폐전선 와이어 및 케이블의 재활용

이 무정, 김 유석, 김 원호

부산대학교 화학공학과

Recycling of Used Electrical Wire and Cable

Mujung Lee, Yousock Kim, Wonho Kim

Dept. of Chemical Eng. Pusan Nat. Univ.

서론

우리들이 일상생활에서 편리하게 사용하고 있는 플라스틱 제품은 기초 소재인 석유화학공업의 한 분야로서 국민의 소득 증대와 경제규모의 확대에 따라 그 소비량이 확대되고 있으며, 이에 따라 폐기물의 양도 엄청나게 늘어나고 있다. 이러한 폐기물 중에는 전기 및 통신 산업 분야에서의 전력선 및 통신선이 차지하는 비중도 매우 높다. 이와같은 폐기물들을 일반 쓰레기와 마찬가지로 매립할 경우 환경문제를 야기시키며, 자원의 낭비라는 측면에서도 재생하여 사용하는 것이 바람직하다는 것은 주지의 사실이다.

일반적으로 통신 케이블은 Fig. 1과 같이 합성수지인 폴리에틸렌이 피복된 0.4∼0.9mm의 가는 동선 수십∼수백 가닥이 알루미늄과 합성수지로된 외피 자켓(jacket)에 싸여 있는 형태로 구성되어 있다.

(a) Internal part

(b) External cable jacket

Fig. 1 The compositions of cable.

일반적인 폐전선의 재활용 기술은 크게 세 가지로 나눌 수 있으며, 이 방법들은 국내.외에서 모두 채택하여 사용하고 있다. 첫째로는 폐전선을 소각하여 동(copper)만을 재사용하는 방법, 둘째로는 폐전선을 절단하여 기계적 또는 전기적으로 동선과 피복을 분리하여 재사용 하는 방법, 셋째는 폐전선을 화학적으로 처리하여 피복을 용해시켜 재활용하는 방법 등이 있다. 이러한 방법들은 모두 각각의 단점을 갖고 있는데, 첫번째 방법은 소각을 하기 때문에 화학물질의 소각에 따른 유해가스의 발생으로 이의 후처리가 필요하며, 피복재인 폴리에틸렌의 재활용은 전혀 불가능하고 단지 폐전선내의 동이나 알루미늄 등의 재사용만이 가능하다. 두번째 방법은 공정 중에서 일정한 굵기 이하의 가는 폐전선 처리에 비효율적이며, 폐절연물질에 수반되는 미립자 동의 유실로 인해 동의 회수률이 떨어지는 문제점이 있다. 세번째의 방법은 화학적인 처리를 하여야 하므로 폴리에틸렌의 재활용시 재처리 문제등 회수율이 떨어지는 문제점이 지적되고 있다.

본 연구에서는 기상, 고상, 액상 가열방법을 사용하여 폐전선에서 피복재인 폴리에틸렌을 회수하는데 가장 적절한 방법을 선택함과 동시에 각종 환경 법규와 작업자의 보건상의 문제로 상당한 규제를 받고 있는 기존의 액상 가열방법에서 사용하는 BTX(benzene, toluene, xylene)용제 대신 새로운 용제를 선정하여 실험을 실시하였다. 그리고 회수된 폴리에틸렌의 강도 향상을 위해서 목분, 충진제(filler) 및 폐PET 등과 블렌드(blend)를 실시하였다. 본 연구의 결과를 바탕으로하여 동은 전선용 SCR로 재생하고, 폴리에틸렌은 재가공하여 사용함으로서 자원의 낭비를 줄이고, 간접외화 획득에 기여함과 동시에 환경문제 해결에도 큰 도움이 되고자 한다.

실험

1. 기상 가열 방법

내부동선에 피복된 폴리에틸렌의 용융유동 온도 및 흘러 내리는 시간을 알아보기 위해 반응기 내부를 공기 분위기와 진공 상태로 각각 유지하고 동선이 포함된 폐전선을 약 5cm의 크기로 절단하여 반응기내에 넣고 온도를 150∼350℃까지 승온시키면서 용융되어 흘러내린 피복재인 폴리에틸렌과 동(copper)의 상태를 관찰하였다.

2. 액상 가열 방법

액상 가열 방법은 액체, 즉 용제를 열매체로하여 피복재인 폴리에틸렌과 동을 분리하는 방법으로 이 방법으로 실험을 실시하기 위해서는 먼저 피복제인 폴리에틸렌과 용해도 상수(solubility parameter : □)값이 유사한 용제를 선정하여야 한다. 폴리에틸렌의 용해도 상수값은 일반적으로 약 17 (MPa)0.5으로 알려져 있다. 이와 용해도 상수값이 유사한 용제로는 cyclopentane, chlorobenzene, toluene, xylene, benzene등이 있다.

본 실험에서는 BTX 용액 중 xylene과 paraffin oil 그리고 cyclopentane을 이용하여 온도, 교반속도, 용제의 부피에 따른 회수 시간 및 회수률의 영향을 관찰하였다.

3. 고상 가열 방법

고상 가열 방법은 열매체로 유리 알갱이(glass bead), 세라믹 알갱이(ceramics bead), 무기염(inorganic salt) 등을 사용하는 방법으로 본 실험에서는 진공 상태가 유지된 반응장치로 무기염을 이용하여 매체의 온도를 100℃부터 점차적으로 승온시키고 교반속도를 1000∼2000RPM까지 변화시켜 실험을 실시하였다.

4. 회수된 폴리에틸렌의 분석 및 기계적 물성 측정

회수된 폴리에틸렌의 변화 유무를 관찰하기 위해 SHIMADZU社 DR-8001 IR과 SEICO社 DSC 220C 이용하여 전선용 폴리에틸렌 컴파운드와 일치하는지 비교하였다. Rheometrics社의 RDA-Ⅱ를 이용하여 점도(viscosity)를 측정하였고, 이를 바탕으로하여 간접적으로 각 경우의 분자량을 비교하였다. 기계적 물성을 비교하기 위해 ASTM 규격에 따라 인장, 굴곡 및 충격강도 측정용 시편을 제작하고, Zwick Materialprufung 1435 UTM(universal test machine)과 Ueshima社의 충격 시험기를 이용하여 물성 측정을 실시하였다.

결과 및 고찰

1. 기상 가열 방법

공기 분위하에서는 온도가 200℃이상 상승되었을 때 폴리에틸렌과 동선이 공기와의 접촉으로인해 검게 변색이는 되는 흑변현상이 발생하였지만, 반응기를 진공상태로 유지한 경우에는 이러한 현상을 방지할 수 있었다.

2. 액상 가열 방법

반응기내의 온도를 각 용제의 끊는점까지 점차적으로 승온시킬수록 회수 시간은 xylene의 경우 85℃, paraffin oil의 경우 110℃까지 급격히 감소하다 그 이상에서는 큰차이를 보이지 않았다. 교반속도는 교반 실시전과 후는 현저한 차이를 보이지만 속도에는 큰 영향을 받지 않았다. 용제의 부피가 증가할수록 회수시간은 증가하였는데, 이는 부피의 증가에 따라 온도 전달 속도가 느려지기 때문이다. 그러나 용제의 부피가 감소할수록 회수시간은 단축되지만 용액의 점도가 상당히 증가하여 반응기내에서 유출시 내부 표면에서의 손실로 인해 회수률이 감소하였다.

3. 고상 가열 방법

약 150℃에서부터 피복제인 폴리에틸렌이 탈피하기 시작하여 약 180℃에서 무기염과의 계속된 마찰로인해 잘게 파쇄되어 분리되었다. 계속적으로 승온시킨 결과 200℃이상에서 기상 가열 방법에서 관찰할 수 있었던 동선과 폴리에틸렌의 산화현상이 발생하였다.

4. 회수된 폴리에틸렌의 분석 및 기계적 물성 측정

기상 가열 방법의 경우 DSC분석 결과 회수한 폴리에틸렌의 Tm은 전선용 폴리에틸렌의 Tm보다 약 10∼15℃정도 낮아진 PE wax상으로 변질되었음을 확인할 수 있었다. 그러나 액상, 고상 가열 방법에서 회수한 폴리에틸렌의 경우 DSC, IR, RDA분석 및 기계적 물성 측정 결과 전선용 폴리에틸렌 컴파운드와 차이가 없었다.

Table. 1 The comparision of mechanical properties.

	Cable PE compound	Recovered PE
Impact strength	5.74 Kg□cm/cm	5.46 Kg□cm/cm
Tensile strength	133.2 Kgf/cm2	132.9
Flexural strength	15.8 MPa	15.6 MPa

Fig. 3 DSC data of

Recovered Polyethylene.

Fig. 2 DSC data of

Cable Polyethylene compound

Fig. 5 RDA results of

Recovered Polyethylene

Fig.4 RDA results of

Cable Polyethylene compound.

결론

기상 가열 방법의 경우 회수된 폴리에틸렌이 분자량이 다소 감소한 wax상으로 변질되어 재사용을 위해서는 과산화물로 가교시켜야하는 문제가 있었다. 액상 가열 방법에서 회수률에 가장 큰 영향을 미치는 인자는 반응기내의 온도였고, BTX 용제의 경우 Paraffin oil에 비해 회수시간은 1/3정도 줄일 수 있었지만, 회수률은 다소 떨어졌다. 회수한 폴리에틸렌은 DSC, IR, RDA 및 기계적 물성 분석 결과 전선용 폴리에틸렌 컴파운드와 큰차이가 없었다. 고상 가열 방법의 경우 회수한 폴리에틸렌의 물리적 성질의 변화는 없었지만, 폐전선에서 분리된 피복재와 열매체인 무기염을 분리하기 위해 다량의 물을 소비해야하는 단점있었다.

회수시간, 회수률, 회수된 폴리에틸렌 및 동의 상태를 고려할 때  본 연구에서 피복재인 폴리에틸렌을 회수하는 가장 적절한 방법은 액상 가열 방법이었다.

참고 문헌

1. Charles P. Rader, Sheryl D. Baldwin (1995) , "Plastic, Rubber, and             Paper Recycling", 6, 72, 9, 97

2. Gerald D. Andrews, Pallatheri M. Subramanian (1991), "Emerging             Technologies in Plastics Recycling", 3, 26, 6, 60

3. 이 국노, 플라스틱 실용화 기술 Forum, □플라스틱의 리사이클링 기술     동     향□, 1