The use of silica-coated PET fabrics, specially designed for printing, is continuously increasing and its waste causes serious environmental problems. Pretreatment process including NaOH reaction was developed to remove surface impurity from the fabric wastes as the reaction can dissolve hydrophilic fumed silica. The pretreated PET fabrics can be used to produce commercially valuable items.
In this study, the mechanism of the pretreatment process was proposed and verified. The lab-scale and bench-scale pretreatment processes of silica-coated PET fabric waste were developed based on the dissolution of fumed silica in NaOH solution. The wastewater treatment process was developed by using coagulation-flocculation method with aluminum sulfate (alum). Also commercially valuable products were fabricated with pretreated PET fabrics.
Experimental results from lab-scale pretreatment process showed excellent removal of surface impurity including fumed silica with 5% NaOH reaction in 25 min at $85^\circ C$. The rate constants for dissolution of fumed silica in NaOH solution were evaluated by using the pseudo-first-order reaction model. The ratio of fabric samples to NaOH solution was 1:8 and NaOH solution could be recycled at least 10 times. Results from bench-scale pretreatment process showed successful removal of surface impurity with 5% NaOH solution. Optimized condition was 25 min at $85^\circ C$ with 1:8 ratio of fabric samples to NaOH solution, 60% loading of NaOH solution to drum capacity. To sufficiently remove dye and residual NaOH from fabric samples, the pretreated PET fabrics should be washed at least 4 times.
Results from wastewater treatment process showed that the wastewater generated from the pretreatment of silica-coated PET fabric waste can be treated with conventional coagulation-flocculation process using alum. The optimal pH and coagulant dose for the wastewater treatment were pH 8 and 600 mg/L to give 99.3% color removal. In addition, composition of treated water was within acceptable level for effluent discharge according to the Enforcement Degree of the Water Quality and Ecosystem Conservation Act. from Ministry of Environment.
The glycolysis of pretreated PET fabric to BHET monomer was studied with ethylene glycol (EG) and zinc acetate (ZnAc) catalyst. The experiment results showed that higher BHET monomer yield (89.21% compared to 60.39%) was achieved by the pretreatment process and the purity of BHET monomer was confirmed by qualitative analysis.
In conclusion, pretreatment process of silica-coated PET fabric waste was developed to solve environment problems by recycling of pretreated PET fabrics. Based on the lab-scale and bench-scale experiment results in this study, it was confirmed that scale-up can be applied to develop pilot-plant process. Also NaOH and wash solutions could be re-used to minimize water usage. The wastewater can be treated cost-effectively with alum. The pretreated PET fabrics can be processed by both physical and chemical recycling methods to produce commercial product.
실리카 코팅된 PET 천은 PET원단 위에 실리카와 바인더가 경화되어 코팅된 천으로 대부분 현수막 천 제작에 사용되고 있다. 근래에 들어 실사출력 및 디지털 텍스타일 프린팅 기술이 비약적으로 발달함에 따라 현수막의 사용도 급격히 증가하게 되었고, 대량의 폐기물이 발생되어 매립, 소각으로 인한 환경문제가 대두되고 있다. 이러한 사회적인 이슈를 해소하고자 폐현수막을 재활용하는 방법이 하나 둘씩 고안되고 있지만 폐현수막의 실리카 코팅층이 남아 있어 가공된 제품의 품질이 떨어지는 문제가 발생되고 있다. 아직까지 폐현수막 천의 표면 불순물을 제거하는 전처리 공정이 개발되지 않아 본 연구를 통해 폐현수막 천의 표면 불순물을 제거하는 전처리 공정을 개발하고 상업화 시키기 위한 scale-up 연구를 수행하였다. 또한 전처리 공정의 단가를 낮추고자 용매 및 물을 재사용하는 방법을 개발하였으며, 전처리 공정에서 발생되는 폐수를 처리 단가가 적은 응집-침전법으로 수처리하는 공정을 개발하였다. 아울러 전처리된 PET천을 응용하여 재활용하는 방법을 연구하였고, 물리적, 화학적인 방법으로 재활용이 가능한 것을 확인할 수 있었다. 본 연구를 통해 수행한 연구 내용은 다음과 같다.
첫 번째로, 실험실 규모의 폐현수막 전처리 공정을 개발하여 현수막 표면의 실리카 코팅층을 제거하도록 하였다. 실리카 코팅층에서 fumed silica를 추출하여 분석한 결과 hydrophilic 성질을 가진 fumed silica 입자들이 뭉쳐 3D 네트워크를 구축하는 것을 확인하였다. 이 fumed silica가 알칼리 용액에 용해되는 성질을 이용하여 솔루션을 바탕으로 한 전처리 공정을 개발하였고, 단가가 낮은 가성소다를 사용하였다. Pseudo-first-order reaction model을 이용하여 실험에서 얻은 데이터로부터 reaction rate을 구할 수 있었다. 최적화된 NaOH 반응 조건은 폐현수막을 5% NaOH 용액에 욕비 1:8을 유지하며 온도 $85^\circ C$ 에서 25분동안 반응시키는 것이다. NaOH 반응 후 천을 물로 수세한 후 건조시키면 전처리된 천을 얻을 수 있다. 사용된 NaOH 용액은 소량의 NaOH를 첨가하여 다시 재사용 가능하고 본 연구를 통해 최소 10회 재사용이 가능한 것을 확인하였다.
두 번째로, 실험실에서 개발한 폐현수막 전처리 공정을 상용화시키기 위해 bench 규모의 전처리 공정을 개발하였다. 파일럿 공정 및 장치를 고려하여 Bench 실험 장치는 회전축이 수평 방향인 가정에서 사용하는 드럼 세탁기를 이용하여 bench 공정을 개발하고 최적화하였다. 최적화된 bench공정의 NaOH 반응 조건은 폐현수막을 5% NaOH 용액에 욕비 1:8을 유지하며 온도 $85^\circ C$ 에서 25분동안 40~50 RPM으로 회전시키며 반응시키되 드럼 내 NaOH 용액을 드럼 부피의 60% 채워 반응시키는 것이다. Bench 공정을 통해 폐현수막의 표면 불순물이 깨끗이 제거되는 것을 확인하였으며 세척에 사용된 용액도 재사용 가능한 것을 확인하였다.
세 번째로, 폐현수막 전처리 공정에서 발생된 폐수를 응집-침전법을 이용하여 수처리하는 공정을 개발하였다. 전처리 폐수에는 음전하를 띤 안료가 대부분 차지하고 있는 것을 확인하여 황산알루미늄을 이용하여 안료의 표면 전하를 중화시키는 방법을 이용하였다. 먼저 모의폐수를 제작하여 폐수처리의 적정 pH 를 산출하였으며 실제 폐수 처리에 적용하여 적정 pH 및 황산알루미늄 양을 최적화하였다. 또한 환경부에서 고시한 “나 지역” 의 배출 허용 기준에 부합하기 위해 BOD, COD, SS, 색도의 변화를 고려 한 결과 폐수 처리의 적정 조건은 pH 8, 황산알루미늄의 투입량은 리터 당 600 mg 가 적절한 것으로 확인되었다.
마지막으로, 전처리된 PET 천을 응용하여 재활용하는 방법을 연구하였다. 전처리된 PET천은 물리적, 화학적 방법으로 재활용이 가능한 것을 확인하였고, 본 연구에서는 화학적인 방법으로 PET 천을 단량체로 전환하는 공정 중 에틸렌 글리콜을 이용한 글리콜리시스 반응을 통해 BHET 단량체로 전환하는 연구를 수행하였다. 본 연구를 통해 생성된 BHET 경우 순도가 높을 뿐 더러 전처리 하였을 경우 BHET 단량체의 수율이 60.39% 에서 89.21% 로 개선되는 것을 확인하였고, 폐현수막 코팅층에 존재하는 실리카 성분이 메탈 이온계 촉매 역할을 저하시키는 것을 확인할 수 있었다.
본 연구를 통해 실제 산업에 적용 가능한 폐현수막 전처리 공정을 개발하였다. 이를 바탕으로 폐현수막의 사회적인 이슈가 해결되는 동시에 폐현수막의 재활용이 활성화되어 전처리 공정이 널리 사용되기를 기대한다.
