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문제 정의
- 10에서 알 수 있듯이 PS 재질을 하전 물질로 사용하였을 경우 최적 하전 시간에서 PE와 ABS 재질이 각각 -22nC/g과 24nC/g의 높은 하전 값을 나타내는 반면, PET 재질을 하전물질로 사용하였을 경우 PE와 ABS 재질 모두 ±5nC/g 이하의 하전 값을 나타내어, PS 재질이 PET 재질보다 효과적임을 알 수 있다. 따라서 본 연구에서는 PS 재질을 최적 하전물질로 선정하여 조건변화 실험을 수행하였다.
- 혼합 폐플라스틱을 대상으로 재질 분리 연구를 수행하였다. 본 연구는 순수한 플라스틱 시료를 사용한 마찰하전 형 정전선별 실험에서 얻어진 기술을 토대로 진행되었으며, 전극의 세기, 분리대의 위치, 습도 등의 실험조건을 변화하여 최적 분리조건 및 분리효율을 규명하고자 하였다.
- 본 연구에서는 Table 1에 나타낸 다양한 플라스틱의 work function 값을 참고하여 대상 시료를 각각 다른 극으로 하전 시킬 수 있는 하전 물질 선정을 위한 기초자료로 활용하였다. 또한 하전물질 선정을 위하여 산지별 폐플라스틱의 여러 재질을 cutting mill로 각각 파쇄하여 체에 의해 목적한 크기로 입도 조절 하였다.
제안 방법
- 충돌 시 킨 후 faraday cage를 사용하여 하전 극성 및 하전량을 측정하였다. 그리고 이를 기초로 하여 산지별 폐플라스틱의 재질 분리를 위한 마찰하전형정전선별법의 하전 물질을 선정하였다. Fig.
- 또한 전극의 전압 세기, 분리대의 위치, 공기의 세기, 습도 등의 실험조건을 변화하면서 최적 선별조건 및 분리 효율을 확인하였다. 그리고 해초 건조용 폐플라스틱의 경우 zig-zag 공기 분급기를 통하여 사전에 5%의 Nylon 재질을 99.99% 제거하고, PE 재질과 ABS 재질을 대상으로 마찰하전 형 정전선별 실험을 수행하였다.
- ABS와 PMMA로 이루어져 있다. 따라서 이들 혼합재질을 각각 다른 극으로 하 전 시킬 수 있는 하전 물질을 선정하기 위해 다양한 하전 물질을 이용하여 ABS와 PMMA의 하전 특성을 실험하였다. Fig.
- 9% 제거됨을 확인하였다. 또한 PE와 ABS 재질을 분리하기 위한 하전 특성 실험에서 PE와 ABS 재질을 각각 -22nC/g과 24nC/g까지 하전 시킬 수 있는 PS 하전 물질을 개발하였다.
- 마찰시킨 후, 서로 다른 극으로 하전 된 입자를 고전압의 전기장으로 이동시켜 분리하였다. 또한 전극의 전압 세기, 분리대의 위치, 공기의 세기, 습도 등의 실험조건을 변화하면서 최적 선별조건 및 분리 효율을 확인하였다. 그리고 해초 건조용 폐플라스틱의 경우 zig-zag 공기 분급기를 통하여 사전에 5%의 Nylon 재질을 99.
- 활용하였다. 또한 하전물질 선정을 위하여 산지별 폐플라스틱의 여러 재질을 cutting mill로 각각 파쇄하여 체에 의해 목적한 크기로 입도 조절 하였다. 입도 조절된 산지별 폐플라스틱의 각 재질을 자체 제작한 하 전통(PVC, PP, HOPE, PS, PET, Al, ABS, PMMA)에 투입하고 수직왕복형하전장치로 마찰 .
- 입도 조절된 시료는 하전물질 선정실험에서 규명된 PP, PMMA 그리고 PS 재질이 taping 된 cyclone 내부에 공기와 함께 투입하여 충돌. 마찰시킨 후, 서로 다른 극으로 하전 된 입자를 고전압의 전기장으로 이동시켜 분리하였다. 또한 전극의 전압 세기, 분리대의 위치, 공기의 세기, 습도 등의 실험조건을 변화하면서 최적 선별조건 및 분리 효율을 확인하였다.
- 마찰하전 형 정전선별법을 이용하여 산지별 혼합 폐플라스틱의 재활용을 위한 재질분리 실험 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 본 연구에서는 정전선별법 중에서 모든 재질의 분리가 가능한 마찰하전형정전선별법을 적용하여, 종말품 heavy group 산물, 폐자동차 tail lamp 그리고 해초 건조용 폐플라스틱 등 산지별 혼합 폐플라스틱을 대상으로 재질 분리 연구를 수행하였다. 본 연구는 순수한 플라스틱 시료를 사용한 마찰하전 형 정전선별 실험에서 얻어진 기술을 토대로 진행되었으며, 전극의 세기, 분리대의 위치, 습도 등의 실험조건을 변화하여 최적 분리조건 및 분리효율을 규명하고자 하였다.
- 또한 하전물질 선정을 위하여 산지별 폐플라스틱의 여러 재질을 cutting mill로 각각 파쇄하여 체에 의해 목적한 크기로 입도 조절 하였다. 입도 조절된 산지별 폐플라스틱의 각 재질을 자체 제작한 하 전통(PVC, PP, HOPE, PS, PET, Al, ABS, PMMA)에 투입하고 수직왕복형하전장치로 마찰 . 충돌 시 킨 후 faraday cage를 사용하여 하전 극성 및 하전량을 측정하였다.
- 5는 산지별 폐플라스틱의 재질 분리를 위한 마찰하전 형 정전선별법의 실험공정을 나타낸 것으로, 산지별 폐플라스틱을 각각 cutting mill에 의해 파쇄하고 체에 의해 목적한 크기로 입도 조절 하였다. 입도 조절된 시료는 하전물질 선정실험에서 규명된 PP, PMMA 그리고 PS 재질이 taping 된 cyclone 내부에 공기와 함께 투입하여 충돌. 마찰시킨 후, 서로 다른 극으로 하전 된 입자를 고전압의 전기장으로 이동시켜 분리하였다.
- 입도 조절된 산지별 폐플라스틱의 각 재질을 자체 제작한 하 전통(PVC, PP, HOPE, PS, PET, Al, ABS, PMMA)에 투입하고 수직왕복형하전장치로 마찰 . 충돌 시 킨 후 faraday cage를 사용하여 하전 극성 및 하전량을 측정하였다. 그리고 이를 기초로 하여 산지별 폐플라스틱의 재질 분리를 위한 마찰하전형정전선별법의 하전 물질을 선정하였다.
대상 데이터
- 본 연구에 사용된 시료는 산지별 폐플라스틱으로 종말 품 heavy group 폐플라스틱, 폐자동차 tail lamp 그리고 해초 건조용 폐플라스틱이다. 먼저 종말 품 heavy group 폐플라스틱의 경우 대전광역시 재활용 사업장에서 습식 비중선별에 의해 sink product로 처리된 heavy group 산물로서 대부분 PET 와 PVC로 구성되어 있으며, THF 용액으로 분석한 결과 PET 와 PVC가 각각 78.
- 시료에 대한 특성 분석에서 확인되었듯이, 본 연구에 사용된 폐자동차 tail lamp는 대부분 ABS와 PMMA로 이루어져 있다. 따라서 이들 혼합재질을 각각 다른 극으로 하 전 시킬 수 있는 하전 물질을 선정하기 위해 다양한 하전 물질을 이용하여 ABS와 PMMA의 하전 특성을 실험하였다.
성능/효과
- 1. 종말 품 heavy group 폐플라스틱을 THF 용액으로 분석한 결과 PET 와 PVC가 각각 78.5%와 21.5%로 구성되어 있음을 확인하였다. 폐자동차 tail lamp는 분석결과 ABS와 PMMA가 각각 55%와 45%로 구성되어 있었으며, 해초 건조용 폐플라스틱의 경우 PE 재질이 85%, ABS 재질이 10% 그리고 Nylon 재질이 5%로 구성되어 있음을 확인하였다.
- 2. 수직 왕복 형 하전 장치를 이용한 종말 품 heavy group 폐플라스틱의 하전 물질 선정 기초실험에서 PET와 PVC의 분극과 하 전량을 높일 수 있는 PS, PP, PE 하전재질을 개발하였으며, 이때 각각의 하 전량은 ±20nC/g 이상이었다.
- 3. PP cyclone 하전 장치를 이용한 종말 품 heavy group 폐플라스틱의 분리실험 결과, 최적 조건인 전극의 전압 세기 30kV, 공기의 세기 2.5kg/cmf, splitter position -2cm 그리고 상대습도 40% 이하인 조건에서 PET의 품위와 회수율이 각각 98.5%와 75%인 결과를 얻었다.
- 4. 재활용을 위한 재질 분리 기술이 이루어지지 않아 전량 소각이나 매립에 의해 처리되고 있는 폐자동차 tail lamp의 재질 분리를 위한 하전 물질 선정 실험 결과, PMMA 재질이 가장 우수한 것으로 확인되었다. 또한 단일 재질과 혼합 재질의 하전효율을 비교하기 위한 실험에서 혼합재질의 하전효율이 높아, 입자와 입자 간의 충돌 및 마찰에 의해에도 하전이 이루어지는 것을 확인하였다.
- 5. 폐자동차 tail lamp의 재질 분리를 위한 마찰하전 형 정전선별 실험에서, 최적 선별실험 조건인 전극의 전압 세기 25kV, 시료이송 및 마찰 하전을 유도하는 공기량 2.5kg/arf, splitter position -3cm 그리고 상대습도 40% 이하인 실험조건에서 PMMA의 품위와 회수율이 각각 99.1%와 90.2%인 결과를 얻었다.
- 6. 해초 건조용 폐플라스틱의 재질 분리를 위한 실험 결과, Nylon 재질은 공기분급으로 99.9% 제거됨을 확인하였다. 또한 PE와 ABS 재질을 분리하기 위한 하전 특성 실험에서 PE와 ABS 재질을 각각 -22nC/g과 24nC/g까지 하전 시킬 수 있는 PS 하전 물질을 개발하였다.
- 7. 마찰하전형정전 선별을 이용한 해초 건조용 폐플라스틱 재질 분리 실험 결과, 최적 실험조건인 전극의 전압세기 25kV, 공기의 세기 Skg/ctf, splitter position 3cm 그리고 상대습도 40% 이하에서 PE의 품위와 회수율이 각각 99.2%와 90.7%인 결과를 얻어 해초 건조용 폐플라스틱의 재활용이 가능한 기술을 개발하였다.
- 이와 같이 전극의 전압이 증가하면서 선별효율이 증가하는 이유는 하전 된 입자들의 하 전량이 20nC/g 정도로 매우 낮아 이를 분리하기 위해서는 높은 전극의 전압 세기가 필요하기 때문이다. 따라서 본 연구에서는 PE 재질의 품위와 회수율이 가장 높은 전극의 전압 세기 25kV를 최적 실험조건으로 하였으며, 이때 PE 재질의 품위와 회수율은 각각 99.2%와 90.7%인 결과를 얻었다.
- 재활용을 위한 재질 분리 기술이 이루어지지 않아 전량 소각이나 매립에 의해 처리되고 있는 폐자동차 tail lamp의 재질 분리를 위한 하전 물질 선정 실험 결과, PMMA 재질이 가장 우수한 것으로 확인되었다. 또한 단일 재질과 혼합 재질의 하전효율을 비교하기 위한 실험에서 혼합재질의 하전효율이 높아, 입자와 입자 간의 충돌 및 마찰에 의해에도 하전이 이루어지는 것을 확인하였다.
- tail lamp 그리고 해초 건조용 폐플라스틱이다. 먼저 종말 품 heavy group 폐플라스틱의 경우 대전광역시 재활용 사업장에서 습식 비중선별에 의해 sink product로 처리된 heavy group 산물로서 대부분 PET 와 PVC로 구성되어 있으며, THF 용액으로 분석한 결과 PET 와 PVC가 각각 78.5%와 21.5%로 구성되어 있음을 확인하였다. 폐자동차 tail lamp와 해초 건조용 폐플라스틱은 (주)에코닉스에서 입수하였으며, 폐자동차 tail lamp의 경우 분석결과 ABS와 PMMA가 각각 55%와 45%로 구성되어 있었으며, 해초 건조용은 PE와 ABS 재질이 각각 85%와 10% 그리고 Nylon 재질이 5%로 구성되어 있음을 확인하였다.
- 9는 하전 물질로 PMMA를 사용할 때 PMMA와 ABS 재질 각각에 대한 하전 특성을 나타낸 것이다. 먼저 하전 물질로 PMMA를 사용하여 ABS와 PMMA 시료를 각각 단일 별로 하전을 시키게 되면 PMMA는 거의 하전이 이루어지지 않고 ABS는 -6nC/g정도 하전됨을 알 수 있다. 그러나 ABS와 PMMA 시료가 혼합된 상태에서 하전 물질로 PMMA 재질을 사용하여 혼합된 시료를 하전 시키게 되면, ABS 재질을 -25nC/g까지 그리고 PMMA는 23nC/g 까지 하전이 이루어지게 되어, 혼합재질이 하전효율이 높다는 것을 알 수 있다.
- 6은 종말 품 heavy group 폐플라스틱 분리에 효과적인 하전 물질을 선정하기 위하여수직왕복형 하전장치와 다양한 재질의 하전 물질들을 이용하여 상대습도 40% 이하, 하전 장치의 상하 운동속도 300rpm 그리고 하전 시간 5분인 실험조건에서 종말 품 시료(PET, PVC) 에 대한 하전 특성 실험 결과를 나타낸 것이다. 실험 결과 PS, PE, PP 하전물질에서 종말품 (PET, PVC)의 하 전량이 약 ±20nC/g을 나타내어, ABS, PET, PVC 하전물질보다 효과적이었다. 이와 같은 이유는 PS, PE, PP 하전 물질들이 마찰대전 서열상에서 분리대상 시료인 PET와 PVC의 중간에 위치하고 있어, PET 와 PVC 시료 간의 마찰.
- 11은 하전 물질로 PS 재질을 사용하여 하전 된 해초 건조용 폐플라스틱을 때재질 분리할 때 전극의 전압 세기가 PE 재질의 품위와 회수율에 미치는 영향을 관찰하기 위하여, 전압의 세기를 10kV에서 25kV까지 변화하며 실험한 결과이다. 실험 결과 전극의 전압 세기가 높을수록 PE 품위와 회수율이 증가하여 선별효율이 증가하는 것을 알 수 있다. 즉, 전극의 전압 세기 10kV일 경우 분리된 PE 재질의 품위와 회수율이 각각 97.
- 7은 마찰하전 정전선별에서 PET 분리 효율에 대한 하 전량의 영향을 나타낸 것으로, 전극의 전압세기를 30kV로 고정시키고 하 전량의 크기에 따른 PET의 품위와 회수율을 관찰한 것이다. 실험 결과 하 전량이 증가함에 따라 PET의 품위와 회수율이 함께 증가하였다. 즉, 하전량이 약 3.
- 8은 폐자동차 tail lamp 분리에 효과적인 하전 물질을 선정하기 위하여, 수직왕복형 하전장치와 다양한 재질의 하전 물질들을 이용하여 상대습도 40% 이하, 수직 왕복 속도 300rpm 그리고 하전 시간 5분의 조건에서 tail lamp 시료(ABS, PMMA)에 대한 하전 특성 실험결과를 나타낸 것이다. 실험 결과 하전 물질로 PMMA를 사용할 경우 tail lamp의하전량이 -6.06nC/g과 1.3nC/g을 나타내어, tail lamp의 ABS와 PMMA 재질을 같은 positive 극성으로 하전 시킨 다른 물질들보다 효과적임을 알 수 있다. 이와 같은 이유는 분리대상 시료인 ABS 재질과 PMMA 재질이 마찰대전 서열상에서 낮은 일함수 값을 갖기 때문이다.
- 실험 결과 전극의 전압 세기가 높을수록 PE 품위와 회수율이 증가하여 선별효율이 증가하는 것을 알 수 있다. 즉, 전극의 전압 세기 10kV일 경우 분리된 PE 재질의 품위와 회수율이 각각 97.9%와 60.6%로 가장 낮지만, 전압의 세기가 증가하면서 품위와 회수율이 함께 증가되어 전압의 세기가 가장 높은 25kV에서는 PE의 품위와 회수율이 각각 99.2%와 90.7%까지 증가된다. 이와 같이 전극의 전압이 증가하면서 선별효율이 증가하는 이유는 하전 된 입자들의 하 전량이 20nC/g 정도로 매우 낮아 이를 분리하기 위해서는 높은 전극의 전압 세기가 필요하기 때문이다.
- 실험 결과 하 전량이 증가함에 따라 PET의 품위와 회수율이 함께 증가하였다. 즉, 하전량이 약 3.5nC/g일 때는 PET의 품위와 회수율이 각각 80%와 53%로 낮았으나 하 전량이 증가하여 약 35nC/g일 때는 98.5%의 품위와 75%의 회수율을 나타내어, 분리효율이 증가하는 것을 알 수 있다, 이는 하 전량을 극대화할 수 있는 하전 장치와 하전기술의 개발이 곧 재질분리 효율을 높일 수 있음을 의미하는 것이다.
- 5%로 구성되어 있음을 확인하였다. 폐자동차 tail lamp는 분석결과 ABS와 PMMA가 각각 55%와 45%로 구성되어 있었으며, 해초 건조용 폐플라스틱의 경우 PE 재질이 85%, ABS 재질이 10% 그리고 Nylon 재질이 5%로 구성되어 있음을 확인하였다.
- 5%로 구성되어 있음을 확인하였다. 폐자동차 tail lamp와 해초 건조용 폐플라스틱은 (주)에코닉스에서 입수하였으며, 폐자동차 tail lamp의 경우 분석결과 ABS와 PMMA가 각각 55%와 45%로 구성되어 있었으며, 해초 건조용은 PE와 ABS 재질이 각각 85%와 10% 그리고 Nylon 재질이 5%로 구성되어 있음을 확인하였다.
후속연구
- 화학적으로 안정되어 있는 난분해성이라 매립지의 조기 안정화와 흙 속에 반영구적으로 잔존하는 문제 그리고 분해 시 토양오염 및 유해가스를 대기 중에 발생하는 등 여러 가지 문제를 야기 시킨다. 따라서 정부에서는 EPR 제도를 2003년 1월부터 시행하고 있으며, 향후 폐플라스틱의 소각과 매립을 법으로 규제할 계획에 있어 플라스틱 산업 및 환경보호를 위해서는 재활용 기술 개발이 시급히 이루어져야 할 것이 다.
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