2조 꽁렉터

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 초임계 유체 추출을 이용한 담배필터 재활용 공정 설계..

영문 : Cigarette filter recycling process using supercritical fluid extraction..

과제 팀명

꽁렉터

지도교수

김주식 교수님

개발기간

2019년 3월 ~ 2019년 6월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 환경공학부 20138900** 문**

서울시립대학교 환경공학부 20138900** 최**

서울시립대학교 환경공학부 20158900** 권**

서울시립대학교 환경공학부 20158900** 장**

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

현재 플라스틱으로 인한 환경문제가 대두되면서, 그에 대한 재활용 사업이 계속해서 추진되고 있다. 그 플라스틱 문제 중 하나가 바로 담배 내 들어있는 ‘담배필터’다. 시중에 판매되고 있는 담배는 90%가 셀룰로오스 아세테이트(Cellulose acetate)로 된 담배필터로 구성되어 있다. 이 때, 셀룰로오스 아세테이트는 플라스틱 중 하나로 다른 플라스틱에 비해서는 분해속도가 빠르다는 장점이 있지만 미세플라스틱이 되는 시점부터는 그 속도가 매우 느려 또 다른 플라스틱 환경문제를 야기 시키고 있다. 일부 선진국에서는 CA(Cellulose Acetate)담배필터가 100% 재활용 가능한 자원이라는 것을 밝혀내면서 이에 대한 사업이 활발하게 연구 및 진행되고 있다. 따라서 우리는 초임계유체 추출을 이용한 세정단계를 포함하여 국내(서울시 기준) 담배필터 재활용 사업에 대한 공정을 설계함으로써 이에 대한 환경문제를 해결함과 동시에 이익을 창출해보고자 한다. 즉, 수거된 담배꽁초에 대한 recycling 및 upcycling 공정의 제안 및 설계를 통해 새로운 자원으로서 담배꽁초의 활용가능성을 제시하는 것을 과제 목표로 삼고자 한다.

개발 과제의 배경 및 효과

◇ 최근 미세먼지와 함께 범지구적 환경이슈로 부상한 해양미세플라스틱의 주발생원으로 담배꽁초가 지목되면서 담배꽁초에 대한 수거 및 재활용의 필요성은 나날이 증가하고 있다.(현재 담배꽁초 내 필터의 90%가 셀룰로오스 아세테이트를 주원료로 하여 제작된 플라스틱필터이고, 해양으로 유입된 담배꽁초가 분해되면서 필터 내의 셀룰로오스 아세테이트가 유출되어 심각한 해양 미세플라스틱 문제를 유발하고 있다.)

◇ 전 세계적으로 버려지는 담배꽁초 중 75%가량이 길거리에 버려지는 담배꽁초이고 그 양이 2025년까 지 50%이상 늘어날 것으로 환경전문가들이 전망하면서 담배꽁초의 처리문제가 중요한 국제적 관심 사가 되고 있다.

◇ 서울시에서는 2018년 기준 연간 87억 개 담배꽁초가 무단 투기되는 것으로 추정된다. 동년기준 서울 시 담배꽁초 무단 투기 단속건수가 7만 2천 건에 불과하다는 점에서 길거리 등에 무단 투기되는 담 배꽁초의 처리문제는 국내에서도 중요한 사회적·환경적 문제로 대두되고 있는 상황이다.

◇ 국내의 경우 버려지는 담배꽁초에 대한 별도의 수거, 처리체계가 없는 실정이다. 현재 국내에서 담배꽁초는 폐기물로 분류되어 수거 후 별도의 처리과정을 거치지 않고 소각 및 매립되는데, 이 과 정에서 담배꽁초 내의 유해 화학물질이 토양 및 대기로 유출되어 2차 환경오염을 유발하고 있다. ‘담배꽁초 재활용사업’을 통한 해양미세플라스틱 오염량 감축 및 국가순환경제 달성이 선진국을 중심 으로 국제적 추세가 되어가고 있다는 점을 고려할 때, 국내 담배꽁초의 수거 및 재활용 방안에 대한 필요성은 점차 증대될 것으로 판단된다.

◇ 해외사례를 살펴보면 자원재생측면에서 담배꽁초가 ‘100%재활용’이 가능한 자원이라는 사실이 알려 지면서 미국, 캐나다, 프랑스, 호주 등 선진각국을 중심으로 담배꽁초의 수거 및 재활용 사업이 현재 활발하게 연구·진행되고 있다.

◇ 담배꽁초를 분리수거하지 않고 일반폐기물과 함께 소각ㆍ매립하고 있는 현행에서, 본 개발과제의 수 행으로 꽁초의 약 60wt%를 차지하는 필터를 자원으로 전환한다. 소각ㆍ매립되는 양이 줄어들어 처리비용과 환경부하가 줄어들 것으로 기대하며, 자원화한 담배필터를 CA Sheets로 제작함으로써 경 제적인 가치를 창출한다.

개발 과제의 목표와 내용

◇ 본 과제는 국내 담배꽁초의 수거 및 재활용 사업에 대한 필요성을 인식하고, 수거된 폐 담배꽁초를 새로운 ‘자원(資源)’으로서 활용하기 위해 관련 시설물을 공학적으로 설계하려는 데 중심목표가 있다.

◇ 본 과제에서는 폐 담배꽁초의 구성성분 중 최근 해양미세플라스틱 문제의 주원인으로 지목되고 있는 담배필터에 focusing하여 담배필터 내 (반)플라스틱 물질인 셀룰로오스 아세테이트(CA)에 대한 recycling 및 upcycling 공정을 설계하고자 한다.

◇ 개략적인 공학적 설계 항목은 분리, 정화(세척), 압출ㆍ성형(시트화)의 3단계 공정으로 구분된다.

◇ 개략적인 공학적 설계 항목들을 나열하면 아래와 같다.

 1) 분리공정 :  폐 담배꽁초를 담배필터와 나머지부분(담뱃잎, 종이 등)으로 분리. 분리공정을 통하여 분리된 필터를 제외한 나머지부분(담뱃잎, 종이 등)은 경제성을 고려하여 적절한 처리공정 제안.
 2) 정화공정 : 담배필터의 오염물질들을 제거하기 위한 전처리과정으로서, 선정한 담배필터 내 처리대상 유해화학물질을 초임계 유체 세정을 통해 목표 정화 율을 달성.
 3) 압출ㆍ성형(시트화) : 분리와 정화를 거친 CA tow상태인 담배필터에 친환경 가소제를 첨가, 용융 및 압출과정을 거쳐 CA Sheets화하여 다양한 플라스틱 제품으로의 상업적인 재활용 가능성을 제시.

◇ 따라서 본 과제의 범위는 수거된 폐 담배꽁초를 대상으로 ‘상업적으로 이용 가능한 Sheets 제조’까지를 포함한다.

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

◇ 초임계 유체를 활용해 담배필터 내 잔류 유해화학물질 약 99% 제거

◇ 재활용 자원으로서의 품질을 최대화한 셀룰로오스 아세테이트 Sheets 제조

◇ 건식 분리공정으로 폐수 발생량 및 에너지 소모를 줄이고, 공정을 간소화하여 보다 경제적으로 분리가 가능하도록 함

◇ 환경호르몬 배출 문제로 이슈화 되고 있는 프탈레이트계 가소제 대신 친환경 가소제를 사용하여 환경호르몬 배출 문제 해결

◇ 셀룰로오스 아세테이트로 인한 미세 플라스틱 문제를 해결할 수 있다.

◇ 담배꽁초를 재활용하여 경제적 가치를 지닌 상품으로 재탄생시킴으로써 이익을 창출한다.

경제적 및 사회적 파급효과

◇ 시민들에게 담배꽁초에 대하여 재활용 가능한 폐기물이라는 인식을 심어줄 수 있다.

◇ 해양의 미세플라스틱 발생량을 줄이고 폐기물의 자원화를 통해 환경문제 해결에 기여한다.

◇ 버려지는 담배꽁초에서의 2차 환경오염을 방지한다.

◇ 셀룰로오스 아세테이트의 제조를 위한 목화재배를 줄이고 아세테이트화 공정을 위해 필요한 화학물 질의 소모를 줄여 환경 보존에 기여한다.

◇ 연간 31억갑 이상 판매되는 국내 궐련형 담배의 량을 고려 할 때, 소각/매립되는 폐기물의 양을 감 소시킬 수 있을 것으로 예상한다.

◇ 소각ㆍ매립의 처리비용을 줄이고, 자원화를 통한 높은 순도의 CA Sheet 제작으로 환경부하 저감 및 경제적 가치 창출

구성원 및 추진체계

문*빈 : 특허 조사, 기술현황 조사, 시장 분석, 보고서 작성, 총괄

최*현 : 논문자료조사, 회의록 작성, 보고서 작성, 도면 설계, 초임계 part

권*수 : 경제성평가, 포스터 편집 . 보고서 작성. 개발사업비 총무, 분리part

장*영 : 도면 설계, 보고서 작성, 포스터 편집, 압출성형part

설계

제품요구사항

1) 담배꽁초에서 필터만 잘 분리되었는가.

본 공정에서 필요로 하는 것은 담배 필터 중 셀룰로오스 아세테이트 성분이다. 그러므로 공정의 효율성을 위해 담배꽁초에 포함되어 있는 담뱃재나 종이 등은 세척 이전에 필터와 완벽하게 분리되어야 할 필요가 있다. 건식(기계)공정으로 이를 분리할 때 그 효과가 잘 나타났는지에 대한 확인이 있어야 한다. 분리되지 않을 경우, 압출 성형 공정에서 필터가 막힐 위험이 있다.

2) 필터의 오염물질을 충분히 제거 하였는가

담배꽁초에는 3000여종의 오염물질이 들어있는데 그 중에는 VOC, PAHs, 니코틴 등 인체에 유해한 물질들도 존재한다. 특히 니코틴은 담배의 악취를 유발하는 물질로써 충분히 제거하지 않으면 재활용을 하여도 상품으로서의 가치가 떨어 질 수 있다. 그러므로 이를 다시 자원화 하여 재활용 할 시 인체에 무해한 수준으로 유해물질들을 제거하는 공정이 반드시 필요하다. 이때, 본 공정에서 선택한 초임계세정법이 유해물질 제거에 효과적인지를 판단해야한다.

3) 재활용된 셀룰로오스-아세테이트가 상품성이 있는가.

재활용된 셀룰로오스-아세테이트는 일정부분 오염된 순도가 떨어지는 상태 일 수 있다. 이에 얼마 이상의 순도부터 삼품으로서의 가치가 있는지, 오염도는 어느 정도까지 허용할지 기준을 세워야 한다. 또한, 상품으로 공급되었을 때 공정에 들어가는 비용과 규모 등과 대비하여 수요가 얼마나 될지 또한 예측해야 할 필요가 있다.

4) 플랜트의 운영이 경제적인가

모든 플랜트와 제품은 기술력과 경제성이 가장 중요시되어진다. 다만 미세플라스틱 등의 환경오염문제를 해결하기 위한, 즉 공공의 이익의 목적을 나타내기에 담배회사의 꽁초 줍기 캠페인 등의 후원을 받을 수 있다고 예상한다.

기능계통도

QFD(품질기능전개)

설계사양

개념설계안

내용

최초 개념설계안

◇ 수거된 폐 담배꽁초가 건식 분리 장치로 투입되면 기계를 통한 물리적 건식 분리를 통해 담배꽁초 내의 재(ash)부분을 털어내어 종이와 필터부분만 남긴다. 재(ash)는 회수하여 이후 소각 처리한다.

◇ 건식 분리 장치를 통해 남겨진 (종이+필터)부는 습식 분리조로 이동된다. 습식 분리조 에서는 모인 (종이+필터)부를 물에 침전시킨 후, 와류를 형성하여 종이부분을 분리 및 제거한다.

◇ 종이 부를 제거하고 남은 필터를 대상으로 2차 와류를 발생시켜 1차 세척을 진행한다. 1차 세척의 주요목표는 필터 내 흡착되어있는 니코틴을 물에 용해시켜 제거하는 것이다. 이때 2차 와류 발생 시 점에 EM효소와 표백제를 순차적으로 첨가하여 세척효과를 높인다. 종이부의 분리 및 1차 세척은 습식분리조 내에서 순차적으로 진행된다.

◇ 1차 세척된 담배필터는 초임계유체 세정 장치로 보내져 필터 내 잔존 오염물질들에 대한 정화(세정) 작업을 거친다. 이를 통해 인체에 해로운 유해물질을 대부분 제거하고, 이후 추출공정에서 보다 높은 순도의 CA를 추출할 수 있도록 한다.

◇ 추출공정에서는 정화공정까지 완료된 담배필터를 아세톤 용제에 용해시켜 필터를 통해 이물질을 걸러내고 용해액은 압출 성형기에 투입하여 펠릿 화한다.

최종 개념설계안

◇ 1차 건식 분리조 : 탈진 방식을 적용하여 담배꽁초에서 재 및 부산물 제거, 필터부와 종이만 남긴다.

◇ 2차 건식 분리조 : 기계를 통한 물리적 건식 분리법으로 담배필터를 감싸고 있는 종이와 필터를 분리하는 장치이다. 담배필터를 구성하는 필터부와 종이 부는 열가소성 접착제에 의해 접착되어 있는데, 해당 접착제는 ‘핫멜트’ 접착제로서 일반적으로 약 80 ℃ 내지 200 ℃의 용융점을 갖는다. 1차 건식분리조로부터 (필터+종이)부가 유입되면 2차 건식 분리조 내 bed에서 이 용융 구간 내의 온도로 가열된다. 그 결과 필터부와 종이부를 연결하는 접착제가 용융되고, bed 하부에서 고온의 기체를 분사하여 교반시키면 유동성을 가진 (종이+필터)부가 분리되면서 밀도 차에 따라 bed 내에 다른 층으로 존재하게 된다. 이후 분리된 종이부는 bed의 위쪽에 설치된 롤링장치를 통해 최종 분리되고 남은 필터는 초임계유체 세정장치로 이동하여 이후의 정화 및 추출 공정을 거치게 된다.

◇ 초임계 유체 세정 : 조작이 간편하고 용매회수가 가능한 초임계 유체 장치를 이용하여 필터 내 잔류 유해화학물질들을 효과적으로 제거한다. 정화 대상 및 목표 정화율을 설정하여 이를 달성하고자 한다.

◇ 용융ㆍ압출공정 : 정화 공정까지 끝난 CA tow상태의 필터에, PEG600을 첨가하여 더욱 가소화한다. 이때, 기존 필터에 포함되어있는 TA를 고려하여, 최적의 양을 첨가한다. CA 압출성형기를 이용하여 용융 및 압출, 1~6mm의 판재 형태로 제작하여 판매 가능한 상태까지를 최종 목표로 한다.

이론적 계산 및 시뮬레이션

설계에 필요한 항목들에 대하여 수량 등 기본 인자들을 바탕으로 이론적 계산을 통해 설계사항을 결정하도록 한다.

처리목표량 산정

본 설계의 대상이 되는 폐 담배꽁초의 처리 목표량을 산정하기 위하여 아래와 같이 계산하였다. 담배필터의 셀룰로오스 아세테이트(CA)를 이용하여 시트화 하여 상업적으로 재이용하는 것이 이번 설계의 핵심 취지이므로 사업적 측면에서 본 설계의 경제성 판단을 위해 폐 담배꽁초의 처리목표량 산정이 필요했다. 산정된 처리목표량은 ‘추출 가능한 CA량’의 추정과정에 이용하여 본 설계 장치의 설계사항 계산, BC분석을 통한 상업화 가능성 여부 판단을 수행하였다.

폐담배꽁초의 하루 처리목표량 산정

위의 표는 호주 멜버른에서 실시 중인 담배꽁초 수거 및 재활용 사업을 기준으로 서울시에서 하루에 수거할 수 있는 담배꽁초의 양을 추정한 것이다. 이때, 지역 내 흡연자 인구밀도와 수거 가능한 담배꽁초의 양은 선형비례관계에 있다는 가정 하에 추정하였다. 멜버른의 경우, 시내 곳곳에 367개의 담배꽁초 전용 수거함을 설치하여 매주 20만 개의 폐 담배꽁초를 수거·재활용하고 있다(서울연구원). 멜버른과 서울의 흡연자 인구밀도를 통해 추정한 결과, 서울시에서 하루에 수거될 것으로 기대되는 담배꽁초의 양은 약 206만 개비이다. 2017년 기획재정부에 따르면, 국내 담배 판매량이 하루 평균 942만갑(1억 8800만 개비 추산)에 이르는 것으로 조사된다. 즉, 해당 추정값은 실현가능성이 충분한 것으로 판단되며, 담배꽁초 전용 수거함 설치 확대에 따른 본격적인 인프라 구축이 실현된다면 그 양은 급증할 것으로 예상된다.

설계사항의 계산

내용

분리공정

(1-1) 1차 건식 분리조 기계를 통한 물리적 건식 분리장치로서 폐 담배꽁초 내의 재(ash) 부분을 털어내어 종이와 필터부분만 남긴다. 1차 건식분리조로 유입된 폐 담배꽁초는 꽁초 규격에 맞는 홈이 파인 구간을 지난다. 그 후, 칼집을 내고 탈곡기와 비슷한 원리로 진동을 주어 담뱃재는 양 옆 하단으로 배출함으로써 나머지 필터부분과 분리한다. 해당 기계의 원리 및 작동여부는 확인 할 수 있었으나 자세한 기계 사양에 대해서는 알 수 없어 그와 유사한 기계 사양을 바탕으로 계산 및 설계하였다.

장치는 약 4.5 규격으로, 하루 목표처리량(206만 개의 폐담배꽁초)을 저장할 수 있는 용량 기준 약 15%의 여유용량을 갖도록 설계하였다. 구체적인 규격은 약 0.6m X 5.0m X 1.5m이다. 초당 80개가량의 담배꽁초가 벨트를 통해 장치로 유입되며, 한 세트(80개)의 담배꽁초가 재와 분리되기까지의 소요시간은 40초~60초 사이이므로 대략 1시간 당 28.6만개의 담배꽁초가 1차 건식 분리조에서 처리됨을 알 수 있다. 소요동력 및 전기요금은 현재 판매되고 있는 유사 기계(탈곡기)들의 기존 사양들을 고려하여 설계하였으며 소요 동력은 8시간 기준 3kw X 8 = 24kwh으로 계산되었다. 처리효율은 유사한 원리를 가진 기계 대부분 98% 이상의 처리효율을 보이고 있으므로 이와 동일하게 설정하였다.

(1-2) 2차 건식 분리조 앞서 2.2최종개념설계안에서 언급하였듯이 해당 공정은 기계를 통한 물리적 건식 분리법으로 담배필터를 감싸고 있는 종이부를 분리하는 구간이다. 1차 건식분리조로부터 (필터+종이)부가 유입되면 필터부와 종이부를 접착시키고 있는 접착제(약 80 ℃ 내지 200 ℃의 용융점을 가짐)를 용융시키기 위해 2차 건식 분리조 내 bed에서 이 용융 구간 내의 온도로 가열시킨다. 그 결과 필터부와 종이부를 연결하는 접착제가 용융되고, bed 하부에서 고온의 기체를 분사하여 교반시키면 유동성을 가진 (종이+필터)부가 분리된다. 그 후 한쪽방향으로 기체바람이 유입되도록 하고 그 반대방향으로 속도가 상대적으로 낮은 기체바람을 유입하면 와류가 형성되면서 밀도차에 따라 bed 내에 종이부와 필터부가 다른 층으로 존재하게 된다. 분리된 종이부는 bed의 위쪽에 설치된 롤링장치를 통해 최종 분리되고 남은 필터부는 장치 아래층에 서 수거되어 다음 공정순서인 초임계유체 세정장치로 이동하게 된다. 이 때, 기존 상용화된 풍력선별기(공기의 방향을 이용하여 공기 중에서 비중분리를 수행하는 방법)에 대하여 선별 대상 물질에 따른 분리효율을 고찰한 논문에 따르면 평균적으로 입구풍속이 1.6 m/sec 이상에서는 100%이며, 2.4m/s 이상에서는 90%이다. 따라서 본 공정에 대한 처리효율을 95%로 설정하였다. 본 공정은 상용화되기 전 특허단계에 놓여있는 것을 사용한 것이므로 비슷한 원리의 공정(풍력선별, 곡식껍질 분리 등) 여러 장치의 사양을 참고하여 설계하였다. 이 때, 유사 기계 모두 생산능력(kg)이 높다는 것을 참고했을 때 본 공정에서는 1일 당 2시간을 운영하여도 하루 동안 처리해야 할 담배필터를 모두 수용할 수 있을 것으로 판단되었다. 그래서 1일 가동 시간은 2시간으로 설정하였다.

(1-3) 소각처리시설(위탁) 1차 및 2차 건식 분리공정에서 발생하는 담뱃재와 종이필터 등의 물질들은 모두 위탁업체에 맡겨 소각처리를 함으로써 경제성을 최대한 높이려 한다. 이 때, 최근 기사에 따르면 소각위탁업체의 ton 당 위탁처리 가격은 약 195,556원/톤임을 알았다. 사용하고 남은 담뱃재의 양은 평균적으로 담뱃재의 약 2/3이라 가정하면 총 담뱃재의 무게인 0.8g 중 대략 0.3g으로 계산될 수 있다. 종이필터 무게는 약 0.03g이므로 이 때, 본 공정에서 소각처리를 해야할 대상의 무게(담뱃재, 종이필터 등)은 0.33g/개이다. 즉, 1일 기준 소각처리해야 할 양은 0.33g/개 x 206만개(1일 목표 처리 개수) = 680kg/d 이다. 따라서 한 달에 20일 가동한다는 설정 조건 하에 20일 기준 약 13.6ton이며 이에 대한 총 소각 위탁 처리 가격은 약 266만원이다.

정화공정

(2-1) 장치 선정 - 초임계유체() 세정 장치 1,2차 건식 분리조에 의해 최종 분리된 필터를 대상으로 정화작업을 실시한다. 본 설계에서는 필터 내 화학물질(오염물질)에 대한 정화(세정)방법으로 초임계유체()를 통한 세정법을 채택하였다. 초임계유체 추출공정은 기존의 복잡한 유기용매 추출법에 비하여 조작이 비교적 단순하고 용매의 재사용이 가능해 장기적 측면에서 경제성이 우수하다. 또한, 필터의 주성분인 셀룰로오스 아세테이트-토우는 플라스틱 섬유 형태로써 다공성 물질이다. 따라서 표면장력이 거의 없어 세공구조에 쉽게 침투하고, 확산력이 좋은 초임계 유체는 세척공정으로 매우 유리하다. 추출용매로는 초임계 유체 추출공정에서 널리 사용되며 가격이 저렴한 이산화탄소()를 사용하였다.

(2-2) 정화공정에서의 목표 선정

본 설계의 주요 목표는 필터의 셀룰로오스 아세테이트(CA)를 일정 수준 이상의 순도를 갖도록 정화하고, 이를 시트화하여 상업적으로 재활용하는 것이다. 또한 상업화 측면에서 CA 시트의 주 적용대상으로 공공시설 부스(버스 정류장의 부스 및 지하철 구분막 등)를 선정하여 부스 제조에의 활용을 통해 시민들의 담배꽁초 재활용에 대한 인식제고목표 또한 달성하고자 한다. 공공시설 부스 제조에 활용될 경우, 사람과의 접촉이 빈번히 일어난다는 공공시설의 특성상 본 설계의 최종결과물인 CA 시트에 대하여 인체에 유해한 화학물질의 정화작업은 반드시 필요하다. 따라서 필터 내 존재하는 오염물질(화학물질) 중 인체에 유해한 화학물질의 종류 및 특성을 파악하는 것은 설계에 앞서 반드시 선행되어야 하는 부분이다. 또한 필터 내 다량으로 존재하는 화학물질의 경우, 인체에 대한 유해성이 적더라도 순도를 낮추는 직접적인 요인이 되므로 이에 대한 검토도 수행하였다.

다량, 유해 화학물질의 종류 및 특성에 대하여 다음과 같이 검토하였다. 휘발성이 강한 휘발성 유기화합물에 대하여는 수거, 분리과정에서 전부 휘발한다고 가정하였다.

위의 주요 유해화학물질을 정화대상 화학물질로 선정하였으며, 이 물질들을 정화공정에서 제거하여 보다 높은 순도의 CA를 얻을 수 있도록 하였다. 해당 물질들의 처리방법으로는 초임계유체 추출공정을 채택하였다.

위의 표는 이전 단계에서 정한 필터 내 오염물질에 대한 초임계유체의 정화율을 나타낸 표이다. 오염물질 중 가장 많은 중량 백분율을 차지하고 있는 nicotine과 초임계유체의 운전조건에 대하여는 추후에 다루도록 한다.

(2-3) 초임계유체 세정 장치(이용) 초임계유체()를 이용하여 3.2.2(1)에서 선정한 정화대상 유해 화학물질들과 필터를 분리시킨다.(정화공정) 본 설계에서는 정화대상물질 중 니코틴 등 주요오염물질들의 목표 정화율을 99%로 정하였다. 이때, 니코틴의 정화율을 높이기 위하여 조용매(8 mol% methanol)를 첨가하여 세정이 이루어지도록 하였다. Optimization of Nicotine Extraction from Tobacco Using Supercritical Fluid Technology with Dynamic Extraction Modeling ,Monika Fischer 외 1인 ,University of Bath , 1996‘Optimization of Nicotine Extraction from Tobacco Using Supercritical Fluid Technology with Dynamic Extraction Modeling’ 에 따르면, 초임계유체()를 이용하여 니코틴을 99% 제거(정화)하기 위해서 요구되는 운전시간은 2시간으로 정화 대상 오염물질 중 가장 긴 운전시간을 요구한다. 따라서 니코틴 제거를 기준으로 초임계 유체 세정 장치의 운전시간을 2시간으로 정하였다. 초임계 세정 장치(이용) 운전조건에 따른 니코틴의 제거율은 아래와 같이 나타난다.

운영조건은 함수율 12.4%로 180~250 um 크기로 자른 담뱃잎을 셀룰로오스 셀에 넣고 200KG/cm^3의 압력을 가하고 50C 로 가열시킨다. 조용매(modifier)로는 8mol% methanol을 사용하였다. 이 조건으로 두 시간 운영할 시 99%의 니코틴의 제거율을 달성 할 수 있다. 이 때, 초임계유체는 극성물질에 대한 추출률이 좋지 않음으로 이를 보완하기 위해 조용매를 사용한다.

니코틴을 제외한 오염물질들의 경우, 초임계 세정 장치(이용)를 이용한 정화율은 3.2.2(2)의 ‘표. 초임계유체로 추출 가능한 물질’을 따르며, 조건은 각기 다르다.

각 논문의 공정 조건들을 근거로, 이 조건들을 조합하여 각 공정들의 최대치를 사용하기로 하였다. 150c,5800psi 의 조건으로 45분간 운전 한 후 200kg/cm^3,50c 의 조건으로 나머지 75분을 운전하도록 설계하였다.

초임계유체 공정의 장점중 하나는 용매의 재이용이다. 첨가하는 8 mol% Methanol에 대하여서도 회수가 가능한지 알아보기 위해 각 오염물질의 끓는점을 조사하였다. 메탄올의 끓는점은 64.7c이므로 오염물질들의 끓는점이 이보다 높아야만 회수가 용이하다.

(2-4) 장치 규격 및 발생 폐수의 처리

하루에 두 시간씩 총 4번을 운영 한다 가정하면, 1회 운영에 총 51.5만개의 담배꽁초를 세척하여야 한다. 이 때, 담배필터 하나의 체적은 1.3572*10^-6 m^3 이다. 따라서 처리해야할 셀룰로오스-아세테이트의 부피는 700L 라 할 수 있다.

여기서 50%의 여유율을 두어 1400L 이상의 세정조를 가진 초임계유체 추출장비를 사용한다. 조용매로 사용하는 메탄올을 재사용 하기 위해서 분리조에서 끓는점 이상의 온도(64.7c)로 2차 가열한다. 담배필터 에서 여과하는 타르의 비율은 26%, 필터에서 나오는 니코틴양은 개비당 5~7mg이다. 오염물질의 목표 제거율은 99%이고, 타르의 평균 밀도는 1.25, 니코틴의 밀도는 1.01이므로 이를 곱하여 1일 발생 폐수량을 산정하였다.

1일 발생 폐수량 : 16.357L/day

고농도 폐수라고 가정하면 에 180,000\ 임으로 폐수처리 위탁비용으로 2,944\/day가 소요된다. 이를 한 달(20일)로 가정하면 약 58,880\이다.

용융 압출 공정

(3-1) 트리아세틴(TA)이 첨가된 CA tow상태의 담배필터 셀룰로오스아세테이트 섬유는 현재, 다음과 같이 하여 제조되고 있다. 우선, 원료인 셀룰로오스아세테이트의 플레이크(flake)를 아세톤 등의 용제로 용해하고, 셀룰로오스아세테이트의 방사원액을 조제한다. 이 방사원액을 방사노즐장치로 공급하고, 고온 대기중에 토출하는 건식방사법에 의해 방사하여, 셀룰로오스아세테이트 섬유를 얻는다. 건식방사법 대신에 습식방사법을 사용하는 것도 가능하다. 이러한 CA섬유를 담배필터용으로 사용하기 위해서는 먼저 총섬도를 적당하게 설정하고, 섬유토우(tow)로서 만든다. 이를 담배필터플러그 권상장치에 의해 개섬하고, 약 6~12%의 트리아세틴(TA) 가소제를 첨가, 필터 권취지로 모양을 만들고 절단하여 만든 것이 담배필터이다. 즉, 담배필터는 가소제가 첨가된 CA tow라 할 수 있다. 이 CA tow는 (2) 정화공정을 거침으로써 유해화학물질이 99%이상 제거될 것으로 예상된다.

담배 필터의 무게는 0.17g/개로, 1일 사용 가능량은 0.17g/개 x 206만개(1일 목표 처리 개수) = 350.2kg이다. 이는 앞단 공정들에서의 약 5%의 질량손실을 고려하여 약 332.69kg/d로 가정한다.

(3-2) 가소화 및 인장강도 CA는 용융 전에 분해되기 시작하므로 원료로 가공 할 수 없으나, 가소제가 첨가되면 용융 가공이 가능한 상태가 된다. CA와 상용성이 좋은 저분자량 물질로는 프탈레이트계 가소제를 들 수 있으며 이를 이용하여 용융가공이 가능하도록 개질한 재료들이 상업적으로 사출이나, 판재 가공 등의 용도에 사용되고 있다. 그러나 프탈레이트계 가소제는 환경호르몬을 유발하는 물질로 국내외적으로 사람이 접촉하는 제품에 금지되어 섬유, 안경테 제품 등 사용에 어려움을 가진다. 따라서 최근 연구에서는 상용성을 가지며 인체에 무해한 친환경 가소제를 이용한 연구가 집중되고 있다. 그 중, 현재 담배회사들이 담배필터를 가공하는 단계에서 사용하는 트리아세틴(TA)은 독성이 낮고 생분해성이 좋으며, 폴리에틸렌글리콜(PEG600)과 혼합 사용하면 가소제로의 효과를 보인다는 연구 결과가 있다.

이에 다음 연구 값을 참고하여 프탈레이트계 가소제 대신 폴리에틸렌글리콜(PEG600)과 트리아세틴(TA)을 CA : PEG600 : TA = 100 : 20 : 5~10 (wt%)의 비율로 첨가하기로 결정하였다. 이는 가소화된 CA의 Tensile strength는 약 45~50MPa, Elongation은 약 12~13%가 되는 양이다. 일반적으로 잡화 제작이나 컨테이너 제작 등에 사용되는 석유계 플라스틱인 폴리에틸렌(PE)과 폴리프로필렌(PP)의 인장강도가 평균 40MPa 정도이므로, 본 설계에서 제작되는 약 45~50MPa의 CA sheets는 충분한 강도를 갖는다고 판단한다.
이때, 초기 담배 필터 제작 시 트리아세틴(TA)을 6~12(wt%) 첨가하여 제작하므로, 정화 작업을 마친 담배 필터에도 이미 약 6~12(wt%)의 트리아세틴(TA)이 포함되어 있는 것으로 판단한다. 본 설계에서 요구되는 트리아세틴(TA)의 양은 CA의 5~10(wt%)로, 이미 요구량을 달성했다고 판단하여 폴리에틸렌글리콜(PEG600)만 추가로 첨가한다. 그 양은 1일 기준 332.69kg/d*0.2=66.54kg이며, $1.5/kg의 단가로 계산하였을 때 $99.81/일 이다.

다음은 사용되는 폴리에틸렌글리콜(PEG600)의 detail이다.

(3-3) 압출ㆍ성형ㆍ시트화 CA 압출성형을 위한 장치는 50~150kg/hr의 CA를 1~6mm Sheet화 할 수 있으며 50KW의 동력을 요구한다. 이 장치를 이용하여 1일 4시간 운영, 약 250도의 온도로 용융 및 압출하여 Sheets를 생산한다. 다만, 장치 내에 진공상태로 용융된 유동상의 CA tow 중의 활성탄을 거를 수 있는 거름망 설비를 갖추고, 이를 외부로 제거할 수 있도록 설계한다. 이 때 거름망의 간격은, 담배필터 내의 활성탄 입도가 16X35이므로 1 inch=25.4mm/35=0.73mm보다 작은 0.4mm간격으로 설정하였다.

다음은 사용되는 장치의 detail이다.

이렇게 제작된 CA Sheets는 충분한 정화작용을 거쳐 높은 순도를 가졌으며, 인체에 유해한 프탈레이트계가 아닌 가소제를 사용하였으므로 안경테와 같은 제품 제작에도 사용이 가능할 것으로 판단한다. 이후 시트를 활용하여 재떨이, 버스정류장 시설물의 건축자재 등과 같이 대중에 노출정도가 큰 제품의 제작에도 활용하여 시민들의 의식 변화 또한 목표로 하고 있다.

시중에 판매되고 있는 고급 CA Sheet의 평균 단가는 $16/kg으로, 설계 목표인 재활용 CA시트는 절반 수준인 $8/kg으로 가격을 책정하였다.

비용, 수익 분석

본 설계가 성공적으로 이루어진 경우를 가정하여, 각 기계들의 단가와 동력비, 첨가물들의 가격 등을 모두 고려한 분석을 수행하고자 한다.

즉, 초기 장치 투자 비용으로는 약 8억 3천만원이 필요하다. 하루 수거에 필요한 비용과 기타 비용의 합이 약 2천 60만원이라 가정한다면, 한 달의 순 수익은 약 2천 8백만원이다. 이를 그래프로 나타내어 손익분기점을 계산해보았다.

다음의 그래프로 약 30개월이 되는 시점에 손익 분기점을 달성한다고 판단하였다.

자문내역

-초임계 추출장치 동력비 문의

-셀룰로오스 아세테이트 시트화 관련 문의 2건 (천우코셀)

조립도

전체공정

자재소요서

내용

결과 및 평가

완료작품 소개

프로토타입 사진

포스터

개발사업비 내역서

완료 작품의 평가

향후평가

본 설계를 통해 이루고자 하는 목표는 ‘공정을 통해 담배꽁초에서 필터만을 분리 및 정화, 재활용하여 자원으로서의 가치 창출, 폐기물의 처리량 감축, 나아가 해양 미세플라스틱 문제 해결’이다. 우리는 이러한 목적을 이루기 위해 꽁초에서 필터만을 분리해 내는 다양한 기술, 필터 내 잔류 유해화학물질의 가장 높은 정화율을 이끌어낼 수 있는 방안, 상품성을 고려한 시트화를 바탕으로 한 담배필터 재활용 공정을 설계하였다. 앞서 언급되어있는 다양한 세부 설계사항들을 보았을 때, 이러한 최초의 목적들은 달성가능하다고 판단한다.

 우선 공정에서의 환경 부하를 줄이기 위해 모든 분리공정을 건식으로 설계하여 폐수 발생을 최소화 하였다. 실제로 사용되지 않고 있는 특허를 적용시키는 과정에서 현재 운영 되고 있는 풍력 선별기의 효율을 적용하여 계산하였다. 이 부분에 대해서 효율이나 동력비가 다를 가능성이 존재한다. 이는 실제로 플렌트를 운영하면서 고쳐나가야 할 부분이다. 오염물질에 대해선 다양한 잔류유해화학물질들의 높은 제거율을 달성하기 위해 초임계유체 세정 방식을 채택하였다. 초기 투자비용과 요구 압력이 높기에 초기에는 많은 비용이 발생할 수 있지만, 그에 비해 요구 동력비가 그리 높지 않으며, 장기적인 관점에서 본 시스템이 정착이 되고 꾸준한 가치 창출을 통해 이익이 발생한다면 이를 상쇄할 수 있다고 본다. 또한, 실제 플렌트를 가동 할 시 최적점을 찾아 좀 더 효과적으로 돌릴 수 있는 방법을 찾아야 할 것이다.

 또한 본 설계에서 적용한 폴리에틸렌글리콜과 트리아세틴의 복합사용은 셀룰로오스 아세테이트에 주로 사용되던 프탈레이트계 가소제의 인체 유해성 논란의 대안이 될 것이라 생각한다. 더 나아가 셀룰로오스 아세테이트(CA) 시트를 활용한 공공 시설물이나 제품 제작으로 시민들에게 재활용에 대한 인식이 전환됨에 따라, 높은 정화율과 인체 유해물질을 사용하지 않은 본 공정의 결과물인 CA 시트를 안경테, 생활 잡화 등 생활에 밀접한 제품 제작에도 사용할 수 있을 것이라 전망한다.

 최근 잔류 유해물질 때문에 담배꽁초를 지정폐기물로 분류하자는 사회적 목소리와, 자원 순환법 시행에 따른 소각이나 매립 폐기물량 저감의 필요성이 커지고 있다. 이러한 상황에서 폐기물로만 인식되던 담배꽁초 속 필터의 재활용 공정이 실제로 도입된다면, 이는 폐기물의 소각 및 매립 량을 줄이는 확실한 방법임과 동시에 자원으로의 전환 가능성을 잘 보여준다고 생각한다. 법 제도적인 개선과 담배회사와의 협력 등의 추가적인 부분에서의 노력이 수반된다면, 본 시스템이 자원순환사회에 미치는 긍정적인 효과가 더욱 커질 것이며 시장 경쟁력을 가질 수 있을 것이다.

고찰

- 현재는 담배꽁초 전용 쓰레기통의 수가 전국적으로 굉장히 적다. 또한 흡연자들의 습관이나 낮은 인식탓에 담배꽁초만을 수거하는 것이 현실적으로 굉장히 어려울 것이라 판단한다. 이에 담배꽁초 전용 수거함의 설치 수를 늘리고 적극적인 홍보와 인식 개선 등을 통해 장기적으로 꽁초 분리수거에 대해 어필할 필요성이 있다. 또한 구리시에서 시행한 꽁초 한 개비당 10원의 보상금도 적절한 것이라 판단된다. 위 경제성 평가에서 수거비용을 구리시와 같이 한 개비당 10원의 조건으로 계산하였을시에도 충분한 이윤이 남았다고 판단된다.

- 본 공정에서 발생 폐수를 최소화 하였지만, 초임계 유체 세정 과정에서 발생하는 적은 양의 폐수가 남아있다. 실제 공정을 통해 폐수의 농도와 성상을 더욱 상세히 측정하여 처리방법을 결정하여야 할 것이다. 만일 이를 소각 하여도 유해물질 발생이 굉장히 적고 제어 가능한 수준이라면 소각 등의 최소한의 비용으로 처리하는 것이 효율적일 것이다.

- 초임계 유체 추출의 경우, 플렌트 가동 후 나오는 오염물질의 양을 보고 온도와 압력의 세부조정이 필요 할 수 있다. 논문만을 보고 제작한 공정이기 때문에 각 오염물질에 대한 온도 압력 시간 조용매 조건중 최대치만을 취하였기 때문에 비효율적 적이다.

- 압출ㆍ성형기의 경우 현재 국내에서 판매하고 있는 셀룰로오스 아세테이트 시트의 두께가 약 1~10mm임을 고려하여, 1~6mm의 두께로 가공할 수 있는 시판 기계의 사양을 기재하였다. 그러나 시트의 활용 용도에 따라 이를 조절할 필요성이 있다.

- 비용분석에서 현재 우리나라의 흡연율 및 담배꽁초의 양을 기준으로 계산을 하였기에, 매년 약 3%정도로 감소하고 있는 궐련담배 소비량을 고려하여 산정할 필요가 있다. 그러나 충분한 여유율을 두고 계산 하였으며, 담배 소비량이 더 이상 하락하지 않는 일정 수준이 있을 것이기에 자원으로 전환하기에 충분한 양을 안정적으로 확보 할 수 있을 것이라 생각한다. 이 외에도 최저시급 인상 등 다양한 고려사항을 포함하여야 할 것이다.

부록

참고문헌 및 참고사이트

◇ 최인영, 『해양오염 유발 ‘담배꽁초’ 어쩌나…』 , 환경일보, 2019.03.04. http://www.hkbs.co.kr/news/articleView.html?idxno=502959

◇ Surflux 초임계 추출 장치 http://suflux.com/KO/Product/Supercritical_Fluid_Extraction.html

◇ 이해성 외 6인,『우수한 용융특성을 갖는 Cellulose acetate/Poly ethylene glycol 조성물의 제조 및특성 해석』,한국안광학회지,No.17,2012,1~10쪽

◇ 이성준,『열가소성 셀룰로오스 유도체의 제조 및 특성 해석』,영남대학교 박사학위논문,2016

◇ 강찬수, 담배꽁초는 쓰레기가아닙니다. 유해폐기물입니다. ,중앙일보, 2019.03.13.

◇ About Cigarette Filters, Tobacco PUB(www.tobaccopub.net)

◇ 롤링타바코 필터, 니코틴 타르를 얼마나 걸러줄까?(담배필터에 관한 잡담)|작성자 라토

◇ 담배 이야기, 김정화, 지호출판사(2000)

◇ SEW 담뱃재 분리 장치, http://www.gradingmachines.com/

◇ Alibaba, “Automatic India moringa seeds sheller with best price“, https://korean.alibaba.com/product-detail/Automatic-India-moringa-seeds-sheller-with-60807409237.html?spm=a2700.7724838.2017115.62.1e564d1dX2jCF5

◇ US4986285A-Method and apparatus for ascertaining the density of wrapped tobacco fillers and the like https://patents.google.com/patent/US4986285A/en

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◇ 생분해성 셀룰로오스아세테이트 구조물 및 담배필터, 야마시타요이치로, 등록특허 10-0460598, 2001.

◇ 치환된 셀룰로오스 아세테이트 및 그의 용도, Acetate LLC., 10-2014-7023497

◇ Process of making cellulose acetate tow, Celanse Acetate, LLC., 10/877,799.

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소프트웨어 프로그램 소스

내용