정화조
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프로젝트 개요
기술개발 과제
국문 : 음용수 확보를 위한 소형 소변 처리 장치
영문 : Design of Small Urine Treatment device for Drinking water
과제 팀명
정화조.
지도교수
장서일 교수님
개발기간
2018년 3월 ~ 2018년 6월 (총 4개월)
구성원 소개
서울시립대학교 환경공학부 20128900** 이*후
서울시립대학교 환경공학부 20128900** 이*주
서울시립대학교 환경공학부 20128900** 임*호
서울시립대학교 환경공학부 20128900** 최*훈
서론
개발 과제의 개요
개발 과제 요약
상수원의 극심한 오염, 전쟁이나 테러로 인한 상수도 설비 파괴 등 극한 상황에서는 음용수 접근이 어려워 무엇보다도 생존을 위해서는 음용수 확보가 필수적이다. 사람이 가장 손쉽게 접할 수 있는 수분인 소변을 처리하여 음용수로 전환해 마실 수 있다면 극한 상황에서 아주 생존가능성이 높아질 것이다. 다만 현재 국제우주정거장(ISS)에서 미국 우주인들이 이용하고 있는 대형의 처리시설은 극한 상황에서 접근성과 이동성이 떨어지고 설치 및 이용이 용이하지 못하다. 이러한 단점에서 착안하여 가정 등 좁은 공간에서 이용할 수 있고, 이동가능하고 손쉽게 설치할 수 있는 등 이용이 용이한 음용수 확보를 위한 소형 소변 처리시설을 설계하고자 한다.
개발 과제의 배경
물은 인체의 70%를 차지하며, 혈액순환, 체온조절, 영양소 운반 등의 체내 중요 대사에 사용된다. 원활한 신진대사를 위해서 세계보건기구(WHO)는 하루 물 섭취 권장량을 1.5~2L로 제시하였다. 사람의 소변은 고갈될 수 없는 무한한 자원이기 때문에 소변을 음용수로 전환시킬 방법을 찾아 재난 속에서 생명을 연장시킬 수 있는 방법을 마련한다.
개발 과제의 목표 및 내용
소변에서 처리해야할 대상은 크게 염도, 요소, 색도, 냄새 4가지로 나뉜다. 염도가 가장 중요한 처리 대상인데, 바닷물처럼 염도가 높은 물을 연속적으로 마시면 탈수 증상이 일어나 사망에까지 이를 수 있다. 염도는 해수담수화 기술에 이용되는 삼투 필터로 제거한다. 소변 내 물 이외의 성분 중 가장 높은 비율을 차지하는 요소는 인체에 악영향을 미친다. 요소는 혈액투석 기술에 이용되는 요소분해효소(Urease) 고정막 필터를 이용해 암모니아로 전환시킨다. 이 때 발생한 암모니아는 역삼투 필터에서 제거된다. 암모니아가 제거되므로 자연히 색도와 냄새도 해결된다. 더 확실한 해결을 위해 선카본 필터와 후카본 필터로 처리한다.
관련 기술의 현황
관련 기술의 현황 및 분석(State of art)
- 전 세계적인 기술현황
1. ISS, 국제우주정거장 국제우주정거장(ISS)에 사는 우주인들은 식수와 생활용수를 어떻게 조달할까. ISS에서 사용되는 물의 93%는 정수과정을 거쳐 다시 사용한다. NASA 소속 우주인들은 호흡이나 땀으로 배출된 수분뿐만 아니라 샤워하고 남은 물, 인간의 소변과 실험용 동물의 소변까지 몽땅 끌어다 정수해 식수로 쓴다. 반면 러시아 측 우주인들은 호흡이나 땀으로 배출된 수분과 쓰고 남은 물은 재활용하지만 소변은 사용하지 않는다. 러시아 우주인들의 소변은 미국 우주인들이 가져다가 정수해 식수로 재활용한다. NASA 마셜 우주항공센터의 물시스템 관리자 래인 카터는 “심리적 거부감만 극복한다면 병에 든 생수와 똑같은 맛”이라고 블룸버그에 말했다. 소변 처리 방식만 다른 것이 아니다. 미국과 러시아 우주인들은 우주개발 초기부터 서로 다른 정수 방식을 사용해왔다. 미국 우주인들은 요오드를 이용해 물을 살균소독한 뒤 필터 처리를 한 번 더 거친다. 반면 러시아는 항균작용이 뛰어난 은이온으로 정수를 한다. NASA는 앞으로 러시아처럼 은이온 정수 방식을 채택할 계획이지만, 카터는 “한쪽 정수 시스템에 문제가 생길 가능성을 생각한다면 양측이 서로 다른 시스템을 사용하는 게 낫다”고 말했다.
2. 옴니프로세서 빌 게이츠는 예전부터 개발도상국의 시급한 문제들을 해결하기 위해 노력해왔다. 특히 개발도상국의 배설물 처리 문제에 주목해왔다. 그 이유는 전세계 250만 명이 이로 인해 오염된 식수에 노출돼 있기 때문이다. 오염된 물을 마시고 질병에 걸려 사망하는 어린이는 매일 2,000명, 매해 70만 명에 이른다. 식수와 위생문제는 사람들이 병원을 찾거나 입원하게 되는 이유 중 무려 절반을 차지하며, 호흡질환에 이어 5살 이하 어린이의 사망 원인 2위이기도 하다. 나아가 경제적 타격도 크다. 위생 및 식수 문제로 매년 260억 달러가 소모되고 있는데 이는 보통 개발도상국의 1년 총 GDP와 맞먹는 규모라고 한다. 위생 문제로 위협받고 있는 아이들의 생명과 건강을 지키기 위해 빌 게이츠는 부인과 세운 비영리재단 '빌&멀린다게이츠 재단'을 통해 사람의 배설물을 안전하게 처리할 수 있는 기술연구와 프로젝트를 진행하였고, 그 결과물의 하나로 오늘 날의 옴니프로세서가 나오게 되었다. 옴니프로세서는 미국 시애틀에 본사를 둔 재니키바이오에너지(Janicki Bioenergy)가 개발하고 디자인했는데, 원래 재니키바이오에너지는 하수 쓰레기를 태워 전기를 생산하는 발전기를 만드는 회사였으나 재단의 지원을 받아 식수까지 생산할 수 있도록 이를 개조하였다.
- 특허조사 및 특허 전략 분석
- 기술 로드맵
시장상황에 대한 분석
- 경쟁제품 조사 비교
1. Life Straw(라이프스트로우)
◇ 시중에 20달러 정도로 판매되고 있는 Life Straw(라이프 스트로우) ◇ 물이 있는 상황에서 사용할 수 있으며, 염분을 포함한 특정 성분을 정화시킬 수 없음 ◇ 1000L 정도의 가용 한계와 개발도상국에서 지속적으로 사용하기에는 경제적인 무리가 있음 ◇ 실제 사용 시 흡입에 어려움이 있으며, 맛이 그대로 느껴짐 ◇ 일부 인체에 유해한 바이러스와 방사능을 제거할 수 없음
- 마케팅 전략 제시
개발과제의 기대효과
기술적 기대효과
1. 소형화 기술 기존의 배설물 정화시설의 소형화 가능하다. 기존의 옴니 프로세서, ISS 소변처리시설 등은 대형 시설로 접근성과 휴대성이 떨어지지만, 소형화 기술을 통해 이를 보완할 수 있다.
2. 처리 성능 향상 기존의 라이프 스트로우에서 처리되지 않은 염분, 화학물질, 맛 등의 요소들을 제거함으로써 처리 성능의 향상을 도모한다.
경제적, 사회적 기대 및 파급효과
1. 방독면 마스크와 같이, 지하철과 공공기관 정부부처 건물, 가정집에 필수적으로 구비함으로써 재난상황 발생 시 대처 및 재난사고 경각심 유발 2. 초·중·고 학교에 의무적으로 구비하게 함으로써 학생들의 재난상황 교육 3. 고층건물과 고속도로 터널에 구비 4. 오지 산간지방에서 산사태와 지친, 폭설 등의 이유로 외부와 단절 상황이 발생할 시, 구호물자 도착 전까지 생존 기간 연장 5. 핵전쟁과 생화학 전쟁 대비를 위한 지하벙커에 구비
기술개발 일정 및 추진체계
개발 일정
구성원 및 추진체계
◇ 이건후 : 자료조사 담당 ◇ 이용주 : 이론적 설계 담당 ◇ 임민호 : 기계적 설계 담당 ◇ 최기훈 : 총무 및 시운전 담당
설계
설계사양
제품의 요구사항
설계 사양
1. QFD
2. 계통도
개념설계안
이론적 계산 및 시뮬레이션
상세설계 내용
◇ 소변은 96%가 물이고 나머지 대부분은 요소(Urea)이다. 소변은 살균된 상태이기 때문에 마셔도 무방하다. 그러나 바닷물처럼 소변도 염도가 높기 때문에 연속적으로 마시면 신체에 악영향이 나타나며 심하면 탈수상태에 이를 수도 있다. 즉, 바닷물을 계속 마시면 안 되듯 소변도 계속 마시면 안 된다. 소변을 음용수로 전환하기 위해서 중점적으로 해결해야할 부분은 4가지이다. 색(우로빌린), 냄새, 염도, 요소이다. 본 설계에서는 기존에 사용되던 역삼투 필터를 이용해 색, 냄새, 염도를 정화한다. 또한 요소분해효소 고정막 필터를 추가해 요소를 제거한다.
◇ 본 설계에서 사용되는 필터는 총 5가지이다. 기존의 역삼투(Reverse Osmosis) 방식의 필터가 채택하고 있는 4가지(침전, 선카본, 역삼투, 후카본)에 요소분해효소 고정막 필터를 추가한다. 현재 정수기에서 사용되고 있는 방식은 크게 두가지가 있다. 중공사막(Ultrafiltration) 방식과 역삼투 방식이다. 소변 내 염분을 효과적으로 제거하기 위해 역삼투 방식을 채택했다. 그러나 기존의 역삼투 방식으로도 소변 내 주요 성분인 요소(Urea)가 효과적으로 제거되지 않는다. 역삼투 필터를 통한 요소 제거율은 70%정도로 알려져있다. 요소의 효과적인 제거를 위해 요소분해효소(Urease) 고정막 필터를 선카본 필터 후, 역삼투 필터 전에 설치한다. 그러면 요소는 요소분해효소에 의해 99% 이상 암모니아(NH3)로 분해된다. 암모니아는 역삼투 필터로 대부분 제거가 가능하다. 이렇게 기존의 ‘역삼투방식+요소분해효소고정막필터‘를 이용하면 소변에서 문제시 되는 색도, 냄새, 염분, 요소까지 모두 효과적으로 제거할 수 있다.
◇ 역삼투 필터를 이용한 정수 역삼투 필터는 해수담수화를 위해 연구되던 정수필터이다. 해수담수화를 위해서는 염분의 효과적인 제거가 필수적이다. 역삼투 필터는 해수의 염분을 제거하는 데에 강점을 갖고 있다. 음용수 확보를 위한 소변정화에도 같은 문제가 발생한다. 소변은 기본적으로 섭취하는 데 아무 문제가 없으나, 장기적으로 섭취할 경우 염분이 문제가 된다. 그러므로 소변의 염분을 효과적으로 제거한다면 장기간 섭취에도 문제가 없다. 또한 염분 뿐 아니라 역삼투 필터는 요소분해효소 고정막 필터로 인해 추가 발생되는 암모니아 제거에도 탁월하다.
◇ 요소분해효소 고정막 필터를 통한 요소 제거 신장기능에 결함이 있는 환자들을 위한 혈액투석을 위해 연구되고 있는 기술이다. 제대로 된 혈액투석을 위해서는 요소 제거가 필수적이다. 요소 제거를 위해 기존에 사용하던 방법은 활성탄 흡착 방법인데, 소량의 요소를 제거하기 위해 너무 많은 활성탄을 사용해야 함이 한계로 지적되었다. 그래서 생체 내 단백질 효소인 요소분해효소(Urease)를 이용해 요소를 제거하기 위한 연구가 진행되고 있다. 요소분해효소는 요소를 암모니아와 이산화탄소로 가수분해한다. 그림3은 요소농도에 따른 요소제거율을 나타낸 그래프이다. 요소 농도가 1mol/L 이하일 때 요소제거율은 99%에 달한다. 소변 내 요소의 평균적인 농도는 9.3g/L로, 환산하면 0.155mol/L이다. 이는 요소분해효소 고정막이 효과적으로 기능할 수 있는 농도범위 내이다. 그러므로 요소분해효소 고정막 필터를 이용하면 소변 내 요소를 99%이상 제거할 수 있다.
◇ 압력부과방식 역삼투 방식 필터는 높은 압력을 요한다. 그러나 극한상황에서 압력펌프를 구동할 수 있는 전기는 확보하기 힘들 것이다. 그러므로 본 설계에서는 자연적으로 압력을 부과할 수 있도록 정수조 위에 마치 주사기처럼, 피스톤 형식의 압력조절부를 설치했다. 그러나 주사기처럼 직접 신체의 힘을 이용해 압력을 부과하기엔 정수시간이 너무 길다. 정수가 다 될 때까지 눌러주고 있을 수는 없다. 그러므로 주변에서 얻을 수 있는 다양한 물건들을 이 위에 적절하게 올려놓으면 전기를 이용하지 않고 압력을 부과할 수 있고 역삼투 필터를 통한 정수가 가능해진다.
결과 및 평가
완료 작품의 소개
프로토타입 사진 혹은 작동 장면
포스터
관련사업비 내역서
완료작품의 평가
향후계획
◇ 금전적인 이유로 실제 실험 데이터를 얻지 못하였으므로, 실제 실험을 통한 개선이 필요하다 ◇ 언제 올지 모르는 극한상황을 설정하였으므로, 필터들의 사용연한에 대한 연구가 필요하다 ◇ 5가지 필터가 모두 필요하지 않을 수도 있다. 핵심 필터인 요소분해필터와 역삼투필터를 제외 3가지 필터들이 실제로 필요한 지 실험해 개선해야 한다. ◇ 필터를 탈착식으로 만들어 소변 이외의 물들에도 적용가능한지 연구할 필요가 있다.
특허 출원 내용
