전과정 평가 기법을 이용한 두 가지 PET 공정의 환경성 분석

임희진, 이동엽, 박선원

한국과학기술원 화학공학과

Life Cycle Assessment for Two Different PET Production Systems

Heejin Lim, Dong-Yup Lee, Sunwon Park

Dept. of Chem. Eng., KAIST

1. 서론

테레프탈산(Terephthalic acid, TPA)과 에틸렌글리콜(Ethylene glycol, EG) 또는 디메틸테레프탈산(Dimethyl terephthalate, DMT)과 EG의 중합 반응에 의해 생기는 폴리에스테르인 PET(Polyethylene terephthalate) 수지는 폴리에스터 섬유와 폴리에스터 필름, 용기 제조용 PET 수지, 그리고 엔지니어링 플라스틱의 원료로 사용되며 주로 칩의 형태로 생산이 된다.

본 연구에서는 서로 다른 원료 물질을 이용하는 두 PET 공정의 환경 영향도를 전과정 평가 기법을 이용하여 비교, 평가하였으며, 공정 내의 환경 오염 유발 인자를 분석하여 환경 친화적인 공정을 만들기 위해 개선되어야 하는 단위 공정을 조사하였다.

2. 원료에 따른 PET 생산 공정의 특징

PET 수지는 제조 원료에 따라 크게 DMT를 이용하는 공정과 TPA를 이용하여 생산하는 두 가지 공정으로 나눌 수 있다. 이 두 공정은 운전 조건, 원료, 촉매는 약간씩 다르지만 전체 공정도는 비슷하다. PET를 생산하기 위한 중합 반응은 두 단계로 이루어진다. 먼저 에스테르화 반응에 의해 Bis-(2-hydroxyethyl)-terephthalate (BHET)를 생성한 후, 촉매 상에서 가열을 하여 축중합 반응을 진행시킨다. 이 때 과량으로 투입되는 EG는 공정 내에서 배출, 회수되며, 축중합 반응의 부산물로 나오는 메탄올(DMT로 생산할 때 발생)이나 물(TPA로 생산할 때 발생)은 회수, 판매된다.

그림 . PET 공정 전과정 평가의 제품 시스템 정의

1970년대까지는 TPA의 정제 기술이 좋지 않아 TPA를 에스테르화하여 DMT로 전환시킨 후 PET 생산에 이용하였다. 이 공정은 DMT와 EG를 1 : 2.5∼4.5의 비율로 반응시켜 PET를 생산하며, 축중합 반응을 위해 300℃이상의 고온이 필요하며, 메탄올이 부산물로 나온다.

TPA를 이용하는 PET 생산 공정은 DMT를 이용한 반응보다 상대적으로 적은 양의 EG를 필요로 한다(TPA: EG =1:1.1∼1.5). TPA는 DMT에 비해 반응 속도가 빠르고 더 낮은 온도에서 반응이 진행되기 때문에 에스테르화 반응과 축중합 반응의 촉매가 덜 필요하다. 이 공정에서는 부산물로 물이 발생한다.

각 생산 공정에 이용되는 원료 물질 TPA와 DMT는 모두 p-xylene으로부터 생산된다. P-xylene의 액상 산화반응에 의해 TPA를 생산하며, 이를 에스테르화하여 DMT를 얻을 수 있다. TPA 생산 공정의 경우 산화와 용매 정제 과정에서 발생하는 수계 배출물과 산화 과정에서 발생하는 대기 배출물이 전체 배출물의 대부분을 차지한다. DMT 생산 공정의 경우에는 용매로 메탄올이 이용되기 때문에 생산 공정의 증류 단계에서 대기 배출물로 메탄올이 많이 발생하게 된다.

3. PET 공정에 대한 전과정 평가 및 해석

3.1 목적 및 범위 설정

(1) 제품 시스템의 정의

본 연구에서는 PET 생산이 이용되는 주원료인 EG, TPA, DMT와 보조 원료들의 채취에서부터 제품 출고 전까지를 제품 시스템으로 정의하였다. 이때 제품 제조 공정에서의 utility와 환경설비도 시스템 경계에 포함시켰다.

(2) 기능 단위 및 기준 흐름

연구 대상인 PET chip은 PET 병, 필름, 엔지니어링 플라스틱을 제조하는 전 단계 제품을 기능으로 정의한다. 기능단위는 PET chip 1 Kg이며 기준 흐름 역시 같은 단위를 이용하였다.

(3) 데이터 범위

시간적 범위 : 1998년

지역적 범위 : 한국

기술적 범위 : 특정 산업의 현 기술

(4) 가정

□전체 제품 시스템에서의 누적기여도에 근거하여 투입물을 분석하였다. 환경 연관성을 고려하여 유해 화학 물질을 포함시켜 Cut-off level은 전체 질량을 기준으로 99.5%를 포함하였다.

□원료물질의 채취, 생산은 유럽과 같다고 가정하였다.

□원료물질의 생산 공정은 PET 생산 공정의 인근에 위치한다고 가정하여 원료 물질의 운송 단계는 고려하지 않았다.

□PET chip의 제조 공정 중 DMT를 이용하는 공정에서는 DMT와 EG의 축중합 과정의 부산물로 발생하는 메탄올이 회수, 판매되기 때문에, 에스테르화와 축중합 공정에서 메탄올과 EG를 질량 기준으로 할당하였다.

3.2 영향 평가 및 결과 해석

각 공정의 목록 분석에는 현장 데이터가 사용되었다. 현장 데이터를 얻기 어려운 경우에는 유사 공정의 데이터, 또는 문헌의 데이터를 활용하였다. PET 생산 공정의 외부에서 들어오는 원료와 에너지원에 대해서는 소프트웨어(GaBi 3.0, SimaPro 4.0)에 내장되어 있는 데이터 베이스(BUWAL, SPOLD 등)와 기타 국내 데이터 베이스를 이용하였다.

본 연구에서는 다음과 같이 4가지 환경 영향 범주를 선정, Eco-Indicator95를 이용하여 정규화하고 가중치를 부여하여 범주별 환경 부하를 비교하여 보았다.

·Human Ecotoxicity Potential (HEP)

·Aquatic Ecotoxicity Potential (AEP)

·Ozone Depletion Potential (ODP)

·Global Warming Potential 20 years (GWP20)

우선 두 공정에서 PET 1Kg을 생산하는데 발생하는 환경 부하를 살펴보았다.

(a) HEP	(b) AEP

(c) GWP20	(d) ODP

그림 2. DMT와 TPA 공정 비교

각 범주들을 모두 비교한 결과 DMT를 이용하여 PET를 생산하는 공정의 환경 영향도가 월등히 크게 나타나는 것을 알 수 있었다. 특히 V, Ni, Cd, Cr, Pb 등의 중금속들의 영향이 매우 큰 것을 볼 수 있었다. 이러한 중금속 배출물의 원인을 알아보기 위하여 단위 공정별 환경 부하를 살펴보았다.

(a) HTP	(b) ATP

(c) GWP20	(d) ODP

그림 3. DMT를 이용한 PET 생산 공정의 환경 영향도( EG 생산공정 , DMT 생산공정)

분석결과 두 공정 모두 원료인 EG, DMT와 TPA의 생산 부분의 환경 부하가 공정 전체에 비하여 매우 컸으며, 특히 DMT의 생산 부분에서 환경 부하가 크게 나타났다. PET 생산 공정 자체에서는 유틸리티의 냉각수 생산과 환경 설비의 폐가스 처리 단위 공정에서 환경 영향도가 높았다.

(a) HEP	(b) AEP

(c) GWP20	(d) ODP

그림 4. TPA를 이용한 PET 생산 공정의 환경 영향도( EG 생산공정 , DMT 생산공정)

4. 결론

본 연구에서는 서로 다른 원료 물질을 이용하여 PET를 생산하는 두 공정을 전과정 평가 기법을 이용하여 비교하고 환경 부하의 원인을 분석하였다. 분석 결과 시스템 경계 전체로는 원료 물질을 생산하는 부분 중 특히 DMT를 생산하는 부분의 환경 부하에 의해 DMT를 원료로 생산하는 공정이 TPA를 이용하는 공정보다 환경 영향이 큰 것으로 나타났다. 또한 PET 생산 공정 내에서는 냉각수 생산과 폐가스 처리 공정에서의 환경 부하가 큰 것으로 나타났다.

PET 수지의 환경 영향을 감소시키기 위해서는 PET 공정 자체 뿐 아니라, 원료 물질 생산 공정에서 환경 부하를 줄이는 것이 매우 중요하며, 생산 공정 자체에서도 유틸리티와 환경 설비에서의 환경 배출물을 감소시키는 것이 중요하다.

References

1. Jacqueline I. Kroschwitz, Mary Howe-Grant, □Encyclopedia of chemical technology□ 4th ed., John Wiley & Sons., Inc., Vol. 18, 1996

2. Barbara Elvers, □Ullmann's encyclopedia of industrial chemistry□, VCH Verlagsgesellschaft, Vol. A26, 1995

3. John J. McKetta, □Chemical processing handbook□, Marcel Dekker, Inc., 1993

4. 문성명, □化學藥品大辭典□, 학원출판공사, 1989

5. Wolfgang Gerhartz. Senior, Y. Stephen Yamamoto, Lydia Kaudy, □Ullmann's encyclopedia of industrial chemistry□, VCH Verlagsgesellschaft, Vol. A10, 1987