KR102600298B1 - 아임계 열수처리를 이용한 폐플라스틱의 자원화 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 아임계 열수처리를 이용한 폐플라스틱의 자원화 방법에 관한 것으로서, 본 발명에 따르면 분리 및 선별이 어려워 재사용이 불가능하고, 소각 및 매립 처리하던 기 사용 플라스틱, 섬유, 고무 또는 플라스틱 더스트 등을 주재로 하여, 재생 플라스틱을 제조하고, 이를 재활용 폴리프로필렌 원료와 혼합하여, 폴리프로필렌 사용 비율을 줄이는 한편, 특정 용도, 예를 들어 파렛트 제조에 적합한 물성을 가지는 재활용 플라스틱 펠릿 제조가 가능하다.
Description
본 발명은 아임계 열수처리를 이용한 폐플라스틱의 자원화 방법에 관한 것이다.
오늘날 플라스틱 쓰레기로 인한 토양 및 해양 오염 문제가 심각하게 대두되고 있으며, 생태계가 플라스틱 쓰레기로 인해 위협받고 있는 상황이다. 대한민국 환경부가 발표한 전국 폐기물 발생 및 처리 현황 통계에 따르면, 국내 플라스틱 폐기물 발생량이 2010년부터 2015년까지 연평균 6.4%씩 증가하고 있고, 2015년에는 그 양이 690만톤에 이르는 것으로 집계되었다. 이러한 플라스틱 폐기물 중 약 60%의 플라스틱 폐기물은 재활용되고, 35%는 소각, 5%는 매립되는 것으로 나타났다.
한편, 플라스틱의 재활용 기술 중 기계적 재활용 방법은 폐플라스틱의 개조, 그래뉼화, 슈레딩 등이 있고, 단순하고 비용이 저렴한 것이 특징이다. 상기 방법에 따르면 기 사용된 플라스틱을 수집하여 수작업으로 혹은 기계로 분리한 다음, 세제와 스프레이로 세척 후 고속분쇄기로 절단한다. 그리고 건조한 분체는 펠릿(Pellet)으로 주조하여 플라스틱 목재, 판재, 하수관, 전선관 등의 제조에 사용하게 된다. 그러나, 각 가정에서 배출/수집되는 기 사용된 플라스틱 폐기물은 재사용조건에 맞는 유효한 자원 이외에도 종이, 나무조각, 로프, 라벨 등과 혼재된 경우가 많아 재활용이 곤란하다.
본 발명자들은, 상술한 문제점을 해결하기 위해 일반적으로 소각 또는 매립되어 오던 종이, 나무조각, 로프, 라벨 등이 혼재된 혼합 플라스틱 폐기물을 아임계 열수처리하여 재생 플라스틱으로 제조하고, 이를 재활용 플라스틱 원료와 혼합 및 가공하여 펠릿 형태로 성형함으로써, 재사용이 가능한 재활용 플라스틱을 제조하고, 특히 1회용 파렛트용도로 사용하기 적합한 물성을 가진 아임계 열수처리를 이용한 폐플라스틱의 자원화 방법을 제공하고자 한다.
또한, 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 명세서에서는, 재활용 폴리프로필렌 원료에 상기 재활용 폴리프로필렌 100 중량부 기준, 혼합 플라스틱 폐기물을 아임계 열수처리하여 제조한 재생 플라스틱 40 내지 50 중량부및 상용화제 4 내지 5 중량부를 첨가 및 혼합하여 성형한 후 압출하여 펠릿(pellet)을 제조하는 단계;를 포함하는, 아임계 열수처리를 이용한 폐플라스틱의 자원화 방법을 제공한다.
상기 재생 플라스틱은, a) 수집, 배출 및 분리가 불가능한 기 사용 플라스틱, 섬유, 고무 및 플라스틱 더스트(Dust) 중 적어도 하나를 반응기에 투입하고, 150 내지 250 ℃의 고온증기, 20 내지 50 기압, 30 rpm 교반 조건 하에서 아임계 열수처리하는 단계; b) 상기 아임계 열수처리 후, 20 ㎜ 스크린을 통해 재생 플라스틱 분말과 난분해 물질을 분류하는 단계; 및 c) 상기 분류를 통해 얻어진 재생 플라스틱 분말을 5 내지 20 ㎜의 펠릿(pellet) 형태로 2축 압출기를 이용하여 압출 성형하는 단계; 를 통해 제조된 것일 수 있다.
상기 제조된 펠릿은 파렛트(Pallets) 제작 용도로 사용되는 것일 수 있다.
또한 본 명세서에서는, 상기 방법에 의해 제조된 파렛트용 재활용 플라스틱 펠릿으로서, 상기 펠릿은 인장강도(MPa)가 19 이상인, 파렛트용 재활용 플라스틱 펠릿을 제공한다.
상기 펠릿은 충격강도(kJ/m2)가 3.3 이상인 것일 수 있으며, 또한, 용융지수(g/10 min)가 17 이하인 것일 수 있다.
본 발명에 따른 아임계 열수처리를 이용한 폐플라스틱의 자원화 방법에 의하면, 분리 및 선별이 어려워 재사용이 불가능하고, 소각 및 매립 처리하던 기 사용 플라스틱, 섬유, 고무 또는 플라스틱 더스트 등을 주재로 하여, 재생 플라스틱을 제조하고, 이를 재활용 폴리프로필렌 원료와 혼합하여, 폴리프로필렌 사용 비율을 줄이는 한편, 특정 용도, 예를 들어 파렛트 제조에 적합한 물성을 가지는 재활용 플라스틱 펠릿 제조가 가능하다.
이에 의해, 종래 소각 또는 매립되던 혼합 플라스틱 폐기물을 유용한 자원으로 재활용할 수 있으며, 이에 따라 환경오염을 저감할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 아임계 열수처리를 이용한 폐플라스틱의 자원화 방법을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 아임계 열수처리를 이용하여 재활용 플라스틱 펠릿을 제조하는 과정을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 아임계 열수처리 후 스크리닝 분리된 재생 플라스틱 분말(a) 및 난분해 물질(b)의 실제 사진이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 아임계 열수처리를 이용하여 재활용 플라스틱 펠릿을 제조하는 과정을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 아임계 열수처리 후 스크리닝 분리된 재생 플라스틱 분말(a) 및 난분해 물질(b)의 실제 사진이다.
이하, 본 발명의 구체적인 실시예에 따른 아임계 열수처리를 이용한 폐플라스틱의 자원화 방법에 대해서 보다 상세하게 설명하기로 한다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 아임계 열수처리를 이용한 폐플라스틱의 자원화 방법은, 재활용 폴리프로필렌 원료에 상기 재활용 폴리프로필렌 100 중량부 기준, 혼합 플라스틱 폐기물을 아임계 열수처리하여 제조한 재생 플라스틱 40 내지 50 중량부 및 상용화제 4 내지 5 중량부를 첨가 및 혼합하여 성형한 후 압출하여 펠릿(pellet)을 제조하는 단계; 를 포함한다.
한편, 본 발명의 일실시예에 따른 재생 플라스틱은, a) 수집, 배출 및 분리가 불가능한 기 사용 플라스틱, 섬유, 고무 및 플라스틱 더스트(Dust) 중 적어도 하나를 반응기에 투입하고, 150 내지 250 ℃의 고온증기, 20 내지 50 기압, 30 rpm 교반 조건 하에서 아임계 열수처리하는 단계; b) 상기 아임계 열수처리 후, 20 ㎜ 스크린을 통해 재생 플라스틱 분말과 난분해 물질을 분류하는 단계; 및 c) 상기 분류를 통해 얻어진 재생 플라스틱 분말을 5 내지 20 ㎜의 펠릿(pellet) 형태로 2축 압출기를 이용하여 압출 성형하는 단계; 를 통해 제조된 것일 수 있다.
보다 상세하게 설명하면, 플라스틱의 재활용 기술로 알려진 기술 중 기계적 재활용 기술은 폐플라스틱의 개조, 그래뉼화, 슈레딩 등이 있고, 단순하고도 비용이 상대적으로 저렴한 것이 특징이다. 상기 방법에 따르면 기 사용된 플라스틱을 수집하여 수작업으로 혹은 기계로 분리한 다음, 세제와 스프레이로 세척 후 고속분쇄기로 절단한다. 그리고 건조한 분체는 펠렛으로 주조하여 플라스틱 목재, 판재, 하수관, 전선관, 자동차 대쉬보드 등의 제조에 사용하게 된다. 그러나, 각 가정에서 배출/수집되는 기 사용된 플라스틱 폐기물에는 재사용조건에 맞는 유효한 자원 이외에도 얇은 플라스틱 필름 형태를 가지거나, 종이, 나무조각, 로프, 라벨 등과 혼재된 경우가 많아 재활용이 곤란하였다.
본 발명자들은, 일반적으로 소각 또는 매립되어 오던 종이, 나무조각, 로프, 라벨 등이 혼재된 혼합 플라스틱 폐기물을 아임계 열수처리하여 재생 플라스틱으로 제조하고, 이를 재활용 플라스틱 원료와 혼합 및 가공하여 펠릿 형태로 성형함으로써, 재사용이 가능한 재활용 플라스틱을 제조하고, 특히 상기 아임계 열수처리로 제조한 재생 플라스틱을 재활용 폴리프로필렌 및 상용화제와 혼합하는 경우 1회용 파렛트용도로 사용하기 적합한 물성을 가진다는 점을 실험을 통하여 확인하고, 본 발명을 완성하였다.
한편, 도 1 내지 도 2를 참고하면 재활용 폴리프로필렌 및 상용화제와 혼합되어 재사용 플라스틱 펠릿으로 제조되는 재생 플라스틱 제조방법은 다음과 같다.
먼저, 수집, 배출 및 분리가 불가능한 기 사용 플라스틱, 섬유, 고무 및 플라스틱 더스트(Dust) 중 적어도 하나를 반응기에 투입하고, 150 내지 250 ℃의 고온증기, 20 내지 50 기압, 30 rpm 교반 조건 하에서 아임계 열수처리한다(단계 a).
한편, 본 명세서에서 플라스틱 더스트(Dust)는 가정에서 배출/수집되는 사용 후 플라스틱 제품 중 재활용을 위해 분리 및 선별되고 남은 것으로서, 구체적으로 얇은 플라스틱 필름 또는 종이, 나무조각, 로프 및 라벨 등과 혼재되어 있어, 재활용이 어려운 플라스틱을 의미하며, 종래 이러한 혼합 플라스틱 폐기물은 소각하거나, 매립하는 것이 일반적이었으나, 본 발명에서는 재생 플라스틱 제조를 위한 주재로 사용될 수 있다.
한편, 상기 준비된 혼합 플라스틱 폐기물은 열분해 반응이 일어날 수 있는 반응기 내로 투입되고, 구체적으로 아임계 열수처리는 150 내지 250℃, 보다 상세하게는 190 내지 210℃의 고온증기, 및 20 내지 50 기압, 보다 상세하게는 20 내지 25 기압의 반응압력 조건 하에서 반죽 및 분산할 수 있으며, 이때 반죽 및 분산 시 교반 조건은 20 내지 50 rpm, 상세하게는 30 rpm 조건 하에서 수행될 수 있다.
특히, 상기 단계에서 아임계 열수처리에 사용되는 고온증기 온도가 150℃ 미만인 경우 혼합 플라스틱 폐기물의 각 성분을 균일하게 용융시키는 것이 불가능하며, 250℃를 초과하는 경우 혼재된 나무조각, 종이 성분 등이 플라스틱에 눌러붙는 등 불순물 유입이 초래될 가능성이 있으므로, 상기 온도 범위를 가지는 고온증기를 사용하여 수행할 수 있다.
또한, a 단계에서 반응압력 조건은 20 내지 50 기압, 보다 상세하게는 20 내지 25 기압 조건 범위 내일 수 있으며, 설비 비용이나, 안정성 또는 운전용이성을 고려할 때, 20 내지 25 기압 조건 범위 내에서 수행되는 것일 수 있다.
다음으로 아임계 열수처리 후, 20 ㎜ 스크린을 통해 재생 플라스틱 분말과 난분해 물질을 분류한다(단계 b).
상세하게, 상기 단계는 건조킬른에서 20 ㎜ 스크린으로 통과하는 물질을 재생 플라스틱 분말로 분류하고, 급속 건조 및 후처리하여 수행되는 것일 수 있다. 한편, 난분해 물질은 별도로 분류하여 고형 연료화한다. 한편, 상기 단계는 혼합 플라스틱 폐기물의 종류에 따라 달라질수 있으나, 일반적으로 전체 중량을 기준으로 재생 플라스틱 분말은 약 70 내지 80 중량%, 난분해 물질은 약 20 내지 30 중량%일 수 있다.
한편, 상기 급속 건조 과정은 250 ㎜ x 10,000 ㎜ 철제 스크류에 고주파 가열장치를 설치하여 수분을 제거함으로써 수행되는 것일 수 있다.
다음으로, 상기 분류를 통해 얻어진 재생 플라스틱 분말을 5 내지 20 ㎜의 펠릿(pellet) 형태로 2축 압출기를 이용하여 압출 성형한다(단계 c).
상기 단계에서는 예를 들어 2축 압출기를 사용하여 스트랜드 상으로 압출하여 5 내지 20 ㎜의 펠릿(pellet) 형태로 압출 성형하여 수행될 수 있다. 한편, 상기 단계에서 1축 압출기도 사용은 가능하지만, 균일한 혼합, 반죽 및 분산 효과를 높이기 위해서는 2축 압출기를 사용하는 것이 바람직할 수 있다.
한편, 본 발명의 일실시예에 따르면, 재활용 폴리프로필렌 원료에 상기 재활용 폴리프로필렌 100 중량부 기준, 혼합 플라스틱 폐기물을 아임계 열수처리하여 제조한 재생 플라스틱 40 내지 50 중량부 및 상용화제 4 내지 5 중량부를 첨가 및 혼합하여 성형한 후 압출하여 펠릿(pellet)을 제조하는 것일 수 있다. 한편, 본 발명에서 사용되는 상용화제는 말레산 무수물 그라프팅된 폴리올레핀으로 제조된 것(제품명: GNM900P)일 수 있고, 극성 물질과 비극성 물질 사이 결합 및 상용성 향상을 위한 가교제로서 활용되는 것일 수 있다.
한편, 상술한 아임계 열수처리를 이용한 폐플라스틱의 자원화 방법에 따르면, 분리 및 선별이 어려워 재사용이 불가능하고, 소각 및 매립 처리하던 기 사용 플라스틱, 섬유, 고무 및 플라스틱 더스트 등을 주재로 하여, 재생 플라스틱을 제조할 수 있고, 이를 재활용 폴리프로필렌 원료와 혼합하여, 폴리프로필렌 사용 비율을 줄이는 한편, 특정 용도, 예를 들어 파렛트 제조에 적합한 물성을 가지는 재활용 플라스틱 펠릿 제조가 가능하다. 또한, 이에 의해, 종래 소각 또는 매립되던 혼합 플라스틱 폐기물을 유용한 자원으로 재활용할 수 있으며, 이에 따라 환경오염을 저감할 수 있다.
이하 발명의 구체적인 실시예를 통해 발명의 작용, 효과를 보다 구체적으로 설명하기로 한다. 다만, 이는 발명의 예시로서 제시된 것으로 이에 의해 발명의 권리범위가 어떠한 의미로든 한정되는 것은 아니다.
실시예 1
그린환경의 국제환경에너지기술연구소의 200리터 테스트 플랜트 내에서 수거된 플라스틱 포장용기 중 수거 및 선별이 가능한 플라스틱 포장용기를 먼저 선별하고, 선별되지 않은 포장용 올레핀 필름, 라벨, 로프 및 라미네이트 종이 용기와 혼재된 플라스틱 더스트 폐기물(폴리프로필렌 및 고밀도 폴리에틸렌 98% 이상) 100리터를 상기 플랜트 장치 반응기에 넣고, 220℃, 20 기압, 30 rpm 교반 조건 하에서 가열, 혼합 및 교반하였다. 이를 통해 반죽 및 분산된 폐기물은 상온에서 식힌 후, 반응 중 엉겨붙은 덩어리를 분쇄하여 Φ 0.2 내지 2㎜의 분말로 제조하였다. 한편, 상기 얻어진 재생 플라스틱 중량은 10 kg이었다.
다음으로, 재활용 폴리프로필렌 분말 24 kg, 상기 재사용 플라스틱 분말 10 kg 및 상용화제로서 GNM900P 1 kg을 혼합한 후, 스트랜드 상으로 압출하여 냉각 후 5 내지 10 ㎜ 단위로 절단하여 재활용 플라스틱 펠릿(pellet)을 제조하였다.
비교예 1
기존에 파렛트 용도로 사용되던 재활용 폴리프로필렌 펠릿을 준비하였다.
비교예 2
KS(2종)
[실험: 물성 측정]
인장, 충격 및 용융지수를 KSM 3843 기준에 의해 측정하였다. 인장은 자체 시험기, 충격 및 용융지수는 한국고분자 연구소에서 실시하였다. 이를 통해 도출된 결과는 아래의 표 1에서 나타내었다.
| 항 목 | 단위 | 비교예 2 | 비교예 1 | 실시예 1 |
| 인장강도 | MPa | >16 | 18.0 | 19.89 |
| 충격강도 | kJ/㎡ | >1.47 | 2.8 | 3.3 |
| 용융지수 | g/10min | 2≤X<4 | 19 | 17 |
앞에서 표 1의 실험 결과를 참고하면, 본 발명의 실시예 1에 따른 재활용 플라스틱 펠릿은 인장강도, 충격강도 및 용융지수 측면에서 종래 기술에 따른 비교예들과 대비할 때, 파렛트 용도로 적합한 동등 또는 그 이상의 기계적 특성(물성)을 가지는 것을 확인할 수 있었다.
앞에서, 본 발명의 특정한 실시예가 설명되고 도시되었지만 본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 일이다. 따라서, 그러한 수정예 또는 변형예들은 본 발명의 기술적 사상이나 관점으로부터 개별적으로 이해되어서는 안되며, 변형된 실시예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.
Claims (6)
- 재활용 폴리프로필렌 원료에 상기 재활용 폴리프로필렌 100 중량부 기준, 혼합 플라스틱 폐기물을 아임계 열수처리하여 제조한 재생 플라스틱 40 내지 50 중량부 및 말레산 무수물 그라프팅된 폴리올레핀 4 내지 5 중량부를 첨가 및 혼합하여 성형한 후 압출하여 파렛트(Pallets) 제작용 펠릿(pellet)을 제조하는 단계; 를 포함하며,
상기 재생 플라스틱은,
a) 수집, 배출 및 분리가 불가능한 기 사용 플라스틱, 섬유, 고무 및 플라스틱 더스트(Dust) 중 적어도 하나를 반응기에 투입하고, 150 내지 250의 고온증기, 20 내지 50 기압, 30 rpm 교반 조건 하에서 아임계 열수처리하는 단계;
b) 상기 아임계 열수처리 후, 20 ㎜ 스크린을 통해 재생 플라스틱 분말과 난분해 물질을 분류하는 단계; 및
c) 상기 분류를 통해 얻어진 재생 플라스틱 분말을 5 내지 20 ㎜의 펠릿(pellet) 형태로 2축 압출기를 이용하여 압출 성형하는 단계; 를 통해 제조된 것인, 아임계 열수처리를 이용한 폐플라스틱의 자원화 방법.
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- 제 1 항에 의해 제조된 파렛트용 재활용 플라스틱 펠릿으로서,
상기 펠릿은 인장강도(MPa)가 19 이상이며, 충격강도(kJ/m2)가 3.3 이상이고, 용융지수(g/10 min)가 17 이하인, 파렛트용 재활용 플라스틱 펠릿.
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