폐유리의 활용을 위한 발포유리의 제조

이홍길, 오치훈, 황재석*, 윤용수, 이철태

단국대학교 공과대학 화학공학과, *신흥전문대학 환경관리과

Preparation of foaming glass for reuse of waste glass

H. G. Lee, C. H. Oh, J. S. Hwang*, Y. S. Yoon and C. T. Lee

Department of Chem. Eng., College of Eng., Dankook University

*Department of Environmental Management, Shinheung Junior College

서론

경제 성장과 생활수준의 향상에 따른 소비의 증가로 유리병을 비롯한 국내 유리 수요가 급격히 증가되었으며 그 결과 폐기물로 발생되는 판유리 및 유리병류도 급격히 증가되고 있다[1].  그러나 유리의 경우 재활용의 가능성이 높은 물질임에도 불구하고 여러 가지 이유로 실질적인 재활용이 거의 이루어지지 못하고 회수하여 재사용하거나 재생 불가능한 폐유리는 콘크리이트와 섞어쓰는 정도일뿐 거의 대부분이 도시쓰레기의 상당한 부분을 차지한 채 매립처리 폐기되고 있어 매립지의 소비는 물론 많은 자원이 속수무책으로 버려지고 있는 실정이다.  따라서 폐유리병류를 비롯한 많은 형태의 파유리들을 별도의 전처리 과정이 필요치 않는 효율적인 재활용 방안을 마련할 수 있다면 경제성의 측면 뿐만 아니라 환경보존의 측면에서도 매우 바람직한 일일 것이다.

한편 발포유리는 열전도도가 비교적 작고 팽창계수가 다른 단열재의 1/10 정도밖에 되지 않으며 내열, 내산, 내알칼리성의 우수한 특성을 지니고 있어 건축물 및 산업용 보온·보냉의 단열재 또는 차음재로 쓰이는 경량 단열재[2-6]이며, 형태와 성형방법에 따라 촉매의 담체, 미생물의 담체등 그 용도가 더욱 다양화 될 것으로 기대되는 새로운 무기물 재료이다.

그러므로 본 연구에서는 이러한 배경하에 폐유리의 경제성 있는 재처리 방안과 함께 발포유리내에 기포셀의 균일도를 높이고 가능한한 별도의 발포제를 사용함이 없이 발포유리를 제조할 수 있는 방안을 모색하고자 재활용의 경제성이 낮은 투명, 갈색, 녹색의 병유리와 파창유리 등의 폐유리들을 대상으로 분리등 별도의 처리과정 없이 유리의 가수분해반응을 이용하여 발포유리를 제조할 수 있는 공정의 가능성을 타진하며 나아가 이 공정의 기초자료를 얻고자 하였다.

실험

본 연구에서 사용한 시료는 폐기물로 발생하는 폐유리중 판유리 및 , 쥬스병, 소주병, 맥주병과 같은 폐유리병을 수집 분류하고 crusher로 파쇄한 후 disk mill로 분쇄하여 가수분해반응의 시료로 사용하였으며, 가수분해반응은 고온·고압의 autoclave내에서 증기에 의한 반응과 물에 의한 반응으로 나누어 적정조건을 구하였다.  발포공정의 시료는 적정조건하에서 가수분해반응을 거친 수화유리를 일정량 평량하여 pellet을 만들었으며, 발포제의 영향에 관한 실험에서는 일정량의 발포제를 첨가하고 균일하게 혼합한 후 pellet을 만들어 사용하였다.  이때 발포제로는 Na2CO3, CaCO3, petroleum cokes를 사용하였다.  Na2CO3와 CaCO3는 순도 99.0% 이상의 1급시약을 사용하였으며, petroleum cokes는 인천 현대정유에서 수거한 것 중 -325mesh의 입자만 선별하여 사용하였다. 발포공정은 만들어진 pellet을 전기로에 넣고 상온에서부터 일정속도로 승온시켜 반응온도에 도달시킨후 일정시간 소성시킨 후 로에서 꺼내어 냉각시켰다.  제조된 발포유리는 KS L3114에 의한 밀도측정 및 KS L9016에 의한 열전도도 측정에 의해 그 특성을 조사하였다.

결과 및 토론

본 연구는 폐유리를 색깔에 따른 별도의 분리공정없이 처리하여 발포유리를 제조할 수 있는 공정의 기초자료를 얻는 것이 목적이므로 각각의 유리를 혼합방법을 달리하여 발포유리를 제조하고 그 특성을 조사하였다.

Fig. 1은 원시료인 각종 유리를 정해진 비율로 균일하게 혼합한 후 적정조건하에서 가수분해반응시킨 수화유리에 발포조제로 Na2CO3 1%를 첨가하여 발포유리를 제조하고 이들의 팽창상태를 전체적으로 비교하기 위한 사진이다.    Fig. 1에서 볼 수 있는 바와같이 3종류의 유리를 혼합한 것보다는 2종류의 유리를 혼합한 경우가 팽창이 우수하며 2종류의 유리를 혼합한 경우에는 (판유리+투명병유리), (판유리+녹색병유리), (판유리+갈색병유리)의 순으로 팽창상태가 양호하였다.  또한 갈색병유리의 혼합비가 작을수록 팽창상태가 양호한 것으로 나타났다.

Fig. 2는 판유리를 기본 시료로하여 여기에 한종류 또는 두종류의 병유리를 색깔별로 균등량 혼합한 후 가수분해시킨 수화유리를 소성온도 850℃, 소성시간 0.5시간부터 2시간까지 변화시키며 발포시켜 발포유리를 제조하고, 그 밀도를 측정한 결과이다.  나타낸 바와 같이 밀도는 (판유리+투명병유리)의 경우가 0.3∼0.4g/cm3로 가장 적게 나타났으며, (녹색병유리+갈색병유리+투명병유리)의 경우 모든 소성시간에 걸쳐 수축한 상태였고, 밀도는 1.1∼1.2g/cm3의 범위였다. 여기서 특이한 점은 갈색병유리가 혼합된 것과 판유리가 섞이지 않은 것의 밀도가 높게 나타난다는 것이다.  이처럼 갈색병유리를 시료로 하는 경우 팽창상태가 좋지않은 까닭은 갈색병유리의 조성상에 기인한 것으로 생각된다.  그리고 (판유리+투명병유리)의 경우 밀도가 가장 낮은 것은 이들 유리에 수식제로 첨가되었다가 망목구조를 붕괴시키는 요인으로 작용하는 알카리 금속산화물인(Na2O+K2O)의 함량이 판유리 22.7%, 투명병유리 16.6%로써 4종류의 유리중 가장 높은 값을 지니기 때문인 것으로 사료된다

Fig. 3은 앞서의 실험에서 갈색병유리만이 발포에 좋지않은 영향을 미치는 것으로 나타나 갈색병유리의 적정 혼합비를 알아 보기위하여 녹색병유리, 갈색병유리, 투명병유리, 판유리를 (1:1:1:1), (1:3/4:1:1), (1:1/8:1:1)로 혼합하여 앞서의 경우와 동일한 조건에서 가수분해반응 및 소성반응을 시켜 발포유리를 제조하고 밀도를 측정한 것이다.  나타낸 바와 같이 갈색병유리의 혼합비가 작을수록 밀도가 낮으나 혼합비가 3/4 이하인 경우에는 큰 차이가 없음을 알 수 있다.  따라서 4종류의 유리를 혼합하여 발포유리를 제조할 경우 문제가되는 갈색병유리는 다른 종류의 유리의 양에 대하여 중량비로 3/4이하의 범위에서 혼합하면 적절하리라고 생각된다.

Fig. 4는 혼합시료를 사용하여 제조한 발포유리의 밀도와 열전도도의 관계를 나타낸 것이다.  나타낸 바와같이 밀도 0.3, 0.35, 0.48, 0.52, 0.82, 0.85, 1.1g/cm3인 발포유리의 열전도도를 측정한 결과 밀도와 열전도도는 선형적인 관계가 성립하며, 밀도가 낮을수록 열전도도가 감소함을 알 수 있다.  특히 밀도가 0.3g/cm3인 경우 열전도도는 0.060kcal/mhK로 가장 낮았다.  따라서 기공의 균일도를 유지하면서 밀도를 더 낮춤으로써 단열성을 향상시킬 수 있을 것으로 보이며, 이후 기공의 크기를 제어하며 밀도를 더욱 낮출 수 있는 방안에 대한 연구가 진행되어야 할 것이다.

참고문헌

1. 환경부, 환경백서, 1996.

2. 森谷太郞, □□□工學□□□□□□, 朝倉書店, 1963.

3. J. S. Morgan, J. L. Wood and R. C. Bradt, Mater. Sci. Eng., 47, 37(1981).

4. I. Chikuro, JP 59092944, 1984

5. N. Birks and C. P. Smolrnski, US Pat. 4769057, 1988.

6. S. Epson, JP 01252541, 1988.