Design, Construction and Performance Evaluation of a Low-Cost Pilot-Scale Semi-Batch Pyrolysis Plant for Converting Polystyrene and Low-Density Polyethylene Waste into Fuel Oil

매년 인류는 수억 톤의 플라스틱을 생산합니다. 이 중 일부는 재활용 흐름으로 유입되기도 하지만, 막대한 양이 매립지에 버려지거나 환경에 흩어져 수 세기 동안 지속됩니다. 이 폐기물을 처리하는 유망한 방법 중 하나는 이를 다시 연료로 되돌리는 것입니다. 열분해라고 불리는 이 과정은 산소가 없는 밀폐된 용기 안에서 플라스키를 가열하는 것을 포함합니다. 산소가 없어 연소되지 않기 때문에 플라스틱은 연기나 재가 되는 대신, 연료유로 사용할 수 있는 액체 탄화수소와 약간의 가스 및 고체 잔류물로 분해됩니다. 과학자들이 수년 동안 작은 실험실 환경에서 이를 연구해 왔지만, 개발도상 지역에서 감당할 수 있을 만큼 저렴한 작동 가능한 기계를 제작하고 이를 실제 더러운 거리 쓰레기로 테스트하는 것은 여전히 큰 과제로 남아 있습니다.

최근 한 연구에서 나이지리아와 핀란드 연구진은 그러한 기계를 제작하고 성능을 확인하기 위해 나섰습니다. 그들은 한 번에 35kg의 플라스틱을 처리할 수 있는 파일럿 규모의 플랜트를 설계하고 제작했습니다. 전체 시스템은 아연 도금 강철(주요 조리용 솥), 열을 유지하기 위해 점토와 모래 혼합물로 안감을 댄 용광로, 증기를 다시 액체로 냉각하기 위한 스테인리스 스틸 튜브로 만든 응축기 등 현지에서 조달한 재료들로 만들어졌습니다. 연구진은 나이지리아 오웨리(Owerri) 거리에서 수거한 매우 다른 두 종류의 플라스틱 폐기기인 식품 용기에 사용되는 단단한 폼 형태의 폴리스티렌과, 비닐봉지에 사용되는 유연한 플라스틱인 저밀도 폴리에틸렌을 테스트했습니다. 그들은 플라스틱을 씻거나 화학적으로 세척하지 않았으며, 라벨, 잉크, 먼지가 묻은 상태 그대로의 실제 상태를 사용하여 실제 환경 조건이 결과에 어떤 영향을 미치는지 확인했습니다.

폴리스티렌을 가열했을 때 결과는 놀라울 정도로 효율적이었습니다. 기계는 플라스틱 무게의 72%를 액체 오일로 전환했으며, 공정 후 남은 고체 잔류물은 없었습니다. 이는 폴리스티렌이 가열될 때 원래의 구성 요소로 거의 완전히 분해되어 액체로 포집될 수 있는 증기로 변하는 경향이 있기 때문입니다. 그러나 연구진은 재료의 상당 부분인 약 28%가 응축기가 잡을 수 없는 가스나 미세한 안개 형태로 빠져나갔다는 점을 발견했습니다. 이는 폴리스티렌이 증기로 변하는 속도가 너무 빨라 냉각 시스템이 감당하지 못했음을 시사합니다. 생산된 오일은 걸쭉하고 어두운 색이었으며, 표준 디젤 연료보다 밀도가 높았고, 인화점은 섭씨 50도로 상업용 디젤의 안전 기준보다 약간 낮았습니다.

비닐봉지로 알려진 저밀도 폴리에틸렌을 사용한 경험은 상당히 달랐습니다. 이 플라스티브는 분해하기가 훨씬 더 까다롭습니다. 연구진은 이를 분해하기 위해 더 오래 가열해야 했고 더 많은 에너지를 사용해야 했습니다. 이 과정에서 기계는 투입된 플라스틱 양 대비 적은 양인 56.9%의 오일만을 생산했으며, 800g의 상당한 양의 고체 왁스 잔류물을 남겼습니다. 이 잔류물은 모든 플라스틱 사슬이 완전히 끊어지지 않았음을 나타냅니다. 그러나 이 플라스틱에서 나온 오일은 황 함량 측면에서 더 가볍고 깨끗했지만, 여전히 깨끗한 디젤 연료보다는 황 함량이 높았습니다. 연구진은 폴리에틸렌을 분해하는 데 폴리스티렌보다 약 2.5배 더 많은 열에너지가 필요하다고 계산했는데, 이는 비닐봉지의 길고 가지가 달린 사슬 구조가 가진 높은 열적 안정성을 반영합니다.

연구진이 오일의 황 함량을 분석했을 때 결정적인 발견이 나타났습니다. 폴리스티렌에서 나온 오일은 플라스틱 자체에 들어있어야 할 양보다 훨씬 더 많은 양의 황을 포함하고 있었습니다. 플라스틱 고분자에는 황이 포함되어 있지 않으므로, 연구진은 이 오염이 접착 라벨, 인쇄 잉크 및 플라스틱에 붙어 있던 기타 물질들, 즉 씻지 않은 거리 쓰레기에서 비롯된 것임을 밝혀냈습니다. 이는 플라스틱을 처리하기 전에 분류하고 세척하지 않으면 결과물인 연료가 오염되어 추가적인 처리가 필요하다는 주요 난관을 강조합니다. 폴리에틸렌에서 나온 오일 역시 황 함량이 높았으나 그 수준은 훨씬 낮았는데, 이는 아마도 플라스틱 내부의 첨가물이나 섞여 들어간 다른 폐기물에서 기인한 것으로 보입니다.

본 연구는 단순한 재료와 분류되지 않은 원료를 사용하더라도 플라스틱 폐기물을 연료로 바꾸는 저비용 플랜트를 구축하는 것이 기술적으로 가능하다는 결론을 내렸습니다. 기계는 디젤 엔진의 점도 요구 사항을 충족하는 액체 연료를 성공적으로 생산했으며, 이는 연료 라인을 통해 제대로 흐를 수 있음을 의미합니다. 그러나 연구진은 개선이 필요한 명확한 영역들을 확인했습니다. 증기를 냉각하는 응축기는 폴리스티렌에서 발생하는 빠른 이동 가스를 포집하기 위해 더 크거나 더 효율적이어야 합니다. 또한, 아연 도금 강철로 만들어진 반응기는 고온에서 아연 코팅이 녹아 연기를 방출할 수 있으므로 장기적인 사용에는 적합하지 않으며, 향후 버전에는 스테인리스 스틸이나 탄소강을 사용해야 합니다. 나아가, 오일의 높은 황 함량은 고품질 연료를 생산하기 위해 기계에 들어가기 전 플라스틱을 분류하고 세척하는 과정이 필수적임을 확인시켜 줍니다. 이 연구는 기술은 작동하지만, 최종 연료의 품질은 폐기물을 얼마나 주의 깊게 준비하느냐와 기계가 서로 다른 플라스틱의 특정 화학 성질을 얼마나 잘 다루도록 설계되었느냐에 달려 있음을 보여줍니다.