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문제 정의
- 이번 실험에서는 고차단성을 요할 시 적용하는 기존 식품 패키징의 산화알루미늄 증착 필름과 천연 단백질 기반의 고차단성 필름의 환경영향을 비교분석하는 것을 목적으로 한다. Base matrix의 경우 Polyethylene terephthalate을 활용하였으며 기존 필름의 경우 산화 알루미늄 증착 (Traditional film)을 통해 산소 차단성을 증진시켰으며 새롭게 개발된 필름 (New film)의 경우 단백질 기반의 코팅재를 통해 산소 차단성을 증진시켰다.
- 이번 연구에서는 식품 포장재로 많이 활용하고 있는 산소 고차단성 필름 두 종류의 환경 영향을 평가하는 것이었다. Table 4의 경우 환경 영향 모델에 따라 계산된Traditional film과 New film의 각 환경 영향 범주 별 비교 값 및 이러한 차이를 보인 가장 영향력 있는 공정을 설명하였다.
제안 방법
- 이번 실험에서는 향후 결과 분석을 용이하게 하기 위해 각각의 시스템 별 세부 공정을 4개의 단계로 묶어서 분석하였다. 4개의 단계는 Material production, Intermediate process, Transportation 그리고 Waste management로 설정하였다.
- Mocon사의 OX-TRAN 702를 활용하여 산소 차단능을 측정하였으며 Traditional film의 경우 0.30 cc·mil/m2·-day, New film의 경우 1.04 cc·mil/m2·day를 기록하였다.
- Transportation 단계의 경우 각각의 원료 물질 배송이 포함되었다. Waste treatment 단계의 경우 Lamination 공정 중 발생하는 3%의 불량률과 제대 공정에서 발생하는 7%의 불량률 및 가장자리 폐기물의 처리 과정이 포함되었으며 이번 연구에서는 소각 (Incineration)을 통해 처리하였다. 제대공정 및 외포장 작업의 경우 New film 공정 시스템과 중첩되는 부분으로 이번 연구에서 제외하였다.
- Transportation 단계의경우 각각의 원료 물질 배송이 포함되었다. Waste treatment 단계의 경우 Lamination 공정 중 발생하는 3%의 불량률과 제대 공정에서 발생하는 7%의 불량률 및 가장자리 폐기물의 처리 과정이 포함되었으며 이번 연구에서는 재활용 (Recycling)을 통해 처리하였다. 제대 공정 및 외포장 작업의 경우 Traditional film 공정 시스템과 중첩되는 부분으로 이번 연구에서 제외하였다.
- 앞선 Life cycle inventory analysis의 결과를 해석하기 편하기 위해 각각의 환경영향 범주 (Life cycle impact category)로 분류하여 환경영향을 분석 평가하였다. 이번 연구에서는Goedkoop et al.
- 2). 을 활용하여 1000매의 파우치를 생산하여 공장 문 밖을 나서지 전까지 (Factory to gate) 사용되는 모든 물자와 에너지 그에 따른 배출물로 설정하였다. 기능 유닛에 맞춰 사용된 각각의 소재 별 출처 및 사용량은 Table 1에 설명하였다.
- 3와 4는 이번 전 과정 평가에서 분석할 Traditionalfilm과 New film 시스템의 범위를 설명하고 있다. 이번 실험에서는 향후 결과 분석을 용이하게 하기 위해 각각의 시스템 별 세부 공정을 4개의 단계로 묶어서 분석하였다. 4개의 단계는 Material production, Intermediate process, Transportation 그리고 Waste management로 설정하였다.
- 전과정평가 수행을 위한 기능 유닛 (Functional unit) 설정으로는 1000매의 3방 파우치 (135 mm×170 mm)를 만들기 위해 필요한 Traditional 및 New film으로 정하였다 (Fig.2).
이론/모형
- 5 (Pre Sustainability, Netherlands) 소프트웨어의 Database를 활용하였으며 자세한 설명은 Table 2에 명시하였다. 알루미늄 증착 (Aluminum deposition)의 경우 Jacob A.Bayus11)의 논문을 참조하였다. 나머지 소재 및 공정의 경우 Ecoinvent 3 (Ecoinvent, Switzerland)의 Database를 활용하였다.
- 앞서 정해진 System boundary에 맞춰 1차 수집 데이터 이외에 부족한 Data의 경우 이번 연구에서 활용한 Simparo 8.5 (Pre Sustainability, Netherlands) 소프트웨어의 Database를 활용하였으며 자세한 설명은 Table 2에 명시하였다. 알루미늄 증착 (Aluminum deposition)의 경우 Jacob A.
- 앞선 Life cycle inventory analysis의 결과를 해석하기 편하기 위해 각각의 환경영향 범주 (Life cycle impact category)로 분류하여 환경영향을 분석 평가하였다. 이번 연구에서는Goedkoop et al.12) 이 개발한 전 과정 영향 평가 방법인ReCiPe2016을 활용하였다. 이 방법에서 설정한 환경부하항목은 다음과 같다.
- Base matrix의 경우 Polyethylene terephthalate을 활용하였으며 기존 필름의 경우 산화 알루미늄 증착 (Traditional film)을 통해 산소 차단성을 증진시켰으며 새롭게 개발된 필름 (New film)의 경우 단백질 기반의 코팅재를 통해 산소 차단성을 증진시켰다. 환경 영향을 비교 분석하기 위해 전과정평가 (Life cycle assessment)를 활용하였다.
성능/효과
- 5% 더 낮은 Marine ecotoxicity영향력을 보였다. Terrestrial ecotoxicity 및 Freshwater ecotoxicity와 마찬가지로 가장 큰 차이점으로는 Traditional film의 Waste management 단계에서 나타났으며 세부적으로는 잉크, PE 및 PET의 소각에 따른배출물의 영향이 가장 큰 기여를 한 것으로 나타났다.
- 4% 더 낮은 Freshwater ecotoxicity영향력을 보였다. Terrestrial ecotoxicity와 마찬가지로 가장 큰 차이점으로는 Traditional film의Waste management 단계에서 나타났으며 세부적으로는 잉크, PE 및 PET의 소각에 따른 배출물의 영향이 가장 큰기여를 한 것으로 나타났다.
- 5 eq)보다도 3% 정도 더 높은 Fine particulate matter formation영향력을 보였다. 가장 큰 차이점으로는 Intermediate process 단계에서 나타났으며 New film의 Intermediate process단계의 경우 코팅 공정의 추가에 따른 전기 소비량 증가가 이러한 차이점을 나타낸 것으로 분석되었다.
- 67 kBq Co-60 eq)보다도 4% 정도 더 낮은Ionizing radiation영향력을 보였다. 가장 큰 차이점으로는 Material production 단계에서 나타났으며 Traditional film의 Waste management 단계에서는 원자력 발전에 따른 우라늄 폐기물이 가장 큰 기여를 한 것으로 나타났다.
- 1% 더 낮은 Mineral resource scarcity 영향력을 보였다. 가장 큰 차이점으로는 Traditional film의 Waste management 단계에서 나타났으며 세부적으로는 Municipal waste incineration facility 구축을 위한 철 소비가 가장 큰 기여를 한 것으로 나타났다.
- 6% 더 낮은 Human carcinogenic toxicity영향력을 보였다. 가장 큰 차이점으로는 Traditional film의 Waste management단계에서 나타났으며 세부적으로는 잉크 소각에 따른 배출물의 영향이 가장 큰 기여를 한 것으로 나타났다.
- 7% 더 낮은Terrestrial ecotoxicity영향력을 보였다. 가장 큰 차이점으로는 Traditional film의 Waste management 단계에서 나타났으며 세부적으로는 잉크, PE 및 PET의 소각에 따른 배출물의 영향이 가장 큰 기여를 한 것으로 나타났다.
- 6% 더 낮은 Human carcinogenic toxicity영향력을 보였다. 가장 큰 차이점으로는 Traditional film의 Waste management단계에서 나타났으며 세부적으로는 잉크 소각에 따른 배출물의 영향이 가장 큰 기여를 한 것으로 나타났다.
- 4% 정도 더 낮은 Stratospheric ozone depletion영향력을보였다. 가장 큰 차이점으로는 Waste management 단계에서 Traditional film의 경우 소각에 따른 배출물들이 Stratospheric ozone depletion에 큰 영향을 미친 것으로 나타났다. 단계 별로는 Traditional film의 경우 Material Production, Intermediate Process, Waste treatment, Transportation 순으로 영향을 미쳤으며 New Film의 경우 Materialproduction, Intermediate Process, Transportation 순으로 영향을 미쳤다.
- 6 kg CO2 eq)보다도 73% 정도 더 낮은 Global warming 영향력을 보였다. 가장 큰 차이점으로는 Waste management 단계에서 Traditional film의 경우소각에 따른 배출물들이 Global warming에 큰 영향을 미친 것으로 나타났다. 단계 별로는 Traditional film의 경우Waste treatment, Material Production, Intermediate Process, Transportation 순으로 영향을 미쳤으며 New Film의 경우 Material production, Intermediate Process, Transportation순으로 영향을 미쳤다.
- 042 kg NOx eq)보다도 16% 정도 더낮은 Ozone formation, Human health영향력을 보였다. 가장 큰 차이점으로는 Waste management 단계에서 나타났으며 Traditional film의 Waste management 단계에서는 잉크와 LDPE의 소각이 가장 큰 기여를 한 것으로 나타났다.
- 056 kg SO2 eq)보다도 5% 정도 더낮은 Terrestrial acidification영향력을 보였다. 가장 큰 차이점으로는 Waste management단계에서 나타났으며 Traditional film의 Waste management 단계에서는 잉크의 소각이 가장 큰 기여를 한 것으로 나타났다.
- 두 시스템 분석 결과 New film (0.000648 kg N eq)과Traditional film (0.000651 kg N eq)이 0.4%의 차이를 보여 거의 비슷한 Marine eutrophication영향력을 보였다. 가장 큰 차이점으로는 Intermediate Process 단계에서 나타났으며 Freshwater eutrophication 과 마찬가지로 Lignite과 Hard coil 채굴 중 발생한 폐기물의 매립이 가장 큰 기여를 하였다.
- 두 시스템 분석 결과 New film (0.00298 kg 1,4-DCB)과 Traditional film (0.00657 kg 1,4-DCB)이 54.6% 더 낮은 Human carcinogenic toxicity영향력을 보였다. 가장 큰 차이점으로는 Traditional film의 Waste management단계에서 나타났으며 세부적으로는 잉크 소각에 따른 배출물의 영향이 가장 큰 기여를 한 것으로 나타났다.
- 두 시스템 분석 결과 New film (0.00351 kg P eq)과 Traditional film (0.00353 kg P eq)이 0.5% 차이를 보여 거의 비슷한 Freshwater eutrophication영향력을 보였다. 가장 큰 차이점으로는 Intermediate Process 단계에서 나타났으며 Newfilm의 Intermediate Process 단계에서는 전기 생산을 위해 사용된 Lignite과 Hard coil 채굴 중 발생한 폐기물의 매립이 가장 큰 기여를 하였다.
- 두 시스템 분석 결과 New film (0.0091 kg PM2.5 eq)이 Traditional film (0.0089 kg PM2.5 eq)보다도 3% 정도 더 높은 Fine particulate matter formation영향력을 보였다. 가장 큰 차이점으로는 Intermediate process 단계에서 나타났으며 New film의 Intermediate process단계의 경우 코팅 공정의 추가에 따른 전기 소비량 증가가 이러한 차이점을 나타낸 것으로 분석되었다.
- 두 시스템 분석 결과 New film (0.0126 kg Cu eq)과Traditional film (0.0160 kg Cu eq)이 21.1% 더 낮은 Mineral resource scarcity 영향력을 보였다. 가장 큰 차이점으로는 Traditional film의 Waste management 단계에서 나타났으며 세부적으로는 Municipal waste incineration facility 구축을 위한 철 소비가 가장 큰 기여를 한 것으로 나타났다.
- 두 시스템 분석 결과 New film (0.035 kg NOx eq)이Traditional film (0.042 kg NOx eq)보다도 16% 정도 더낮은 Ozone formation, Human health영향력을 보였다. 가장 큰 차이점으로는 Waste management 단계에서 나타났으며 Traditional film의 Waste management 단계에서는 잉크와 LDPE의 소각이 가장 큰 기여를 한 것으로 나타났다.
- 두 시스템 분석 결과 New film (0.038 kg NOx eq)이Traditional film (0.045 kg NOx eq)보다도 15% 정도 더 낮은 Ozone formation, Terrestrial ecosystems영향력을 보였다. 가장 큰 차이점으로는 Waste management 단계에서 나타났으며 Traditional film의 Waste management 단계에서는 잉크와 LDPE의 소각이 가장 큰 기여를 한 것으로 나타났다.
- 두 시스템 분석 결과 New film (0.053 kg SO2 eq)이 Traditional film (0.056 kg SO2 eq)보다도 5% 정도 더낮은 Terrestrial acidification영향력을 보였다. 가장 큰 차이점으로는 Waste management단계에서 나타났으며 Traditional film의 Waste management 단계에서는 잉크의 소각이 가장 큰 기여를 한 것으로 나타났다.
- 두 시스템 분석 결과 New film (0.0755 kg 1,4-DCB)과Traditional film (3.308 kg 1,4-DCB)이 97.7% 더 낮은Human non-carcinogenic toxicity영향력을 보였다. 가장 큰 차이점으로는 Traditional film의 Waste management 단계에서 나타났으며 세부적으로는 잉크 소각에 따른 배출물의 영향이 가장 큰 기여를 한 것으로 나타났다.
- 두 시스템 분석 결과 New film (0.078 kg 1,4-DCB)과Traditional film (2.22 kg 1,4-DCB)이 96.5% 더 낮은 Marine ecotoxicity영향력을 보였다. Terrestrial ecotoxicity 및 Freshwater ecotoxicity와 마찬가지로 가장 큰 차이점으로는 Traditional film의 Waste management 단계에서 나타났으며 세부적으로는 잉크, PE 및 PET의 소각에 따른배출물의 영향이 가장 큰 기여를 한 것으로 나타났다.
- 두 시스템 분석 결과 New film (0.24 kg 1,4-DCB)과Traditional film (6.59 kg 1,4-DCB)이 96.4% 더 낮은 Freshwater ecotoxicity영향력을 보였다. Terrestrial ecotoxicity와 마찬가지로 가장 큰 차이점으로는 Traditional film의Waste management 단계에서 나타났으며 세부적으로는 잉크, PE 및 PET의 소각에 따른 배출물의 영향이 가장 큰기여를 한 것으로 나타났다.
- 두 시스템 분석 결과 New film (0.247 m3)과 Traditionalfilm (0.252 m3)이 1.8%의 차이를 보여 거의 비슷한 Water consumption영향력을 보였다.
- 두 시스템 분석 결과 New film (0.64 kBq Co-60 eq)이Traditional film (0.67 kBq Co-60 eq)보다도 4% 정도 더 낮은Ionizing radiation영향력을 보였다. 가장 큰 차이점으로는 Material production 단계에서 나타났으며 Traditional film의 Waste management 단계에서는 원자력 발전에 따른 우라늄 폐기물이 가장 큰 기여를 한 것으로 나타났다.
- 두 시스템 분석 결과 New film (0.885 m2a crop eq)과Traditional film (0.888 m2a crop eq)이 0.2%의 차이를 보여 거의 비슷한 Land use영향력을 보였다.
- 두 시스템 분석 결과 New film (23.3 kg CO2 eq)이Traditional film (88.6 kg CO2 eq)보다도 73% 정도 더 낮은 Global warming 영향력을 보였다. 가장 큰 차이점으로는 Waste management 단계에서 Traditional film의 경우소각에 따른 배출물들이 Global warming에 큰 영향을 미친 것으로 나타났다.
- 두 시스템 분석 결과 New film (3.42 × 10-6 kg CFC-11eq)이 Traditional film (3.58 × 10-6 kg CFC-11 eq)보다도 4.4% 정도 더 낮은 Stratospheric ozone depletion영향력을보였다.
- 두 시스템 분석 결과 New film (8.18 kg 1,4-DCB)과Traditional film (15.34 kg 1,4-DCB)이 46.7% 더 낮은Terrestrial ecotoxicity영향력을 보였다. 가장 큰 차이점으로는 Traditional film의 Waste management 단계에서 나타났으며 세부적으로는 잉크, PE 및 PET의 소각에 따른 배출물의 영향이 가장 큰 기여를 한 것으로 나타났다.
- 두 시스템 분석 결과 New film (9.632 kg oil eq)과 Traditional film (9.710 kg oil eq)이 0.8%의 차이를 보여 거의 비슷한 Fossil resource scarcity영향력을 보였다.
- 전과정평가 분석 결과 대다수의 환경영향범주에서 New film이 Traditional film 대비 낮은 값이 나왔으며 구체적으로 Global warming, Stratospheric ozone depletion, Ionizing,radiation, Ozone formation (Human health), Ozone formation (Terrestrial ecosystems), Terrestrial acidification,Freshwater eutrophication, Terrestrial ecotoxicity, Freshwater ecotoxicity, Marine ecotoxicity, Human carcinogenictoxicity, Human non-carcinogenic toxicity, Land use,Mineral resource scarcity, Fossil resource scarcity, Waterconsumption와 같은 환경영향 범주에서 낮은 값을 보였다.하지만 Marine eutrophication와 Fine particulate matterformation 범주에서는 New film이 Traditional film대비하여 더 높게 나왔으며 구체적으로는 Coating 공정의 추가에따른 전력 소비 및 전력 생산을 위한 원자재 채굴에 의한 것으로 나타났다.
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