초임계 아세톤을 이용한 폐 PE, PP의 분해에관한 연구

김경환, 황규철, 배성렬, 구마자와*

한양대학교 화학공학과, 일본 토야마 대학*,

A study on degradation of waste PE, PP in supercritcal  aceton

Kyoung Hwan Kim, Seong Youl Bae,

Gyou Chel Hwang, H. Kumazawa*

Department of Chemical Engineering Hanyang University

Department of Chemical Engineerng Toyama University*

서론

최근 환경에 관한 우리사회의 관심은 나날이 늘어가고 있다. 급격히 늘어나는 인구속에서 일일생활용품으로 널리 이용되고 있는 플라스틱의 처리에 새로운 공정이 도입되고 있는 가운데 초임계공정이 크게 각광을 받고 있다. 초임계공정은 추출, 분해, 중합 등 다양한 분야에 응용되고 있다. 이중 추출공정은 이미 커피에서 카페인을 추출하는 실제공정에 이용되고 있다. 국내 폐 플라스틱중 PE와 PP는 각 26%와 24% 등 50%에 이르는 것으로 알려져 있다.[1] 이에 초임계공정을 이용해서 PE와 PP를 분해해 기름으로 만들 수 있다면 환경적으로나 경제적으로 많은 도움이 될 것이다. 본 연구는 이를 토대로 초임계 아세톤을 이용해 PE와 PP를 유화하는 공정조건을 찾아 제시하고자 한다.

이론

일반적으로 유체를 액상에서 가열하게되면 기상으로 변화하게 된다. 그러나 온도와 압력을 동시에 가해 임계점을 넘기면 유체는 액체도 기체도 아닌 이른바 초임계상태가 된다.(Fig. 1) 초임계상태에서는 액체와 기체의 구별이 모호해져 그 이상의 압력을 가해도, 액체가 안되고 비응축성의 기체가 된다. 초임계유체는 비등액(沸騰液)이나 가스와는 다른 성질을 나타낸다. 압축하면 밀도는 액체의 물에 필적할 정도로 크게되지만, 점도는 기체만큼 작기 때문에 유동성이 좋은 유체가 된다. 밀도는 온도, 압력을 아주 조금만 변화시키는 것에 의해 크게 변화시킬 수 있다.[2] 상온의 유체는 무극성과 극성의 성질에 의해 쉽게 층분리가 이루어진다. 반면 초임계유체는 이온의 이동도가 상당히 높고, 유전율이 급격히 변화되므로 무극성 용제 뿐만 아니라 극성 용제로도 가능하게된다. 한 예로, 초임계수의 경우 Fig 2.에 나타낸 것처럼 유전율(극성정도를 나타내는 척도,□)이 2∼15로 저하되어 무극성 용제, 극성을 가지는 유기용매의 양 쪽 범위 내에 위치하기 때문에 기름처럼 무극성의 유기물을 녹일 수 있다. 유전율이 비교적 큰 고밀도의 초임계수내에서는 염류도 용해되어 이온으로 해리된다. 이렇게 초임계 유체는 무극성의 유기물과 극성의 무기물 둘 다를 녹일 수 있다.[3,4]

Fig 1. Phase diagram showing the      Fig 2. The property of pure water

superxritical region of pure fluid.           at 250atm.

실험

1. 실험장치

본 연구에 사용된 장치의 개략도를 Fig. 3에 나타낸다. 반응기는 Autoclave사제의 1리터 반응기를 사용하였고 가열로는 빠른시간내에 소정의 온도에 도달하기 위해 고출력(4KW) 가열로를 사용했다. 온도의 제어는 PID제어기를 통해 전력과 냉각수를 조절하여 제어하였다. 사용한 시료는 호남석유화학(주)제의 HDPE와 삼성종합화학제의 PP를 사용하였고, 유체로는 덕산케미칼제의 First grade 아세톤을 사용하였다.

Fig. 3 Schematic diagram of experimental apparatus.

2. 실험방법

시료 20g을 채취해 반응기에 넣고 반응기를 밀폐한 뒤 온도를 높이면서 아세톤 100ml를 압력펌프를 이용해 압축하여 넣는다. 압축유체의 압력을 일정하게 유지하기 위해 back pressure regulator를 달았다. 소정의 온도(450∼500℃)와 압력에 이르게되면 일정시간 경과 후 생산물을 빼내어 water condenser와 드라이아이스를 이용해 응축시켜 수율을 구했다. 응축되지 않는 기체와 미처 응축되지 못한 액체분은 separator를 통해 기체와 액체로 나뉘고 다시 기체분은 두 번의 필터여과를 거친 후 유량계와 Gas Chromatography로 분석을 하였다.

결과

일반 열분해에 의한 폐 PE의 분해결과와 본 실험의 결과를 Table 1.에서 비교해 보았다.

Table 1. Comparison of the yields of pyrolysis and degradation

of SC acetone

분해방법	온도(℃)	Gas(%)	Oil(%)	Residue(%)
열분해	760	55.8	42.4	1.8
초임계 분해	470	18.4	80.1	1.5

위 결과에서 알 수 있듯이 열분해보다 초임계 분해는 월등히 낮은온도에서 분해가 일어나고 수율도 훨씬 좋았다. 열분해도 낮은 온도에서 실험을 하게되면 보다 많은 오일생성물을 얻을수 있지만 PE의 특성상 왁스가 많이 생성되어 결과적으로 쓸모없는 오일 생성물을 얻게되기 때문에 많은 가스생성을 감수하고 높은온도에서 실험을 하는 것이다. 하지만 초임계 분해에서는 낮은 온도에서도 왁스를 분해하여 오일성분만을 얻어낼 수 있어 높은 수율을 얻은 것으로 생각된다. Table 2.는 생성물의 조성을 나타낸 것이다. 표에서 보면 알 수 있듯이 주 생성물로는 Methane이 약 23%, Ethene이 약 20%, Benzene이 약 20%로 가장 많이 나온 것을 알 수 있다.

Fig 4.는 PE와 PP의 온도에 따른 수율 변화를 나타낸 그림이다. 이 그림을 보면 온도의 증가에 따라 큰 차이는 없지만 대체로 증가하는 경향을 볼수 있다. PP의 경우 낮은 온도에서도 PE보다 왁스의 생성도 훨씬 적고 수율도 좋았다. 전체적으로 80%이상의 높은 수율을 얻을 수 있었다.

참고문헌

1. 통상산업부, □폐플라스틱 열분해 상업화 공정개발□(1997)

2. 村田德治,□水熱反應□□□有機物□資源化□,月刊廢棄物(1996.1)

3. Thomason, T. B., et al. "Supercritical water destruction of aqueous waste"

Hazardous waste, 1(4), 14(1989)

4. Mchugh, et al., "Supercritical fluid extraction : Principles and practice", 2nd

Ed.(1994)

Table 2. Yields by degradation of PE in SC acetone

Components	Percents(%)
Methane	23.6
Ethane	6.7
Ethene	19.8
Propene	5.5
Butadiene	1.6
Benzene	19.1
Toluene	3.9
Naphthalene	2.8
carbon black	1.5
others	15.5

Fig 4. Yields of the degradation of PE

in SC acetone with temperature