KR101717147B1 - 페인트-포화된 알칼리 토금속 카보네이트의 재사용 - Google Patents

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Abstract

페인트-포화된 필터 보조제, 예를 들어 페인트-포화된 알칼리 토금속 카보네이트를 천연 알칼리 토금속 카보네이트를 필요로 하는 적용에서 대체물로서 유익하게 재사용하기 위한 방법이 제공된다. 페인트-포화된 필터 보조제는 바닥재, 콘크리트, 등을 포함하는 다양한 적용에서 재사용하기에 적합한 재-밀링된 입자를 형성시키기 위해 페인트-포화된 필터 보조제를 사전결정된 크기로 재-밀링함으로써 제조된다. 또한, 약 1 내지 약 50 마이크론의 평균 입자 크기(D50); 200 메시 스크린 상에 재-밀링된 입자의 약 5% 미만이 보유됨; 또는 약 5 내지 약 300 마이크론의 탑 컷 사이즈 (D90) 중 하나 이상에 의해 특징되는 페인트-포화된 필터 보조제의 재-밀링된 입자를 포함하는 바닥재 물질이 제공된다.

Description

페인트-포화된 알칼리 토금속 카보네이트의 재사용{REUSE OF PAINT-SATURATED ALKALINE EARTH METAL CARBONATES}
본 출원은 일반적으로 페인트-포화된 알칼리 토금속 카보네이트를 재사용 가능한 물질로 전환시키기 위한 공정에 관한 것이다. 특히, 순수하고 밝은 백색의 칼슘 카보네이트를 필요로 하지 않는 제품의 제작에서 사용하기에 적합한 오버스프레이 페인트 시스템(overspray paint system)으로부터 얻어진 페인트-포화된 알칼리 토금속 카보네이트를 재-밀링하기 위한 공정이 제공된다.
알칼리 토금속 카보네이트, 예를 들어 칼슘 카보네이트는 다양한 산업적 공정에서 미립자 필터 매질로서 사용되고 있다. 예를 들어, 알칼리 토금속 카보네이트는 최근에 예를 들어 신규한 자동차의 스프레이 페인팅(spray painting) 동안, 페인트 부스 오버스프레이(paint booth overspray)를 포집하기 위해 필터 보조제(filter aid)로서 사용되었다[참조, 미국특허번호 제7,959,722호 및 제8,241,406호].
이러한 페인트 오버스프레이 시스템에서, 알칼리 토금속 카보네이트는 통상적으로 페인트 오버스프레이 입자와 철저하게 혼합하고 이를 흡착시키기 위해 유동화된다. 미립자 알칼리 토금속 카보네이트의 높은 표면적으로 인하여, 개개의 페인트 입자들은 알칼리 토금속 카보네이트의 표면을 습윤화시키고, 페인트-포화된 알칼리 토금속 카보네이트의 응집물을 형성시키고, 또한, 알칼리 토금속 카보네이트의 유효 표면적을 감소시키고, 적절한 유동화를 방지한다. 페인트-포화된 알칼리 토금속 카보네이트는 이후에 폐기를 위해 포집되며, 이는 현재 매립(단독으로 또는 유해 액체용 흡수제 둘 모두로서)으로 제한되거나 콘크리트 및 시멘트-기반 물질에서 충전 물질로서 사용된다.
이에 따라, 페인트-포화된 알칼리 토금속 카보네이트를 다양한 적용, 특히 재활용 물질이 요망되는 적용에서 유익하게 재사용될 수 있는 형태로 전환시키는 단순한 공정이 요구된다.
본 명세서의 구체예는 페인트-포화된 필터 보조제를 다양한 적용에서 재사용하기에 적합한 형태로 전환시키는 공정으로서, 이에 의해 매립으로 폐기되는 폐기물의 양을 감소시키는 공정을 포함한다. 특히, 페인트-포화된 필터 보조제를 필터 매질로서 또는 다른 적용에서 비-칼라 민감성 재활용 물질이 요망되는 알칼리 토금속 카보네이트와 같은 물질에 대한 치환물로서, 특히 바닥재 적용(즉, 카펫 후면 및 비닐 바닥재), 접착제, 콘크리트, 등으로 사용하기에 적합한 형태로 전환시키기 위한 공정이 제공된다.
필터 보조제를 재사용하기 위한 방법은 페인트-포화된 필터 보조제를 제공하고 재-밀링된 입자를 형성시키기 위해 페인트-포화된 필터 보조제를 사전결정된 크기로 재-밀링시키는 것을 포함한다. 페인트-포화된 필터 보조제는 단독으로 재-밀링되거나 제2 물질과 함께 동시-밀링될 수 있다.
다른 양태에서, 페인트-포화된 필터 보조제를 재사용하는 방법은 페인트-포화된 필터 보조제를 제공하고; 카펫의 제작에서 유용한 재-밀링된 입자를 제공하기 위해 페인트-포화된 필터 보조제를 제2 물질과 동시-밀링시키고; 재-밀링된 입자를 함유한 신규한 카펫을 제작하는 것을 포함한다.
다른 양태에서, 약 1 내지 약 50 마이크론의 평균 입자 크기 (D50); 200 메시 스크린 상에 재-밀링된 입자의 약 5% 미만이 보유됨; 또는 5 내지 약 300 마이크론의 탑 컷 사이즈(top cut size) (D90) 중 하나 이상에 의해 특징되는 페인트-포화된 필터 보조제의 재-밀링된 입자를 포함하는 바닥재 물질이 제공된다.
페인트-포화된 필터 보조제를 재사용하는 방법은 상술된 요구를 다루기 위해 제공된다. 이러한 방법은 일반적으로 재-밀링된 입자를 형성시키기 위해 페인트-포화된 필터 보조제를 사전결정된 크기로 재-밀링시키는 것을 포함한다. 유리하게, 재-밀링된 입자는 페인트 오버스프레이를 포집하기 위한 필터 매질로서 또는 재활용 필터 보조제가 적합한 다른 타입의 적용에서, 특히 카펫 후면, 비닐 바닥재, 접착제, 콘크리트 등에서 재사용하기에 적합하다.
페인트-포화된 필터 보조제는 EcoDryScrubber (Duerr Systems GmbH, Germany)와 같은, 오버스프레이 페인트 시스템의 소비된 필터 보조제로부터 얻어질 수 있다. 오버스프레이 페인트 시스템은 주로 자동차 제작 공정에서 사용된다. 오버스프레이 페인트 시스템은 일반적으로 필터 보조제, 필터 요소, 및 여과된 공기를 위한 통풍관을 구비한 후퍼(hooper)를 포함한다. 페인트 오버스프레이는 배기 공기 흐름을 통해 오버스프레이 페인팅 시스템으로 들어간다. 필터 보조제는 필터 요소가 막히는 것으로부터 필터 요소를 보호하기 위해 필터 요소 상에 주기적으로 증착된다. 필터 보조제는 또한, 필터 요소 상에 포집되기 전에 배기 공기에서 페인트 오버스프레이 입자를 포집하기 위해 필터 요소의 업스트림의 배기 공기 흐름으로 주기적으로 배출될 수 있다.
필터 보조제는 페인트 오버스프레이를 흡착시키고, 포화되어, 페인트-포화된 필터 보조제를 응집시키고, 페인트-포화된 필터 보조제의 유효 표면적을 감소시키고, 너무 큰 페인트-포화된 필터 보조제를 용이하게 유동화되도록 제공한다. 페인트-포화된 필터 보조제는 필터 요소로부터 분출되고, 여과 시스템으로부터 제거되고, 수집되고 재사용을 위해 적합한 형태로 전환된다.
본원에서 사용되는 "필터 보조제"는 오버스프레이 페인트 적용에서 사용하기에 적합한 그라인딩된 알칼리 토금속 카보네이트를 포함한다. 적합한 알칼리 토금속 카보네이트의 비-제한적인 예는 칼슘 카보네이트를 포함한다. 바람직하게, 필터 보조제는 고순도 칼슘 카보네이트, 미세 입자로 용이하게 파괴되는 것으로서 특징되는 침강 기원(sedimentary origin)의 칼슘 카보네이트로부터 제조된 칼슘 카보네이트 입자를 포함한다. 침강 기원인 칼슘 카보네이트의 비-제한적인 예는 오얼라이트(oolite), 페트로이드(petroid), 쵸크(chalk), 석회석(석회석), 방해석질 및 아라고나이트성 결정 형태 둘 모두의 대리석을 포함한다.
필터 보조제는 일반적으로 높은 표면적을 갖는 미세 입자 형태이다. 예를 들어, 이의 사용 이전에, 필터 보조제의 입자는 약 5 내지 30 마이크론, 바람직하게 약 8 내지 25 마이크론의 평균 입자 크기(D50)를 갖는다. 필터 보조제의 입자는 추가로, 하기 성질들 중 하나 이상을 갖는 것으로서 특징될 수 있다: 약 20 내지 약 90 마이크론의 탑 컷 사이즈 (D90); 약 90 중량% 초과 알칼리 토금속 카보네이트 (바람직하게, 약 90 중량% 초과 칼슘 카보네이트)의 화학적 순도 수준; 및 약 0.2 중량% 미만의 수분 수준.
본원에서 사용되는 "페인트-포화된 필터 보조제"는 페인트 오버스프레이가 흡착되는 필터 보조제의 입자를 지칭한다. 페인트-포화된 필터 보조제는 하기 성질들 중 하나 이상에 의해 특징될 수 있다: 페인트-포화된 필터 보조제의 입자의 상대 유효 표면적 (즉, 필터 보조제의 입자의 출발 상대 유효 표면적과 비교함), 페인트-포화된 필터 보조제의 입자의 평균 입자 크기(D50), 또는 페인트-포화된 필터 보조제의 입자의 수분 함량 또는 페인트 함량.
구체예에서, 페인트-포화된 필터 보조제의 입자는 필터 보조제의 입자의 출발 유효 표면적의 약 50% 미만의 유효 표면적, 필터 보조제의 입자의 출발 유효 표면적의 약 35% 미만, 또는 필터 보조제의 입자의 출발 유효 표면적의 20% 미만의 유효 표면적을 가질 수 있다. 구체예에서, 페인트-포화된 필터 보조제의 입자는 약 40 내지 약 100 마이크론, 약 40 내지 약 80 마이크론, 또는 약 40 내지 약 70 마이크론의 평균 입자 크기(D50)를 갖는다. 구체예에서, 페인트-포화된 필터 보조제의 입자는 약 0.3 중량% 초과의 수분 수준을 가질 수 있다. 구체예에서, 페인트-포화된 필터 보조제의 입자는 약 1 내지 약 5 중량%의 페인트 함량을 가질 수 있다.
페인트-포화된 필터 보조제는 사전결정된 크기의 재-밀링된 입자를 형성시키기 위해 페인트-포화된 필터 보조제를 재-밀링시킴으로써 이를 재사용하기에 적합하게 제조하기 위해 처리된다. 재-밀링하는 방법은 입자를 건조시키고 이의 크기를 감소시키기 위한 당해 분야에 공지된 방법을 포함하며, 이의 비-제한적인 예는 롤러 밀, 햄머 밀, 충격 밀, 원심분리 밀, 제트 밀, 매질 밀, 등을 포함한다.
구체예에서, 페인트-포화된 필터 보조제는 단독으로 재-밀링하거나 하나 이상의 다른 물질과 조합하여 동시-밀링될 수 있다. 예를 들어, 구체예에서, 재-밀링하는 것은 페인트-포화된 필터 보조제를 천연 또는 탈공업 알칼리 토금속 카보네이트와 블렌딩하고 동시-밀링하는 것을 포함한다. 구체예에서, 재-밀링은 페인트-포화된 필터 보조제를 천연 칼슘 카보네이트, 탈공업 칼슘 카보네이트, 또는 이들의 조합과 블렌딩하고 동시-밀링시키는 것을 포함한다. 재-밀링된 입자는 또한 복합 물질을 제공하기 위해 페인트-포화된 필터 보조제를 재-밀링시킨 후에 하나 이상의 다른 물질과 조합될 수 있다. 그러나, 페인트-포화된 필터 보조제를 하나 이상의 다른 물질과 블렌딩하고 동시-밀링시키는 것이 페인트-포화된 필터 보조제에서 보다 두꺼운 페인트 필름이 재-밀링의 전단에 의해 살포될 수 있고 이에 의해 얻어진 재-밀링된 입자의 기능성을 개선시키는 추가 표면적을 제공하기 때문에 특히 효과적이다.
페인트-포화된 필터 보조제 및 하나 이상의 다른 물질은 약 1:5 내지 약 5:1, 약 2:3 내지 약 3:2, 또는 약 1:1의 비로 조합될 수 있다. 예를 들어, 구체예에서, 페인트-포화된 필터 보조제는 재-밀링된 입자 또는 복합 물질의 약 20% 내지 약 100 중량%, 재-밀링된 입자 또는 복합 물질의 약 20% 내지 약 80 중량%, 또는 재-밀링된 입자 또는 복합 물질의 약 40% 내지 약 60 중량%이다.
재-밀링은 페인트-포화된 필터 보조제가 수집되는 것과 동일한 위치에서 수행될 수 있거나 페인트-포화된 필터 보조제를 별도의 위치로 이동시킨 후에 수행될 수 있다. 이에 따라, 본 방법은 페인트-포화된 필터 보조제를 형성시키는 제조업체로부터 페인트-포화된 필터 보조제를 이의 공정에서의 폐기물로서 수집하고 재-밀링된 입자 또는 재-밀링된 입자를 포함하는 복합 물질로 전환되도록 페인트-포화된 필터 보조제를 별도의 설비로 이동시키는 것을 추가로 포함할 수 있다.
재-밀링된 입자는 하기 성질들 중 하나 이상에 의해 특징될 수 있다: 재-밀링된 입자의 평균 입자 크기 (D50), 재-밀링된 입자의 탑 컷 사이즈 (D90), 또는 메시 스크린 상에 보유된 재-밀링된 입자의 양. 구체예에서, 재-밀링된 입자는 약 1 내지 약 50 마이크론, 약 1 내지 약 25 마이크론, 또는 약 5 내지 약 25 마이크론의 평균 입자 크기 (D50)를 갖는다. 구체예에서, 재-밀링된 입자의 약 50% 미만은 200 메시 스크린 상에 보유되거나, 재-밀링된 입자의 약 25% 미만은 200 메시 스크린 상에 보유되거나, 재-밀링된 입자의 5% 미만은 200 메시 스크린 상에 보유된다. 구체예에서, 재-밀링된 입자는 약 5 내지 약 300 마이크론, 약 10 내지 약 200 마이크론, 또는 약 15 내지 약 100 마이크론의 탑 컷 사이즈 (D90)를 갖는다.
재-밀링된 입자는 또한, 재-밀링된 입자의 수분 또는 페인트 함량에 의해 특징될 수 있다. 예를 들어, 재-밀링된 입자는 약 0.2 중량% 이하의 수분 함량, 또는 약 1 내지 약 5 중량%의 페인트 함량을 가질 수 있다. 페인트가 페인트-포화된 필터 보조제 상에 흡착되기 때문에, 페인트-포화된 필터 보조제의 재-밀링은 일반적으로 페인트-포화된 필터 보조제에서의 페인트 함량으로부터 재-밀링된 입자의 페인트 함량을 현저하게 감소시키지 않을 것이다.
재-밀링된 입자는 그라인딩된 알칼리 토금속 카보네이트, 예를 들어 칼슘 카보네이트를 사용할 때 대개 얻어진 백색(whiteness)을 필요로 하지 않는 다양한 적용에서 재사용하기에 적합하다. 예를 들어, 재-밀링된 입자는 다양한 바닥재 적용에서 사용될 수 있으며, 이의 비-제한적인 예는 카펫 후면 및 비닐 바닥재 기재로서 포함한다. 재-밀링된 입자는 또한, 콘크리트에서 시멘트의 유익한 부분 대체로서 사용될 수 있다. 재-밀링된 입자는 또한, 페인트-포화된 필터 보조제의 가공이 필터 보조제의 유효 표면적을 적어도 일부 회복시키고 과량의 수분을 제거하기 때문에, 예를 들어, 페인트 오버스프레이 시스템에서 필터 보조제로서 재사용될 수 있다.
예시적인 구체예에서, 재-밀링된 입자는 폭넓게 짠 카펫 및 카펫 타일 둘 모두에 재활용된 함유물을 도입하는 증가하는 욕구를 만족시키도록 카펫의 제작에서 사용된다. 예를 들어, 미국 그린 빌딩 카운슬(U.S. Green Building Council)의 "Leadership in Energy and Environmental Design®"(LEED)를 포함하는 계획(initiative)은 건설 제품에서 재활용된 함유물의 사용을 촉진한다. 이에 따라, 구체예에서, 재-밀링된 입자는 카펫 및/또는 카펫 후면에, LEED(Leadership in Energy and Environmental Design®) 또는 NSF 스탠다드 140에 의해 설정된 표준 하에서 인증에 대한 적어도 하나의 포인트를 획득하기 위해 카펫에 대해 충분한 양으로 존재한다.
본원에 기술된 입자 크기는 회절 레이저 입자 크기 분석의 분야에서 사용되는 널리 공지된 방법을 이용하여(예를 들어, Cilas Particle Size Company(Madison, WI)에 의해 제작된 Cilas® 입자 크기 분석기를 사용하여) 측정되거나, 스크린 측정의 경우에, 습식 세척(wet wash)(ASTM C-110, Standard Test Methods for Physical Testing of Quicklime, Hydrated Lime and Limestone) 또는 제트 시빙(jet sieving)(예를 들어, Hosokawa Micron Powder Systems(Summit, NJ)에 의해 제작된 Micron Air Jet Sieve를 사용함)을 이용하여 측정될 수 있다.
본 명세서는 하기 비-제한적인 실시예에 의해 추가로 예시된다. 달리 명시하지 않는 한, 백분율은 중량 기준이며, 온도는 섭씨 온도이거나 주변 온도이며, 압력은 대기압 또는 대기압 부근이다.
실시예
석회석 분말을 중량 하중 셀 상에 놓여진 두 개의 벌크 사일로(silo)로부터 공급하였다. 사일로 #1에서의 페인트-포화된 석회석 분말을 사일로 #2로부터의 50% 천연 공급물과 함께 롤러 밀에 50%에 첨가하였다. 페인트-포화된 석회석 분말은 50 마이크론의 평균 입자 크기 (D50), 3.5%의 페인트 함량, 및 0.35%의 수분 함량을 갖는다. 천연 공급물은 22 마이크론의 평균 입자 크기 (D50)를 갖는 석회석 분말이었다. 두 가지 물질 모두를 No. 5 Package Direct Air, 가스 연료 공기 가열기로 통과시켜 롤러 밀(Raymond Model 5488 High Side 54")에 공급하기 전에 유입 물질을 가열시키고 건조시켰다.
롤러 밀은 통합 분류 시스템을 갖는 공기 배출 수직 링-롤이다. 수직 샤프트는 암(arm)의 "스파이더(spider)" 어셈블리를 회전시키며, 이로부터 롤이 부착된 자유 스윙 저널 어셈블리(free swinging journal assembly)가 매달려 있다. 유닛을 조점함으로써, 원심력은 수직 그라인딩 링(vertical grinding ring)의 내부 표면에 대해 롤을 구동시킨다. 어셈블리와 함께 회전하는 플로우(Plow)는 공급 물질을 밀 바닥으로부터 들어올리고, 이를 롤과 그라인딩 고리 사이로 유도하며, 여기서 이는 미분화된다.
모델 No. 9 사이클론(Combustion Engineering, a Division of Raymond)을 사용하여 최종 생성물을 오버사이즈(oversize)로부터 분류하였다. 밀로부터의 배출구 온도는 65℃이었다. 공기는 아래로부터 그라인딩 링으로 들어가고 상향으로 흘러서, 미세물을 분류 섹션으로 이동시킨다. 분류기는 미분화된 물질의 치수를 부여하고, 추가 가공을 위해 크기가 큰 입자(oversized particle)를 그라인딩 챔버로 되돌아가게 한다. 밀은 음압 조건 하에서 작업되었다.
미분화된 물질을 ASTM C-110(Standard Test Methods for Physical Testing of Quicklime, Hydrated Lime and Limestone)을 이용하여 분석하여 입자 크기, 입자 크기 분포, 및 수분 수준을 측정하였다. 각 실시예의 결과는 하기 표에 요약되어 있다.
실시예 1
Figure 112015121665966-pct00001
실시예 2
Figure 112015121665966-pct00002
상기로부터 알 수 있는 바와 같이, 복합 물질의 재-밀링은 6.95 내지 10.14 마이크론의 평균 입자 크기(D50), 18.11 내지 23.91 마이크론의 탑 컷 사이즈 (D90), 및 0.02 내지 0.04 중량%의 수분 함량을 갖는 분말화된 칼슘 카보네이트를 제공하였다. 예를 들어, NSF-140 보증 카펫 후면 적용에서 사용되는 칼슘 카보네이트는 5.5 내지 10.0 마이크론의 평균 입자 크기 (D50), 15 내지 21 마이크론의 탑 컷 사이즈 (D90), 및 0.1 중량% 미만의 수분 함량을 가질 수 있다.
상기 상세한 설명이 제한적이기 보다는 오히려 예시적인 것으로 여겨지며, 이러한 것이 본 발명의 범위를 규정하도록 의도된 모든 균등물을 포함하는 하기 청구항들이라는 것으로 이해되도록 의도된다.

Claims (25)

  1. 필터 보조제(filter aid)가 밀링된(milled) 알칼리 토금속 카보네이트를 포함하고, 이러한 필터 보조제를 포함하는 페인트-포화된(paint-saturated) 필터 보조제를 제공하고;
    재-밀링된 입자(re-milled particle)를 형성시키기 위해 페인트-포화된 필터 보조제를 사전결정된 크기로 재-밀링(re-milling)하는 것을 포함하는, 페인트-포화된 필터 보조제를 재사용하는 방법.
  2. 제 1항에 있어서, 페인트-포화된 필터 보조제를 재-밀링하는 단계가 페인트-포화된 필터 보조제를 제 2 물질과 블렌딩하고 동시-밀링(co-milling)하는 것을 포함하는 방법.
  3. 제 2항에 있어서, 페인트-포화된 필터 보조제 및 제 2 물질이 1:5 내지 5:1의 비로 존재하는 방법.
  4. 제 2항에 있어서, 페인트-포화된 필터 보조제 및 제 2 물질이 2:3 내지 3:2의 비로 존재하는 방법.
  5. 제 2항에 있어서, 제 2 물질이 천연 칼슘 카보네이트, 탈공업(post-industrial) 칼슘 카보네이트, 또는 이들의 조합물을 포함하는 방법.
  6. 제 1항에 있어서, 밀링된 알칼리 토금속 카보네이트가 칼슘 카보네이트를 포함하는 방법.
  7. 제 1항에 있어서, 카펫(carpet), 비닐 바닥재(vinyl flooring) 또는 콘크리트(concrete)의 제작에서 유용한 복합 물질을 제공하기 위해 재-밀링된 입자를 제2 물질과 함께 블렌딩하는 것을 추가로 포함하는 방법.
  8. 제 7항에 있어서, 제 2 물질이 천연 칼슘 카보네이트, 탈공업 칼슘 카보네이트, 또는 이들의 조합물을 포함하는 방법.
  9. 제 1항에 있어서, 재-밀링된 입자의 사전결정된 크기가
    1 내지 50 마이크론의 평균 입자 크기 (D50);
    재-밀링된 입자의 50% 미만이 200 메시 스크린 상에 보유됨; 또는
    5 내지 300 마이크론의 탑 컷 사이즈(top cut size) (D90)
    중 하나 이상에 의해 특징되는 방법.
  10. 제 1항에 있어서, 재-밀링된 입자의 사전결정된 크기가
    1 내지 25 마이크론의 평균 입자 크기 (D50);
    재-밀링된 입자의 5% 미만이 200 메시 스크린 상에 보유됨; 또는
    15 내지 100 마이크론의 탑 컷 사이즈 (D90)
    중 하나 이상에 의해 특징되는 방법.
  11. 제 1항에 있어서, 재-밀링된 입자가 0.2 중량% 이하의 수분 함량을 갖는 방법.
  12. 제 1항에 있어서, 페인트-포화된 필터 보조제가 1 내지 5 중량%의 페인트를 포함하는 방법.
  13. 제 1항에 있어서, 페인트-포화된 필터 보조제를 제공하는 것이
    페인트 오버스프레이 필터(paint overspray filter)에서 필터 보조제를 사용하는 하나 이상의 제조업체로부터 페인트-포화된 필터 보조제를 수집하는 것; 및
    하나 이상의 제조업체로부터의 페인트-포화된 필터 보조제를 페인트-포화된 필터 보조제가 재-밀링된 입자 또는 재-밀링된 입자를 포함하는 복합 물질로 전환되는 처리 설비로 이동시키는 것을 포함하는 방법.
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