초임계유체로서 폐타이어 추출에 미치는 용매의 영향

나 대 엽, 강 원 석, 김 대 성, 박 정 호, 김 인 실, 박 판 욱

부산대학교 화학공학과

Effect of Solvents as Supercritical Fluid on Used

Automotive Tire Extraction

D. Y. Na, W. S. Kang, D. S. Kim, J. H. Park, I. S. Kim, P. W. Park

Dept. of Chem. Eng., Pusan National University

서 론

최근에 국내외적으로 폐기물 처리 문제가 시급한 문제로 부상하였고 도시 및 산업체 폐기물도 급격히 증가하고 있으나, 대부분의 폐기물은 초보적인 위탁처리나 매립에 의존하여 처리되고 있는 현실이다.

특히 국내에서 급증하는 자동차의 수요와 밀접한 관계가 있는 폐타이어의 발생량도 증가하여 최근 5년간 연평균 22.8%의 높은 증가율을 나타내어 연간 약 2300만개 이상의 폐타이어가 발생할 것으로 추정된다. 따라서 이러한 폐타이어의 재생 이용이 둔화되어 폐타이어를 야적시켜 방치하거나 불법소각하는 문제가 야기되었고, 회수된 폐타이어 중에서 30% 정도가 방치되어 미활용 되었고, 재활용의 용도로는 14%,  재생타이어 제조용 8%, 재생고무 제조용 5.5%, 군부대 진지용이 42%로 나타났다. 미국, 영국, 일본을 비롯한 외국의 경우는 소각장이나 시멘트공장에서 분쇄하여 분말로 만든 후, 이를 분말석탄과 혼합하여 보일러 연료로 개발, 현재 일부에서는 대체에너지로 이용하고 있으나 그 이용효율은 아직 미미한 형편이다. 폐타이어 재활용을 위한 처리기술로는 토목재료로의 처리방법, 에너지 이용 및 열분해 처리방법, 폐타이어 파쇄, 그리고 기타 처리방법등이 있다[1,2].

본 연구에서는 초임계유체로서 여러 용매를 이용하여 폐타이어 추출에 대한 용매능을 조사하였다. 초임계 상태에서 산화 특성이 높은 물, 28% 암모니아 용액, 액화암모니아[순도 99.8%] 등이 좋은 용매능을 보였다. 추출된 잔존고형분은 FT-IR, NMR등으로 조성을 분석하였다.

실 험

초임계추출에 사용한 용매로서 초임계상태에서 산화특성이 높다고 알려진 물을 사용하였고 다음으로 상온에서 고무의 분해능이 좋은 28%의 암모니아 용액, 액화암모니아 등을 선정하였다. 암모니아는 순도 99,8%의 공업용 액화가스를 사용하였고 암모니아용액은 28% 일급시약[Showa Chemical Inc.]을 사용하였다.

시료로 사용한 폐타이어는 H사의 폐타이어의 sidewall 부분을 수분을 완전히  제거한 후 바로 사용하였다. 시료 입방체의 크기는 3mm와 6mm규격을 만들어 사용하였다. 시료는 60℃ 열을 가한 상태에서 진공펌프를 사용하여 5시간 가량 흡착된 수분을 완전히 제거하였다. autoclave내에 매달은 basket에 3g의 시료를 넣고 hexanut 로 완전히 고정하였다. 진공펌프를 사용하여 상온에서 1시간 가량 autoclave 내의 공기를 완전히 제거하였다.

선정된 용매를 Isco Pump를 사용하여 일정량 투입한 후 autoclave vessel 내의 온도를 원하는 상태까지 승온한 후에 다시 Isco Pump를 사용하여 원하는 상태의 압력까지 가압하였다. 설정된 추출시간에서 실험을 멈춘 후에 autoclave vessel 온도를 냉각 circulator를 이용하여 상온까지 급냉시켰다.

autoclave vessel 내에 매달린 잔여고형분은 THF 용매로써 묻어있는 오일을 회수한 후에 110℃ 오븐에서 건조한 다음 무게를 칭량하였다.

교반기와 vessel 내에 묻어 있는 오일은 THF 용매로 여러번 세척한 다음 감압증류로 용매를 제거하였다. 오일은 NMR, FT-IR, GPC 분석으로 오일의 성분과 평균분자량을 측정하였다. 잔여고형분은 NMR, FT-IR을 사용하여 성분의 조성을 분석하였다.

결과 및 토의

Fig 1.은 환산온도[Tr] 1.12, 환산압력[Pr] 1.3 에서 시간별에 따른 폐타이어의 무게손실 결과를 보여 주고 있다. 같은 환산압력과 환산온도에서 추출능은 28% 암모니아 용액, 물, 암모니아순으로 나타났다. 물과 암모니아 용액은 약간의 차이을 보이는 반면 순수암모니아는 7시간의 추출에서도 폐타이어의 추출에 거의 영향을 미치지 못했다.

질소,톨루엔,물,펜탄을 사용하여 폐타이어에 대한 초임계추출에 관한 Funazukuri 등의 연구결과에서도 폐타이어에 대한 물의 산화특성이 높은 것을 보였다[3,4].

Fig 2.는 같은 압력에서 온도변화에 대한 순수 암모니아의 추출능을 보여 주고 있다. Fig 1.에서 암모니아는 폐타이어 추출에 저급한 용매로 보이나 Fig 2.는 암모니아가 온도변화에서 급격한 추출능을 보여 주고 있다. Plateau Temp.가 되는 1시간의 추출에서 거의 고형분 31.2%까지 추출됨을 알수 있으며 그 이후에도 추출평형을 이루고 있다. 이러한 것은 Table 1.의 원시료 고형분 조성과 거의 같음을 알 수 있다. 따라서 암모니아는 임계온도와 임계압력이 다른 용매보다 낮고비교된 바와 같이 온도의 변화에 민감한 추출능을 보이므로 폐타이어의 추출에 유망한 용매로서 사용될 수 있음을 알 수 있다.

REFERENCE

[1] Toshitaka Funazukuri, Tetsuya Takanashi and Noriaki Wakao J.Chem.Eng. of Japan 20 (1987)

[2] T. Funazukuri, S. Ogasawara and N.Wakao, World Congress of Chem. Eng. (1986)

[3] Kevin M. Scholsky, Kevin M. O'Connor, and Carls. Weiss, J.of Applied Polymer Sci., 33, (1987)

[4] Sadao Ogasawara, Mikiya Kuroda, Noriaki Wakao, Ind. Eng. Chem. Res. (1987)

[5] Hsisgeng Teng, Michael A. Serio, Marek A. Wojtowicz, Rosemary Bassilakis, and Peter R. Solomon, Ind. Eng. Chem. Res.(1995)

[6] Bala Subramaniam and Mark A. McHugh, Ind. Eng. Chem. Process Des. Dev. (1986)

component                    wt(%)

natural rubber                    53.2

styrene-butadiene rubber         13.7

carbon black                    29.4

zinc oxide                      1.9

sulfer                         1.1

accelerator                    0.7

Table. 1 Composition of used automotive tire