01분반 1조 미세플라스틱걸러조

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 세탁수 미세플라스틱 제거 필터 개발

영문 : Development of Microplastics Removal Filter for Washing Machine

과제 팀명

미세플라스틱 걸러조

지도교수

오희경 교수님

개발기간

2023년 9월 ~ 2023년 12월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 환경공학부 20188900** 김*식(팀장)

서울시립대학교 환경공학부 201889000** 정*호

서울시립대학교 환경공학부 20208900** 강*경

서울시립대학교 환경공학부 20208900** 강*은

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

- Polyester, Nylon, Acryl 등의 합성 섬유의 세탁에 의한 미세플라스틱 발생.

- 세탁기 배수관에 필터를 부착하여 세탁 후 미세플라스틱을 제거.

- 필터의 기능적, 경제적 측면을 고려하여 Bio-char와 결합한 필터 Complex 개발.

- 시중 세탁기와의 결합성을 고려하여 호환 가능한 제품 개발

개발 과제의 배경

- 시중의 의류 소재 중 약 60%는 플라스틱 소재의 합성 섬유로 만들어짐

- 유럽화학물질청(ECHA) 중심의 미세플라스틱 배출을 막기 위한 표준, 규제 논의 등의 구체적인 수준의 논의 진행

- 프랑스의 2025년 1월부터 세탁기 미세플라스틱 필터 장착 의무화를 시작으로 세탁 시 발생하는 미세플라스틱 문제에 집중

- 대한민국의 경우 2017년 화장품 미세플라스틱 사용 금지 규제 이후 변화가 없지만 추후 세계적인 흐름에 따라 필터 부착의 필요성은 강화될 것으로 예측함.

개발 과제의 목표 및 내용

- 본 과제는 추후 개정될 미세플라스틱에 대한 규제를 대비하여 국내 세탁과정에서 배출되는 미세플라스틱의 제거를 위한 필터 복합체를 개발함을 목표로 함.

- 배수관에 결합할 수 있으며 교체 가능한 여과 필터부를 제작하여 Fiber형의 MPs 완전 제거 목표

- 필터 복합체의 친환경적 제작을 위해 폐자원인 biochar를 사용하여 bead형의 MPs 완전 제거 목표

- 여과 필터를 통해 입자크기가 큰 미세플라스틱을 사전에 제거하여 biochar 필터의 수명을 늘려 기존의 교체하지 않는 필터들과 비교하여 미세플라스틱 제거 적합성을 판단함.

관련 기술의 현황

관련 기술의 현황 및 분석(State of art)

• 전 세계적인 기술현황

(1) 세탁기 용 미세플라스틱 저감 비전 – 세탁기 섬유 미세플라스틱 제거를 통한 저감

(2) 최종목표 – 친환경적인 물 순환 체계 구축 및 하수처리 부하 저감

(3) 전략목표 – 미세플라스틱의 수계 유입 방지 및 수자원 보존

(4) 세부목표 – 미세플라스틱 필터의 성능 고도화 및 국내 사례 적용

• 특허조사 및 특허 전략 분석

[특허조사]

(1) 미세플라스틱 필터링 장치(공개특허 10-2021-0125178)

(2) 배수관 장착구조를 포함하는 미세플라스틱 필터(공개특허 10-2023-0044851)

(3) 미세플라스틱 포집 볼(공개특허 10-2172113)

(4) 세탁조용 미세플라스틱 저감장치(공개특허 10-2022-0043935)

[특허전략]

(1) 세탁기 미세플라스틱 저감 성능 평가 체계화

(2) 저감 필터의 배수관 장착구조 제공

(3) 저감 필터 교체 주기 명시

(4) 일반적인 조대입자가 아닌 제거가 어려운 미세입자에 초점을 맞춰 제거 효율 산정

(5) 저감 필터 사용 후 처리방법의 효율화

• 기술 로드맵

(1) 유엔환경계획(UNEP) 전 세계 10대 환경문제 중 하나, 미세플라스틱 지목(2014)

(2) 1차 미세플라스틱 포함 화장품, 의약외품에 대한 판매 및 제조수입 금지(2017)

(3) 세정, 세탁제품에 대한 마이크로비즈 사용 금지(2021)

(4) 미세플라스틱 저감 및 관리에 대한 특별법 발의(2023)

(5) 프랑스, 2025년 1월 1일부터 판매되는 모든 세탁기(신제품)에는 미세플라스틱 필터 탑재 의무화

시장상황에 대한 분석

• 경쟁제품 조사 비교

(1) 삼성전자-미세플라스틱 저감필터

[1]

(2) 삼성전자-2023년형 비스포크 그랑데 세탁기 AI

[2]

(3) LG전자-업(UP)가전을 통한 미세플라스틱 저감모드

[3]

(4) Planet Care - Planetcare’s Microfiber Filters

[4]

• 마케팅 전략 제시

(1) 비용적: 여과 필터를 재사용, 친환경 필터인 biochar 필터를 사용함에 따라 비용의 효율성, 추가 동력 없이 세탁기 내 배수펌프만을 사용하여 비용 저감

(2) 편리성: 모든 세탁기에 적용이 가능하도록 호스에 설치, 소비자가 직접 설치할 수 있는 편리성

(3) 효율성: 여과필터, biochar 필터의 복합체로 MPs 이중 제거 효과

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

(1) 미세플라스틱 저감 효과로 인해 해양 미세플라스틱 배출 사전 예방 및 저감

(2) biochar 및 필터층을 통과하도록 하여 미세플라스틱 저감

(3) biochar 사용을 통한 친환경 흡착 가능

(4) 미세플라스틱의 인체 흡수 시 발생 가능한 인체독성 발현 가능성 예방

(5) 조대입자의 제거효율이 아닌 미세물질 제거에 초점을 맞춘 제거효율 산정 가능

경제적, 사회적 기대 및 파급효과

(1) 미세플라스틱 저감 필터를 적용한 세탁기 배수 호스 개발로 타 전자제품에도 활용 가능

(2) 미세플라스틱 저감에 대한 세계적 요구에 맞추어 선제적 대응 가능

(3) 국가적 차원의 가정용 세탁기 미세플라스틱 필터 보급 및 하수처리장의 미세플라스틱 오염 부하 저감

(4) 가정용 및 공업용 미세플라스틱 방류 농도 기준 제정 시 신속한 방류기준 달성 가능

기술개발 일정 및 추진체계

개발 일정

구성원 및 추진체계

◇ 공통 분담

- 개발 과제의 개념 설계

- 관련 기술 분석 및 개발 과제의 경쟁력 분석

- 관련 기술 분석 및 차별화

- 실험 진행

- 제품 제작 및 시연

◇ 개별 분담

김완식- 경쟁력분석, 최종설계 발표, 실험 설계

정영호- 상세설계 발표, 3D 모형 설계 및 제작

강민경- 개념설계 발표, 실험 설계, 발표자료 제작

강영은- 과제제안서 발표, 발표자료 제작, 역할분담서 작성

설계

설계사양

제품의 요구사항

설계 사양

- Biochar 및 Filter의 미세플라스틱 제거율 평가

- 세탁수 시료 중 미세플라스틱의 부하량 비교

- 목표 제거율 달성에 대한 실험 및 평가

- 다른 세탁기 기종과의 적용 가능성

- 유지관리 및 교체비용의 절감으로 소비자 부담 및 경제성 평가

- 미세플라스틱 제거에 대한 세계적 요구로부터 선제대응 가능 부여

개념설계안

이론적 계산 및 시뮬레이션

1. Easy Clean Filter 적용 시 미세플라스틱 농도 측면에서의 효율성 측정

1) 실험방법

(1) MPs 50 mg/L 농도의 sample 3개 준비

(2) Easy Clean Filter 여과

(3) 3반복 실험 후 평균 질량 제거효율 계산

2) 실험결과

• 미세플라스틱 제거 효율 평균: 99.54%

2. 필터 내부 공극 막힘 우려에 따른 적절한 BIOCHAR 양 설정 실험

1) 실험방법

(1) BIOCHAR를 20g, 40g, 60g, 80g, 100g의 sample로 나눔

(2) sample 별로 두 유량 조건에서 역류 실험

2) 실험결과

- 60g, 80g, 100g sample에서 Flooding 발생

- 20g, 40g sample 중 흡착 효율 고려

• 필터 내부의 biochar의 양은 40g으로 설정

3. BIOCHAR의 미세플라스틱 제거 효율 실험

1) 실험방법

(1) Easy Clean Filter로 여과되어 1차적으로 처리된 유출수를 biochar와 혼합

(2) 혼합 후 2차적으로 처리된 유출수를 진공여과

(3) MGV 분석

2) 실험결과

- Mean Gray Value : Image J software를 이용하여 MPs 시료에 대한 형광이미지의 평균회색값(MGV) 를 구하여 형광광도를 수치화함.

- MGV로 수치화한 형광강도는 MPs 질량과 상관관계가 있음.

- 유입수가 여과, 흡착 두 과정을 통해 미세플라스틱이 걸러짐에 따라 MGV의 값이 증가한 것으로 판단할 수 있음.

→ bead형 미세플라스틱 제거효율 99%

- 시뮬레이션

미디어:개념설계 영상.mp4

상세설계 내용

◇ 케이스 – 38.4845 x 15 세제곱미터

◇ 바이오차 양옆 거름판 (유출수 방향) – 시중 세탁망 ◇ 바이오차 필터 – 잘자람 바이오차 (40g)

◇ 바이오차 양옆 거름판 (유입수 방향) – 시중 세탁망 ◇ 필터부 – 20um 이지클린 필터

결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

미디어:미세플라스틱 걸러조 작동 장면.mp4

포스터

관련사업비 내역서

완료작품의 평가

1. 사회기여: 미세플라스틱 배출규제에 대한 선제적 대응 가능

2. 경제성: S사의 미세플라스틱 제거 필터 단가에 비해 저렴한 단가로 대량 공급 가능

3. 처리 효율: Fiber형 미세플라스틱 약 99.54% 제거 및 bead형 미세플라스틱의 동시 제거 가능

4. 범용성: 일반 가정용 세탁기 배수관에 손쉽게 결합되는 구조를 통해 넓은 범용성 확보Mean Gray

향후계획

- Biochar의 성능 향상을 위한 Prussian blue 혼합으로 bead형 미세플라스틱의 응집 방안 고안

- 업체별 제거대상에 따른 biochar의 표면 개질을 통한 제거물질 다양화

특허 출원 내용