폐프라스틱과 폐윤활유 혼합물의 점도특성 연구

김승수, 윤왕래*, 김성현

고려대학교 화학공학과, 한국에너지기술연구소 전환공정연구팀*

A Study of the viscosity of Waste Plastics and Lubricating Oil

Kim, Seung-Soo, Wang Lai Yun*,Sung Hyun Kim

Dept. of Chem. Eng., Korea University. Seoul, Korea

Energy Conversion Team, Korea Institute of Energy Research, Taejon, Korea*

서론

열분해는 원료물질을 산소와의 접촉이 없이 (혹은 산소가 희박한 상태에서) 고온의 상태에서 분해하여 가연성의 기체 혹은 액체상태의 연료를 얻는 방법이며 폐프라스틱을 원료로 사용할 경우 반응생성물을 연료로 사용할 수 있다는 장점 때문에 그 동안 많은 연구결과가 발표되었다. 그러나 아직도 개선해야 할 문제점이 있는데 그 중에서도 폐프라스틱의 열분해속도가 느림으로 인한 경제성 문제이다.  이를 개선하기 위해 폐유를 열전달매체로한 폐프라스틱의 열분해방법은 폐프라스틱만 열분해하는 경우 보다 낮은 온도에서 열분해를 할 수 있는 장점이 있다.  따라서 폐프라스틱과 폐윤활유를 혼합했을 때 정확한 점도값을 구하는 것은 열분해장치를 설계하는데 매우 중요한 변수이다.  일정한 온도에서 프라스틱의 흐름성이 낮다는 것은 점도가 큰 것을 의미한다.  프라스틱의 흐름성을 증가시키기 위한 방법으로는 온도가 높이는 것과 열전달매체를 사용하는 방법을 생각할 수 있다.  원하는 점도값을 얻기 위해 폐프라스틱의 용융온도를 높이는 것은 낮은 온도에서 열분해공정을 설계하기 위한 목적에 적합하지 않다.  따라서 정해진 온도에서 열전달매체로 폐프라스틱과 성질이 비슷한 폐윤활유를 사용할 때 폐프라스틱만을 용융시키는 것 보다 흐름성이 증가할 것으로 생각된다.

본 연구는 폐프라스틱과 폐유를 동시에 열분해하는 전처리단계로 용해반응기에서 폐프라스틱과 폐유를 동시에 용해한 물질을 열분해 반응기로 이송할 때 필요한 점도특성을 고찰하였다

실험방법

폐프라스틱과 폐유를 혼합한 성분의 점도를 측정하기 위한 실험장치는 Fig. 1과 같다.  장치는Shear rate Controller, Sensor, Temperature Controller, Heater와 반응기로 구성되어 있다.  온도는 PID temperature controller로 조절하였고 Sensor는 지름 20.5mm, 길이 30.0mm와 지름 40.0mm,   길이 60.0mm 두 가지를 사용하였다.  5대 범용수지 각각의 종류에 대하여 폐유를 무게비로 1 : 1, 1 : 1.5 및     1 : 2로 혼합한 후  200℃이상에서 shear rate를 4.450∼95.94 sec-1 변화시키면서 점도를 측정하였다.  실험순서는 다음과 같은 방법으로 수행하였다.  먼저 프라스틱과 폐윤활유를 반응기에 넣고 혼합하였다.  반응기온도를 올려서 정상상태에 도달했을 때 sensor를 반응기내에 넣고 점도측정기로부터 점도값을 구했다.  실험으로부터 구한 점도값과 다음과 같은 이론식으로부터 구한 점도값을 비교하였다.

[eqn: ~~~□ ~=~ □ over {4□L□ R^2} LEFT (k^2 over {1 ~-~k^2} RIGHT)]

실험에 이용된 시료는 5대 범용수지(LDPE, HDPE, PP, PS, ABS 및 PET)와 자동차용 폐윤활유를 수집하여 사용하였다.

결과 및 고찰

5대 범용수지(LDPE, HDPE, PP, PS, ABS 및 PET) 각각의 종류에 대하여 폐윤활유를 무게비로 1 : 1, 1 : 1.5 및 1 : 2의 세 가지 경우에 대한 실험을 수행하였고, 폐프라스틱의 실제발생량을 기준으로 폐윤활유를 혼합하여 실험을 수행하였다.  점도측정장치에서 shear rate를 4.450∼95.94 sec-1 로변화시키면서 Shear rate 변화에 따른 점도 특성과 shear rate를 고정시킨 후 온도변화에 따른 점도특성을 관찰하였다.

Fig. 2는 LDPE와 폐윤활유를 무게비로 1 : 1로 혼합한 후 온도를 200에서 300℃로 변화시키면서 shear rate에 따른 실험값과 이론식에서 구한 점도값을 비교한 결과이다. 각각의 경우 LDPE의 melting point 이상에서 점도는 온도가 증가할 때 감소함을 알 수 있고 각각의 온도에 대하여 shear rate가 증가함에 따라 점도는 감소하며, 260℃에서 점도감소의 기울기는 급격하게 떨어지는 것을  알 수 있다.

Fig. 3과 Fig. 4는 LDPE와 폐윤활유를 무게비로 1 : 1.5, 1 : 2로 혼합하고 온도와 shear rate 변화에  따른 점도값의 결과이다.  Fig. 2에서의 결과와 마찬가지로 온도와 shear rate 증가에 따라서 점도값은 떨어진다.  Fig. 2, Fig. 3 및 Fig 4를 통해서 알 수 있듯이 LDPE에 대한 폐윤활유의 무게비가 증가할수록 점도값이 작다.  이것은 LDPE와 폐윤활유를 혼합했을 때 폐윤활유가 상대적으로 LDPE보다 분자량이 적고 온도변화에 따른 점도변화가 크기 때문에 일어나는 현상으로 생각할 수 있다.  Fig. 5는 온도를 300℃로 고정시키고 폐윤활유의 양에 대한 점도변화를 확인하기 위하여 LDPE와 폐윤활유를 무게비로 1 : 1, 1 : 1.5 및 1 : 2로 혼합하여 실험한 결과이다.  위에서 설명한바와 같이 폐윤활유의 무게가 증가할수록 점도가 떨어지는 것을 확인할 수 있다

감사

본 연구는 통산산업부 대체에너지과제의 위탁과제로 수행된 연구이며 연구비를 지원해준 한국에너지기술연구소에 감사합니다.