펄프 및 제지 산업

펄프 제조의 첫 단계인 원료 준비는 목재나 폐지와 같은 원료를 펄핑 공정에 적합한 상태로 가공하는 과정이다. 이 단계는 최종 펄프의 품질과 효율적인 생산에 직접적인 영향을 미친다.

주요 원료인 목재는 벌목된 통나무를 공장으로 운반한 후, 박피 과정을 통해 나무껍질을 제거한다. 나무껍질은 섬유 함량이 낮고 불순물이 많아 펄프 제조에 적합하지 않기 때문이다. 박피된 목재는 이후 칩으로 절단되는데, 이는 화학 약품이나 기계적 힘이 목재 내부까지 고르게 침투하도록 하기 위한 중요한 과정이다. 폐지를 원료로 사용할 경우에는 잉크, 접착제, 이물질 등을 제거하기 위한 탈묵 및 세척 공정이 선행된다.

원료 준비 과정은 펄프의 종류와 사용되는 기술에 따라 세부 사항이 달라진다. 예를 들어, 화학 펄프 제조를 위한 목재 칩은 크기와 두께가 균일해야 하며, 기계 펄프 생산을 위한 원료는 주로 물에 담가 연화시키는 과정을 거친다. 이 단계에서 원료의 상태를 철저히 관리함으로써 에너지 소비를 줄이고, 펄핑 효율을 높이며, 최종 종이의 강도와 품질을 확보할 수 있다.

펄핑은 목재 칩이나 기타 섬유질 원료로부터 펄프를 분리해내는 핵심 공정이다. 이 과정을 통해 원료에 포함된 리그닌을 제거하거나 분해하여, 종이 제조에 적합한 셀룰로오스 섬유를 얻는다. 펄핑 방법은 크게 기계적 방법과 화학적 방법, 그리고 이 둘을 결합한 방법으로 나뉜다.

기계적 펄핑은 목재 칩을 물과 함께 연마하거나 고압으로 분쇄하여 섬유를 분리하는 방식이다. 그라운드우드 펄프나 리파이너 그라운드우드 펄프가 이에 해당하며, 높은 수율을 보이지만 리그닌이 많이 남아 있어 시간이 지나면 쉽게 누렇게 변색된다. 주로 신문용지나 저급 인쇄용지의 제조에 사용된다. 반면, 화학적 펄핑은 목재 칩을 화학 약품과 함께 가열, 압축하여 리그닌을 선택적으로 용해시킨다. 대표적인 방법으로는 크래프트 펄핑과 설파이트 펄핑이 있다. 이 방법으로 얻은 화학 펄프는 섬유가 길고 강도가 높으며 변색이 적어 고급 문화용지나 강도가 필요한 포장용지의 원료로 쓰인다.

기계적 펄핑과 화학적 펄핑의 중간적 성격을 가지는 방법도 있다. 반화학 펄핑은 먼저 화학 약품으로 목재 칩을 부분적으로 연화시킨 후 기계적 분쇄를 거치는 방식이다. 화학기계 펄핑은 더 많은 화학 처리를 가미한 방법으로, 리그닌의 제거율이 높아 섬유 품질이 향상된다. 이러한 방법들은 수율과 펄프 강도 사이의 균형을 추구하며, 다양한 등급의 제지 원료를 생산하는 데 기여한다. 펄핑 공정의 선택은 최종 제품의 품질, 원가, 그리고 환경 부하에 직접적인 영향을 미치는 핵심 요소이다.

표백은 펄프 제조 공정의 한 단계로, 펄핑 과정을 거친 후 얻어진 갈색의 화학 펄프나 기계 펄프의 색상을 희게 하여 백색도와 광도를 높이는 과정이다. 이 과정은 주로 문화용지나 고급 포장지와 같이 높은 백색도가 요구되는 인쇄용지나 위생용지를 생산할 때 중요하다.

표백은 펄프 내에 남아 있는 리그닌이나 기타 발색 물질을 선택적으로 제거하거나 분해하는 화학적 과정이다. 과거에는 염소 가스를 사용한 표백이 일반적이었으나, 환경 문제로 인해 현재는 염소산나트륨, 과산화수소, 오존, 산소 표백 등 무염소 표백 기술이 주로 사용된다. 이러한 기술은 폐수 중 유기염소화합물의 생성을 크게 줄여 환경 부하를 경감시킨다.

표백 공정은 여러 단계로 이루어지며, 각 단계마다 다른 화학약품을 사용하여 펄프의 색상과 품질을 단계적으로 개선한다. 이 과정은 화학 공학적 지식과 정밀한 공정 제어를 필요로 하며, 펄프의 최종 품질과 강도 특성에 직접적인 영향을 미친다. 효율적인 표백은 원료 사용량을 줄이고, 에너지 소비를 최적화하며, 환경 공학적 측면에서 지속 가능한 생산을 가능하게 한다.

희석 및 성형은 제지 공정의 핵심 단계로, 펄프 슬러리를 종이의 형태로 만드는 과정이다. 이 단계는 펄프 제조 공정에서 만들어진 펄프를 최종 제품의 기초가 되는 종이 웹으로 변환한다.

먼저, 펄프를 물과 함께 혼합기에서 희석하여 균일한 농도의 슬러리를 만든다. 이때 섬유가 잘 분산되도록 하고, 필요한 경우 충전제, 착색제, 접착제 등의 첨가제를 투입하여 종이의 백색도, 강도, 불투명도 등의 특성을 조절한다. 이렇게 준비된 슬러리는 헤드박스로 공급된다.

헤드박스는 슬러리를 일정한 속도와 압력으로 와이어 파트 위에 균일하게 분사하는 역할을 한다. 와이어 파트는 빠르게 움직이는 무한 망으로, 여기서 물의 대부분이 중력과 진공에 의해 빠져나가면서 섬유가 얽혀 초벌 종이 웹이 형성된다. 이 과정을 성형 또는 탈수라고 하며, 종이의 기본적인 두께와 섬유 배열 방향이 결정되는 중요한 단계이다.

종이 제조 공정에서 희석 및 성형 단계를 거쳐 와이어 위에 형성된 젖은 종이 시트는 아직 수분 함량이 매우 높다. 이 시트를 강화하고 수분을 제거하기 위해 압착 및 건조 공정이 이어진다. 압착 단계에서는 일련의 압착 롤 사이로 종이 시트를 통과시켜 물리적으로 물을 짜내고 섬유 간 결합을 촉진한다. 이 과정을 통해 시트의 밀도와 강도가 증가하며, 표면이 매끄러워진다.

압착 후 남은 수분은 주로 증기를 이용한 건조 공정에서 제거된다. 종이 시트는 일련의 가열된 실린더, 즉 건조 실린더 위를 통과하며 열에 의해 수분이 증발한다. 이 단계는 공정 중 가장 많은 에너지를 소비하는 부분이다. 건조 과정을 정밀하게 제어하여 종이의 최종 수분 함량, 두께, 그리고 물리적 특성을 원하는 사양에 맞춘다.

건조가 완료된 종이는 필요에 따라 추가적인 표면 처리나 가공 공정을 거치게 된다. 예를 들어, 인쇄용지의 경우 표면의 매끄러움과 잉크 흡수성을 개선하기 위해 표면 사이징이나 코팅 공정이 적용될 수 있다. 최종적으로 종이는 원하는 폭과 길이로 절단되어 롤 형태나 절지 형태로 포장되어 출하된다.

제지 공정에서 압착 및 건조를 거친 후의 종이는 표면이 거칠고 잉크 흡수성이 불균일할 수 있다. 이를 개선하고 특정 용도에 맞는 성능을 부여하기 위해 표면 처리 공정이 진행된다. 이 공정은 종이의 표면 특성을 변화시켜 인쇄 적성, 내구성, 외관 등을 향상시키는 데 목적이 있다.

가장 일반적인 표면 처리 방법은 표면 사이징이다. 이 과정에서는 종이 표면에 녹말, 합성 수지, 표면 강화제 등의 약품을 도포하여 표면 강도를 높이고, 잉크 번짐을 방지하며, 인쇄 시 선명도를 개선한다. 또한, 고급 인쇄용지나 아트지의 경우 코팅 처리가 이루어진다. 여기서는 카올린, 탄산칼슘 등의 안료와 접착제를 혼합한 코팅액을 종이 표면에 균일하게 발라 매끄럽고 광택 있는 표면을 만든다.

이 외에도 특수한 목적을 위해 다양한 처리가 가능하다. 예를 들어, 포장용지의 경우 습기나 기름을 차단하기 위한 배리어 코팅이 적용되며, 위생용지는 부드러움을 주기 위한 연화 처리가 이루어진다. 또한, 표면 마감 공정을 통해 광택, 반광, 무광 등 원하는 광택도를 부여하거나, 엠보싱을 통해 특수한 무늬와 질감을 만들기도 한다. 이러한 표면 처리를 통해 종이는 단순한 섬유 시트에서 다양한 기능을 가진 고부가가치 제품으로 변모하게 된다.

문화용지는 일상 생활에서 정보 전달, 기록, 의사소통을 위해 널리 사용되는 종이류를 총칭한다. 신문용지와 인쇄용지가 대표적이며, 책, 잡지, 복사지, 노트 등 다양한 형태로 활용된다. 이들은 주로 목재 펄프를 원료로 하여 제조되며, 인쇄 적성과 가독성, 내구성 등이 중요한 품질 요소로 고려된다. 문화용지는 펄프 및 제지 산업의 핵심 생산품 중 하나로, 사회의 지식과 정보 유통을 물리적으로 뒷받침하는 기반이 된다.

문화용지는 그 용도에 따라 세부적으로 구분된다. 신문용지는 신속한 생산과 비용 효율성을 위해 주로 기계펄프를 많이 사용하며, 신문 인쇄에 특화된 물성을 가진다. 인쇄용지는 다시 아트지, 중질지, 모조지 등으로 나뉘어 출판물의 종류와 인쇄 방식에 맞게 선택된다. 예를 들어, 고급 화보나 잡지에는 표면이 매끄럽고 백색도가 높은 코팅지가 사용되는 반면, 일반 문서 인쇄나 복사에는 비코팅지가 주로 쓰인다.

이러한 문화용지의 제조는 펄프 제조와 종이 제조 공정을 거친다. 펄프의 표백 정도는 종이의 백색도를 결정하며, 공정 중 표면 처리를 통해 인쇄 시 잉크 번짐을 방지하고 광택을 부여할 수 있다. 재활용된 폐지를 원료로 일부 혼합 사용하기도 하여 자원 순환에 기여한다. 문화용지 시장은 디지털 매체의 확산으로 인한 수요 감소 압력을 받고 있으나, 여전히 교육, 출판, 사무 분야에서 필수적인 재료로서 그 가치를 유지하고 있다.

산업용지는 문화용지와 구분되는 개념으로, 주로 포장, 건설, 산업 부문에서 기능적 목적으로 사용되는 종이 및 판지류를 총칭한다. 포장용지, 골판지, 건설용지 등이 대표적이며, 신문용지나 인쇄용지와 같은 문화용지에 비해 강도, 내수성, 내마모성 등의 물리적 특성이 강조된다.

주요 제품으로는 상자 제작에 쓰이는 골판지와 크라프트지, 가방이나 봉투용 포장지, 건축 자재로 활용되는 합판의 표면 피복지, 방수지, 전기 절연지 등이 포함된다. 이들은 제품의 보호, 운반, 보관, 혹은 특정 공정의 지원을 핵심 기능으로 하기 때문에, 제조 시 특수 코팅이나 첨가제 처리가 이루어지는 경우가 많다.

산업용지의 생산은 제조업 전반의 물류 및 소비 활동과 밀접하게 연관되어 있어, 경제 활동의 지표로도 활용된다. 특히 전자상거래의 성장으로 인한 택배 수요 증가는 골판지 수요를 꾸준히 견인하는 주요 요인으로 작용하고 있다. 또한 환경 규제 강화와 소비자의 환경 인식 제고는 재활용 원료 사용 비중을 높이고, 생분해성 코팅제 개발 등 지속 가능한 포장 솔루션에 대한 연구 개발을 촉진하고 있다.

이 분야는 화학 공학과 기계 공학의 기술 발전에 크게 의존하며, 강도와 경량화를 동시에 만족시키는 신소재 개발, 공정의 에너지 효율화, 폐기물 관리 등이 주요 기술적 과제로 떠오르고 있다.

특수지는 특정 용도나 기능을 위해 특별히 가공되거나 첨가제가 포함된 종이를 말한다. 일반적인 문화용지나 포장용지와 달리, 특정한 물리적, 화학적 성질을 부여하여 특수한 목적에 맞게 설계된다. 이는 내구성, 내수성, 내열성, 투명도, 전기 절연성, 감광성 등 다양한 기능적 요구를 충족시키기 위해 제조된다.

특수지는 그 용도에 따라 크게 몇 가지 범주로 나눌 수 있다. 첫째는 보안 용지로, 수표나 여권, 증권 등 위조 방지를 위한 다양한 기술이 적용된다. 둘째는 기능성 필터 용지로, 공기 청정기 필터나 커피 필터, 액체 여과 등에 사용된다. 셋째는 산업용 기술지로, 절연지, 마스킹 테이프 기저, 사진 인화지 등이 이에 해당한다.

이러한 특수지를 제조하기 위해서는 펄프에 다양한 첨가제를 혼합하거나, 표면에 코팅을 가하는 등의 특수 가공 공정이 필수적이다. 예를 들어, 방수지는 수지 코팅을, 감열지는 열에 반응하는 화학 물질을 도포하여 만든다. 이는 화학 공학 및 재료 공학 기술이 집약된 분야이다.

특수지의 시장은 비교적 틈새 시장이지만, 첨단 산업과 일상생활 전반에 걸쳐 그 수요가 꾸준히 존재한다. 의료 분야의 진단용 시험지, 전자 산업의 절연 재료, 건축 자재용 벽지 등 그 적용 범위는 매우 다양하며, 기술 발전에 따라 새로운 종류의 특수지가 계속 개발되고 있다.

펄프 및 제지 산업의 생산 공정에서는 다량의 물이 사용되며, 이 과정에서 발생하는 폐수는 주요 환경 문제 중 하나이다. 펄핑 및 표백 공정에서 배출되는 폐수는 목재의 리그닌, 탄수화물, 화학 약품 잔류물, 그리고 유기물이 다량 포함되어 있어 생화학적 산소 요구량과 화학적 산소 요구량 수치가 매우 높다. 이러한 고농도 유기성 폐수를 적절히 처리하지 않고 방류할 경우 수생 생태계에 심각한 영향을 미칠 수 있다.

따라서 제지 공장에서는 폐수 처리 시설을 갖추고 1차 처리, 2차 처리, 때로는 3차 처리 공정을 거쳐 배출 수질 기준을 충족시킨다. 1차 처리에서는 침전이나 부상 방식을 통해 고형물을 제거한다. 이후 2차 처리, 즉 생물학적 처리 공정이 핵심적으로, 활성슬러지법이나 호기성 처리를 통해 미생물이 유기 오염물을 분해하도록 한다. 최종적으로 3차 처리에서는 여과나 화학적 응집 등을 추가로 적용하여 잔류 오염물질을 제거하기도 한다.

폐수 처리 과정에서 발생하는 슬러지는 추가적인 처리 대상이 된다. 이 슬러지는 농업용 토양 개량제로 재활용되거나, 소각을 통해 에너지를 회수하는 등 자원화 노력이 이루어지고 있다. 또한, 공정 내에서 폐수의 발생량 자체를 줄이기 위한 폐쇄 순환 시스템 도입과 청정 생산 기술 개발이 지속적으로 진행되고 있다.

재활용은 펄프 및 제지 산업에서 자원 절약과 환경 부담 감소를 위해 필수적인 과정이다. 사용 후 폐지는 중요한 2차 원료로, 목재 펄프 사용을 줄여 산림 자원 보전에 기여한다. 재활용 공정은 폐지를 수거하여 잉크와 이물질을 제거하고 펄프로 환원시키는 과정을 포함하며, 이를 통해 신문용지, 포장용지, 위생용지 등 다양한 제품을 다시 생산할 수 있다.

폐지 재활용률은 국가별로 차이가 있으나, 많은 국가에서 높은 수준을 유지하고 있다. 재활용은 폐수 발생과 에너지 소비 측면에서 원목을 이용한 펄프 제조 공정보다 일반적으로 환경 부하가 적은 것으로 평가받는다. 그러나 재활용 과정에서도 표백이 필요할 수 있으며, 반복 재생에 따라 섬유 길이가 짧아져 품질이 저하되는 한계가 존재한다. 따라서 고품위 제품을 위해서는 일정 비율의 원목 펄프를 혼합하는 경우가 많다.

산업 내에서는 재활용을 촉진하기 위해 디링킹 기술[1] 발전, 재활용 가능한 포장재 설계, 그리고 소비자 참여를 위한 분리배출 시스템 구축 등이 지속적으로 이루어지고 있다. 이는 순환 경제 모델로의 전환과도 맞닿아 있는 중요한 과제이다.