혼합 폐플라스틱의 재활용 공정에 대한 전과정 평가 연구

민미연, 송현섭, 현재천

고려대학교 화학공학과

An LCA Study of a Recycling Process of Mixed Post-consumed Plastics

Mi Youn Min, Hyun-Seob Song and Jae Chun Hyun

Dept. of Chemical Engineering, Korea University

가. 서론

대부분의 플라스틱 제품들은 두 성분 이상의 다양한 재질로 이루어져 있어 이를 순수한 성분으로 분리하여 재활용하는 것은 많은 인력과 비용이 필요하며  경우에 따라서는 이러한 분리 자체가 불가능하기 때문에 가능하면 폐플라스틱을 분류과정 없이 혼합 상태 그대로 재활용하는 것이 경제적, 환경적 측면에서 유리하다. 혼합 폐플라스틱의 재활용 공정은 크게 단순 혼합, 보강제 첨가, 상용화제 첨가의 세 가지 방법을 통해 이루어질 수 있으나 후자의 두 공정들은 첨가제 개발에 대한 기술적, 경제적 제약으로 인해 아직 연구 단계에 머물러 있으며 현재 상용화되어 널리 사용되는 방법은 단순 혼합을 통한 plastic lumber의 생산이다 [1,2].

본 연구에서는 혼합 폐플라스틱을 단순 혼합하여 만든 plastic lumber 생산 공정에 대한 전과정 평가를 수행하여 이에 대한 환경 친화성을 wood lumber와 비교하였다 [3].

나. 목록 분석

Plastic lumber와 wood lumber는 사용연한이 다르므로 기능 단위를 설정할 때 시간을 고려해 주어야 한다. 일반적으로 plastic이 wood보다 사용연한이 길므로 wood lumber와 plastic lumber의 사용연한을 각각 A(년), rA(년)이라 두고(r≥1) 다음과 같이 기능 단위를 정하였다.

wood lumber: A년간 사용할 벤취용 wood lumber 10 units(=26kg)

plastic lumber: A년간 사용할 벤취용 plastic lumber 10 units(=43.4/r kg)

Plastic lumber와 wood lumber의 생산 공정을 Fig. 1에 나타내었다. Plastic lumber 생산 공정의 경우 HDPE와 PP 생산, 폐플라스틱의 수거, 그리고 매립 공정에서 소모된 에너지와 발생된 오염물질들은 bottle과 lumber의 두 제품 모두에 책임이 있으므로 적절한 allocation principle에 의해 할당시켜 주어야 한다 (Fig. 1). Fig. 2(a)는 위의 세 공정에서 발생하는 환경부하(여기서는 에너지)를 plastic lumber의 전과정평가 계산에 (1) 모두 포함시키는 경우, (2) 두 제품의 가격 비에 의해 일부만 포함시키는 경우(allocation by economic value), (3) 전혀 포함시키지 않는 경우의 세 가지로 나누어 사용연한(r)에 따른 에너지 소모량을 비교한 것이고 [4], Fig. 2(b)는 두 제품의 경제적 가치를 비교한 결과이다. 본 연구에서의 모든 계산은 이 중 두 번째 할당 방법에 의한 것이며 각 공정에서 소모된 에너지 및 발생한 오염물질의 값은 물질 및 에너지 수지식과 APME, PWMI, SAEFL 등에서 제공되는 데이터베이스로부터 얻었다 [5,6].

사용연한비가 낮을 때는 plastic lumber에 대한 환경 부하 및 경제적 비용이 wood lumber에 비해 더 커서 불리하지만 사용연한비가 크면 반대의 결과를 얻을 수 있다 (Fig. 2). 이 때 두 제품의 환경부하 또는 경제적 비용이 서로 같아지는 사용연한비를 임계 사용연한비(rc)로 정의하여 이 값을 에너지, CO2, SOx, NOx, 고형폐기물, 경제적 비용에 대해 각각 나타내었다 (Table 1).

Table 1. The critical durability ratio(= rc) by inventory analysis results

	Energy	CO2	SOx	NOx	SW	Cost
rc	2.23	1.01	1.05	1.48	0.13	0.44

Plastic lumber의 사용연한이 wood lumber에 비해 에너지의 경우 약 2.5배, 대기오염물질의 경우 약 1.5배 이상이 되면 환경적으로 더 유리하며 고형 폐기물과 비용 면에 있어서는 임계 사용연한 비가 1보다 작았다.

위에서 제시된 할당방법 외에, HEPE 및 PP 합성부터 병의 수거까지의 공정을 lumber의 원료 취득 공정으로 취급하여 이를 plastic lumber의 시스템 경계에 포함시키는 방법도 생각할 수 있다. 이 때에도 앞의 경우와 마찬가지로 수거를 포함하여 그 이전까지의 공정을 (1) 모두 lumber의 원료 취득 과정으로 보는 경우, (2) 병과 lumber의 가격비에 의해 일정비율만 포함시키는 경우, (3) 전혀 포함시키지 않는 경우의 세 가지로 나눌 수 있으며 어느 방법을 택하느냐에 따라 Table 1과는 다른 결과를 얻게 된다.

다. 영향평가

목록 분석을 통해 얻은 에너지 소모 및 각 오염물질 발생량에 대한 결과만을 가지고는 구체적으로 이들이 환경에 어떤 영향을 얼마나 미치는지 알기 어렵기 때문에 전과정 평가의 다음단계로 영향평가를 수행한다. 영향평가는 분류화(classification), 특성화(characterization), 가치화(valuation)로 구성되어 있다. 분류화는 목록 분석 데이터를 각 환경영향 그룹으로 분류하는 과정이고, 특성화는 각 환경 영향 범주에 목록분석 값들을 할당시켜 주는 단계이며, 가치화는 각 환경 영향들의 상대적 심각성을 고려하여 가중치를 설정해 주는 단계이다. 분류된 환경영향 범주 및 각 목록의 characterization factor는 Table 2과 같다.

Table 2. Characterization factor [7]

	EDP	GWP	AP	HT	NP	SW
Energy	1.0
CO2		1.0
SOx			1.0	1.20
NOx			0.70	0.78	0.13
Solid waste						1.0

where EDP = Energy Depletion Potential

GWP = Global Warming Potential

AP = Acidification Potential

HT = Human Toxicity

NP = Nutrification Potential

SW = Solid waste

목록분석 결과를 환경영향 범주별로 분류하고 Table 2에 나와있는 characterization factors를 이용하여 두 공정에 대한 환경 영향을 EDP, GWP, AP, HT, SW에 대해 비교하였다(Fig 3). 목록분석 결과와 마찬가지로 두 제품의 사용연한 비 r이 작을 때(예를 들어 r=1)는 wood lumber가 plastic lumber보다 더 유리하나, r 값이 클 때(예를 들어 r=5)는 결과가 반대로 나타난다. 각 환경 영향 범주에 따른 임계 사용연한 비는 Table 3과 같다.

Table 3. The critical durability ratio(= rc) by characterization results.

	EDP	GWP	AP	HT	SW
rc	2.23	1.01	1.16	1.17	0.13

라. 결론

혼합 폐플라스틱을 단순 혼합하여 만든 plastic lumber 생산 공정에 대해 전과정 평가를 수행하여 이에 대한 환경 친화성을 wood lumber와 비교하였다. 두 제품의 환경 친화성 및 경제성에 가장 크게 영향을 주는 요인으로서는 사용연한 비를 들 수 있다. 즉, 사용연한 비가 클수록 전자가 후자에 비해 환경적 및 경제적으로 유리하며 작을수록 불리하다. 그러므로 혼합 폐플라스틱의 재활용 방안으로 plastic lumber를 만들어 목재 제품을 대체할 경우, 공정 개선을 통해 plastic lumber의 물성을 향상시켜 사용연한을 늘려주는 것이 매우 중요한 과제 중 하나라 볼 수 있다. 실제 plastic lumber의 수명이 25-50년, wood lumber의 수명이 5-10년이라 할 때 이는 모두 본 연구에서 계산한 임계 사용연한비 이상의 값이므로 전자가 후자에 비해 훨씬 더 환경 및 경제적 측면에서 유리한 제품이라고 판단할 수 있다.

감사의 글

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

참고문헌

1. Menges, G., "Materials Fundamentals in Plastics Recycling," Recycling and Recovery of Plastics, Brandrup, J., Bittner, I.M., Michaeli, I.W. and Menges, I.G., Eds., Hanser Publishers, New York (1996)

2. Hegberg, B.A., Brenniman, G.R., Hallenbeck, W.H, Plastics Recycling Technology, University of Illinoise Center of Solid waste Management and Research Chicago (1991)

3. Vigon, B.W., Tolle, D.A., Comaby, B.W, and Latham, H.C., Life-Cycle Assesment Inventory Guidelines and Principles, Lewis Publishers, London (1994)

4. Terazono, A., Otoma, S., Sakai, S., and Takatsuki, H., "Life Cycle Assesment on PET Bottle Recycling Allocation Principle and Effect of Recycling", The second international Conference on EcoBalance, Tsukuba, Japan, p310 (1996)

5. SAEFL, Life Cycle Inentory for Packagings, Berne (1998)

6. APME/PWMI, APME & PWMI Technical Report Series 2 and 3 (1993)

7. van den Berg, N.W., Huppes. G., and Dutilh, C.E., "Beginning LCA: A Dutch Guide to Environmental Life-Cycle Assesment," Environmental Life-Cycle Assesment, Curran, M. A., Ed., McGraw-Hill, New York (1996)

(  : bottle 생산영역,  : lumber 생산 영역)

(a)

(b)

Fig 1. A schematic diagram for the life-cycle of

(a) plastic and (b) wood lumber

(a)                                     (b)

Fig 2. The results of Inventory analysis for plastic and wood lumber

manufacture process (a) Energy consumption, and (b) Cost

(a)                                    (b)

Fig 3. The results of Impact assesment for plastic and wood lumber

manufacture process (a) r=1, and (b) r=5