KIGAM 한국지질자원연구원

코로나19로 평범한 일상 같은 대다수 것들이 멀어진 줄만 알았는데, 단 하나, 코로나19 때문에 우리 곁에 가깝게 다가온 존재가 있다. 바로 ‘플라스틱’이다. 집 밖을 나서기 어려워져 플라스틱이 기반이 된 배달과 포장 문화가 또 다른 일상이 되었다.

폐 커피 캡슐의 재활용

writer. 전호석 센터장(자원회수연구센터)

플라스틱 쓰레기 대란

얼마나 플라스틱 쓰레기가 늘었을까? 최근 전국의 재활용 선별장에는 넘쳐나는 플라스틱 쓰레기를 감당하지 못해, 그야말로 ‘플라스틱 쓰레기 대란’이 일어나고 있다고 한다. 페트병부터 일회용 포장 용기, 플라스틱 컵까지 각종 플라스틱 쓰레기가 산을 이루고 있다고 한다. 사정이 이러한데, 플라스틱 쓰레기를 수거해 가야 할 재활용 수거업체는 선별장을 제때 찾지 않는다고 한다. 세계 플라스틱 폐기물의 절반을 수입하던 중국이 2017년 7월 ‘외국 쓰레기 반입 금지와 고형폐기물 수입, 관리 개혁 실시 방안’을 발표하여 중국으로의 수출길이 막히고, 코로나19로 다른 국외시장까지 문을 닫아 판매처를 찾지 못하기 때문이다. 따라서 국내에서 발생한 폐플라스틱을 국내에서 재활용하는 것이 시급한 문제로 대두되고 있다.

캡슐 커피 시장의 성장

캡슐 커피는 커피 초보자들도 쉽게 만들어 마실 수 있다는 것이 장점이다. 캡슐은 원두와 달리 상온 보관해도 된다. 원두는 분쇄되는 순간부터 향을 잃기 시작해 시간이 지날수록 품질이 떨어진다. 반면 알루미늄 캡슐에 넣은 분쇄 원두는 오래 보관할 수 있다. 가격 또한 저렴해 부담 없이 즐길 수 있다. 이러한 이유로, 국내캡슐 커피 시장 규모는 최근 5년간 매년 20%씩 가파르게 성장해 지난해 기준 머신 매출 787억 원, 캡슐 매출 1,333억 원에 이른 것으로 나타났다. 또한 지난해부터 시작된 코로나19 사태 이후 캡슐 커피의 인기는 더욱 높아졌다. 사회적 거리두기 강화로 카페 매장 이용에 시간적·공간적 제한이 생기면서 집에서 안전하게 커피를 즐기려는 ‘홈카페족’이 증가했고 이는 캡슐 커피의 인기로 이어지고 있다. 그러나 해마다 사용량이 증가하는 캡슐 커피는 사용 후, 일반쓰레기로 분류되어 버려지고 있으며, 플라스틱과 알루미늄 및 커피찌꺼기의 혼합물로 구성되어 재활용에 어려움을 겪고 있다.

코로나 방전형 정전선별의 원리

폐 커피 캡슐의 재질분리 공정

이번 연구에 사용된 시료는 국내에서 가장 대중적인 NESCAFE Dolce Gusto 캡슐 커피로, 캡슐을 밀봉하는 라미네이트 시트(PET/PP), 외부 용기(PP), 플라스틱 필름(PP), 커피 분말, 알루미늄 호일, 플라스틱 필터(PP)로 구성되어 있다. 재질별 무게 비는 커피가 74.6%, 플라스틱이 24.7%, 그리고 알루미늄이 0.7% 이다. 커피를 제외한 무게 비는 플라스틱이 97.3%로 대부분이며, 알루미늄은 2.7%이다.

폐 커피 캡슐의 재활용을 위해 이번 연구에서 개발된 공정은 먼저, 폐 커피 캡슐을 슈레더(shredder)를 이용하여 1차 파쇄하고 파쇄 된 시료를 세척한다. 세척 된 시료는 8mesh(2.38㎜) 체(screen)를 이용하여 커피찌꺼기를 제거하였으며, 이때 체를 통과한 산물(커피찌꺼기)은 여과한뒤 건조하고, 체에 남은 산물(플라스틱, 알루미늄)은 건조한 후, 컷 크러셔(cut crusher)를 이용하여 2차 파쇄 한다. 2차 파쇄에 의해 일정한 크기로 파쇄 된 시료는 코로나 방전형 정전선별(corona discharge electrostatic separation)에 의해 전도성 산물(알루미늄)과 비전도성산물(플라스틱)로 분리된다. 그리고 비전도성 산물을 대상으로 알루미늄 제거율 향상을 위한 2번의 정선(cleaning) 과정을 거쳐 최종 산물이 얻는 공정이다. 이 공정을 통해, 알루미늄 제거 95.4%와 플라스틱 회수율 98.3%인 최종 산물을 얻을 수 있었다.

이번 연구에서는 알루미늄과 플라스틱의 재질분리를 위해 정전선별의 한 종류인 코로나 방전형 정전선별을 적용하였다. 도체와 부도체가 혼합된 광물 및 폐기물의 분리에 적용되는 코로나 방전형정전선별은 코로나 전극에 음극의 직류 고전압을 발생시키면 주변 공기는 전기적 절연파괴를 일으키고, 방전하게 되어 도체의 성질을 지니게 된다. 이 현상을 이온 충격(ion bombardment)이라 하며, 방전된 기체들은 정전기장을 형성한다. 선별기에 투입된 입자들은 정전기장을 통과하며 하전이 일어나지만, 접지된 회전 전극으로 인해 전하를 잃게 된다. 이때, 금속입자는 전도성이 커 전하소멸이 빠르게 일어나 회전 전극으로부터 궤적을 그리며 낙하하게 된다.

반면, 비금속 입자는 전도성이 작아 전하소멸이 천천히 일어나 거울상 힘(image force)에 의해 회전 전극에 부착되어 돌다 브러시에 의해 드럼에 떨어져 선별이 이루어진다. 코로나 방전형 정전선별에 영향을 주는 변수는 다양하다. 입자 변수로 입도, 밀도, 형상, 유전율 등이 있으며, 선별기에서 제어하는 공정 변수로는 시료의 공급량, 회전 드럼의 속도, 적용 전압, 코로나 및 유도 전극에서 드럼까지의 거리, 분리대의 위치 등이 있다. 또한 상대습도, 온도 등의 환경적인 변수가 있다. 따라서 이러한 변수들을 효과적으로 제어하여 최적 분리조건 및 분리효율을 찾아야 한다.

플라스틱의 재활용

폐플라스틱이 재생 플라스틱으로 재활용되는 과정 중, 가장 어려운 부분은 여러 종류로 혼합된 폐플라스틱의 재질분리이다. 혼합 폐플라스틱이 재질별로 분리되지 않으면, 물성 차이로 인해 재활용은 불가능하다. 이번 연구에 사용된 커피 캡슐의 경우, PP 재질이 대부분으로 알루미늄 제거만 효율적이라면 재생 플라스틱 제조에 큰 어려움이 없을 것이다.

재질분리 공정을 통해 회수된 폐플라스틱의 물질 재활용(material recycling) 가능성을 확인하기 위해 펠릿(pellet)으로 제조하고 물성을 평가하였다. 유해물질은 검출되지 않았으며, 일반적인 Homo-PP와 유사한 결과를 보였다. 대표적으로 GS 칼텍스의 Grade name H550과 유사한 물성을 보이는 것으로 확인되었다. Grade name H550의 경우, 시장에서 일반적으로 세탁기, 냉장고 등 가전제품, 식품 보관통, PP compound의 base 등 사용범위가 광범위한 수지이다. 따라서 재생 PP로 충분한 기능성이 존재하며, 가전, 건축 등의 일반적인 사출 소재로 사용이 가능할 것으로 평가되었다. 또한 신재와 혼합사용시, 등급이 높은 다양한 제품군에 적용이 가능할 것으로 평가되었다.

커피찌꺼기의 재활용

커피찌꺼기는 원두에서 커피를 추출한 성분을 제외한 나머지인 커피 추출 폐기물이며, 1t의 생두에서 약 650kg의 커피찌꺼기가 발생된다. 탄소, 유기물, 섬유소 등을 포함하고 있어 재활용 가치가 높은 물질이지만, 활용하지 못하고 대부분 일반쓰레기로 버려지고 있다. 이러한 커피찌꺼기의 폐기는 자원 낭비뿐만 아니라, 환경문제도 야기하고 있어 새로운 처리 방법 및 환경친화적 이용 가능성에 대한 다양한 연구가 활발히 진행되고 있다. 국내외적으로 커피찌꺼기를 이용한 에너지화, 흡착제, 퇴비, 건축, 식품 등 다양한 분야에서 연구가 진행되고 있다. 이 중 에너지화 기술은 고부가 가치의 잠재적 가능성이 있는 분야로 평가받고 있다. 그러나 대부분 원천기술개발 수준이며, 여전히 실용화 및 활성화에 대한 문제가 남아 있다. 현재까지의 커피찌꺼기 재활용 기술은 해당 분야의 다른 기술에 비해 경쟁력이 떨어진다고 평가받고 있다. 그러나 커피찌꺼기의 발생량은 해마다 증가하고 있으며, 이를 재활용하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있어 머지않아 경쟁력 있는 기술 개발이 기대된다.