KR101693098B1 - 마이크로파와 기포 부상 시스템을 이용한 폴리염화비닐의 선택적 분리방법 - Google Patents

마이크로파와 기포 부상 시스템을 이용한 폴리염화비닐의 선택적 분리방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 폐플라스틱들 중에서 소각과정에서 발생되는 산성가스, 다이옥신 및 발암물질 등의 발생 원인이 되는 폴리염화비닐을 선택적으로 분리하는 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 혼합 플라스틱 중에서 가벼운 플라스틱과 무거운 플라스틱을 수용액에 의한 비중 분리방법으로 먼저 분리하고, 분리된 무거운 플라스틱을 마이크로파로 표면 처리한 후, 기포 부상 반응기에 넣고 공기펌프를 이용해 부상시킨 다음, 교반기 속도를 조절하여 표면 친수성 발달 차이에 의한 부상 여부에 따라 무거운 플라스틱 중에서 폴리염화비닐을 선택적으로 분리할 수 있다.

Description

마이크로파와 기포 부상 시스템을 이용한 폴리염화비닐의 선택적 분리방법{Selective separation method of polyvinyl chloride by froth flotation system with microwave treatment}
본 발명은 현재 산업폐기물 및 도시 쓰레기의 소각 시 포함되거나, 시멘트 소성로 등에서 소각 연료로 사용되고 있는 폐플라스틱 혼합물로부터, 소각과정에서 발생되는 산성가스, 다이옥신 및 발암물질 등의 발생 원인이 되는 폴리염화비닐(PVC)을 선택적으로 분리하는 방법에 관한 것이다.
더욱 상세하게는, 본 발명은 수용액에 의한 비중 분리방법을 이용하여 플라스틱 혼합물로부터 가벼운 플라스틱과 무거운 플라스틱을 먼저 분리하고, 분리된 무거운 플라스틱 혼합물에 마이크로파를 적용하여 플라스틱들의 표면 특성을 변화시킨 다음, 소형 공기펌프와 교반기가 장착된 기포 부상 시스템을 이용하여 마이크로파 표면 처리된 플라스틱을 부상시키되, 교반기 속도를 조절하여 표면 친수성 차이에 의한 부상여부에 따라 무거운 플라스틱 중에서 폴리염화비닐을 선택적으로 분리하는 방법에 관한 것이다.
기존에 기포 부상방법을 통해 플라스틱들로부터 폴리염화비닐을 선택적으로 분리하기 위한 전처리 방법으로서, 화학약품, 불꽃 그리고 오존 등으로 폐플라스틱 표면을 처리하는 기술들이 소개되었다.
그 중에서 화학약품을 이용한 전처리 방법은 약산성이나 약알칼리성 용액에 플라스틱을 넣은 후 일정 시간 동안 교반만 시켜주면 되는 간단한 방법이지만, 플라스틱 표면 특성을 충분히 변화시켜 주기 위해서는 장시간이 소요되고, 사용 후 화학약품이 포함되어 있는 폐수를 처리해야 하는 문제가 발생된다.
그리고 불꽃을 이용한 전처리 방법은 플라스틱을 컨베이어 벨트 위에 올려놓고, 불꽃 아래로 지나가게 하면서 표면을 처리하는 방법이다. 그러나 이 불꽃처리 방법으로는 플라스틱의 한쪽 표면만 처리되기 때문에 기포 부상방법 적용 시 폴리염화비닐의 분리 효율이 떨어지고, 컨베이어 벨트 작동 시의 전기 사용과 불꽃 발생을 위한 연료의 사용으로 인해 처리 비용이 많이 소요되며, 불꽃을 사용하기 때문에 언제나 화재의 위험이 따른다.
또한 오존을 이용한 전처리 방법은 기포 부상 시스템에 바로 오존을 공급하여 플라스틱 표면을 처리하는 장점이 있지만, 오존 발생장치가 고가이고, 플라스틱 표면 처리 후 오존은 공기 중으로 배출되기 때문에 공기를 오염시키는 문제가 발생된다.
본 발명의 목적은 기존의 기술들보다 전체적인 시스템 구조가 간단하고 에너지 소비가 비교적 적으며, 화학물질을 사용하지 않고 환경적 악영향이 거의 없으며, 폴리염화비닐을 저비용 및 고효율적으로 분리할 수 있는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명은 상기 목적을 달성하기 위해, 플라스틱 혼합물을 경량 플라스틱 및 폴리염화비닐을 포함하는 중량 플라스틱으로 분리하는 단계; 분리된 중량 플라스틱을 마이크로파로 처리하는 단계; 및 마이크로파로 처리된 중량 플라스틱을 기포 부상 시스템에 투입한 후 교반속도를 조절하여 폴리염화비닐을 부상시키는 단계를 포함하는 폴리염화비닐의 선택적 분리방법을 제공한다.
본 발명에서 경량 플라스틱은 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 및 발포 플라스틱을 포함할 수 있고, 중량 플라스틱은 폴리염화비닐, 폴리카보네이트, 폴리메틸메타크릴레이트 및 폴리에틸렌테레프탈레이트를 포함할 수 있다.
본 발명에서 물을 이용하여 물보다 비중이 작은 경량 플라스틱 및 물보다 비중이 큰 중량 플라스틱으로 분리할 수 있다.
본 발명에 따른 방법은 경량 플라스틱 및 중량 플라스틱의 분리 전 또는 후에 플라스틱을 절단 또는 분쇄하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.
본 발명에서 마이크로파 처리에 의해 친수성 및 접촉각을 포함하는 플라스틱의 표면 특성을 변화시킬 수 있다.
본 발명에서 마이크로파 처리에 의해 폴리염화비닐과 다른 플라스틱의 접촉각 차이를 5도 이상으로 할 수 있다.
본 발명에서 마이크로파 처리시간은 30 내지 120초일 수 있다.
본 발명에서 마이크로파는 마그네트론을 이용하여 발생시킬 수 있고, 마이크로파의 주파수는 1000 내지 4000 MHz일 수 있다.
본 발명에서 기포 부상 시스템은 물을 수용하는 반응기, 기포를 발생시키는 공기 펌프, 및 물과 플라스틱을 교반시키는 교반기를 구비할 수 있다.
본 발명에서 기포는 0.05 내지 5 L/min의 속도로 발생시킬 수 있다.
본 발명에서 교반속도는 100 내지 300 rpm일 수 있다.
본 발명에서 폴리염화비닐을 40% 이상 부상시킬 수 있다.
본 발명은 플라스틱의 표면 처리를 위해 마이크로파 발생장치를 이용하기 때문에, 기존의 기술들보다 전체적인 시스템 구조가 간단하고 에너지 소비가 비교적 적다. 또한, 화학물질의 사용 없이 마이크로파에 의해 물리적으로 플라스틱 표면을 처리하여 친수성 정도의 차이를 만들기 때문에 환경적 악영향이 거의 없다. 또한, 표면 처리된 플라스틱에 대해 공기를 이용한 단순 부상기술을 사용하므로, 독성이 있는 오존이나 화학물질의 사용에 따른 기존 기술의 단점을 크게 보완할 수 있다. 그리고 수용액 내에서 교반속도를 조절하므로 교반에 따른 에너지 비용을 줄일 수 있고, 어려움을 겪던 기존 방법과 달리, 무거운 플라스틱 혼합물에서 폴리염화비닐을 저비용 및 고효율적으로 분리할 수 있기 때문에 매우 독창적인 발명이라고 할 수 있다.
도 1은 PVC 플라스틱의 XPS 분석 그래프이다.
도 2는 PMMA 플라스틱의 XPS 분석 그래프이다.
도 3은 PC 플라스틱의 XPS 분석 그래프이다.
도 4는 마이크로파 처리 전과 후의 플라스틱 SEM 이미지이다.
도 5는 PVC 플라스틱의 FT-IR 분석 그래프이다.
도 6은 PVC 플라스틱의 마이크로파 처리 전과 후의 FT-IR 분석 그래프이다.
도 7은 인장모드 C-H 피크에서 마이크로파 처리 전과 후의 PVC 흡광도를 비교한 그래프이다.
도 8은 PMMA 플라스틱의 FT-IR 분석 그래프이다.
도 9는 PMMA 플라스틱의 마이크로파 처리 전과 후의 FT-IR 분석 그래프이다.
도 10은 인장모드 C=O 피크에서 마이크로파 처리 전과 후의 PMMA 흡광도를 비교한 그래프이다.
도 11은 PC 플라스틱의 FT-IR 분석 그래프이다.
도 12는 PC 플라스틱의 마이크로파 처리 전과 후의 FT-IR 분석 그래프이다.
도 13은 인장모드 C-O 피크에서 마이크로파 처리 전과 후의 PC 흡광도를 비교한 그래프이다.
도 14는 마이크로파 처리에 따른 플라스틱의 접촉각을 비교한 그래프이다.
도 15는 마이크로파 처리 전 플라스틱의 기포 부상 실험 결과를 나타낸 그래프이다.
도 16은 30초 동안 마이크로파로 처리한 플라스틱의 기포 부상 실험 결과를 나타낸 그래프이다.
도 17은 60초 동안 마이크로파로 처리한 플라스틱의 기포 부상 실험 결과를 나타낸 그래프이다.
도 18은 90초 동안 마이크로파로 처리한 플라스틱의 기포 부상 실험 결과를 나타낸 그래프이다.
이하, 본 발명을 상세하게 설명한다.
본 발명은 마이크로파와 기포 부상 시스템을 이용한 폴리염화비닐의 선택적 분리방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 폴리염화비닐의 선택적 분리방법은 플라스틱 혼합물을 경량 플라스틱 및 폴리염화비닐을 포함하는 중량 플라스틱으로 분리하는 단계; 분리된 중량 플라스틱을 마이크로파로 처리하는 단계; 및 마이크로파로 처리된 중량 플라스틱을 기포 부상 시스템에 투입한 후 교반속도를 조절하여 폴리염화비닐을 부상시키는 단계를 포함할 수 있다.
1. 비중을 이용한 플라스틱 분리
본 발명의 처리 대상은 플라스틱 폐기물일 수 있고, 플라스틱 폐기물의 종류는 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 발포 플라스틱(발포 폴리스티렌, 발포 폴리우레탄 등) 등과 같은 경량 플라스틱; 폴리염화비닐(PVC), 폴리카보네이트(PC), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 등과 같은 중량 플라스틱일 수 있다.
경량 플라스틱과 중량 플라스틱은 물의 비중을 기준으로 구분할 수 있는데, 구체적으로 경량 플라스틱은 물보다 비중이 작은 플라스틱이고, 중량 플라스틱은 물보다 비중이 큰 플라스틱일 수 있다. 여기서, 물은 순수한 물뿐만 아니라, 다른 물질이 일부 포함된 수용액까지 포함하는 것으로 해석될 수 있다. 분류 기준이 되는 물의 비중은 약 1.0±0.2일 수 있다.
각 플라스틱의 비중을 살펴보면, 저밀도 PE는 약 0.91 내지 0.925, 고밀도 PE는 약 0.941 내지 0.965, PP는 약 0.90 내지 0.91, EPS는 약 0.01 내지 0.1, 연질 PVC는 약 1.16 내지 1.35, 경질 PVC는 약 1.35 내지 1.45, PC는 약 1.20, PMMA는 약 1.18, PET는 약 1.4일 수 있다.
경량 플라스틱 및 중량 플라스틱은 비중 차이와 물을 이용하여 쉽게 분리할 수 있다. 예를 들어, 물이 들어있는 수조에 플라스틱 혼합물을 투입하면, 물보다 비중이 작은 경량 플라스틱(PE, PP 등)은 떠오르고, 물보다 비중이 큰 중량 플라스틱(PVC, PC, PMMA 등)은 가라앉게 됨으로써, 경량 플라스틱 및 중량 플라스틱을 분리할 수 있다.
경량 플라스틱 및 중량 플라스틱의 분리 전 또는 후에 플라스틱을 절단 또는 분쇄하는 단계를 별도로 수행할 수 있다. 절단 또는 분쇄 방법은 특별히 제한되지 않고, 예를 들어 톱과 니퍼 등을 이용하여 수동으로 수행하거나, 절단기계나 분쇄기계 등을 이용하여 자동으로 수행할 수 있다. 절단 또는 분쇄 크기는 특별히 제한되지 않고, 예를 들어 최대 면적을 기준으로 0.1 내지 100 ㎠일 수 있다.
2. 마이크로파 발생장치를 이용한 플라스틱 표면 처리
비중을 이용하여 분리한 중량 플라스틱에 대해 마이크로파를 이용하여 표면 처리를 수행한다. 마이크로파 처리에 의해 플라스틱의 표면 특성을 변화시킬 수 있다. 플라스틱의 표면 특성은 친수성 및 접촉각(Contact angle)을 포함할 수 있다. 마이크로파 처리에 의해, 플라스틱 표면의 친수성은 증가할 수 있고, 접촉각은 감소할 수 있다. 플라스틱의 종류에 따라 친수성과 접촉각 변화가 다를 수 있고, 이러한 차이를 이용하여 PVC와 다른 중량 플라스틱을 분리할 수 있다. PVC의 경우, 마이크로파 처리에 의해 다른 플라스틱보다 친수성이 덜 발달할 수 있다.
또한, PVC의 경우, 특정 조건에서 마이크로파 처리에 의해 다른 플라스틱과 접촉각의 차이가 커질 수 있다. PVC와 다른 플라스틱의 접촉각 차이가 커질수록, PVC와 다른 플라스틱의 분리가 용이해질 수 있는데, PVC와 다른 플라스틱의 접촉각 차이는 예를 들어 5도 이상, 바람직하게는 10도 이상, 더욱 바람직하게는 15도 이상일 수 있다.
마이크로파 처리시간은 본 발명에서 특히 중요하다. 실험을 통해 밝혀진 바에 따르면, 마이크로파 처리시간에 따라, 플라스틱 표면의 친수성 및 접촉각 변화가 달라질 수 있다. 마이크로파 처리시간은 예를 들어 30 내지 120초, 바람직하게는 60 내지 110초, 더욱 바람직하게는 80 내지 100초, 가장 바람직하게는 90초일 수 있다. 마이크로파 처리시간이 90초일 경우, PVC와 다른 플라스틱의 접촉각 차이가 15도 이상으로 될 수 있다.
마이크로파는 마그네트론을 이용하여 발생시킬 수 있다. 마이크로파 발생장치로는 일반적으로 가정에서 사용하는 전자레인지 등을 사용할 수 있다. 마이크로파는 극초단파라고도 하며, 주파수 범위는 예를 들어 300 MHz 내지 30 GHz일 수 있다. 전자레인지의 마이크로파 주파수는 예를 들어 1000 내지 4000 MHz일 수 있다. 마이크로파 처리 후에는 플라스틱을 실온으로 냉각시킬 수 있다.
3. 기포 부상 시스템을 이용한 플라스틱 중 폴리염화비닐의 선택적 분리
마이크로파로 처리된 중량 플라스틱을 기포 부상 시스템에 투입한 후 교반속도를 조절하여 폴리염화비닐을 부상시킬 수 있다.
기포 부상 시스템은 물을 수용하는 반응기, 기포를 발생시키는 공기 펌프, 및 물과 플라스틱을 교반시키는 교반기를 구비할 수 있다. 반응기의 크기는 특별히 제한되지 않고, 처리 용량에 따라 적절하게 조절할 수 있다. 반응기의 하부에는 노즐이 설치될 수 있고, 노즐은 관을 통해 공기 펌프와 연결될 수 있다. 공기 펌프로부터 공급된 공기가 노즐을 통과하면서 기포가 생성될 수 있다. 기포 발생 속도는 특별히 제한되지 않고, 예를 들어 0.05 내지 5 L/min, 바람직하게는 0.1 내지 1 L/min일 수 있다. 공기 주입 시간은 특별히 제한되지 않고, 예를 들어 0.1 내지 10분일 수 있다.
교반속도는 마이크로파 처리시간과 함께 본 발명에서 특히 중요하다. 실험을 통해 밝혀진 바에 따르면, 교반속도에 따라, PVC의 분리 효율이 달라질 수 있다. 교반속도는 예를 들어 100 내지 300 rpm, 바람직하게는 200 내지 300 rpm, 더욱 바람직하게는 230 내지 270 rpm, 가장 바람직하게는 250 rpm일 수 있다. 교반속도가 250 rpm일 경우, PVC의 약 80%를 분리할 수 있다.
PVC는 마이크로파 처리에 의해 다른 플라스틱보다 친수성이 덜 발달하고, 다른 플라스틱과 접촉각 차이가 커지게 됨에 따라, 기포 부상 시스템에서 물 표면으로 부상할 수 있다. 반면에, 다른 플라스틱은 마이크로파 처리에 의해 PVC보다 친수성이 잘 발달하고, PVC보다 접촉각이 작아짐에 따라, 기포 부상 시스템에서 바닥으로 가라앉을 수 있다. PVC는 가급적 많이 부상시키고, 다른 플라스틱은 가급적 많이 가라앉게 하는 것이 바람직하다. 전체 개수를 기준으로 떠오른 개수의 백분율을 부상율(%)이라고 할 때, PVC 부상율은 적어도 40% 이상, 바람직하게는 60% 이상, 더욱 바람직하게는 80% 이상일 수 있다. 다른 플라스틱의 부상율은 40% 이하, 바람직하게는 30% 이하, 더욱 바람직하게는 20% 이하일 수 있다.
기포 부상 시스템을 이용한 PVC 분리과정을 구체적으로 살펴보면, 기포 부상 반응기에 물을 채우고 교반기와 공기펌프를 연결한다. 마이크로파로 표면 처리된 플라스틱 혼합물(PC, PMMA, PVC 등 포함)을 물이 담긴 반응기에 넣으면, 높은 비중에 의해 모두 바닥에 가라앉게 된다. 반응기에 공기펌프를 이용하여 공기를 공급하면, 반응기 바닥에 장착된 미세 기포 발생장치에 의해 미세 기포가 발생되고, 발생된 기포가 표면 처리된 플라스틱 표면에 붙어 부력에 의해 모든 플라스틱이 수면 위로 떠오른다. 그 다음 교반기를 이용하여 서로 다른 교반 속도로 교반하면서 최적화된 교반속도를 찾게 되고, 플라스틱의 성질, 표면처리 정도 및 교반속도의 차이에 의해 표면에 친수성 그룹이 많이 생성된 PMMA와 PC 등은 수면 아래로 가라앉게 되고, 상대적으로 친수성이 덜 발달된 PVC는 부상상태를 유지하게 된다. 그 다음 스키머(skimmer)와 같은 장치로 부유된 PVC를 걷어내게 되면, 무거운 플라스틱들로부터 PVC를 선택적으로 분리 가능하다.
[실시예]
1. 비중을 이용한 플라스틱 분리
비중 차이와 물을 이용하여 플라스틱 혼합물에서 비중이 1보다 작은 플라스틱과 비중이 1보다 큰 플라스틱을 분리하였다. 비중이 1보다 큰 플라스틱으로는 PC, PMMA 그리고 PVC를 사용하였다.
다음, 각각의 플라스틱을 톱과 니퍼를 이용하여 약 1㎝ × 1㎝의 크기로 잘랐다.
2. 마이크로파 발생장치를 이용한 플라스틱 표면 처리
절단된 플라스틱을 일반적으로 가정에서 사용하는 전자레인지(Dongbu Daewoo Electronics Corp., KR-G20EW, 2450 MHz, 1120 W)에 넣고, 각각 30초, 60초, 90초 동안 작동시킨 후 실온에서 냉각시켰다. 그 후 마이크로파 처리에 의한 플라스틱 표면의 특성 변화를 관찰하기 위해, FT-IR(Fourier Transform Infrared Spectroscopy), 접촉각, SEM(Scanning Electron Microscope) 그리고 XPS(X-ray Photoelectron Spectroscopy) 분석을 실시하였다.
3. 기포 부상 시스템을 이용한 플라스틱 중 폴리염화비닐의 선택적 분리
제작한 기포 부상 반응기에 물 500 mL를 채우고 교반기와 공기펌프를 연결하였다. 표면 처리된 플라스틱 혼합물(PC, PMMA, PVC 등 포함)을 물이 담긴 반응기에 넣었고, 높은 비중에 의해 모두 바닥에 가라앉았다. 반응기에 공기펌프를 이용하여 0.5 L/min의 유량으로 1분 동안 공기를 공급하였고, 반응기 바닥에 장착된 미세 기포 발생장치에 의해 미세기포가 발생되었으며, 발생된 기포가 표면 처리된 플라스틱 표면에 붙어 부력에 의해 모든 플라스틱이 수면 위로 떠올랐다. 그 다음 교반기를 이용하여 서로 다른 교반 속도(50, 100, 150, 200, 250, 300 rpm)로 교반하면서 최적화된 교반속도를 찾았다. 플라스틱의 성질, 표면처리 정도 및 교반속도의 차이에 의해, 표면에 친수성 그룹이 많이 생성된 PMMA와 PC 등은 수면 아래로 가라앉았고, 상대적으로 친수성이 덜 발달된 PVC는 부상상태를 유지하였다. 그 다음 스키머로 부유된 PVC를 걷어냄으로써, 무거운 플라스틱들로부터 PVC를 선택적으로 분리하였다.
[시험예]
1. XPS 분석 결과
XPS 분석을 통하여 수집한 플라스틱의 종류를 파악하였다. 도 1에서는 C-C 결합, C-H 결합 그리고 C-Cl 결합이 발견되어, 플라스틱 종류가 PVC인 것으로 확인되었다.
도 2에서는 C-C 결합, C-H 결합 C-O 결합 그리고 O-C=O 결합이 발견되어, 플라스틱 종류가 PMMA인 것으로 확인되었다.
도 3에서는 C-C 결합, C-H 결합 C-O 결합 그리고 -O-(C=O)-O- 결합이 발견되어, 플라스틱 종류가 PC인 것으로 확인되었다.
2. SEM 분석 결과
마이크로파 처리 전과 후, 플라스틱의 표면 변화를 관찰하기 위해서, FE-SEM 장비(JSM-6500F, JEOL)를 이용하여 표면 분석을 실시하였다. 대표적으로 마이크로파로 처리하기 전의 플라스틱 및 마이크로파로 90초 동안 처리한 플라스틱의 SEM 분석 결과를 비교 분석하였다.
도 4는 마이크로파 처리 전과 후의 플라스틱 SEM 이미지로서, a는 처리 전 PVC, b는 90초 처리 후 PVC, c는 처리 전 PMMA, d는 90초 처리 후 PMMA, e는 처리 전 PC, f는 90초 처리 후 PC이다.
그 결과, 마이크로파 처리 전의 플라스틱보다 마이크로파로 90초 동안 처리한 플라스틱의 표면에서 미세한 기포가 많이 발견되었다. 이러한 미세한 기포는 접촉각 측정시 물방울을 옆으로 퍼지게 하여 접촉각을 낮아지게 한다.
3. FT-IR 분석 결과
FT-IR 분석 장비를 이용하여 각 플라스틱의 원소 결합형태와 흡광도를 파악하였다.
FT-IR 분석 그래프의 Y축은 흡광도를 나타내고, 흡광도에 의해서 플라스틱의 친수성을 확인할 수 있다. 즉, 흡광도가 증가하면 원소 결합 길이가 늘어나고, 원소 결합 길이가 늘어나면 극성이 증가하며, 극성이 증가하면 친수성이 증가하고, 친수성이 증가하면 접촉각이 작아지게 된다. 따라서 흡광도가 증가하면 친수성이 증가하여 접촉각이 작아지게 되는 것이다.
결합한 원소들 사이에서 발생할 수 있는 진동모드는 여러 가지가 있는데, 그 중에서 인장모드가 유일하게 원소 결합 길이와 관련이 있다. 각 플라스틱의 FT-IR 분석 그래프에서 가장 높은 비율과 흡광도를 가지고 있는 원소 결합형태의 피크 중, 인장모드 피크를 대상으로 마이크로파 처리 전과 후의 흡광도를 비교 분석하였다.
3.1. PVC
도 5를 참고하면, FT-IR 분석 결과, PVC에서는 많은 C-H 결합이 확인되었고, C-C 결합과 C-Cl 결합도 확인되었다.
다른 여러 논문에서 보고한 참고자료에 의하면, PVC 플라스틱의 대표적인 원소 결합형태인 C-H 피크 중에서, 인장모드에 해당하는 피크는 파수(Wavenumber) 2920 cm-1에 해당하는 피크로 확인되었다. 표 1은 PVC 플라스틱의 원소 결합 피크 자료이다.
Wavenumber (㎝-1) Assignment
PVC matrix
2968 C-H stretching of CHCl
2911 C-H stretching of CH2
1435, 1426 CH2 wagging
1097 C-C stretching
963 CH2 rocking
690 C-Cl stretching
Additives
2917, 2850 C-H stretching of CH2 in paraffin wax
1731 C=O in organotin mercaptide and acrylic processing aid
1578 COO- (carboxylate) stretching in Ca stearate
1541 COO- (carboxylate) stretching in Zn stearate
1473 C-H bending of CH2 in Ca/Zn stearates
도 6 및 7을 참고하여 파수 2920 cm-1에 해당하는 피크를 분석해 보면, 마이크로파로 60초 동안 처리한 PVC 플라스틱을 제외하고는, 모두 마이크로파 처리 전의 PVC 플라스틱보다 높은 흡광도를 가지는 것을 알 수 있다.
3.2. PMMA
도 8을 참고하면, FT-IR 분석 결과, PMMA에서는 C=O 결합, C-C 결합, C-H 결합, O-CH3 결합 그리고 C-O-C 결합이 확인되었다.
다른 여러 논문에서 보고한 참고자료에 의하면, 앞서 확인된 PMMA 플라스틱에서 확인된 피크 중에서, 파수 1720 cm-1에 해당하는 C=O 피크가 인장모드에 해당하는 피크로 확인되었다. 표 2는 PMMA 플라스틱의 원소 결합 피크 자료이다.
Wavenumber (㎝-1) Description vibration modes
570 CF3 asymmetric bending mode of δas (CF3) of LiTFSI
618 Cis C-H wagging mode of PVC
750 Overlapping of symmetric bending mode of CF3 δs (CF3) and
combination of C-S and S-N stretching of LiTFSI
895 C-Cl stretching of PVC
923 C-O vibrational mode of C-O-C bond of PMMA
987 Trans C-H waging mode of PVC
1051 Asymmetric S-N-S stretching of LiTFSI
1085 S=O bonding mode of LiTFSI
1150 C-SO2-N bonding mode of LiTFSI
1192 Overlapping of symmetric stretching mode of CF3 vas (CF3) of
LiTFSI and asymmetric O-CH3 stretching mode of PMMA
1241 C-H rocking mode of PVC
1335 Overlapping of CH2 wagging mode in PMMA, CH2 deformation
mode of PVC and C-SO2-N of LiTFSI
1364 Overlapping of CH2 twisting mode of PMMA and asymmetric
SO2 stretching mode of LiTFSI
1460 O-CH3 asymmetric bending mode of PMMA
1734 C=O stretching mode of PMMA
1963 CH3 asymmetric stretching mode of PMMA
2996-2827 Overlapping of C-H stretching mode of PMMA, PVC and
S-CH3 bonding mode of LiTFSI
도 9 및 10을 참고하여 파수 1720 cm-1에 해당하는 피크를 분석해 보면, 마이크로파로 30초 동안 처리한 PMMA 플라스틱을 제외하고는, 모두 마이크로파 처리 전의 PMMA 플라스틱보다 높은 흡광도를 가지는 것을 알 수 있다.
3.3. PC
도 11을 참고하면, FT-IR 분석 결과, PC에서는 많은 C-O 결합이 확인되었고, C=O 결합, C=C 결합, C-H 결합 그리고 C=CH 결합도 확인되었다.
다른 여러 논문에서 보고한 참고자료에 의하면, PC 플라스틱의 대표적인 원소 결합형태인 C-O 피크 중에서, 인장모드에 해당하는 피크는 파수 1230 cm-1과 1190 cm-1에 해당하는 피크로 확인되었다. 표 3은 PC 플라스틱의 원소 결합 피크 자료이다.
Wavenumber (㎝-1) Assignment
3740-3600 O-H stretching vibration of phenol or water
3160-3057 C-H stretching vibration of aromatic rings
3015, 1305 C-H stretching and deformation vibration of methane
2970-2885 C-H stretching vibration of -CH3 and -CH2-
17780 C=O stretching vibration of carbonate
1605, 1510 Ring stretching and skeletal vibration of aromatic rings
1342, 1332 C-H deformation vibration of isopropylidene group
1240, 1190 C-O stretching vibration of aromatic ether
960 P-O-C stretching vibration
830, 750 C-H deformation vibration of aromatic rings
도 12 및 13을 참고하여 파수 1230 cm-1과 1190 cm-1에 해당하는 피크를 분석해 보면, 마이크로파로 처리한 PC 플라스틱은 모두 마이크로파 처리 전의 PC 플라스틱보다 높은 흡광도를 가지는 것을 알 수 있다.
4. 접촉각 분석 결과
접촉각 분석기(Contact angle analyzer)를 이용하여 마이크로파 처리를 한 플라스틱의 접촉각을 측정하였다. 도 14를 참고하면, 측정 결과 마이크로파로 30초와 60초 동안 처리하였을 경우에는 PVC와 다른 플라스틱간의 접촉각 차이가 크지 않았지만, 마이크로파로 90초 동안 처리하였을 경우에는 PVC와 다른 플라스틱간의 접촉각 차이(15도 이상)가 상당히 큰 것으로 나타났다. PVC의 접촉각이 다른 플라스틱과 많이 차이가 난다는 것은 기포 부상법과 교반에 의해서 PVC를 다른 플라스틱으로부터 비교적 쉽게 분리해 낼 수 있다는 것을 의미한다.
5. 기포 부상 시스템을 이용한 폴리염화비닐 분리 실험 결과
마이크로파로 처리에 의해 플라스틱 폐기물 중에서 PVC를 선택적으로 분리하기 위해서, 마이크로파 처리 전과 후의 플라스틱을 이용하여 기포 부상 실험을 수행하였다. 표 4 및 도 15 내지 18의 결과를 참고하면, 90초 동안 마이크로파 처리를 한 플라스틱을 기포로 수면 위에 부상시키고 250 rpm의 속도로 교반하였을 때 PVC가 가장 효과적으로 분리되는 것으로 나타났다. 표 4는 마이크로파 처리 전과 후 플라스틱 원료의 기포 부상 실험 결과이다.
Treatment
time(sec)		 50 rpm 100 rpm 150 rpm
PVC PMMA PC PVC PMMA PC PVC PMMA PC
No 100 100 100 100 100 100 80 60 100
30 80 100 100 60 80 80 60 40 40
60 100 100 100 80 100 80 60 20 20
90 100 100 100 80 100 100 80 100 80
Treatment
time(sec)		 200 rpm 250 rpm 300 rpm
PVC PMMA PC PVC PMMA PC PVC PMMA PC
No 40 20 40 20 20 20 20 0 20
30 20 20 40 0 0 0 0 0 0
60 60 0 20 40 0 0 0 0 0
90 80 20 40 80 20 0 0 0 0
이상과 같이, 여러 분석 장비를 이용하여 마이크로파로 처리한 플라스틱의 특성을 분석하였으며, SEM 분석을 통해서 마이크로파 처리에 의해 플라스틱 표면에 미세한 기포가 형성됨을 알 수 있었고, FT-IR과 접촉각 분석을 통해서는 마이크로파 처리에 의해 플라스틱 표면이 친수성을 띄는 것으로 확인되었다.
최종적으로, 기포 부상 시스템을 이용하여 마이크로파로 표면 처리한 플라스틱 중에서 폴리염화비닐을 분리하는 실험에서는, 90초 동안 마이크로파로 표면 처리한 플라스틱을 기포 부상 반응기에서 기포로 부상시키고, 250 rpm 속도로 교반하였을 때, 폴리염화비닐이 다른 플라스틱으로부터 가장 효율적으로 분리가 되는 것을 확인하였다.
본 발명에서는 기포 부상방법을 적용하기 전에 플라스틱의 표면을 마이크로파로 처리하기 때문에, 기존에 화학약품, 불꽃 그리고 오존을 이용한 처리 기술들보다 전체적인 시스템 구조가 간단하고 에너지 소비가 비교적 적으며, 환경으로의 악영향이 거의 없이 플라스틱으로부터 폴리염화비닐을 효과적으로 분리할 수 있다.

Claims (12)

  1. 플라스틱 혼합물을 경량 플라스틱 및 폴리염화비닐을 포함하는 중량 플라스틱으로 분리하는 단계;
    분리된 중량 플라스틱을 마이크로파로 처리하는 단계; 및
    마이크로파로 처리된 중량 플라스틱을 기포 부상 시스템에 투입한 후 교반속도를 조절하여 폴리염화비닐을 부상시키는 단계를 포함하며,
    마이크로파 처리에 의해 폴리염화비닐과 다른 플라스틱의 접촉각 차이를 15도 이상으로 하고,
    마이크로파 처리시간은 80 내지 100초이며,
    교반속도는 230 내지 270 rpm인 것을 특징으로 하는 폴리염화비닐의 선택적 분리방법.
  2. 제1항에 있어서,
    경량 플라스틱은 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 및 발포 플라스틱을 포함하고, 중량 플라스틱은 폴리염화비닐, 폴리카보네이트, 폴리메틸메타크릴레이트 및 폴리에틸렌테레프탈레이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 폴리염화비닐의 선택적 분리방법.
  3. 제1항에 있어서,
    물을 이용하여 물보다 비중이 작은 경량 플라스틱 및 물보다 비중이 큰 중량 플라스틱으로 분리하는 것을 특징으로 하는 폴리염화비닐의 선택적 분리방법.
  4. 제1항에 있어서,
    경량 플라스틱 및 중량 플라스틱의 분리 전 또는 후에 플라스틱을 절단 또는 분쇄하는 단계를 추가로 포함하는 폴리염화비닐의 선택적 분리방법.
  5. 제1항에 있어서,
    마이크로파 처리에 의해 친수성 및 접촉각을 포함하는 플라스틱의 표면 특성을 변화시키는 것을 특징으로 하는 폴리염화비닐의 선택적 분리방법.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서,
    마이크로파는 마그네트론을 이용하여 발생시키고, 마이크로파의 주파수는 1000 내지 4000 MHz인 것을 특징으로 하는 폴리염화비닐의 선택적 분리방법.
  9. 제1항에 있어서,
    기포 부상 시스템은 물을 수용하는 반응기, 기포를 발생시키는 공기 펌프, 및 물과 플라스틱을 교반시키는 교반기를 구비하는 것을 특징으로 하는 폴리염화비닐의 선택적 분리방법.
  10. 제1항에 있어서,
    기포는 0.05 내지 5 L/min의 속도로 발생시키는 것을 특징으로 하는 폴리염화비닐의 선택적 분리방법.
  11. 삭제
  12. 제1항에 있어서,
    폴리염화비닐을 40% 이상 부상시키는 것을 특징으로 하는 폴리염화비닐의 선택적 분리방법.
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