[논문]폐형광등 유리를 활용한 고굴절 글래스비드의 제조 연구

이기헌; 이동훈; 송영준; 김창권

doi:10.7844/kirr.2020.29.3.51

[국내논문] 폐형광등 유리를 활용한 고굴절 글래스비드의 제조 연구
A Basic Study for Manufacturing High Refractive Beads from the Waste Fluorescent Glass 원문보기

資源리싸이클링 = Journal of the Korean Institute of Resources Recycling, v.29 no.3, 2020년, pp.51 - 60

이기헌 (서울시립대학교) , 이동훈 (서울시립대학교) , 송영준 (강원대학교) , 김창권 (한국조명재활용공사)

초록
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본 연구는 폐형광등을 사용하여 고굴절 유리비드를 제조하기 위한 최적 조건 도출을 위해 진행되었다. 제작된 유리비드는 XRD 분석과 더불어 물리·화학적 분석을 통해 유리비드의 굴절률 및 공기혼합비율, 방출속도에 따른 영향을 조사하였다. 연구를 통해 얻어진 결과는 다음과 같다. 형광등 재활용유리로 제작된 글라스 비드와 일반 재활용 유리로 제작된 글라스비드 시료를 XRF 분석결과 일반 재활용 유리로 제작한 글라스비드에 CaO가 11.7 wt% 함유되 있는 반면 형광등 재활용 유리로 제작한 글라스비드에는 CaO 7.8 wt% 함량 비중과 비교해 3.9 wt% 함량 비중이 더 높은 것으로 분석되었다. 또한 형광등 재활용 유리로 제작된 글라스비드에는 일반 재활용 유리로 제작한 글라스비드에 함유되지 않은 ReO₂ 0.0108 wt%, BaO 0.071 wt%, NiO 0.0039 wt% 가 함유되어 있는 것을 알 수 있었다. 일반 재활용 유리로 제작된 글라스 비드와 폐형광등을 재활용하여 유리로 제작된 글라스비드의 Refractive Index 비교 시 폐형광등으로 제작된 유리비드가 일반 재활용 유리로 제작된 글라스비드보다 더 작은 입자 크기분포와 높은 굴절률을 갖는 것을 알 수 있었다. 결론적으로 폐형광 등 재활용 유리를 구상 형태의 글라스비드로 제작하기 위하여 Kiln 방식의 공정에서는 공기 혼합비율 1.7, 화염온도조건 940℃ 20 m/sec 조건에서 가장 높은 생성율을 확인할 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study was carried out to get the optimum conditions for manufacturing high refractive glass beads from waste fluorescent lamp glass. Chemical composition, X-ray diffraction pattern, particle size distribution, refractive index of glass beads, and the effect of air mixing ratio and ejection rate were investigated. The obtained results are as follows. The X-ray diffraction pattern and chemical composition of glass beads made of waste fluorescent glass are similar to common glass except ReO2 0.0108 wt%, BaO 0.071 wt%, NiO 0.0039 wt% and CaO 7.8 wt% but 11.7 wt% of common glass. The glass beads made of waste fluorescent lamp glass have the narrower particle size distribution of and the higher refractive index than the glass beads made of common glass. The optimal conditions of kiln operation for manufacturing glass beads from waste fluorescent lamp glass are 20 m/sec of ejection rate, 1.7 of air mixing ratio, and 940℃ of temperature.

Keyword

표/그림 (16)

그림 Fig. 1. Monthly collection ratio of waste fluorescent lamps in Seoul.
그림 Fig. 2. Estimated amount of waste fluorescent lamps in Seoul.
그림 Fig. 3. Fluorescent lamp recycling facility (company of C).
표 Table 1. Annual lane repainting market size by OECD countries (estimated)
그림 Fig. 4. Glass Crushing & Glass melting process (company of L).
표 Table 2. Experiment contents
그림 Fig. 5. Snell's Law Model.
그림 Fig. 6. Recycling glass bead process flow.
그림 Fig. 7. Chemical composition of law material glass made from fluorescent lamp powder (ICP).
그림 Fig. 8. Comparison of chemical composition between waste fluorescent lamp glass and ordinary glass (XRF).
$Fig. 9. X-Ray diffraction pattern of glass beads made of a) ordinary glass b) waste fluorescent lamps.$ 그림 Fig. 9. X-Ray diffraction pattern of glass beads made of a) ordinary glass b) waste fluorescent lamps.
그림 Fig. 10. SEM images of glass beads made of a) ordinary glass beads a)-1 100㎛ image, a)-2 10㎛ image, a)-3 1㎛ image b) recycled glass beads from waste fluorescent lamps b)-1 100㎛ image, b)-2 10㎛ image, b)-3 1㎛ image.
그림 Fig. 11. SEM image of glass beads made of glass powder from waste fluorescent lamps, a) uncleaned glass powder a)-1, 2 100㎛ image, b) cleaned glass powder b)-1, 2100㎛ image.
$Fig. 12. Comparison of particles and refractive index of ordinary glass beads and waste fluorescent glass beads a) particle distribution rate, b) refractive index.$ 그림 Fig. 12. Comparison of particles and refractive index of ordinary glass beads and waste fluorescent glass beads a) particle distribution rate, b) refractive index.
그림 Fig. 13. Relationship among air mixing ratio, production rate of glass beads and ejection speed.
그림 Fig. 14. Relationship among air mixing ratio, production ratio of glass beads and temperature.

AI 본문요약
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문제 정의

형광등으로부터 회수되는 재활용 유리를 고부가치의 고굴절 글라스비드(high refractive glass beads)용 원료로 사용하기 위한 기초자료를 얻을 목적으로 수행된 본 연구 의 결과는 다음과 같다.

제안 방법

본 연구에서는 Table 2에 나타낸 바와 같이 폐형광등을 1차 파쇄 후 체가름하여 알루미늄과 플라스틱 그리고 미분을 제거한 후 컬릿을 가열하여 수은을 제거하고 Fig. 4의 장치를 이용하여 2차파쇄-분급공정을 거쳐 입도를 106㎛~850㎛로 만든 다음 용융공정을 거쳐 글라스비드 를 제작하였다.
4의 2차 파쇄장치(왼쪽)의 분쇄유리를 Shaft Kiln Glass Melting Equipment 주입구(E)를 통하여 Kiln내부 용해로(D)로 유입되도록 하였다. 용해로 내부는 유리입자와 Kiln내벽 사이의 융착을 방지하기 위하여 카본블랙, 질화 븡소 등으로 코팅 처리하였다. 공기 중에 부유하며 용융과 재용융 과정을 거친 입자들은 용융상태에서 회전하며 구상형태로 변화하며 Cyclone을 거쳐 글라스비드 상태로 출구(S)로 배출하게 된다.

이론/모형

공기 중에 부유하며 용융과 재용융 과정을 거친 입자들은 용융상태에서 회전하며 구상형태로 변화하며 Cyclone을 거쳐 글라스비드 상태로 출구(S)로 배출하게 된다. 구상화 공정을 거쳐 생 산된 글라스비드는 시료측정규격을 KS L 2521을 기준에 따른 시험공정을 적용하였다. 도로안전표시를 위한 재귀 반사도가 높은 글라스비드를 제조하기 위해서는 글라스비드의 굴절률을 높이는 것이 중요하다.

성능/효과

글라스비드 형태로 가공 전 입자상태의 폐형광등 유리의 화학적조성을 ICP분석 결과 SiO₂ 70.2 wt%, Na₂O 15.9 wt%, CaO 5.68 wt%, MgO 3.12 wt%, Al₂O₃ 2.21 wt% 외 13가지의 혼합물질로 조성되어 있다. 특히 As₂O₃ 0.
글래스비드의 화학조성을 XRF로 분석한 결과 SiO₂, MgO 함량은 유사성을 보였지만 CaO 함량은 일반 유리 로 구상화된 글라스비드는 11.7 wt%, 폐형광등 재활용유 리로 제작한 글라스비드 7.8 wt%로 분석되었다. 폐형광 등 재활용유리는 일반유리와 비교해 ReO₂ 0.
두 종류 모두 한 가지 peak외에 다른 peak이 나타나지 않으므로 결정성의 이물질이나 이차상이 포함되어 있지 않음을 알 수 있다. 높은 에너지로 Crushing, Melting 공정을 거 친 후 다른 이차상이 생성될 수 있음에도 불구하고 단 봉의 peak을 잘 유지하고 있는 것으로 확인하였다. 그러나 XRD 패턴에서 보여지는 노이즈의 정도가 약간 다른 것을 확인할 수 있는데 이는 형광등 재활용 유리로 만든 글라스비드에 함유되어 있지 않은 ReO₂, BaO, Nio가 일반 유리로 제작된 글라스비드에 조성되어 있는 것이 원인으로 판단된다¹³⁾.
10에서 일반유리로 제작된 글라스비드는 a)-3는 직삼각형과 사각형 형태의 결정질 결합 형태의 구조가 있지만, 형광등 재활용유리 b)-3에는 그러한 패턴이 확인되지 않았다. 일반유리로 만든 글라스비드와 재활용유리로 만든 글리스비드의 이러한 외형상 차이점이 굴절율과의 상관관계가 있는 것으로 확인되었다. 세척 공정을 거치지 않은 폐형광등 재활용 유리를 사용하여 제조된 비드 표면에는 Fig.
일반글라스비드의 입도분포는 600~850㎛ 28%, 300~ 600㎛ 65%, 106~300㎛ 7%인데 비하여 폐형광등 글라스비드 입자분포는 600~850㎛ 10%, 300~600㎛ 55%, 106~300㎛ 34%로 입자가 106~300㎛ 비중이 89% 정도로 높게 나타났으며, 이러한 결과는 폐형광등 재활용공정에서 가공된 Cullet 상태의 원료 유리를 글라스비드 제조 공정에 호환 사용될 수 있도록 미분쇄하는 처리 과정에서 기인하는 것으로 생각된다. 입도 분포의 크기는 분쇄과정에서 일반유리로 생산된 글라스비드의 분포와 동일하게 조정이 가능한 것으로 확인하였다.
일반글라스비드의 입도분포는 600~850㎛ 28%, 300~ 600㎛ 65%, 106~300㎛ 7%인데 비하여 폐형광등 글라스비드 입자분포는 600~850㎛ 10%, 300~600㎛ 55%, 106~300㎛ 34%로 입자가 106~300㎛ 비중이 89% 정도로 높게 나타났으며, 이러한 결과는 폐형광등 재활용공정에서 가공된 Cullet 상태의 원료 유리를 글라스비드 제조 공정에 호환 사용될 수 있도록 미분쇄하는 처리 과정에서 기인하는 것으로 생각된다. 입도 분포의 크기는 분쇄과정에서 일반유리로 생산된 글라스비드의 분포와 동일하게 조정이 가능한 것으로 확인하였다. 전문측정기관에 의뢰 한 침액을 활용한 측정 방식(KS L2521)으로 굴절률 측정 결과를 나타낸 Fig.
입도 분포의 크기는 분쇄과정에서 일반유리로 생산된 글라스비드의 분포와 동일하게 조정이 가능한 것으로 확인하였다. 전문측정기관에 의뢰 한 침액을 활용한 측정 방식(KS L2521)으로 굴절률 측정 결과를 나타낸 Fig. 12에서는 일반 유리로 제작된 글라스비드 refractive index가 1호(1.50~1.64)로 평균값이 1.57 인데 비교하여 형광등 재활용 유리로 제작된 글라스비드 refractive index는 2호(1.64~1.80)로 평균값1.72로 굴절률이 높은 특성임을 확인할 수 있었다. KS L2521 심사 기준에 따른 비중은 일반유리로 제작된 글라스비드와 재활 용유리로 만든 글라스비드 모두 2.
72로 굴절률이 높은 특성임을 확인할 수 있었다. KS L2521 심사 기준에 따른 비중은 일반유리로 제작된 글라스비드와 재활 용유리로 만든 글라스비드 모두 2.5로 기준치 2.4가 넘는 것을 확인하였다. 도로차선 도색용 혼합제인 글라스비드 KS L252 기준인 비소(AS) 200mg/Kg, 납(Pb) 200mg/Kg, 안티몬(Sb) 200mg/Kg과 비교해 재활용유리로 만든 글라스비드 측정치는 비소(AS) 22mg/Kg, 납(Pb) 118mg/Kg, 안티몬(Sb) 45mg/Kg로 최대 함량 기준치에 미달하여 도로 차선 도색용 혼합제 글라스비드로 사용하는데 문제가 없음을 확인 하였다¹⁴⁾.
4가 넘는 것을 확인하였다. 도로차선 도색용 혼합제인 글라스비드 KS L252 기준인 비소(AS) 200mg/Kg, 납(Pb) 200mg/Kg, 안티몬(Sb) 200mg/Kg과 비교해 재활용유리로 만든 글라스비드 측정치는 비소(AS) 22mg/Kg, 납(Pb) 118mg/Kg, 안티몬(Sb) 45mg/Kg로 최대 함량 기준치에 미달하여 도로 차선 도색용 혼합제 글라스비드로 사용하는데 문제가 없음을 확인 하였다¹⁴⁾.
2. 형광등 유리로 제조된 글라스비드와 일반유리로 제조된 글라스비드 모두 25°부근에 폭이 넓은 peak가 관찰되어 두 종류 모두 결정성이 매우 낮은 상태임을 알 수 있었다.
1. 일반유리로 제조된 글라스비드와 폐형광등유리로 제조된 글라스비드의 화학조성 중 SiO₂, MgO 함량은 비슷하지만, CaO함량은 일반유리로 제조된 글라스비드가 11.7 wt%, 폐형광등 유리로 제조된 글라스비드가 7.8 wt%로 분석되었으며, 폐형광등 유리로 제조된 비드에는 일반유리로 제조된 비드에는 없는 ReO₂ 0.0108 wt%, BaO 0.071 wt%, NiO 0.0039 wt%가 함유되어 있는 것을 확인하였다.
3. 세척공정을 거치지 않은 폐형광등 재활용유리를 사용 하여 제조된 글라스비드 표면에 블순물이 잔류함이 확인되었으며, 따라서 현재의 폐형광등 재활용공정에서 생산되는 유리는 반드시 불순물 제거공정을 거쳐야 글 라스비드용 원료로 사용가능함을 의미한다.
4. 일반유리 비드의 입도분포는 600~850㎛ 28%, 300~ 600㎛ 65%, 106~300㎛ 7%인데 비하여 형광등 유리 비드의 입도 분포는 600~850㎛ 10%, 300~600㎛ 55%, 106~300㎛ 34%로 입자가 106~600㎛ 비중이 89% 정도로 높게 나타났다.
5. 일반유리로 제작된 글라스비드 Refractive Index가 1호(1.50~1.64)로 평균값이 1.57인데 비교하여 형광등 재활용 유리로 제작된 글라스비드 refractive index는 2호 (1.64~1.80)로 평균값이 1.72로 굴절률이 높은 특성이 있음을 알 수 있었다.
6. 공기혼합 비율이 1.5~2.0에서 비드 생산수율이 90% 이 상으로 양호하며 그중에서도 1.7인 경우가 가장 양호한 생산수율을 나타냄을 알 수 있었다. 동일 공기혼합 비인 경우는 분출속도에 따라 비드의 생산수율이 달라지며, 대부분의 경우 분출속도 20m/sec의 경우가 생산 수율이 가장 높고 다음으로 10m/sec > 30m/sec 순으로 생산수율이 높은 경향을 확인할 수 있다.
7. 공기혼합비가 1.7일 때 킬른의 온도는 940°C 정도가 되고 생산수율은 92%로 최고치를 나타냈다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	폐형광등의 구성 성분은?	폐형광등은 유리, 알루미늄, 구리, 세라믹, 주석, 플라스틱과 납, 수은 및 희토류로 구성된 형광체 파우더로 구성되어 있고 처리 및 재활용을 위해서는 유해물질을 제거하지 않으면 환경오염원이 된다4). 폐형광등은 전체 조성물의 85% 이상이 유리 성분으로 구성되어 있다.
	유리를 구상 형태의 글라스비드로 제작하는 법은?	유리를 구상 형태의 글라스비드로 제작하기 위해서는 1300°C 이상 고온으로 가열하여 비정질 상태에서 용융 표면장력에 따라 구형화 하는 직접 제조법과 간접법으로 는 전처리 공정에서 분쇄된 유리입자를 특정입도로 선별하고 입자들을 고온의 연소 가스 기류 중 부유시켜 가열 부분에서 재용융하고 표면장력에 따라 구상화되어 냉각 부분에서 연화점 이하로 냉각시킨 후 분급기를 통해 구상 형태의 유리를 포집하는 Kiln 제조법이 있다11).
	도로용 글라스비드에 폐형광등을 재활용하는 이유는?	최근 들어 국내에서는 도로 차선에 시공되는 도료의 반사도를 높이기 위하여 고굴절 글라스비드를 혼합하여 시공하고 있는 추세이다10). 조명용으로 사용하는 형광등은 제품 특성상 굴절성능이 우수한 유리 소재로 제작된다. 따라서 폐형광등 유리를 도로용 글라스비드로 재활용에 관한 연구는 의미 있는 일이라 생각된다.

참고문헌 (15)

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상세보기
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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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