마이크로조

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 하수처리시설 방류수 내 미세플라스틱 모니터링 시스템

영문 : Monitoring System of Microplastics in Effluent from Wastewater Treatment Plant

과제 팀명

마이크로조

지도교수

이인규 연구교수님 김현욱 교수님

서울물연구원 이인근 연구원장 서울물연구원 장도일 연구사

개발기간

2021년 3월 ~ 2021년 6월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 환경공학부 20138900** 노**(팀장)

서울시립대학교 환경공학부 20178900** 박**

서울시립대학교 환경공학부 20178900** 이**

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

◇미세플라스틱의 생태계 파괴 위험성 및 인체 건강 위해성에 대한 인식이 높아지고 있는 가운데 하수처리시설 방류수 중 수억 개의 미세플라스틱이 유출되고 있다는 사실이 문제시되고 있다.

◇현재 방류수 내 미세플라스틱을 분석하고 제어하는 시스템이 부족하기 때문에 형광분석을 이용한 미세플라스틱 분석 기기 설계를 통해 방류수 내 미세플라스틱 제어 시스템을 구축하고자 한다.

개발 과제의 배경 및 효과

◇전 세계적으로 플라스틱 사용량은 1960년대 이후 급증하였으며, 우리나라도 경제성장 출발 시기인 이 무렵부터 플라스틱 생산량이 급증하였다. 플라스틱은 소각, 매립, 그리고 재활용을 통해 처리되고 있지만, 미처리된 플라스틱과 미세플라스틱 등은 자연 환경에 누적될 것으로 예상된다.

◇미세플라스틱(Microplastics)의 정의는 연구자에 따라 크기 범주가 일정하지 않고, 형태 역시 다양하여 국제적으로 확정되어 있지 않다. 본 연구에서는 관련 선행연구와 대부분의 정부기관의 정의를 고려하여 미세플라스틱을 ‘5mm이하의 플라스틱 고체 입자’로 정의하고자 한다.

◇1970년 플라스틱이 물환경 분야의 문제로 나타나 국제사회는 해양환경 오염물질로서 플라스틱에 관해 논의하기 시작했다. 최근 해양환경 연구자들은 플라스틱뿐만 아니라 더 작은 형태의 미세플라스틱의 심각성을 보고했으며, 이에 2017년 G20 정상회의에서 채택된 ‘G20 해양쓰레기 실행계획’ 선언문 중에는 해양환경의 플라스틱 문제 해결과 관련하여 미세플라스틱의 저감 또한 포함되었다.  

◇환경부도 24개 정수장의 상수원수 및 수돗물에서 미세플라스틱 함유 실태를 조사하였다. 그 결과, 상수원수 1개소에서 1개/L, 수돗물 3개소에서 0.2~0.6개/L 검출되었다. 상대적으로 낮은 수치이지만, 미세플라스틱이 검출되었다는 사실 자체만으로 주목할 만하다고 평가할 수 있으며, 분석 과정이 표준화 되어있지 않아 조사 결과 간 불확실성도 감안해야 한다.

◇또한 연구결과에 따르면 국내의 하수처리공정으로 미세플라스틱이 98% 정도 제거되지만, 많은 양의 미세플라스틱이 유입되기 때문에 방류수를 통해 수천~수억개의 미세플라스틱이 유출되고 있다. 건조 슬러지를 통해 제거되지만 이를 재이용할 경우 생활하수를 통해 다시 인체 건강에 노출될 수 있다는 우려가 있다.

◇방류수 내 미세플라스틱을 정량적으로 분석하여 설정치를 초과하는 경우 하수처리시설의 운영정보를 분석하고 이를 제어하기 위한 방안을 진단할 수 있다. 이는 곧 미세플라스틱 오염도 저감을 위해 하수처리시설을 체계적으로 관리하는 데 도움을 줄 것이다.

개발 과제의 목표와 내용

현재까지의 미세플라스틱 분석기술은 현미경(정량분석)을 통해 이루어졌으나 분석시간이 길기 때문에 현장분석에는 어려움이 있다. 따라서 수중 미세플라스틱의 자동화 탐지/분석을 위해 광학 기반 검출센서를 설계하여 현장에 최적화된 분석 기법을 개발하고자 한다.

◇4.7㎛의 hydrophilic polycarbonate membrane black filter (이하 PC 필터)를 이용하여 여과한 후 60℃ 온도 조건에서 30% H2O2를 이용한 고도 산화 공정으로 표면의 유기물을 제거 후 일정 시간이 경과한 뒤 3차 증류수(DI; deionized water)로 MPs를 세척하여 형광 분석의 방해 인자를 제거.

◇아세트산 에틸(ethyl acetate), 아세토니트릴(acetonitrile), 다이클로로메테인 (dichloromethane), 톨루엔(toluene)은 PC 필터를 손상시키며 에탄올(ethanol), 사이클로헥세인(cyclohexane)은 PC 필터 표면을 탈색시켜 적합하지 않다. n-hexane의 경우 필터의 손상은 없으나 용해성이 낮아 NR을 충분히 용해시키지 못하므로 아세톤(acetone)에 일정 농도의 NR을 녹인 후 n-hexane을 10배 희석하여 염색 시료로 사용.

◇MPs를 정성ㆍ정량적으로 분석하기 위한 기술로 자주 등장하는 퓨리에 변환 적외선 분광법 (Fourier transform infrared; FT-IR)의 경우 20㎛ 이상의 입자만 분석이 가능하다는 단점이 있다. 하수처리시설 내에는 20㎛ 이하의 MPs도 존재하기 때문에 방류수 내의 MPs를 분석하기 위해서 FT-IR 기법은 적합하지 않다. 따라서 본 설계에서는 NR로 염색된 입자가 빛을 만나 형광을 발생시킬 때 이를 측정하는 기법인 형광 분석법을 검출부에 적용하고자 한다. 검출부 내부는 광원과 빛의 여기 파장(excitation wavelength)를 선택하기 위한 excitation filter로 구성된다. 이때 발형광단이 녹색형광단백질(GFP)인 필터를 사용하며 여기 파장은 488nm, 방출 파장은 539nm이다. 또한 빛을 모아주는 역할을 하는 집광렌즈와 특정 방출 범위만 투과시키는 emission filter를 거쳐 검지관에서 측정한다. 이러한 단계를 거쳐 검지한 파장을 통해 MPs를 정량적으로 분석할 수 있다.

관련 기술의 현황

State of art

<미세플라스틱 검출 및 분석 기술>

1. 퓨리에 변환 적외선분광법(Fourier transform infrared, FT-IR)
시료에 적외선을 조사하여 파장에 따른 흡수도를 측정하고 흡수도 띠의 위치와 강도로 물질의 화학적 결합 등의 정성, 정량 분석이 가능하다. 적외선 광원에서 방출된 IR beam의 일부가 시료에 의해서 흡수가 되고 나머지는 detector에 도달하여 측정이 된다. 따라서 나머지 IR beam은 광원에서 방출된 IR beam과 비교하여 주파수(frequency, wavelength, wavenumber)의 함수로 시료의 IR 스펙트럼이 작성되며, 흡수도 띠의 위치와 강도로 미세플라스틱의 화학적 결합 등의 정성 분석이 가능하다.

2. 라만 분광법 (Raman spectroscopy)
특정 분자에 레이저를 투과시켜 해당 분자의 전자 에너지 준위 차이만큼 에너지를 흡수하는 현상을 통해 분자의 종류를 알아내는 방법으로 미세플라스틱을 구성하는 각각의 고분자의 독특한 스펙트럼을 통해 구성성분과 조성에 대한 정보를 알 수 있다. FT-IR과 마찬가지로 분자의 진동에너지 준위 사이에서 기이되며, 플라스틱 종류별 Raman shift에 따른 fingerprint 및 C-H streth 구간의 스펙트럼으로 정성 분석이 가능하다.

3. 열분해법
3.1. 시차주사열량계(differential scanning calorimeter, DSC), 열중량 분석기(thermogravimetric analysis, TGA)를 활용한 기술 : 각 고분자들의 고유한 흡열 상전이 변화와 peak 온도(녹는점 등의 플라스틱 고유 물성)를 바탕으로 해양에서 채취한 미세플라스틱 시료에서 7개의 서로 다른 플라스틱을 구별하였다.
3.2. 열분해 가스크로마토그래피(pyrolysis-gas chromatography, Pys-GC/MS)를 활용한 분석 기술 : TGA를 열탈착 가스크로마토그래피 질량분석계와 함께 사용하며 미세플라스틱 내 폴리에틸렌 성분을 검출하는 데 매우 유용한 정보를 제공할 뿐만 아니라 불균일한 상태의 대용량 미세플라스틱을 정교하게 측정할 수 있는 장점이 있다.

기술 로드맵

특허조사

특허전략

◇본 설계는 하수처리시설 내에서 처리되지 않은 미세플라스틱을 체계적으로 관리하는 시스템을 구축하는 것이 목적. 
◇기존에 등록되었거나 출원된 특허자료를 조사해 관련 기술에 대한 데이터베이스를 구축해 연구.
◇미세플라스틱이 과농도일시 즉시 조치할 수 있도록 급속 방식으로 설계.
◇기존 하수처리장에서도 도입이 용이하도록, 실험실 규모의 크기로 설계.
◇본 시스템의 공익성을 높이기 위해 구체적인 목적과 정확한 설계 인자 제시.

관련 시장에 대한 분석

경쟁제품 조사 비교

◇FT-IR 기기를 이용한 분광분석
검출기 1대 사용할 경우 분석 시간이 수 이상 걸릴 수 있다는 단점이 있으며 미세플라스틱의 크기가 20μm 이하인 경우는 측정이 불가능하다.

◇라만 분광법을 이용한 분광분석
FT-IR과 달리 20μm 이하의 미세플라스틱도 분성이 가능하나 미세플라스틱 흡착 물질(ex. 색상, 첨가제) 등에 영향을 받을 수 있다.

마케팅 전략

<SWOT 분석>

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

◇미세플라스틱 표준 분석법 확립 
분광분석은 샘플 표면의 빛 반사로 인한 이미지 대비에 의존하기 때문에 플라스틱의 크기가 클 경우 빠르고 효과적이지만 플라스틱의 크기가 감소함에 따라 더 많은 시간과 전문 지식을 필요로 한다. 반면 Nile red를 이용한 형광 분석의 경우 필터 큐브 또는 레이저를 적절하게 선택하여 해당 파장에 의한 형광 방출을 수집할 수 있다. 형광분석 기술을 이용한 이미지 인식 기술을 통해 미세플라스틱을 정량•정성적으로 분석할 수 있으며 시간•비용 측면에서 경제적이다. 이러한 이점을 이용하여 현재 부재인 하수처리시설 방류수 내의 미세플라스틱 모니터링을 위한 표준 분석법 확립에 기여할 수 있다. 

◇미세플라스틱 환경 유입 차단 
담수 물환경이나 수돗물뿐만 아니라 하수처리시설 배출수 내에서도 미세플라스틱이 검출된다는 것은 미세플라스틱 오염원의 종류가 점차 증가하고 있음을 뜻한다. 따라서 물환경으로 유입되는 미세플라스틱 오염원을 제어하는 체계가 필요하다. 본 설계를 통해 하수처리시설 내 미세플라스틱을 효과적으로 모니터링하여 담수 환경으로 유입되는 미세플라스틱 배출량을 저감할 수 있다.

경제적 및 사회적 파급효과

최근 세계 각국에서 유래하는 대량의 쓰레기가 해상을 표류하며 해안에 표착하게 되어 자연환경의 파괴와 경관 악화 등 여러 방면에 걸쳐 다양한 영향이 발생하고 있다. 이러한 해양 쓰레기 문제는 현재 세계적인 과제로 인식되고 있으며, 국제적인 연계 하에 대책이 추진되고 있다. 대표적으로 EU는 순환경제 정책 일환으로 정책문서(순환경제패키지)를 발표한 바 있으며 그 일환으로 2018년 1월 플라스틱 전략을 발표하였다. 플라스틱의 재활용 가능성, 생물 분해성, 특정 플라스틱 중의 유해물질 존재, 해양 쓰레기의 방지 등에 대처하기 위해 플라스틱에 대한 전략을 채택하고 있다. 특히 해양쓰레기 중 5mm 이하인 소위 미세 플라스틱 조각에 대해 그 원래의 용도나 모양, 재질, 주요 메이커 등 각 주요 배출 흐름에 대해 동향 조사도 실시한 바 있다. EU는 화장품 및 기타 제품에 미세 플라스틱의 사용 금지를 요청하고 있다. 프랑스와 영국은 화장품에 미세 플라스틱 사용 금지에 관한 법률을 제정하고 있다 (2018년 1월 시행 예정). 프랑스 법에서는 미세 비드를 포함하는 스크럽이나 세안 제품을 규제하고 있다. EU는 화장품 이외의 제품에 미세 플라스틱의 사용 금지를 요청하고 있지만, 제품은 특정되어 있지 않다. 중장기적으로 비슷한 규제가 다른 제품에 미칠 수 있다. 2011년부터 34개국 64개 플라스틱 단체가 해양쓰레기 문제 해결을 위한 세계 플라스틱 산업 단체 등에 의한 선언(Declaretion of the Global Plastics Associations for Solution on Marine Litter)에 서명하고 있다. 근 5년 사이에는 2016년 일본의 도야마 성명서, 2017년 이탈리아의 볼로냐 성명서 등 많은 선진국가에서 미세 플라스틱의 점진적 감축 등을 목적으로 하고 있다.

하지만 대부분 국가의 입장은 미세플라스틱의 사용을 규제하여 감축에 초점을 맞춰져 있다. 이러한 동향에 따라서 이번 기술 설계를 통해, 방류수 내 미세플라스틱을 검출을 해낼 수 있게 되면, 관련 법령 등을 모범적으로 설립할 수 있고, 나아가 하수 내 미세플라스틱 제거 기술 발전에 사회적으로 이바지 할 수 있다. 이는 곧 국제사회에서 모범적인 미세 플라스틱 규제국가로 보일 수 있고, 우리나라가 가진 기술로 기술교류를 활성화할 수 있으므로, 경제적으로도 긍정적 효과를 기대 할 수 있다.

구성원 및 추진체계

설계

설계사양

제품 요구사항

해당 과제에서 설계하고자 하는 미세플라스틱 모니터링 시스템을 제품으로 구현하기 위해서 해당 요소(요구사항)들을 중요도에 따라 구분하고, 반드시 필요한 요소(D), 필수적이지는 않으나 요구되는 요소(W)로 나누었다. 이 제품요구사항을 준수하여 개별로 설계 아이디어를 제시하였으며, 이는 아래의 표와 같다.

목적계통도

개념설계안

제품 요구사항 및 목적계통도에 따라 개략적인 개념설계안을 다음 그림과 같이 도출하였다.

이론적 계산 및 시뮬레이션

전처리부

탱크의 설계는 분석기구의 너비인 300mm에 크게 벗어나지 않게 하기 위해, 직경 110mm로 설계한다. 또한 열선을 이용해 온도 60℃를 유지하기 위해서, 탱크의 재질은 열에 잘 견디는 PE 재질로 설정하고, 열선과 보온재의 두께도 생각해야한다. 보온재는 유리섬유 재질에, 두께 10mm로 설정한다. 탱크는 2L 이상의 액체를 담을 수 있어야 하므로, 높이는 350mm로 설정한다. 계산식을 세워보면 아래와 같다.

또한 열선에 대한 소요 열량을 계산하는 공식은 아래와 같다. 이때 Q는 배관의 단이 길이당 손실 영량을 뜻하며, Tp와 Ta는 각각 목표 유지온도와 최저 주위온도이다. Ta는 실내라고 가정하여 15도로 설정한다. 내측 단열재(유리섬유)의 열전도율(k)은 0.04W/mK 이며, 보온재 두께를 고려하여 계산한 소요 열량은 다음과 같이 계산할 수 있다.

이 식에서 D1은 내측 단열재의 내경, D2는 내측 단열재의 외경이다.

안전 계수 1.2(20%)를 고려했을 때 m 당 67.63 W 이상의 열량을 가진 열선으로 시공하는 것이 적합하며 파이프 배관을 열변형 온도가 높은 PC(polycarbonate)로 설계하고자 한다.

염색부

염색 시료의 경우 분석 1회에 0.2㎖를 주입한다. 따라서 미세플라스틱 분석을 2시간 간격으로 진행한다고 했을 때 두 달에 필요한 양은

이다.

염색 시료의 필요량을 두 달에 150㎖로 설정하여 저장부의 직경(D)과 높이(H)는 다음 식을 통해 계산할 수 있다.

세 가지 조건을 모두 만족하는 직경과 높이는 각각 5cm, 10cm라는 값을 얻을 수 있다.

조립도

조립도

조립순서

부품도

전처리부

PC 필터

염색부

분석부

자재소요서

결과 및 평가

완료작품 소개

프로토타입 사진

포스터

특허출원번호 통지서

내용

개발사업비 내역서

완료 작품의 평가

향후평가

• 기존의 미세플라스틱 분석 기술(분광분석법)의 경우 분석 시간이 길게 요구되고 비용이 많이 든다는 단점이 있어 본 설계를 통해 형광분석을 활용하여 시간과 비용 측면에서 경제성을 확보할 수 있음.
• 하수처리시설 내의 미세플라스틱을 정량적으로 분석하고 이를 제어하는 시스템이 부재하였으나 본 설계를 통해 방류수 내 미세플라스틱을 분석하여 배출량 저감에 기여할 것으로 기대됨.
• 본 설계의 분석부에서는 검지관을 통해 염색된 미세플라스틱의 형광을 측정하며 이 단계에 ImageJ 1.8.0을 추가로 적용하여 형태, 크기, 표면 특성과 같은 요소들을 파악할 수 있다는 데 발전가능성이 있음.
• 특히 형광분석 기술을 이용한 이미지 인식 기술의 도입을 통해 미세플라스틱을 정성ㆍ정량적으로 분석하여 미세플라스틱 모니터링을 위한 표준 분석법 확립을 도모할 수 있음. 

부록

참고문헌 및 참고사이트

[1] 김익재 외(2019), 「하천 및 호소의 물환경에 미치는 미세플라스틱 영향 연구」, 한국환경정책평가연구원.

[2] 박정규 외(2019), 「미세플라스틱의 건강 피해 저감 연구」, 한국환경정책평가 연구원.

[3] 안재환 외(2019), 「미세플라스틱 유출 저감 및 제거기술 개발 기획연구」, 한국건설기술연구원

[4] 심우준 외 (2016), 「 Identification and quantification of microplastics using Nile Red staining 」

[5] 유혜원 외(2020), 「담수 물환경 중 미세플라스틱 분석방법 및 검출에 대한 고찰」, 한국환경분석학회

[6] Kelly.D.S. (2018), 「Fluorescence photobleaching of microplastics: A cautionary tale.」, Marine Pollution Bulletin, 133,

[7] 박상우. 「미세플라스틱의 현상과 국제적 동향. 국내외 IP 분석보고서」

[8] 이앤에스텍, 동파방지시공, 2021-05-27 접속 http://www.selfcable.com/%EB%8F%99%ED%8C%8C%EB%B0%A9%EC%A7%80%EC%8B%9C%EA%B 3%B5-2/

[9] Nirmal Kumar Shahi (2019), 「효과적인 미세플라스틱 제거 기술과 Nile red를 적용시킨 형광현미경의 미세플라스틱 제거 검증」, 단국대학교 대학원

[10] THORLABS, Fluorescence Imaging Filters, 2021-05-27 접속 https://www.thorlabs.com/newgrouppage9.cfm?objectgroup_id=2990&gclid=Cj0KCQjwwLKFBhDPARIsAPzPi-JZhYPS5hWwe6SCAWdrNJR-sS-FyZib2aAEsvicSCH6RthPewFc5TYaAtAFEALw_wcB

관련특허

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