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페놀폼 보드(PF 단열재)의 환경 영향(1)

출처: http://eprints.whiterose.ac.uk/86601/1/coma1400022h%20Insulation%20Materials.pdf

https://www.icevirtuallibrary.com/doi/10.1680/coma.14.00022

 

페놀폼 보드(PF 단열재)는 일반적인 단열재로 채택되면서, 외벽 단열재로 사용이 증가하고 있습니다. 그러나 설계자가 재료 선택에 현명한 결정을 내리려면, 단열재의 환경 영향을 고려해야하고 관련 영향의 회수 기간을 평가해야합니다. 페놀폼 보드(PF 단열재)에 대한 정보가 부족합니다. 이 자료는 이 격차를 메우려고 합니다. 결과는 국제 참조 수명주기 데이터 방법론을 사용하여 쉽게 비교할 수 있으며, 다른 연구에 사용될 수 있습니다. 전체 수명주기를 고려할 때, 물의 고갈과 담수 생태 독성으로 인한 영향은 가장 긴 회수 기간을 나타내며, 목표 감소를 위해 권장됩니다.

 

1. 서론

 

    건축에서 페놀폼 보드(PF 단열재)의 주요 사용 용도는 단열재, 일반적으로 파이프 주변 또는 단열 효율을 향상시키기 위해 건물 구조에 보드 형태로 적용됩니다. 탄소 배출 목표를 달성하려면 기존 건축자재의 열 효율이 가장 중요합니다.(기후 변화법 2008, 2008; 기후변화에 관한 유엔 기본협약, 2013) 견고한 벽이 있는 주택의 경우, 외벽 단열재는 열효율을 향상시키는 효과적인 방법이 될 수 있습니다.

 

    페놀폼 보드(PF 단열재)는 열전도율이 낮고 좋은 화재 성능으로 외벽 단열시스템에 널리 사용되는 재료입니다. 추정에 따르면 2050년 배출 목표를 달성하기 위해 영국의 주당 13000 가구를 개보수해야 하고, 따라서 개보수의 필요성이 분명히 중요합니다. 개보수 요구의 규모를 고려할 때, 또한 개조하는 동안 이러한 사용될 재료의 양과 재료의 환경 영향에 대해 생각하는 것이 중요합니다.

 

    발포폴리스티렌(EPS) 및 미네랄울과 같은 일부 단열재에 대해 사용 가능한 환경영향 데이터가 있지만, 페놀폼 보드(PF 단열재)에 대한 사용 가능한 투명한 수명주기 환경영향 정보는 제한되어 있습니다. 발견된 유일한 데이터(BRE, 2009)60년의 연구기간 동안 지정되지 않은 단열 두께에 대한 것이지만, 어떤 수명주기 단계가 포함되어 있는지는 확실하지 않습니다. 정보가 부족하면 설계자가 단열 선택을 평가할 때, 환경에 미치는 영향을 고려하지 못합니다. 더 많은 주택이 개보수 대상이 됨에 따라 단열재에 대한 환경영향 정보의 가용성에 대한 필요성이 증가하고 있습니다.

 

    한 단열재가 다른 단열재와 비교했을 때, 환경에 미치는 영향의 차이는 주택마다 작게 보일 수 있지만, 절감효과가 전체 부동산, 지역 또는 국가로 확대되면 현저하게 크게 될 수 있습니다. 전체 비교는 재료의 수명주기 평가(LCA)를 통해서만 가능합니다. 환경영향 정보는 또한 환경 회수가 재료의 수명 내에 있는지 확인하는 효과적인 방법입니다. 따라서 이 자료의 목적은 페놀폼 보드(PF 단열재)의 환경영향에 대한 투명한 추정치를 제공하여 다른 사람들이 단열재 선택에 대한 현명한 결정을 내릴 수 있도록 하는 것입니다.

 

    페놀폼은 3가지 주요 성분으로 만들어 집니다. 페놀수지, 발포제 및 산 촉매; 다수의 첨가제가 발포폼 내의 특정 특성을 개발하기 위해 사용될 수 있습니다. 페놀폼 보드(PF 단열재)을 제조하는 데 사용되는 화학 물질을 설명하는 특허 및 기타 정보가 있으며, 이는 환경영향 분석의 기초로 사용됩니다.

 

2. 방법

 

    이 연구는 전체 수명까지 페놀폼 보드(PF 단열재)의 환경영향 평가에 대한 정량적 평가를 통해 LCA 접근법을 사용합니다. 페놀폼 보드(PF 단열재)의 생산 설비로 화학 물질의 운송은 화학 물질의 출처를 알 수 없으므로 연구에 포함되지 않았습니다. 운송의 거리와 유형은 또한 재료가 공급되는 위치에 따라 크게 달라질 수 있습니다. 따라서 운송과 관련된 영향은 평가되지 않습니다.

 

    공정 분석은 사용 가능한 데이터를 제공하고 처리하기 위해 SimaPro 7 소프트웨어를 사용하여 환경영향을 정량화하는데 사용됩니다. 접근 가능한 경우, 특허 정보는 입력 및 프로세스 정보에 활용됩니다. 일부 입력 화학 물질의 경우, 반응 및 몰 질량(molar mass)이 입력 정보를 계산하는데 사용됩니다. 달리 명시하지 않는 한 더 자세한 정보가 없기 때문에 100% 수율로 가정합니다.

 

    이로 인해 환경영향이 과소평가될 수 있음을 인정합니다. 투입 화학 물질이 경우, 상대적인 환경영향은 각 환경영향 범주에서 가장 낮은 영향을 받는 화합물을 강조하기 때문에 그래픽으로 비교됩니다. 가장 최근에 발견된 특허는 예제 혼합을 제공합니다. 첫 번째 혼합물은 페놀폼 보드(PF 단열재)을 제조하기 위해 다른 화합 물질의 대량 투입의 기초로 사용됩니다.

 

    사용된 수명주기 영향평가(life-cycle impact assessment, LCIA)방법은 국제 기준 수명주기 테이터 시스템(life-cycle data system, ILCD) 중간 지점 방법입니다. 이것은 다양한 LCIA 방법과 그 영향 범주의 분석에서 비롯됩니다. 분석을 위해 사용할 수 있는 방법과 특성화 요소를 제공하여 분석을 권장합니다. ILCD 방법은 강력한 특성화 요소가 있는 범주를 제공하고 다른 연구와 쉽게 비교할 수 있는 형태로 결과를 제공하기 위해 개발되었습니다. 이러한 이유로 방법론이 선택되었습니다.

 

    연구에 사용된 영향 범주와 단위 및 간단한 설명은 아래에서 확인할 수 있습니다. 광범위한 범주를 조사함으로써 페놀폼 및 그 구성요소 화학 물질의 환경 영향에 대한 전체적인 그림을 얻었습니다. 영향의 범주는 아래와 같습니다.

 

   ① 기후 변화(kg CO2 등가): 기후 변화의 원인인 온실 가스는 이산화탄소 등가물로 추가되었습니다. 100년 동안 정부간 기후변화위원회(IPCC)2007년 보고서에서 얻은 지구온난화 잠재성을 사용합니다.

 

   ② 오존층 파괴(kg CFC-11 등가): 세계기상기구의 오존파괴 잠재력(ODPs)은 가스를 CFC-11로 변환하는데 사용됩니다.

 

   ③ 인간 독성, 암 영향(CTUh): 사용되는 사람에 대한 비교 독성은 야외 흡입, 식수 섭취 및 간접 독소가 포함되어 있습니다. (: 식물, 동물 및 어류에 축적된 독성 단위)

 

   ④ 인간 독성, 암과 무관한 영향(CTUh): 사용되는 사람에 대한 비교 독성

 

   ⑤ 미립자 물질(kg PM2.5 등가): 배출량으로 추정되는 미립자의 섭취 비율

 

   ⑥ 이온화 방사선, 사람 건강(kg U235 등가): 환경으로 오염 및 잠재적 노출의 이송을 포함합니다. 일부 불확실성은 많은 방사선 물질의 긴 반감기와 관련이 있습니다.

 

   ⑦ 이온화 방사선, 생태계(중간)(CTUe): 사용되는 생태계에 대한 비교 독성 단위로 현재 모델은 담수에서 영향에 초점을 맞추고 있습니다. ILCD가 특성화 요인으로 권장하는 중간 범주는 아직 간행물에 설명되어 있지 않습니다.

 

   ⑧ 광화학 오존형성(kg NMVOC 등가): 대류권에서 오존 농도를 증가시키는 원인은 미 메탄 휘발성 유기화합물 등가의 방사입니다. 낮은 수준의 오존은 식물 기능을 손상시키고 인간 건강에 영향을 줄 수 있습니다.

 

   ⑨ 산성화(molc H등가): 축적된 초과를 기초로, 이것은 다른 생태계의 취약점을 설명하면서 대기 운송 및 배출 퇴적을 포함합니다.

 

   ⑩ 지구의 부영양화(molc N 등가): 축적된 초과를 기초로, 토양 및 대기 상태의 평가 및 다양한 지역에서 생물 다양성의 민감도를 설명

 

   ⑪ 담수 부영양화(kg P 등가): 담수의 환경으로 전이된 영양소의 농도를 인의 함유에 중점을 두고 추정함

 

   ⑫ 해양 부영양화(kg N 등가): 위와 같지만, 질소 등가 농도를 평가하여 해양 수생 환경에 중점을 둠

 

   ⑬ 담수 생태독성(CTUe): 사용되는 생태계에 대한 비교 독성 단위; 이것은 생태계에 노출, 잠재적 수송 및 영향을 설명합니다.

 

   ⑭ 토지 사용(kg C): 점유된 토지의 부족 품질의 부족을 평가하고 토지 유기물을 품질 지표로 사용함

 

   ⑮ 수자원 고갈(m³ 물 등가): 물 사용을 고려하고 이를 지역 부족과 관련시킵니다.

 

   ⑯ 광물, 화석 및 재생 가능한 자원 고갈(kg Sb 등가): 연간 자원 추출량과 사용 가능한 매장량 사이의 비율인 비 생물학적(물리적, 비 생물학적 자원) 고갈 가능성을 활용합니다. 모든 자원은 안티몬으로 등가로 변환

 

3. 화학 성분

 

    페놀폼 보드(PF 단열재)를 만드는데 사용되는 화학 성분은 아래 그림에 요약되어 있으며, 이는 최신 사용 가능한 특허에서 나온 혼합물 1을 기초로 합니다.

[30×30×5cm 페놀폼 보드(PF 단열재)을 만들기 위한

화학 혼합의 예(Kingspan Holdings Limited 기준(2006))]

 1) 페놀수지(phenolic resin)

 

     페놀수지는 페놀폼의 주성분입니다. SimaPro에 포함된 ecoinvent 데이터베이스 내에 사용 가능한 환경영향 테이터가 있습니다. 이는 4.15kg/kg CO공식으로 상당히 구체화된 탄소를 가지고 있으며, 이는 생성된 페놀폼 보드(PF 단열재)도 실질적으로 구체화된 탄소를 가질 것임을 시사합니다.

 

 2) 산 촉매(Acid catalysts)

 

     Odian(1991, p.127)은 페놀폼 보드(PF 단열재) 제조 중에 톨루엔(toluene) 또는 크실렌술폰산(xylene sulfonic)과 같은 촉매가 사용되어야한다고 명시하고 있습니다. 최신에 특허는 두 산의 혼합물이 사용되어야한다고 제안합니다. 따라서 3가지 선택이 모두 탐구됩니다. SimaPro에는 톨루엔 술폰산 또는 크실렌 술폰산에 대한 기존의 수명주기 영향(LCI) 데이터가 없으므로, 이들의 환경 영향은 다음 단원에 요약된 대로 추정되었습니다.

 

  (1) 톨루엔 술폰산(toluene sulfonic acid)

 

       톨루엔 술폰산(toluene sulfonic acid)은 톨루엔과 농축된 황산 사이의 반응으로 생성됩니다. MendelSet(2013)에서 1몰의 톨루엔이 1몰의 황산과 반응하여 1몰의 톨루엔 술폰산을 형성하는 것을 아래에서 확인할 수 있으며, 이것은 반응으로부터 100%의 수율을 가정합니다. 형성된 톨루엔 술폰산은 벤젠 고리, 메틸 및 술폰산염기를 함유합니다.

 

CHCH+ HSO₄→ CHOS + HO

 

       이 방정식을 기초로 사용하여 기여한 화학 물질 각각의 몰 질량(아래 표), 톨루엔 술폰산의 환경 영향을 SimaPro로 모델링하였습니다. 그림은 1몰의 톨루엔 술폰산에 대한 화학 성분이 환경영향에 기여를 보여줍니다.

 

[톨루엔 술폰산의 몰 질량]

[톨루엔 술폰산의 환경영향 분석으로 가장 큰 영향을 미치는 범주가 나타납니다.]

       각 화합물의 기여는 환경영향 범주에 따라 크게 다릅니다. 상기 그림에서와 같이 톨루엔은 기후 변화 범주에 미치는 영향의 대부분을 차지하고 5개의 다른 범주에 상당한 양을 차지합니다. 술폰산은 5가지 범주에서 대부분의 영향을 미치며 3가지 영역에 걸쳐 더 큰 영향을 미칩니다. 다른 종류의 상대 심각도는 비교 그래프에 표시되지 않습니다. 정량화된 영향은 기후 변화 범주가 가장 큰 영향 중 하나인 것으로 보여 지지만, 범주 전체에 걸쳐 영향은 상당히 작습니다.

 

  (2) 크실렌 술폰산(Xylene sulfonic acid)

 

       크실렌 술폰산(Xylene sulfonic acid)은 크실렌과 술폰산의 반응에서 1:1.4~1:1.9의 제안된 몰 비율로 합성됩니다.(1983, Nobuyuki and Seiji) 술폰산이 증가하면 더 많은 물질이 필요하고 환경에 더 큰 영향을 미치므로, 이 범위에서 가장 낮은 농도 비율(1:1.4)이 상업적 관점에서 가장 가능성이 높기 때문에 선택되었습니다.

 

       반응은 더 낮은 비율에서 일어나지만 반응하지 않은 크실렌을 남길 수 있고, 따라서 크실렌 술폰산의 더 낮은 생산량을 생산할 수 있습니다. 아래 표는 환경에 영향을 미치는 추정된 몰 질량을 보여줍니다. 환경영향 분석은 그림에서 볼 수 있습니다.

[크실렌 술폰산의 몰 질량]

[크실렌 술폰산의 환경영향 분석으로 어떤 환경이

각 환경 영향 범주에 가장 큰 영향을 미치는지 보여줍니다.]

       크실렌 술폰산 성분의 환경 영향은 톨루엔 술폰산과 유사한 패턴을 보여줍니다[참고: 톨루엔 술폰산의 환경영향 분석으로 가장 큰 영향을 미치는 범주가 나타납니다]. 이것은 방향족 탄화수소로서 톨루엔과 크실렌의 화학적 유사성을 반영합니다.

  (3) 산 촉매의 환경 영향 비교

 

       3가지 다른 산 촉매의 선택은 페놀폼 보드(PF 단열재) 제조를 위해 논의되었습니다. 아래 그림은 다음 산의 환경 영향을 비교합니다.

 

   ① 톨루엔 술폰산

   ② 크실렌 술폰산

   ③ 산 혼합: 65% 톨루엔 술폰산, 35% 크실렌 술폰산: 이것은 Kingspn Holdings Limited(2006)의 특허에 사용하기 위해 제안되었습니다.

 

[페놀폼 보드(PF 단열재)을 만들기 위한 산 선택의 환경영향 비교]

       크실렌 술폰산은 범주 전체에 걸쳐 가장 큰 영향을 미치고, 톨루엔 술폰산은 모든 범주에서 가장 낮은 영향을 미치며 이는 크실렌이 톨루엔보다 환경 영향이 크기 때문입니다. 예상한 바와 같이, 이 둘의 혼합물은 중간 범위의 영향을 줍니다. 혼합물의 환경 영향을 줄이기 위해, 톨루엔 술폰산의 비율을 증가시킬 수 있습니다.

 

       이것은 특히 인간 발암물질과 담수 독소를 줄입니다. 인간 독성, 암 영향의 충격이 작고(혼합한 경우 1.07×10⁻⁹ CTUh) 따라서 이것을 줄이는 것은 우선 순위가 아닙니다. 담수 독성 수준은 혼합물의 경우 0.033CTUe, 크실렌 술폰산 0.043CTUe, 및 톨루엔 술폰산 0.028CTUe로 더 높습니다. 톨루엔 술폰산 비율을 증가시키면 혼합물에 영향을 줄일 수 있지만, 실제로는 그렇지 않습니다.