PET병의 재활용 대안에 대한 전과정평가(LCA) 연구

문광식, 송현섭, 현재천

고려대학교 화학공학과

A LCA Study of PET Bottles Recycling Alternatives

Kwang-seek Moon, Hyun-Seob Song and Jae Chun Hyun

Dept. of Chemical Engineering, Korea University

서론

플라스틱 산업의 급격한 발전과 인구증가로 인해 고분자 제품의 생산과 소비가 대량화됨에 따라 플라스틱 폐기물은 도시 도형폐기물(Municipal Solid Wastes, MSW)의 상당부분(부피로 약 20%)을 차지하게 되었고 이의 처리가 심각한 사회문제로 대두되고 있다. 지금까지의 폐플라스틱 처리는 주로 매립에 의존하여 왔으나 매립지 부족으로 인해 좀 더 환경친화적인 폐기물 관리대안이 요구되고 있다. 매립을 대신할 수 있는 폐플라스틱 처리대안으로 소각, 열분해, 재활용을 들 수 있는데 이러한 대안들의 환경친화성을 객관적으로 평가하기 위해서는 원료 추출부터 제조, 사용, 운송, 재활용, 폐기에 이르는 전과정, 즉 요람에서 무덤까지(From Cradle To Grave)를 대상으로 삼아야 하며, 이러한 평가기법을 전과정평가(Life-Cycle Assessment, LCA)라 한다.

본 연구에서는 폐플라스틱의 가능한 관리 대안을 제시하고 수학적 모델을 개발하여 이러한 대안들을 포함하는 System에 전과정평가를 수행하였다. 그 한 예로 음료용기 등으로 많이 사용되는 Poly(ethylene terephthalate)(PET)병의 각 환경관리대안의 전과정에 걸친 에너지 사용량과 환경오염물질 및 고형폐기물 발생량을 비교하였다.

모델링

모두 6개의 폐PET병 관리대안, 즉 병으로 중합체 재활용(닫힌고리 재활용), 카펫으로 중합체 재활용(열린고리 재활용), 모노머로 재활용(가수분해), 열회수 소각, 열분해와 단순매립에 대해 수학적 모델을 사용하여 각 대안의 전과정동안 사용된 총에너지와 발생한 CO2, NOx, SOx, 고형폐기물의 양을 비교하였다. 대안비교에 사용된 모델의 일반식은 다음과 같다[1].

F = F(c, r, w, f, □)	(1)

여기서 c = collection ratio, r = recycle ratio, w = ratio of incineration to pyrolysis, f = ratio of recycle as polymer to as monomer, □ = open-loop recycle ratio이다. 예를 들어 병과 카펫의 기능단위가 60kg일 때 에너지식은 다음과 같다.

E = 13960-808.8c-3674rc-3077□rc-595.6f(1-□)rc-400.8w(1-r)c+60c2/(1-c)	(2)

위의 모델에서 각 대안들은 r, w, f, □를 0 혹은 1로 선택하여 결정된다. 설정된 대안들은 수거율 c에 대해서 에너지와 배출물들이 계산되며, 수거되지 않은 폐PET는 모두 매립된다고 가정하였다. 그리고 대부분의 연구자들은 재활용에너지를 재활용율에 대한 선형증가함수로 가정하였지만[2,3], 본 연구에서는 재활용에너지, 특히 수거에너지가 수거율 c에 대해 비선형증가함수임을 고려하고 이를 수학적으로 모델링하였다[1,4].

결과 및 토론

사용후 버려지는 카펫은 모두 매립된다는 가정하에 병의 수거율에 따른 총에너지와 CO2, NOx, SOx, 고형폐기물의 양을 Fig.1에 나타내었다. 총에너지와 대기오염물질은 Fig.1의 (a)-(d)에 보여진 바와 같이 수거율 증가에 따라 감소하다가 수거율이 1에 접근하면 증가하게 된다. 이것은 수거율이 높아지면 오히려 재활용이 환경에 좋지 않은 영향을 미칠 수 있음을 의미하며, 특히 NOx는 수거과정에서 운송으로 인해 많이 발생하는 물질로 재활용 효과를 감소시킨다. 그러나 고형폐기물의 경우는 수거과정에서 운송에 의한 발생을 무시할 수 있기 때문에 수거에 의한 비선형항의 효과가 없어져 Fig.1(e)에 보여진 바와 같이 선형으로 감소하게 된다. Table 1은 병의 수거율이 0.6일 때 각 대안의 효과를 비교한 결과이다.

Table 1. Calculation results of the six alternatives presented at c = 0.6

Alternatives	Energy(MJ)	CO2(kg)	NOx(kg)	SOx(kg)	SW(kg)
L	13971.72	616.33	1.416	3.133	135.07
L+I	13299.06	678.13	1.225	2.722	99.07
L+P	13540.44	671.21	1.544	3.363	103.45
L+D	12965.20	605.99	1.444	3.164	104.05
L+R	12607.82	567.32	1.333	2.855	107.79
L+O	11118.87	499.28	1.206	2.529	99.58

L=landfill, I=incineration, P=pyrolysis, D=depolymerization

R=reprocessing, O=open-loop recycle

1. 에너지 비교

각 대안을 에너지 측면에서 비교하면 열린고리 재활용(O) > 닫힌고리 재활용(R) > 모노머로 재활용(D)  > 열회수 소각(I) > 열분해(P) > 매립(L)의 순서로 좋은 효과를 나타낸다(Fig.1(a)). 고분자 제품은 주로 원료취득에서 합성까지의 과정에서 많은 에너지가 사용되므로 재활용하여 원료물질로 사용하는 것이 단순히 에너지를 회수하는 것보다 유리하고(O,R&D>I&P), 고분자로 재활용하는 것이 모노머로 재활용하는 것보다 더 큰 대체 효과가 있다(O&R>D). 마찬가지로, 고분자로 재활용할 때는 수반되는 재활용 공정이 간단할수록 유리하게 되는데 병으로 재활용하는 것은 재생PET의 순도를 향상시키시 위해서 여과과정(Filtration)이 필요하여 재생PET의 전처리없이 카펫으로 재활용하는 경우보다 상대적으로 많은 에너지가 사용된다(O>R). 한편 소각과 열분해를 비교하면 열분해는 고급연료의 회수로 인해 소각에 비해 더 높은 에너지를 회수할 수 있지만 열분해 공정 자체에 들어가는 에너지가 소각공정보다 월등히 많아 결과적으로는 불리하게 된다(I>P).

2. CO2 비교

CO2의 입장에서 각 대안의 효과는 O > R > D≒L > P≒I의 순서로 좋다(Fig.1 (b)). CO2 발생량은 화석연료의 사용량에 비례하며 전기생산의 60%를 화력발전에 의존하고 있는 국내의 경우 이러한 현상이 더욱 두드러져 각 대안의 효과는 에너지의 경우와 유사하다. 다만 열분해와 소각이 매립보다 불리한 점이 다른데 이는 고분자를 열분해하는 과정에서는 대기오염물질의 발생이 거의 없지만 고분자의 분해에 필요한 많은 에너지를 사용함으로 인해 많은 CO2 가 발생하고, 소각의 경우는 탄소가 주성분인 고분자를 연소하는 과정에서 CO2가 많이 발생하기 때문이다.

3. NOx, SOx 비교

각 대안의 효과는 NOx 측면에서 O≒I > R > D≒L > P, SOx에 대해서는 O > I > R > D≒L > P 순으로 크다(Fig.1(c),(d)). 두 결과 모두 에너지와 CO2의 경우와는 달리 소각에 의한 감소효과가 뚜렷하게 나타나는데, 이는 소각이 다른 연료의 사용을 대체함으로 인해 억제되는 NOx와 SOx의 양이 소각 자체에 의해 발생하는 NOx와 SOx의 양보다 훨씬 크기 때문이다.

5. 고형폐기물 비교

고형폐기물 감소효과는  O≒I > D≒P > R > L의 순서이며(Fig.1(e)), 폐PET의 매립이 고형폐기물 발생의 주원인이므로 모든 대안이 매립보다 유리하다. 매립이외의 대안들에 대해서는 전기에너지를 많이 사용할수록 고형폐기물이 많이 발생하여 상대적으로 많은 전기가 필요한 닫힌고리 재활용이 소각과 열린고리 재활용보다 불리하다. 이는 전기생산시 석탄에 의한 연소재가 많이 발생하기 때문이다.

결론

본 연구에서는 수학적 모델을 이용하여 PET병의 여러 가지 관리 대안들에 해 에너지, CO2, NOx, SOx, 고형폐기물의 다섯가지 항목을 대상으로 효과를 비교하여 보았다. 각 대안의 효과는 항목에 따라 결과가 다르게 나타나, 에너지와 CO2에 대해서는 고분자로 재활용(O,R)하는 것, NOx와 SOx 측면에서는 열회수 소각(I)과 열린고리 재활용(O), 매립에 대해서는 모든 대안이 좋은 효과를 보였다. 이로부터 가장 환경 친화적인 대안을 판단하기는 어려우며, 이는 더 많은 항목들을 대상으로 하여 각 항목이 환경에 미치는 영향을 과학적으로 평가할 수 있는 전과정 영향평가(Impact Assessment)를 통해 수행될 수 있다.

또한 폐PET의 효과적인 관리를 위해서 수거율을 적절하게 선택하는 것이 좋으며 최적 수거율은 항목에 따라 다르게 나타났다.

감사의 글

본 연구는 한국과학재단의 지원(과제번호 69-0502-07-01-3)으로 수행되었으므로 이에 감사드립니다.

참고문헌

1. Song, H.-S., K. Moon and J.C. Hyun, "Mathmatical Modeling and Analysis for the Life-Cycle Assessment of Plastic Materials", submitted to Proceedings of '97 KIChE Fall Meeting (1997)

2. Terazono, A., S. Otoma, S.I. Sakai and H. Takatsuki, "Life Cycle Assessment on PET Bottle Recycling: Allocation Principles and Effect on Recycling," Proceedings of the Second International Conference on Ecobalance, pp310 (1996)

3. Russel, D., J. O'Neill and I. Boustead, "Weighting up the options: A Comparative Study of Recovery and Disposal Routes for HDPE Bottles," A Report for the Association of Plastics Manufacturers in Europe(APME) (1993)

4. Boustead, I., Chap. 2, in Recycling and Recovery of Plastics, Ed., Brandrup, J. et. al., Hanser Publishers (1995)

5. Richard, R.E. et. al., Chap. 15, in Emerging Technologies in Plastics Recycling, Ed., Andrews, G.D. and P.M. Subramanian, American Chemical Society(ACS) (1992)

Figure 1. Performance comparison of alternatives

(a) Total energy, (b) Total CO2, (c) Total NOx

(d) Total SOx (e) Total solid wastes

L=Landfill 100%, I=Incineration, P=Pyrolysis

D=Depolymerization, R=Reprocessing, O=Open-loop recycle