고형폐기물처리공학

전공 : 환경공학과

교수님 : 장정국교수님

학번 : 95304073 / 98006171

이름 : 조민식 / 임연희

폐스티로폴 처리기술

< 목차 >

1. 개요

2. 스티로폴

3. 스티로폴의 처리 및 재화용

4. 스티로폴의 환경적 평가

1 . 개 요

사람들은 사람들에게 필요한것을 만들면서, 그 물건을 어느 곳이나 안전하게 보낼 수 있기를 원했다. 부서지고, 깨지고, 변하고, 썩고..... 이 모든 것을 해결할 수 있기를.....

1951년 독일 BASF사의 Fritz Stastny박사의 신소재 발명에 의해서 드디어 이 모든 것의 해결이 가능해졌다. 완충역할도 할 수 있고, 보온보냉이 가능하면서, 방음역할까지 해내는 소재, 게다가 값이 싸면서 가공성이 뛰어난 신소재가 나왔기 때문이었다. 날계란을 포장하여 고공에서 투하해도 깨지지 않는다는 소재, 바로 스티로폴이다. 이 스티로폴은 건축단열재, 마루바닥재, 토목재료등 내구 재료로써 사용할 뿐만 아니라 포장재, 식품용기, 어상자등 주로 일회용용도로써 사용후 폐기물이 된다. 특히 발포제의 특성상 큰 부피의 고형폐기물을 발생시킨다는 점에서 폐스티로폴의 재활용과 폐기물의 양을 감축시킬 필요성이 제기되고 있다.

2 . 스티로폴

① 스티로폴은 석유화학제품으로 원명은 EPS(Expandable Poly-Styrene, 발포성 폴리스틸렌)수지로 불린다.

② EPS란?

EPS는 폴리스티렌수지에 펜탄이나 부탄과 같은 발포제를 첨가시켜 가열 경화시킴과 동시에 기포를 발생시켜 발포수지로 만든 것으로서 스티렌모노머(SM)를 중합시켜 제조한다. 1866년 독일 최대 종합화학업체인 BASF(바스프)사에서 스티렌모너머 활성법을 개발한 이후 1952년도에 특허 상표명 스치로폴(Styropor)이라는 이름으로 BASF 에서 상업 생산하여 전세계적으로 파급되었으며 일반적인 단열재 및 완충포장재의 고유명사가 되어버렸다. 스티로폴은 발포제를 함유하고 있는 스티렌 중합체 또는 공중합체로 구성되며 종류에 따라 길이 약 0.2 mm - 3.0 mm 의 조그만 비이드(bead)나 원추형 펠렛(Pallets)사태로서 공급된다. 완성된 제품을 성형가공하고 난 뒤 다시 녹이면 범용 플라스틱인 PS(Polystyrene)가 된다.

(참고)

* 발포

발포란 발포제를 함유한 원료비드를 발포 조건에 필요한 열 매개체(물, 공기, Steam)를 이용하여 충분히 연화시켜서 발포제의 발산을 용이하게 하여 원하는 정도의 비드로 팽창시키는 것이다,

스티로폴의 원료에는 6%의 발포제가 함유되어 있다. 발포제는 휘발성으로 예비발포시 또는 제품 생산시 제품의 적하시에 휘발해서 날아가 버린다.(발포제로는 부탄, 펜탄 등을 사용하고 있다.)

* 스티렌

EPS를 제조하는데 이용되는 단량체 스티렌은 60년 이상 만들어져 왔으며 광범위한 플라스틱 및 플라스틱 제품 제조에 이용되어 왔다. 스티렌은 자연적으로도 존재하는데 딸기, 콩, 땅콩, 맥주, 와인, 커피 콩과 계피 등의 많은 식품에 함유되어 있다. 스티렌이 건강에 미치는 영향을 연구한 결과, 대부분의 화학 제품과 같이 스티렌에 과다 노출되면 위험할 수 있지만 일반적인 사용은 안전하다는 것이 밝혀졌다. 스티렌 노출 한계는 매우 적게 설정되어 있기 때문에 안전이 보장된다.

* 펜탄

EPS 생산 과정시 펜탄이라고 하는 CFC가 포함되어 있지 않은 발포제를 사용한다.

펜탄은 약휘발성 액체로 난방용 연료로 쓰이는 메탄, 에탄, 프로판, 부탄과 같이 잘 알려진 기체들과 같은 화학족에 속한다.

또한, 펜탄에는 염소가 포함되어 있지 않기 때문에, 오존층에 아무런 해를 끼치지 않는다.

③ EPS 수지 발포립은 0.01 ~ 0.05mm 크기의 수많은 독립기포 (Cell)가 다각형의 모양으로 치밀하게 내포되어 있다. 이 독립기포의 크기는 EPS 가공품의 물성및 물질특성에 미치는 영향이 매우 크며 통상 EPS 비드 하나에 20만~30만개 정도 존재하지만 이는 제조 공정에서 조정될 수 있다.

④ 특성

* 스티로폴의 입자 크기

스티로폴은 원료입자를 일정배율로 발포 성형한 것이다. 원료입자는 입자크기별로 여러 등급으로 나누어지는데 같은 배율로 발포하더라도 발포입자 크기는 등급에 따라서 비례로 달라진다. 스티로폴 원료입자는 EPS 생산시 작은 입자로부터 큰 입자까지 5~6등급으로 분류되며 입자별 사용 용도가 구분된다.

따라서, 발포된 입자가 크다고 해서 고발포된 것은 아닌 것이다.

* 난연과 비난연

스티로폴은 난연성과 비난연성이 있다. 난연성 원료에는 불에 잘 타지 않는 난연제가 함유되어 있기 때문에 인화성이 약한 것이다. 따라서 EPS의 가격도 차이가 있다.

(난연제로는 할로겐 [불소(F), 염소(Cl), 브롬(Br)] 화합물의 난연제가 사용된다.)

○ 스티로폴의 화학적 생성

【원유】     【나프타(Naphtha)분해】   【에틸렌】

【프로필렌】         【스티렌모너머(SM)】

【부타디엔】

【벤젠】                         【부가재】

【BTX】                                【툴루엔】

【자일렌】           【스티로폴】

3 . 스티로폴의 처리 및 재활용

EPS는 백색이며 버려진 후 눈에 잘 띄곤 한다. EPS 완충재, 포장재 및 앞에서 말한 포장용 조각들은 부피가 크기 때문에 멀리서도 쓰레기 집합소에 있는 크고 흰 조각들이 잘 띈다. 따라서 매우 많은 공간을 차지한다는 생각이 들게 한다. 이것이 시각 오염이다. EPS는 98%가 공기로 이루어져 있기 때문에 이것이 진정한 오염은 아니다. 그럼에도 불구하고 많은 양이 제조되고 또 버려진다고 생각하므로 혼동하게 되는 것이다.

도시 고형 폐기물의 비율을 살펴보면, 시각 오염으로 가지게 된 생각과는 달리 총 폐기물 중 EPS가 차지하는 부분이 아주 작다는 것을 알 수 있다.

그렇다면 스티로폴 처리및 재활용에 대해 알아보도록 한다.

원　　리 　:   폐스치로폴 재생장치에 관한 것으로 폐기된 스치로폴이 절단공정 및 이물질 검색공정, 1, 2차 분쇄공정을 거친다음 입자조절부에서 소정메쉬 이하의 분쇄입자를 통과시키면 미립자 분류장치에서 발포된 스치로폴 입자와 동일한 크기의 알갱이 미립자와 그 이하의 분말 입자를 각각 분류시켜 알갱이 미립자는 스치로폴로 성형하고 분말입자는 녹여서 플라스틱류의 제품을 성형시킬 수 있도록 한 것이다. 즉, 스치로폴을 소정크기로 절단하는 절단공정, 그 절단된 스치로폴에 있는 금속물질을 제거하는 이물질 검색공정. 발포된 스치로폴 알갱이 크기로 절단하는 제 1, 2차 분쇄공정, 분쇄된 입자크기의 검색공정, 알갱이입자와 분말입자로 분류시키는 미립자 분류공정으로 이루어짐을 특징으로 한 폐스치로폴 재생장치이다.

(1) 기본원리

각종 포장재로 또는 단열재로 쓰인 후 버려지는 스티로폴은 부피를 줄이는 감용기에 의해 잉고트가 된 후 재활용품의 원료가 되는 펠릿으로 재생된다.

참고로 잉곳이라는 단어는 원래 금속의 주물 또는 야금시 사용되는 금속원석을 가리키지만 일본에서 많이 사용되어 전래되다 보니 한국에서도 관련업체에서 많이 사용하여 일반화 된 것이다. 서양에서는 일반적으로 LUMP 라고 표현한다.

잉곳으로 만드는 이유는 중량에 비해 체적을 작게 만들어 운반 및 재활용이 손쉽기

때문이다.

이렇게 재생된 펠릿은 수출되거나 합성목재, 완구, 비디오테이프 케이스, 욕실발판 등

다양한 플라스틱 재생제품으로 다시 태어난다.

또한 포장재로 쓰인 스티로폴을 그대로 분쇄하여 건축자재(몰탈혼화제 등), 토양개량제 등으로 활용하기도 하며 열회수를 목적으로 소각 또는 연료화하는 방안도 검토중에 있다.

⑵ 감용기

♠ 기술원리 : 본 기술은 저속 파쇄기로 폐스티로폴을 감자크기로 분쇄하고 저속으로 회전하는 압축기에서 압축하면서 전기로 150℃ 정도로 간접 가열하면 수분이 빠져나가고 스티로폴 알갱이들끼리 부딪쳐 순간열을 발생한다. 이때 98% 정도 함유하고 있던 공기가 빠져나가면서 스티로폴이 녹아 압축기를 통해 폴리스틸렌 수지가 재생되어 나온다. 이렇게 생성된 폴리스틸렌 수지는 물리적 성질이 변하지 않아 양질의 재생원료를 얻을 수 있다.

① 감용기 개발 전과 후

개발되기전 기존의 처리기는 석유버너나 전열에 의한 열풍으로 직접 열을 폐스티로폴에 쏘여 녹여 내리는 방식으로서 가스 냄새와 화재위험이 많았으며 처리 능력이 미미한 상태였음에 반해, 개발된 감용기의 원리는 스티로폴 입자끼리 압축에 의해 부벼 순간마찰열을 발생시켜 부피를 1/100 줄이는 장치로써 기계규격에 비해 단시간내 많은 향을 처리토록 개발하였다.

또한, 스티로폴이 분쇄 및 용융되면 부피가 현저히 감소(50배 이하)하여 운반비와 재활용 비용이 감소한다.

② 감용기 보급현황 '98, 12

지방자치단체 -서울 중구청외 215대

농수산물시장 -가락동 농수산외 25대

수협등 공공기관 -수협중앙회외 16대

전자단지, 백화점 -용산전자상가외15대

스티로폴 발생처 -삼성반도체외 27대

물류, 유통업체 -(주)한화유통외 17대

폐기물 처리업체 -진양환경외 15대

스티로폴 제조업체 -(주)부림 포리마외 25대

해외수출 -인도네시아외 5대

③ 새로운 기술 개발 - 감용액

농수산물 상자, 컵라면 용기 등으로 사용되는 스티로폴을 태우거나 녹이지 않고 겔(gel) 상태로 감용해 내는 재활용 기술이 개발됐다.

빅텍(대표 유창길)은 최근 열로 녹이거나 태우지 않고 폐스티로폴의 분자구조만 느슨하게 만들어 끈적끈적한 백색의 원재료 상태로 복귀시키는 감용액을 개발, 상용화하는데 성공했다고 밝혔다.

이번에 개발된 감용액은 그동안 폐스티로폴의 재활용에 사용돼왔던 화학적 처리방식이나 소각방식의 문제점인 환경문제 등을 개선할 수 있을 것으로 전망되고 있다.

회사측은 이 감용액을 사용하면 폐스티로폴을 소각하지 않아도 돼 유해가스 발생이 없고, 기존 화학처리방식보다 처리 공정이 단순해 경비절감을 통한 생산성 확보가 가능하다고 설명했다.

기존의 열 감용시 폐스티로폴에 부착된 이물질이 같이 녹아 들어가기 때문에 재활용시 품질이 저하되고 환경문제를 유발할 가능성이 있는 반면 감용액을 사용하면 폐스티로폴에 부착된 이물질은 침전되고 겔상태로 감용된 스티로폴만 떠올라 분리가 쉽다는게 회사측의 설명.

유사장은 "감용액의 주성분은 미국 FDA에서 인가한 식물성원료를 사용해 인체에 무해하다"며 "100분의 1정도로 분리된 겔상태의 원재료는 분자구조를 그대로 유지하고 있어 99%까지 재활용이 가능하다"고 설명했다.

이번에 개발된 감용액의 원천기술은 일본의 기술개발업체인 CKD(대표 우수이 히로아키)가 보유하고 있는 것으로 빅텍측은 제품의 양산 기술 상용화 과정에 공동 참여했다. 현재 국내 및 해외 공동특허를 출원중이며 감용액 판매 및 수출에 대한 독점 전용실시권은 빅텍이 행사하게 된다.

(스티로폴 재활용 감용액 상용화

빅텍원 화학처리·소각방식 탈피 환경친화적

2000. 06. 15)

⑶ 재활용

① 방법

플라스틱에 있어서 가장 중요한 재활용 가치는 다른 플라스틱이나 혹은 다른 형태의 쓰레기가 혼합되지 않았는지의 여부이다.

재활용 방법으로는 다음이 있다.

㉠ 성형시 발생되는 스크랩을 재가공하는 법 : 스티로폴을 분쇄 → 신재료와 혼합 → 새로운 성형품

㉡ 스티로폴을 용융·압출하여 폴리스티렌을 얻는 법 : 스티로폴을 용융·압출 → 폴리스티렌 수지 → 욕실발판, 합성수지 목재, 완구류, 옷걸이 등

② 용도

스티로폴은 합성목재, 경량 콘크리트 등으로 100% 재활용되며 에너지 회수도 가능하다.

- 폐스티로폴은 파쇄 감용한후 펠릿화하여 사진액자, 욕실발판, 비디오테이프케이스, 신

발접착제 등 여러가지 재생 PS제품의 원료로 사용된다.

- 폐스티로폴은 분쇄하여 경량 콘크리트, 경량 벽돌, 단열 미장시 혼합 사용된다.

- 스티로폴은 중유와 비슷한 9600kcal/kg의 발열량을 갖고 있어 에너지 자원으로 활용이 가능하다.

위의 내용을 재활용 용도별로 정리해보면 다음과 같다.

< 재활용 용도>

㉠ 분쇄가공 및 성형이용

재생수지 : 성형품을 분쇄하여 직접압출기에 넣어 성형품을 1차 감용한 잉고트를 압출             기로 분쇄하여 펠릿화

(완구,문구,일반잡화,비디오케이스,사출성형품,액자,욕실발판 합성목재)

블록화 : 과립을 직접 압출기에 넣어 블록화(표식기, 벤치, 의목, 주차멈춤기)

증기가열성형품 : 분쇄품을 100%또는 새 발포립과 혼합하여 성형

(주로 단열재, 포장재료가능)

재생비이드 : 재생펠릿을 스티렌모노머에 녹여 발포가스를 주입하여 재합침하여서 다시               비이드로 만든후 발포 성형하여 비교적 양호한 물성을 가진 재생발포재 양               성(재생 스티로폴원료)

토양개량제 : 직경 3~4mm의 분쇄입자를 토양에 10~15%혼합하여 토양의 보수성 및 통               기성을 향상시켜 그자체 포장하여 성토재로 사용

(정원, 골프장, 잔디밭등에 실용화)

성토재이용 : 분쇄품에 약간의 시멘트를 이용하여 성토에 혼합하여 경량성토재로 이용               분쇄품을 그자체 포장 하여 성토재로 사용(골프장)

몰탈혼화재 : 직경 3~5mm의 분쇄품과 안정재로 혼합하여 몰탈재료로 사용

(바닥난방건축재, 벽면 몰탈재)

경량콘크리트 : 직경3~5mm이하의 분쇄품을 시멘트 모래와 혼합하여 경량콘크리트로 활                 용(경량콘크리트, 경량골재)

㉡ 열회수이용

소각 : 재생불가능한 정도로 오염되었거나 타물질과 혼합또는 접착된 폐발포스티렌은           무연소각으로 소각하여 열탕을 보일러 급수용으로활용하거나 보일러 겸용 소각          로로 직접 보일러로 사용

(보일러용)

연료화 : 유화장치로 촉매로 반응시켜 일반연료로 액체화

(연료,SM원료)

-스티로폴은 중유와 비슷한 9600kcal/kg의 발열량을 갖고 있어

에너지 자원으로 활용이 가능하다.

다른 모든 플라스틱과 마찬가지로 EPS는 높은 칼로리 값을 가지고 있습니다. EPS 1kg에는 1.3L의 연료를 연소할 때 발생하는 에너지가 있습니다.

4 . 스티로폴의 환경적 평가

⑴ 스티로폴 제품이 환경에 영향을 미칠 것인가?

스티로폴 제품 생산은 환경에 영향을 미친다.

왜냐하면, □무’에서 ‘유’를 만드는 것은 불가능하기 때문이다.

모든 제품의 제조 과정은 어떠한 형태로든 환경에 영향을 주고 있고 앞으로도 줄 것이다.

어떤 제품의 경우 ‘생태적’ 또는 ‘환경 친화적’이라는 문구를 사용하는데 이는 그 제품이 환경에 어떠한 영향을 미친다는 정확한 데이터도 없이 환경에 긍정적인 효과를 미친다는 단편적인 정보만을 가지고 사용하는 경우가 많다.

어떤 제품이 환경에 어느 정도 영향을 미치는가를 알아 볼 수 있는 유일한 방안이 하나 있다. 그것이 바로 전과정 평가다.

⑵ 전과정 평가(LCA)란?

전과정 평가란 그 제품의 제조에서부터 수명이 다 할 때까지 일생 동안 사용된 에너지와 재료의 소비량, 그리고 배출된 폐기 물질을 규정하고 정량화함으로써 한 제품이나 공정에 관련된 환경 부하를 평가하고 더 나아가 그 에너지와 재료 그리고 환경 배출 물질에 대한 영향을 평가하며 그 결과를 통하여 환경을 개선시킬 수 있는 기회를 찾는 방법이다.

이러한 새로운 방법은 물질이 환경에 영향을 미치는 방법을 알기 위해 이용하는 가장 효율적인 방법으로 유럽연합(EU) 정부로부터 인정을 받고 있다.

①  스티로폴은 오존층에 전혀 영향을 주지 않는다.

-스티로폴은 제조에서 폐기 과정까지 오존층 파괴의 주범인 프레온가스를 사용하지 않는다.

-스티로폴 발포제로 사용하는 펜탄가스는 오존층을 파괴하는 염소 원자(CHLORINE ATOMS)를 함유하고 있지 않다.

-펜탄 가스는 단순한 탄화수소로서 낮은 고도에서 급속히 분해되므로 오존층에 전혀 영향을 주지 않는다.

즉, 스티로폴을 생산할 때 발포제로 사용하는 것은 프레온가스가 아닌 탄화수소가스 즉 펜탄이나 부탄입니다. 따라서 오존층 파괴의 원인이 되지 않으며 회수만 되면 100% 재활용이 되므로 환경에 전혀 유해하지 않습니다.

② 스티로폴 연소시 다이옥신은 검출되지 않는다.

대기 중에는 스티로폴을 완전 연소시킬 만큼의 산소량(O2)이 없어 노상에서 소각하면 불연소되어 검은 연기가 나옵니다. 그래서 다이옥신이 발생하는건 아니냐고 생각할 수도 있다. 그러나 쓰레기 소각장에서 적정 소각하면 완전연소가 되므로 검은 연기가 나오지 않으며, 이산화탄소와 수증기(CO2+H2O)만 배출된다. 또 스티로폴에는 염소(Cl)이온이 없기 때문에 다이옥신이 전혀 배출되지 않는다. 그러나 노상에서 소각하면 이웃에게 피해를 주고 화재의 위험이 있을 뿐만 아니라 불법이므로 반드시 소각장에서 태워야 합니다.

③ 스티로폴은 생산에서 폐기까지 전과정평가(LCA)관점에서 볼 때 매우 효율적인 자원이다.

-포장시 플라스틱 대신 종이, 금속, 유리로 대체한다면 포장 무게는 300%, 부피는 150% 증가한다는 독일의 연구 결과가 있다.

-종이컵은 전과정평가의 관점에서 스티로폴 컵과 비교할 때 150배의 무기화합물, 170배의 물과 13배의 전력이 소요된다.

⑶ 우리가 처한현실

① 식품용기용 폐스티로폴 한해 낭비액 8백억

식품용기의 폐스티로폴(PSP)이 재활용되지 않는 가운데 한해동안 버려지는 낭비액은 무려 800억원을 훨씬 웃도는 것으로 나타났다.

가천길대학 부설 환경보건연구소내 민달기교수팀의 용역의뢰 결과, 1t기준 스티로폴을 재활용하면 95만3천원의 종량제 봉투비용이 절감되는 것으로 보고됐다.

이는 매립지 운반비나 사용료 등 15만3천원의 순이익이 발생한데 이어 스티로폴 포장재(244억원 해당)와 570억원에 달하는 식품용기 6만t이 재활용될시 총 814억원이 절감될 수 있다고 밝혔다.

시중 스티로폴 포장재(EPS) 경우 가전제품의 완충용 포장재를 포함, 농수산물 포장상자등은 지난 96년부터 분리수거용품으로 지정돼 분리수거를지속적으로 시행중이다.

포장재 스티로폴은 또 재활용 품목으로 지정돼 있으나 의무사항이 아닌지자체 자율로 맡겨 무방비로 환경오염을 부추기는 것으로 지적됐다.

이는 분리수거 및 재활용이 제대로 이뤄지지 않는 문제점을 안고있는 주요인인 것으로 전문가들은 설명했다.

"스티로폴이 재활용되지 않아 버려지는 돈은 한해 8백여억원에 달하며 연간 6만t 정도의 스티로폴 식품용기가 생활 폐기물로무단폐기되고 있다"고 잠정 추산했다.

② 가락시장에서는 하루에 부피로 300□, 8톤 차량으로 10대 분량의 스티로폴 포장용기가 배출된다. 수산물의 경우 99%가 스티로폴 용기이며 그러나 가락시장에서 배출되는 농수산물 스티로폴 용기는 비위생적이고 이물질이 너무 많아 재활용 가치가 많이 떨어져 운영상의 어려움도 많단다

가락시장의 스티로폴 용기 대부분은 수산시장 쪽에서 나온다. 이 상자들은 수분과 염분이 포함되어 있어 제품(잉고트)의 질 저하는 물론 전기 소모와 기계 부하가 많고 특히 염분으로 기계가 부식되어 년간 2천∼3천만 원의 보수비가 투입된다.

(4)결론

전과정 평가는 발포스티로폴 포장이 같은 용도로 사용되는 다른 경쟁 물질보다 확실히 환경에 더 적은 영향을 미치고 있음을 보여주고 있다. (스티로폴이 98%의 공기와 2%의 원료로 이루어져 있다.)

스티로폴 포장의 생산 과정이 환경에 미치는 영향은 골판지 제품에 비해 훨씬 적다. 이는 대기 오염, 에너지 소비, 수질 오염 및 지구 온난화 유발 가능성 측면을 살펴 볼 때 더욱 그렇다.

그러므로 타제품에 비해 스티로폴 제품 사용을 권장하되 그 스티로폴을 처리하거나 재활용함에 더 신경을 써야할 것이다.

끝으로...

많은 사람들은 스티로폴이 부피가 크기 때문에 쓰레기의 주범이라고 생각하지만, 현재 스티로폴은 분쇄 및 용융하여 부피를 감소시켜 재활용하고 있다. 그러나 아직 재활용 기술은 더 필요하며, 효율적인 스티로폴 폐기물의 관리를 위해서는 중앙정부, 지방자치 단체, 기업 및 소비자와의 협력이 필수요건이다.