4조. 뉴스모킹부스

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 캠퍼스 내 흡연피해 방지를 위한 담배연기 흡인 및 저감장치 개발

영문 : Development of Smoking Absorbing and Reducing Devices to Prevent Smoking Damage on Campus

과제 팀명

뉴스모킹부스

지도교수

박영권 교수님

개발기간

2020년 3월 ~ 2020년 6월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 환경공학부 20114300** 강**(팀장)

서울시립대학교 환경공학부 20114300** 권**

서울시립대학교 환경공학부 20114300** 노**

서울시립대학교 환경공학부 20114300** 이**

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

◇ 현재 서울시립대학교 캠퍼스 내 흡연구역이 존재하나 주변으로 간접흡연 피해가 발생하고 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 흡연피해 저감장치를 설계하고 입자상, 가스상 물질을 제거하는 것을 목표로 하며 간접흡연에 의한 피해를 저감할 수 있다.

◇ 기존에 존재하는 기술의 경우 타르(tar)에 의해 처리효율이 감소 및 필터 수명저하의 문제가 있으므로 이를 해결하기 위해 전처리 과정에서 타르 제거 공법을 추가하는 것으로 결정하였다. 이를 통해 캠퍼스 내 흡연 시 발생하는 대기오염물질을 저감하고 흡연구역의 명확한 경계확보할 수 있다.

◇ 기존의 폐쇄형 흡연부스의 경우 이용자인 흡연자들이 공간의 답답함을 호소하는 경우가 많으며 실제적인 공간활용도가 떨어지는 편이다. 이 때문에 소형화, 개방형 저감장치를 설계하였으며 그러한 문제들을 해결할 수 있다.

개발 과제의 배경 및 효과

◇ 배경 :

①. 캠퍼스 내 흡연구역이 존재하나 그 경계가 모호

②. 흡연구역 내 담배연기가 처리하지 않고 배출되어 주변으로 간접흡연 피해가 발생

③. 타르(tar)로 인한 처리효율 및 필터의 수명저하 문제 발생

④. 폐쇄형 흡연부스의 경우 이용자들의 불편함, 공간적 활용도가 제한적

◇ 효과 :

①. 저감장치 설치를 통해 캠퍼스 내 흡연구역의 명확한 경계를 확보

②. 흡연 시 발생하는 가스상, 입자상 물질을 저감함으로써 외기로 배출 최소화 학생들의 보건복지실현

③. 전처리 과정을 통해 타르(tar)를 제거함으로써 처리효율 및 필터 수명의 향상

④. 소형화, 개방형 저감장치 개발로 공간 활용성 확보

개발 과제의 목표와 내용

◇ 흡연구역 내 흡연 시 발생하는 대기오염물질 저감

◇ 캠퍼스 내 흡연구역의 명확한 경계확보

◇ 보편적으로 비흡연자를 대상으로 발생하는 간접흡연의 피해를 저감

◇ 타르(tar)로 인해 발생하는 기술적 문제 해결

◇ 흡연자, 비흡연자의 만족도 상승

관련 기술의 현황

State of art

◇담배연기 관련 국내외 연구 동향

1. 국내 연구 동향

담배연기와 관련한 이전의 연구 영역은 대부분 담배의 성분 및 ETS 중 인체에 유해한 독성물질에 대한 연구가 대부분이었다. 그러나 최근 담배연기의 대기배출이 환경에 미치는 영향이나 오염도를 평가하는 연구가 증가하고 있다.

①. 이동식 고효율 분연시스템 및 이를 이용한 흡연부스시스템(박길호, 태영엠앤에프, 환경입자집진제어연구소, 2010) :

(Wire To Plate)방식의 전기집진기술을 기반으로 여과, 흡착, 촉매산화 기수을 하이브리드 하여 국내에서는 처음으로 담배연기제거 전용포터블형 장치를 개발하였다. 이로써 초미세먼지 및 5대 생활가스 제거 원패스 성능평가 결과 80% 이상의 제거 성능을 보였다.

②. 환경담배연기로 인한 실내공기 중 PM 2.5 및 미량성분 오염 특성(임종명 외, 2014) :

실내공기 중 PM 2.5를 집중적으로 채취하고 인체 영향이 큰 미량원소의 화학적 특성을 파악하며 환경담배연기가 실내공기질에 미치는 영향을 평가하였다. 흡연 사무실과 비흡연 사무실을 비교하였는데, PM 2.5의 농도는 흡연사물에서 1.5배, 미량원소 농도비는 1~6배 높게 나타났다.

2. 국외 연구 동향

①. 미국 BPA Aia Quality solution LLC :

담애 연기제거기술에 대한 연구에서 다양한 필터 실험을 통해 효율이 우수한 것을 소비자 선택 가이드를 통해 제공하였다. 전기 집진기와 여과식 필터기술이 대표적이며 복합적이 구성이 가장 효과적이라고 하였다.

◇ 담배연기 제거 기술

1. 오염물질의 분류

①. 가스상 오염물질 분류

②. 입자상 오염물질 분류

2. 오염물질의 제거방법

①. 가스상 오염물질의 제거방법

②. 입자상 오염물질의 제거방법

3. 담배연기제거장치 기술

①. 배출방식에 따른 구분

②. 형태에 따른 구분

◇ 타르 제거 기술 :

담배 연기 중 대표적인 오염물질인 타르(tar)는 담배연기에서 발생하는 오염물질을 정화하여 배출하는 과정에서 가장 제거가 어려운 입자상 유해물질이다. 일반적으로 섬유상 필터를 사용하여 제거할 경우 초기에는 포집되어 제거가 되는 것 같지만 점차 타르의 누적으로 인해 필터의 압력손실 증가는 물론 과부하로 인한 장치의 고장 원인으로 작용한다. 내부의 천장, 벽 등에 침착되어 오염 및 변색을 가속화하고, 지속적인 악취를 유발하는 주요 원인 물질로 알려져 있다.

① 전처리필터(프리필터) :

부직포, 우레탄폼, 염화망, 스틸망 등을 처리장치 흡입구 확산면적에 맞추어 사각, 원, 원통형 등 다양한 형태와 두께로 제작하여 타르 입자를 제거 및 배설한다.

② 전기집진장치 :

전기집진기는 평판형 구조. 고정된 텅스텐와이어 또는 스틸와이어 방전선에 고전압 인가로 코로나 방전을 생성한다. 하전된 미세먼지가 후단에 있는 다수의 집진셀에 부착되는 구조의 필터 기술이다. 전기집진기술은 담배연기에서 발생하는 입자상 물질로서 끈적끈적한 지용성 액적인 타르(tar)를 효과적으로 제거할 수 있는 기술로 평가되고 있다. 해외 담배연기제거장치 제조사들의 전기집짓유닛은 Wire to Plate 방식으로 매우 슬림하고, 플레이트는 가벼운 알루미늄 재질로 제작되어 있다.

기술 로드맵

특허조사

특허전략

기존에 존재하는 개방형 담배연기 제거장치의 경우 연기에 포함되어있는 입자상, 가스상 물질에 대한 적절한 처리 또한 없는 상태이다. 이뿐만 아니라 타르(tar)로 인한 효율 저하 및 필터 막힘 현상을 제거하는 기술에 관해서는 명확한 해법이 없는 상태로 관리의 편의성이 부재한 상태이다. 이에 따라 전처리 과정에서 기존 바이오매스 가스화 공정에서 사용할 수 있는 필터 프리코팅(Pre-Coating) 기술을 적용하려고 한다. 필터 프리코팅 기술의 경우 전처리 과정에서 타르의 제거를 효율적으로 제거할 수 있어 1차 처리(HEPA 필터), 2차 처리(첨착 활성탄 필터)에서의 타르의 침전을 효과적으로 방지할 수 있으며 최종적으로 효율을 높일 수 있을 것으로 예상한다.

관련 시장에 대한 분석

경쟁제품 조사 비교

◇ 설계하려는 흡연시설의 목표는 일반 거리가 아닌 대학교를 주 위치로 하므로, 작은 크기의 시설을 여러 곳 만드는 것이 공간활용성이나 효율성 면에서 적합할 것으로 보인다. 구체적으로는 1~2인이 사용할 수 있는 소형 장치 설계를 목표로 하여 기존의 큰 부스형 흡연 시설과의 차별화를 노린다.

마케팅 전략

◇ 학생 대상 마케팅

-흡연부스의 디자인을 개선하여 심미성과 접근성을 높여 흡연자들이 가볍게 들를 수 있도록 하며, 비흡연자들이 거부감을 덜 가지게 한다.

-흡연부스의 공기 정화 정도를 수치화한 결과를 통해 시설을 이용할 흡연자들에게 흡연부스의 공기질이 개선되었음을 보인다.

-기존의 흡연실은 침착된 타르나 버려진 담배꽁초들로 인해 흡연자들이 사용을 기피하는 경향이 있다. 타르 처리 기술을 통해 청결한 흡연실의 모습을 유지하여 이용률을 높인다.

◇ 학교, 지자체 대상 마케팅

-흡연시설은 특성상 수익보다 공익을 위해 설치되어야 함을 감안하여, 현행 흡연구역에 대한 불만들을 공론화하여 학교에 알린다.

-이미 도시에 많은 수에 흡연구역이 존재하는 상황에서, 부지내 흡연구역을 없애 흡연을 규제하는 것은 반발과 부작용이 많음을 보인다.

-개방형 흡연시설의 비용을 산출하여 공간 활용성 및 건설과 유지에 부담이 적음을 보인다.

◇ SWOT 분석

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

◇ 전처리(pre-coating): 필터층으로 진입하기 전 여과 및 장치 보호 기능, 타르 및 큰 입자상 물질 흡착

◇ 1차 필터(HEPA필터): 입자상 오염물질 처리, 초미세먼지 제거 능력 탁월

◇ 2차 필터(첨착 활성탄 필터): 악취 및 가스상 오염물질 처리, 제거하기 힘든 물질을 제거 또는 정제

경제적 및 사회적 파급효과

◇ 3단계에 걸친 담배 연기 흡인 및 저감 장치 설치로 캠퍼스 내 흡연구역 구비

◇ 타르 흡착 전처리로 장치 효율 및 필터 수명이 길어짐

◇ 관리가 어려운 기존 흡연 부스와 다르게 흡연자 이용률이 증대됨

◇ 비흡연자의 간접 흡연 피해 감소

◇ 흡연부스 설치 시 공간의 제약과 적다.

구성원 및 추진체계

구성원

추진체계

설계

개념설계안

시제품의 구성

(1) 흡연자들이 담배를 피울 공간은 부스 형태로 만들어 상부에 배풍기(흡입팬)을 설치한다.

(2) 모터가 달려 돌아가는 배풍기(흡인팬)이 상부에서 담배연기를 빨아들여 전처리, 1차, 2차 필터를 통과하도록 한다.

(3) 담배연기 중 입자상 물질은 1차 필터인 HEPA팬으로, 가스상 물질은 2차 필터인 첨착 활성탄 필터로 제거가 되며 전처리 과정에서는 활성탄을 이용한 필터를 통해 타르를 사전에 제거한다.

배풍기(흡입팬)

부스를 이용하는 흡연자가 배출하는 담배연기의 유량을 처리하기에 충분할 정도로 배풍기(흡인팬)가 요구가 된다. 시뮬레이션 과정에서는 58W의 흡인팬을 설치하여 시뮬레이션을 진행하였다.

여과장치

담배연기가 전처리-1차 처리-2차 처리를 거쳐 정화되도록 한다. 본 설계의 목적에 맞도록 때 필터의 효율, 성능향상 정도에 주목해야 한다.

◇ 전처리(pre-coating)

-활성탄 및 솜뭉치를 조합한 방식 -필터층으로 진입하기 전 여과 및 장치 보호 기능 -타르, 큰 입자상 물질 흡착 -솜뭉치의 변색 상태가 확인되면 교환하는 방식으로 관리가 쉬움

◇ 1차 필터(HEPA필터)

-입자상 오염 물질 처리

-담배 연기에 포함된 PM중 다수의 입자가 PM 1.0미만의 초미세입자로 구성되어 있음

-HEPA 필터는 0.3𝜇𝑚이상 크기의 초미세먼지를 99.7%이상 제거할 수 있는 여과식 필터

◇ 2차 필터(첨착 활성탄 필터)

-악취 및 가스상 오염 물질 처리

-흡착 필터로써 암모니아, 포름알데히드, 아세트알데히드, 아세트산, 톨루엔 등 제거하기 힘든 물질을 제거 또는 정제

이론적 계산 및 시뮬레이션

◇ 시뮬레이션의 목적

1. 이론으로 계산한 배풍기의 동력의 효율을 확인 2. pre-coating을 통한 활성탄의 타르 흡착 능력 확인 3. HEPA필터의 입자상 오염물질 처리 능력 확인 4. 첨착 활성탄 필터의 악취 및 가스상 오염물질 처리

◇ 흡인 동력 계산

실험 시 사용했던 58W짜리 송풍 장치를 기반으로 역추산

◇ 실험 결과

조립도

자재소요서

결과 및 평가

완료작품 소개

프로토타입 사진

◇ 전처리 필터

◇ 프로토 타입 전경

◇ 정면

◇ 측면

포스터

개발사업비 내역서

완료 작품의 평가

설문조사

평가

향후평가

◇ Pre-coating 관련 기술의 적용이 미흡한 편 적용방안을 고려

◇ 에어커튼을 설치하기 위한 동력 확보가 필요

◇ 담배연기로 인한 고질적인 악취 문제의 해결이 완전치 않음

◇ 풍속, 습도 득 외기의 영향을 덜 받을 수 있도록 추가적인 장치의 설계

부록

참고문헌 및 참고사이트

◇ 김준엽, 최병권 조영민 김상범, 바이오매스 가스화 공정의 생성가스 중 르 및 입자 제거를 위한 pre-coating 기술 연구, Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, 2019 p 804~807

◇ 특허청. 특허 번호 – 10-2017-0028948, 10-2017-0164832, 10-2012-0092680

◇ 보건환경연구원대기질 개선과 공중보건을 위한 담배유해연기 제거 기술 개발 및 성능 표준안 마련 ㈜태영엠앤에프 2017. 11. 28. p79, 92~108

◇ 김진아, 시민호흡권 개선 위한 흡연부스 운영 방향 中 FCTC에서 제시한 실외흡연실 가이드라인