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ISSN : 2093-2332(Print)
ISSN : 2287-5638(Online)
Journal of Korea Society of Waste Management Vol.30 No.5 pp.469-477
DOI : https://doi.org/10.9786/kswm.2013.30.5.469

폐 인쇄회로기판(PCB)으로부터 유가금속 회수 공정에 대한 Eco-efficiency 평가

박찬일, 김형석, 정진기*, 조봉규*, 허 탁
건국대학교 화학생물공학부, *한국지질자원연구원 광물자원연구본부

A Study on Eco-efficiency Analysis for Recovering Valuable Metals from Waste Printed Circuit Board (PCB)

Tak Hur, Chanil Park, Hyoungseok Kim, Jinki Jeong*, Bong-Gyoo Cho*
Department of Chemical and Biological Engineering, Konkuk University
*Mineral Resources Research Division, Korea Institute of Geoscience and Mineral Resources
(Received 6 March 2013 : Accepted 7 June 2013)

Abstract

Through industrial developing, electronic waste is occurred by short lifespan of electronic products. This studydiscusses an approach of the eco-efficiency for waste PCB (Printed Circuit Board) recycling process throughenvironment and economic analysis. The recycling of waste PCB 1 kg has 1.89E + 00kg CO2 eq. of global warmingpotential and 2.84E −02 kg antimony eq. of abiotic resource depletion. In terms of economy, this process costs6,601.91 KRW per 1kg waste PCB recycling. Use of economic and environmental result, when compare with sameamounts of virgin metal, environmental-efficiency of GWP (Global Warming Potential) is at 4.16E + 00 andARD(Abiotic Resource Depletion) is at 2.91E + 00. And compare with secondary metal, environmental-efficiency ofGWP is at 2.11E + 00 and ARD is at 8.49E − 01. In addition economic-efficiency is at 1.19E + 00. The results ofoptimization of this process will be increased. This study will show the process economical and environmentaldecision making.

30-5(09).pdf1.88MB

I. 서 론

 최근 들어 IT분야의 전자산업은 급속한 발전과 함께 산업전체에 걸쳐 중요한 기반산업이 되었으며, 이러한 산업발전의 결과로써 전자 스크랩의 발생량은 급격히 증가하였다. 전자 스크랩은 여러 유가금속과 다양한 종류의 플라스틱 세라믹 등을 내포하고 있으며, 폐 전자스크랩이 처리과정 없이 폐기되거나 소각되는 경우, 환경적인 악영향은 물론 스크랩 내의 유가 금속 및 고가의 귀금속의 경제적인 손실을 가져오게 된다1). 폐 PCB(Printed Circuit Board, 인쇄회로기판)로부터 유가금속을 추출하는 기술에 대한 환경 및 경제적인 평가가 정량적으로 이루어지지 않았기 때문에 재활용에 따를 환경-경제적 이득 또는 손실에 대한 평가에 어려움이 존재한다. 따라서 본 연구에서는 개발된 폐 PCB 재활용 기술을 통해 생산된 제품들에 대한 환경적 및 경제적 평가를 수행하고자 하며, 이 결과를 바탕으로 기존 제품과의 비교분석을 수행하고자 한다.

II. 연구방법

1. 방법론

 본 대상 기술에 대한 환경성 및 경제성을 동시에 평가하기 위하여 제품 시스템의 지속가능성을 평가하는 방법 중에 하나인2) Eco-efficiency를 활용하였으며, Eco-efficiency의 요소인 환경성평가 및 경제성평가를 위하여 전과정평가(Life Cycle Assessment, LCA)3-5) 및 전과정비용평가(Life Cycle Costing, LCC)6)를 각각 활용하였다.

2. 연구 목적 및 범위

2.1. 연구 목적

 본 연구의 목적은 폐 PCB를 재활용 하는 기술을 통해 생산되는 제품에 대한 Eco-efficiency 분석을 수행하여 개발된 재활용 기술에 대한 환경적 및 경제적 개선점을 도출하고, 이를 기존 제품과 비교분석함으로써 자원순환 사회를 형성하기 위한 기초자료를 제공하는 것이다. 이 결과는 폐 PCB와 관련된 기술개발자, 연구자 및 정책입안자들이 활용할 수 있도록 정량적인 정보를 제공하고자 한다.

2.2. 연구 범위

 본 연구의 대상 시스템은 폐 PCB를 재활용함으로써 금과 구리를 회수하는 공정이다. 평가를 위해서 설정한 대상 제품의 기능, 기능 단위 및 기준흐름은 Table 1과 같다.

Table 1. Function, Functional unit and Reference flow

 연구를 위해서 설정된 시스템 경계는 Fig. 1과 같으며, 폐 PCB의 재활용 단계에서 투입되는 투입/산출물에 대한 데이터를 바탕으로 연구를 수행하였다. 투입되는 폐 PCB는 현재 각각의 고유한 기능을 갖고 있는 여러 종류가 있음에도 불구하고 처리 시에는 통합적으로 관리되고 있는 것으로 파악 되었다. 따라서 대상 시스템은 특정한 PCB가 투입되지 않으며, 투입된 폐 PCB는 1차 재활용 단계를 거쳐 금과 구리가 회수되고, 재활용 도중 발생하는 잔사(Residue)를 동일한 과정을 거쳐 2차 재활용함으로써 회수율을 향상시킬 수 있도록 구성되어 있다. 본 연구에서는 이 모든 과정을 시스템 경계로 설정하였다.

Fig. 1. System boundary.

3. 데이터 수집 및 계산

3.1. 데이터 수집

 데이터 수집은 개발된 기술의 2012년 연간데이터를 사용하였으며, 실제 공정데이터를 수집하였다. 수집이 불가능한 경우에 한해서 데이터 계산을 통해 산출된 데이터를 사용하였다. 투입/산출된 데이터는 Table 2와 같다.

Table 2. Data quality and reference

3.2. 데이터 계산

3.2.1. 비교 시스템의 경제적 비용

 대상 시스템의 경제성과 비교하기 위해 Table 3와 같이 신재의 가격을 수집하였다. 동일한 기준을 통하여 경제성을 비교하기 위해 신재 가격에서 이익, 세금, 간접비 등을 제외한 순수한 공정에만 투입되는 비율을 적용하였으며, 본 연구는 실험실 수준의 개발 단계이므로 인건비에 대한 항목을 제외하여 비용을 도출하였다.

Table 3. Material costs of virgin metal price

3.2.2. 할당

 본 연구에서 추출되는 금속인 금과 구리의 할당은 중량 대비 경제적 가치의 차이가 크므로 다음 Table 4와 같이 경제적 할당을 수행하였다.

Table 4. Allocation rate for products of this system

III. 연구결과

 본 연구는 재활용 기술의 환경성 및 경제성 평가를 목적으로 정의하였으며, 이를 통해 폐 전기·전자제품의 재활용이 자원고갈에 기여하는 바와, 전 세계적으로 이슈가 되고 있는 기후 변화에 미치는 영향을 분석하기 위하여 자원고갈(Abiotic Resource Depletion) 및 지구온난화(Global Warming Potential)에 대하여 결과를 도출하였다.

1. 환경성(LCA평가) 결과

 환경성 결과는 투입물과 배출물이 각 영향 범주(지구온난화 및 자원고갈)에 미치는 영향을 정량화하는 특성화 단계를 거쳐 도출되게 되며, 본 연구에서 사용된 영향범주의 특성화 인자는 다음 Table 5와 같으며, 잠재적 환경영향의 계산 방법은 식 (1)과 같다.

Table 5. Characterization Factor

 

1.1. 지구온난화

 대상 시스템을 통해 폐 PCB 1kg을 재활용 했을 경우, 전체공정의 지구온난화 영향은 1.89E + 00 kg CO2 eq.이다. 이에 따른 단위 공정별 지구온난화 영향 결과는 다음 Fig. 2와 같다.

Fig. 2. Global warming potential (GWP) results of PCB recycling process.

 대상 공정에서 지구온난화에 가장 많은 영향을 미친 단계는 2차 재활용 공정 중 용융공정이며, 8.65E − 01 kg CO2 eq.로 가장 많은 영향을 나타났다. 항목별로는 잔사의 용융을 위해 투입되는 전기의 영향이 5.86E − 01 kg CO2 eq.으로 가장 크게 도출되었으며 전체공정의 30.75%를 차지한다. 다음으로 많은 영향을 미치는 부분은 질산침출 공정에서는 투입되는 질산이며 이로 인한 지구온난화 영향이 2.89E − 01 kg CO2 eq.로 발생하였고, 이는 전체공정의 15.15%를 차지한다. 재활용 공정을 통해 금과 구리 두 가지 금속이 추출되며, 경제적 할당에 따른 각 금속의 지구온난화 영향 결과는 금의 경우 1.74 + 00 kg CO2 eq., 구리의 경우 1.64-01 kg CO2 eq.의 영향을 갖는 것으로 도출되었다. 전체 공정과 마찬가지로 각 금속별 지구온난화 영향의 대부분을 차지하는 공정은 용융 단계이며, 투입되는 전기의 할당에 의한 각 금속별 영향으로는, 금 7.91E − 01 kg CO2 eq., 구리 7.41E − 2 kg CO2 eq.의 영향이 있는 것으로 도출되었다. 그 다음으로 큰 영향을 미치는 것은 질산침출 공정에 사용되는 질산의 영향으로는, 할당에 의한 지구온난화 영향은 각각 2.65E − 01 kg CO2 eq., 2.48E − 02 kg CO2 eq.로 도출되었다.

1.2. 자원고갈

 대상 시스템을 통해 폐 PCB 1 kg을 재활용 했을 경우, 2.84E − 02 kg antimony의 자원고갈 영향을 가진다. 이에 따른 단위 공정별 자원고갈 영향 결과는 다음 Fig. 3과 같다. 대상 공정에서 자원고갈에 가장 많은 영향을 미친 단계는 재활용 공정 중 질산침출 공정이며 항목별로는 질산침출을 위해 투입되는 질산의 영향이 1.70E − 02 kg antimony로 가장 크게 도출되었으며 전체공정의 59.85%를 차지한다. 다음으로 많은 영향을 미치는 부분으로는 용융공정에서 투입되는 전기이며 이는 3.91E − 03 kg antimony의 영향이 있으며, 전체공정의 13.37%를 차지한다. 재활용 공정을 통해 금과 구리 두 가지 금속이 추출되며, 경제적 할당에 따른 각 금속의 지구온난화 영향 결과는 금의 경우 2.60E − 02 kg antimony, 구리의 경우 2.43E − 03 kg antimony가 발생한다. 전체 공정과 마찬가지로 각 금속별 자원고갈영향의 대부분을 차지하는 공정은 질산침출 단계이며, 투입되는 질산의 할당에 의한 각 금속별 영향으로는, 금은 1.64E − 02 kg antimony, 구리는 1.53E − 03 kg antimony의 영향이 있는 것으로 도출되었다. 그 다음으로 큰 영향을 미치는 것은 용융 공정에 사용되는 전기의 영향으로, 금속별 할당에 의한 자원고갈영향은 각각 3.48E − 03 kg antimony, 3.26E − 02 kg antimony로 도출되었다. 현재 공정이 상용화 되어 있지 않고, 실험실 수준의 최적화 진행 중인 공정이므로 투입되는 전기, 질산에 의한 영향은 감소할 것으로 예상되며, 전체적인 환경 영향 또한, 감소 될 것으로 예상된다.

Fig. 3. Abiotic resource depletion (ARD) results of PCB recycling process.

2. 경제성 결과

2.1. 경제성 평가

 경제성평가를 위하여 전과정비용평가 방법론을 사용하였으며, 환경성 평가를 위해 수집한 데이터와 동일한 시스템경계 내에서 데이터를 수집하였다. 또한, 대상시스템은 상용화되지 않았으므로, 자본 비용과 유지보수 비용을 제외한 운영비용만을 고려하였다. 고려된 항목 및 기준흐름 당 비용은 Table 6과 같다.

Table 6. Life cycle cost of this process

 대상 시스템의 경제성 평가를 위해, 폐 PCB 재활용에 투입되는 비용을 파악하였으며, 본 연구에서 고려된 전과정 비용은, 원료취득, 가공 및 추출비용이 고려되었다. 폐 PCB재활용 공정 중 가장 큰 지출은 초기 투입되는 폐 PCB구입비용이며, 투입되는 질산, 수산화나트륨 비용이 크게 도출되었다. 현재 소량 단위로 폐 PCB를 구입하고 있어 원재료 비가 많이 투입되지만, 재활용 기술이 상용화 되면 원재료 구입 단가는 내려갈 것으로 예상된다.

2.2. Eco-efficiency

 폐 PCB 재활용 공정에서의 환경성 평가 결과와 경제성 평가결과를 기준으로 식 (2)를 통해 Eco-efficiency를 도출하였다.

 

 환경 및 경제 효율성 도출을 위해 비교 대상 시스템은 구리와 금 신재 생산 및 재생재 생산으로 설정 하였다. 그리고 폐 PCB 재활용 공정에서 추출되는 금과 구리의 동일한 양만큼을 비교하였다. 추출되는 금속 및 각 영향 범주별 Efficiency는 Table 7과 같으며, 기존기술대비 Eco-efficiency를 포트폴리오 형태로 나타내면 Fig. 4와 같다.

Table 7. Eco-efficiency of this process

Fig. 4. Eco-efficiency portfolio of GWP.

 도출된 결과에 따르면 기존 금 신재 대비의 경우 지구온난화 영향에서 경제적, 환경적으로 모두 개선된 지속가능한 대안으로 나타났다. 기존 재활용 공정의 금재생재 대비의 경우 경제적으로는 우수하나 환경적으로는 부정적인 대안임을 보였다. 또한, 구리의 경우, 대상 공정의 기술이 기존 신재 및 재생재 대비 Eco-efficiency가 포트폴리오의 1사분면에 나타나게 되어 대상공정이 우수한 대안임을 확인할 수 있었다. 또한, 대상공정에서 추출되는 금과 구리 모두를 고려했을 때, 기존 신재 생산기술 및 재생재 생산 기술보다 경제적, 환경적으로 우수한 지속가능한 대안임을 보인다. 자원고갈영향에 대한 Eco-efficiency의 포트폴리오 형태로 나타내면 Fig. 5와 같다.

Fig. 5. Eco-efficiency portfolio of ARD.

 자원고갈영향에서 금의 경우, 기존 재생재에 비해 환경적으로 부정적인 대안으로 도출되었으며, 기존 신재 생산과 비교했을 경우에는 환경적, 경제적으로 모두 우수한 대안으로 도출되었다. 구리의 경우, 기존 구리재생재, 구리 신재 대비로는 경제적으로는 우수하나 환경적으로는 부정적임을 보였으며, 기존 금과 구리의 재생재를 함께 비교 했을 경우는 경제적으로 우수함을 보였다. 추출되는 금속을 모두 신재 생산과 비교했을 시에는 포트폴리오의 1사분면에 나타나게 되어 경제적, 환경적으로 모두 우수함을 나타내어 지속가능한 대안임을 확인할 수 있었다.

IV. 시나리오 분석

1. 신재 가격에 따른 경제성 분석

1.1. 구리 신재 가격 변동에 따른 대상 공정의 실용성 분석

 최근 10년간 구리가격의 변동7)을 살펴보면 Fig. 6과 같다. 구리 신재의 가격이 붉은 점선과 같은 톤당 7104,912.98원일 경우 Economic-efficiency가 ‘1’이 되어 경제적인 이득 부분이 사라지게 되고 환경적인 영향을 기준으로 손익을 판단할 수 있게 된다. 또한, 신재구리가격이 대상공정의 할당된 구리가격보다 낮아지는 붉은 점선 아래 영역에서는 경제적으로 기존 기술보다 손해가 발생하는 영역이므로, Eco-efficiency가 2사분면 혹은 3사분면으로 이동하게 된다.

Fig. 6. Copper price fluctuations of the past 10 years.

1.2. 금 신재 가격 변동에 따른 대상 공정의 실용성 분석

 구리와 마찬가지로 최근 10년간 금 가격의 변동9) 을 살펴보면 Fig. 7과 같다. 금 신재 가격이 붉은 점선과 같은 톤당 32,864,729,672원일 경우 Economic-efficiency가 ‘1’이 되어 경제적인 이득 부분이 사라지게 되고 환경적인 영향에 따라 포트폴리오에 나타나게 된다. 또한, 신재 금 가격이 대상공정의 할당된 금 가격보다 낮아지는 붉은 점선 아래 영역에서는 경제적으로 기존 기술보다 경제적 손해가 발생하므로, Eco-efficiency가 2사분면 또는 3사분면으로 이동하게 되며, 이러한 경우 경제적인 이득이 발생하지 않게 된다.

Fig. 7. Gold price fluctuations of the past 10 years.

 금, 구리 신재 가격에 따라 대상 공정을 적용하는 것에 대한 경제적으로 손익을 고려하고 다양한 이해관계자의 판단에 따라 대상 기술 시행 여부를 판단해야 할 것이다.

V. 결 론

 본 연구에서 평가한 폐 PCB 재활용 공정은 화학적, 물리적 처리를 통하여 금과 구리를 추출하는 공정으로, 상용화된 기술이 아닌 개발 중인 기술로써, 해당 기술의 실험실 수준 데이터를 기반으로 환경성 및 경제성을 평가하였고, 이를 통하여 기존 신재 및 재생재 생산과 Eco-efficiency를 비교, 분석하였다. 폐 PCB 1kg 처리를 기준으로 대상 공정의 전제 환경영향은 지구온난화 영향의 경우 1.89E + 00 kg CO2 eq., 자원고갈 영향 2.84E − 02 kg antimony이 발생하였고 경제적인 부분으로는 6601.91원이 소요된다. 추출물 중, 경제적 할당을 통한 금과 구리 각각의 환경성을 평가한 결과 금은지구온난화 영향으로 1.73E + 00 kg CO2 eq.가 발생하였고, 자원고갈 영향으로는 2.60E − 02 kg antimony가 발생하는 것으로 분석되었다. 또한, 경제적인 부분에서의 경우역시 경제적 할당을 통하여 30906.16원이 소요된다. 또한, 구리의 경우 경제적 할당을 통해 지구온난화 영향은 1.62E − 01 kg CO2 eq.이 발생하였고 자원고갈 영향은 2.43E − 03 kg antimony가 발생하였다. 추출되는 금과 구리의 환경성 및 경제성을 바탕으로 기존신재, 재생재 대비 Eco-efficiency를 도출 하였을 경우, 금 재생재 대비를 제외하고 금과 구리의 모든 경우에서 지구온난화에 대한 Eco-efficiency는 모두 포트폴리오의 1사분면인 지속가능한 기술로 평가되었다. 자원고갈에 대한 Eco-efficiency는 모두 경제적 측면은 우수한 것으로 도출되었지만, 금과 구리의 재생재와 구리신재의 경우는 환경적 측면은 부정적인 것으로 도출되었다. 하지만 금 신재 및 구리 신재 합과의 비교는 경제적, 환경적으로 모두 우수한 지속가능한 기술로 평가되었다.

 경제적 측면에서 금 신재 가격이 32,864,729,672원/ton, 구리 신재 가격이 7104,912.98원/ton 이하로 내려갈 경우 Economic-efficiency가 ‘1’ 이하로 떨어지게 된다. 이러한 경우 환경적 측면을 제외할 경우, 신재생산이 더 효율적이게 된다. 경제적 측면만을 고려할 경우 다양한 이해관계자의 판단을 통해 대상 공정의 수행 여부를 판단해야 할 것이다.

대상 공정은 앞서 언급한 것과 같이 상용화된 기술이 아닌 최적화가 필요한 개발 진행 중인 공정으로 본 연구의 한계가 있으며, 최적화가 이루어질 경우 환경성 및 경제성 부분에서 더욱 개선이 이루어 질수 있다는 점에서 Eco-efficiency의 향상을 기대할 수 있을 것이다. 

사 사

 본 논문은 환경부 글로벌 탑 환경기술개발사업 중 폐금속유용자원재활용기술개발사업의 지원에 의하여 연구되었으며 이에 감사드립니다.

Reference

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