파일럿 지료 조성설비를 이용한 폐 일회용 기저귀의 유용성분 ... › article › JAKO201527359533039.pdf · Waste using Pilot Stock Preparation Units Tai Ju

펄프·종이기술 47(4) 201566 67J. of Korea TAPPI Vol.47 No.4 Aug. 2015

파일럿 지료 조성설비를 이용한 폐 일회용 기저귀의 유용성분 회수에 관한 연구

이태주·남윤석1·박정은1·조준형1·류정용1†·이호선2

접수일(2015년 7월 30일), 수정일(2015년 8월 20일), 채택일(2015년 8월 22일)

Studies on the Recovery of Useful Materials from Disposable Diaper Waste using Pilot Stock Preparation Units

Tai Ju Lee, Yoon Seok Nam1, Jeong Eun Park1, Jun Hyung Jo1, Jeong Yong Ryu1† and Ho Sun Lee2

Received July 30, 2015; Received in revised form August 20, 2015; Accepted August 22, 2015

ABSTRACT

Disposable diaper waste is consisted of plastic, fiber, and SAP (Super Absorbent Polymer).

They are valuable to be used as raw materials of other products including plastic blocks

and pulp mold. Nevertheless, disposable diaper waste have been disposed by landfill and

incineration without recycling. Due to strict environmental regulations it is necessary to

develop fractionation technique to recycle the disposable diaper waste. In this study the

fractionation technique using pilot-scale stock preparation units was investigated. Pro-

cess for separation of plastic and fibers from disposable diaper waste was composed by

the combination of pilot-scale pulper, drum screen, screen and cleaner. Recovery rate

of plastics and fiber was checked according to the various operating conditions. In drum

screen, recovery rate of plastic was high when the cut size of disposable diaper waste was

5 cm × 5 cm. The highest recovery rate of fiber was achieved with 0.3 mm slot screen. It

is important to control the neutral state of SAP for improvement of recovery rate of fiber

since SAP can be swelled easily in water. Therefore SAP can be controlled efficiently by

the addition of calcium chloride into the pulper. Consequently recovery rates of plastics

and fibers were over 90 and 80% under the optimum pilot operating conditions.

Keywords: Disposable diaper, recycling, fractionation, pilot-scale units, SAP (super ab-

sorbent polymer)

http://dx.doi.org/10.7584/ktappi.2015.47.4.066

Journal of Korea TAPPIVol. 47. No. 4, 2015, 66-75pISSN (Print): 0253-3200Printed in Korea

• 창강제지기술연구소(ChanggangInstituteofPaperScienceandTechnology,Chuncheon,Gangwon-Do,24341,Republic

ofKorea)

1 강원대학교산림환경과학대학제지공학과(Dept.ofPaperScience&Engineering,CollegeofForest&EnvironmentalSci-

ences,KangwonNationalUniversity,Chuncheon,Gangwon-Do,24341,RepublicofKorea)

2 유한킴벌리(Yuhan-Kimberly,Teheran-ro,Gangnam-gu,Seoul,06178,RepublicofKorea)

†교신저자(CorrespondingAuthor):E-mail:[email protected]


이태주 · 남윤석 · 박정은 · 조준형 · 류정용 · 이호선

1. 서 론

일회용기저귀는기저귀의안에서밖으로소변이새

어나가지못하도록막아주면서허리와다리를탄력적으

로감싸아기들이자유롭게움직일수있도록해주는일

회용직물이다.현대생활패턴이빠르게변화하고맞벌

이부부의비율이증가함에따라전세계적으로일회용

기저귀의사용량이증가하고있다.현재,사용된일회

용기저귀는전량매립과소각으로폐기하고있다.그러

나향후,우리나라의좁은영토와높은인구밀도로인하

여더이상폐기저귀를매립과소각방법으로처리하기

에는한계가있다.Choi등1)에따르면아기한명이유

아기동안사용하는기저귀총량의환경부하가천기저귀

에비하여이산화탄소배출량은약3배,폐기물발생량

은약10배가까이높다는연구결과를보고한바있다.

도쿄의정서발효로인하여환경보존이산업의주요정

책적이슈로부각되고있는상황을고려할때,환경오염

원으로분류되는일회용기저귀를재활용할수있는방

안에대한연구가시급하다.

일반적으로유아용일회용기저귀는크게두가지부

분으로구성된다.유아의대소변을흡수할수있는흡수

층은펄프와폴리아크릴계고흡수성폴리머(Superab-

sorbentpolymer,SAP)로구성되며지지체역할을하

는외부는폴리프로필렌성분의부직포와접착테이프,

밴드로구성되어있다.일회용기저귀를구성하고있는

물질은재활용가치가높아이를원료로활용하여주차

블록등의플라스틱제품과펄프몰드와같은지제품을

제조할수있다.일회용기저귀의지지층을구성하고있

는주요성분은폴리프로필렌이다.폴리프로필렌은석유

에서얻어진프로필렌단량체를지글러-나타촉매로중

합시킨화합물로서화학적으로탄화수소사슬에규칙적

으로메틸기가존재하는형태이다.비중은0.9-0.93으

로플라스틱중가장가벼우며융해온도도135-160℃로

응용범위가넓다.흡수층을구성하는SAP은아크릴산을

가교결합하여합성한물질로서SAP무게대비약500

배이상흡수할수있는고흡수성폴리머이며섬유는주

로표백침엽수크라프트펄프를이용하여제조한다.일

회용기저귀유용성분을분급하기위한공정은제지공정

과마찬가지로다량의물을사용하게되는데플라스틱은

크기와비중에의하여분급이가능하다.그러나중량비

율로일회용기저귀의약30%를차지하고있는SAP은

물에의한팽윤성이매우크기때문에제어가어려우며

다량의물을사용하는일회용폐기저귀유용성분분급

공정을고려하였을경우SAP의제어가일회용기저귀

유용성분의분급효율을결정하는핵심요인이라할수

있다.본연구팀에서는이미일회용기저귀의유용성분

회수를위한실험실적최적해리조건을구명하였다.2)

본연구에서는이를바탕으로파일럿규모의펄퍼와드

럼스크린,스크린,클리너로일회용기저귀유용성분

분급을위한공정을구성하고공정조건에따른섬유와

플라스틱의회수율을실험실의경우와비교분석함으로

써일회용기저귀유용성분최적분급공정을실제현장

에구현하기위한기초자료를수집하고자하였다.

2. 재료 및 방법

2.1 공시재료기저귀는국내최대일회용기저귀생산업체인Y사로

부터분양받은유아용기저귀에fakeurine(0.9%NaCl

수용액)을첨가하여구성하였다.고순도플라스틱을분

급하기위하여700EGU/g활성의셀룰라아제(Cellu-

clast,Novozyme)로분급된플라스틱의잔존섬유성분

을분리하였다.

2.2 폐 일회용 기저귀 유용 성분 분급을 위한 파일럿 설비

2.2.1 펄퍼

일정 크기로 재단된 폐 일회용 기저귀 시료를 해리하

기 위하여 Fig. 1의 저농도 펄퍼(Lamort Lam’deinkit,

France)를 사용하였다. 펄퍼 하부의 로터가 회전하면

서 폐 일회용 기저귀 시료를 해리하고 해리 과정 중 내

부에 발생하는 압력을 제어하기 위하여 펄퍼 상부에 압

력 배출구를 설치하였다. 펄퍼 vat은 스테인리스 재질이

며 해리 시 지료의 흐름을 원활하게 하기 위하여 내부에

baffles를 설치하였다. Table 1에 자세한 펄퍼의 성상을

나타냈다.3)

2.2.2 드럼 스크린

해리 후 플라스틱에 결속되어 있는 섬유와 SAP을 분리하기

위하여 Fig. 2의 드럼 스크린을 이용하였다. Fig. 2에 나



타난 바와 같이 드럼 내부에 시료를 투입하고 회전시키

면서 중앙 노즐에서 고압으로 분사되는 세척수를 이용하

여 플라스틱에 결속된 SAP과 섬유를 분리하도록 고안하

였다. 대부분의 플라스틱 성분이 본 공정에서 분급되며

지름 6 mm의 드럼 스크린 hole을 통과한 섬유와 SAP은

스크린 처리하였다. Table 2에 드럼 스크린의 자세한 성

상을 나타냈다.

2.2.3 스크린

스크린은 크기에 따라 지료 성분을 분급하는 공정으로

서 드럼 스크린 후 얻은 섬유와 SAP의 분리에 사용하

였다. 대부분의 SAP이 스크린에서 분급되므로 일회용

폐 기저귀 유용성분 분급공정의 효율을 결정하는 중요

한 단계이다. 본 연구에 사용한 Fig. 3의 스크린은 hole

과 slot을 모두 보유하고 있어 시료를 크기에 따라 단계

적으로 분급할 수 있다. Fig. 4에 나타난 바와 같이 펌

프의 구동력에 의하여 시료가 스크린으로 유입되면 스

크린 하부의 직경 3 mm hole을 거쳐 스크린 내부로 이

동하게 된다. 이 때 hole의 직경 보다 큰 물질은 통과하

지 못하고 reject로 배출된다. 스크린 내부로 유입된 시

료는 포일의 회전력에 의해 발생된 구심력에 의하여 섬

유가 슬롯을 통과하게 되고 통과하지 못한 물질은 slot

reject valve를 통하여 분급된다. 스크린의 자세한 성상

을 Table 3에 나타냈다.3)

Conditions Value

Pulpingconsistency 5%

Optimumoperatingvolume 20L

Totalvolume 50L

Motor 4kW,variablespeeddrive

Rotation 100-2000rpm

Table 1. Operating conditions of pulper

Fig. 1. Pilot pulper.

Items Notes

Material Stainlesssteel

Speed Max.15rpm

Screenholediameter 6mm

Screensize 300mm

Table 2. Specifications of drum screen

Fig. 2. Pilot drum screen.



2.2.4 클리너

클리너는 비중차이에 의하여 물질을 분급하는 설비로

스크린 accept에 잔존하는 SAP을 분리할 수 있다. Fig.

5에 나타난 바와 같이 reject의 유량은 볼 밸브를 이용하

여 조절하였으며 펌프에 의하여 유입된 시료는 클리너

내에서 와류를 형성하고 하부로 내려가게 되며 이 때 클

리너로 유입된 물질 중 비중이 높은 SAP은 원심력에 의

하여 바깥쪽으로, 비중이 낮은 섬유는 안쪽으로 위치한

다. 클리너 탱크의 하부로 갈수록 직경이 감소하여 속도

가 급격히 증가하므로 비중에 차이에 의한 물질 분급 효

율이 증가하게 된다. 클리너 탱크 하부의 배출구는 직경

이 작기 때문에 투입된 원료가 모두 배출될 수 없어 클

리너 내에서 상승흐름이 발생하고 상대적으로 가벼운 섬

유는 이 상승흐름을 따라 이동하여 상부의 accept 라인

을 통하여 분급된다. Table 4에 클리너의 자세한 성상을

나타냈다.

2.3 파일럿 설비를 이용한 일회용 폐 기저귀 유용 성분 분급 공정 구성

Figs.1-5의파일럿설비를이용하여구성한일회용

폐기저귀유용성분분급sequence를Fig.6에나타냈

다.펄프와SAP으로구성된일회용폐기저귀흡수층에

Items Notes

Screendiameter 420mm

Screenplateholesdiameter 3mm

Foils 3foilsrotor

Screenbasketslotswidth 0.15mm

Motor 7.5kW,variablespeedMotor

Table 3. Specifications of screen

Fig. 4. Stock flow of screen.

Fig. 3. Pilot screen.

Items Notes

Volumeofcleaner 7-10L

Flowrate 150-300L/min

Pumping Monoplexpump

Table 4. Specifications of cleaner

Fig. 5. Pilot cleaner.



fakeurine(0.9%NaCl수용액)을부어1시간동안반응

하여준비한일회용기저귀를일정한크기로재단한후

NaCl4%,CaCl210%로구성된펄핑수로해리하였다.해

리는선행연구를통해결정된바와같이온도50℃,교

반속도500rpm조건에서1시간동안실시되었다.2)SAP

은물이존재하는조건에서입자체적의100배이상팽

윤되며쉽게부서지는문제점이있으므로이를제어하는

것이물질분급효율을좌우하는중요한인자이다.SAP

의팽윤성은무기이온과의이온교환반응에의하여SAP

입자의팽윤성을제어할수있다.Zhao등4)은여러무

기이온중칼슘이온이SAP의팽윤성제어에가장뛰어

난효과가있음을보고하였다.이에본연구에서는폐기

저귀해리시CaCl2를투입하여SAP의팽윤성을제어하

고자하였다.해리가완료된시료는드럼스크린처리하

여플라스틱을reject로구분하고섬유와SAP은accept

로분급하였다.섬유와SAP이혼합되어있는드럼스크

린accept를스크린처리하여SAP과섬유를분급하였으

며,이후스크린accept인섬유분에잔존하는SAP을제

거하기위하여클리너처리하였다.클리너처리후얻어

진섬유의무게를측정하여섬유회수율을산출하였으며

드럼스크린공정에서reject로분급된플라스틱은플라

스틱중량대비5%비율로셀룰라아제를투입하고45℃

조건에서24시간동안반응하여잔존섬유를제거한후

의플라스틱무게를측정하여회수율을산출하였다.회

수율및물질수지분석은공정조건별로각각3회반복

실시하였다.

2.4 일회용 폐 기저귀 유용성분 최적 분급 조건 탐색


Fig. 7의 세절 설비를 이용하여 스크린 바스켓 직경 30

및 50 mm로 분쇄한 폐 기저귀 시료와 5 cm × 5 cm로

재단한 시료를 이용하여 2.3항의 유용성분 회수처리를

실시한 다음, 폐기저귀의 재단 상태에 다른 유용성분 회

수 물질 수지를 분석하였다.


섬유와 SAP이 분리되는 스크린은 슬롯의 크기를 0.15

mm, 0.3 mm로 조절하고 그에 따른 섬유 회수율을 분

석하였으며 Fig. 8에 나타낸 바와 같이 스크린 청수와

백수를 이용한 flushing에 따른 섬유 회수율을 비교 분

석 함으로써 스크린 최적 운전 조건을 탐색하였다. 또한

스크린 유량에 따른 slot passing velocity를 Eq. 1과 같

이 계산하고 이에 따른 물질 분리 효율을 분석하였다.

Fig. 6. Scheme of disposable diaper recycling process with pilot-scale units.

Fig. 7. An instrument for preparation of dis-posable diaper samples by tearing.

Slot passing velocity (m/s) = Flow rate of screen (m3/sec)

slot width (m) X slot length (m)[1]



3. 결과 및 고찰

3.1 폐 기저귀 재단 크기에 따른 드럼 스크린의 분급 효율

Fig.7의세절기는찢어내는방식으로폐기저귀를재

단하는설비로서직경30mm혹은50mm의mesh를

장착함에따라이를통과하는크기의잘려진시료가준

비된다.이렇게분쇄된시료와5cm×5cm크기로재

단한시료를대상으로드럼스크린처리후물질수지를

(a) Tap water (b) White water

Fig. 8. Flushing scheme of screen.

(a) Cut size: 30 mm diameter

(b) Cut size: 50 mm diameter

(c) Cut size: 5 cm × 5 cm

Fig. 9. Mass analysis of drum screen according to the various cut size of disposable diapers.



분석하고그에따른섬유와플라스틱의분급효율을각

각분석하였다.플라스틱의경우2.3항에서와언급한바

와같이셀룰라아제를이용한효소처리를실시하였으며

이때손실된섬유의양은전체섬유무게대비약1.5-

2%수준이다.Figs.9-10에나타낸바와같이기저귀

시료의크기가증가할수록플라스틱의분급효율이증가

하였다.이는Fig.7의설비를이용하여분쇄된30mm,

50mm크기의mesh를통과한폐기저귀시료의경우

분쇄시잘게조각난부직포와밴드등이드럼의중앙에

서바깥쪽으로분사되는세척수에의해hole을통과하여

accept로분급됨에따라accept에존재하는플라스틱의

함량이높게나타난것으로판단된다.Table2에나타낸

바와같이본연구에사용된드럼스크린의hole크기는

6mm이다.5cm×5cm크기로시료를재단할경우

대부분의플라스틱은6mmhole을통과하지못하여드

럼스크린reject로분급되므로드럼스크린으로유입되

는폐기저귀시료의크기에따라분급효율이좌우됨을

알수있다.

3.2 스크린 슬롯 크기에 따른 섬유 분급 효율3.1의결과에따라5cm×5cm크기로재단한폐기

저귀시료를해리하고드럼스크린처리후분급된ac-

cept의섬유와SAP을분리하기위하여Fig.3의스크린

을사용하였다.Fig.11은스크린슬롯폭에따른물질

분급결과이며이때스크린의유량은67.91L/min,스

크린포일의회전속도는850rpm으로조절하였다.Fig.

11에나타난바와같이0.15mm슬롯의경우1차스크

린reject를다시처리하였음에도불구하고약24.4%

의섬유밖에회수되지않았으나스크린슬롯을0.3mm

로조절하였을경우79.19%의섬유가분급되었다.이는

0.15mm슬롯을이용하여스크린처리할경우Fig.12

와같이스크린으로유입되는시료내존재하는부직포

성분이슬롯을막아서나타난결과이다.일회용기저귀

시료를재단하여해리,드럼스크린공정을거치면서기

저귀를구성하고있는부직포가전단력에의하여풀리

게되고스크린내에서생성되는회전력에의하여서로

엉키게되어0.15mm슬롯이막히는현상이발생한것

으로추정된다.반면Fig.13(a)에나타난바와같이0.3

mm슬롯스크린처리시슬롯의막힘현상은나타나지

않았으며,Fig.13(b)에나타냈듯이드럼스크린accept

에존재하는부직포성분은효과적으로분리되었다.

3.3 스크린 유량에 따른 물질 분급 효율3.2의결과를바탕으로스크린슬롯을0.3mm로조

절하고스크린유량에따른섬유회수율을분석하였

다.Figs.14와15는Fig.3의스크린펌프의유량을

67.91~145.67L/min로조절함에따라분급된SAP과

Fig. 10. Recovery rate of plastic and fiber after drum screen.

(a) 0.15 mm

(b) 0.3 mm

Fig. 11. Fractionation by different slots of screen.



섬유의무게분석결과이다.Fig.14에나타난바와같이

스크린유량이증가함에따라분급되는섬유양은증가하

였으나,Fig.15에나타난바와같이유량이증가함에따

라reject로분급된SAP의양은감소하였다.Slotpass-

ingvelocity는스크린슬롯을통과하는지료의속도를

의미하며스크린내형성되는hydraulicaction에많은

영향을받게된다.일반적으로slotpassingvelocity가

증가할경우섬유와이물질의분급효율이저하된다.4)본

연구에서사용한스크린은슬롯외부를회전하는포일에

의하여형성된원심및구심력으로인해슬롯의막힘이

제어된다.본연구에서는포일의회전속도를850rpm으

로일정하게유지한상태에서스크린펌프의유량을증

가시켰으므로Fig.16에나타난바와같이slotpassing

velocity는유량에영향을받는다.따라서유량이높은

조건에서스크린처리시slotpassingvelocity가증가

함에따라SAP이accept로분급되어물질분급효율

이저하된것으로판단된다.Figs.14와15에나타난바

와같이스크린펌프의유량이68.71L/min조건에서는

145.67L/min조건에비하여섬유와SAP을효율적으

로분급할수있었다.그러나단속식으로운전되는본스

크린의특성상시료가스크린으로지속적으로유입됨에

따라슬롯주위에통과하지못하는SAP이농축됨에따

라섬유의분급효율이저하될것으로추정된다.

3.4 Flushing에 따른 스크린 물질 분급 효율3.3에언급하였듯이저유량조건에서는SAP의분급

효율을향상시킬수있지만스크린공정이진행됨에따

라지속적으로유입되는시료중슬롯을통과하지못하

(a) Slot

(b) Reject

Fig. 13. 0.3 mm slot(a) and reject(b) after screening.

Fig. 12. Blockage of screen slot (0.15 mm).

Fig. 14. Fiber in reject after screening at the various flow rates.

Fig. 15. SAP in reject after screening at the various flow rates.



는SAP이슬롯주변에농축되어섬유분급효율을저하

시킬우려가있다고판단된다.따라서Fig.8과같이스

크린처리시청수와백수를이용한flushing을실시하

고그에따른섬유회수율을분석하여Fig.17에나타냈

다.Flushing을실시하지않았을경우77%의회수율을

나타냈으나백수와청수를이용하여flushing을실시하

였을경우섬유의회수율이각각80%,100%이상측정

되었다.SAP은Fig.18에나타낸바와같이입자의크기

가0.3mm슬롯보다크기때문에스크린을이용하여분

급될수있다.그러나Fig.8(a)에나타낸바와같이청

수를이용한flushing을실시하였을경우SAP의팽윤성

을제어하기위하여펄퍼에투입한칼슘이온이flushing

에의하여씻겨나가SAP이재팽윤되어deformability

가증가하고쉽게부서져슬롯을통과하게되므로섬유

와함께accept로분급되었기때문에100%이상의회수

율이측정된것으로판단된다.따라서스크린공정에서

SAP의팽윤성을제어하고섬유회수율을향상시키기위

해서는일정수준의칼슘경도가있는백수를이용하여

flushing을실시해야할것으로판단된다.

4. 결 론

현재국내에서매립및소각으로전량폐기되는폐일

회용기저귀를대상으로유용성분분급기술을개발하기

위하여파일럿규모의펄퍼,드럼스크린,스크린및클

리너를이용하여물질분급공정을구성하고기저귀시

료의재단크기및스크린공정의운전조건에따른섬

유와플라스틱회수율을각각비교분석하였다.폐일

회용기저귀시료를5cmx5cm크기로재단할경우

90%이상의플라스틱을드럼스크린에서회수할수있

으며,스크린처리시비교적유량이낮은조건에서기

저귀를구성하고있는부직포성분으로인하여슬롯이

막히는현상을제어할수있는0.3mm크기로스크린

슬롯을조절하고백수를이용한flushing을실시할경우

SAP의팽윤성을제어하면서80%이상의섬유를회수할

수있었다.

사 사

본연구는환경부의환경산업선진화기술개발사업(과제

번호:2014000150009)에서지원받았습니다.

Fig. 16. Increase in slot passing velocity accord-ing to the various flow rates of screen.

Fig. 17. Recovery rate according to different flushing sequences.

Fig. 18. SEM image of SAP.



Literature Cited

1.Choi,Y.Y.,Acomparativestudyofenviron-

mentalaspectsaboutbetweendisposabledi-

aperandservicelaunderedclothdiaper,2nd

CollectionofEnvironmentalPapersofGradu-

atedStudents,KyoboFoundationforEduca-

tion,pp.402-403(2006).

2.Lee,T.J.,Choi,D.C.,Nam,Y.S.,Jo,J.H.,

Lee,H.S.,andRyu,J.Y.,Studiesonthe

pulpingconditionsofseparatingvaluablecom-

ponentsfromdisposablediaperwaste,Journal

ofKoreaTAPPI47(2):1-8(2015).

3. Amand,F.J.S.,Perrin,B.,andGuillouty,

J.L.,Developmentoflaboratorypulpingand

screeningequipmentforautomativewastepa-

perqualitycontrol,RevueA.T.I.P.51(2):90-

96(1997).

4.Zhao,Y.,Su,H.,Fang,L.,andTan,T.,Su-

perabsorbenthydrogels frompoly (aspartic

acid)withsalt-,temperature-,andpH-re-

sponsivenessproperties,Polymer46(14):5368-

5376(2005).

5.Vitori,C.M.,Stockvelocityandstickiesre-

movalefficiencyinslottedpressurescreens,

PulpPaperCanada94(12):109-114(1993).

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