후 2mm 이상의 입자 무게 측정에 의한 붕괴도 산출 결과 각각 99.2%, 99.3% 임을 확인할 수 있었다. 이는 ISO 17088(2012), EN 13432(2000).
2%이다. 따라서 EN 13432 (2000), ASTM D 6400-12 그리고 ISO 17088 (2012)의 통과 수준인 90%를 만족하는 것으로 확인되었다.
산성을 유지할 경우 혐기성 발효가 일어나 유기산이 생성되므로 공기 공급과 중화제를 이용하여 pH 조절이 필요하다. 모니터링 결과 위 규정을 잘 만족하고 있으며 pH 6.2에서 시작하여 1.7주 후 pH는 모든 시험에서 8.5이상으로 증가하였다. 또한 시험 마지막 시점에서는 Control과 PLA Sheet 가 각각 pH 8.
7 이상의 수준을 나타냈다. 산소는 항상 10% 이상으로 유지하여 호기성 조건이 잘 유지됨을 확인하였다. 상세 실험 방법은 아래와 같다.
실험 결과는 표 2, 3과같이 모두 ISO 규격의 요구사항을 만족한다. 생물학적 폐기물은 총 고형분에서 66.9%의 수분함량과 84.9%의 휘발성 고형분을 나타냈으며 VGF의 경우 시험 시작점 에서 pH 6.2였다. 또한 C/N 비율은 시작점에서 20에서 30사이를 나타냈으며 ISO 규격인 20~30 이내를 만족한다.
표 5에서 확인할 수 있듯이 이 조건을 충족하였다. 어떤 지방산도 발견되지 않았으며, Rettegrad V로 확인되어 퇴비화 과정이 안정되어 있음을 알 수 있었다. 또한 반응이 진행됨에 따라 CO2 소모에 의해 C.
발생율은 그림 6과 같이 나타났다. 첫째 주 동안 발생양이 많았으며 시간에 따라 줄어드는 양상을 보였다. 퇴비화 과정 10주차에 CO2 발생이 완료되는 양상을 보였다.
European 표준 EN 13432(2000) ‘Requirement for packaging recoverable through composting and biodegradation – Test scheme and evaluation criteria for the final acceptance of packaging’, 미국 표준 ASTM D 6400-12 ‘Standard Specification for Labeling of Plastics Designed to be Aerobically Composted in Municipal or Industrial Facilities’ 그리고 ISO 17088(2012) ‘Specifications for compostable plastics’ 에 따르면 퇴비화 과정 12주 이후 입자 크기가 2mm 초과된 것이 10% 미만이어야 한다. 표 4에서 볼 수 있듯이 PLA Sheet 중 2mm 초과된 크기의 입자는 0.8%로 나타났으며 붕괴도는 99.2%이다. 따라서 EN 13432 (2000), ASTM D 6400-12 그리고 ISO 17088 (2012)의 통과 수준인 90%를 만족하는 것으로 확인되었다.
후속연구
현재 환경 보호측면에서 생분해성 고분자의 플라스틱류 대체 사용이 시급한 실정이다. 그러므로 PLA 계열 재질 개발에 대한 활발한 연구를 통해 타 품목에 추가적인 적용을 고려할 수 있을 것이라 생각한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
플라스틱 소재를 사용하며 생기는 환경적인 측면에서의 문제는 어떠한 것이 있는가?
플라스틱 소재는 열과 압력으로 쉽게 성형이 가능하며 단가가 싼 장점을 가지고 있기 때문에 다양한 산업분 야에 활용되었다. 하지만 쉽게 분해되지 않는 성질로 인하여 각종 폐기물이 누적되어 토양 황폐화 및 매립 면적감소로 문제를 발생시키고 있다. 그리고 소각이나 매립시 발생하는 환경호르몬 및 맹독성 다이옥신으로 대기 오염 발생 등 환경오염의 원인이 되고 있다[1].
PLA의 특징은 무엇인가?
그 중에서도 PLA(Polylactic acid)의 경우 타 생분해성 고분자에 비해 우수한 열 가공 특성을 지니고 있어 이용성이 탁월하고 분해성이 뛰어난 측면이 있어 가장 각광받는 친환경 소재 중 하나이다. 또한 인체에 무해한 장점을 지니고 있어 일회용품 및 의료용 재료로도 많이 쓰인다[4].
생분해성 플라스틱의 분해를 가속화하는 방법은?
이러한 문제를 해결하기 위한 방법으로 쉽게 분해될수 있는 플라스틱에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 생분해성 플라스틱의 경우 전형적인 합성 고분자에 C=O와 같은 관능기를 도입한 형태로 변형시켜 분해를 가속화시킬 수 있다[2-3].
참고문헌 (11)
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David T. "Plastic Waste Management," Marcel Dekker Inc., New York pp. 1-35, 1993.
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Sodergard, Anders, and Mikael Stolt. "Industrial production of high molecular weight poly (lactic acid)," Poly (Lactic Acid): Synthesis, Structures, Properties, Processing, and Applications, pp. 27-41, 2010.
Parichat Intaraksa, Yosita Rudeekit, Ponsak Siriyota and Tanawadee Leejarkpai. "Comparative Study of the Bio-disintegration Behavior of Polylactic acid under Laboratory and Pilot-Scale Composting Conditions," National Metal and Materials Technology center, 114 Thailand science park, Thailand Advanced Materials Research, pp. 678-681, v.747, 2013. DOI: http://dx.doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMR.747.678
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Jeong-Soo Park, Hung-Soo Joo, Jae-Young Ryu, Chae-Gun Phae and Young-Seung Jeon, "Study of Biodegradable Ability of Biodegradable Plastic in Anaerobic Digestion," Journal of KOWREC, pp. 109-119, 2002.
Koran Institute of science and technology. "Standard of eco-friendly biodegradable polymer and development of test method", Ministry of Environment, pp 37-51, 1999.
Jung-Uk Kim. "[Special Issue : Recycling of waste] Composting of waste," Chemical Industry and Technology, pp. 57-61, 1989.
Nelson, D. W. and L_E Sommers. "Total carbon, organic carbon, and organic matter," Methods of soil analysis. Part 2. Chemical and microbiological properties methods of soilan 2, pp. 539-579, 1982.
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