크린넷제로

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 주거지 적용형 생분해 플라스틱 선별 및 분해 설비 개발

영문 : Development of Residential Biodegradable Plastic Screening and Decomposition Facility

과제 팀명

크린넷제로

지도교수

서*원 교수님

개발기간

2022년 9월 ~ 2022년 12월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 환경공학부·과 20178900** 박*녕(팀장)

서울시립대학교 환경공학부·과 20178900** 정*교

서울시립대학교 환경공학부·과 20188900** 송*은

서울시립대학교 환경공학부·과 20188900** 이*나

서론

가. 개발 과제의 개요

개발 과제 요약

플라스틱으로 인한 폐기물 문제를 줄이기 위해 바이오 플라스틱의 수요량이 늘어나고 있다. 하지만 바이오 플라스틱 처리를 위한 인프라와 시스템이 마련되어 있지 않아, 대부분의 바이오 플라스틱은 일반 폐기물과 같이 소각장으로 이송되고 있다. 이를 해결하기 위해 본 설계에서는 생활 폐기물에서 바이오 플라스틱 중 생분해성 플라스틱을 선별 및 분류하고, 생분해가 원활하게 이루어질 수 있는 조건을 갖춘 시스템을 개발하여 바이오 플라스틱의 친환경성을 살리고자 한다.

개발 과제의 배경

1) 유명무실한 바이오 플라스틱의 '친환경성'

- 바이오 플라스틱 산업은 탄소중립 달성을 위해 급격하게 성장하고 있다. 하지만 현재 이를 위한 분리배출 및 처리에 관한 구체적인 계획은 마련되어 있지 않다. 자원순환사회경제연구소 소장은 플라스틱 처리 방식에 있어서, 특성에 맞는 처리 방식 없이 무조건 ‘바이오 플라스틱’ 에 대한 홍보만 하면 의미가 없다고 언급했다. 바이오 플라스틱도 그 기반이 바이오 원료인지 석유화학 원료인지, 생분해가 되는지 안 되는지에 따라 다양한 종류가 있으며, 각 종류마다 지구 환경에 미치는 영향력이 다르다. 하지만 현재는 명확한 구분 없이 '친환경 플라스틱'으로 묶어 부르며, 폐기물을 처리하는 방법도 크게 구분되지 않는다. 생분해성 플라스틱을 종량제 봉투에 넣어 배출하는 경우, 대부분 매립 또는 소각된다. 일반 플라스틱처럼 배출는 경우, 다른 플라스틱 제품이 재활용되는 것을 방해한다. 따라서, '친환경'을 위해 개발된 생분해성 플라스틱의 효용성이 매우 떨어지게 된다. 따라서, 바이오 플라스틱이 환경 문제에 기여를 하기 위해서는 올바른 분리수거 방식 및 분해 조건을 갖춘 시설 등의 시스템 및 인프라 개발이 필요하다.

2) 바이오 플라스틱

- 바이오 플라스틱이란 재생 가능한 원료로 제조하는 플라스틱 전반을 의미한다. 크게 두 종류로 나눌 수 있는데, 식물 및 유기성 원료에서 유래된 바이오매스를 원료로 생산한 '바이오 기반' 플라스틱과, 특정 조건에서 짧은 시간 내에 미생물로 완전히 분해되는 '생분해성'이 있다. 한국과학기술정보연구원에서 발간한 ‘ASTI 마켓 인사이트’에 따르면, 생분해성 플라스틱은 2025년 바이오 플라스틱 시장의 40%를, ‘바이오 기반’ 플라스틱은 60%를 차지할 것으로 보고 있다. 현재 일상에서 접할 수 있는 '친환경' 플라스틱은 대개 '생분해성'인 경우가 많다. 하지만 앞으로는 ‘바이오 기반’ 플라스틱의 비율도 점차 커질 것이다. 이는 기존의 일반 플라스틱을 대체함으로써, 플라스틱의 환경 파괴적인 측면을 많이 감소시킬 수 있을 것으로 기대된다. - 더불어, 바이오 플라스틱의 종류에 관해 첨언하자면 바이오 플라스틱 종류는 바이오 기반 원료와 생분해성의 유무라는 두 가지 특징으로 나눌 수 있다. 바이오 기반이지만 생분해성이 없는 플라스틱으로는 바이오 PE, 바이오 PET, 바이오 PA 등이 있다. 화석연료 기반이지만 생분해성이 있는 플라스틱으로는 PBAT, PCL 등이 있다. 바이오 기반이며 생분해성까지 갖춘 플라스틱으로는 PLA, PHA 등이 있다.

개발 과제의 목표 및 내용

1) 생활 폐기물에서 배출되는 플라스틱 중 바이오 플라스틱(생분해성 플라스틱)을 선별 및 분류할 수 있는 공정을 개발한다. 2) 배출되는 생분해성 플라스틱을 처리시설로 운송하는 것이 아닌, 배출된 장소에서 바로 분해될 수 있는 조건을 갖춘 시설을 통해 전과정평가에서 바이오 플라스틱의 탄소배출량을 저감할 수 있는 시스템을 제안한다. 3) 생분해성 플라스틱의 최적 분해조건을 찾고, 그 조건을 유지하여 처리대상의 완전한 친환경적 분해를 이룰 수 있는 시스템을 설계한다.

나. 관련 기술의 현황

관련 기술의 현황 및 분석(State of art)

• 국외 기술현황

유럽에서는 위에서 보는 바와 같이 바이오 기반 플라스틱과 생분해성 플라스틱을 분리하여 처리하는 시스템이 마련되어 있다. 바이오 기반 플라스틱은 재활용 쓰레기통에 버려져 재활용되고 생분해성 플라스틱은 따로 분리되어 퇴비화 공정을 거치는 순환하는 시스템이다. 유럽에서는 따로 선별과정을 두지 않고 개인이 분리 배출할 수 있게끔 제품에 다양한 로고를 새겨 판매한다. 로고는 Home compostable logo, Compostable logo, Biodegrable logo, Bioplastics logo 등으로 EN 13432의 기준에 따라 분류된다. Home compostable logo는 일반 쓰레기통에 버리거나 집에서 묻어도 된다는 의미이고 Compostable logo, Biodegrable logo, Bioplastics logo는 일반 쓰레기통에만 버리라는 의미이다. 여기에 Seedling logo가 추가로 있으면 음식물 쓰레기통에 버려도 된다는 의미이다. 같은 일반 쓰레기통에 버리는 제품이라도 본래 다른 의미가 있다. 원래 Biodegradable logo가 있는 제품이면 재활용도 가능하다는 의미인데, 아직 재활용 시설이 부족해서 혼란을 주지 않기 위해 일반 쓰레기통으로 통일하고 있다. Bioplastics logo가 있으면 재활용 또는 퇴비화가 전혀 안 된다는 의미이다. 유럽에서는 생분해성 플라스틱(Biodegradable)을 넘어 Compostable 플라스틱도 생산하고 있다. 이는 자연에서 미생물이 분해하는 생분해성 플라스틱과 달리 인간이 만들어낸 미생물로 더 빠르게 분해하고 미세플라스틱도 유발하지 않는 플라스틱을 말한다. 유럽에서는 Compostable 플라스틱을 처리하는 시스템 또한 마련되어 있다. Home-composting이라는 집에서 직접 퇴비화 하는 방법도 사용된다. 이는 매립이나 소각보다 환경적 이점이 많을 뿐 아니라 처리비용도 훨씬 저렴하다. Home-composting이 적용되지 않는 제품은 다음과 같은 과정(Organic recycling)을 거쳐 퇴비로 사용된다. 퇴비화 시설은 분해에 필요한 50~70℃의 열과 충분한 습도와 미생물 수를 갖추고 약 6주에서 12주에 걸쳐 분해한다.

• 국내 기술현황

국내에서도 코오롱인더스티리, CJ 제일제당 등의 대기업들이 생분해성 플라스틱을 상용화하기 위해 적극적으로 나서고 있다. 하지만 생분해성 플라스틱 개발에만 초점을 맞추고, 이에 대한 규제 및 관련 인프라에 대해서는 무관심하다. 분리배출 시설은 물론, 분리배출 기준조차 없어 생분해성 플라스틱 제품, 바이오 기반 플라스틱 제품 구분 없이 대부분 종량제 봉투에 넣어 소각되고 있다. 소각되지 않은 생분해성 플라스틱 제품은 매립 시설로 보내져 생분해되고 있지만, 그 또한 전문 퇴비화 시설이 아니다. 또한, 바이오 플라스틱 선별과정이 없었기 때문에 바이오 기반 플라스틱이 매립된다면 분해가 되지 않고 오히려 미세플라스틱이 유발되는 문제점이 있다. 더불어, 메탄 발생을 유발해 기후에도 악형향을 끼친다. 다시 말해, 국내에는 생분해성 플라스틱 제품 선별 및 처리에 관한 기술과 시설이 전혀 마련되어 있지 않다.

• 기술 로드맵

시장상황에 대한 분석

• 경쟁제품 조사 비교

- 시중에 바이오 플라스틱을 선별하고 분해하는 장치는 없음

- 경쟁제품으로써 일반적인 플라스틱의 수거 및 처리과정을 고려

- 모(母)제품인 크린넷 vs 일반적인 수거 및 처리

• 마케팅 전략 제시

- 마케팅 제품 개요

생활 플라스틱 속 바이오 플라스틱을 선별하고 분해하는 완전한 시스템 및 설비

바이오 플라스틱의 친환경성을 보존하며,

주민과 아이들에게 자원순환과 환경보존의 교육 매개로 이용

- 마케팅 대상

크린넷, envec 등 자동 생활폐기물 수거 인프라 건설 기업

플라스틱 재활용 및 처리 업체

지자체 및 국가

- SWOT분석

- 마케팅 방법

크린넷, envac 등의 기업에 특허 양도 또는 특허 라이선스 판매

국가, 주택공사 혹은 지자체 자원순환과와 컨택

사업제안서 전달 및 협력체계 구축을 통한 마케팅

다. 개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

1) 수거과정에서 환경오염물질 감축 가능

기존에는 플라스틱을 폐기물 수거차량이 모든 수거지점에 들러 수거를 했다면 쓰레기자동집하설비를 이용하면 기존에 수거차량이 발생시키는 소음, 교통체증, 탄소배출을 최대 90%까지 감소시킬 수 있다.

2) 생분해성 플라스틱 선별기술

바이오 플라스틱 중 최근 또는 미래에 수요량이 많아질 것으로 예상되는 생분해성 플라스틱을 분류하기 위해서 염용액을 이용한 비중차 선별기술을 도입한다. 비중차 선별에 앞서 ‘근적외선 자동선별 시스템’을 통해 PS 플라스틱을 분류해내는 1차 선별과정을 거쳐 생분해성 플라스틱과 비중이 비슷한 PS를 먼저 분리한 뒤, 나머지 플라스틱을 ‘비중차 선별’을 통해 2차로 선별한다. 비중이 낮아 물 위로 부상한 일반플라스틱은 이동되어 표준 컨테이너 수거차량을 통해 기존 플라스틱 처리시설로 이송된다. 비중이 높아 가라앉는 생분해성 플라스틱은 생분해 시설로 모이게 된다. 근적외선 선별과 비중차 선별은 이미 상용화가 이루어진 안정된 기술로, 두 기술을 함께 이용함으로써 높은 회수율을 달성할 수 있을 것으로 보인다.

3) 생분해성 플라스틱 분해기술

생분해성 플라스틱을 분해하기 위해서는 온도 58℃ 이상, 수분 70% 이상의 조건이 6개월간 유지되어야 한다. 선별과정 뒤 파쇄과정을 거쳐서 플라스틱의 부피를 감소시키고 비표면적을 증가시킨다. 온도 및 수분조건을 동시에 충족시키기 위해서 ‘태양열’을 사용한다. 태양열 전지판은 전기를 생산할 수 있지만 일반 가정에서는 온수 및 난방만을 위해서 설치가 되는 것처럼 집하장의 지붕에 태양열 전지판을 설치하여 온수를 만든다. 비중차 선별에서 사용된 물을 재이용하여 온수순환장치를 만들어 수분조건과 온도조건을 충족시킬 수 있다. 온도 조건을 만족하기 어려울 시 주변의 폐열을 이용하는 것을 제안한다. 이러한 분해기술은 태양열의 활용, 물의 재이용 등 친환경적이고 지속가능한 자원재순환을 이뤄낼 수 있다.

경제적, 사회적 기대 및 파급효과

1) 사회적 파급효과

제대로 분리가 되지 않아 일반플라스틱의 재활용, 생분해성 플라스틱의 분해 모두에 악영향을 미치고 있어 사회적으로 꾸준히 제기되는 생분해성 플라스틱의 효용성 문제를 ‘생분해성 플라스틱 선별 및 분해’ 공정을 제안해 해소한다. 전통적인 방식에서는 시민들이 직접 생분해성 플라스틱과 일반플라스틱을 구분하여 버려야 하지만 이것은 전적으로 시민들의 올바른 인식과 양심에 맡겨야 했던 문제였다. ‘쓰레기자동집하처리시설’의 설치는 투명 페트를 제외한 플라스틱을 모두 하나의 흡입구에 넣게 함으로써 시민들의 번거로움을 없애고 처리과정을 간소화한다. 선별공정 중 ‘비중차 선별’의 선별효율을 높이기 위해서 생분해성 플라스틱 제조 시 일정범위 안에서 비중을 통일하도록 하는 정책을 제안한다. 생분해성 플라스틱인 PLA 생분해성 봉투를 수거, 처리할 만한 시스템이 없다는 이유로 ‘2021년 11월’에 환경부는 일회용품에 생분해성 플라스틱 사용을 사실상 금지했다. 이 때문에 국내기업들은 유럽 기업들에 비해 도태되고 있다. ‘생분해성 플라스틱 처리공정’을 제안해 바이오 플라스틱 산업이 급속도로 발전하고 있는 전 세계의 추세의 흐름을 우리나라도 따라갈 필요가 있다. 바이오 플라스틱 산업 성장에 기여하여 탄소중립을 실현시키고, ‘RE100’을 달성할 수 있게 한다.

2) 경제적 파급효과

기존의 재활용 수거방식으로 생분해성 플라스틱을 수거할 경우 일반 플라스틱 재활용을 방해하고 생분해성 플라스틱이 기존의 방식대로 처리되어 버리는 문제점이 있다. 우리의 공정대로 진행할 경우 일반플라스틱은 기존대로 재활용이 되어 플라스틱 재활용률이 높아지고 생분해성 플라스틱의 분해로 천연부산물을 얻을 수 있다. 생분해성 플라스틱은 현재 도입 초기단계로 관련 인프라가 부족하다. 생분해성 플라스틱 처리시설과 같은 기반시설을 도입한다면 바이오 플라스틱 산업의 확장에 기여하고 경쟁력을 제고할 수 있다. ‘축차 동태 일반균형모형을 이용한 바이오 플라스틱 산업의 경제적 환경적 파급효과 분석’ 논문에 따르면 플라스틱 규제 시나리오에서 온실가스 감축과 폐기물 감소효과는 확인되었으나 국가GDP는 감소하는 것으로 나타나 경제에 부정적 파급효과가 발생하는 것으로 분석되었다. 반면에 플라스틱 산업 규제와 동시에 바이오 플라스틱 산업을 육성 시 플라스틱 산업 규제 시나리오와 유사한 수준의 온실가스 감축과 폐기물 감소효과가 발생하지만 바이오 플라스틱 산업 생산확대에 따라 경제적 손실이 상쇄되어 GDP 감소폭이 줄거나 증가하는 것으로 확인되었다. 이는 바이오 플라스틱 산업 육성을 통해 기존 플라스틱산업을 대체해 나갈 경우 환경문제 해결과 경제성장을 동시에 가능케함을 시사한다.

라. 기술개발 일정 및 추진체계

설계 초기 과제제안서에서 작성한 것과 다름.

개발 일정

구성원 및 추진체계

- 박준녕 : 팀장, CAD 설계, 이론 계산, 제품 제작

- 정찬교 : 이론 계산, 경제성 및 시장 분석, 특허 출원

- 송지은 : 처리량 계산, 제품 설계, 경제성 분석

- 이유나 : 이론 계산, 특허 출원, 시장 분석, 제품 제작

설계

마. 설계사양

제품의 요구사항

제품의 요구사항을 목록으로 나타냈다. 각 요구사항은 D(Demand, 반드시 고려할 사항)와 W(Wish, 상황에 맞게 고려할 사항)로 구분하였고 중요도에 따라 대, 중, 소로 표기하였다.

설계 사양

1) 폐기물 이송기술

크린넷, 엔백 등의 폐기물 자동집하시설이 사용자 주거지의 근처에 있어야 접근성이 좋아진다. 접근성이 나빠지면 자동집하시설의 효용성이 떨어지며 무용지물이 된다. 적절한 반경내에 적절한 수의 자동집하시설을 설치해야 한다.

2) 선별기술

생분해성 플라스틱의 선별 시 목표효율 달성을 위해서 근적외선, 습식비중차 선별방법을 사용한다. 분류의 정확성이 요구되며 다량의 플라스틱이 모이므로 충분한 공간이 요구된다.

3) 분해 조건 유지기술

생분해성 플라스틱 분해를 위해 필요한 58도 이상의 온도, 70% 이상의 수분 조건을 유지하기 위한 기술적 방안이 요구된다. 태양열, 물의 재이용을 이용해서 최대한 친환경적인 공정을 진행한다. 분해된 플라스틱의 높은 퇴비화 전환율이 요구되며 전체 공정에 있어서 효율적인 에너지 사용이 필수적이다.

바. 개념설계안

1) 폐기물 이송기술

기존의 폐기물 처리는 문전수거 방식으로 진행되었다. 문전수거 처리방법은 배출원-배출장소-수집 및 운반-적환장-수집 및 운반을 거쳐 소각장, 매립장으로 이동하였다. 최근의 신도시들에는 이러한 기존의 방식을 벗어나 크린넷, 엔백 등의 기업에서 제공하는 폐기물자동집하장치를 이용한다. 폐기물 집하장치는 기존방식의 수집 및 운반과 적환장을 이송관로, 중앙집하장으로 대체한다.

현재 여러 도시에서 운영 중에 있으나 일반쓰레기, 음식물쓰레기에 한정하여 운영하고 있다. 이에 우리는 음식물 쓰레기, 일반쓰레기와 더불어 플라스틱류 수거도 폐기물자동집하장치를 이용하려고 한다. 우리 설계에는 기존에 음식물 쓰레기, 일반쓰레기 수거를 위한 총 2개의 투입구가 있지만 플라스틱 수거를 위한 투입구 하나를 더 설치한다.

투입설비인 투입구에 플라스틱을 넣게 되면 투입설비에서 집하설비까지 플라스틱은 관로내에서 공기가 같이 유동하게 되며, 공기의 유동은 집하장에서 송풍장치를 이용하여 흡인한다. 투입된 플라스틱은 지하에 매설된 파이프와 송풍기를 이용하여 중앙집중제어 시스템의 통제에 따라 지하매설관로에 흐르는 공기가 약 60~70km/hr 속도로 집하장에 자동수집된다.

플라스틱류를 폐기물자동집하장치를 통해 수거하려는 이유는 크게 두가지다. 첫째, 우리 설계의 목표인 생분해성 플라스틱을 분해하려면 일차적으로 일반플라스틱과의 분리가 우선적이다. 이를 폐기물자동집하장치를 이용해서 시민들이 분리해야하는 번거로움을 없앤다. 둘째, 플라스틱류 폐기물을 기존의 방식인 문전수거로 할 경우 수집 및 운반과정에서 발생하는 소음, 악취와 대기오염물질을 없애 주민들의 삶의 질을 높일 수 있다.

2) 선별기술

혼합 플라스틱의 선별에는 플라스틱의 비중 차이를 이용한 선별, 녹는점 혹은 연화점을 이용한 선별, 용매(xylene) 추출법, 광학 선별 등 다양한 방법이 있다. 비중차 선별은 건식과 습식으로 나뉘어지는데 건식 선별은 air table, wind separation, air classifier 등이 있고, 습식 선별은 원심분리, 사이클론과 결합한 기술이 있다. 또한 광학 선별은 근적외선을 이용한 기술이 상용화되어 있다. 다양한 선별방법 중, 설계 사양 즉 제품 요구사항―플라스틱 분류의 정확성, 충분한 폐기물 수용량, 효율적인 에너지 사용―을 만족하는 플라스틱 선별 방법은 비중차 선별이라고 판단하였다. 다음은 생활계에서 주로 발생하는 플라스틱과 생분해성 플라스틱의 밀도 표이다.

생분해성 플라스틱 시장에서 높은 비중을 차지하고 있는 주요한 생분해성 플라스틱들(PLA 등)의 비중은 1 이상이며, 일반 플라스틱은 PS 제외한 나머지가 1 미만의 값을 보이고 있다. 이는 비중이 1인 물을 이용하여 크게 두 부류로 플라스틱의 분류가 가능하다는 것을 시사한다. 그러나 이 방법 외에 PS와 생분해성 플라스틱을 분류할 수 있는 공정이 추가적으로 필요하다. 이에 근적외선 선별기를 이용한 방법과 중액을 이용한 추가 비중차 선별의 방법을 제시한다.

(1) 중액선별

중액선별은 물보다 비중이 높은 두 물질을 분류하기 위해 비중 1 이상의 중액을 이용하는 방법이다. 중액선별의 매질에는 3가지 종류가 있다. 탄화규소염화물을 이용한 유기액체, 염화칼슘 혹은 염화나트륨을 이용한 염류수용액, 자철광, 사매질, 점토, 석고 등을 이용한 고비중 고체현탁액이다. 선별 원리는 물을 이용한 비중차 선별과 같이 매질보다 비중이 낮은 플라스틱은 위로 뜨고, 매질보다 비중이 높은 플라스틱은 밑으로 가라앉는 성질을 이용하는 것이다.

위 방법을 추가하여 습식 비중차 선별을 2단으로 설치할 경우, 각 선별 공정의 연계성이 용이하고 설치비가 저렴할 가능성이 높다. 그러나 중액 매질 사용으로 인한 운영비와 동력비가 높을 것으로 예상되며, 향후 생분해성 플라스틱의 분해 및 퇴비화와 일반 플라스틱의 재활용에 차질을 주지 않기 위해 세척 공정이 필요할 것으로 고려된다.

(2) 근적외선 선별

근적외선 선별은 플라스틱 재질 별 고유한 근적외선 흡수 스펙트럼을 이용하여 혼합 플라스틱을 분류하는 기술이다. 이미 기술이 상용화되어 다양한 선별기가 시중에 존재한다. 다음은 근적외선 자동 선별기(NIR Plastic Separator)의 작동 원리이다.

① 이송 콘베이어에 의해 재활용품 이송 ② NIR LAMP에서 NIR 투시 ③ 플라스틱에서 반사된 파형을 디텍터(Detector)에서 수신 ④ 수신된 파형을 광케이블을 통해 광다중채널로 송신 ⑤ 광다중채널에서 파형을 종합하여 근적외선 분광 판별기로 송신 ⑥ 근적외선 분광 판별기에서 플라스틱 성분을 분석 후 전자동식통합제어시스템으로 분석된 정보를 전송 ⑦ 전자동식통합제어시스템에서 정보를 수신한 후 입력된 플라스틱 성분만 압축 Air로 토출

근적외선 자동 선별―비중차 선별 공정으로 설계할 경우 근적외선 선별로 PS, PP, PE를 토출하여 분리할 수 있다. 토출되지 않은 플라스틱은 파쇄 및 혼합세척을 거치고, 물을 이용한 비중차 선별로 생분해성 플라스틱을 완전히 선별할 수 있다. 초기 설치 비용이 높을 수 있으나 유지보수가 용이하고 안정된 선별 순도를 가진다는 장점이 있다.

3) 분해조건 유지기술

생분해성 플라스틱은 60도의 온도와 70% 습도를 만족시키는 환경의 토양에서 6개월간 90% 이상 생분해된다. 그렇기 때문에 분해 시설에서는 24시간 동안 위의 조건을 유지할 수 있어야 한다. 온도 및 습도 유지를 위해 태양열 집열기술을 적용하고, 비중 선별에 이용한 공업 용수를 재이용하는 방법을 고안했다.

태양열 집열기는 크게 평판형과 진공관형이 있는데, 진공관형이 더 높은 집열 온도를 달성할 수 있어 이를 채택하였다. 비중 선별에 이용된 용수가 태양열 집열 보일러를 거쳐 데워지면 온수난방 원리에 따라 분해 시설의 바닥면을 흐르며 설비 온도를 상승 및 유지시키며, 습도 유지에 필요한 일정량의 물을 천장에서 분사시킨 뒤 다시 보일러 탱크로 들어간다.

습도 유지는 산업용 가습기에 비중 선별 시 이용한 공업용수를 재이용 하는 방법으로 유지한다. 사용할 가습방식은 일류체식으로, 물을 70-80bar로 압축하여 전자변과 미세한 노즐을 통해서 분무하는 방식이다. 이는 전열식 가습기의 1% 정도로 소비전력이 낮으며, 물입자가 작고 대용량 가습이 가능하여 분해 설비의 습도를 유지하는데 적합하다.

사. 이론적 계산 및 시뮬레이션

이론적 계산

정부에서는 2030년까지 플라스틱 제품 생산 시 30% 내로 재생원료 사용을 의무화하는 것을 추진하고 있다. 2050년까지는 생활 플라스틱의 바이오 플라스틱으로의 100% 전환을 발표하였다. 또한 ‘ASTI market insight’에 따르면, 2025년에 바이오 플라스틱 중 생분해성 플라스틱은 40%를 차지할 것으로 예측하였다. 따라서 본 설계에서는 2030년 기준, 바이오 플라스틱은 플라스틱 제품의 30%, 생분해성 플라스틱은 40%를 차지할 것을 가정하였다. 과거 추세연장법으로 플라스틱 소비량을 추정하면, 2030년 국내 1인당 플라스틱 소비량은 154.2kg/yr로 증가한다.

1) 플라스틱 소비량 산정 – 남양주 왕숙 신도시 자료 참조

따라서 2030년 기준 남양주 왕숙 신도시를 대상으로 했을 때, 계획인구 125,000명 기준 1인당 바이오 및 생분해 플라스틱 소비량은 다음과 같이 산정할 수 있다.

2) 플라스틱 배출량 산정

세종시의 2030년 계획인구는 500,000명이고 계획 크린넷 집하장은 12개소이다. 투입구 설치기준은 공동주택 기준으로 120세대 당 1개소로 설정하였고, 이송관로의 길이는 일반적인 집하장을 기준으로 반경 2.35km로 설계하였다. 이를 바탕으로, 남양주 왕숙 신도시의 계획인구는 125,000명이므로 집하장 1개소 당 41,667명으로 설계할 수 있다. 따라서 본 설계에서 남양주 왕숙의 집하장은 3개소로 계획하였다.

집하장 1개소 당 총 플라스틱 19,275t/yr ÷ 3 = 6,425t/yr = 17.6t/day 을 감당

집하장 1개소 당 일반 플라스틱 13,492.5t/yr ÷ 3 = 4,497.5t/yr = 12.32t/day 을 감당

집하장 1개소 당 생분해 플라스틱 2,313t/yr ÷ 3 = 771t/yr = 2.11t/day 을 감당

집하장 1개소 당 바이오기반 플라스틱 3,469.5t/yr ÷ 3 = 1,156.5t/yr = 3.17t/day 을 감당

3) 선별 및 분해과정에 필요한 계산

(1) 관로 → 근적외선 선별기

투입구에 투입된 플라스틱이 관로를 통해 선별시설에 도착한다. 선별시설에 있는 플라스틱이 5ton이 될 때까지 용적 후, 5ton에 도달 시 컨테이너에서 근적외선 선별기를 통해 처리한다. 근적외선 선별기를 사용하는 ‘㈜이오니아이엔티’에 따르면 시간당 5ton의 플라스틱을 선별할 수 있다. 본 설계에서 계산한 플라스틱의 배출량은 17.4ton/day이므로 하루에 3.48hr운전시간을 가진다. 근적외선 선별기의 선별율은 최대 95%로 설계 시에는 90%로 한다.

플라스틱의 비중을 고려한 2,300톤의 플라스틱 부피는 5톤 트럭 742대의 부피와 같다. 그렇다면 5톤의 플라스틱 부피는 5톤 트럭 1.6대와 같다. 일반적으로 5톤 트럭의 크기는 (220*220*620)〖cm〗^3이다. 따라서 우리의 설계에 필요한 컨테이너의 크기는(220*220*620)〖cm〗^3*1.6=48m^3이다.

(2) 근적외선 선별기 → 파쇄기

평균적으로 근적외선 선별기를 통해 90%가 선별된다. 따라서 선별된 생분해 플라스틱과 선별되지 않은 플라스틱의 양은 다음과 같다. 생분해 플라스틱 + (일반플라스틱의 10% + 바이오 기반 플라스틱의 10%) = 2.11ton/day + (1.232ton/day + 0.317ton/day) = 3.659ton/day 근적외선 선별기와 파쇄기를 사용하는 ‘㈜이오니아이엔티’에 따르면 파쇄기의 처리량은 2.0ton/hr이다. 따라서 설계에 필요한 파쇄시간은 하루에 약 1.8시간이다.

(3) 파쇄기 → 습식비중선별기

습식비중장치의 처리량은 0.53ton/hr로 설계에 필요한 습식비중시간은 6.9시간이다. 근적외선선별 및 파쇄 후에 얻은 2.11ton/day의 생분해플라스틱이 효율 97.94%인 습식비중장치를 거치면 2.067ton/day가 된다. 여기서 근적외선선별에서 선별되지 않은 10%의 플라스틱이 습식비중선별에서도 선별되지 않은 경우를 더해주면 2.099(2.067 + 1.549*(1-0.9794))ton/day이다. 생분해 플라스틱의 평균 비중은 약 1250kg/m^3로 하루에 선별된 생분해 플라스틱의 부피는 1.679m^3이다.

(4) 집하장 부지면적

이렇게 선별과정을 거쳐 1.679m^3/day의 생분해성 플라스틱을 얻었다. 하루에 1.679m^3의 플라스틱을 30일간 저장하여 분해하면 약 50.37m^3의 크기를 가진 부지가 필요하다. 습도조건을 맞추기 위한 물과 흙의 부피까지 고려하면 약 70m^3부피를 가진 설비가 필요하다. 하지만 생분해 플라스틱은 분해조건을 6개월 유지해야하므로 70m^3부피를 가진 분해설비가 총 6개 필요하다.

(5) 분해조건(습도 70%, 온도60℃)

60℃, 1 기압 에서 포화수증기량은 129.8g/m^3 이다.

60℃에서 습도 70%일 때 절대습도는 (70*129.8g/m^3 )/100=90.86g/m^3 이다.

따라서, 약 70m^3의 분해설비에서 60℃, 습도 70%를 유지하려면 수증기가 약 6.36kg이 필요하다.

공기가열에 필요한 열량은 상온이 20℃라고 가정하면 다음과 같다.

Q: 필요한 열량(kcal), M: 물체의 질량 , C : 비열 (kcal/m3℃,) dT : 온도차이(℃)

∴Q = 70m^3 * 0.31kcal/m3℃ * 40℃ = 868kcal

(6) 근적외선 선별기 → 파쇄기 근적외선 선별기의 선별율이 최대 95% 이므로 평균적으로 90%의 선별율을 가진다고 가정하였다. 선별기를 통해 일반 플라스틱 및 바이오 기반 플라스틱의 90%가 토출되고 나머지가 파쇄기로 투입된다. 계산은 다음과 같다. 생분해성 플라스틱+(일반플라스틱의 10%+바이오 기반 플라스틱의 10%) = 2.11ton/day + (1.232ton/day + 0.317ton/day) = 3.659ton/day

(7) 습식비중선별기 → 분해시설

근적외선선별 및 파쇄 후에 얻은 2.11ton/day의 생분해플라스틱이 효율 97.94%인 습식비중장치를 거치면 2.067ton/day가 된다. 여기서 근적외선선별에서 선별되지 않은 10%의 플라스틱이 습식비중선별에서도 선별되지 않은 경우를 더해주면 2.067 + 1.549*(1-0.9794) = 2.099ton/day이다. 생분해성 플라스틱의 평균 비중은 약 1250kg/m^3로 하루에 선별된 생분해성 플라스틱의 부피는 (2.099ton/d)/(1250kg/m3)= 1.679m^3이다. 공극과 수분 등을 고려하여 하루에 약 2m3의 플라스틱이 분해시설로 투입된다고 가정한다.

(8) 생분해성 플라스틱 분해

선별과정을 거쳐 2m^3/day의 생분해성 플라스틱을 얻었다. 하루에 2m^3의 플라스틱을 30일간 저장하여 분해하면 약 60m^3의 크기를 가진 시설이 필요하다. 습도조건을 맞추기 위한 물과 흙의 부피, 여유 공간까지 고려하면 약 100m^3(세로 8.3m*가로 4m*높이 3m)부피를 가진 시설이 필요하다고 계산하였다. 생분해성 플라스틱은 분해조건을 6개월 간 유지해야 하므로 100m^3 부피를 가진 분해설비가 총 6개 필요하다.

4) 물 수지

(1) 혼합 및 세척

혼합 및 세척 공정에서는 부유물(SS) 제거가 자체적으로 이루어져 세척수를 재이용하는 무방류 시스템을 채택한다. 부유물 제거는 여과 필터를 이용하는 방법으로 한다. 본 공정으로 투입되는 플라스틱의 양은 위에서 계산한 바와 같이 3.659ton/day이다. 하루 8시간 가동을 가정하면 분당 7.62kg의 플라스틱이 투입된다. 혼합 및 세척에 소요되는 시간은 1분 미만으로, 3분 마다 22.87kg의 플라스틱이 처리된다고 계산하였다. 액비를 1.5로 하여 필요한 용수를 약 35L로 산정하였다. 여유율을 300%로 하면 혼합 및 세척 공정에서 필요한 용수는 약 105L 이다.

(2) 비중차 선별

‘이상훈 외, <풍력/비중선별에 의한 혼합폐플라스틱 재질별 분리기술 개발>, 수원대학교, 2006’을 참고하여 비중차 선별기의 하루 최대 용수사용량을 880L/d로 결정하였다.

(3) 분해 습도 조건 유지(온도 60℃, 습도 70%)

60℃, 1 기압에서 포화수증기량은 129.8m^3 이다. 따라서 60℃에서 습도 70%을 맞추기 위해서는 (70 * 129.8m^3) / 100 = 90.86m^3 의 수분이 필요하다. 6개의 분해시설에서 필요한 총 수분량은 90.86g/m3 * 100m3 * 6 = 54.52kg = 54.52L 이다. 환기로 인해 시간당 2L*6의 수분을 보충해주어야 한다고 가정하면 하루에 약 12L/h*24h=288L의 용수가 필요하다.

(4) 태양열 집열 온수기

S사(새한전기)에서 제공하는 특수진공관일체형온수기의 사양은 아래 그림에 나타나 있다.

비중차 선별에서 사용된 물은 태양열 집열기로 투입되어 데워진다. 데워진 온수는 온수난방의 원리와 같이 분해시설의 바닥면을 흐르면서 분해 온도를 유지하도록 한다. 바닥면에 설치되는 관 내경이 50mm라고 가정하고, 분해시설의 세로길이 1m 당 관이 두 번 지나가도록 하면 4m*16*1.1(여유율)=70.4m, 분해시설 하나 당 관길이는 70.4m 이므로 총 422.4m 길이를 가진다. 바닥면을 흐르고 있는 온수의 양을 계산하면 π/4 〖0.05m〗^2×422.4m=0.829m^3, 즉 829L이다. 데워진 온수 중 288L/d는 분해시설의 수분 유지를 위해 천장에서 분사되고, 나머지는 다시 축열조로 들어가거나 방류된다. 축열조는 829L+288L=1117L, 여유율을 1.2로 설정하면 약 1340L 의 용량을 수용할 수 있어야 한다.

시뮬레이션

1) 방법

본 설계의 주요한 부분인 비중차 선별과 분해시설 운전을 모형화하여 simulation 한다.

(1) 비중차 선별

① 생분해성 플라스틱과 일반 플라스틱이 비중 차이로 인해 물에서 분리되는 모습을 시현하기 위해 재료를 준비한다.

② 시현에 사용될 플라스틱을 적당한 크기(2~3cm)로 자른다.

③ 플라스틱과 물을 미리 혼합한다.

④ 충분한 크기의 수조(A)에 혼합되어 있는 플라스틱과 물을 붓는다.

⑤ 비중 차이로 가라앉은 생분해성 플라스틱과 부유한 일반 플라스틱을 확인한다.

(2) 분해시설 온습도 유지

① 충분한 크기의 수조(B)에 적당한 흙을 담는다.

② 비중차 선별 시현에서 사용한 수조(A)에 호스를 연결한 수중모터를 설치한다.

③ 수중모터와 연결된 호스에 구멍을 뚫어 물이 빠져나갈 수 있도록 한다.

④ 호스에 구멍이 있는 부분이 수조(B)의 윗부분을 지나도록 설치한다.

⑤ 태양열 집열기 대신 돼지꼬리 히터를 이용하여 수조(A)의 물을 가열한 뒤 수중모터를 작동시켜 데워진 물이 분해시설 모형에 분사될 수 있도록 한다.

⑥ 아두이노 온∙습도 센서를 이용하여 적정한 온도 및 수분에 도달하는지 확인한다.

2) 결과

생분해성 플라스틱(PLA, PCL)과 일반 플라스틱(PE, PS)를 작은 크기로 잘라 비중차 선별 시설 모형에서 선별을 시험해 본 결과, 생분해성 플라스틱은 바닥으로 가라앉고 일반 플라스틱은 부유하는 모습을 관찰할 수 있었다. 이후 비중차 선별 시설에 수중 모터를 설치한 후 호스를 연결하였다. 연결한 호스 중간에 물이 분사될 수 있도록 구멍을 뚫고, 구멍이 뚫린 부분이 분해 설비를 지나도록 한 후 비중차 선별 시설로 다시 물이 회수될 수 있도록 호스를 설치하였다.

수중모터를 가동한 결과, 비중차 선별 시설 모형의 물이 분해시설 모형으로 이동하여 분사된 후 다시 비중차 선별 시설로 돌아오는 작동 과정을 확인할 수 있었다. 또한 분해 시설의 흙에 일정량 이상의 물이 공급되자, 설치한 아두이노 습도 감지 센서에서 충분한 습도가 공급되었다는 신호를 확인할 수 있었다.

이 시뮬레이션을 통해 비중차 선별 시설의 공업 용수를 분해 시설의 습도 유지에 재이용하는 과정과, 충분한 습도가 유지되었음을 감지할 수 있는 설계 과정을 시연할 수 있었다.

아. 상세설계 내용

조립도

1) 플라스틱 투입구

2) 근적외선 선별기

3) 비중 선별기

4) 분해시설

조립 모식도

제어부 및 회로설계

소프트웨어 설계

결과 및 평가

자. 완료 작품의 소개

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

시연물

3D 프린트 결과물

포스터

관련사업비 내역서

카. 완료작품의 평가

경제성 분석

1) 초기비용

(1) 투입구 및 관로

관련 업체에서는 폐기물 투입구 및 관로 설치비용에 대한 자료를 제공하지 않고 있다. 다만 폐기물 자동집하 시설이 도입되는 대상지에 우리 시설도 설치되므로, 투입구 및 관로를 추가 설치하는데 드는 비용은 적을 것으로 예상된다. 또는 가능할 경우 플라스틱 이송 관로를 일반쓰레기 이송 관로와 함께 이용할 수 있을 것이라 생각된다. 따라서 본 요소는 비용 산정에서 제외하였다.

(2) 근적외선 선별기

근적외선 선별기의 가격은 4~5억으로 추정된다.

(3) 파쇄기

시간 당 약 150kg의 플라스틱이 파쇄기로 투입된다. 하루 가동 시간을 6시간이라고 하면 시간 당 약 600kg이 투입된다. 400용량 파쇄기와 300용량 파쇄기를 설치한다고 가정하면, 270만+230만=약 500만원이 소요된다.

(4) 태양열 집열기

350만/개*3개 + 설치비 200만/개*3개 = 1,650만

(5) 분해시설

분해시설 부지 면적 = 세로8.3m*가로4m*6개*여유율1.5=298.8m2

토지비용 = 공시지가(2022/01) 509,500원/m2 *298.8m2 = 152,238,600원 (약 15,000만)

공사비용 = 250만/평*90.5평 = 22,625만

총 84,800만 (약 8억 5천만)

2) 유지비용(동력비용)

근적외선 선별기 AC 220V 단상(5Kw) 하루 4시간 가동 = 5kw*4h*30d = 600kwh

파쇄기 380V, 5.5kw+7.5kw=13kw 하루 6시간 가동 = 13kw*6h*30d = 2,340kwh

분해시설(펌프 동력) 하루 24시간 가동 = 2.61kw/대*6대*24h*30d = 11,275kwh

전양정 = 실양정 + 배관마찰손실수두 + 토출속도수두 = 3m + (10m+422.4m+3m)*0.98kPa/m*0.102mH2O/kPa + (2m)2/2*9.8 = 46.73m 마찰저항 0.98kPa/m (가정) 토출속도 2m/s (가정) 동력 = 0.163*46.73m*0.24m3/min/0.7 = 2.61kw

한 달간 총 14,215kwh의 전력을 사용할 것으로 예상된다. 이를 토대로 계약전력을 계산하면 31.59kw이므로 32kw로 가정한다.

한국전력공사에서 제공하는 전기요금계산기를 통해 산업용(갑)Ⅰ, 고압A:선택Ⅰ을 설정 후 11월 한 달의 전기요금을 계산한 결과 금액은 1,999,450원로 나타났다.

따라서 일 년간 총 23,993,400원, 약 2,400만 원의 유지비용이 발생할 것으로 예상된다.

3) 편익

본 설계안을 적용할 시 발생하는 이익을 다음과 같이 계산하였다. 생분해성 플라스틱을 수거하여 분해하는 양을 그에 상응하는 플라스틱 사용량 감소로 산정하여, 이에 따른 CO₂ 발생이 감소한 양만큼 탄소배출권 가격에 대입했다. 또한, 기존의 플라스틱 처리과정에서 문전수거 방식을 생략함으로써 이 과정에서의 CO₂의 배출량 역시 감소시킬 수 있다.

기존의 문전수거 방식으로 폐기물을 수거하는 과정은 자동집하 시설, 차량운반 과정, 그리고 소각하는과정에서 CO₂가 발생한다. 우선 자동집하 시설에서 발생하는 CO₂이다. 대상지구에서 55ton/d의 생활폐기물을 집하한다고 가정한다. 이때 송풍기의 가동 전력은 폐기물 집하량 1ton당 150kwh이므로, 1년간 300일을 가동한다고 계획하여 소비하는 전력량을 계산해 CO₂ 발생량을 예측한다. 다음은 차량운반 과정에서 발생하는 CO₂이다. 1ton의 수거트럭 55대가 1일 1회 생활폐기물을 운반하고, 1대당 운행거리를 10km, 연비를 15km/L로 예상한다. 1년간 300일을 운전한다 계획하여 소비되는 연료(경유)량을 계산해 CO₂ 발생량을 예측한다. 마지막으로 소각 과정에서 발생하는 CO₂이다. 생활폐기물 1ton 소각 시 0.9ton의 LNG가 소모된다고 가정하고, 1년간 300일 운영을 계획하여 소비되는 연료(LNG)량을 계산해 CO₂ 발생량을 예측한다. 위와 같은 조건에서 CO₂ 배출량은 자동집하시설에서 1,074ton, 차량운반 과정에서 20ton, 소각 과정에서 31ton이므로, 기존의 문전수거 방식의 CO₂ 발생량은 1,125ton/y이다.

본 설계의 생분해성 플라스틱 처리 방식을 통한 일반 플라스틱 사용량 감소를 통해 저감된 CO₂의 배출량은 약 1,937ton/y이므로, 기존 방식과 비교한 본 설계 방식의 CO₂ 저감량은 다음과 같다.

문전 수거 방식에서 발생하는 CO₂ 배출량+일반 플라스틱 사용 감소로 인한 CO₂ 저감량=1,125ton/y+1,937ton/y=3,062ton/y

장래 탄소배출권의 가격은 70$/ton으로 예상되므로, 본 설계의 생분해성 플라스틱 처리 방식을 적용할 경우 예상되는 편익은 다음과 같다. 70$/ton*3,062ton/y=214,000$/y=280,000,000원/y

이 외에도 퇴비 생산 및 판매에 따른 이익과, 플라스틱 재활용 업체 또는 자원순환 플랫폼 업체와의 제휴 및 협력을 통한 편익 발생이 기대된다.

4) 결론

생분해성 플라스틱 선별 및 분해시설 완공 후 약 3.9년 이후부터 초기비용을 회수할 수 있을 것으로 기대된다. 설비 기대수명은 10년으로 B/C분석 결과는 다음과 같다.

B/C = (28,000×10y)/(84,800+(2,400×10y))=2.57

평가 및 기대효과

• 평가

• 기대효과

1) 기존 방식을 탈피하여 자원순환성 및 퇴비화율 증가

2) 생분해 플라스틱 처리공정 구축을 통한 관련 산업 성장

3) 미래지향적인 설계로 2050 탄소중립 달성에 기여