EU PEF 방법론을 이용한 에폭시 제조 시스템의 환경성 평가

1. 서 론

최근 기업 지속가능성 보고 지침 (CSRD, corporate sustainability reporting directive) 및 기후공시 도입과 더불어 환경 규제 강화로 인해 기업들은 다양한 환경영향범주를 포함한 제품의 환경성 분석이 필수적이다[1,2]. “정부, 국제기구 및 관련 기관은 기업 제품의 전과정평가를 통해 자원 소비, 온실가스 배출 등의 주요 환경 요소를 체계적으로 분석하고 보고하도록 요구하며, 이를 기반으로 지속 가능한 경영 전략 수립을 지원한다.

에폭시는 건설, 토목, 전기·전자 산업 등 다양한 산업에서 사용되는 다목적 소재로 내구성, 화학적 저항성, 접착력 등이 뛰어나 접착제, 복합재 재료, 도료 등의 용도로 주로 사용되고 있다. 그러나 지속 가능성에 대한 우려가 커지면서 에폭시 또한 환경성에 대한 철저한 분석이 필요함에 따라 에폭시의 LCA 관련 논문들이 보고되고 있다. 최근에는 바이오(bark[3], vanillin[3], cardanol[4]) 기반 에폭시 제조, 재활용[5,6], CCU (carbon capture utilization)[6]로의 활용에 관한 에폭시 연구가 해외에서 주로 보고되고 있다. 하지만, Bisphenol A type, Bisphenol F type, Novolac type, Aliphatic type, Glycidylamine type 등 다양한 형태가 존재하는 에폭시의 소재 자체에 대한 기본적인 LCA 연구 결과가 부족할 뿐만 아니라 국내 생산 현장 데이터를 반영한 LCI(life cycle inventory) 데이터베이스 또한 부족한 상황이다.

이에 본 연구에서는 에폭시의 가장 대표적인 유형인 Bisphenol A type 에폭시의 국내 생산 제조시스템을 대상으로 LCA를 수행하여 환경 영향 평가 및 주요 이슈를 규명하고 환경적 개선 방안을 도출함에 있다. 또한, 에폭시를 활용한 여러 제품의 상위 데이터를 연결하는데 쓰이기 위한 LCI DB 구축에 활용하고자 한다.

2. 연구방법

3. 목록분석

3.1. 단위공정 선정 및 공정흐름도

데이터 수집을 위한 단위 공정은 Fig. 1과 같이 에폭시 생산 공정 한 개로 정하였다. 단위 공정으로의 투입물은 비스페놀A, 에피클로로히드린, 인산, 수산화나트륨, 질소, 전기, 스팀 등이 포함되며, 산출물은 에폭시와 대기배출물, 폐기물을 포함한다.

Fig. 1. Process flow of epoxy production.

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4. 연구결과

에폭시에 대한 전과정 목록 분석 결과를 기초로, 영향평가 방법론인 Environmental footprint(EF) 3.1을 활용하여 16대 영향범주별 특성화 결과와 정규화 결과를 산출하였다. 영향평가 결과의 산출을 위해 Sphera LCA 소프트웨어를 활용하였다.

4.1. 특성화 결과

16대 영향범주 별로 특성화 결과인 잠재적 환경영향은 Table 6과 같으며 주요 영향범주 결과를 Fig. 2에 도식화하였다. 영향범주 중 기후변화 영향은 에폭시 1 kg당 6.25 kgCO₂ eq.가 발생하였다. 기후 변화에 가장 큰 영향을 주는 것은 에피클로로히드린(ECH) 투입에 의한 것으로 전체의 약 54%이고, 그 다음으로 비스페놀A(BPA)에 의한 영향이 약 29%, 스팀 사용에 의한 영향이 약 12%인 것으로 나타났다.

Table 6. Characterization LCA results

Impact category	Unit	Characterization results
		Total	BPA	ECH	Electricity	Steam	Etc
Acidification	mol H+ eq.	1.48E-02	3.57E-03	4.31E-03	5.89E-04	2.74E-03	3.62E-03
Climate change	kg CO2 eq.	6.25E+00	1.81E+00	3.35E+00	1.74E-01	7.27E-01	1.85E-01
Ecotoxicity, freshwater	CTUe	1.31E+03	2.37E+01	3.85E+01	5.46E-01	3.20E+00	1.24E+03
Eutrophication, water	kg P eq.	2.45E-04	2.03E-06	1.90E-05	1.26E-04	8.42E-05	1.39E-05
Eutrophication, marine environments	kg N eq.	4.41E-03	1.30E-03	1.41E-03	1.88E-04	3.81E-04	1.12E-03
Eutrophication, land	mol N eq.	5.40E-02	1.43E-02	1.64E-02	1.84E-03	4.02E-03	1.74E-02
Human toxicity, cancerous	CTUh	1.62E-09	4.96E-10	5.04E-10	5.15E-11	1.47E-10	4.24E-10
Human toxicity, non-cancerous	CTUh	7.79E-08	1.05E-08	2.62E-08	1.42E-09	2.86E-09	3.69E-08
Ionizing radiation	kBq U-235 eq.	2.58E-01	2.47E-02	1.33E-01	4.87E-02	1.92E-02	3.27E-02
Land use	pt	4.82E+00	4.29E-01	2.26E+00	3.97E-01	7.92E-01	9.37E-01
Ozone depletion	kg CFC-11 eq.	7.23E-08	1.07E-12	5.76E-12	5.23E-09	6.66E-08	5.09E-10
Particulate matter emissions	disease incidences	1.29E-07	2.51E-08	4.84E-08	1.83E-09	3.12E-08	2.21E-08
Photochemical ozone formation	kg NMVOC eq.	1.33E-02	4.50E-03	4.17E-03	4.64E-04	1.29E-03	2.92E-03
Resource use, fossil	MJ	1.24E+02	4.89E+01	5.89E+01	3.29E+00	1.01E+01	3.00E+00
Resource use, minerals and metals	kg Sb eq.	1.32E-06	4.35E-07	3.71E-07	2.32E-07	1.99E-07	8.79E-08
Water usage	m3	2.33E-01	1.94E-01	3.52E-01	3.59E-02	3.76E-02	−3.86E-01

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Fig. 2. Characterization LCA results.

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또한, 산성화, 생태독성, 부영양화(토양), 인체독성, 화석연료 고갈, 수자원 고갈 등 대부분의 영향범주에 대해서도 BPA, ECH 투입에 의한 영향이 큰 것으로 나타났다.

4.2. 정규화 결과

영향범주별 특성화 결과에 대한 상대적 중요도를 파악하기 위하여 유럽집행위원회(EC)에서 2017년에 개발한 글로벌 정규화기준을 사용하였다. 정규화 기준은 세계 평균 인구 1인당 16대 영향범주별 잠재적 환경영향을 의미하여 특성화 결과 값을 정규화 기준에서 제시된 기준 값으로 나누어 정규화 결과 값을 산출할 수 있다. 특성화 값의 영향범주 별 인구수 대비 상대적인 결과 값을 쉽게 비교하기 위해서 정규화 값을 산출하였다.

정규화 기준에 의해 산정한 영향범주별 정규화 결과의 단위는 영향을 받은 인구수(pe)로 동일하여, 영향범주별 결과를 상호 비교할 수 있었다. 주요 영향범주 결과를 Fig. 3에 도식화하였으며 그 결과, 생태독성(상수)의 영향이 가장 크고 그 다음으로 화석연료 고갈, 기후 변화, 스모그, 부영양화(토양) 영향 순으로 나타났다.

Fig. 3. Normalization LCA results.

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5. 결 론

본 연구는 범용성의 에폭시 제조 시스템에 대한 환경 영향을 도출하고 환경성을 개선하기 위한 방안 및 여러 제품의 상위 데이터를 연결하는데 쓰이기 위한 LCI DB 구축하기 위하여 PEF 방법을 통해 수행되었다. 결과적으로 특성화 결과 기준으로 에폭시 제조에서의 영향범주 중 기후변화 영향이 가장 큰 것은 주요 원료인 비스페놀 A(BPA)과 에피클로로히드린(ECH)에 의한 영향인 것으로 파악되어 주요 원료 생산과정에서 발생하는 이산화탄소 감축을 위한 기술 개발이 필요할 것으로 판단된다.

위 결과는 에폭시의 주요 원료인 BPA, ECH 등이 해외 국가 LCI DB를 사용하였기 때문에 데이터 품질 측면에서 BPA 및 ECH의 국내 현장 데이터를 사용할 수 있다면, 더욱 신뢰성 있는 수치를 도출할 수 있을 것으로 생각되어 추가 연구가 필요하다고 판단된다.