"유준재교수님2팀"의 두 판 사이의 차이

2024년 12월 5일 (목) 08:03 판

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 폐플라스틱 공급망 최적화 : 경제성과 효율성 중심의 선별·재활용 공정 개선

영문 : Optimization of Plastic Waste Supply Chain: Improving Sorting and Recycling Processes with a Focus on Economic Efficiency and Effectiveness

과제 팀명

유준재 교수님 2팀

지도교수

유준재 교수님

개발기간

2024년 9월 ~ 2024년 12월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 화학공학과 20213400** 김** (팀장)

서울시립대학교 화학공학과 20213400** 정**

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

◇ 폐플라스틱 공급망의 최적화 (선별 및 재활용 공정 중심)

본 연구는 폐플라스틱의 선별 및 재활용 공정을 통합하여 공급망을 최적화하고, 공정의 효율성을 개선하며 재활용률을 높이는 방안을 제시하는 것을 목표로 한다. 이를 위해 수학적 모델링과 시뮬레이션 기법을 활용하여 기존 연구의 한계를 보완하고, 실제 데이터 기반의 현실적인 솔루션을 도출한다.

◇ Pyomo 패키지를 활용한 시뮬레이션 모델 개발

Pyomo 시뮬레이터를 사용하여 선별 및 재활용 공정의 변수를 체계적으로 분석하고, 다양한 feed 조건에 따라 효율성을 비교한다. 이를 통해 각 공정에서 최적의 재활용 방법과 비용 절감 방안을 제시하는 모델을 개발한다.

◇ 현실적 재활용 데이터 기반의 공정 평가

기존 연구에서 간과된 재활용률의 현실적인 한계를 분석하여 feed 조건과 공정 조합에 따른 재활용 성과를 평가한다. 이를 통해 실제 적용 가능한 데이터 기반의 재활용 공정 최적화를 구현하며, 이를 바탕으로 경제성과 환경적 지속 가능성을 균형 있게 고려한 전략적 해법을 제시한다.

◇ 비효율성 개선을 통한 최적화 전략 도출

재활용 공정에서 발생할 수 있는 비효율성을 발견하고, 이를 개선하기 위한 데이터 기반 분석 및 최적화 방안을 도출한다. 이 과정에서 feed 조건 변화와 처리 방식의 상호작용을 중점적으로 평가하며, 공정의 투명성과 신뢰도를 제고한다.

개발 과제의 배경

◇ 플라스틱 재활용 현황

1. 국내 플라스틱 소비 및 폐기물 현황

 한국은 플라스틱 소비가 급증하고 있는 국가 중 하나로, 연간 약 700만 톤의 플라스틱을 소비하고 있다. 그중 약 85%가 소각 또는 매립 방식으로 처리되고 있으며, 이는 자원의 낭비와 함께 심각한 환경 오염을 초래하는 문제로 지적되고 있다. 플라스틱은 고분자 물질로 자연적으로 분해되지 않기 때문에 소각하거나 매립하는 방식은 장기적으로 해양, 토양 오염의 주범이 되고 있다. 특히 소각 과정에서 발생하는 다이옥신과 같은 유해물질은 인체에 악영향을 미치며, 매립된 플라스틱은 토양 오염 및 미세 플라스틱 문제로 이어진다.

 또한, 플라스틱 생산과 소비량은 지속적으로 증가하고 있다. 전 세계적으로 1950년에는 연간 150만 톤의 플라스틱이 생산되었으나, 2019년에는 4억 6000만 톤으로 70년 동안 약 306배 증가하였다. 플라스틱은 특히 포장재, 일회용품 등에서 많이 사용되며, 한국에서도 하루 평균 약 1292.2톤의 폐합성수지류가 배출되고 있다. 더불어, 한국에서 배출되는 일회용 플라스틱 배달용기는 2019년보다 80.6% 급증한 수치를 보인다.

 플라스틱의 과도한 소비는 전 세계적인 환경 문제를 일으키고 있다. 2019년 기준 전 세계 플라스틱 재활용률은 약 9%에 불과하며, 19%는 소각되고 50%는 매립되며 나머지 22%는 통제되지 않는 쓰레기장이나 노천에서 소각되거나 해양으로 유출되고 있다. 이러한 문제는 특히 한국에서 더욱 두드러지는데, 실질적으로 재활용되는 플라스틱의 비율은 약 23%에 그친다. 이는 재활용 효율이 낮고, 처리 공정의 한계로 인해 복잡한 폐기물 수거 체계에 의존하고 있는 것이 주요 원인이다. 수작업에 많이 의존하는 현재의 시스템은 혼합된 플라스틱을 분리하는 데 많은 비용과 시간이 소요된다. 일부 플라스틱은 재질이 혼합되어 있거나 이물질이 묻어있는 등 재활용이 어려운 형태로 존재해 재활용률을 더욱 낮추는 요인으로 작용한다.

 이에 따라 한국은 자원순환 사회로의 전환을 목표로 하고 있으며, 플라스틱의 사용을 줄이고 재활용을 확대하기 위한 정책적 접근과 기술적 혁신을 모색하고 있다. 그러나 여전히 국내 재활용 인프라는 부족하며, 향후 더 많은 연구와 투자가 필요한 상황이다. 플라스틱 소비가 지속적으로 증가하는 만큼, 이를 처리할 수 있는 효율적인 시스템을 구축하는 것이 시급하다.

그림 1. 국내 플라스틱 연간 소비량 (플라스틱 대한민국 2.0 보고서, 그린피스)

그림 2. 주요 국제 협약에서의 플라스틱 논의 (대외경제정책연구원(KIEP) 세계 경제 포커스(2022.5.9.))

2. 환경 이슈 및 관련 정책

 플라스틱 폐기물은 그 자체로 자연 분해가 거의 불가능한 물질로, 환경에 장기적인 영향을 미치는 주요 오염원 중 하나이다. 플라스틱이 해양으로 유입될 경우 해양 생태계에 심각한 피해를 줄 수 있으며, 특히 미세 플라스틱 문제는 전 세계적으로 큰 우려를 낳고 있다. 한국의 경우, 해양에 유입되는 플라스틱 폐기물 양이 증가하면서 연안 지역과 해양 생물에 미치는 악영향이 더욱 두드러지고 있다. 토양으로 유입된 플라스틱은 분해되지 않고 남아 토양의 생산성을 저하시킬 뿐만 아니라, 물과 함께 자연 생태계로 확산되어 장기적으로 생물 다양성을 감소시키는 결과를 초래한다.

 전 세계적으로 플라스틱 폐기물 문제를 해결하기 위해 각국은 다양한 플라스틱 저감 정책을 도입하고 있다. 유럽연합(EU)은 2030년까지 모든 플라스틱 포장재를 재사용 가능하도록 만들겠다는 계획을 발표했으며, 이를 통해 일회용 플라스틱 사용을 획기적으로 줄이고 있다. 또한, 일회용 플라스틱에 대한 세금 부과와 재활용 의무화를 통해 플라스틱 소비 감소와 재활용 증대를 추진하고 있다. 이러한 정책은 플라스틱 폐기물로 인한 환경 피해를 줄이는 데 중요한 역할을 하고 있으며, 재활용 산업을 촉진하는 데 기여하고 있다.

 한국 또한 플라스틱 폐기물 문제를 해결하기 위한 다각적인 정책을 시행하고 있다. 2021년, 한국의 플라스틱 재활용률은 약 73%에 달하지만, 이는 소각을 포함한 에너지 회수를 재활용 범주에 포함한 결과로, 실제 재활용률은 27%에 불과하다. 한국은 ‘자원순환사회 전환 촉진법’을 통해 2025년까지 폐플라스틱 열분해 처리 비율을 3.6%까지 확대하고, 화학적 재활용 기술을 통해 플라스틱 폐기물을 에너지 자원으로 전환하려는 노력을 기울이고 있다. 또한, 플라스틱 사용량을 줄이기 위해 다양한 일회용품 규제 정책도 추진 중이다. 플라스틱 빨대, 일회용 컵, 비닐봉투 사용을 규제하고 다회용기 사용을 촉진하는 제도를 마련했다.

 플라스틱 폐기물 문제는 기후 위기와도 밀접하게 연결된다. 플라스틱 생산부터 폐기까지의 전 과정에서 온실가스가 배출되며, 2019년 기준 전 세계 온실가스 배출량의 약 3.4%를 차지하고 있다. 또한, 플라스틱 생산량이 증가하면서 2060년에는 플라스틱 관련 온실가스 배출량이 43억 톤에 달할 것으로 예상된다. 이러한 문제를 해결하기 위해서는 플라스틱 생산량을 줄이고, 보다 효과적인 재활용 시스템을 구축하는 것이 중요하다.

그림 3. 플라스틱 자원순환 추진 과제 (폐플라스틱 재활용산업 현황과 시사점, 플라스틱 코리아)

개발 과제의 목표 및 내용

세부 목표

◇ 재활용 공정의 효율성 극대화 및 경제적 비용 절감

다양한 feed 조건(폐플라스틱의 물리적 특성, 혼합 정도 등)을 반영하여 각 재활용 공정의 효율성을 분석하고, 이를 바탕으로 재활용률을 극대화할 수 있는 최적화 모델을 개발한다.

Pyomo 소프트웨어를 활용하여 수익과 비용 요소를 통합적으로 평가하며, 환경적 지속 가능성을 고려한 경제적 의사결정을 지원한다.

◇ 수거 및 선별 공정의 자동화 및 최적화

플라스틱 폐기물의 종류별 특성을 분석하고, 각 플라스틱 종류에 적합한 재활용 공정으로의 전환을 용이하게 한다.

◇ Pyomo 소프트웨어를 활용한 공정 최적화 및 시뮬레이션

Pyomo 기반의 수학적 모델링을 통해 다양한 feed 조건과 재활용률 제한 하에서의 공정 효율성을 정량적으로 평가한다.

플라스틱 폐기물의 처리 방식(기계적, 화학적 재활용 등)에 따른 수익과 비용 변화를 비교 분석하여 최적의 처리 조합을 제시한다.

각 공정에서 발생할 수 있는 비효율성을 식별하고, 이를 개선하기 위한 구체적 방안을 제안한다.

◇ 환경적, 경제적, 실용적 평가를 통한 종합적 분석

최적화된 재활용 공정을 환경적 지속 가능성(예: CO2 배출 감소), 경제적 이익(비용 절감 및 수익 창출), 그리고 실용성(현실 적용 가능성) 측면에서 종합적으로 평가한다.

feed 조건에 따른 재활용 공정의 성능 차이를 시각화하여, 최적 공정 조합과 네트워크 설계의 의사결정을 지원한다.

최종 목표

◇ 다양한 feed 조건과 재활용률 제한을 고려한 최적의 폐플라스틱 선별 및 재활용 네트워크 설계

플라스틱 폐기물의 종류와 재활용 공정 변수에 따른 경제성과 재활용 효율성을 종합적으로 분석하여, 수학적 모델링을 기반으로 경제적 비용을 최소화하고 환경적 이점을 극대화할 수 있는 최적화된 선별 및 재활용 공정을 제시한다. 이를 통해 현실적인 제약 조건을 반영한 재활용 네트워크를 구축하고, 실질적인 적용 가능성을 높이는 것을 목표로 한다.

설계

설계사양

제품의 요구사항

내용

설계 사양

내용

개념설계안

내용

이론적 계산 및 시뮬레이션

내용

상세설계 내용

내용

결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

내용

포스터

내용

완료작품의 평가

내용

향후계획

내용

특허 출원 내용

내용

@@ 103번째 줄: / 103번째 줄: @@
 . 화학적 재활용
-  화학적 재활용은 폐플라스틱을 열분해, 가스화 등의 공정을 통해 화학적 원료로 전환하는 방식이다. 가장 일반적인 방법은 열분해와 가스화 공정이다. 열분해는 플라스틱을 고온에서 무산소 상태로 열처리하여 저분자 상태로 분해해 원유나 연료로 전환하는 방법이며, 가스화는 고온에서 산소를 제한하여 합성 가스를 생성하는 공정이다.
+ 화학적 재활용은 폐플라스틱을 열분해, 가스화 등의 공정을 통해 화학적 원료로 전환하는 방식이다. 가장 일반적인 방법은 열분해와 가스화 공정이다. 열분해는 플라스틱을 고온에서 무산소 상태로 열처리하여 저분자 상태로 분해해 원유나 연료로 전환하는 방법이며, 가스화는 고온에서 산소를 제한하여 합성 가스를 생성하는 공정이다.
-  이 방식의 주요 장점은 기존 소각 방식보다 유해 물질 발생이 적고 CO₂ 배출을 줄일 수 있으며, 플라스틱을 다시 화학적 원료로 재생산할 수 있다는 점이다. 화학적 재활용은 특히 기존의 기계적 재활용으로는 처리하기 어려운 오염된 플라스틱이나 다층 플라스틱을 처리하는 데 매우 효과적이다. 또한, 열분해로부터 얻어진 오일은 석유화학 제품을 생산하는 원료로 다시 사용할 수 있다.
+ 이 방식의 주요 장점은 기존 소각 방식보다 유해 물질 발생이 적고 CO₂ 배출을 줄일 수 있으며, 플라스틱을 다시 화학적 원료로 재생산할 수 있다는 점이다. 화학적 재활용은 특히 기존의 기계적 재활용으로는 처리하기 어려운 오염된 플라스틱이나 다층 플라스틱을 처리하는 데 매우 효과적이다. 또한, 열분해로부터 얻어진 오일은 석유화학 제품을 생산하는 원료로 다시 사용할 수 있다.
-  하지만 이는 높은 에너지 소비와 경제적 효율성 문제를 동반한다. 현재는 실험실 단계나 소규모 플랜트에서 상업적으로 운영되고 있으나, 대규모로 상용화하기 위해서는 에너지 소비와 운영 비용을 줄일 수 있는 추가적인 연구와 기술 개발이 필요하다.
+ 하지만 이는 높은 에너지 소비와 경제적 효율성 문제를 동반한다. 현재는 실험실 단계나 소규모 플랜트에서 상업적으로 운영되고 있으나, 대규모로 상용화하기 위해서는 에너지 소비와 운영 비용을 줄일 수 있는 추가적인 연구와 기술 개발이 필요하다.
 . 물질 재활용
-  물질 재활용은 폐플라스틱을 물리적으로 재처리하여 새로운 제품으로 만드는 방식이다. 이 과정은 주로 기계적 재활용이라고도 불리며, 플라스틱을 분쇄, 세척한 후 다시 가열해 성형하는 과정을 거친다. 물질 재활용 공정에서 가장 중요한 요소는 플라스틱의 순도와 상태이다. 오염이 심한 플라스틱이나 혼합된 플라스틱은 재활용 효율이 낮고, 재활용 후에도 품질이 떨어질 수 있다.
+ 물질 재활용은 폐플라스틱을 물리적으로 재처리하여 새로운 제품으로 만드는 방식이다. 이 과정은 주로 기계적 재활용이라고도 불리며, 플라스틱을 분쇄, 세척한 후 다시 가열해 성형하는 과정을 거친다. 물질 재활용 공정에서 가장 중요한 요소는 플라스틱의 순도와 상태이다. 오염이 심한 플라스틱이나 혼합된 플라스틱은 재활용 효율이 낮고, 재활용 후에도 품질이 떨어질 수 있다.
-  물질 재활용 방법은 단순하면서도 재활용 공정 비용이 비교적 낮다는 장점이 있다. 그러나, 물질 재활용은 다층 필름이나 복합재와 같은 복잡한 구조의 플라스틱에는 적용하기 어렵고, 물리적 성질이 반복되는 재활용 공정에서 열화될 수 있어 한정적인 용도로 사용된다. 예를 들어, PET병은 물질 재활용을 통해 다시 PET병으로 재생산될 수 있지만, PP나 HDPE와 같은 다른 재질의 경우는 낮은 품질로 재활용되거나 다른 용도로 사용된다.
+ 물질 재활용 방법은 단순하면서도 재활용 공정 비용이 비교적 낮다는 장점이 있다. 그러나, 물질 재활용은 다층 필름이나 복합재와 같은 복잡한 구조의 플라스틱에는 적용하기 어렵고, 물리적 성질이 반복되는 재활용 공정에서 열화될 수 있어 한정적인 용도로 사용된다. 예를 들어, PET병은 물질 재활용을 통해 다시 PET병으로 재생산될 수 있지만, PP나 HDPE와 같은 다른 재질의 경우는 낮은 품질로 재활용되거나 다른 용도로 사용된다.
 . 에너지 재활용
-  에너지 재활용은 폐플라스틱을 소각하여 열에너지를 회수하는 방식이다. SRF(고형 연료)와 같은 고체 폐기물은 연료로 사용되며, 플라스틱 소각에서 발생하는 열은 전기나 난방 에너지로 전환된다. 이 방식은 재활용이 어려운 플라스틱을 처리할 수 있는 대안으로, 쓰레기 소각장에서 자주 사용된다.
+ 에너지 재활용은 폐플라스틱을 소각하여 열에너지를 회수하는 방식이다. SRF(고형 연료)와 같은 고체 폐기물은 연료로 사용되며, 플라스틱 소각에서 발생하는 열은 전기나 난방 에너지로 전환된다. 이 방식은 재활용이 어려운 플라스틱을 처리할 수 있는 대안으로, 쓰레기 소각장에서 자주 사용된다.
-  에너지 재활용의 장점은 폐플라스틱을 완전히 제거하면서 동시에 에너지를 회수할 수 있다는 점이다. 하지만 이 방식은 CO₂ 배출 및 다이옥신과 같은 유해물질을 발생시킬 수 있다는 단점이 있다. 유럽에서는 에너지 재활용을 재활용 비율에 포함하지 않는 반면, 한국은 이를 재활용 범주에 포함하고 있다.
+ 에너지 재활용의 장점은 폐플라스틱을 완전히 제거하면서 동시에 에너지를 회수할 수 있다는 점이다. 하지만 이 방식은 CO₂ 배출 및 다이옥신과 같은 유해물질을 발생시킬 수 있다는 단점이 있다. 유럽에서는 에너지 재활용을 재활용 비율에 포함하지 않는 반면, 한국은 이를 재활용 범주에 포함하고 있다.
-  에너지 재활용은 재활용률 자체를 크게 높이지는 않지만 처리할 수 없는 폐기물에 대한 최후의 수단으로 사용된다.
+ 에너지 재활용은 재활용률 자체를 크게 높이지는 않지만 처리할 수 없는 폐기물에 대한 최후의 수단으로 사용된다.