고지 해리 공정조건이 탈묵펄프 특성에 미치는 영향

- 실험계획법 적용-

이 준 구·성 대 형·김 성 권

(주)세풍 공학연구소

Effects of Pulping Process Conditions of Wastepaper on the Deinked Pulp Properties - Application of EDA -

Joon Koo Lee·Dae Hyung Sung·Sung Kweon Kim

Engineering R&D Center, Sepoong Paper Co., Ltd.

1. 서론

국내 제지산업은 주로 수입에 의존하는 값비싼 화학펄프 대신 비교적 가격이 저렴한 고지의 배합율을 늘려 재활용하는 것이 향후 지속적인 발전을 위해서는 필연적이다. 하지만 속속 개발되고 있는 새로운 인쇄잉크와 인쇄방식은 새로운 고지의 탈묵 및 활용법에 대한 연구개발을 요청하고 있으며, 더욱이 날로 높아만지는 소비자들의 고품질 지류제품에 대한 요구를 열악한 섬유자원을 활용하여 충족시켜야만 하는 어려움을 극복하기 위해서도 기슬개발은 필수적이라 하겠다. 탈묵펄프(Deinked Pulp, DIP)공정에서는 일차적으로 고지의 해리와 인쇄잉크의 분리가 필요한데 이를 위해서 Pulper가 사용된다. Pulping 효율은 스크린과 부유, 세척 등의 후속단계에 중요한 영향을 미치므로, 지료 생성공정에서 원료 섬유의 해리와 섬유에서의 잉크제거가 최적이 되도록 해야한다. 이러한 Pulping 결과에 영향을 주는 인자로는 고지 배합비와 온도, 약품 배합비 등이 있으나 이와같은 다중 인자를 전부 고려하여 실험하려면 상당한 시간과 비용의 낭비를 초래하게 된다. 이에 본 연구에서는 실험설계 및 분석에 실험계획법(Experimental Design of Analysis, EDA)을 적용하였다. 실험계획법의 종류는 무수히 많지만 실험을 배치하는 형태에 따른 구분으로, 본 연구에서는 인자의 수가 많은 점을 고려하여 3수준계의 직교배열표를 적용하였다. 즉, 인자로는 탈묵약품 4종류와 고지 배합비, Pulping 온도를 3수준으로 설정하고 이에 대응하는 특성치로는 백색도와 인열, 인장, 파열지수를 설정하여 상호간의 관계 규명 및 최적 공정 선정에 노력하였다. 또한 고지 배합율 증대에 따른 약품 사용량 저감화 및 공정 효율 향상의 필요성과 고지 해리시의 공정 조건 변화에 따른 탈묵 펄프의 특성과 거동을 파악하여 재생 잠재력을 평가하고, 유의한 공정 인자 선정 및 최적 수준 조합의 결정을 통해 제품의 품질 향상 뿐만 아니라 약품 사용량 저감화 등의 원가 절감에도 기여하는데 그 목적이 있다. 이러한 연구의 결과는 탈묵펄프 해리시의 공정조건 최적화를 통한 품질 향상 및 이후 공정설비 보강 및 증설시의 효율성을 증대시키는 면에서도 도움을 줄 수 있을 것으로 사료된다.

2. 고지 종류별 물성조사

고지의 기초적 물성 파악을 위하여 고지 종류별 물성조사를 실시하였다. DIP 고지 처리장에서 Pulper에 투입되기 전의 비교적 상태가 양호한 4종류의 고지, 수입신문고지(AONP=American old newspaper), 국내신문고지(KONP=Korean old Newspaper), 수입매거진(AOMG=American old Magazine), 국내매거진(KOMG= Korean old Magazine)을 채취하여 수분 및 회분 함량을 조사하였으며, Pulper로 투입되는 공정 백수를 채취하여 55℃로 설정한 후 고지 종류별로 5%의 농도를 유지시키며 10분간 Pulping 하였다. Pulping 후 평량 60g/m2의 수초지를 제조하여 백색도 및 인열, 인장, 파열지수를 측정하고, SEM 촬영을 실시하였다.

3. 고지 해리 공정조건이 탈묵펄프 특성에 미치는 영향

백색도와 강도적 특성(인열, 인장, 파열지수)을 특성치로 선정하고, Pulping에 직접적으로 영향을 주는 요소로서 H2O2, NaOH, Na2SiO3, Surfactant의 탈묵약품과 고지 배합비, Pulping 온도를 주요 인자로 선정하여 3수준계 직교배열표에 의한 실험계획법을 적용하여 실험을 설계하였으며 L27(313)형 직교배열표를 선정한 후 실험 전체를 랜덤화하여 실험을 실시하였다. 실험 조건은 Table 1과 같으며 실험에 사용된 직교배열표는 생략한다. 비교적 상태가 양호한 고지를 KONP, AONP, OMG의 세 종류별로 채취하여 Table 1에 나타나 있는 실험조건에 따라 Pulping 실험을 실시하였다. Pulping 후 지료 농도 및 pH를 측정하고 평량 60g/m2의 수초지를 제조하여 광학적 특성으로 백색도를 측정하였고 강도적 특성으로 인열, 인장 및 파열지수를 측정하였다. 또한 실험계획법에 의한 자료분석으로 주어진 실험조건중에서 어느 인자가 특성치에 유의한 영향을 주고 있는가를 파악하고 그 영향이 양적으로 어느정도 큰가를 알아보기 위해 분산분석(ANOVA), 다중비교(Multiple comparison)를 실시하고 최적수준조합에서의 추정치 및 신뢰구간을 구하였다.

Table 1 Experimental condition

Factor		Index	Additional Level (experiments)	Additional Level (process)
Chemical %	H2O2	A	A0(0.5) A1(1.0) A2(1.5)	0.5
	NaOH	B	B0(0.5) B1(1.0) B2(1.5)	0.7
	Na2SiO3	C	C0(1.0) C1(1.5) C2(2.0)	1.5
	SOR-2000	D	D0(0.1) D1(0.2) D2(0.3)	0.1
Pulp blending %		F (KONP:AONP:OMG)	F0 F1 F2 (50:30:20) (40:40:20) (40:30:30)	variable
Temperature, ℃		G	G0(50) G1(60) G2(70)	〃
Interaction		A×B, A×C

4. 결과 및 고찰

고지 종류별 물성조사 기초실험의 경우, 고지 샘플링이 실험 전체에 미치는 영향은 상당히 크다고 볼 수 있다. 고지의 종류 및 국내, 국외 구분에 따라 미세섬유와 충전물의 양, 섬유의 각질화 등의 손상 정도가 달라 제조된 종이의 물성에 큰 변화를 일으키며, 같은 종류의 고지라 할지라도 입고된 날짜 구분에 따라 크게 다르기 때문이다. 수분함량의 경우, 신문고지가 매거진에 비해 2.3∼4% 정도 높은 7%를 약간 상회하는 결과를 나타내었으며, 수입고지의 경우 들여오는 기간이 상대적으로 길기 때문에 국내고지보다 수분함량이 다소 높게 나타났다. 신문고지의 경우 일반적으로 특수한 목적으로 첨가되는 것 이외에는 Talc 등의 filler를 거의 투입하지 않으나 4.7% 정도의 회분함량을 나타내는데 이는 recycling시의 잔여분이 상당량 누적된 것으로 추측된다. 매거진의 경우 일반적으로 제조시 25%를 상회하는 filler를 투입하므로 본 실험에서도 국내 매거진 31.6%, 수입 매거진 23.2%의 높은 회분함량을 나타내었다. 백색도의 경우, 매거진이 신문고지보다 높게 나타났으며 실험결과 국내고지가 수입고지에 비해 신문고지의 경우 7.7%, 매거진의 경우 4.6% 정도 더 높은 백색도를 나타내었다. 강도적 특성으로는 AONP와 KONP가 매거진류에 비해 비교적 높은 인열, 인장 및 파열지수를 나타내었다. 수초지의 SEM 촬영 결과를 보면 신문고지가 매거진에 비해 섬유의 각질화가 더 많이 진행되어 있으며, 매거진이 신문고지에 비해 더 많은 filler를 함유하고 있는 것을 관찰할 수 있다. 실제 탈묵공정에 있어서 고지의 종류별 배합비를 어떻게 설정하는가에 따라 제조되는 종이의 백색도 및 강도적 성질에 큰 영향을 미치기 때문에 고지 종류별 백색도 및 강도적 성질의 차이에 대한 이해는 매우 중요하다고 할 수 있다.

이러한 기초자료를 토대로하여 실험계획법에 의한 자료분석 결과, Na2SiO3 첨가 수준과 H2O2와 Na2SiO3의 교호작용 그리고 고지 배합비 수준이 백색도에 유의한 영향을주는 것으로 나타났다.  Na2SiO3 2.0% 첨가시 평균 48.9%, 교호작용의 경우 H2O2 0.5%, Na2SiO3 2.0%의 비율로 첨가시 49.5(±0.4)%, 고지 배합비의 수준이  KONP:AONP:OMG=40:30: 30% 일 때 평균 48.1%로써 기타 다른 조건에 비해 유의하게 큰 백색도를 나타내었다. 즉, 백색도 향상의 측면으로 볼 때, 최적수준조합 Na2SiO3 2.0%, H2O2 0.5%, 고지 배합비 KONP:AONP:OMG=40:30:30%의 조건에서 가장 높은 백색도 추정치 50.5%가 얻어지며, 이 추정치의 90% 신뢰구간은 (49.0, 52.0)이다(Fig. 1). 같은 방법으로 인장지수 향상의 측면에서 볼 때, 최적수준조합 H2O2 0.5%, Pulping 온도 50℃의 조건에서 가장 높은 인장지수 추정치 35.7 N·m/g가 얻어졌으며, 이 추정치의 90% 신뢰구간은 (34.8, 36.6)이다(Fig. 2). 또한 파열지수 향상의 측면에서 볼 때, 최적수준조합 Surfactant 0.1%, Pulping 온도 50℃의 조건에서 가장 높은 파열지수 추정치 0.129kPa·m2/g가 얻어졌으며, 이 추정치의 90% 신뢰구간은 (0.125, 0.133)이다(Fig. 3). 탈묵약품 첨가량 변화에 따른 결과를 살펴보면 유의성은 나타나지 않으나 H2O2 첨가량이 증가할수록 약간의 백색도 상승 결과를 나타냈으며, NaOH 첨가량이 증가할수록 약간의 백색도 하락 결과를 나타내었다. 고지 배합비에 따른 결과를 살펴보면 신문고지에 비해 백색도가 높은 매거진이 많이 배합된 KONP:AONP: OMG=40:30:30%가 가장 높은 백색도 49.0%를 나타내었으며, 인열, 인장지수의 경우 고지 배합비 KONP:AONP:OMG =50:30:20%에서 비교적 높은 결과를 나타내었다. Pulping 온도변화에 따른 결과를 살펴보면 50℃에서 백색도 48.3%, 인열지수 9.64mN·m2/g, 인장지수 34.5N·m/g, 파열지수 0.126kPa·m2/g으로 60, 70℃에 비해 높은 결과를 나타내었다. 50, 60, 70℃의 각 Pulping 온도별 조건에서의 백색도 및 인열지수는  고지배합비  KONP:AONP:OMG=40: 30:30%에서 가장 높게 나타났고, 인장, 파열지수의 경우 F0에서 F1, F2로 갈수록 감소하는 경향을 나타냈다. 50, 60, 70℃의 각 Pulping 온도별로 대체로 고지 배합비 KONP:AONP:OMG=40:40:20%에서 가장 낮은 백색도 및 강도적 성질을 나타냈다. 고지 배합비의 종류에 관계없이 Pulping온도가 상승할수록 인장지수가 하락하는 결과도 나타났다.

5. 참고문헌

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Fig. 1. Na2SiO3(C), H2O2×Na2SiO3(A×C), Pulp blending(F) factor 90% confidence intervals for Brightness

Fig. 2. H2O2(A), Pulping temp.(G) factor 90% confidence intervals for Tensile index

Fig. 3. Surfactant(D), Pulping temp.(G) factor 90% confidence intervals for Burst index