KR101085930B1 - 복합재료 재활용 공정 및 이를 위한 장치 - Google Patents

Abstract

복합재료의 재활용 공정은 적어도 1종의 고분자 및 알루미늄을 포함하는 일정량의 복합재료를 적어도 하나의 제1반응기에 공급하는 단계; 적어도 하나의 제1반응기 내에서 상기 복합재료를 비산화 환경(non-oxidizing environment)에서 적어도 1종의 고분자를 휘발시키기에 충분하고, 탄화수소 부산물 및 알루미늄 부산물을 형성하기에 충분한 온도로 가열하는 단계; 적어도 1종의 고분자를 함유하지 않는 알루미늄을 제2반응기에 공급하는 단계; 및 제2반응기 내에서 비산화 환경에서 상기 알루미늄을 용융시키기에 충분한 온도로 알루미늄을 가열하는 단계를 포함한다.

Description

복합재료 재활용 공정 및 이를 위한 장치{Process and apparatus for use in recycling composite materials}

본 발명은 재활용을 위한 공정 및 장치에 관한 것이다. 더욱 구체적으로, 본 발명은 복합재료의 재활용 공정 및 이를 위한 장치에 관한 것이다.

일반적으로 식품 또는 다른 산업재를 위하여 사용되는 몇 가지 종류의 포장이 있다. 대부분의 식품 및 산업재의 포장은 일반적으로 a) 판지와 같은 종이 재질; b) 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET); c) 음료수 상자와 같은 종이/플라스틱; d) 커피, 건조 수프, 개 사료, 초콜릿, 시리얼 등을 위한 포장과 같은 플라스틱/알루미늄 박판; 및 e) 오렌지 쥬스, 우유 등을 위한 음료수 포장을 위한 종이/플라스틱/알루미늄의 형태 중 하나로 구성된다.

식품 및 산업재 포장이 (a)와 같이 종이로만 구성되거나 또는 (c)의 경우와 같이 종이/플라스틱으로 구성된 경우, 상기 포장물질을 재활용 공정은 이미 개발되었다. 예를 들어, 종이 포장은 종이 섬유를 결합하기 위하여 하이드로펄핑 장 비(hydro-pulping equipment)에 적가된다. 그 후, 분리된 섬유는 종이 장치 내에서 수분이 제거되고 건조된다. 결과적으로 재활용된 종이는 그 후, 예를 들어, 마분지 박스를 만들기 위하여 재사용된다. 식품 및 산업재가 (c)의 경우와 같이 종이/플라스틱의 복합재료인 경우, 플라스틱은 하이드로펄핑 장비 내에서 자동으로 제거되고, 상기 플라스틱은 (1) 한 종류의 플라스틱으로만 제조되는 것이 아니고, (2) 상기 플라스틱을 재사용하기 힘들게 하는 오염물질을 포함하므로 일반적으로 폐기된다.

식품 및 산업재 포장이 플라스틱 병과 같이 플라스틱만을 포함하는 경우, 재활용 공정은 플라스틱 포장의 클리닝(cleaning), 건조 및 연마 공정 및 새로운, 재활용된 플라스틱재를 형성하기 위하여 상기 플라스틱 포장의 압출성형 및 용융 공정을 포함한다.

플라스틱/알루미늄 박판 및 종이/플라스틱/알루미늄 복합재료가 고려될 경우 식품 또는 산업재 포장의 재활용은 매우 어려워진다. 예를 들어, 상기 두 가지 종류의 포장은 일반적으로 예를 들어, 100 마이크론 미만의 두께를 갖는 플라스틱 박판 및 종이로 구성된 플라스틱 성분과 밀접하게 인접한 예를 들어, 10 마이크론 미만의 두께를 갖는 매우 얇은 알루미늄 호일을 포함한다. 상기 종이는 상술한 재활용 공정을 사용하여 재활용될 수 있다. 그러나, 플라스틱 및 알루미늄은 재활용될 수 없다.

플라스틱을 알루미늄으로부터 분리하는 공정에 대한 곤란성 때문에 플라스틱/알루미늄 포장 및 종이/플라스틱/알루미늄 포장으로부터 플라스틱 및 알루미늄을 재활용하기 위한 상업적인 재활용 공정은 없다. 더욱이, 종이/플라스틱/알루미늄 포장은 한가지 종류의 플라스틱을 포함하는 반면, 플라스틱/알루미늄 포장은 일반적으로 한 종류 이상의 플라스틱으로 구성된다. 예를 들어, 플라스틱 성분은 일반적으로 미량의 폴리프로필렌(PP)을 함유하는 폴리에틸렌(PE)을 포함하며, 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 또한 포함된다. 상기의 요인들에 의하여 현재 플라스틱/알루미늄 및 종이/플라스틱/알루미늄 포장을 효과적으로 재활용하는 것이 불가능하다.

플라스틱/알루미늄 식품 및 산업재 포장 및 예를 들어, 공장 폐기물, 폐기 포장물 등과 같은 플라스틱/알루미늄 폐기물은 적절히 재활용되지 않고 있다; 상기 물질들의 대부분은 매립지에 매립되거나 또는 소각된다. 소각이 효율적인 공정인 듯 하지만, 알루미늄의 존재때문에 공정상의 문제점이 있다. 알루미늄은 소각되지 않고 가스를 발생시키며, 오히려, 알루미늄은 산화되고, 산화 알루미늄 및 정기적으로 소각로로부터 제거되어야 하는 고체 폐기물을 발생시킨다.

현재, 핀란드의 Corenso United Oy Ltd는 종이 성분이 제거된 후 종이/플라스틱/알루미늄 포장의 재활용을 위하여 열분해 공정을 이용하고 있다. 열분해는 에 너지 발생을 위하여 사용될 수 있는 가연성 가스를 생산시키기 위하여 수행된다. 그러나, 조각으로 잔존하는 알루미늄 호일은 재활용 또는 재사용될 수 없다. 열분해 공정간, 알루미늄은 부분적으로 산화되고, 상기 산화된 알루미늄은 용융시키기 어렵다. 산화 알루미늄은 알루미늄 호일의 외부에서 내부의 방향으로 형성될 것이다. 산화 알루미늄은 1,700 ℃에서 용융되며, 알루미늄의 녹는점인 700 ℃ 온도에서 용융되지 않는다. 상기 알루미늄 호일은 원래 매우 얇기 때문에, 얇은 산화층도 심각한 장애가 될 수 있으며, 알루미늄 호일의 용융을 충분히 방해한다. 더욱이, 열분해 공정은 알루미늄/산화 알루미늄 잔류물을 발생시키고 많은 연소 가스를 발생시킨다. 따라서, 열분해는 환경 친화적인 공정이 아니며, 종이/플라스틱/알루미늄 식품 및 산업재 포장으로부터 알루미늄을 효율적으로 재활용하기에 적절한 공정이 아니다.

본 발명에 따르면, 복합재료의 재활용을 위한 공정은 대체로 적어도 1종의 고분자 및 알루미늄을 포함하는 일정량의 복합재료를 적어도 하나의 제1반응기에 공급하는 단계; 적어도 하나의 제1반응기 내에서 적어도 1종의 고분자를 휘발시키고 탄화수소 부산물 및 알루미늄 부산물을 형성시키기에 충분한 온도로 비산화 환경에서 상기 복합재료를 가열하는 단계; 적어도 1종의 고분자를 함유하지 않는 알루미늄을 제2반응기에 공급하는 단계; 및 상기 제2반응기 내에서 알루미늄을 용융시키기에 충분한 온도로 비산화 환경에서 알루미늄을 가열하는 단계를 포함한다.

본 발명에 따르면, 복합재료를 재활용하기 위한 장치는 대체로 샤프트가 구비된 적어도 2개의 스크류를 포함하는 혼합 캐비티(mixing cavity) 주위에 배치되는 외부 발열체 및 상기 장치 내부에 배치되는 적어도 2개의 내부 발열체를 구비하는 적어도 하나의 제1반응기; 및 용탕(melt bath)의 근위에 배치된 플라즈마 가열장치를 구비하는 제2반응기를 포함하여 구성된다.

본 발명에 따르면, 반응기는 대체로 샤프트가 구비된 적어도 2개의 스크류를 포함하는 혼합 캐비티 주위에 배치되는 외부 발열체 및 상기 반응기 내부에 배치되는 적어도 두개의 내부 발열체을 포함하여 구성된다.

본 발명에 따르면, 반응기는 대체로 내화성을 갖는 물질로 도포된 용탕 근위에 배치된 플라즈마 가열장치를 포함하여 구성된다.

본 발명에 따른 하나 또는 그 이상의 실시예의 세부사항은 이에 상응하는 도면 및 하기 기술된 내용에 의하여 설명된다. 본 발명의 다른 특징, 목적 및 장점은 설명, 도면 및 청구항으로부터 명확해 질 수 있다.

본 발명에서 사용된 용어 "탄화수소 부산물"은 사슬당 약 6 ~ 약 10,000 개의 탄소 원자를 갖는, 바람직하게는 약 6 ~ 약 1000 개의 탄소 원자를 갖는, 가장 바람직하게는 약 6 ~ 약 100 개의 탄소 원자를 갖고, 고체상, 고액상, 액상, 기액상 또는 기체상의 하나 또는 그 이상의 상태에서 존재하는 다수의 탄화수소 사슬 구조를 포함하는 탄화수소 조성물을 의미한다.

본 발명에서 사용된 용어 "탄화수소 생산물"은 고체상, 고액상, 액상, 기액상 또는 기체상의 하나 또는 그 이상의 상태에서 상온에서 존재하는 탄화수소 조성물을 의미한다.

본 발명에서 사용된 용어 "알루미늄 부산물"은 어떠한 알루미늄의 산화물도 함유하지 않는 알루미늄을 포함하는 부산물을 의미한다.

본 발명에서 사용된 용어 "적어도 하나의 제1반응기"는 비산화 환경을 유지하면서 고분자를 휘발시키고, 적어도 1종의 탄화수소 부산물을 형성하기 위하여 충분한 온도에서 작동되는 하나 또는 함께 연결된 일련의 반응기를 의미한다.

본 발명에서 사용된 용어 "제2반응기"는 비산화 환경을 유지하면서 적어도 1종의 고분자를 함유하지 않는 알루미늄을 수용하는 반응기를 의미한다.

도 1a-1의 b에 본 발명의 시스템(10)이 도시되었다. 본 발명의 시스템(10)은 전 공정에 걸쳐 비산화 환경을 유지한다. 비산화 환경으로 인하여 본 발명의 공정 중 알루미늄 상부에 존재하는 산화 알루미늄 층이 두꺼워지지 않으며, 고분자는 CO, CO₂, H₂O 및 다른 바람직하지 않은 부산물이 생성되도록 반응하지 않는다. 복합재료를 재활용하기 위한 시스템(10)은 일정량의 복합재료(미도시)를 적어도 하나의 제1반응기(14)의 주입포트(12)로 공급하기 위한 수단(11)을 포함할 수 있다. 복합재료 재활용을 위한 공정의 제1단계 중, 일반적으로 적어도 1종의 고분자 및 알루미늄을 함유하는 복합재료는 주입포트(12)를 통하여 제1반응기(14) 내부로 공급된다. 바람직한 비산화 환경을 위하여 불활성 기체가 바람직하다. 상기 복합재료는 상기 고분자를 휘발시키고, 응축가능한, 기체 탄화수소 부산물 및 적어도 1종의 고분자를 함유하지 않은 알루미늄을 생성시키기 위하여 충분한 온도에서 처리된다. 상기 탄화수소 부산물은 탄화수소 부산물 배출구(16)를 통하여 제1반응기(14)로부터 제거될 수 있다. 상기 탄화수소 부산물 배출구(16)는 탄화수소 부산물이 적어도 1종의 탄화수소 부산물을 형성하기 위하여 응축되는 응축수단(18)에 연결될 수 있다. 처리된 물질의 배출구는 상기 복합재료의 잔여 고분자 성분에 대한 공정 수행을 위하여 다른 제1반응기(14)와 소통될 수 있으며, 또는 제2반응기(20)의 주입포트(22)와 소통될 수 있다.

복합재료의 재활용을 위한 공정의 제2단계 중, 적어도 1종의 고분자를 함유하지 않는 알루미늄은 제1반응기(14)의 처리된 물질을 위한 배출구(19)로부터 공급수단(21)을 통하여 제2반응기(20)의 주입포트(22)로 이동된다. 제2반응기(20)에서, 알루미늄은 상기 알루미늄이 용융되기에 충분한 온도로 가열된다. 산소가 존재하지 않기 때문에 산화 알루미늄 층은 성장하여 두께가 두꺼워지지 않는다. 적어도 1종의 고분자를 함유하지 않는 알루미늄은 그 후, 배출구(24)를 통하여 제거되고 적어도 1종의 알루미늄 부산물을 생성시키기 위하여 냉각된다.

도 2a ~ 도 2c와 관련하여, 적어도 하나의 제1반응기(14)는 혼합 캐비티(32) 주위에 배치된 셸(30)를 포함한다. 상기 혼합 캐비티(32)는 내면(31)을 구비하고 주입포트(12) 및 배출구(16, 19)와 소통된다. 일정량의 단열재료(35)가 셸(30)의 외면 상에 배치된다. 상기 단열재료는 섬유질의 세라믹 재료, 실리카, 알루미나, 상기 물질들 중 적어도 하나를 포함하는 조합 등을 포함하나, 이에 제한되는 것은 아니고, 실리카의 양이 알루미나의 양보다 많은 실리카 및 알루미나의 혼합물인 것이 바람직하다.

전기적 발열체과 같은 외부 발열체(33)는 내면(31) 및 셸(30)의 사이에 배치된다. 외부 발열체(33)는 작동 중 혼합 캐비티(32)의 복합 물질을 가열하는 역할을 한다. 상기 외부 발열체(33)는 적어도 1종의 고분자 성분을 휘발시키고, 응축성 가스상의 탄화수소 부산물을 형성시키기에 충분한 온도를 지속시킨다. 더욱이, 외부 발열체(33)는 또한, 제1반응기(14) 외부에 제공된다. 예를 들어, 열원(미도시)은 도관(미도시)을 통하여 오일, 가스, 물, 증기, 상기 유체 중 적어도 하나를 포함하는 조합과 같은 가열된 유체를 제1반응기(14)로 공급한다. 상기 도관은 제1반응기(14)로 관입되고 내면(31) 및 셸(30)의 사이에 배치되어 상기 유체를 순환시키고 적어도 1종의 고분자 성분을 휘발시키고 응축성 가스상의 탄화수소 부산물을 형성하기에 충분한 온도로 혼합 캐비티(32)를 가열시킨다.

상기 복합재료에 대한 공정을 수행하기 위하여, 제1반응기(14)는 적어도 2개의 스크류(34, 36)를 포함하며, 상기 제1스크류(34)는 혼합 캐비티(32) 내부의 제1샤프트(38)에, 제2스크류(36)는 혼합 캐비티(32) 내부의 제2샤프트(40)에 설치된다. 각각의 샤프트(38, 40)은 그 내부에 배치된 내부 발열체(42, 44)를 포함한다. 외부 발열체(33)와 같이, 제1반응기(14)의 각각의 내부 발열체(42, 44)는 또한 작동 중, 혼합 캐비티(32)의 복합재료를 가열한다. 내부 발열체(42, 44)는 당업자에게 자명한 전기 저항 발열체를 포함하여 구성될 수 있다. 상기 내부 발열체(42, 44)는 상기 고분자 성분을 휘발시키고, 탄화수소 부산물을 형성시키기에 충분한 온도를 유지시킨다. 적절한 전기 저항 발열체로서 니켈 크롬 또는 이와 동종의 것이 사용될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.

상기 공정을 통하여, 모든 내부 발열체(42, 44)들은 각 제1반응기(14)의 전체 부피에 대하여 균일한 온도가 유지되도록 작동된다. 더욱이, 외부 발열체(33) 및 내부 발열체(42, 44)는 각 제1반응기(14)의 전체 부피에 대하여 균일한 온도가 유지되도록 작동된다. 혼합 캐비티(32) 내부의 발열체(33, 42, 44) 위치는 복합재료로의 원활한 열 전달을 제공하여, 공정 중 복합재료가 균일하게 가열될 수 있도록 한다. 더욱이, 단열재료(35)는 혼합 캐비티(32)로부터 열손실을 방지하거나 또는 이를 최소화하고, 온도 조절, 원활한 열전달 환경 및 상기 복합재료의 균일한 가열을 보장한다.

각 제1반응기(14)의 전체 부피에 대한 작동 온도는 약 300 ℃ ~ 700 ℃의 범위이고, 바람직하게는 약 400 ℃ ~ 약 600 ℃의 범위이다. 본 발명에 따른 공정은 대기압 상태에서 보다는 진공 상태에서 수행된다. 그러나, 공정이 진공 상태에서 수행되는지 대기압 상태에서 수행되는지와 무관하게, 작동 온도는 적어도 약 400 ℃ 이상이어야 한다. 왜냐하면 상기 온도가 복합재료 내에 존재하는 적어도 1종의 고분자 성분을 휘발시키기 위하여 필요한 온도이기 때문이다. 상기 작동 온도 범위에서 공정 수행 중 고분자 성분이 변질되는 것이 방지되고, 또한, 응축성 가스상의 탄화수소 부산물 생성을 원활하게 한다. 상기 범위를 벗어난 온도에서 고분자 성분에 대한 공정을 수행할 경우, 상기 고분자 성분은 휘발될 수 있으며, 비응축성 가스상의 탄화수소 부산물 또는 비응축성 가스상의 탄화수소 부산물 및 그을음을 형성시킬 수 있다. 상기 그을음은 다시 고분자 성분이 휘발된 후 남아있고, 본 발명의 장치(10)에 의하여 수행되는 공정의 제1단계에서 제거되는 알루미늄을 오염시킨다.

스크류(34, 36)는 제1반응기(14)의 외측에 구비된 동력 수단(46)에 의하여 작동된다. 동력 수단(46)은 스크류(34, 36)가 샤프트(38, 40)를 기준으로 동시에 동일 방향으로 동일한 회전속도로 회전시킬 수 있는 어떠한 종류의 기계 장치를 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 2c에 도시된 바와 같이, 제1스크류(34)는 동일한 속도로 화살표(48)가 나타내는 제1방향으로 회전하고, 제2스크류(36)은 화살표(50)가 나타내는 제2방향으로 회전한다. 당업자라면 스크류 작동 환경을 변화시키는 경우에도 여전히 본 발명의 공정에 따른 바람직한 효과를 얻을 수 있음을 인지할 수 있을 것이다.

스크류(34, 36)는 각각에 인접하게 배치되어 각 스크류(34, 36)는 서로 평행하며 서로 접촉하지는 않는다. 각 스크류(34, 36)는 각각 그들의 샤프트(38, 40)를 따라 배치된 날을 포함하며, 상기 날은 코르크마개 뽑이와 같이 각 샤프트 주변에 동심원적으로 배치되고, 다수의 날 및 각 날 사이에 많은 채널을 형성한다. 일반적으로, 날의 코르크마개 뽑이와 같은 배치는 통상 스크류의 나선형(the helix of the screw)이라고 언급된다. 나선형으로 형성됨에 의하여 각 스크류(34, 36)의 날은 끝에서 샤프트 방향으로 만곡되어 각 날의 면은 곡면을 이룬다. 작동 중, 제1스크류(34)는 샤프트(38)를 기준으로 회전하고 제1스크류(34)의 제1나선 부분은 제2스크류(36)의 제2나선 부분 채널으로 들어간다. 제2나선 부분 채널을 통한 제1나선 부분의 움직임 및 배치는 스크류(34) 및 샤프트(40)로부터 모든 용융된 고분자 조성물을 제거하고 효율적으로 스크류(34) 및 샤프트(40)를 클리닝할 수 있다. 제1및 제2스크류(34, 36)의 연속적인 동작을 통하여 각 스크류(34, 36)를 따라 용융 고분자 성분의 계속적인 유동이 이루어지고, 상기 용융 고분자 성분이 혼합 캐비티(32) 내에서 및 스크류(34, 36)을 따라 응집되는 것이 방지된다. 일반적으로, 고분자 성분이 용융됨에 따라, 혼합 캐비티 내에서 회전하는 동안 용융 고분자 성분의 구형구조가 형성될 수 있도록 고분자 층이 두꺼워진다. 스크류(34, 36)의 움직임 및 배치는 상기와 같은 용융 고분자 성분의 응집 발생을 효율적으로 방지할 수 있다.

더욱 구체적으로, 제1및 제2스크류(34, 36)가 같은 속도 및 같은 방향으로 동시에 회전함에 따라, 제1스크류의 적어도 하나의 제1날은 제2스크류의 적어도 하나의 제2채널을 통하여 회전한다. 상기 제1날이 회전함에 따라, 제1날은 제2스크류의 제2샤프트의 위치와 상대적으로 축을 중심으로 전후로 움직인다. 각 제1날의 곡면은 제2스크류의 제2샤프트의 위치와 상대적으로 각각의 제2채널 내에서 상기의 축 중심의 전후 운동을 용이하게 한다. 대조적으로, 곡면을 갖지 않는 날의 경우, 즉 평평한 형태의 날이고, 제2스크류에 수직한 방향으로 배치된 경우에는 제2스크류의 제2샤프트의 위치와 상대적으로 제2스크류의 채널 내에서 축을 중심으로 전후로 움직이지 않는다. 상기 스크류의 회전 및 상기 제1및 제2날의 축 중심의 전후 운동을 통하여, 상기 복합재료는 반응기(14) 내에서 제1및 제2스크류(34, 36)에 의하여 처리된다. 동시에, 제1날의 끝은 또한 처리된 복합재료를 제2스크류의 샤프트로부터 제거하여 제2샤프트(40) 및 제2스크류(36)를 효과적으로 클리닝한다. 제1스크류(34)의 제1날이 제2스크류(36)를 클리닝함에 따라, 제2스크류(36)의 제2날은 또한 동일한 방법으로 제1스크류(34)의 샤프트로부터 처리된 복합재료를 제거하고 효과적으로 제1스크류(34)의 제1샤프트(38)를 클리닝한다.

본 발명을 한정하기 위한 것이 아니라, 일 예로서, 제1반응기의 규모는 의도한 공정 환경 및 산업적 목적에 따라 특정될 수 있다. 예를 들어, 각 스크류는 약 1 미터 ~ 약 30 미터의 길이를 가질 수 있다. 각 스크류는 약 10 센티미터 ~ 약 150 센티미터의 직경을 가질 수 있다. 제1스크류의 각 제1날은 각 제2날 및 제2스크류의 제2샤프트로부터 약 1 밀리미터 ~ 약 50 밀리미터에 위치할 수 있다. 그리고, 제2스크류의 제2날은 각 제1날 및 제1스크류의 제1샤프트로부터 약 1 밀리미터 ~ 약 50 밀리미터에 위치할 수 있다. 각 제1날의 끝은 제2스크류의 제2샤프트로부터 약 1 밀리미터 ~ 약 50 밀리미터에 위치할 수 있다. 그리고 각 제2날의 제2끝은 상기 제1스크류의 제1샤프트로부터 약 1 밀리미터 ~ 약 50 밀리미터에 위치할 수 있다.

휘발되기 이전에, 상기 고분자 성분은 사슬당 약 100,000 개 이상의 탄소 원자를 갖는 큰 탄화수소 사슬 조성물로 시작된다. 휘발 과정 중, 상기 고분자 성분은 사슬당 약 100,000 개 미만의 탄소 원자를 갖는 작은 탄화수소 사슬 조성물로 분해되기 시작한다. 휘발 과정이 완료되면, 상기 고분자 성분은 사슬당 약 6 개 ~ 약 10,000 개의 탄소 원자, 바람직하게는 약 6 개 ~ 약 1,000 개의 탄소 원자, 가장 바람직하게는 약 6 개 ~ 약 100 개의 탄소 원자를 갖는 다수의 작은 탄화수소 사슬 조성물로 분해되며 이는 탄화수소 부산물을 형성한다.

상기 탄화수소 부산물은 사슬당 6 개 이상, 100 개 이하의 탄소 원자를 포함하는 탄화수소 사슬을 포함하여 구성되는 것이 바람직하다. 상기 범위 내의 사슬당 탄소 원자를 갖는 탄화수소 사슬 조성물은 제1반응기(14) 내에서 유지되는 작동 환경 하에서 응축가능한, 기체 탄화수소 부산물을 형성한다. 상기 응축가능한, 기체 탄화수소 부산물은 응축되어 파라핀 화합물과 같이 높은 시장 가치를 가져 바람직한 탄화수소 부산물을 형성한다. 대조적으로, 사슬당 6 개 미만의 탄소 원자를 포함하는 탄화수소 사슬 조성물은 상대적으로 매우 낮은 시장 가치를 갖는 상품인 메탄, 에탄, 프로판 및 부탄과 같은 비응축가능한, 기체 탄화수소 부산물을 형성한다. 사슬당 100 개를 초과하여 탄소원자를 포함하는 탄화수소 사슬 조성물은 가스상으로 생성되기가 곤란하다.

상기 복합재료의 공정을 통하여, 탄화수소 부산물은 상기 공정 중, 배출구(16)을 통하여 제거된다. 상기 탄화수소 부산물은 응축수단(18)에 의하여 탄화수소 생산물로 응축된다. 상기 응축수단(18)은 당업자에게 공지의 기술로 알려진 탄화수소를 응축할 수 있는 어떠한 장치를 포함하여 구성될 수 있다. 본 발명의 공정을 수행함에 있어서, 적어도 1종의 탄화수소 생산물이 상기 탄화수소 부산물의 응축 과정에서 형성된다. 예를 들어, 탄화수소 생산물은 상온에서 부분적으로 파라핀(고체)을 포함하고, 부분적으로 파라핀 오일(액체)을 포함하는 파라핀 화합물을 포함할 수 있다. 응축 수단(18)의 작동 환경에 따라, 재활용되는 종이/플라스틱/알루미늄 및 플라스틱/알루미늄 식품 및 산업재 포장이 각각 하나 또는 그 이상의 다른 고분자를 포함하므로 본 발명의 공정을 사용하여 어떠한 수의 탄화수소 생산물도 생산될 수 있다.

복합 물질의 고분자 성분이 휘발되고 알루미늄만이 남게 되면, 얇은 산화 알루미늄 막으로 도포된 알루미늄 조각들은 당업자에게 공지의 기술로 알려진 운반 수단(21)을 통하여 제2반응기(20)의 주입포트(61)로 운반된다. 도 3a 및 도 3b와 관련하여, 제2반응기(20)는 비산화 환경으로 유지되는 것이 바람직하고, 캐비티(62) 주위에 배치된 셸(60)를 포함할 수 있다. 캐비티(62)는 코팅된 용탕(64)을 포함한다. 상기 코팅은 적어도 하나의 내화성을 갖는 물질을 포함한다. 본 발명의 장치에서 사용되는 내화성을 갖는 적절한 물질은 실리카, 알루미나, 상기 물질 중 적어도 하나를 포함하는 조합 물질 등을 포함하나, 이에 한정되는 것은 아니고, .기타 성분과 함께 약 70 중량% ~ 약 90 중량%의 알루미나 및 실리카를 포함하는 혼합물인 것이 바람직하다. 캐비티(62)로부터의 열 손실을 방지하기 위하여, 또는 적어도 최소한의 열 손실이 발생하도록 하기 위하여, 일정량의 단열재료(65)가 셸(60)의 외벽에 설치된다. 적절한 단열재료는 섬유질 세라믹 재료, 실리카, 알루미나, 상기 물질 중 적어도 하나를 포함하는 조합 물질 등을 포함하나 이에 한정되는 것은 아니고, 실리카의 함량이 알루미늄 함량보다 큰 실리카 및 알루미나의 혼합물인 것이 바람직하다.

플라즈마 가열장치(66)는 상기 플라즈마 가열장치(68)가 캐비티(62)의 내부에 배치될 수 있도록 셸(60)에 설치된다.상기 플라즈마 가열장치(68)는 용탕 상부에 가까이 배치되어 상기 장치(68)가 상기 용탕 표면에서 전후로 움직일 수 있고 적어도 1종의 고분자 성분을 함유하지 않는 알루미늄을 용융시킬 수 있다. 본 발명에서 사용하기 위한 적절한 플라즈마 가열장치(68)는 용탕 표면에서 예를 들어, 교반 운동과 같이 모든 방향으로 움직일 수 있고, 적어도 산화 알루미늄 막을 분해하고 알루미늄을 용융시킬 수 있는 충분한 열을 제공할 수 있는 회전가능하고, 이동가능한 또는 불가능한 플라즈마 토치를 포함할 수 있다. 당업자에게 자명한 어떠한 불활성 기체도 플라즈마 가스로 활용될 수 있다. 아르곤과 같은 불활성 기체가 제2반응기(20) 내에서 비산화 환경을 유지하기 위하여 바람직하다. 플라즈마 가열장치(68)는 알루미늄의 용융점인 약 660 ℃(1220 ℉) 또는 산화 알루미늄의 용융점인 약 1,700 ℃(3,092 ℉)보다 훨씬 높은 약 10,000 ℃(18,032℉)의 온도를 갖는 전기 아크를 발생시킬 수 있다. 산화 알루미늄 막은 용융되고 산화 셸 내에 포함된 알루미늄을 방출한다. 산소가 존재하지 않기 때문에, 최종 용융 알루미늄에는 어떠한 알루미늄의 산화물도 함유되지 않는다.

알루미늄 조각들이 용탕(64)에 공급될 때, 상기 플라즈마 토치는 상기 알루미늄 상부에서 스윕운동(sweeping motion)하면서 움직인다. 상기 플라즈마 토치의 아크가 알루미늄에 가하여지고, 용융 알루미늄 액적을 형성하고, 상기 용융 알루미늄 상부에 불순물 층이 형성된다. 더 많은 알루미늄이 용탕(64)에 공급되고 용융됨에 따라, 불순물 층이 형성되고 용융 알루미늄의 상부에 부유한다. 상기 불순물 층은 상기 플라즈마 토치에 의하여 발생되는 고온으로부터 용융 알루미늄을 단열시킨다. 약 1 밀리미터 ~ 약 2 밀리미터의 두께를 갖는 불순물 층의 표면에서 온도는 약 2,000 ℃ ~ 약 3,000 ℃에 도달한다. 그러나, 불순물 층 하부에서 온도는 급속히 떨어져서, 상기 불순물 층은 효과적으로 상기 용융 알루미늄을 단열시킨다.결과적으로, 상기 용융 알루미늄은 상기 공정 중 800 ℃ 이하의 온도를 유지할 수 있다. 상기 공정 과정에서, 정기적으로 용탕(64)의 표면을 걷어내어 불순물 층을 제거하기 위하여 흑연 도구(미도시)가 사용될 수 있다. 당업계의 자명한 기술로서 어떠한 도구도 상기 목적을 달성하기 위하여 활용될 수 있음을 또한 알 수 있다. 알루미늄 조각이 연속적으로 제2반응기(20) 내로 공급되면서, 용탕의 일정 수위를 유지하기 위하여 용융 알루미늄은 배출된다. 용융 알루미늄을 배출할 때, 상기 용융 알루미늄은 약 600 ℃로 냉각된다. 최종 용융 알루미늄은 배출구(70)을 통하여 캐비티(62)에서 배출되고, 적어도 1종의 알루미늄 부산물이 형성된다.

본 발명에 따른 하나 또는 그 이상의 실시예가 기술되었다. 그러나, 본 발명의 의미 및 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변경이 이루어질 수 있다. 따라서, 다른 실시예들도 하기 청구항의 범위에 포함된다.

상기한 바와 같이, 종이/플라스틱/알루미늄 및 플라스틱/알루미늄 포장 물질은 각 성분의 물리적 및 화학적 특성뿐만 아니라 플라스틱 및 알루미늄을 분리함에 있어서 고유의 어려움때문에 재활용되지 않거나, 또는 완전히 재활용되지는 않는다. 두 성분의 일반적인 열을 이용한 분리 정제(예를 들어, 열분해)는 플라스틱 성분에 의하여 발생하는 열전달의 제한 및 산화 알루미늄층을 분해하기에 불충분한 알루미늄의 중량 때문에 매우 어렵다. 화학적 분해를 포함하는 다른 공지의 재활용 공정은 경제적으로 또는 환경적으로 성공하지 못했다.

본 발명에 따른 시스템 및 공정은 종이/플라스틱/알루미늄 및 플라스틱/알루미늄 포장 물질을 성공적으로 재활용시킨다. 하나 또는 그 이상의 고분자로 구성된 플라스틱 및 특정 두께의 알루미늄은 이를 통하여 분리될 수 있고, 폐기 물질로 폐기되지 않고 재활용될 수 있다. 본 발명에 따른 시스템 및 공정은 상기의 성공적인 시도를 수행함에 있어 몇 가지 장점을 갖는다.

본 발명에 따른 공정은 환경 친화적이다. 상기 공정은 어떠한 종류의 환경적으로 유해한 잔류물 또는 독성 가스 또는 액체 방출물을 생성시키지 않는다. 상기 공정 과정에서, 복합재료는 밀봉된 반응기 내에서 공정이 수행되고, 탄화수소 부산물 및 알루미늄 부산물의 배출은 조절된다. 그리고, 플라스틱, 플라스틱/알루미늄 또는 종이/플라스틱/알루미늄 복합재료를 위한 공지의 방법과는 달리, 본 발명에 따른 공정은 상기 복합재료에 대한 공정을 수행하기 위한 부가적인 시약이 필요하지 않다.

본 발명에 따른 공정에는 현재까지 플리스틱/알루미늄 및 종이/플라스틱/알루미늄 포장의 재활용을 곤란하게 한 대부분의 일반적 장애 요소가 없다. 공정 과정에서 비산화 환경을 유지하고 온도를 조절함에 의하여, 산화 알루미늄이 형성되지 않으며 상기 재활용 공정을 방해하지 않는다. 결과적으로, 탄화수소 부산물 및 알루미늄 부산물은 균일성을 보이며, 이는 품질을 의미한다.

본 발명에 따른 공정에서는 복합재료에 대하여 공정이 효율적으로 수행될 수 있도록 특별히 설계된 밀폐된 반응기가 사용된다. 특별히 설계된 밀폐된 반응기 및 이중 자체-클리닝 스크류를 통하여 복합재료 내의 고분자에 대한 균일한 가열 및 연속적 공정이 가능하다. 이를 통하여 플라스틱은 공정 과정에서 변질되지 않는다. 특별히 설계된 플라즈마 시스템의 사용을 통하여 어떠한 크기 및 두께의, 심지어는 매우 얇은 두께인 경우에도, 알루미늄을 용융시킬 수 있다. 결과적으로, 셸로부터 이미 존재하던 어떠한 산화 알루미늄도, 플라즈마 시스템은 상기 산화 알루미늄을 용융시키고, 용융 알루미늄을 배출한다.

본 발명에 따른 공정은 공지의 방법에 따른 실패한 시도에 대하여 성공적일 뿐만 아니라 효율적이다. 공지의 공정은 플라스틱/알루미늄 및 종이/플라스틱/알루미늄 복합재료를 재활용할 때, 일반적으로 적어도 40 퍼센트의 알루미늄의 손실이 발생한다. 결과적으로, 공지의 공정은 상기 복합재료를 재활용할 경우 60 퍼센트 이상의 알루미늄을 회수할 수는 없다. 본 발명에 따른 공정은 적어도 약 90 %의 알루미늄을 회수한다. 본 발명에 따른 공정의 전제적 에너지 효율은 75 퍼센트 이상이다. 상기와 같은 고효율성은 부분적으로는 열원 고유의 특징, 즉, 외부 및 내부 열원 및 플라즈마 토치 때문이고, 부분적으로는, 각 반응기 내부 및 주위의 열원 및 단열재의 배치 때문이다.

도 1a는 복합재료의 재활용 시스템에 대한 측면도이고;

도 1b는 도 1의 시스템에 대한 상부 평면도이고;

도 2a는 도 1a 및 도 1b의 시스템 중 제1반응기에 대한 상부 평면도이고;

도 2b는 도 2a의 제1반응기에 대한 측면도이고;

도 2c는 제1반응기에 대한 도 2b의 단면도이고;

도 3a는 도 1a 및 도 1b의 시스템 중 제2반응기에 대한 상부 평면도이고; 및

도 3b는 제2반응기에 대한 도 3a의 선 B-B에 따른 단면도이다.

다양한 도면 내의 같은 참조 번호 및 표시는 같은 요소를 나타낸다.

Claims (63)

1종 이상의 고분자 및 알루미늄을 포함하는 복합재료를 제1반응기에 공급하는 단계;

상기 제1반응기 내에서 상기 1종 이상의 고분자를 휘발시키고 탄화수소 부산물 및 알루미늄 부산물을 형성시키기에 충분한 온도로 비산화 환경에서 상기 복합재료를 가열하되, 가열을 통하여 1종 이상의 파라핀 화합물을 형성시키는 단계;

상기 1종 이상의 고분자를 함유하지 않는 상기 알루미늄을 제2반응기에 공급하는 단계; 및

상기 제2반응기에서 상기 알루미늄을 용융시키기에 충분한 온도로 비산화 환경에서 상기 알루미늄을 가열하는 단계를 포함하는 복합재료의 재활용 방법.

제1항에 있어서, 상기 복합재료를 가열하는 단계는 사슬당 6 ~ 10,000 개의 탄소 원자를 포함하는 1종 이상의 탄화수소 사슬을 포함하는 탄화수소 부산물을 형성시키는 것을 특징으로 하는 복합재료의 재활용 방법.

제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 복합재료를 가열하는 단계는 300 ℃ ~ 700 ℃의 온도 범위에서 상기 복합재료를 균일하게 가열함에 의하여 수행되는 것을 특징으로 하는 복합재료의 재활용 방법.

제3항에 있어서, 상기 온도 범위는 400 ℃ ~ 600 ℃인 것을 특징으로 하는 복합재료의 재활용 방법.

제1항에 있어서, 상기 복합재료를 가열하는 단계는 사슬당 6 ~ 1,000 개의 탄소 원자를 포함하는 1종 이상의 탄화수소 사슬을 포함하는 탄화수소 부산물을 형성시키는 것을 특징으로 하는 복합재료의 재활용 방법.

제5항에 있어서, 상기 복합재료를 가열하는 단계는 사슬당 6 ~ 100 개의 탄소 원자를 포함하는 1종 이상의 탄화수소 사슬을 포함하는 탄화수소 부산물을 형성시키는 것을 특징으로 하는 복합재료의 재활용 방법.

제1항에 있어서, 상기 복합재료를 가열시키는 단계는:

상기 복합재료를 상기 제1반응기의 혼합 캐비티(mixing cavity)에 공급시키는 단계;

상기 1종 이상의 고분자가 변질됨이 없이 상기 복합재료를 균일하게 가열시키는 단계; 및

상기 복합재료를 연속적으로 공정 처리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합재료의 재활용 방법.

제1항에 있어서, 상기 방법은

상기 용융 알루미늄을 제거하기 위하여 상기 제2반응기를 탭핑(tapping)하는 단계;

상기 제2반응기 내의 용융 알루미늄의 수위를 일정하게 유지시키는 단계; 및

상기 1종 이상의 고분자를 함유하지 않는 상기 알루미늄을 회수하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 복합재료의 재활용 방법.

제8항에 있어서, 상기 회수 단계는 상기 복합재료로부터 상기 1종 이상의 고분자를 함유하지 않는 상기 알루미늄의 90 퍼센트 이상을 회수하는 것을 특징으로 하는 복합재료의 재활용 방법.

제7항에 있어서, 균일하게 가열시키는 단계는 제1스크류의 제1샤프트에 배치된 제1내부 발열체 및 제2스크류의 제2샤프트에 배치된 제2내부 발열체를 사용하여 상기 제1반응기의 전체 부피를 가열함에 의하여 수행되는 것을 특징으로 하는 복합재료의 재활용 방법.

제7항에 있어서, 균일하게 가열시키는 단계는 상기 제1반응기의 외부 발열체, 제1내부 발열체 및 제2내부 발열체를 사용하여 상기 제1반응기의 전체 부피를 가열시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합재료의 재활용 방법.

제 11항에 있어서, 상기 제1반응기의 전체 부피를 가열시키는 단계는:

상기 혼합 캐비티와 상기 제1반응기의 셸(shell) 사이에 배치된 상기 외부 발열체를 사용하여 상기 복합재료를 가열하는 단계; 및

상기 제1반응기의 제1스크류 내에 배치된 상기 제1내부 발열체 및 제2스크류 내에 배치된 제2내부 발열체를 사용하여 상기 복합재료를 가열시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합재료의 재활용 방법.

제7항에 있어서, 연속적으로 공정 처리하는 단계는:

상기 제1반응기 내에서 제1스크류 및 제2스크류를 동일한 속도 및 동일한 방향으로 동시에 회전시키는 단계;

상기 제1스크류 및 상기 제2스크류가 회전하는 동안 상기 하나 이상의 제1날이 제2샤프트에 대하여 상대적으로 축을 중심으로 전후로 운동하면서, 상기 제1스크류의 하나 이상의 제1날을 상기 제2스크류의 하나 이상의 제2채널을 통해 회전시키는 단계;

상기 제1스크류 및 상기 제2스크류가 회전하는 동안 하나 이상의 제2날이 제1샤프트에 대하여 상대적으로 축을 중심으로 전후로 운동하면서, 상기 제2스크류의 하나 이상의 제2날을 상기 제1스크류의 하나 이상의 제1채널을 통해 회전시키는 단계;

상기 제1스크류 및 상기 제2스크류로 상기 복합재료를 처리하는 단계;

상기 제1스크류로부터 처리된 복합재료를 제거하기 위하여 상기 하나 이상의 제2날을 사용하여 상기 제1스크류의 표면을 클리닝(cleaning)하는 단계; 및

상기 제2스크류로부터 처리된 복합재료를 제거하기 위하여 상기 하나 이상의 제1날을 이용하여 상기 제2스크류의 표면을 클리닝하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합재료의 재활용 방법.

제1항에 있어서, 상기 알루미늄을 가열하는 단계는:

스윕운동(sweeping motion) 중 플라즈마 아크를 상기 알루미늄에 인가하여 용융 알루미늄 및 상기 용융 알루미늄 상에 불순물 층을 형성시키는 단계; 및

상기 용융 알루미늄을 800 ℃ 이하의 온도로 유지시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합재료의 재활용 방법.

제14항에 있어서, 상기 플라즈마 아크의 인가는 플라즈마 토치를 이용하여 수행되는 것을 특징으로 하는 복합재료의 재활용 방법.

제14항에 있어서, 상기 방법은 2,000 ℃ ~ 3,000 ℃의 온도인 상기 불순물 층을 이용하여 상기 용융 알루미늄을 단열시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 복합재료의 재활용 방법.

하나의 샤프트 및 이에 배치된 2개 이상의 내부 발열체를 포함하는 2개 이상의 스크류를 포함하는 혼합 캐비티 주위에 배치된 외부 발열체를 구비하는 제1반응기; 및

내화성을 갖는 물질로 도포되고, 용탕 근위에 배치된 플라즈마 가열장치를 포함하는 제2반응기를 구비하되, 상기 제2반응기는

상기 용탕을 포함하는 캐비티 주위에 배치된 셸;

상기 셸에 설치되고, 상기 캐비티와 소통하여 배치되며, 플라즈마 토치 및 용탕 상에서 전후로 운동할 수 있는 수단을 포함하는 플라즈마 가열장치;

1종 이상의 고분자를 함유하지 않는 알루미늄 수용 주입포트 및 상기 캐비티와 소통하여 배치된 용융 알루미늄 제거 배출구;

상기 셸에 배치된 상기 용탕 내부의 작동 온도를 유지하기에 충분한 단열재료; 및

상기 용탕의 표면을 제거하기 위한 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 복합재료를 재활용하기 위한 장치.

제17항에 있어서, 상기 플라즈마 토치는 상기 용탕 상부 및 근위에 구비되는 것을 특징으로 하는 복합재료를 재활용하기 위한 장치.

제17항에 있어서, 상기 내화성을 갖는 물질은 실리카, 알루미나 및 이의 혼합물을 포함하는 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 복합재료를 재활용하기 위한 장치.

제17항에 있어서, 상기 내화성을 갖는 물질은 잔부 실리카와 70 중량% ~ 90 중량%의 알루미나를 함유하는 것을 특징으로 하는 복합재료를 재활용하기 위한 장치.

제17항에 있어서, 상기 단열재료는 실리카, 알루미나 및 이의 혼합물을 포함하는 군으로부터 선택되는 세라믹 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합재료를 재활용하기 위한 장치.

제17항에 있어서, 상기 단열재료는 실리카 및 알루미나를 포함하는 세라믹 재료를 포함하여 구성되되, 상기 실리카의 양이 상기 알루미나의 양보다 많은 것을 특징으로 하는 복합재료를 재활용하기 위한 장치.

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