Chemical Fibers International

미국의 NAPCOR(PET 용기협회, National Association for PET Container Resources)는 ‘2006년 미국의 PET bottle 재활용 현황’을 발표하면서 소비량 2,460천톤중 577천톤이 재활용되고 나머지 1,883천톤이 소비후 폐기되었다고 밝히고 있음. 이는 ’05년 폐기량(588천톤)대비 3배가량 증가한 것임.

용기재활용연구소(Container Recycling Institute)는 이같은 폐기량 증가에 우려를 나타내고 있음. 용기 사용량이 증가하고 있으나, 회수량이 이에 크게 못 미치고 있다는 지적임. PET 용기의 폐기량 감축 및 재활용 확대를 위한 방안으로서 생수, 차세대 음료 등 병 제품군의 정리를 제시하였음.

그러나 이같은 목적 달성을 위한 규제, 친환경, 저코스트 재생기술 등이 결과적으로는 재생업계에 상당한 도움이 될 것으로 전망하고 있음. 일례로 Bepex International LLC는 코스트 및 에너지효율이 높고 대규모 재생에 적합하며, 품질 및 가공 flake의 가치향상이 가능한 공정을 선보이고 있음.

- PET flake 재생공정 개관

재생공정을 다양한 단위 공정으로 분류하여 작업흐름도를 보면, 상업화된 재생공정은 설비 및 공정(batch式, semi-batch式, 연속식 공정)에 따라 매우 달라질 수 있으며, flake 세척공정도 비슷한 특성을 지님. 특히, flake 세척이라는 공정 면에서 업체에 따라 고온의 부식성 약제(세정제)를 활용하거나 생략하기도 함.

세정 및 건조된 rPET flake는 다음과 같은 특성치를 갖게 됨. 이를 보면, 고유점도(IV) 0.70~0.76dl/g, 용융점 240~250℃, 유색 flake 성분 100~10,000ppm, 폴리올레핀 성분 10~100ppm, PVC 성분 10~50ppm, 수분함유율 0.4% 이하, b수치 2~5, flake 크기 1/2~3/8인치 등임.

동 rPET flake는 물질거동특성이 좋지 않고, 휘발성 유기 오염성분외에도 활용이 제한될 수 있는 문제가 있음. rPET flake의 거동특성 및 기능을 개선하고 가치향상 등을 위해서는 아래와 같은 수준까지 특성을 끌어올릴 필요가 있음.

고유점도 0.80~1.05dl/g. 유색 flake 성분 50ppm이하, 폴리올레핀 성분 5ppm이하, PVC 성분 5ppm이하, 수분함유율 50ppm이하, b수치 2이하 등임. 사출, 용융체 여과, 고화, 펠렛화 공정 등은 일반적으로 假密度(bulk density)라는 차원에서 물질거동특성을 향상시키는 데 기본적으로 사용되고 있으며, 고체 오염성분의 제거에도 일조할 수 있음.

그러나 이러한 추가 용융체 거동은 고유점도, 아세트알데히드 성분, rPET의 색상 등에 영향을 미치므로 결합된 추가적인 자본, 유틸리티, 운영비용 등의 면에서 이를 극복하려는 노력이 요구됨.

- 고압가스 및 SSP 공정의 기술적 고찰

미국의 Bepex International LLC는 단순화된 연속 SSP 공정을 개발, 시연한 바 있음. 동 공정은 IV 및 rPET flake의 가밀도 향상에 효과적이면서도 PVC, 접착성분, 휘발성 유기 오염물질 등의 성분저감외에 투입자본, 설비 및 생산비용 면에서 매우 유리함.

동사의 SSP 공정을 보면 기존 사출, 용융체여과, 고화, 펠렛화 등을 효과적으로 대체할 수 있도록 되어 있음. 업스트림 단계에서 rPET flake를 세척하고 건조한 후, Bepex의 “Bepex TorusDisc Preheater" 장치에 의해 결정화되고 반응온도까지 가열됨.

표면온도가 높은 회전디스크는 투입된 재료의 PVC/PE 성분을 탄소화시키는 한편, 접착제 및 휘발성 오염물질을 제거하게 됨. 미리 가열된 rPET flake는 overflow weir에 의해 TorusDisc 장치를 나오게 되면서 연속 SSP 반응기로 이동됨. 동 flake bed는 반응기의 최상층에서 최하단까지 중력에 의해 이동하며 고온의 질소가스가 표면의 접착제, 휘발성 유기 오염물질외에 SSP 반응상 부산물을 제거하게 됨.

동 유기 오염물질의 제거 메커니즘과 가스에 의한 세척효율을 살펴보면, 펠렛이 SSP 반응기상 머무르는 시간은 SSP 반응속도에 관련되어 있으며, IV도 최대 1.2dl/g으로 조정하는 것이 가능함.

SSP 속도를 다양한 PET 소재에 따라 비교하면, SSP 반응기 내에서 rPET flake의 무동작 bed는 220℃까지 가열될 수 있으며, SSP 반응기내에서 교반부족, 고온 등은 rPET flake의 유동특성을 저해하므로 Bepex에서는 해결책으로서 SSP 반응기 하단부에 독점기술에 의한 기계적 배출기를 설치하는 방법을 사용하고 있음.

SSP 반응기 하반부에 설치된 기계적 배출기의 회전축은 고체 rPET flake가 회전판의 주변 틈새로 계량하게 되며, 이러한 배치를 통해 소재의 가교화를 방지하며, 고온 및 bulk 정압으로 인한 흐름방해 덩어리를 분해시킬 수 있음. 또한, bed의 단면방향으로 가스분산을 효과적으로 진행하도록 도울 수 있음. 이밖에도 기계적 배출기는 rPET flake가 단일 제품으로서 품질을 위지하기 위해 체류시간을 일정하게 유지시킴.

- 고온 세척 SSP 공법의 경제적 고려사항

기계적 배출기를 통해 빠져나온 rPET flake는 고온이며, 건조된 상태이므로 최종제품 혹은 펠렛 형태로 직접 사출되며, 에너지 요구량이 낮고 IV 손실도 적은 것으로 알려짐. 추가적인 건조공정이 없어 건조시스템의 설치를 위한 자본 및 유틸리티 비용도 요구되지 않음. 가밀도는 35lb/ft3 수준으로서 일반 single-screw 사출기가 적합하며, twin-screw 사출기와 비교시 자본 및 유틸리티비용을 절감할 수 있음.

시간당 500kg의 가공능력을 기준으로 Bepex의 SSP 공정의 유틸리티 소비 및 가공코스트를 살펴보면 기타 공정과 비교시 거의 2배 가량이 절감될 수 있음. 이같은 가공비용은 대형 설비일수록 추가절감이 가능함. 또한, Bepex의 연속 SSP 시스템을 활용함으로서 일산 150톤 규모까지 rPET flake 생산규모를 확대할 수 있음.

반면, 배치 및 세미배치식의 기타 SSP 공정은 코스트 및 투자비용면에서 열위에 있는 것으로 나타남. rPET flake가 SSP 공정을 거친 이후 최종제품으로 직접 사출되는 경우와 rPET flake의 세척시스템이후 연계/통합시스템이 설치된 경우 요구되는 열에너지가 매우 낮음.

따라서 rPET flake SSP 시스템이 제품사출공정으로 직접 연결되어 있는 경우 투입자본 및 노동비용에서 상당한 이득을 볼 수 있을 것으로 보임.

- 결론

PET 용기의 소비가 급성장 하면서 PET 회수 및 폐기감축 등의 부분에서 요구사항이 확대되고 있음. 또한, 旣사용된 PET 용기의 재활용 및 재사용기술이 상당부분 진척되어 있음. 동 기술은 低자본 및 低생산코스트로서 rPET flake의 고부가에 도움을 줄 수 있어 결과적으로는 재활용시장의 확대에 매우 적합하며, PET bottle의 매립량도 크게 줄일 수 있는 장점이 있음.

현재 rPET flake의 품질이 낮아 수요중 약 80%가 의류용에 한정되어 있음. 동 분야의 추가적인 성장은 국제경쟁의 확대 및 마진압박 등으로 어려운 상황임. 마진확대는 음식/비음식용 용기, 산업용絲, 모노필라멘트, 필름, 시트, 폼보드 등의 분야에서 이루어질 것으로 기대되고 있음.

이러한 분야에서는 고품질(高IV, 低오염성분)의 rPET flake 및 pellet을 요구하고 있는 상황임. 이에 따라 Bepex는 rPET flake의 품질개선을 통한 고부가전략으로서 연속 고온가스세척공정을 제시하고 있으며, 이는 저가공비용(파운드당 1센트이하)외에도 대규모 재활용설비에 통합이 가능하다는 점이 특징임.