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2019년 12월 22일 (일) 16:12 기준 최신판

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 해안가 발포 스타이렌 수지 제거

영문 : removing styrenfoam on marine coast

과제 팀명

PVAC

지도교수

장서일 교수님

개발기간

2019년 9월 ~ 2019년 12월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 환경공학부 20168900** 고**(팀장)

서울시립대학교 환경공학부 20098900** 양**

서울시립대학교 환경공학부 20148900** 채**

서울시립대학교 환경공학부 20168900** 허**

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

• 미세플라스틱의 위험성에 대한 관심이 대두되고 있다. 미세플라스틱은 크기가 5 mm 미만의 플라스틱을 통칭하는 단어로서 여러 분야에서 환경오염 및 생물의 건강에 악영향을 끼치고 있다.

• 국내 해변가의 모래가 많은 양의 미세플라스틱으로 오염되어 있다. 또한 그 미세플라스틱의 90% 이상이 양식장 부표로부터 떨어져 나온 미세플라스틱(발포 스타이렌 수지)이다.

• 이러한 문제를 해결하기 위해 한국해양과학기술원(KIOST)에서 발포 스타이렌 수지를 대체한 양식장 부표가 개발되었다. 하지만 기 배출된 미세플라스틱이 해변가를 덮고 있으며 이를 제거할 필요성이 대두되고 있다.

• 미세플라스틱의 제거 필요성에 따라 본 과제를 통해 해변가 모래 속에 존재하는 발포 스타이렌 수지를 제거하고자 한다.

• 기존의 해변가 미세플라스틱 및 쓰레기 청소는 물을 이용한 습식 방식이었다. 하지만 이러한 방식은 사용한 물에 대하여 정화 과정이 필요하며 이 과정에서 비용이 발생한다. 따라서 본 과제에서는 이러한 과정이 필요 없는 건식 방식으로 미세플라스틱을 제거하고자 한다.

• 본 과제를 통해 발포 스타이렌 수지를 제거함으로써 해양환경을 개선하고 생물농축을 방지하고자 한다.

개발 과제의 배경 및 효과

1. 개발 과제의 배경
   • 아직 인체에 유해성이 밝혀지지 않은 미세플라스틱이 국내 해안가에 많이 축적되어 있으며 그 중 발포 스타이렌 수지(스티로폼)이 대부분을 차지한다고 밝혀졌다.
   • 이는 국내 양식장 등에서 사용하는 부표가 마모되며 발생한 것으로 싸고 내구성이 좋아 많이 사용한다. 이 문제를 해결하기 위해 한국해양과학기술원(KIOST)에서는 내구성도 좋고 발포 스타이렌 수지를 이용하지 않는 부표를 개발해 보급하고 있다.
   • 하지만, 이미 발포 스타이렌 수지로 오염된 해변가 모래는 정화되지 않고 있다. 오염된 모래는 바람이나 파도에 의해 다시 해안으로 유입될 수 있으므로 이를 해결하기 위한 기술이 필요하다.
   • 이를 해결하기 위하여 국외에서 물을 사용하여 밀도차에 의해 미세플라스틱을 분리해내는 청소방식을 개발하였으나 2차 오염된 물을 정화해야 한다는 단점이 있다.
     
     

한국 해안가의 미세플라스틱 개수별, 무게별 축적량, Jongyoung Lee, et all., Distribution and Size Relationships of Plastic Marine Debris on Beaches in South Korea (2015)

경향신문, 미세플라스틱 골칫거리 된 ‘부이’ 중, http://news.khan.co.kr/kh_news/khan_art_view.html?art_id=201906290600105

KIOST에서 개발한 미세플라스틱 방지 부표, http://www.korea.kr/news/policyNewsView.do?newsId=148856701&call_from=rsslink

.

1. 개발 과제의 효과
   • 국내 해안가에 높은 비율로 존재하는 미세플라스틱인 발포 스타이렌 수지를 제거하여 양식 환경 및 근방 해안의 환경을 쾌적하게 조성할 수 있다.
   • 해안가에 존재하는 미세플라스틱을 제거하여 해변에서 파도나 바람에 의해 다시 바다로 돌아가는 미세플라스틱의 양을 줄일 수 있다.
   • 이미 개발되어있는 물을 이용하여 미세플라스틱과 모래를 분리해내는 습식 청소기는 모래를 정화한 후 오염된 물을 다시 정화해야 하는 단점이 있으나, 본 과제에서는 건식 방식을 사용하여 기존 기술의 단점을 보완할 수 있다.
   • 해안가에 존재하는 미세플라스틱의 양을 조사하여 향후 연구 등에 활용될 수 있다.

개발 과제의 목표와 내용

1. 개발 과제의 목표
   • 해변에 축적되어있는 미세플라스틱 중 발포 스타이렌 수지를 제거하는 것을 목표로 한다.
   • 물을 사용하지 않고 건식 방식으로 제거하는 것을 목표로 한다.
   • 90 % 이상의 미세플라스틱 제거율을 목표로 한다.
   • 해안가 정화의 의미를 가질 정도의 충분한 제거 속도와 용량을 유지할 수 있도록 한다.
     
     
2. 개발 과제의 내용
   • 모래를 건식 미세플라스틱 처리 장치 내부로 흡입하여 모래와 미세플라스틱(발포 스타이렌 수지)을 분리하고, 정화된 모래를 다시 배출하는 형태로 한다.
   • 실제 장치의 1/5의 크기에 해당하는 프로토타입을 제작하고 모의실험을 진행하여 설계 목표를 충족시킬 수 있는지를 확인하고 실제 장치를 설계한다.
   • 차량을 이용하여 이동식으로 작동하는 장치이므로 적은 전력으로도 작동 가능하도록 설계한다.
   • 모래 흡입 방식과 흡입한 모래의 이동 방식을 설계하고 모래와 미세플라스틱을 분리하는 분리조, 분리해 낸 미세플라스틱을 보관하는 저장조를 설계한다.
   • 미세플라스틱을 분리하는 방식은 건식을 사용하며 마찰로 인해 생성된 정전기를 이용하여 대전된 입자를 제거하는 방식을 이용한다.

관련 기술의 현황

State of art

• 2019년, 캐나다 퀘벡주 사브룩 대학에 다니는 기계공학과 학생 12명이 해안가에서 미세플라스틱을 청소하는 습식 청소기를 개발했다.

‘미세 플라스틱만 ‘쏙쏙’…세계 최초 ‘해변용 진공 청소기’ 개발한 대학생들‘, 서울신문, https://m.seoul.co.kr/news/newsView.php?cp=nownews&id=20190702601007

• 모래와 미세플라스틱 사이의 밀도차를 이용하여 액체에 부유하는 미세플라스틱을 제거하는 방식을 이용하였다.
• 건식 방식의 해안 미세플라스틱 제거 장치는 개발 되지 않고 있다.
• 폐기물 처리 과정에서 플라스틱을 선별하는 방식은 다양하다.

혼합 폐플라스틱 종합 자동선별분리기술 개발‘, 자원재활용기술개발사업, 수원대학교

• 건식 방식으로 모래와 미세플라스틱을 분류하기 위해서 정전선별 방식을 이용하기로 했다.
• 정전선별 방식은 크게 정전유도형, 코로나방전형, 마찰하전형 방식의 3가지로 분류할 수 있는데, 이 중 전도체 또는 부도체인지의 여부에 관계없이 혼합물의 분리가 가능한 마찰하전형 방식을 이용하는 것이 적절하다고 판단하였다.

마찰하전형정전선별법에 의한 혼합 폐플라스틱 재질별 분리기술 개발‘, 자원재활용기술개 발사업, 한국지질자원연구원

• 마찰하전정전선별은 물질의 일함수 값과 대전서열을 이용한 것으로 입자간 또는 입자와 하전 장치 사이의 접촉을 통하여 반대 극성으로 하전된 물질을 정전기를 이용하여 분리하는 방식이다.

Guiqing Wu, Jia Li, Zhenming Xu, ’Triboelectrostatic separation for granular plastic waste recycling: A review‘, Waste Management 33 (2013), 585

기술 로드맵

기술 로드맵

특허조사

1. 정전기를 이용한 건축폐기물처리장치용 이물질 분리장치
   
   

   

   정전기를 이용한 건축폐기물처리장치용 이물질 분리장치, (출원번호: 10-2006-0070449)

   
   
   

   1. 특허 내용
      • 본 발명은 건축폐기물처리장치용 이물질 분리장치에 관한 것으로, 더 상세하게는 파쇄기에 의해 분쇄된 폐콘크리트 파쇄물의 이동과정에서 이에 포함되어 있는 벽지, 스티로폼, 목재 등의 유기물을 정전기를 이용하여 일정장소로 분리하도록 하여 연속공정이 가능하도록 하는 정전기를 이용한 건축폐기물처리장치용 이물질 분리장치에 관한 것이다.
   2. 유사성
      • 정전기를 이용하여 혼합물을 분리한다.
      • 컨베이어 벨트를 이용하여 혼합물을 이송한다.
   3. 차별성
      • 분리하고자 하는 물질이 다르다.(본 특허에서는 벽지, 스티로폼, 목재 등의 유기물끼리의 분리를 목적으로 함)
        
        
2. 폴리에스테르와 나일론이 혼합된 혼합플라스틱의 재질분리방법 및 이를 위한 마찰하전형정전선별장치
   
   

   

   폴리에스테르와 나일론이 혼합된 혼합플라스틱의 재질분리방법 및 이를 위한 마찰하전형정전선별장치, (출원번호: 10-2008-0058251)

   
   
   

   1. 특허 내용
      • 본 발명은 혼합플라스틱의 재질분리에 관한 것으로, 보다 자세하게는 PET와 나일론이 혼합된 혼합플라스틱의 재질분리 방법 및 이를 위한 마찰하전형정전선별장치에 관한 것이다.
      • 본 발명의 PET와 나일론이 혼합된 혼합플라스틱의 재질분리 방법은 PET와 나일론이 혼합된 혼합플라스틱을 PET입자 및 나일론입자의 혼합입자로 파쇄하는 제 1단계; 파쇄된 상기 혼합입자를 파이프 라인과 사이클론 하전장치내부에 공기와 함께 투입하여 충돌 또는 마찰시켜 하전시키는 제 2단계; 및 하전된 상기 혼합입자를 전기장 사이로 통과시켜 분리하는 제 3단계를 포함함에 기술적 특징이 있다.
   2. 유사성
      • 마찰하전형정전선별방식을 이용하여 혼합물을 분리한다.
      • 컨베이어 벨트를 이용하여 혼합물을 이송한다.
   3. 차별성
      • 분리하고자 하는 물질이 다르다. (본 특허에서는 폴리에스테르와 나일론이 혼합된 혼합플라스틱의 분리를 목적으로 함)
        
        
3. 에이비에스(ABS)와 피에스(PS) 혼합폐플라스틱 재질분리를 위한 마찰하전형정전선별 방법

   

   에이비에스(ABS)와 피에스(PS) 혼합폐플라스틱 재질분리를 위한 마찰하전형정전선별 방법, (출원번호: 10-2013-0141029)

   
   
   

   1. 특허 내용
      • 본 발명은 ABS와 PS 혼합폐플라스틱 재질분리를 위한 마찰하전형정전선별 방법에 관한 것으로, 더욱 바람직하게는 마찰하전형정전선별을 적용하여 ABS(Acrylonitrile Butadiene Styrene)와 PS(Polystyrene)가 혼합된 폐플라스틱으로부터 ABS를 회수하기 위하여, 대상시료인 ABS와 PS의 혼합 폐플라스틱의 재질분리에 효과적인 하전물질인 PET, HIPS 그리고 ABS 중 어느 하나를 적용하여 마찰하전형정전선별 실험을 수행한 결과, 최적 실험조건에서ABS의 품위와 회수율이 각각 99.5%와 92.5%인 결과를 얻어냄으로써, ABS와 PS의 혼합 플라스틱을 재활용할 수 있도록 하기 위한 것이다.
   2. 유사성
      • 마찰하전형정전선별방식을 이용하여 혼합물을 분리한다.
   3. 차별성
      • 분리하고자 하는 물질이 다르다. (본 특허에서는 ABS와 PS가 혼합된 혼합플라스틱의 분리를 목적으로 함)
        
        
4. 밀도차 분리를 이용한 순환 토사 내 이물질 분리장치

   

   밀도차 분리를 이용한 순환 토사 내 이물질 분리장치, (출원번호: 10-2016-0108948)

   
   
   

   1. 특허 내용
      • 본 발명은 밀도차 분리를 이용한 순환 토사 내 이물질 분리장치에 관한 것으로 (중략) 건설 폐기물처리장으로 반입된 건설 폐기물들에서 분리한 토사에 포함되어 있는 나무 조각이나 스티로폼, 비닐, 플라스틱 조각 등과 같은 각종 이물질을 보다 효율적으로 자동 선별하여 제거할 수 있어 각종 건설현장 등에서 재사용이 가능한 순환 토사를 보디 깨끗하고 좋은 품질로 연속 생산해 낼 수 있다.
   2. 유사성
      • 토사에 포함되어 있는 이물질을 제거하는 방법에 관한 것이다.
   3. 차별성
      • 본 특허에서는 물질의 밀도차를 이용하여 토사와 이물질을 분리한다.
        
        

특허전략

• 양식장에서 사용되는 많은 양의 부이로 인해 생성된 미세플라스틱 문제에 대한 해결책이 요구되었다.
• 발포 스타이렌 수지를 사용하지 않는 친환경 부이를 제작하여 공급하고자 했지만 이전에 비해 너무 비싼 비용과 성능의 부족으로 사용되지 않았다. 해양에서 부유하면서 미세플라스틱을 수집하는 장치에 대한 아이디어도 있었지만 여러 가지 이유로 현실적으로는 사용되지 못하고 있다. 또한 이런 방법으로는 이미 오염된 해안의 모래는 정화할 수 없다.
• 해안 모래를 정화하는 습식 청소기가 개발되었지만 건식 청소기는 개발되지 않았다. 습식 청소기를 건식으로 바꾼다면 폐수처리 문제가 해결되므로 더 좋을 것으로 판단하였다.
• 현재 폐기물 처리 과정 중에 사용되는 플라스틱 선별 기술 중, 정전선별 방식을 응용하여 오염된 해안 모래에서 미세플라스틱을 분리하고자 하였다.
• 실험을 통해 모래와 발포 스타이렌 수지의 일함수와 대전서열을 확인하고 적절한 장치를 설계한다.
• 태양광 패널을 통하여 더 친환경적이고 경제적인 설비가 가능하도록 한다.

관련 시장에 대한 분석

경쟁제품 조사 비교

• 2019년, 캐나다 퀘벡주 사브룩 대학에 다니는 기계공학과 학생 12명이 해안가에서 미세플라스틱을 청소하는 습식 청소기를 개발했다. [4]
• 위 청소기는 물을 이용하여 밀도차로 인한 모래와 미세플라스틱의 분리를 이용한다.
• 기존에 밀도차를 이용해서 바람으로 모래와 미세플라스틱을 분리하는 기구가 있다.
• 본 개발에서는 밀도차를 이용하지 않고 물질의 정전기적 특성을 이용하여 모래와 미세플라스틱을 분리한다. 따라서, 밀도차를 이용하여 분리하는 기구들 보다 제거 능력에서 우위에있다.

마케팅 전략

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

• 정전기를 이용한 제거방법을 사용한다. 기존에 개발 중인 물을 사용하여 밀도차로 미세플라스틱을 제거하는 방법은 오염된 물을 다시 정화해야하는 단점이 있다. 정전기를 이용하므로 이러한 단점을 보완할 수 있다.
• 본 개발의 목적은 미세플라스틱 중 스티로폼수지를 제거하는 것이지만 이 기술에서 더 발전시켜 해안에 존재하는 여러 오염물을 제거하고 분류할 수 있을 것이라고 기대한다.
• 해안에 축적되어있는 미세플라스틱을 제거할 수 있다.

경제적 및 사회적 파급효과

• 해안 미세플라스틱 농도 감소로 인해 생물농축이 감소하여 잠재적 위험성을 낮춘다.
• 미세플라스틱으로 인해 발생할 보건환경과 관련된 부가적인 비용을 낮출 수 있다.
• 해양뿐 아니라 해안가 모래에 존재하는 미세플라스틱의 위험성을 각인시킬 수 있다.
• 본 개발을 통한 결과물을 이용해서 해안가 모래에 존재하는 오염물에 관한 연구에 사용될 수 있다.

구성원 및 추진체계

구성원: 고**, 양**, 채**, 허**

추진체계

설계

설계사양

1.제품 요구사항

2.목적계통도

목적계통도

3.설계사양

4.대전열

개념설계안

1. 기능 계통도
   
   

   

   기능계통도

2. 구상도

   

   구상도

   1. 설계 개요

      미세플라스틱으로 오염도어 있는 모래를 유입부에 투입시키고 마찰에 의해 대전된 미세플라스틱 입자가 털과 마찰되어 대전열 차에 의해 대전된 pvc필름에 의해 쿨롱힘을 받아 pvc필름으로 이동하다 벨트와 pvc필름 사이에 있는 틈으로 빠져 포집된다.

   2. 설계 역할
      1. 유입부

         모래와 미세플라스틱 혼합물을 벨트로 유입시키는 역할을 하며, 마찰에 의해서 미세플라스틱을 대전시킨다.

      2. 벨트

         모래를 운반하는 역할을 하며 이 구간을 지나며 정전기적 인력에 의해 미세플라스틱이 모래와 분리되게된다. 타이밍벨트, 벨트풀리, 모터로 구성되며 모터로 벨트풀리를 회전시키고 이와 연결되어있는 타이밍벨트가 돌아가며 작동된다.

      3. 유출부

         마지막으로 분리되지 않는 큰 고형물을 체를 이용하여 분리하고 나머지 정화된 모래를 수집한다.

      4. pvc필름부, 폴리에스터

         

         대전열, https://patents.google.com/patent/KR101749972B1/ko

         대전열상으로 멀리 떨어져있는 pvc와 인조합성섬유(폴리에스터)를 마찰시켜 큰 정전전압을 발생시킨다. 벨트의 양 옆에 2개 위치시켜 그 사이를 통과하는 미세플라스틱을 정전기적 인력으로 분리하는 핵심 부위이다.

3. QFD
   1. 고객 확인

      

      경남지역 지자체별 굴 양식장의 부자 사용량(음영표시)과 스티로폼 부자 쓰레기 발생량(파이그래프),이종명 등 , 경남 굴 양식장 스티로폼 부자 쓰레기의 발생량 추정과 저감 방안, 2016

      

      경남지역 굴 양식장 부자쓰레기 연간 발생량 추정, 이종명 등 , 경남 굴 양식장 스티로폼 부자 쓰레기의 발생량 추정과 저감 방안, 2016

      

      (A:우리나라지도 , B:통영시 광도면 위성사진 , C:통영시 광도면 부자 사진

      

      통영 해안가의 해양 쓰레기 퇴적물 분포 (A)는 macro[ >25mm] 물질의 구성비율 (B)는 micro[ 1-25mm]물질의 구성비율, 이종명 등 , 경남 굴 양식장 스티로폼 부자 쓰레기의 발생량 추정과 저감 방안, 2016

      파이그래프를 통해 경남 통영, 거제지역에 부자사용량이 많다는 것을 알 수 있다. 경남지역 굴 양식장 부자쓰레기 연간 발생량 추정 표에 그 발생량을 지역별로 보이고 있고, 통영 해안가의 해양 쓰레기 퇴적물 분포와 구성비를 통해 통영지역 해안가 퇴적물 쓰레기의 대부분이 스티로폼이라는 것을 알 수 있다. 따라서, 자료에서 확인할 수 있듯이 스티로폼 부자 사용량이 많아 해안가 모래에 많은 양의 미세 스티로폼이 퇴적되어 있는 통영지역을 대상으로 선정하였다. 지도를 통해 실제로 위성사진을 확인한 결과 통영지역 광도면에 다수의 스티로폼 부자를 확인할 수 있었고 인근에 모래로 이루어진 해안가가 있는 것을 확인하였다.

   2. 고객의 요구조건 확인

      

      경남 굴 양식장 스티로폼 부자 쓰레기의 발생량 추정과 저감 방안, 홍수연 등, 양식장 스티로폼부자 쓰레기로 인한 통영해변의 오염 평가, 2014

      지역어업인들의 의견에 공공근로인력을 이용하여 연안청소의견이 있으며, 연안미세플라스틱 중 대부분을 스티로폼 부이에서 발생한 입자들이 차지한다는 점을 확인하였다. 따라서, 통영지역 공무원들이 연안을 청소할 필요성이 있다. 이때, 연안 미세플라스틱의 대부분은 스티로폼 수지이므로 담당 공무원들은 해안에서 미세 스티로폼 수지를 청소할 수 있는 기구가 필요할 것이다. 추가적으로 지역 노인이나 저소득 계층을 해안가 쓰레기 청소에 참여시키는 정책이 가장 좋게 평가되고 있으며 실제로 사람들이 많이 방문한 해안가를 정화하기 때문에 매우 효과가 좋은 것으로 나타냈다 .따라서 우리 제품을 지역 주민들을 참여시켜 해안가모래를 청소하는 것에 사용한다면 좋은 시너지 효과를 가질 것이라고 예상할 수 있다.

      

      과거 수행한 해양쓰레기 대응 정책, 워크숍에서 나온 아이디어, 외국사례 중 평가 순위, 징용창 등, 스티로폼 부자 해양쓰레기 대응 정책 개발과 우선순위 평가, 2019

   3. 각 요구조건에 대한 상대적인 중요도 결정

      

      설계 과제의 중요도 순위

   4. 경쟁사 제품 확인 및 평가

      

      현대해양, 통영시 해안 정화활동

      그림에서 볼 수 있다시피 해안정화는 자원봉사자들의 별다른 제품 없이 노동력에 의존하고 있다. 또한 해안에서 퇴적되어있는 미세플라스틱을 제거하는 것이 아닌 폐 부자로부터 미세플라스틱의 발생을 저감하기 위한 수거작업이 주로 이루어진다. 현 상황에서 퇴적된 미세플라스틱을 제거할 별다른 수단이 없기 때문에 미세플라스틱 발생량 저감위주의 정책을 실시한다고 생각할 수 있다. 따라서 본 개발을 통해 발생량 저감이 아닌 퇴적되어있는 미세플라스틱을 제거할 수 있는 기구를 만들어야할 필요성이 있다.

   5. 설계 변수
      1. 기구의 크기
      2. 기구로부터 발생하는 소음
      3. 기구에 필요한 동력 공급
      4. 제품 내구성
      5. 해안가 특성 돌, 자갈등의 존재
      6. 미세플라스틱외에 큰 쓰레기
      7. 고객요구조건과 설계변수 사이의 상관 정도 규명 & 설계 변수들 사이의 관련성 규명
4. HOQ

   

   HOQ분석결과

이론적 계산 및 시뮬레이션

1. 시나리오
   1. 통영 지역의 해변을 조사한 논문에 따르면 통영 지역 13개 해변에서의 소형 쓰레기(1~25mm)의 평균 개수는 26971+-7028.5 개/m^2이다. 최대값인 34000개/m^2이 대상 해변에 있다고 가정한다.
   2. 지질학적으로 모래는 0.0625mm~2mm 사이의 크기를 갖는 입자를 의미한다. 그러므로 대상 해변의 모래 입자의 크기를 2mm로 가정한다.
   3. 과제에서 대상으로 설정한 발포 스타이렌 수지의 크기는 5mm이므로 모든 발포 스타이렌 수지 입자의 크기가 5mm라고 가정한다.
   4. 따라서 1m^2의 모래사장에는 10^6개의 모래 입자와 34000개의 발포 스타이렌 수지가 있다고 생각할 수 있다. 그러므로 모래사장에 존재하는 발포 스타이렌 수지의 개수비는 3.4%로 생각할 수 있다. 이러한 상황을 가정하여 실험을 진행한다.
2. 이론적 배경
   1. 쿨롱의 법칙은 다음과 같다.

      

      쿨롱의 법칙

      F:힘(정전기력), k:쿨롱상수 ,:각 물체의 전하크기, r:물체 사이 거리

      (k≒9*10⁹ N·m²·C⁻²)

   2. 1C의 두 물체가 1m에 있다면 9*10⁹N의 전기력이 작용한다.
   3. 설계상으로 유리하게 하려면, 대전되는 전하크기가 크고, 물체사이의 거리가 가까울수록 유리하다.
   4. 일반적으로 알려진 정전기의 대전열은 다음과 같다.

      

      대전열, https://patents.google.com/patent/KR101749972B1/ko

   5. 대전열의 차이가 클수록 물체 사이 이동하는 전자수가 많아지므로, 각 물체가 갖게 되는 전하(물체 사이 전하차)가 커지게 된다. 따라서, 대전열의 차이가 클수록 설계상 유리하다.
   6. 대전 물체사이 전자의 이동이 잘 일어나야 하므로, 마찰 횟수, 면적, 시간, 강도 등이 클수록 대전이 잘 일어난다는 것은 알았지만, 정확한 관계는 알아내기에는 어려움이 있다.
   7. 대전열의 차이가 큰 면(또는 양피), 염화비닐(PVC)소재를 이용하여 설계에 유리하도록 했다. 또한 마찰시간, 면적 등은 모터의 회전운동을 통해 마찰이 지속적으로 일어나게 하여 설계에 유리하도록 했다.
   8. 전하와 전류, 전압식의 관계는 다음과 같다.

      

      전하, 전류 관계

      Q=I·t, V=IR, I=V/R

      (V;전압, I:전류, R:저항, Q:전하)

   9. 위의 식에 따라 전하가 높아지려면 전압이 높아지거나 저항이 낮아져야한다. 설계조건에서는 전압상승이 현실적인 방법이다.
   10. 두 금속판을 이용하면 금속판 사이의 전기용량이 발생한다.

       C=Q/V

       C=εS/d

       Q=C·V=εS/d·V

       (C:전기용량, Q:전하량, ε:유전율, S: 금속판의 면적, d:금속판 사이의 거리)

       (전기용량단위:패럿)

       (진공상태의 유전율:8.854×10^-12 F/m, 공기상태의 유전율≒진공상태의 유전율)

   11. 전하량이 커지기 위해선 전기용량이 커야하고, 그러기 위해선 금속판의 면적이 크고, 금속판 사이의 거리가 좁아야한다.
   12. 위와 같이 설계에 유리한 조건을 알았지만, 일상생활에서 발생하는 정전기와 비슷한 고전압을 내기에는 다루기 위험하고 어려웠다. 실제 낮은 전압과 금속판을 이용한 실험은 성공적이지 못했다. 따라서 위에 언급한 마찰을 이용한 대전을 이용하기로 했다
3. 이론적 계산
   1. 마찰에 의해 PVC필름이 대전되는 양, 모터의 동력, 동력에 의해 생기는 마찰전기의 전압, 대전되어잇는 미세플라스틱이 받는 전기력, 전기력에 따른 컨베이어벨트의 최적위치 선정 등의 사항을 결정하였다.
      1. 모터의 회전수

         정격전압 12V, 470rpm의 성능을 가지고 있다. 이때 회전체의 직경 15cm, 질량 300g을 고려하면 최대치인 470rpm으로 모터가 가동될 수 있다.

      2. 정전기(Electronic ststic discharge) 전압

         전기중 흐르지 않고 멈춰있는 전기를 정전기라고 한다. 이는 부도체에서만 생기는 현상이며, 다른 대전열을 갖는 두 물질이 마찰할 때 전자가 탈락하고 얻어지는 과정에서 정전기가 생기게 된다.

         정전기 전압은 주변 습도에 큰 영향을 받는다. 공기중 수분이 전자의 운반체 역할을 할 수 있기 때문이다.

         

         일상생활 중 발생하는 정전기 전압, LG전자 정전기 교육자료

         일반적으로 정전기에 의해 발생하는 전압은 굉장히 고전압이다. 하지만 전류가 작아 인체에 해를 줄 정도는 아니지만 전자기기 등의 고장 원인이 되며, 가벼운 머리카락, 비닐, 스티로폼 같은 물질은 정전기 전압에 의해 발생하는 쿨롱힘으로 이동이 가능할 정도의 힘이 생긴다.

         따라서 이번 과제에서는 대전열 차이가 큰 PVC와 Nylon털을 이용하여 정전기 전압을 발생시킨다. 또한, 위 참고자료를 통해 일반적으로 약 15kV의 정전기 전압이 발생한다고 가정했다.

      3. 대전열과 모터의 동력을 고려한 마찰전기의 전하량

         실제로 자연상태에서 퇴적되어있던 미세스티로폼이 가지고 있는 정전기의 전하량을 추정하기 쉽지 않다. 따라서, 이론적으로 거리에 따른 미세플라스틱이 받을 쿨롱힘을 산정할 수 없어, 실험을 통해 쿨롱힘을 산정하였으며 이를 통해 미세플라스틱의 전하량을 역으로 추적하였다.

         설계를 위해 수행한 실험을 수행하였다. 지면으로부터 약 15cm 높이에서 마찰에 의해 대전되어 있는 PVC필름으로부터 거리를 달리해가며 미세플라스틱이 붙는지 붙지 않는지를 측정하였다.

         

         실험 결과

         실험결과에 따라 PVC필름으로부터 15cm 거리일 때가 미세플라스틱이 땅에 떨어지지 않고 필름에 붙을 수 있는 한계 거리임을 알 수 있었다.

         중력가속도(g) = 9.8m/s^2 일 때, 땅으로부터 거리와 PVC필름으로부터의 거리가 같을 때가 임계 거리이므로, 쿨롱힘에 의한 가속도가 중력가속도와 같은 9.8m/s^2이라는 것을 알 수 있다. 그러므로, 계산 결과는 다음과 같다.

         

         계산 결과

      4. 컨베이어벨트 최적위치 선정 및 운반 소요동력 계산

         컨베이어벨트의 양쪽에 PVC필름이 있는 구조이다. 그러므로, 컨베이어벨트와 필름사이의 거리는 적어도 필름의 높이보다 작아야한다. 따라서 컨베이어벨트와 필름사이의 거리는 10cm로 산정하였고, 컨베이어 벨트의 폭도 10cm로 하였다.

         하향경사는 없다고 가정하면 컨베이어벨트의 운반 소요동력 P는 P1+P2이다. 회전저항이 양호할 경우 f는 0.22의 값을 가진다. belt의 속도는 조절이 가능하다는 가정하에 우선 0.8m/min으로 생각한다. l은 2m 설정한다. 한 번에 흙을 퍼낼 수 있는 버켓(SOLAR010)의 용량이 0.02 m^3 이라고 할 때, 모래의 비중이 1.7 이므로 한 번의 퍼냄으로 34kg의 흙을 퍼낸다. 1회 작동시 5분이 걸린다고 가정하면 1시간 동안 12회 작동이 된다. 따라서 Q는 약 4 t/hr의 값을 가진다.

         

         계산 결과

         컨베이어 벨트는 길이 2m, 폭 0.5m 이며, 계산에 의해 얻어진 동력원 이상을 공급할 수 있도록 할 것이다. 위의 값을 계산한 결과 P1은 0.158kW, P2는 0.96kW의 값을 가진다. 경사는 없다고 가정하므로 P3의 값은 제외한다. 따라서 컨베이어 벨트를 구동하는 데 필요한 동력 P는 1.118 kW가 된다. 여기에 모래 및 여러 불순물에 의한 모터의 효율을 약 0.7이라고 고려한 Pm 값은 1.597 kW이다.

   2. 소요시간 및 비용

      한번에 흙을 퍼낼 수 있는 버켓(SOLAR010)의 용량이 0.02 m3 이라고 할 때, 모래의 비중이 1.7 이므로 한번의 퍼냄으로 34kg의 흙을 퍼낸다. 경사로에서의 모래는 연속적으로 떨어지므로 시간변수에서 제외한다. 컨베이어벨트 1회 가동시간이 2.5분이고 34kg의 모래를 선별하기 위해서는 2회전을 해야 하므로 1 bucket을 처리하는데 약 5분의 시간이 소요된다.

      대상지역은 통영공설해수욕장으로 총 면적은 8,715m2 이고 백사장의 면적은 7,500m2 이다. 그 중 바다에 밀물 때를 기준으로 해변으로부터의 최대거리가 3m인 지점을 대상지역으로 정한다. 따라서 적용가능한 면적은 약 3,000m2으로 보고 처리용량을 계산하고자 한다.

      작업공간을 1.5m2 으로 정하면 2000개의 작업공간이 생긴다. 1.5m2의 공간을 정화하는데 약 16 ~20 bucket으로 처리해야 하므로 1 처리공간당 소요시간은 1시간 반이 소요될 것으로 예상된다. 따라서 10대를 투입하여 정화작업을 한다고 가정했을 경우, 하루 8시간씩 작업한다면 약 38일이 소요될 것으로 예상된다.

      노동자 일급을 보통임부로 설정하여 하루임금 130,264원으로 책정하여 인건비를 계산하고자 한다.(출처: 대한건설협회) 총 10명의 인부를 고용하면 하루 인건비는 1,302,640원이고 총 소요시간을 곱하여 계산하면 49,500,320원의 비용이 필요하다.

부품도

1. 부품도

   

   부품도

   전체적인 골격은 아크릴 소재 판을 이용하여 제작하였다. 그 외 다른 재질로는 컨베이어벨트 양 옆에 PVC필름을 배치했으며 컨베이어벨트, 마찰대전부 등에 필요한 모터는 12V, 470rpm모터를 사용하였다. 폭은 총 60cm, 높이 50cm, 길이 2m이다.

모의 실험 결과

1. 실험 1, 2, 3을 통하여 확인한 실험 결과는 다음과 같다.

   

   모의 실험 결과

   모래 제거율: 54.93 %

   발포 스티로폼 제거율: 90.54 %

2. 실험 결과를 통해서 발포 스티로폼의 제거 효율을 충족시키는 것을 확인했으나 모래의 제거율도 매우 높은 것을 확인했다. 모래의 제거율이 높으면 제품으로 사용하기에 부적절하므로 원인을 찾고자 하였다. 컨베이어 벨트의 이상으로 인하여 벨트가 튀는 현상이 모래의 제거율을 높임을 확인하였다.
3. 컨베이어 벨트의 이상이 원인임을 확인하기 위하여 컨베이어 벨트를 구동하지 않은 상태로 모래와 발포 스티로폼이 혼합된 시료에 대해서 실험을 진행하였다.
4. 컨베이어 벨트를 구동하지 않고 실험을 진행한 결과 발포 스티로폼의 제거율은 94.29 %, 모래의 제거율은 5.1 %로 확인되었다.
5. 모의 실험 결과 발포 스티로폼이 장치에 의해서 제거되는 것을 확인하였으며 모래의 제거도 확인하였으나 컨베이어 벨트의 튀는 현상이 없다면 제품으로 사용할 수 있을 정도의 제거율을 보일 수 있을 것이라고 생각하였다.

자재소요서

결과 및 평가

완료작품 소개

프로토타입 사진

프로토타입 사진

포스터

1. 

   모의 실험 결과

개발사업비 내역서

완료 작품의 평가

향후평가

• 연안에서 실제 모래를 본 기기로 처리하기에 적절하게 건조시킬 수 있는 전처리 공정을 설계하였는가.
• 차량등의 이동수단에 잘 적용되어 함께 작동할 수 있는가.
• 실질적으로 이 방법으로 미세플라스틱을 제거하는 것이 실효성이 있는가.
• 이 기기를 통해 연안 환경이 얼마나 정화되었는가.

부록

참고문헌 및 참고사이트

1. Jongyoung Lee, et all., Distribution and Size Relationships of Plastic Marine Debris on Beaches in South Korea (2015)
2. 경향신문, ‘미세플라스틱 골칫거리 된 부이’ 중,

   http://news.khan.co.kr/kh_news/khan_art_view.html?art_id=201906290600105

3. http://www.korea.kr/news/policyNewsView.do?newsId=148856701
4. ‘미세 플라스틱만 ‘쏙쏙’…세계 최초 ‘해변용 진공 청소기’ 개발한 대학생들‘, 서울신문

   https://m.seoul.co.kr/news/newsView.php?cp=nownews&id=20190702601007

5. 혼합 폐플라스틱 종합 자동선별분리기술 개발‘, 자원재활용기술개발사업, 수원대학교
6. ’마찰하전형정전선별법에 의한 혼합 폐플라스틱 재질별 분리기술 개발‘, 자원재활용기술개발사업, 한국지질자원연구원
7. Guiqing Wu, Jia Li, Zhenming Xu, ’Triboelectrostatic separation for granular plastic waste recycling: A review‘, Waste Management 33 (2013), 585
8. 이종명 등 , 경남 굴 양식장 스티로폼 부자 쓰레기의 발생량 추정과 저감 방안, 2016
9. 홍수연 등, 양식장 스티로폼부자 쓰레기로 인한 통영해변의 오염 평가, 2014
10. 징용창 등, 스티로폼 부자 해양쓰레기 대응 정책 개발과 우선순위 평가, 2019
11. 현대해양, 통영시 해안 정화활동
12. https://patents.google.com/patent/KR101749972B1/ko
13. LG전자 정전기 교육자료

관련특허

1. 정전기를 이용한 건축폐기물처리장치용 이물질 분리장치 (출원번호: 10-2006-0070449)
2. 폴리에스테르와 나일론이 혼합된 혼합플라스틱의 재질분리방법 및 이를 위한 마찰하전형정전선별장치 (출원번호: 10-2008-0058251)
3. 에이비에스(ABS)와 피에스(PS) 혼합폐플라스틱 재질분리를 위한 마찰하전형정전선별 방법 (출원번호: 10-2013-0141029)
4. 밀도차 분리를 이용한 순환 토사 내 이물질 분리장치(출원번호: 10-2016-0108948)