캡스통

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 선박용 미세플라스틱 포집 장치

영문 : Microplastic Collection Machine Using Vessel

과제 팀명

캡스통

지도교수

장서일 교수님

LG화학 마기식 멘토님

개발기간

2019년 9월 ~ 2019년 12월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 환경공학부 2013890059 임해빈(팀장)

서울시립대학교 환경공학부 2013890023 김환

서울시립대학교 환경공학부 2013890029 문태웅

서울시립대학교 환경공학부 2013890074 최은규

서울시립대학교 환경공학부 2014890027 노형민

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

전 세계적으로 매년 수백만 톤의 플라스틱이 해양으로 유입되며, 플라스틱은 바다에서 풍화작용, 파도에 의한 마모, 자외선 방사 등에 의해 미세 플라스틱(microplastic)으로 분해된다.  미세 플라스틱은 POPs 등 독성물질을 흡착하고 방출하며 운반하는 능력을 가지고 있고, 척추동물과 무척추동물 모두 섭취하는 것이 보고되었으며, 생물축적이 일어나고 있을 가능성이 무척 높다. 따라서 해양 미세 플라스틱 및 부유 오염물질 대량 포집 시스템의 필요성이 대두되고 있다. 
본 설계에서는 해수면에 넓게 분포한 다량의 해양 부유물을 신속하게 포집하도록 하는 해양 미세 플라스틱 포집 장치를 개발하고자 한다. 본 설계는 미세플라스틱을 제거하여 해양환경을 정화하려는 데 중심목표가 있으며 본 설계의 범위는 미세플라스틱 포집 설비를 기존 선박에 설치하는 것과 선박 제조 공정에 적용하는 것을 포함한다. 새로운 동력장치의 제작이 아닌 기존 선박에 장치를 부착하는 형식이기 때문에 적은 제작비가 소요될 것으로 예상된다. 이로 인한 해양 수질 향상 효과를 기대할 수 있으며 추후 선박뿐만 아니라 동력을 가진 다른 장치에도 적용하여 범위를 확대하고자 한다.

개발 과제의 배경 및 효과

세계적으로 매년 수백만 톤의 플라스틱이 해양으로 유입되고 플라스틱은 바다에서 풍화작용, 파도에 의한 마모, 자외선 방사 등에 의해 미세 플라스틱(microplastic)으로 분해된다. 미세 플라스틱은 POPs 등 독성물질을 흡착하고 방출하며 운반하는 능력을 가지고 있고, 척추동물과 무척추동물 모두 섭취하는 것이 보고되었으며, 생물축적이 일어나고 있을 가능성이 무척 높다. 우리나라의 경우 미세 플라스틱 오염도가 심각한 수준임에도 불구하고, 수거에 대한 구체적인 방안을 제시하고 있지 않다. 최근 세안제, 치약 등 생필품에 들어가는 미세플라스틱 제품이 늘어나는 추세이며 앞으로도 사용처는 확대될 것으로 예상된다. 때문에 해양 플라스틱 폐기물에 대한 관리가 시급하다.

개발 과제의 목표와 내용

 - 본 과제는 해양환경의 정화에 대한 필요성을 인식하고, 최근 해양오염 및 생태계 문제의 주원인으로 지목되고 있는 미세플라스틱을 제거하여 해양환경을 정화하려는 데 중심목표가 있다. 
 
 - 본 과제에서는 현재 해양산업 및 기타 산업에 이용되고 있는 기존 선박을 이용하여 미세플라스틱을 포집할 수 있는 설비를 설계하고자 한다.
 
 - 개략적인 설계 항목은 디자인, 포집방식, 설치의 3단계로 각 항목들의 내용은 아래와 같다.
 1) 디자인 :  선박 운행에 지장이 없으면서 미세플라스틱 포집에 지장이 없는 디자인
 2) 포집방식 : 설비 내 해수의 원활한 통과와 효율적인 미세플라스틱 포집
 3) 설치 : 기존 선박의 외부 설치 및 선박 제조 공정에 대한 적용 가능성
 
 - 따라서 본 과제의 범위는 미세플라스틱 포집 설비를 기존 선박에 설치하는 것과 선박 제조 공정에 적용하는 것을 포함한다.

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

 ◇ 기존에 다량 제작된 선박에 추가적인 장치를 부착하여 수거하기 때문에 수거 장치에 추가적인 동력 장치가 필요하지 않음.
 
 ◇ 추후 선박뿐만 아니라 해양에서 이동하는 동력을 가진 다른 장치에도 적용 가능하여 수거 범위 확대.

경제적 및 사회적 파급효과

 ◇ 2018년 기준 대한민국의 해양 쓰레기는 12만 403t이고, 이중 82.0%가 페트병이나 폐어망 같은 플라스틱류이다. 이를 제거함으로써 해양 쓰레기 제거와 함께 수질 향상을 기대할 수 있음.
 
 ◇ 미세 플라스틱을 해양 플랑크톤이 섭취하고, 이를 먹이 사슬 상위에 있는 해양 생물이 먹음으로서 생물 농축이 일어나게 된다. 미세 플라스틱 수거를 통해  생물 속에 농축되는 미세 플라스틱을 감소시켜 해양 생태계를 회복할 수 있음.
 
 ◇ 인간이 섭취하는 미세 플라스틱 연건 250g정도 알려져 있다. 미세 플라스틱은 물리적으로 소화 기관을 막거나, 점막을 자극시키고, 마모시킬 수 있기 때문에 인체에 악영향을 미치게 된다. 이를 감소시킴으로써 개인 및 건강보험공단에서 사용되는 비용을 절약할 수 있음.

구성원 및 추진체계

설계

설계사양

내용

개념설계안

2.1 최초 개념설계안

본 과제의 목적계통도는 다음과 같다.

목적 계통도를 대상으로 설계한 최초 개념설계안은 아래와 같다.

설치 위치

선박의 전면부 혹은 양측면부에 연결부를 만들어 포집장치와 결합하여 선박의 양측에서 미세플라스틱을 포집. 양측면부에 <그림 1>, <그림 2> 와 같은 모양의 포집 장치를 부착한다. 전면부에 부착할 시에는 각 포집장치의 앞쪽 끝부분을 만나게 하여 <그림 3>, <그림 4>, <그림 5>, <그림 6>과 같은 모양으로 전면부에 부착한다.

포집 방식

1. 포집장치의 후단부에 거름망을 <그림 7>과 같은 체 형식으로 설치하여 체의 앞부분에 해당하는 장치 내 공간에 미세플라스틱을 포집

2. 포집장치의 전단부에 거름망을 <그림 8>의 노란 부분과 같은 주머니 형식으로 설치하여 주머니 안에 미세플라스틱을 포집.

2.2 최종 개념설계안

최종 개념설계 모형은 <사진 1>과 같은 모형으로써 실제 장치의 하단부에 해당하는 부분은 사진의 상단과 같이 유선형으로 설계하였다. 이는 스크린이 배의 하단부와 최대한 비슷한 모양으로 만들어 추가적인 저항을 줄이기 위함이다. 앞쪽 스크린을 통해 들어온 미세플라스틱은 <사진 2>에 보이는 차폐문을 통과하게 된다. 차폐문은 선박이 전진 시 물의 흐름에 의하여 개방되고, 정지시 물의 흐름이 줄어듦에 따라 닫히게 된다. 이는 선박이 정지할 시 수집된 미세플라스틱이 스크린 쪽으로 빠져나가는 것을 방지하기 위함이다. <사진 2>의 아래 부분에 해당하는 장치의 뒷부분은 165MESH 망(구멍크기 0.1mm)를 이용하여 0.1~5mm에 해당하는 미세플라스틱을 장치 내부에 포집하게 된다. 최종적으로 선박에 설치하는 형태는 <사진 3>과 같다.

포집 장치는 선박을 부두에 정박시키는 원리와 동일하게 로프로 고정시키는 방식을 이용한다. 장치의 전면부, 중심부 양측, 후면부 양측 총 5곳을 로프에 연결하여 선박에 고정시킴으로써 선박 전면부에 고정시키고 장치의 흔들림을 최소화한다.

이론적 계산 및 시뮬레이션

주행 실험

(1) 1차 실험

망의 부착이 선박의 속력 감소에 미치는 영향을 계산하고자 주행 실험을 실시하였다.

-> 실험 장소: 숭인 수영장

-> 통제 변인: 주행 거리(15m)

-> 조작 변인: 망의 부착 여부, 망의 폐색 여부

-> 망 폐색 조건은 망에 테이프를 부착하여 망이 폐색 되었다고 가정하고 실험을 진행하였다.

-> 이 때 망은 90%이상이 폐색된 상태로 진행하였다.

1. 망 미부착시 시간 평균: 5초 46 -> 속도: 2.75m/s

2. 망 부착시 시간 평균: 5초 87 -> 속도: 2.56m/s

3. 망 폐색 가정시 시간 평균: 6초 18-> 속도: 2.43m/s

조건1->조건2 속도 감소율 6.9%

조건1->조건3 속도 감소율 11.6%

◇ 망부착시 속도의 감소율은 6.9%로 나타났다.

◇ 망 폐색 가정 시 속도의 감소율은 11.6%로 나타났다.

◇ 처음 예상했던 결과보다는 속도 감소율이 컸으나 추후에 모양을 수정하면 속도의 감소가 더 적을 것으로 기대된다.

(2) 2차 실험

초기 목표를 달성하기 위해 망의 앞부분을 수정하여 재실험을 진행하였다. 실험 조건은 1차실험과 동일하게 진행하였다.

-> 실험 장소: 숭인 수영장

-> 통제 변인: 주행 거리(15m)

-> 조작 변인: 망의 부착 여부, 망의 폐색 여부

-> 망 폐색 조건은 망에 테이프를 부착하여 망이 폐색 되었다고 가정하고 실험을 진행하였다.

-> 이 때 망은 90%이상이 폐색된 상태로 진행하였다.

1. 망 미부착시 시간 평균: 5초 45 -> 속도: 2.75m/s

2. 망 부착시 시간 평균: 5초 72 -> 속도: 2.62m/s

3. 망 폐색 가정시 시간 평균: 5초 91-> 속도: 2.54m/s

조건1->조건2 속도 감소율 4.7%

조건1->조건3 속도 감소율 7.8%

◇ 망부착시 속도의 감소율은 4.7%로 나타났다.

◇ 망 폐색 가정 시 속도의 감소율은 7.8%로 나타났다.

◇ 처음 목표로 설정한 수치를 만족하는 결과가 나타났다.

포집률 실험

(1) 1차 실험

-> 포집률 실험결과 미세 플라스틱이 스크리닝 망으로부터 밀려나감.

-> 결과가 예상했던 바와 달라서 스크리닝 망 부분의 수정이 불가피함.

-> 주행시험의 결과 망의 저항이 속력감소에 미치는 영향이 미미한 것으로 판단되므로 망의 모양을 수정하기로 함.

-> 뒷부분의 거름망 앞쪽에 평평한 망을 덧대는 쪽으로 모양을 수정하려고 함.

-> 구체적인 실험 결과는 추후에 수정하여 발표할 예정.

(2) 2차 실험

새롭게 수정한 망을 이용하여 1차실험과 동일하게 실험을 진행하였다.

-> 실험의 결과, 0.86m/s 이상의 속도만 갖추면 포집률 100%를 달성하였다. 이는 초기에 설정했던 목표값을 만족하는 수치이다.

-> 포집 대상은 5mm이하의 미세 플라스틱 입자이다.

-> 여기서 포집률이란, 장치가 지나간 곳의 미세 플라스틱에 대한 포집을 뜻하는 것이다.

-> 실제 해양에는 거름망보다 더 작은 미세 플라스틱도 존재할 것으로 예상되므로 실제 해양에서의 포집률은 100%보다는 적을 것으로 예상된다.

조립도

1. 최초 설계안

2. 최종 설계안

부품도

자재소요서

결과 및 평가

완료작품 소개

프로토타입 사진

(1) 기존 프로토 타입

(2) 최종 프로토 타입

포스터

개발사업비 내역서

◇ 모형

◇ 실제 장치 예상 비용 (16배 비율 확대 시)

완료 작품의 평가

향후평가

본 설계를 통해 이루고자 하는 목표는 ‘해양 부유 미세 플라스틱 포집’이다. 이러한 목표를 달성하기 위해서 포집하고자 하는 미세플라스틱의 범위를 설정하였고 큰 입자는 스크리닝하고 작은 입자는 포집을 하기 위한 방안에 대해 설계하였다. 이 방안에는 포집능력과 선박에 주는 저항 감소에 관한 설계요소가 포함되었으며 이러한 목적들은 달성가능하다고 판단하였다.
우선 선박 주행 시 속력 감소를 최소화하기 위해 장치의 형태를 유선형으로 설계하였다. 속력감소에 미치는 영향을 분석하기 위해 실험값을 적용하였다. 실험은 2종류의 실험을 수행하였고 주행실험과 포집률 실험을 각각 진행하였다. 주행실험과 포집률 실험 모두 초기의 목표를 달성하였다. 이를 통해 완료 작품의 평가를 진행할 수 있었다.
향후 실제로 선박에 장치를 설치하고 미세플라스틱을 포집하는 데에 있어 이를 더 원활히 수행할 수 있도록 요구되는 사항들이 있다. 우선 선박의 선두부분이 모양이 모두 다르므로 다양한 선두모양에 맞게 설치될 수 있도록 형태의 유연성이 필요할 것이다. 그리고 장치를 탈착하지 않고도 포집된 미세플라스틱을 수거할 수 있는 방법을 찾으면 미세플라스틱 포집/수거의 편의성이 증대될 것이다. 이 때 수거한 미세플라스틱을 알맞은 방법으로 처리 및 활용함으로써 해양 미세플라스틱 제거의 목적을 달성할 수 있을 것이다. 마지막으로 최근 미세 플라스틱 저감 사업에 예산을 투입하고 있는 해양수산부와의 협업을 통해 정화활동에 참여하는 이들에게 환경정화장려금 등의 정책적 지원이 수반된다면 장치의 수요가 증대될 것이다.

부록

참고문헌 및 참고사이트

◇사이언스타임즈, “미세플라스틱”, https://www.sciencetimes.co.kr/?news=%EC%B9%A8%EB%AC%B5%EC%9D%98-%EC%82%B4%EC%9D%B8%EC%9E%90-%EB%AF%B8%EC%84%B8-%ED%94%8C%EB%9D%BC%EC%8A%A4%ED%8B%B1

◇해양쓰레기통합정보시스템, https://www.malic.or.kr/rest/monitoring/type/2017/0001/2017/0006/null/null

◇등록특허 10-2020273, <해양 미세 플라스틱 및 부유 오염물질 대량 포집 시스템>

◇중앙일보, “미세 플라스틱”, https://news.joins.com/article/23593064

◇Jersey Evening Post, “microplastic”, https://jerseyeveningpost.com/news/2018/12/27/microplastic-levels-worse-than-france-and-guernsey/

◇코메디닷컴, “미세 플라스틱”, http://kormedi.com/1253092/%EB%AF%B8%EC%84%B8-%ED%94%8C%EB%9D%BC%EC%8A%A4%ED%8B%B1-%EA%B3%B5%ED%8F%AC%EC%A7%84%EC%A7%9C%EB%A1%9C-%EC%9C%84%ED%97%98%ED%95%9C%EA%B0%80/

◇Abigail P. W. Barrows, Grab vs. neuston tow net: a microplastic sampling performance comparison and possible advances in the field, Analytical Methods, 2017

◇http://www.mof.go.kr/article/view.do?menuKey=971&boardKey=10&articleKey=26338

◇http://www.mof.go.kr/article/view.do?menuKey=971&boardKey=10&articleKey=27162

◇http://health.chosun.com/site/data/html_dir/2018/10/04/2018100400878.html

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