[논문]폐플라스틱의 부유선별 및 기능성 소재로의 활용 연구동향

한요셉; 김리나; 홍혜진; 박인수; 김동균; 김윤호; 전호석; 장한권

doi:10.7844/kirr.2020.29.6.15

폐플라스틱의 부유선별 및 기능성 소재로의 활용 연구동향
Research Trends in Flotation of Waste-plastics and Its Use as Functional Materials 원문보기

資源리싸이클링 = Journal of the Korean Institute of Resources Recycling, v.29 no.6, 2020년, pp.15 - 26

한요셉 (한국지질자원연구원 광물자원연구본부 자원회수연구센터) , 김리나 (한국지질자원연구원 광물자원연구본부 자원회수연구센터) , 홍혜진 (한국지질자원연구원 광물자원연구본부 자원활용연구센터) , 박인수 (한국지질자원연구원 광물자원연구본부 자원활용연구센터) , 김동균 (한국화학연구원 고기능 고분자 연구센터) , 김윤호 (한국화학연구원 고기능 고분자 연구센터) , 전호석 (한국지질자원연구원 광물자원연구본부 자원회수연구센터) , 장한권 (한국지질자원연구원 광물자원연구본부 자원활용연구센터)

초록
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최근 미세플라스틱의 발생 측면에서 폐플라스틱의 친환경적 처리에 대한 관심이 증대하고 있다. 이에, 폐플라스틱의 재활용이 폐기물 간소화, 이산화탄소 배출 감소 및 부가가치 제품 재생산의 이점을 제공하기 때문에 매우 중요하다고 할 수 있다. 특히, 친환경적인 폐플라스틱의 재활용을 위해서는 물리적 선별방법을 통해야 하며, 그 중에서도 폐플라스틱내의 재질별 분리가 가능한 부유선별이 물질재활용 측면에서 매우 효과적인 분리방법으로 잘 알려져 있다. 따라서, 본 총설에서는 혼합 폐플라스틱의 효과적인 재질 분리를 하기 위한 부유 선별의 연구 동향을 조사하였다. 추가적으로 보고된 연구결과들을 통하여 플라스틱의 원재료인 폴리머로부터 기능성 신소재로서의 활용에 대한 접근방법을 요약 정리하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In recent years, there is an increasing interest in environmental friendly treatment of waste-plastics in terms of the generation of microplastics. Accordingly, the recycling of waste-plastics is very important because it provides advantages of volume reduction, mitigation of carbon dioxide emission, and reproduction of value-added products. In particular, in order to recycle the eco-friendly waste-plastics, it is necessary to use a physical separation methods, and among them, flotation separation, which can separate material (i.e., polymer component) in waste-plastics is well known as a very effective separation method in terms of material recycle. Therefore, in this review, the research trend of flotation separation for effective separation of mixture waste-plastics was investigated. In addition, through the reported research results, approaches to use as new functional materials from polymers, which are raw materials for waste-plastics, are summarized.

주제어

표/그림 (8)

그림 Fig. 1. Bubble-particle aggregates in (a) ores flotation and (b) plastics flotation¹⁸⁾.
그림 Fig. 2. Base process involves in plastic flotation method³¹⁾.
표 Table 1. Flotation separation of plastic mixtures
그림 Fig. 4. Strategies for flotation separation of plastic mixtures (hydrophobic plastics or highly wettable plastics)⁴⁵⁾.
그림 Fig. 3. (a) A simplified schematic diagram of the flotation separation and separation mechanism for the main factors of flotation and particle-bubble interaction. (b) Energy barrier result profile to calculate the XDLVO theory applied probabilities.
그림 Fig. 5. Properties of an ideal oil sorbent made from plastics⁴⁶⁾.
그림 Fig. 7. Sorption properties of polypropylene sponge (PP) (a) schematics showing important synthesis steps. (b) The absorption and recycling process of diethyl ether (dyed with oil red) and the recovery of the PP sponge by washing with volatile organic liquid (ethanol) and drying in air. (c) Absorption capacities of the PP sponge toward different organic liquids and oils⁵³⁾.
그림 Fig. 6. (a) Schematic of electrospinning process. (b) Schematic and SEM images of fiber bending instabilities by using the electrospinning technique. (c) Schematic diagram illustrating the formation process of porous polystyrene fibers during electrospinning^50-52).

AI 본문요약
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문제 정의

따라서, 실제 혼합폐플라스틱의 재질별 분리를 수행함에 따라 표면 특성조절 전략의 설정이 매우 중요할 것이다. 게다가, 플라스틱의 원료인 폴리머를 활용하여 기능성 신소재로서의 보고된 연구결과를 살펴보았다. 결과적으로 플라스틱 표면 특성을 최대한 활용한 오일 흡착제에 대한 연구사례가 많았으며, 흡착제로서의 성능 향상을 위한 상호 용해도, 표면적, 기공구조 및 침투(팽창) 특성의 조절기술이 핵심이 될 것으로 정리되었다.
이에, 효과적인 폐플라스틱의 재활용을 유도하기 위해서는 우수한 폐플라스틱간의 선택적 선별기술이 중요하며, 최근 많이 보고된 폐플라스틱으로 기능성 소재(흡착제)로의 활용 기술 또한 중요할 것으로 판단된다. 따라서, 본 총설은 폐플라스틱의 물리적 선별을 위한 부유선별 기술 동향 및 폐플라스틱의 흡착재로서 활용하여 보고된 연구사례로부터 향후 폐플라스틱의 일반적인 재활용이 아닌 고부가가치 개념이 더해진 업사이클로서의 기술 향상에 기여하고자 작성되었다.
플라스틱-폴리머의 특성에 따라 보고된 기능성 신소재로의 활용에서 대표적인 분야는 오일(oil) 흡수/흡착제(sorbents, 이하 흡착제로 언급) 이며, 플라스틱 표면의 소수성 특성을 이용하여 높은 흡착제로서 제작하여 오일 흡착제에 대한 활용을 나타내었다. 또한, 플라스틱-폴리머로서 가장 대표적인 기능성 소재로서 파이버 및 3차원 다공성 구조인 에어로졸, 폼, 스폰지 등에 대한 보고된 결과를 나타내고자 하였다. 먼저, 폐플라스틱으로부터 이상적인 오일 흡착제 특성에 대한표면을 Fig.
앞선 언급에서 플라스틱의 재활용 중에서 플라스틱 재질별 분리가 용이하게 된다면 고부가가치로의 활용이 가능하며, 본문에서는 폐플라스틱을 기능성 신소재로서의 활용 연구동향을 정리하였다. 플라스틱-폴리머의 특성에 따라 보고된 기능성 신소재로의 활용에서 대표적인 분야는 오일(oil) 흡수/흡착제(sorbents, 이하 흡착제로 언급) 이며, 플라스틱 표면의 소수성 특성을 이용하여 높은 흡착제로서 제작하여 오일 흡착제에 대한 활용을 나타내었다.

대상 데이터

그러나 일반 유형의 플라스틱 분리는 가능하지만 LDPE와 HDPE 는 부유선별로 분리하는데 한계가 있으며 ²⁸⁾, 거품 부양에 의한 플라스틱 분리에 대한 많은 실험 작업을 수행했지만 MSW (municipal solid waste)에 대한 실험은 대규모로 보고되지 않았다 ²⁹⁾. 이 실험에서는 습윤제와 기포제는 플라스틱 회수에 필요하였으며, 습윤제로는 calcium lignin sultanate 그리고 기포제는 송유(pine oil)와 MIBC (methyl isobutyl carbinol)를 사용하였다. 모든 부유선별 기술은 광물 처리 공학에서 중요하고 효율적인 분리 방법을 발견했으며 게다가 혼합 플라스틱 분리에도 유용하다고 할 수 있다 ³⁰⁾.

성능/효과

7에 나타내었다. 결과적으로 매우 우수한 흡착 성능을 보고하였으며, 흥미롭게도 오일 흡착(제거) 이후에 세척과 건조과정을 통하여 개발된 PP 스폰지를 재사용할 수 있음으로서 산업 현장에서의 경제적 측면에서의 매우 잠재적인 재료로서 가능성을 언급하였다.
마지막으로, 탈착 확률의 경우에는 일반적으로 유체역학적 힘에 의하여 결정되기 때문에 운전 공정에 의하여 변화하게 된다. 결과적으로 미립의 입자 그리고 기포의 표면변화에 대한 부유 분리 선별의 영향인 자가고려될 수 있는 것은 부착 확률이며, van der Waals, 정전 기력 그리고 소수력에 의하여 부착 확률 예측을 할 수 있을 것이다. 그러므로, 부착 확률에 대한 평가가 매우 중요할 뿐만 아니라 이러한 미립의 입자와 기포간의 부착 확률은 확장된 Derjaguin-Landau-Verwey-Overbeek (XDLVO)^{43, 44)}.
게다가, 플라스틱의 원료인 폴리머를 활용하여 기능성 신소재로서의 보고된 연구결과를 살펴보았다. 결과적으로 플라스틱 표면 특성을 최대한 활용한 오일 흡착제에 대한 연구사례가 많았으며, 흡착제로서의 성능 향상을 위한 상호 용해도, 표면적, 기공구조 및 침투(팽창) 특성의 조절기술이 핵심이 될 것으로 정리되었다. 앞으로, 폐플라스틱의 다양한 특성 파악과 함께 자원관점으로서 연구를 지속적으로 수행하고, 이를 이용하여 다양한 융복합 부유선별공정을 개발 및 업사이클을 위한 기능성 소재에 대한 연구를 꾸준히 추진한다면 폐플라스틱의 문제를 점차 해결할 수 있을 것으로 기대된다.
먼저, 기포 표면에 미립의 입자가 충돌, 부착 그리고 탈착에 의하여 전체적인 부유 선별 분리가 일어나게 되며, 입자와 기포 간의 충돌 확률(collision probability), 부착 확률(attachment probability) 그리고 탈착 확률(detachment probability)로서 예측할 수 있게 된다. 따라서, 높은 부유 분리 성능(P) 는 높은 충돌 확률(_), 높은 부착 확률(_) 그리고 낮은 탈착 확률(_)에서 얻을 수 있을 수 있다(Fig. 3(a))⁴³⁾.
더불어 전세계 플라스틱 총 소비량은 매년 평균 5-6% 증가하고 있으며, 2015년에는 2억 9, 750만 톤에 이를 것으로 보고되었다 ¹⁾. 이 결과를 토대로, 지난 65년간 플라스틱 누적 생산량은 약 83억 톤이었으며, 폐플라스틱으로 발생량은 49억 톤인 것으로 확인되었다. 이러한 통계학적 결과에 따른다면 플라스틱 의총 누적 생산량은 2050년 기준으로 320억 톤이며, 플라스틱의 폐기량은 120억 톤이 될 것으로 예측하고 있다.
이 결과를 토대로, 지난 65년간 플라스틱 누적 생산량은 약 83억 톤이었으며, 폐플라스틱으로 발생량은 49억 톤인 것으로 확인되었다. 이러한 통계학적 결과에 따른다면 플라스틱 의총 누적 생산량은 2050년 기준으로 320억 톤이며, 플라스틱의 폐기량은 120억 톤이 될 것으로 예측하고 있다. ²⁾.
사용됨을 알 수 있다. 추가로, 플라스틱 혼합물 조성은 주로 PVC/PET, ABS/PS, PE/PET 그리고 PP/PE 혼합물이며, 다양한 습윤제로 인하여 부유선별을 통하여 분리가 가능한 것으로 확인되었다. 그러나, 2상 성분 혼합 플라스틱이 아닌 다상 성분에서의 혼합 플라스틱에서의 선택적 선별 연구가 매우 필요할 것으로 사료된다.

후속연구

추가로, 플라스틱 혼합물 조성은 주로 PVC/PET, ABS/PS, PE/PET 그리고 PP/PE 혼합물이며, 다양한 습윤제로 인하여 부유선별을 통하여 분리가 가능한 것으로 확인되었다. 그러나, 2상 성분 혼합 플라스틱이 아닌 다상 성분에서의 혼합 플라스틱에서의 선택적 선별 연구가 매우 필요할 것으로 사료된다.
이에, 선택적 젖음성을 유도하도록 표면 처리를 해야한다. 그리고, 소수성 특성이 낮은 표면을 가지는 플라스틱은 이와 반대로 친수성이기 때문에 표면처리를 통하여 소수성을 유도하여 결과적으로 플라스틱 부유선별 효과를 향상시키도록 할 수 있을 것으로 제안한다.
표면 거칠기가 감소함에 따라 표면 친수성이 증가 할 수 있다고 보고되었으며 ²²⁾, 알칼리 농도가 매우 낮은 희석 알칼리 용액은 표면 오염을 청소하기 때문에 거칠기를 약간 줄일 수 있지만 알칼리 처리 및 오존 처리와 같은 표면 개질은 플라스틱의 거칠기를 증가시키는 것으로 나타났다 ²³⁾. 따라서, 부유선별을 하기 위하여 폐플라스틱의 전처리 수행함에 있어 세척과정에서 사용되는 시약 또한 매우 중요하게 확인해야 할 것이다.
또한, 폴리머를 템플릿으로 사용하여 무기 나노파이버 제작을 위한 폴리머로서 사용되는 연구 또한 가능할 것으로 판단된다. Fig.
결과적으로 플라스틱 표면 특성을 최대한 활용한 오일 흡착제에 대한 연구사례가 많았으며, 흡착제로서의 성능 향상을 위한 상호 용해도, 표면적, 기공구조 및 침투(팽창) 특성의 조절기술이 핵심이 될 것으로 정리되었다. 앞으로, 폐플라스틱의 다양한 특성 파악과 함께 자원관점으로서 연구를 지속적으로 수행하고, 이를 이용하여 다양한 융복합 부유선별공정을 개발 및 업사이클을 위한 기능성 소재에 대한 연구를 꾸준히 추진한다면 폐플라스틱의 문제를 점차 해결할 수 있을 것으로 기대된다.

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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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