펄프폐수의 처리가 중요한 이유

안녕하세요, 에이알케이 전소희 매니저입니다. 리튬-이차전지 연재 콘텐츠에 이어 오늘은 플라스틱 대체부터 나노셀룰로우스라는 전세계적 R&D 배틀을 이어가는 제지산업에 대해 연재합니다.

폐수처리 정보를 시작으로 리그닌과 흑액의 자원재순환 사례까지 연재를 다루려 합니다. 다음 구성으로 연재를 이어갈 예정이오니 많은 관심 부탁드립니다.

vol.1 > 제지/펄프폐수처리, 나노셀루로우스와 바이오항공유까지
vol.2 > 국내 제지/펄프업체 한솔제지와 무림P&P 및 해외의 자원재순환 사례(가제)
vol.3 > 제지/펄프 흑액관련 해외 연구활동(가제)
vol4. > 국내 제지폐수 관련 환경설비 시공기업 및 위탁업체 소개(가제)

펄프제조 프로세스와 펄프폐수 발생 공정

주요 처리방식

응집침전, 가압부상, 활성 슬러지법 등이 사용됩니다.

제지펄프 생산은 리그닌 분리시 흑액이 발생하며 BOD가 너무 높아 대중적이고 일반적인 수처리 방식으론 처리가 안됩니다. 기존에 흑액을 모아 연료 사용 혹은 나일론 원료 등의 산업에 자원재순환을 했지만 최근엔 다양한 연구개발로 점차 흑액의 자원재순환 가치가 높아지고 있습니다.

아래는 현탁물이 가라앉기 쉬운 경우에 해당하는 가장 일반적인 제지펄프폐수의 처리방식으로 응집침전 혹은 가압부상과 유기물 처리를 위한 생물처리를 조합하는 방식입니다.

가압부상조의 경우 황산알루미늄/폴리염화알루미늄으로 pH를 8정도 가량으로 맞춘후 부상 플록을 슬러지탱크에 보낸 후 폭기조에서 생물처리를 하게 됩니다.

‘종이1톤을 생산하는데 물100톤이 필요하다’ 라는 말을 들어보셨나요? A4로만 생각하시던 제지 및 펄프 제품은 우리 생활속에서 플라스틱만큼이나 아주 쉽게 만날 수 있습니다. 플라스틱은 일반적으로 ‘생분해성’의 기술까지 나왔지만 미세플라스틱의 환경영향학적, 생체에 미치는 영향은 아직 상대적으로 덜 알려졌고 나무가 주는 이미지에 비해 환경에 좋지 않다는 인식이 지배적입니다.

우리가 아는 제지-펄프 산업은 많은 양의 물과 열에너지를 사용하며, 폐열-폐액을 자원순환함에 있어 그 효율은 상당수준으로 올라와 있고 더 나아가 나무의 단단함을 유지시켜주는 리그닌과 제지펄프에 실제적으로 쓰일 셀룰로우스를 분리하는 과정에서 발생하는 흑액 또한 소각연료로 쓰며 분리된 리그닌 또한 전세계적으로 이를 자원재순환해 새로운 바이오연료를 생산하는 연구개발과 ‘나노셀룰로우스’를 얻으려는 기술을 연구중입니다. 때문에 나무는 아낌없이 버릴게 하나도 없는 친환경 그자체입니다.

제지펄프의 폐수처리도 굉장히 중요하나, 폐수처리를 넘어선 자원재순환에 있어 가장 주목받는 것은 리그닌과 셀룰로우스 보다 나노셀룰로오스 기술력 육성입니다.

나노셀룰로우스를 세계적인 기술을 선도하는 나라는 캐나다, 일본과 핀란드, 노르웨이 등 이며, 이들은 제조 기술과 연구 개발(R&D)에서 앞서고 있습니다. 주요 기업으로는 캐나다의 Kruger Inc., 일본의 Nippon Paper Group, 노르웨이의 보레가르드, 영국의 Fiberlean Technologies 등이 있습니다. 캐나다는 나노셀룰로스 기술 분야에서 글로벌 리더로 자리 잡고 있으며, 다양한 응용 분야에서의 활용이 증가하고 있습니다.

대한민국 또한 무림피앤피가 뛰어난 기술력을 보유하고 있습니다.

따라서, 이 연재시리즈는 1편은 제지-펄프 폐수처리로 시작하나 나아가 국내의 자랑스러운 제지펄프 제조사들의 자원재순환적 노력과 나노셀룰로우스 관련 인사이트를 제공해 환경적인 talk를 여러분들과 나눔에 있습니다.

먼저,국내 주요 제지,펄프 업체는 백판지 산업의 한솔제지, 깨끗한나라, 한창제지가 인쇄용지 제조는 한솔제지, 무림페이퍼, 무림P&P 등이 있습니다.

세계적인 명품제지 반열에 오른 국내 기업들의 우수한 실적과 더불어 기술력과 경쟁이 심한 업종이기도 합니다. 과거 A4만 떠오르던 시절의 제지가 아닌 이젠 친환경적이며 ESG경영에 크게 한몫하면서도 E-커머스 성장과 더불어 중요한 일상 생활 소비재가 되었습니다.

코로나19 팬데믹 이후, 비대면 유통의 급성장은 우리 사회에 많은 변화를 가져왔습니다. 특히, 온라인 쇼핑 시장과 배송 시스템이 확대되면서 소비자들의 구매 방식이 크게 변화했습니다. 이러한 환경 속에서, 백판지의 수요가 눈에 띄게 증가했습니다. 기존 인쇄용지는 디지털의 1인 1디지털 기계보급으로 전세계적으로 생산량이 줄었지만 택배상자나 감열지 등에 쓰이는 이커머스용 제지시장은 늘었습니다.

백판지는 제과, 제약, 화장품 등 다양한 분야에서 고급 포장재로 사용되며, 제품의 품질을 한층 높여주는 역할을 합니다. 2020년에는 매출이 약 1,895억 원에 달해 전년 대비 6.7% 증가했으며, 2021년에는 2,044억 원으로 7.9% 상승, 2022년에는 2,273억 원으로 11.2%나 증가하며 이렇듯 아낌없는 성장세를 보였습니다. 이는 소비자들이 품질 높은 포장재를 원하게 된 결과로 분석됩니다.

현재 백판지는 환경에 대한 관심이 높아지면서 플라스틱 대체재로서의 역할을 더욱 강조받고 있습니다. 앞으로의 시장 전망은 매우 긍정적이며, 지속 가능한 패키징 솔루션으로 자리잡을 것으로 기대됩니다.

그렇기에 늘상 사용되는 종이,제지,펄프 소비재는 폐수처리에 대한 관심도 중요합니다.

셀룰로오스는 종이와 펄프 제조 과정에서 매우 중요한 역할을 하며, 그 활용도는 산업 전반에 걸쳐 확장되고 있습니다. 셀룰로오스에 대한 이해는 제지 및 펄프 산업을 깊이 있게 이해하는 데 필수적입니다. 아래에서 셀룰로오스의 역할과 사용처에 대해 자세히 설명드리겠습니다.

셀룰로오스의 역할

1. 주성분으로서의 기능
   • 셀룰로오스는 주로 목재 펄프에서 추출되는 고분자 물질로, 종이 및 펄프의 기본 성분입니다. 목재의 주 성분인 셀룰로오스는 종이의 물리적 성질에 직접적인 영향을 미치며, 고품질의 종이를 생산하는 데 기여합니다. 예를 들어, 셀룰로오스의 함량이 높을수록 더 강인하고 질 좋은 펄프가 생산됩니다.
2. 구조적 기여
   • 셀룰로오스는 섬유 형성 물질로, 펄프를 구성하는 세포 구조를 형성합니다. 이 구조는 최종 제품인 종이의 강도, 내구성, 텍스처에 중요한 영향을 미치기 때문에, 제지 공정에서 셀룰로오스를 적절하게 처리하는 것이 매우 중요합니다.
3. 화학적 변형 가능성
   • 셀룰로오스는 다양한 화학 반응을 통해 고유한 특성을 가진 에스터 및 에터 유도체를 생성할 수 있습니다. 이러한 화학적 변형은 셀룰로오스의 활용 범위를 확대하여 식품 포장재, 의약품의 부형제 등 다양한 분야에서 활용될 수 있게 합니다.

사용처

1. 종이 제품
   • 셀룰로오스는 종이, 판지, 카드 스톡의 주요 성분으로 사용됩니다. 이들 제품은 일상생활에서 필수적으로 사용되며, 종이 산업에서 중요한 자원입니다.
2. 섬유 산업
   • 셀룰로오스는 레이온과 같은 섬유로 변환되기도 하며, 이는 면이나 리넨 같은 자연 섬유와 결합하여 사용됩니다. 레이온은 20세기 초부터 사용된 중요한 섬유로, 셀룰로오스를 기반으로 중요한 직물 제품으로 활용됩니다.
3. 고유한 신소재
   • 최근 몇 년 간 나노셀룰로오스와 같은 파생물질이 개발되며 자동차 내장재, 건축 자재, 화장품 등 다양한 산업에서 응용되고 있습니다. 나노셀룰로오스는 생분해 가능하며, 가벼우면서도 강도가 뛰어난 특징 때문에 ‘제2의 탄소섬유’로 불리기도 합니다.
4. 새로운 응용 분야
   • 셀룰로오스는 합성 섬유에 대한 대안으로 주목받고 있으며, 환경 친화적인 제품을 추구하는 소비자 수요 증가에 따라 중요한 자원으로 여겨지고 있습니다. 또한, 의학, 전자제품, 포장 산업 등에서도 사용이 증가하고 있습니다.

목재 > 제지펄프를 생산시 버리는 리그닌은?

버려지는 보물, 리그닌의 화려한 변신! ✨

여러분, 나무의 단단함을 유지하는 비밀, 알고 계신가요? 바로 ‘리그닌’이라는 친구랍니다. 셀룰로오스와 함께 나무의 주성분을 이루는 리그닌은 나무에 단단한 뼈대를 제공하는 중요한 역할을 하죠.

하지만 안타깝게도, 우리가 흔히 쓰는 종이를 만들기 위해서는 이 리그닌을 제거해야만 해요. 셀룰로오스만 쏙 빼내서 부드러운 펄프를 만들어야 종이가 탄생하니까요. 그래서 오랫동안 리그닌은 단순히 버려지는 물질 취급을 받았어요. 복잡한 구조 때문에 활용하기 어려웠거든요. 매년 전 세계적으로 어마어마한 양의 리그닌이 버려지고 있었답니다.

하지만 최근 들어 리그닌에 대한 관심이 높아지면서 놀라운 변화가 일어나고 있어요! 버려지던 물질이 이제는 새로운 가치를 창출하는 보물로 떠오르고 있답니다. 리그닌을 활용해 다양한 제품을 만들려는 연구가 활발하게 진행되고 있고, 실제로 상용화되는 사례도 늘어나고 있어요.

그럼 리그닌으로 어떤 것들을 만들 수 있을까요? 나일론 원료와 바닐린-일산화탄소 등의 연료산업에 활성화 됩니다.

#리그닌 #친환경 #바이오매스 #지속가능한발전 #새로운소재

화학펄프

• 화학펄프 : 목재칩을 리그닌과 셀룰로우스로 분리하기 위해 화학물질을 사용하며 주로 알라리성계 물질은 수산화나트륨과 황화나트륨을 사용해 셀룰로우스를 추출합니다. 때문에 앞서 설명한바와 같이 리그닌 분리를 하기에 리그닌성분 폐수와 황화화합물 폐수가 발생합니다.

기계펄프의 종류와 특징

1. 쇄목 기계펄프 (Grinding Wood Pulp)
   • 특징: 목재를 통째로 사용하고, 강한 압력을 가하여 분쇄하는 방식입니다. 일반적으로 섭씨 70~75도의 온도에서 진행되며, 수율이 약 98.5%로 매우 높습니다. 하지만 리그닌 함량이 높아 종이 품질이 떨어질 수 있습니다.
   • 용도: 주로 신문용지, 저급 잡지, 화장지 및 벽지에 사용됩니다. 불투명도와 두께를 증가시키는 데 효과적이지만 내구성은 낮습니다.
2. 리파이너 펄프 (Refiner Pulp)
   • 특징: 리파이너라는 기계를 사용하여 섬유화하는 과정이며, 높은 전단력이 적용되어 칩을 분쇄합니다. 일반적으로 두 개의 회전하는 원반 간의 좁은 틈(gap)을 통해 칩을 물리적으로 처리합니다.
   • 효율성: 다단계로 연속 운영하는 경우가 많아 의도한 섬유 길이를 조절할 수 있습니다.
3. 압력쇄목 기계펄프 (Pressure Grinding Wood Pulp)
   • 특징: 압력을 가한 후 세척 과정을 거친 목재를 사용하여 펀칭하는 방식입니다.
4. 열쇄목 기계펄프 (Thermal Grinding Wood Pulp)
   • 특징: 약 80도씨의 물과 증기로 열을 가하여 가공하는 방식으로, 펄프의 물리적 성질에 변화를 주어 더욱 효과적인 섬유화를 가능합니다.

폐지 재활용 펄프

버려지는 폐지를 재활용해 만드는 방식으로 물에 담궈 사용하기에 각종 이물질, 인쇄된 잉크, 풀, 금속 스템플러, 유해물질이 포함되어 이것들이 포함된 폐수가 나오며 분리하기 위해 계면활성제와 과산화수소, 폼아미딘,규산나트륨 등이 사용되고 이들이 포함된 폐수가 발생합니다.

제지-펄프의 발생폐수 종류와 주성분은 현탁물, BOD의 유기물, 흑액.
흑액을 소각연료화 시키고, 백액화 시키는 것이 중요.

성격에 따른 대분류

1. 흑액(Black Liquor):
   • 정의: 펄프 과정에서 사용된 화학물질과 리그닌, 기타 유기물의 혼합물인 흑액은 공정 내에서 수집된 폐수입니다. 일반적으로 높은 BOD(생화학적 산소 요구량) 및 COD(화학적 산소 요구량)를 가지고 있습니다.
   • 특징: 흑액은 환경에 유해할 수 있으며, 적절한 처리 없이 방류할 경우 오염 문제가 발생합니다. 이 흑액은 대개 열 에너지를 회수하는 방법으로 재활용되기도 합니다.
2. 가수(Gray Water):
   • 정의: 펄프 제조 공정에서 사용되는 물에서 유기물, 잔여 화학물 등이 포함된 가수는 일반적으로 저급 수질을 가지고 있습니다.
   • 특징: 이 물은 환경에 미치는 영향이 적지만, 여전히 처리가 필요합니다. 펄프 생산과정에서 발생한 가수가 공정 외부로 방류되면, 수질을 저하시키는 원인이 될 수 있습니다.
3. 슬러지(Sludge):
   • 정의: 펄프 수처리 과정에서 침전물로 남는 슬러지는 기계펄프 공정에서 발생합니다. 여기에는 불용성 고형물과 오염물질이 포함되어 있습니다.
   • 특징: 슬러지는 폐기물로 처리해야 하며, 종종 바다나 땅에 버려지면 환경 문제를 유발할 수 있습니다. 이를 처리하여 자원으로 재활용하는 노력도 이루어지고 있습니다.

제지-펄프 폐수의 기타 성분

종이 종류에 따른 추가 성분: 탄산칼슘, 전분, 잉크 잔사, 염료 등
폐지 펄프의 경우 : 프린팅 된 잉크, 사무용 스템플러 등

제지-펄프폐수 처리 공정에 쓰이는 일반적인 방식은 무엇인가요?

응집침전 혹은 가압부상과 유기물 처리를 위한 생물처리를 조합하는 방식이 대중적으로 쓰이며 흑액은 BOD가 높아 소각 후 연료사용이나 나일론 원료 등 다양한 방면으로 자원재순환 되는 시도가 되고 있습니다.

제지폐수, 펄프폐수에서 나올수 있는 물질은?

리그닌함유 폐수, 염소함유폐수, 황화합물폐수,섬유찌꺼기 등 입니다. 흑액은 BOD처리가 안되어 소각/자원재순환으로 이용합니다.

흑액이란 무엇인가요?

펄프 과정에서 사용된 화학물질과 리그닌, 기타 유기물의 혼합물인 흑액은 공정 내에서 수집된 폐수입니다. 일반적으로 높은 BOD(생화학적 산소 요구량) 및 COD(화학적 산소 요구량)를 가지고 있습니다.
흑액은 환경에 유해할 수 있으며, 적절한 처리 없이 방류할 경우 오염 문제가 발생합니다. 이 흑액은 대개 열 에너지를 회수하는 방법으로 재활용되기도 합니다.

셀룰로우스와 나노셀룰로우스(Cellulose Nano Fiber)는 무엇인가요?

펄프재료로 45~50%가량을 차지하는 셀룰로우스는 식물의 주성분입니다. 나무의 단단함을 유지해주는 리그닌과 분리되어 흑액을 처리하고 남는 물질로 끈적끈적한 풀과 같은 상태의 특성을 가지며 이것을 나노의 촘촘함으로 워터젯의 초고압으로 분리하거나 화학처리를 통해 얻는 물질을 나노셀룰로우스라고 하며 다양한 분야에 응용 연구되고 있습니다.

나노셀룰로우스의 실제 적용사례와 현재 연구분야는?

나노셀룰로오스는 친환경 소재로서 다양한 분야에서 활용되고 있으며, 지속적인 연구개발이 이루어지고 있습니다. 실제 상품화된 활용분야와 최근 연구분야를 살펴보겠습니다.상품화된 활용분야

포장재
나노셀룰로오스는 식품 포장용 투명 필름으로 개발되어 사용되고 있습니다. 이 필름은 물에 잘 젖지 않고 생분해가 가능한 특성을 가지고 있어 환경 친화적입니다.

전자기기 외장재
바이오 폴리카보네이트 형태로 스마트폰과 같은 전자기기의 외장재로 활용되고 있습니다.

영유아 용품
독성이 낮은 특성을 활용하여 영유아 장난감과 젖병 소재로 사용되고 있습니다.최근 연구분야

의료 분야
나노셀룰로오스의 생체적 안정성을 활용하여 임플란트와 인공뼈 소재로의 연구가 진행 중입니다.

화장품 산업
국내에서 나노셀룰로오스를 화장품 소재로 활용하기 위한 연구가 활발히 이루어지고 있습니다.

전자 산업 / 리튬-이온전지
플렉시블 전극 개발을 위한 연구가 진행 중입니다.

필터 기술
나노셀룰로오스를 이용한 고성능 필터 개발 연구가 이루어지고 있습니다.

자동차 산업
나노셀룰로오스 복합 수지를 이용한 자동차 구조재 개발이 주목받고 있으며, 자동차 경량화를 목표로 한 프로젝트들이 진행 중입니다.

바이오 복합재
셀룰로오스 나노 섬유의 높은 종횡비와 강도를 활용하여 바이오 복합재 분야에서 강도 향상을 위한 충전제로서의 연구가 활발히 진행되고 있습니다.나노셀룰로오스의 산업화를 위해 품질관리, 생산성 향상, 산업 표준화, 인증 절차 개발 등에 대한 연구도 지속적으로 이루어지고 있습니다. 이러한 다양한 연구와 개발을 통해 나노셀룰로오스는 앞으로 더 많은 분야에서 활용될 것으로 예상됩니다.