서론

전 세계적으로 생활수준의 향상으로 인하여 경기침체임에도 불구하고 전자제품의 사용량은 매년 급속하게 증가하고 있다. 중소형가전의 시장규모는 대형가전 시장의 약 1/3 수준에 불과하나 시장의 성장률은 약 5%로 대형가전의 성장률 약 2%에 비해 약 두 배가 넘는 수준이다. 이와 같이 소형가전의 시장성장에 따라 소형가전의 보급량이 크게 증가하고 있으며 그로인해 폐소형가전의 발생량도 지속적으로 증가하고 있다. 또한, 소형가전의 경우 내구성의 한계에 도달하거나, 성능 및 디자인이 바뀐 신제품의 출시로 인한 교체 등으로 폐기물로 버려진다. 버려지는 폐가전제품의 재활용은 매우 중요한 과제이며, 재활용을 통하여 소각 및 매립 처리되는 폐기물의 양을 크게 저감시킬 수 있다. 또한, 폐가전에 포함되어 있는 유용자원을 회수하여 재활용이 가능하고, 환경적으로 유해한 성분이 함유된 부품이나 재질을 사전에 제거함으로써 환경오염 문제를 최소화시키는데 기여할 수 있다.

해외의 경우 전기 ․ 전자폐기물 발생량의 75%를 차지(UNEP자료)하는 유럽연합과 일본에서는 이미 자동차와 전기 ․ 전자제품에 대한 환경기준과 재활용 제도를 마련해 시행하고 있다. 미국과 중국에서도 이와 유사한 형태의 재활용정책을 추진하고 있다. 이러한 직 ․ 간접적인 환경법규는 우리나라의 주요 수출지역인 EU, 미국, 아시아가 전체 수출량의 약 85.7%를 차지하며, 전자제품의 경우 해외의 직 ․ 간접적인 환경법규는 322 개 이상이다. 이와 같이 선진국의 경우 폐가전제품에 대한 다양한 재활용 정책을 확대 수행함으로써 환경에 대한 지속성(Sustainability)의 확보는 물론, 일자리 창출 및 귀금속/희유금속(Precious or rare metals)의 회수 등 자원 확보를 위한 노력을 지속적으로 추진해오고 있다(Buenkens and Yang, 2014).

국내의 경우 2003년에 도입된 생산자책임재활용제도(EPR)는 대형 가전제품 총 10 개의 대상 품목에 대한 재활용을 촉진시키는데 크게 기여하였으나, 2008년 이후 재활용률 증가는 답보 상태에 있다. 정부는 2014년부터 폐가전제품의 재활용량 제고를 위해 전기 ․ 전자제품 재활용 목표관리제를 도입하여 환경성보장제 대상 품목을 10 개 품목에서 27 개 품목으로 확대하였으며, ｢전기 ․ 전자제품 및 자동차의 자원순환에 관한 법률｣에 따라 전기 ․ 전자제품의 인구 1 인당 재활용목표량을 2014년 3.9 kg/인에서 2017년 5.4 kg/인으로 확대 고시하였다. 2018년까지 6 kg/인으로 확대해 나갈 예정이며 또한, 정부는 폐가전제품에 대한 무상방문 수거 서비스(Door-to-Door)를 대형제품 뿐만 아니라 중소형가전으로 확대 수행함으로서 향후 폐가전제품의 재활용 대상 물량이 크게 증가할 것으로 예상된다.

대형폐가전에 비해 폐소형가전은 플라스틱의 함량이 비교적 높을 뿐만 아니라, 대부분의 경우 파쇄 후 혼합 플라스틱 형태의 저급으로 재활용되고 있는 실정이다. 특히, 폐소형가전의 경우 중량 대비 검정색 플라스틱의 비율이 대형폐가전에 비해 상대적으로 높을 뿐만 아니라, 플라스틱 재질선별이 효과적으로 이루어지지 못하여 대부분이 혼합물의 형태로 저가에 매각되고 있다. 또한, 법에서 분류한 소형가전 12 개 품목의 경우 제조사, 기기의 종류(형식), 제조년도 등에 따라 내부 구성 물질과 플라스틱 재질이 다양하여 폐소형가전 재활용업체에서는 인력에 의한 수선별을 통하여 일부 폐자원을 회수하고 있다. 특히, 폐소형가전 내 인쇄회로기판(Printed Circuit Board, PCB)의 경우 대부분 납땜이 되어있어 PCB로부터 Pb을 포함한 다양한 중금속의 유출로 인한 환경오염 문제를 예방하기 위해서라도 재활용 공정 중 사전에 제거가 이루어져야 한다(Cesaro et al., 2016).

기존 선행연구 중 PET와 PVC는 서로 비중이 비슷하여 기존의 비중분리로는 효과적인 분리를 이룰 수 없는 문제를 극복하고자 마찰 정전기를 이용하여 이 두 혼합 물질을 분리하는 연구(Eo and Cho, 2001)와 마찰하전형 정전선별법을 적용하여 ABS와 PBT 혼합 폐플라스틱의 재활용을 위한 재질분리 기술 연구(Baek et al, 2008)가 있으나 폐소형가전을 대상으로 한 것이 아니라 혼합 폐플라스틱을 대상으로 하였으며 각각 최적 조건의 도출 및 경제성이 요구된다.

이와 같이 폐소형가전 재활용시 경제적 측면이나 환경적 측면에서 볼 때, 발생량이 지속적으로 증가하고 있는 폐소형가전의 친환경적 처리와 재활용 활성화를 위해, 유색/검정색 플라스틱 선별기술의 개발뿐만 아니라 상용화가 가능한 재질인식 및 선별기술의 개발이 시급한 실정이다(Choi, 2015).

본 연구에서는 생활계에서 발생하는 폐소형가전 중 오디오, 청소기, 전기밥솥, 그리고 비디오플레이어 등 대표적인 12 개 품목을 선정하여 수작업으로 해체 후, 품목별 구성 물질을 세분화하여 분석하였다. 주요 구성 물질 중 플라스틱의 경우 수작업을 통해 재질선별 및 색상(검정색/유색) 선별을 수행하였다. 또한, 수작업과 재활용업체의 해체 ․ 선별 공정의 비교 분석을 위하여 선별공정에서 발생한 파쇄 시료에 대한 비중선별 실험 및 물리적 성상분석을 수행하였다.

폐소형가전 해체실험

폐소형가전 재활용업체 폐플라스틱 특성분석

해체실험 방법

다음 Table 1에는 환경부의 보도자료(2014. 1. 29.) 중 일부를 인용하여 국내 폐가전 재활용 의무대상 품목과 제도의 변천사를 요약한 표이다. 표에서 알 수 있듯이 추가된 중소형가전의 경우 중형기기 5 개 제품과 소형기기 12 개 제품 등 총 17 개 품목이 포함되었다.

Table 1. Used small household appliances recycling in Korea

본 연구에서 사용한 실험대상 시료는 전기 ․ 전자제품 재활용 목표관리제 대상품목으로 지정된 12 개 품목으로, 경기도 H시에 위치한 폐소형가전 재활용업체를 통하여 확보하였다. 재활용업체에서 확보한 폐소형가전은 공기청정기, 전기밥솥, 선풍기 등으로, 주요 대상 제품은 Fig. 1에 나타내었다. 폐소형가전은 Fig. 2에 제시한 분류방법에 따라 해체 및 분리 선별하였으며, 주요 구성 물질은 플라스틱류, 철금속류, 비철금속류, 고무/섬유류 등으로 세분화하였다(Jung et al, 2015).

Fig. 1.

Used small household appliances from private collection company in H City.

Fig. 2.

Flowsheet of dismantling process of used small household appliances.

해체실험 결과

Table 2는 폐소형가전 12 개 품목 총 36 개 시료의 해체실험 결과를 기반으로 제품별 구성 물질을 분석한 결과를 나타낸 것으로, 결과치는 대상 시료 3～4 개를 분석한 값의 평균값으로 제시하였다. 아래 표에서 알 수 있듯이 대상 폐소형가전의 구성 물질은 매우 다양한 것으로 나타났으며, 플라스틱류의 함량이 최대 68.02%까지 매우 높게 분석되었다. 특이사항으로는 압력밥솥의 경우는 비철금속류 중 스테인레스 재질 함량이 약 20.70%로 플라스틱류 다음으로 높게 나타났으며, 반면에 공기청정기와 스토브형 전기히터의 경우 구성 재질 중 유리 ․ 세라믹류가 7% 이상 포함된 것으로 분석되었다. 또한, 폐소형가전의 경우 거의 모든 제품에 PCB 기판을 함유하고 있어서 해체단계에서 Pb 등 중금속이 함유된 부품/재질의 사전 제거가 요망되고 있다(Choi et al., 2016).

Table 2. The composition of used small household appliances after dismantling process (Unit : wt.%)

Table 3은 폐소형가전으로부터 회수한 플라스틱류를 검정색과 유색 및 각 재질별로 구분하여 나타낸 결과이다. 비데, 선풍기, 연수기, 일반전기밥솥 품목의 경우 다양한 색상의 플라스틱 재질이 제품 전체에 사용된 것으로 조사되었다. 특히, 가습기, 공기청정기, 쥬서기, 압력밥솥, 라디오, 충전형 진공청소기 그리고 스토브형/온풍형 전기히터 등의 경우 유색 플라스틱의 함량이 높게 조사되었다. 그 이유는 품질 및 안정성, 기능, 가격, 디자인 및 색상, 금형, A/S 등 다양한 요인이 있겠으나, 소비자의 선택에 의한 결정이 가장 중요한 요인으로 작용하기 때문에 유색 플라스틱을 사용하여 세련되고 화려한 디자인의 제품을 생산하면서 발생된 것으로 분석된다(Choi and Yoon, 2012).

Table 3. The composition of used small household appliances after dismantling process (Unit : wt.%)

검정색 플라스틱의 경우 비디오플레이어(VCR) 74.22%, 오디오 64.53%, 다리미 61.18% 순으로 매우 높게 조사되었다. 본 3 개 품목의 경우 제조단계에서 검정색 플라스틱을 외장용 부품으로 사용하여 타 품목에 비해 검정색 플라스틱의 비율이 월등히 높게 조사되었다.

폐소형가전 중 검정색 플라스틱은 ABS, PP, PS 등의 재질이 주로 사용되고 있으며, 우선 ABS의 경우 비디오플레이어(DVD) 26.15%, 가습기 14.54%, 그리고 일반형 진공청소기 6.96% 순으로 조사되었다. 이는 비디오플레이어(DVD)의 DVD 재생부, 가습기 내부의 부품, 일반형 진공청소기의 외장 하부 부품으로 사용됨에 따라 비율이 높게 나타난 것으로 분석되었다.

다음으로 검정색 PP를 살펴보면 일반형 진공청소기 32.31%, 스토브형 전기히터 17.41% 순으로 조사되었다. 일반형 진공청소기에서는 커버(Cover) 부분, 스토브형 전기히터에서는 내부 부품에서 주로 사용됨에 따라 높게 나타난 것으로 확인되었다.

Fig. 3은 본 실험에서 사용한 폐소형가전제품 중 하나인 오디오 시료의 형식(종류)에 따라 구분한 라디오 형식과 오디오 형식의 분해된 모습을 보여주고 있다. 폐소형가전을 수작업으로 해체 후 물리적 성상분석을 수행하였으며, Fig. 4는 오디오에 대한 해체 실험결과를 보여주고 있다. 같은 오디오 제품군임에도 불구하고 라디오 형식과 오디오 형식이 육안으로도 구분이 가능할 만큼 오디오 형식에서 검정색 플라스틱과 나무 재질이 많은 것을 알 수 있다.

Fig. 3.

The main components of the radio & audio equipments after dismantling.

Fig. 4.

Flowsheet of recycling process for used small household appliances.

Table 4는 오디오 중 라디오 형식과 오디오 형식 각각에 대한 구성 물질과 비율을 제시하였으며, 플라스틱류가 각각 46.78%와 23.91%로 가장 높게 나타났다. 그 다음으로 기타 부품류 27.73%와 29.21%, 철금속 및 나사류 11.02%와 12.27%, PCB 기판 9.31%와 9.13%, 모터류 5.16%와 6.74%로 각각 분석되었다. 라디오 형식과 오디오 형식의 경우 구성 물질과 비율에서 차이를 보이는 것은 라디오 형식의 경우 오디오 형식에 비해 유색 플라스틱의 비율이 약 31.13% 더 높은 것으로 분석되었으며, 오디오 형식의 경우 라디오 형식에 비해 검정색 플라스틱의 비율이 약 8.26% 더 높은 것으로 분석되었다.

Table 4. The composition of audio equipments after dismantling process (Unit : wt.%)

실험방법

폐소형가전 재활용업체의 재활용 공정에서 발생한 시료를 분석하기 위해, 충청남도 A사와 인천시 B사에서 폐플라스틱 시료를 확보하였다. Fig. 4에는 폐소형가전 민간재활용업체의 재활용 공정을 제시하였으며, 두 업체의 경우 회수된 폐소형가전을 파쇄 후 수선별 및 자력선별 공정을 적용하여 일부 유가자원, 즉 고철, 전선, PCB 등을 회수한 후 습식 비중선별 공정을 채택하여 혼합 플라스틱을 선별회수하고 있다(Choi, 2004).

실험에 사용한 혼합 플라스틱 시료를 Fig. 5에 제시하였으며, A업체의 경우 자력선별 공정을 거친 혼합 플라스틱(시료 A-1)과 비중선별 후 회수된 폐플라스틱 2 종류(시료 A-2, A-3), B 업체의 경우 자력선별 공정을 거친 혼합 폐플라스틱(시료 B)을 각각 사용하였다.

Fig. 5.

Mixed waste plastics obtained from private recycling companies.

특히, 본 실험에서는 폐소형가전으로부터 회수된 플라스틱 중 검정색 플라스틱의 재활용을 촉진시키기 위해, 인력에 의한 수선별시 각 12 개 품목에서 발생하는 검정색 플라스틱의 비율과 폐소형가전 재활용업체의 재활용 공정에서 발생한 파쇄 시료를 비중선별(물) 공정을 통해 재질 선별 후 회수된 혼합 시료 중 검정색 플라스틱 비율과의 차이를 비교하기 위한 실험을 수행하였다.

일반적으로 플라스틱과 금속은 비중차이가 크기 때문에 비중선별(Gravity Separation) 기술을 적용하면 재질선별이 가능하다. 그러나, 플라스틱 재질의 경우 Table 5에서 알 수 있듯이 일부 재질의 경우 비중값의 차이가 크지 않아 비중선별(물)이 효율적이지 못하다.

본 실험에서는 폐소형가전에서 회수한 검정색 플라스틱의 재질선별을 위해 비중선별(물) 실험을 수행하였다. 폐소형가전 파쇄시료는 민간폐소형가전 재활용업체에서 확보하였으며, 충청남도 A사의 3 개 시료 A-1, A-2, A-3과 인천시 B사의 시료 B를 비중선별(물) 실험에 사용하였다.

Table 5. Specific gravities of plastics

실험결과

Table 6은 폐소형가전 민간재활용업체의 재활용 공정에서 채취한 폐플라스틱 시료의 비중선별 실험결과를 나타낸 것으로, A사의 자력선별 공정을 거친 시료 A-1의 비중선별 산물은 중량물 89.76%와 경량물 10.24%로 나타났다. 그리고 A-2의 비중선별 산물은 중량물 98.06%와 경량물 1.94%로 플라스틱의 주요 재질은 PS와 ABS로 판단되며, A-3 시료의 경우는 중량물 0.44%와 경량물 99.56%로 주요 재질은 PP로 판단된다.

Table 6. Result of gravity separation tests

B사의 재활용 공정 중 자력선별을 거친 시료 B에 대한 비중선별 산물은 중량물 98.67%와 경량물 1.33%로 나타났으며, 재활용 공정에 투입되는 폐소형가전의 품목에 의해 중량물의 비율이 매우 높은 것으로 판단된다.

Table 7은 폐소형가전 민간재활용업체의 재활용 공정에서 회수한 폐플라스틱의 비중선별 후 물리적 성상을 분석한 결과를 나타냈으며, 비중선별 후 건조 과정을 거쳐 4 mesh(4.76 mm) 미만의 크기는 잔재물로 간주하였다. 시료 A-1의 경우 검정색 플라스틱은 경량물 1.94%, 중량물 17.20% 등 모두 19.14%로 확인되었으며, 검정색 플라스틱의 비율은 경량물보다 중량물이 약 8.9 배 정도 높은 것으로 분석되었다. 시료 A-2의 경우 비중선별 후 회수된 중량물로 주요 재질은 PS 및 ABS로 판단되며, 검정색 플라스틱은 약 25%로 거의 대부분 중량물에 포함되어 있는 것으로 조사되었다. 시료 A-3의 경우 비중선별 후 회수된 경량물로 주요 재질은 PP로 판단되며, 검정색 플라스틱은 약 12%로 거의 대부분 경량물에 포함되어 있는 것으로 조사되었다. 시료 B의 경우 비중선별 후 회수된 중량물로 주요 재질은 PS 및 ABS로 판단되며, 검정색 플라스틱은 약 40%로 거의 대부분 중량물에 포함되어 있는 것으로 조사되었다. 특히, 비중선별 후 최종 회수된 시료 A-2과 시료 A-3의 검정색 플라스틱의 함량을 비교하였을 경우 중량물(PS 및 ABS)이 경량물(PP) 보다 약 두 배 정도 많은 것으로 분석되었다.

Table 7. Physical characteristics of mixed waste plastics obtained from private recycling companies (Unit : wt.%)

결론

본 연구에서는 생활계에서 발생하는 폐소형가전 중 대표적인 12 개 품목을 선정하여 수작업으로 해체 후 품목별 구성 물질을 분석하였으며 구성 물질 중 플라스틱류를 재질 분석 및 색상선별을 수행하였다. 또한, 수작업과 민간재활용업체의 재활용 공정에서 회수한 플라스틱 시료를 비중선별 실험 및 물리적 특성을 분석하였으며 그 결과를 요약하면 다음과 같다.

1. 폐소형가전의 구성 물질은 플라스틱류, 철금속류, 비철금속류, PCB 등으로 매우 다양하며 특히, 가습기의 경우 플라스틱류의 함량이 약 68%로 매우 높게 조사되었다. 이는 가습기가 대부분 플라스틱으로 구성되어 있기 때문으로 사료된다. 폐플라스틱 중 검정색 플라스틱의 주요 재질은 ABS, PP, PS 등이며 ABS는 비디오플레이어(DVD) 26.15%, 가습기 14.54%, PP는 일반형 진공청소기 32.31%, PS는 오디오 형식 6.82% 등으로 각각 조사되었다. 오디오를 형식에 따라 구분하여 검정색 플라스틱의 비율을 비교분석한 결과 폐소형가전은 동일한 품목이라 하더라도 형식(종류)에 따라 구성 물질 및 검정색 플라스틱의 재질이 서로 다른 특성을 가지는 것으로 분석되었다.

2. 폐소형가전 민간재활용업체의 재활용 공정에서 채취한 폐플라스틱 시료 A-1의 경우 중량물 89.76%, 경량물 10.24%로 조사되었으며, 시료 A-2의 경우 중량물(PS 및 ABS)이 98.06%, 시료 A-3의 경우 경량물(PP)이 99.56%, 그리고 B사의 시료 B의 경우 중량물(PS 및 ABS)이 98.67%로 분석되었다. 비중선별 후 각 시료에 대한 검정색 플라스틱의 비율은 시료 A-1의 경우 경량물 약 2%, 중량물 약 17%로 모두 약 19% 이었으며, 시료 A-2는 약 25%, 시료 A-3 약 12% 및 시료 B 약 40%로 분석되었다.

3. 수작업 해체 시에는 재질 선별 및 색상(검정색/유색) 선별이 가능하지만, 많은 작업시간과 인력이 요구되며 반면에 공정을 통해 재활용할 경우 대량 처리가 가능한 비중선별을 통해 PP 재질의 회수는 용이하나 PS와 ABS 재질 선별에는 한계가 있다. 이러한 선별 한계를 극복하기 위해 폐소형가전의 효율적 재활용을 위한 해체/파쇄/선별공정을 개발하여 현장적용을 위한 연구를 수행 중에 있으며, 향후 검정색 플라스틱 PS와 ABS 재질인식/선별기술의 개발이 이루어져야 할 것으로 사료된다.