생분해성 고분자에 대한 전과정 평가(LCA)연구

박성용, 송현섭, 현재천

고려대학교 화학공학과

An LCA Study of Biodegradable Polymers

Sung-Young Park, Hyun-Seob Song and Jae Chun Hyun

Dept. of Chemical Engineering, Korea University

가. 서론

현재 폐플라스틱의 처리는 주로 매립에 의존하고 있다. 그러나 폐플라스틱은 매립을 하여도 잘 분해되지 않기 때문에 토양오염과 매립지의 부족이라는 두가지 문제를 야기시키게 된다. 이러한 문제를 해결하기 위해서 생분해성 또는 생붕괴성 고분자 제품의 개발 및 사용이 요구되는데 본 연구에서는 일반 고분자 제품을 사용하는 경우와 생분해성 고분자 제품을 사용하는 경우의 두가지 공정을 대상으로 전과정평가(Life Cycle Assessment, LCA)를 통해 환경부하를 계산하여 그 효과를 상호 비교하고자 한다.

전과정평가는 원료 채취, 제품 생산, 사용, 운송 및 폐기 까지의 전과정에 대한 환경 영향을 평가하는 것으로 범위 설정, 목록 분석, 영향 평가, 결과 해석의 네 단계로 구분된다[1]. 본 연구에서는 일반 고분자 제품으로는 LDPE bag, 생분해성 제품은 Starch-filled LDPE bag(Starch 30wt%)을 선택하여 각각의 에너지 사용량과 환경오염물질 및 고형폐기물 발생량을 비교하였고 사용 후 bag의 처리 방법은 매립과 소각으로만 한정하였다.

나. 이론

1. 목록 분석

두 고분자 제품에 대한 목록분석은 수학적 모델을 이용하여 계산하였다[2,3]. 모델의 한 예로 기능단위가 1000kg LDPE bag일때의 에너지식은 다음과 같다.

Energy(MJ) = 1000(65.42 - 27.38f + 43.16w - 46fw)                     (1)

여기서 f = proportion of starch in plastic bags, w = proportion of landfill in the final plastic disposal이다. 위의 모델을 이용하여 계산한 결과는 다음과 같다.

Table 1. LDPE bag(L), Starch-filled LDPE bag(L+S)의 목록 분석 결과

	Energy(MJ)	CO2(kg)	SOx(kg)	NOx(kg)	BOD(kg)	COD(kg)	CH4(kg)	Solid Waste(kg)
L	106853	2646.12	14.363	13.376	0.242	1.808	0.19	1048.55
L+S	85391	2651.96	12.167	10.164	0.181	1.356	85.38	749.67

f = 0.3, w = 0.96

Starch는 함유량에 따라 분해속도의 차이는 있지만 사용후 모두 분해된다고 가정하였다. 분해식은 다음과 같다.

Starch [(C6H10O5)n] + H2O □□□  3CO2 + 3CH4                         (2)

2. 영향 평가

목록 분석에 의해 정량화된 결과로는 환경에 미치는 영향을 알기 어렵기 때문에 Classification/Characterization, Normalization, Evaluation의 과정을 통하여 두 공정의 영향을 비교하는 것이 필요하다. 각 환경오염물질에 대해 weighting을 주어 상대적인 값을 비교하는 것이 Classification/Characterization이고 이것을 각 발생 오염물질의 전체 양으로 나누어서 실제값을 비교하는 것이 Normali -zation, 그리고 LCA의 목적에 따라 다시 weighting을 주어 비교하는 것이 Eval

-uation 이다[1].

다. 결과

1. 목록 분석 결과

매립시 생분해성 고분자내의 Starch가 분해하여 CO2와 CH4가 발생하고 이로 인해 총발생량이 일반 고분자 보다 크다. Energy, SOx, NOx, COD, BOD, Solid waste는 생분해성 고분자 사용시 더 적게 소모·발생하였다.

Fig.1은 f와 w의 변화에 따른 목록분석의 결과이다. SOx와 NOx는 특정한 w 값 일때 f에 의한 영향이 나타나지 않는데 이것은 소각에 의한 에너지 회수로 덜 발생하게 되는 양과 LDPE의 생산시 발생하는 양이 서로 상쇄되기 때문이다.

2. 영향 평가 결과

각각의 결과는 Fig.2에 나타내었다. 본 연구에서는 Evaluation시 weighting을 네덜란드의 자료를 사용하였다[4]. Starch-filled LDPE를 사용할 경우 온난화를 제외한 다른 영향은 모두 LDPE를 사용하는 경우보다 환경에 미치는 영향이 적게 나타났다.

라. 결론

Starch-filled LDPE bag의 사용은 LDPE를 덜 생산 함으로써 일차 에너지원인 석유와 가스의 소모를 줄이고, Starch의 분해에 의해 Solid waste 발생량도 감소된다. 또한 CO2와 CH4의 발생으로 온난화의 영향은 커지나 전체적인 환경영향은 LDPE bag 사용시 보다 작다.

감사의 글

본 연구는 한국과학재단의 지원(과제번호 96-0502-07-01-3)으로 수행되었으므로 이에 감사드립니다.

참고 문헌

1. Van den Berg, N.W., G. Huppes and C.E. Dutilh, "Beginning LCA," in Environmental Life Cycle Assessment, Curran, M.A., Mcgraw-Hill, (1996)

2. Moon, K.S., H.-S. Song and J.C. Hyun, "A LCA Study of PET Bottles Recycling Alternatives", Theories and Application of Chem. Eng., 3(2), 2465 (1997)

3. Boustead, I., "Ecological Balancing," in Recycling and Recovery of Plastics, Brandrup, J., eds., Hanser Publishers, p71 (1995)

4. "The Eco-indicator 95", PRe consultants, http://www.pre.nl/eco-ind.html

Figure 1. 전분 함유 LDPE bag의 목록 분석 결과

(a) Total Energy, (b) CO2, (c) SOx, (d) NOx

(e) CH4, (f) Solid Waste

f = proportion of starch in plastic bags,

w = proportion of landfill in the final plastic disposal

(a)

(b)

(c)

Figure 2. 전분 함유 LDPE bag의 영향 평가 결과

(a) Classification/Characterization

(b) Normalization

(c) Evaluation