Nomenclature
1. 서 론
2. 실 험
2.1. 대상 시료
2.2. 실험방법
2.3. 에어 롤러 선별기
3. 실험결과 및 고찰
3.1. 에어 롤러 선별기의 기계적 조건별 이물질 선별 특성 분석
3.2. 에어 롤러 선별기의 운전 조건별 이물질 선별 특성 분석
4. 결 론
Nomenclature
H : Roller height [mm]
L : Roller gap [mm]
N : Roller rotation speed [rpm]
T : heating temperature [℃]
F : Feed rate [kg/h]
1. 서 론
22년 기준 국내 생활계 폐플라스틱 발생량은 약 330만 톤이며 이 중 46%는 재활용, 40%는 소각, 14%는 매립 처리되고 있다1). 이는 EU의 평균 재활용률인 약 38%와 비교했을 때 높은 수준으로 나타나며, 국내 폐플라스틱 재활용률은 에너지 회수 또한 포함하기 때문이다. 2021년 그린피스 및 국내 대학 기관이 조사한 보고서에 따르면 국내 생활계 폐플라스틱 중 물질 재활용 비율은 16%에 불과하고, 에너지 회수 41%, 소각 32%, 매립 10%로 처리되고 있다2). 이처럼 실질적인 국내 폐플라스틱 재활용률은 낮으며, 이를 해결하기 위한 방안이 필요하다.
폐플라스틱 재활용 방식은 물질 재활용, 화학적 재활용3), 에너지 회수의 세 가지로 구분된다. 물질 재활용은 폐플라스틱을 재질 선별을 통해 분리한 후 Flake 혹은 Pellet의 형태로 플라스틱 원료로 재활용하는 방법이며, 공정이 단순하고 온실가스 배출이 가장 적다는 장점이 있다. 화학적 재활용은 플라스틱을 열과 압력으로 분해해 연료유로 또는 단량체로 변환한 뒤 다시 고분자로 재제조하여 재활용하는 방식으로, 복합 재질 플라스틱까지 재활용이 가능하다는 장점이 있지만 분해 과정에서 높은 비용과 에너지 소모라는 단점이 있다. 에너지 회수는 소각의 일종으로 폐플라스틱을 고형 연료로 이용하여 소각을 통해 에너지를 회수하는 방법이며, 재질에 따른 연소 효율 변동과 유해 물질 발생에 대한 단점이 있다. 이러한 재활용 방식에 따른 특성을 기반으로, 경제적·환경적 지속 가능성을 고려할 때, 물질 재활용을 최우선적으로 적용해야 한다4).
폐플라스틱의 물질 재활용은 각 재질별 선별이 필수적으로 적용되어야 하며, 이를 위한 다양한 연구들이 수행되고 있다. 해당 연구는 크게 원물과 파쇄물 단계에서의 선별로 구분할 수 있으며,이 중 원물 단계에서의 선별 연구는 주로 인공지능 및 광학 기반의 이미지 센싱을 기반으로 재질 선별을 수행하는 방식으로 이루어지고 있다. Song et al.(2020)은 인공지능 기술이 적용된 로봇형 선별기를 이용한 PET(Polyethylene terephthalate) 선별 기술을 개발하였으며5), Lee et al.(2024)는 딥러닝을 통한 영상인식 기술을 통해 폐플라스틱을 선별하는 기술을 개발하였다6). Yu et al.(2022)는 테라헤르츠 기술을 이용하여 색상 제한 없이 폐플라스틱을 선별할 수 있는 기술을 개발하였다7). Ghaffari et al.(2023)은 하이퍼스펙트럴 이미지를 이용하여 NIR보다 세밀한 특징 파악이 가능한 폐플라스틱 선별 기술을 개발하였다8). Jeong et al.(2018)은 레이저유도붕괴분광기술(Laser Induced Breakdown Spectroscopy, LIBS)과 인공지능 알고리즘을 이용한 폐플라스틱 재질 선별 기술을 개발하였다9). 파쇄물 단계에서의 선별 연구는 주로 습식 기반 선별을 통해 재질 선별을 수행하는 방식으로 이루어지고 있으며, Censori et al.(2016)은 부유 선별 방식을 통해 PS(Polystyrene)와 ABS(Acrylonitrile, Butadiene, Styrene)의 선별 조건 최적화를 연구하였다10). Serranti et al.(2015)는 자성 액체를 활용한 자기 밀도 분리(Magnetic Density Separation, MDS) 기술로 PE(Polyethylene)와 PP(Polypropylene)를 선별하는 실험을 수행하였다11). 또한, Ito et al.(2019)은 하이브리드 지그의 연속형 공정을 통해 PVC(Polyvinyl chloride)와 PET 선별 효율을 개선하는 연구를 진행하였다12). 이와 같이 대부분의 폐플라스틱 물질 재활용 연구는 1차 선별에 대해 수행되고 있으며, 미선별 플라스틱에 대한 2차 선별 연구는 부족한 실정이다. 또한, 2차 선별에 적용될 수 있는 파쇄물 선별 연구들은 대부분 습식 선별을 기반으로 수행되었으며, 습식 선별은 추가적인 건조 공정 및 폐수 처리 공정이 필요하기 때문에 환경적 부담과 추가 비용에 대한 단점을 해결하기 위한 기술이 필요하다.
따라서 본 연구에서는 건식 비중 선별을 통해 미선별 폐플라스틱 파쇄물에 대한 선별이 가능한 에어 롤러 선별기를 활용하여 물질의 비중 차이를 기반으로 실험을 진행하였으며, 실험 조건은 선별에 직접적인 영향을 미치는 A) 기계적 조건(롤러 높이, 롤러 간격, 롤러 최전속도)과 간접적인 영향을 미치는 B) 운전 조건(열풍 온도, 피드 투입량)으로 나누어 설정하였다. 실험 결과는 선별 산물의 PP 무게 비율을 측정한 품위와 이물질 비율을 분석하여 비교하였다. 초기 조건을 설정하기 위해 기초 실험을 수행하였으며, 각각의 조건에서 이물질 비율 및 PP의 품위를 비교 분석하여 최적 조건을 도출하고자 하였다.
2. 실 험
2.1. 대상 시료
본 연구에서 사용된 대상 시료는 국내 폐플라스틱 처리업체인 D기업에서 제공받은 생활계 플라스틱 용기이며, 재활용 선별 공정에서 선별되지 못한 미선별 폐플라스틱이다. 대상 시료의 입자 크기 감소 및 복합 제품에 대한 재질 분리를 위해 Vecoplan 사의 VEZ-2500 shredder를 이용하여 에어 롤러 선별기에 적합한 입도인 3 ~ 14 mm 크기로 파쇄하였다. 이후 염수 및 담수를 이용한 습식 비중 선별을 통해 플라스틱 중(PP: 0.9 g/cm3 PS, ABS: 1.04 ~ 1.06 g/cm3) 상대적으로 높은 밀도를 가지는 PS와 ABS를 분리하였으며, 낮은 밀도를 가지고 있는 PP와 그 외 이물질(폼 단열재, 고무 등의 기타 이물질 및 잔류 PS, ABS)이 포함된 샘플을 이용하여 비중 선별 실험을 진행하였다(Fig. 1).
2.2. 실험방법
본 연구에서는 미선별 폐플라스틱의 물질 재활용률 향상을 위해 건식 비중 선별 기술이 적용된 에어 롤러 선별기의 최적 조건을 찾기 위한 실험을 진행하였다. 조건별 영향을 파악하기 위해, 선별에 직접적으로 영향을 미치는 기계적 조건(롤러 높이, 롤러 간격, 롤러 회전속도)과 간접적으로 영향을 미치는 운전 조건(열풍 온도, 피드 투입량)으로 구분하여 실험을 진행하였다. 기초 실험을 통해 초기 조건을 설정하였으며, 이를 기반으로 각 요인별 영향을 분석하였다. 실험을 통해 각 조건이 플라스틱(PP) 품위 및 이물질 비율에 미치는 영향을 파악하였으며. 이를 통해 선별기의 최적 작동 조건을 도출하였다.
2.3. 에어 롤러 선별기
본 연구에서는 이물질과 PP를 분리하기 위해 에어 롤러 선별기를 사용한 실험을 수행하였다. 선별기의 구조는 Fig. 2에 제시된 바와 같이 롤러, 진동 피더, 그리고 열풍기로 구성되어 있다. 열풍기는 상부 피드 투입 통로 인근에 설치되어 피드에 함유된 수분을 제거하는 역할을 한다. 열풍기를 통해 수분이 제거된 피드는 진동 피더를 거쳐 롤러로 이송되면서 선별 과정을 거치게 된다. 롤러는 일정 속도로 회전하여 주변에 유체 흐름을 형성하는데, 이 유체 흐름을 보다 효과적으로 형성하기 위해 롤러 표면에는 요철 구조의 홈을 제작하였다. 피드가 롤러 주변에 도달하면 롤러에 의해 형성된 유체 흐름에 영향을 받아 비중에 따라서 가벼운 입자와 무거운 입자로 선별된다.
3. 실험결과 및 고찰
3.1. 에어 롤러 선별기의 기계적 조건별 이물질 선별 특성 분석
3.1.1. 롤러 간격
에어 롤러 선별기의 롤러 간격에 따른 이물질 선별 영향을 분석하기 위해 실험을 수행하였으며, 롤러 간격을 제외한 나머지 실험 조건은 기초 실험을 통해 얻은 초기 고정 조건(롤러 회전속도 1,800 rpm, 롤러 높이 5 mm, 열풍 온도 90 ℃, 피드 투입량, 800 kg/h)으로 설정하였다. 기초 실험을 통해 롤러 간격이 14 mm 이하 일 때 피드 끼임 현상이 발생하는 것을 확인하였으며, 이는 파쇄물의 입자 크기(3 ~ 14 mm)에 의한 영향인 것으로 판단하였다. 따라서 롤러 간격은 15 mm ~ 19 mm로 설정하여 실험을 진행하였다. 실험 결과(Fig. 3), PP의 품위는 롤러 간격 15 mm 96.1%, 17 mm 94.8%, 19 mm 86.6%로 롤러 간격이 증가함에 따라 감소하는 경향을 보이는 것을 확인하였으며, 이물질 비율의 경우 15 mm 0.8%, 17 mm 1.7%, 19 mm 3.6%로 간격이 증가함에 따라 이물질 비율이 증가하는 것으로 나타났다. 결과적으로 롤러 간격은 15 mm 조건에서 선별 효율이 가장 높은 것으로 확인되었으며, 이는 롤러의 회전으로 생성된 유체의 회전 흐름이 롤러 중심에서 멀어질수록 약해지기 때문에 롤러 간격이 증가할수록 피드에 충분한 영향을 미치지 못해 선별 효율이 낮아지는 것으로 판단하였다.
3.1.2. 롤러 회전속도
롤러의 회전속도에 따른 영향을 파악하기 위해 실험을 수행하였으며, 롤러 간격 실험 결과를 반영하여 롤러 높이 5 mm, 열풍 온도 90 ℃, 피드 투입량, 800 kg/h, 롤러 간격 15 mm로 초기 조건을 설정하였다. 롤러의 회전속도는 3,000 rpm 이상으로 설정할 경우, 목적 물질인 PP 입자 또한 다수 넘어가는 것을 확인하였다. 따라서 회전속도 조건은 1,800, 2,400, 3,000 rpm의 조건으로 실험을 진행하였다. 실험 결과(Fig. 4), PP의 품위는 1,800 rpm 96.1%, 2,400 rpm 92.7%, 3,000 rpm 91.4%로 회전속도가 높아질수록 낮아지는 것을 확인하였으며, 이물질 비율은 1,800 rpm 0.8%, 2,400 rpm 1.7%, 3,000 rpm 1.6%로 회전속도가 높아질수록 이물질 비율 또한 높아지는 경향으로 나타났다. 롤러 속도에 따른 실험 결과 1,800 rpm의 조건에서 이물질 비율이 가장 낮은 값을, PP의 품위는 가장 높은 값을 보이는 것을 확인하였다. 회전속도가 증가하면 형성된 유체의 속도가 증가하여 피드에 미치는 영향이 커지는 것으로 판단하였으며, 이에 따라 높은 회전속도 조건에서 선별되는 플라스틱이 양이 줄어들면서 선별 물질의 플라스틱 품위가 감소하고 이물질 비율이 증가하는 것으로 판단하였다.
3.1.3. 롤러 높이
롤러 높이에 따른 영향을 파악하기 위해 실험을 진행하였으며, 이전 실험 결과를 반영하여 롤러 간격 15 mm, 회전속도 1,800 rpm, 열풍 온도 90 ℃, 피드 투입량, 800 kg/h로 초기 조건을 설정하였다. 롤러 높이는 0, 5, 7, 10 mm로 설정하여 실험을 진행하였다. 실험 결과(Fig. 5), PP의 품위는 0 mm 97.7%, 5 mm 96.1%, 7 mm 91.7%, 10 mm 91.0%로 롤러 높이가 높아질수록 낮아지는 것을 확인하였으며, 이물질 비율은 0 mm 0.5%, 5 mm 0.8%, 7 mm 1.0%, 10 mm 1.5%로 회전속도가 높아질수록 이물질 비율 또한 높아지는 경향으로 나타났다. 롤러 높이에 대한 실험 결과, 0 mm 조건에서 가장 높은 PP 품위와 가장 낮은 이물질 비율을 나타내는 것을 확인하였다. 롤러 높이가 증가할수록 판상형 피드 구조로 인해 유체 흐름의 효과가 감소하여 선별 효율이 떨어지는 것으로 판단하였다.
3.2. 에어 롤러 선별기의 운전 조건별 이물질 선별 특성 분석
에어 롤러 선별기의 운전 조건에 따른 영향을 파악하기 위해 실험을 진행하였으며, 기계적 조건들은 위의 실험 결과를 참고하여 롤러 간격 15 mm, 롤러 회전속도 1,800 rpm, 롤러 높이 0 mm로 설정하였다. 운전 조건에서 열풍 온도의 경우 초기 실험을 통해 70 ℃의 온도에서는 건조가 충분히 일어나지 않는 것을 확인하였으며, 100 ℃이상의 조건은 플라스틱 열변화가 발생하여 80 ~ 100 ℃범위의 온도에서 실험을 진행하였다. 피드 투입량의 경우 초기 실험을 통해 1,100 kg/h이상의 조건에서 피드 투입량이 너무 많아 건조가 제대로 이루어지지 않는 것을 확인하였으며, 따라서 800 ~ 1000 kg/h범위에서 실험을 진행하였다. 실험 결과(Fig. 6), 열풍 온도별 PP 품위는 80 ℃ 92.3%, 90 ℃ 97.7%, 100 ℃ 96.9%로 나타나는 것을 확인하였으며, 이물질 비율은 80 ℃ 1.2%, 90 ℃ 0.5%, 100 ℃ 0.9%로 나타나는 것을 확인하였다. 실험을 통해 열풍 온도 90 ℃에서 가장 높은 PP 품위와 가장 낮은 이물질 비율을 나타내는 것을 확인하였으며, 이는 100 ℃에서는 열에 의한 변형으로 인해 선별 효율이 낮아지기 때문인 것으로 판단하였다. 피드 투입량별 PP 품위(Fig. 7)는 800 kg/h 97.7%, 900 kg/h 95.7%, 1000 kg/h 96.1%로 나타나는 것을 확인하였으며, 이물질 비율은 80 ℃ 1.2%, 90 ℃ 0.5%, 100 ℃ 0.9%로 나타나는 것을 확인하였다. 피드 투입량이 증가할수록 PP의 품위는 낮아지고 이물질 비율은 증가하는 경향을 보였다. 800 kg/h 조건에서 가장 높은 PP 품위와 가장 낮은 이물질 비율을 나타내는 것을 확인하였으며, 이는 피드 투입량이 증가로 인해 피드 입자의 겹침 현상이 증가하고, 열풍기의 수분 제거 효과가 저하되며, 선별 효율이 감소하는 것으로 판단하였다. 실험 결과를 통해 각각 열풍 온도 90℃, 피드 투입량 800 kg/h 조건에서 최적 조건을 가지는 것으로 판단되었으며, 실험을 통해 최종적으로 도출된 최적 조건인 롤러 간격 15 mm, 회전속도 1,800 rpm, 높이 0 mm, 열풍 온도 90 ℃, 피드 투입량 800 kg/h 조건으로 실험을 진행하였다. 실험 결과에서 가장 높은 PP 품위인 97.7%와 가장 낮은 이물질 비율 0.5%를 나타내며, 해당 조건이 최적 조건임을 확인하였다.
4. 결 론
본 연구에서는 미선별 폐플라스틱의 물질 재활용률 향상을 위해 에어 롤러 선별기를 적용하였으며, 기계적 조건(롤러 간격(15 ~ 19 mm), 회전속도(1,800 ~ 3,000 rpm), 높이(0 ~ 10 mm))과 운전 조건(열풍 온도(80 ~ 100 ℃), 피드 투입량(800 ~ 1,000 kg/h))이 선별 효율에 미치는 영향을 분석하여 최적 조건을 도출하였다.
기계적 조건 실험 결과, 롤러 간격이 증가할수록 중심부에서 멀어지는 유체 흐름의 영향이 약화되어 선별 효율이 감소하는 경향을 나타내었다. 또한 롤러 회전 속도가 증가할수록 유체 속도가 증가하여 투입 물질의 선택성이 감소하였으며, 롤러의 높이가 증가할수록 판상형의 피드 구조의 특성으로 인해 유체 흐름의 영향력이 약해져 선별 효율이 떨어졌다. 실험 결과를 통해 기계적 조건의 최적 조건은 롤러 간격 15 mm, 회전속도 1,800 rpm, 롤러 높이 0 mm로 확인되었다.
운전 조건 실험에서는 열풍 온도가 증가함에 따라 피드 표면의 수분 제거율 또한 증가하여 선별 효율이 개선되었으나, 특정 온도(90 ℃)를 초과할 시 피드의 열변형이 발생하여 선별 효율이 감소하였다. 피드 투입량이 증가함에 따라 피드의 겹침 현상으로 인해 수분 제거에 제한이 생겨 선별 효율이 감소하는 경향을 나타내었다. 이에 따라 열풍 온도 90 ℃, 피드 투입량 800 kg/h가 최적 조건으로 도출되었다.
최종적으로, 롤러의 간격 15 mm, 회전속도 1,800 rpm, 높이 0 mm, 열풍 온도 90 ℃, 피드 투입량 800 kg/h조건에서 PP 품위 97.7%, 이물질 비율 0.5%로 가장 높은 PP품위와 가장 낮은 이물질 비율을 달성함에 따라, 에어 롤러 선별기의 최적 조건을 확립하였다. 본 연구 결과를 통해 에어 롤러 선별기의 미선별 폐플라스틱 공정 적용 가능성을 입증하였으며, 최적 조건 도출 및 적용을 통해 물질 재활용률 향상 가능성을 제시하였다.
이러한 연구 결과를 통해 기존 습식 선별 공정에서 발생하는 환경적 부담과 비용 문제를 해결하기 위한 건식 비중 선별 방식의 현실적 적용 가능성을 입증하였다. 본 연구에서 이용한 에어 롤러 선별기를 통해 기존 습식 방식과 달리 추가적인 폐수 처리 없이도 효과적인 선별이 가능하여, 폐플라스틱 물질 재활용 공정의 친환경적 특성과 비용 절감 효과의 향상 가능성을 확인하였다.
다만, 본 연구는 주로 PP를 대상으로 실험을 수행하였으며, 실제 폐플라스틱 선별 공정에서는 PS, PE, PET, ABS, PVC등의 다양한 재질이 혼합되어 있으므로 이를 고려한 추가적인 실험을 통한 검증이 필요하다. 따라서 추가적인 연구를 통해 다양한 혼합 플라스틱 폐기물의 에어 롤러 선별기 적용 가능성을 확인하고 재질별 최적 조건 도출을 위한 실험이 필요하다고 판단하였다.
