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ISSN : 1598-6721(Print)
ISSN : 2288-0771(Online)
The Korean Society of Manufacturing Process Engineers Vol.17 No.4 pp.137-142
DOI : https://doi.org/10.14775/ksmpe.2018.17.4.137

Development of a Process Technique for Heavy Metal Removal in the Production of Recycled Synthetic Resin Materials

Jung-Ho Kim*, Cheon-Seok Cha**, Jae-Yeol Kim***, Ji-Hoon Kim***#
*Department of Automobile, Chosun College of Science & Technology
**Department of Fire Safety Management, Donggang University
***Department of Mechanical System & Automotive Engineering, Chosun University
Corresponding Author : kjh@chosun.ac.kr Tel: +82-62-230-7840, Fax: +82-62-230-7171
07/07/2018 21/07/2018 27/07/2018

Abstract


Recycled synthetic resin materials produced from waste vinyl and waste plastic contain many foreign substances. Plastic products made from this recycled resin materials containing foreign substances are of poor quality, with reduced the strength and rigidity. Foreign substances include heavy metals, cement, foil, dyed paper and dust. In this study, the scratch-Dies process; which remove foreign sbustances, with precision and automation, through a three-stage mesh filter, is designed. The process is evaluated with finite element analysis according to vibration loading and make. After installing the manufactured equipment, recycled resin was producde, and its heavy metal content was evaluated. Recycled synthetic resin materials were also used plastic products and evaluate their strength. In addition, the change in production was assessed.



재생 합성수지 원료생산을 위한 중금속 이물질 제거 공정기술 개발

김 정호*, 차 천석**, 김 재열***, 김 지훈***#
*조선이공대학교 자동차과
**동강대학교 소방안전과
***조선대학교 기계시스템미래자동차공학부

초록


    Chosun University

    © The Korean Society of Manufacturing Process Engineers. All rights reserved.

    This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

    1 서 론

    합성수지(Plastic)로 만든 비닐 및 플라스틱은 종류 가 다양하고 각각의 특성을 통해 일상생활은 물론 여러 산업분야에서도 중요한 역할을 담당하고 있으 나 매년 폐비닐 및 폐플라스틱 발생량이 증가하고 있다[1~2]. 그러나 이에 대한 수거 및 적절한 처리 등 재생방법의 개발이 미비하여 환경적으로 심각한 문 제를 야기 하고 있다[3]. 또한 선진국들이 중심이 된 수출품들에 일정비율의 재생품을 의무적으로 사용 하는 규정이 예정되고 있어 관련 업계의 미치는 영 향이 매우 클 것으로 예상된다.

    이러한 재생 플라스틱 생산 현황은 폐비닐 및 폐 플라스틱에 묻은 시멘트, 염색된 종이류, 흙먼지, 모래 등 이물질을 스크래치다이스 장비에 용융상태 로 만들어 이물질을 재거 후 재생 합성수지원료(펠 렛)를 생산한다. 스크래치다이스 장비는 이물질을 걸러주는 메쉬(Mesh)망이 잦은 교체로 인력이 상시 대기해야 하고, 교체시간 동안 장비가동이 중단되 어 생산력 감소가 발생하고, 생산중단 동안 경화 된 재생 합성수지를 재용융화 하는데 추가 에너지 가 소비되게 된다. 또한 현존하는 스크래치다이스 장비에서 이물질 제거는 2단계로 이루어져 있어 미 세 메쉬망을 사용하더라도 충분한 이물질 제거가 이루어지지 않은 저급의 재생수지가 생산되고 있 다.

    또한, 시멘트, 염색된 종이류, 흙 등 이물질은 중 금속(납, 카드뮴, 수은 등)을 다량 함유하고 있어 이 물질이 제대로 제거되지 않은 재생 합성수지로 만 들어진 제품을 통해 중금속을 섭취할 위험성이 생 기고 또한 재생 합성수지에 포함된 이물질에 의해 강도·강성 저하로 제품 품질이 감소된다[4~6]. 실제로 기존에 사용되는 재생 합성수지원료에서 납과 카드 뮴등 중금속이 식품의약품안전처에서 제시하는 기 준치(100㎎/㎏)보다 4.7배 이상 검출이 되었고, 재생 합성수지 제품 일부에서 기준치의 2배 이상이 검출 되었다.

    폐비닐 및 폐합성수지를 재생원료로 생산하는 기 업은 대부분 소기업으로 기술개발에 대한 인력, 비 용, 시간투자가 힘들어 앞에서 언급한 사회적 이슈 가 대두되고 있지만 관련 기술연구가 거의 진행되 고 있지 않아 관련연구 발표 및 특허가 거의 전무 하다[7~8].

    본 연구에서는 폐비닐 및 폐플라스틱을 용융시켜 중금속을 포함한 이물질을 3단계에 걸쳐 제거하고, 많은 재생 합성수지원료를 생산할 수 있는 스크류 푸셔를 적용하여 이물질이 거의 없고 대량자동화로 생산하고 할 수 있는 스크레치다이스 장치를 개발 및 제작하였다. 그리고 개발 전·후 생산된 재생 합 성수지원료의 중금속 함유량, 재생 합성수지원료로 만든 플라스틱 제품의 충격실험 그리고 재생 합성 수지원료 생산량을 비교·평가하였다.

    2 3공정 이물질 제거공정 및 장치

    스크레치다이스는 폐비닐 및 폐플라스틱을 190~200℃으로 용융시킨 후 여러 필터장치를 통해 폐합성수지에 묻은 흙먼지, 모래 그리고 시멘트 등 이물질을 제거하여 재생펠렛원료(재생 합성수지원 료)로 만들어주는 장치이다.

    대부분의 스크레치다이스는 Fig. 1와 같이 필터 망을 통해 흙먼지, 모래 그리고 시멘트등과 같은 이물질을 걸려 재생 합성수지원료를 생산하는데 필 터 망에 이물질을 제거하기 위해서는 장치를 멈추 고 교체작업이 이루어져 작업인원이 상시대기가 필 요하고 교체시간동안 용융상태 재생 합성수지원료 가 고체화되어 다시 용융상태로 만드는데 많은 에 너지가 소모된다.

    따라서 본 연구에서는 이물질제거장치 공정을 3 단계 공정으로 구분된 별도의 스크레치다이스를 개 발하였다.

    2.1 3단계 이물질 제거 공정

    이물질 제거에 사용되는 메쉬망 필터는 1차 공정 에서는 0.38㎟(40메쉬) 서스(Sus)망, 2차 공정에서 0.14㎟(100메쉬) 서스망 그리고 3차 공정에서는 0.083㎟(180메쉬) 서스망을 설치하여 사용하도록 하 였다.

    1차 이물질 제거공정은 Fig. 2와 같이 폐플라스 틱 및 폐플라스틱을 용융시켜 순차적으로 주입하는 두 개의 유압실린더(Ø16 x 300㎜)에 메쉬망 필터를 입구부분에 장착하고, 한쪽에서 메쉬망 필터 교환 시 다른 한쪽에서는 1차 이물질 제거가 연속적으로 이루어지도록 하였다. 필터부분에 압력센서를 설치 하여 이물질에 의해 메쉬망 필터에 일정이상의 압 력이 증가할 때 교체가 이루어지도록 하였다.

    2차 이물질 제거공정은 1차 이물질이 제거된 융 융 수지가 Fig. 3와 같은 케이스 입구의 메쉬망을 통해 이물질이 걸러지게 하였다. 또한 별도의 모터 장치와 PLC를 부착하여 일정시간에 따란 메쉬망이 자동 교체되도록 자동화 하였다.

    3차 이물질 제거공정은 Fig. 4와 같이 1, 2차에서 미처 걸러지지 못한 이물질을 마지막으로 제거하며 재생 합성수지원료가 인발 되도록 하였다.

    2.2 유한요소해석

    이와 같은 공정에 따른 3공정 스크레치다이스를 ANSYS를 이용한 유한요소 진동해석을 진행하여 제품의 변형량, 응력, 전단응력을 평가를 하였다.

    스크레치다이스의 소재는 스크류, 실린더 (SACM1), 체인지샤프트, 망회전기어, 쁘레카 (SM45C), 고정 Plate(SS41), 메시 체인져 블록, 스크 린체인져 블록(FCD60), 여과망(STKM13A)이며 구속 조건은 하단부를 완전 고정하고, 진동하중은 스크 레치다이스에 설치된 2개의 모터진동보다 2배 이상 으로 가혹한 하중값을 적용하여 해석하였다.

    메쉬종류는 테트라 메쉬(Tetra Mesh)로 노드 (Node)와 요소(Element)는 각 141,474개와 78,377개, 구속조건은 하단부는 전부고정하고 진동하중은 압 축기모터에서 1730rpm, 체인지필터(2차 이물질 제 거장치)에서 120rpm, 스크류 회전모터에서 1160rpm 에 2배 이상을 적용하여 Fig. 5와 같이 변형량, 응 력 그리고 전단응력을 얻었다.

    최대변형량은 약 2.129×10-5,으로 변형이 거의 없 음을 알 수 있다. 최대응력과 전단응력은 각각 4.752MP와 1.9886MPa으로 측정되었다. 이는 허용강 도가 제일 낮은 SM45C의 강도보다 충분히 낮으므 로 개발 장비의 안전성을 확인할 수 있었다.

    2.3 3공정 스크레치다이스

    스크레치다이스는 Fig. 6과 같이 제작하였다. 또 한 재생 합성수지원료를 대량 생산하기 위해 스크 류 푸셔를 스크레치다이스 중앙부분에 위치시켜 별 도의 모터를 연결하여 유입되는 원료의 양에 따라 스크류 푸셔의 속도를 제어하도록 제작하였다.

    3 실험결과 및 고찰

    3.1 재생 합성수지원료 중금속 비교평가

    스크레치다이스 제작 전·후의 생산한 재생 합성 수지원료와 이를 이용한 재생 플라스틱 제품을 대 상으로 중금속함유율(Pb, Cd, Hg, Cr)을 공인성적기 관인 한국화학융합시험연구에 의뢰하여 측정하였으 며 Table 1, 2에 나타내었다.

    기존 재생수지와 비교하면 납은 개발전 원료에서 226이 검출되었으나 개발시스템 적용 후 74, 68, 76 이 검출되었다. 카드늄, 수은, 크롬은 거의 검출이 되지 않아 중금속을 포함한 이물질이 효과적으로 제거됨을 알 수 있다. 또한, 식양청기준치 준 용기 기준은 100㎎/㎏이하 이므로 생활 플라스틱 용품으 로 사용에 문제가 없었고 재생플라스틱 제품에서는 원료에 남아 있던 납이 모두 제거되었음을 알 수 있었다. 이는 재생원료에 남아 있던 납 성분이 제 품 제조과정의 고온에서 제거된 것으로 보인다.

    3.2 재생 플라스틱 제품 평가

    개발 후 재생 합성수지를 사용한 플라스틱 제품 을 생산 후 강도등 사용성 평가를 위하여 한국건설 생활환경시험연구소에서 KS규격(KS T 1081 : 2014, 플라스틱제 회수용 운반용기)에 따라 압축하중, 모 서리 낙하 강도 그리고 충격강도를 Fig. 7과 같이 평가하였고 그 결과를 Table 3에 나타내었다[9].

    검사 결과 중금속이 거의 검출되지 않은 재생 합 성수지원료를 사용하여 만들어진 플라스틱제품에서 KS규격에 따른 파손 및 변형이 전혀 나타나지 않 아 실제 양산 제품으로 적용이 가능함을 알 수 있 었다.

    3.3 재생 합성수지원료 생산력 평가

    스크레치다이스 장비 개발 전·후의 재생 합성수 지원료의 생성량을 1일당 ㎏으로 3일 동안 측정하 여 Table 4 및 Fig. 8에 나타냈다. 재생 합성수지원 료 생산성이 제품개발 후 적용에 따라 생산량 증가 는 평균 26% 증가되어 본 연구에서 개발한 메쉬필 터의 성능과 자동화 라인의 스크류 푸셔의 적용이 효과적이라는 것을 알 수 있다.

    4 결 론

    납, 카드뮴, 수은 등 중금속이 함유된 이물질을 3 단계 메쉬 필터에서 효과적으로 제거되는 스크레치 다이스를 개발하고 제작된 장비를 통해 재생 합성 수지원료를 생산 후 중금속함유율 평가, 재생 합성 수지원료로 생산한 플라스틱 제품의 강도평가와 생 산량 증감액을 평가하였다.

    1. 중금속측정에서 기존 원료에서는 식약청 기준치 100㎎/㎏를 넘어선 납이 226㎎/㎏이 검출된 반면 개발 장비를 통한 원료에서는 납은 평균 72.7㎎/ ㎏이 측정되어 기준치를 만족하였고, 다른 중금 속은 검출 되지 않아 개발된 스크레치다이스에 서 이물질제거 효과를 확인하였다.

    2. 개발 시스템에서 생산된 재생원료를 사용하여 만들어진 플라스틱 제품의 강도평가에서 KS기준 을 만족하였다.

    3. 개발 시스템을 통한 재생원료의 양 평가에서 기 존 시스템 대비 26% 증가치를 보여 대량생산 자 동화기술이 잘 적용됨을 알 수 있었다.

    후 기

    “이 논문은 2015년도 조선대학교 학술연구비의 지 원을 받아 연구되었음.”

    Figure

    KSMPE-17-137_F1.gif
    Working environment before development
    KSMPE-17-137_F2.gif
    First Step Device of Foreign Material Removal
    KSMPE-17-137_F3.gif
    Second Step Device of Foreign Material Removal
    KSMPE-17-137_F4.gif
    Third Step Device of Foreign Material Removal
    KSMPE-17-137_F5.gif
    Vibrational analysis using ANSYS
    KSMPE-17-137_F6.gif
    Scratch-dies
    KSMPE-17-137_F7.gif
    Impact test based on KS
    KSMPE-17-137_F8.gif
    Daily production measurement value

    Table

    Comparative evaluation at recycled synthetic resin
    Comparative evaluation at recycled plastic products
    Test result based on KS
    Variation evaluation of output

    Reference

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