"5조- 모럭모럭자라조"의 두 판 사이의 차이

2021년 12월 13일 (월) 22:22 기준 최신판

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 폐 모발 재활용을 통한 친환경 비료 제조 설비

영문 : Facilities for manufacturing eco-friendly fertilizers through recycling waste hair

과제 팀명

모(毛)럭모(毛)럭 자라조

지도교수

장서일 교수님

지도멘토

김태훈 멘토님, 김성준 멘토님

개발기간

2021년 9월 ~ 2021년 12월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 환경공학부 20168900** 김**(팀장)

서울시립대학교 환경공학부 20168900** 박**

서울시립대학교 환경공학부 20168900** 백**

서울시립대학교 환경공학부 20178900** 권**

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

◇ 점진적으로 증가하는 폐 모발의 재활용은 무궁무진한 부가가치 창출의 가능성을 보유하고 있으며, 이를 통해 폐기물 처리비용 저감 및 환경보전에 기여가 가능하다.

◇ 현재 대한민국 내 운영되고 있는 수많은 미용실은 폐 모발의 배출점으로서 제품의 설치 시 해당 배출점에서의 배출량 감소 및 관리의 용이함을 꾀할 수 있다.

◇ 폐 모발의 알칼리성 환경에서의 열처리를 통한 생물학적 유용물질을 회수 및 전환하여 비료를 생산한다. 이러한 과정을 통한 재활용은 기존 폐 모발의 매립으로 발생하는 매립 비용 저감과, 소각 과정에서 발생하는 질소와 황산화물의 발생을 차단함으로써 광화학반응에 의해 유래하는 대기오염원인 저감 효과 또한 기대할 수 있다.

◇ 비료 제조공정의 간소화 및 소형 비료제조설비와 양질의 비료를 통해 미용실에서는 폐 모발 처리비용의 감축과 비료 판매를 통한 부가가치의 창출을 가능케함을 목표로 한다.

◇ 자영업자의 참여 독려를 위해 세금 혜택 및 여러 방안을 마련하여 폐기물 처리비용 절감 및 자영업자의 납세 부담을 경감할 수 있는 재활용의 선순환 구조를 확립.

개발 과제의 배경 및 효과

◇ 인간은 평균 10만개의 머리카락을 지니고 있으며, 현대사회에서 단정한 두발 상태는 사회생활에서 당연시되는 요소이다. 따라서 대한민국의 국민이라면 영유아기부터 미용실을 이용하며, 미용실을 이용하며 발생하는 폐 모발의 자원화가 가능하다면 무궁무진한 부가가치 창출 및 환경보전을 꾀할 수 있을 것이다.

◇  행정안전부의 자료에 따르면 2020년 11월 기준 대한민국에서 영업 중인 미용실 수는 약 11만개로, 10년 사이 28%의 증가율을 보이며 폐 모발의 배출량이 전체 인구수와 비례하는 특성을 지님에도 그 배출점은 지속적으로 증가해왔음을 알 수 있다.

◇ 폐 모발은 연간 약 4436.48t 가량이 발생되는데, 그 중 대부분이 미용실에서 발생하는 폐모 발로, 배출량이 1일 평균 300㎏ 미만인 소규모 사업장의 생활계 폐기물의 일반 생활폐기물에 해당되어 일반 폐기물 봉투에 다른 일반쓰레기와 혼재되어 담기거나, 폐기물 봉투에 분류되어 처리되는 실정이다.

◇  이러한 폐 모발은 음식물 또는 분변과 같이 생물학적 유기물의 범주에 속하지만, 미생물의 생장이 불가능하기에 생화학적 물질 구성이 보존될 수 있는 특성을 지녀 장기간 저장 시 플라스틱과 같은 속도로 분해되어 토양오염의 원인이 될 수 있는 동시에 일정한 품질의 목적성 재활용이 용이하다는 장점을 지닌다. 폐 모발의 열화학적 분해 시 대략 21가지의 아미노산을 회수할 수 있는데, 이 중 일부는 음식의 맛을 내는 조미료의 성분으로 사용될 수 있어 폐 모발을 활용한 간장을 만들었다는 기록이 있을 정도이다.

◇  프랑스와 일본의 경우, 폐 모발의 재활용 사업의 일환으로 해양오염 흡착물질로써 사용되고 있으나, 국내의 경우 폐 모발 폐기물에 대한 재활용 사례 및 연구가 미비한 실정이다.

◇  따라서 우리는 상용화를 목표로 한 폐 모발의 재활용 설비 및 시스템을 구상하여 궁극적으로 자원의 재활용과 폐기물 발생의 감소를 목표한다.

기대 효과

◇ 폐 모발의 재활용을 통해 지자체 및 소규모 사업자의 폐기물 처리 비용을 감축한다.

◇ 증가하는 인구 수에 따라 증가하는 폐기물에서의 부가가치 창출을 가능케 한다.

◇ 폐 모발 매립 및 소각으로 인해 발생하는 악취 및 대기오염 저감에 기여한다.

◇ 자영업자의 납세 부담을 완화하는 제도 마련을 통해 자원 선순환 구조 수립.

개발 과제의 목표 및 내용

◇ 기능적인 측면

1. 폐기물로 버려지는 사람의 모발은 티클 세포층, 모피질의 케라틴 단백질, 멜라닌 색소분자, 모수질 세포질등으로 이루어져 있는데, 이를 알칼리성 환경에서 열처리를 통해 가수분해하여 화학적 구조물을 생물학적인 유용물질로 전환시켜 유기질 비료로 제조한다.

2. 기존 폐 모발의 매립으로 발생하는 토양오염과 생태계의 교란을 예방할 수 있으며, 소각과정에서 발생하는 질소와 황산화물의 발생을 차단함으로써 광화학반응에 의해 유래하는 대기오염원인을 저감할 수 있는 녹색기술로써 개발한다.

3. 비료화가 진행되고 있고 가능성이 높은 음식물 쓰레기와 하수처리장 슬러지 보다 생산 공정이 간단하고 부가적으로 분리하여 폐기해야 할 잔류 물질이 적다.

4. 화학적으로 유해성이 없으면서 고농도의 탄소, 질소와 황을 함유하고 있어 유기질 비료로서의 우수한 기능을 한다.

5. 각 동마다 위치하는 주민 센터에 비료화기기를 비치하며, 미용실 관계자들이 모아둔 폐 모발을 주민 센터에 제출하면 기기 관리자는 이를 기기에 투입하여 비료를 제조한다.

◇ 적용성 측면

1. 모발비료 제조에 협업한 미용실에 바로 비료화 가능한 수거장치를 설치하여 별도의 비료제작 공장을 건설할 필요가 없다.

2. 2021년부터 미용실의 경우 10만원 이상의 결제 시 현금영수증 의무화 등 국세청의 미용실에 대한 세무조사가 더욱 강경해진 가운데, 자발적 참여를 유도하기 위해 폐 모발 제출량에 따른 부가가치세 부담 절감형식의 인센티브나 친환경 미용실로 지정하여 혜택을 준다.

3. 비료가 얼마나 찼는지 시스템으로 확인할 수 있게 하여 비료가 가득 찬 기기는 방문하여 제조된 비료 수거 및 제조에 필요한 재료들을 다시 채워 넣는다.

◇ 디자인 측면

1. 직사각형으로 제작하며 주변 환경을 헤치지 않게끔 적절한 크기로 설계한다.

2. 본체는 모발 투입구, 비료 배출구 2개로 나뉘며 투입된 모발에 의해 제조된 비료는 배출구를 통해 자판기 형식으로 다른 사용자에게 제공된다.

3. 모발 투입구에는 모발 외에 다른 물질들을 투입하는 것을 방지하기 위해 본인을 인증해야 투입구를 개방할 수 있게 시스템을 구축한다.

◇ 경제적 측면

1. 미용실 개인사업자는 처리해야 하는 일반쓰레기 양이 줄어드니 처리비용을 감소시킬 수 있다.

2. 개인사업자의 재활용 참여 독려를 위한 제도 마련을 통해 사업자에게는 감세의 혜택을, 지자체에서는 폐기물의 처리비용을 감소의 효과를 얻을 수 있다.

3. 비료화기기 유지비용, 수거비용 등을 최소화하고 제조된 비료를 판매하여 수익을 창출한다.

4. 기존의 비료 생산 공정에 비해 저가의 고품질 비료의 간단한 생산을 통해 수요자에게 경제적인 비료 공급을 가능케 한다.

관련 기술의 현황

관련 기술의 현황 및 분석(State of art)

• 전 세계적인 기술현황

◇ 폐 모발 퇴비화

1. 서경대학교 대학원에서 폐 모발의 재활용 필요성과 적용 결과를 분석한 논문을 2012년 2월에 발표하였다. (오세옥, “폐 모발의 재활용 필요성과 적용”, 서경대학교 대학원 미용예술학과 헤어전공, 2012)

2. 국내 (특허명 : 폐 모발의 가수분해 및 미생물 발효에 의해 제조된 유기질 비료의 조성물 및 이의 제조방법, 출원번호 10-2010-0111020) : 폐기물로 버려지는 사람의 모발을 알칼리성 환경에서 열처리를 통해 가수분해하여 얻은 유기질 비료 조성물 및 이의 제조방법에 관한 것

• 특허조사

• 특허전략

◇ 신규성

1. 기존의 비료 시장에는 폐 모발을 재활용한 친환경 비료가 사용되고 있지 않았으나, 본 발명에서는 폐 모발을 재활용한 비료의 생산과 공급을 동시에 하고자 한다.

2. 폐 모발을 비료화하는 장치는 개발되지 않았으나, 처리 과정이 비슷한 가축 사체를 이용한 비료 제조 장치의 구조를 활용하여 폐 모발의 알칼리화, 가수분해, 중화를 가능하게 한다.

◇ 진보성

1. 미용 업체의 자발적인 재활용 참여를 유도하며 이를 통해 수거 비용도 최소화할 수 있다.

2. 네트워크를 융합한 비료 제조 장치를 통해 폐 모발의 배타적인 수거를 가능케 하여 양질의 비료를 생산할 수 있다.

3. 폐 모발을 활용한 비료 제조 장치와 자판기 시스템을 융합시켜 제조와 동시에 외부로의 추출을 가능하게 한다.

4. 기존 가축 사체의 액화 비료 제조 장치를 활용한 비료 제조에는 가축 사체의 잔여물이 발생하지만, 폐 모발을 본 장치에 적용하면 별도의 잔여물이 발생하지 않는다.

• 기술 로드맵

시장상황에 대한 분석

• 경쟁제품 조사 비교

◇ 음식물 찌꺼기를 이용한 액체 비료의 제조 방법

1. 제조 원리: 음식물 찌꺼기를 교반기가 달린 고압 반응기에 넣고, 알칼리, 고온 상태에서 가수분해 후 중화시킨다. 그 후 다른 유기물을 첨가하여 유기질 비료를 제조한다.

2. 음식물 찌꺼기는 완벽한 분리수거, 분쇄, 액화, 발효, 염분 제조공정 등의 과정을 통해야만 유기질 비료화가 가능하다.

◇ 방사선을 이용한 축산 액비의 제조 방법

1. 제조 원리: 축산폐수에 방사선 전처리를 통해 폐수 내의 각종 항생 물질, 일반 세균 및 대장균을 제거함으로써 액비를 제조한다.

2. 액비의 장기간 보존성을 높였으나, 가축의 분뇨와 사육과정에서 발생되는 유해한 물질을 여과 없이 그대로 비료화했기 때문에 식물의 재배에는 유해한 성분이 그대로 식물에 흡수될 우려가 있다.

◇ 폐 음료수를 이용한 액체비료 제조 방법

1. 제조 원리: 폐 음료수를 전기분해와 증발 응축하여 액체 비료를 제조한다.

• 마케팅 전략 제시

◇ SWOT분석

◇ 운영 시스템

1. 각 동마다 위치하는 주민 센터에 비료화 기기를 비치하며, 미용실 관계자들이 모아둔 폐 모발을 주민 센터에 제출하면 기기 관리자는 이를 기기에 투입한다. 

2. 수거된 폐 모발은 장치 내에서 화학적 처리를 통해 비료화가 진행된다.

3. 생산된 비료는 장치 내 별도의 저장 탱크에 저장되며, 이는 자판기 형식으로 수요자에게 판매된다.

◇ 판매 대상

1. 비료화기기 : 지자체와 협의하여 동 단위로 설치 예정이다.

2. 퇴비 : 설치된 기기 인근의 모든 수요자들에게 판매될 예정이다.

◇ 홍보 및 활성화 방안

1. 미용업계 종사자들에게 수거 참여 정도 파악을 위한 어플리케이션 설치 및 누적 수거량에 대한 감세 혜택을 홍보하여 수거 시스템의 참여를 유도한다.

2. 폐 모발 수거에 동참한 미용실의 입구에는 친환경 미용실 인증 마크를 부여하여 친환경 이미지를 구축하고 이를 통해 폐 모발 수거 시스템을 홍보한다.

◇ 제도 도입

1. 세금 감면 혜택 : 폐 모발의 재활용을 통해 산출된 경제적 가치를 고려하여 종합 소득세 산정 기준 일정 소득 이상에 해당하는 자영업자(미용실 운영자)에게 폐 모발 재활용에 제출한 모발의 양 기준에 따른 세금 감면 혜택 차등 제공. 관련 내용의 입법 조치 추진.

2. 미용실 규모 및 이용자 수를 고려한 미용실별 폐 모발 제출량에 따른 ‘친환경 미용실’ 자격 부여 및 인증 스티커 제작 및 부여한다.

3. 지방자치 조례안으로 폐 모발 제출을 의무화하며, 규모 및 이용자 수를 합리적으로 고려하여 기준량 미달 미용실에 대하여 환경부담금을 부과한다.

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

◇ 미용 업체가 자발적으로 참여하는 수거 체계를 구축함으로써 폐 모발의 수거를 원활히 한다.

◇ 퇴비의 생산과 공급이 동시에 가능한 기기를 개발하여 생산 시스템의 규모를 최소화하여 폐 모발의 자원화 및 판매가 가능하다.

◇ 폐 모발의 매립에 의해 발생하는 토양의 오염과 생태계의 교란을 예방하고 소각 과정에서 발생하는 질소와 황산화물의 발생을 차단한다.

경제적, 사회적 기대 및 파급효과

◇미용사의 자발적 수거 참여를 유도함으로써 폐 모발 수거 비용을 최소화한다.

◇폐 모발의 재활용을 통해 지자체의 폐기물 처리 비용을 감축한다.

◇미용업체 및 시민들의 폐기물 재활용 인식 개선을 통해 궁극적으로 자원순환사회를 구축한다.

기술개발 일정 및 추진체계

개발 일정

구성원 및 추진체계

◇ 권수빈 : 아이디어 및 제품의 이론적 설계, 논문자료 조사
◇ 김우석, 박재훈 : 제품의 외관 및 내부 상세 설계 및 계산
◇ 백승규 : 시장조사 및 경쟁력 계산, 소프트웨어 설계
◇ 공동 : 제품 설계 및 보완점 파악, 보고서 및 발표자료 작성

설계

설계사양

제품의 요구사항

가. 제품 요구사항

제품의 요구사항을 목록으로 나타내었다. 각 요구사항은 D(Demand, 반드시 고려할 사항)와 W(Wish, 상황에 맞게 고려할 사항)로 구분하였으며, 중요도의 순서에 따라 대, 중으로 표기하였다.

나.목적 계통도

◇ 본 설계의 목적계통도는 5가지 요소인 기능성, 환경성, 심미성, 경제성, 효율성에 따라 나타내었으며, 세분화한 항목에 따라 지닌 장점에 대해 파악해 볼 수 있다.

1. 기능성 : 폐 모발의 비료화가 진행되기 위해서는 알칼리, 고온 상태에서 가수분해를 진행해야 하기에 화학반응조의 온도와 중량을 아두이노를 이용해 파악하고 단계적으로 화학반응 절차를 진행할 수 있도록 설계한다. 또한, 생성된 비료를 자판기 형식으로 판매하기 위해 투입금액에 따른 비료랑 조절을 할 수 있게 아두이노를 활용한다. 또한 마일리지 형식으로 혜택을 주기 위해 미용 업계에서 제출한 폐 모발량을 산정할 수 있도록 QR코드 기기인식과 어플리케이션을 연동시킬 수 있게 설계한다.

2. 환경성 : 기존 일반 쓰레기와 혼재되어 매립 및 소각처리되던 폐 모발을 비료로 재활용함으로써 대기오염 문제, 매립지 문제를 해결할 수 있다.

3. 심미성 : 폐 모발 수거와 비료의 공급을 동시에 처리하기에 타 비료화 공정에 비해 공정이 간단하고 이에 따른 크기도 적절할 것이며 주변 환경과 조화롭게 설치할 수 있다.

4. 경제성 : 자발적 참여를 유도하여 수거비용, 비료화 기기 운전 및 유지 비용을 최소화, 비료판매 수익 등을 통해 경제성을 확보할 수 있다. 

5. 효율성 : 오염 발생자의 지위를 지닌 미용업자의 직접적인 폐 모발의 제출을 독려를 가능케 하여 수집 및 운반의 추가적인 절차가 생략 가능하여 효율적인 시스템 운용 및 처리가 가능.

다. QFD

QFD 결과해석을 통하여 고객 요구에 따른 기술적 요구의 중요도를 알 수 있으며, 그 결과에 따라 가수분해의 효율성과 비료의 생산수율이 타산이 가장 맞을 것에 집중하여 연구를 진행해야 함을 알 수 있다.

◇ Demanded Quality : 고객 요구사항

◇ Quality Characteristics : 기술적 요구사항

- 모니터링 시스템의 정보가 정확할 것 : 모발 투입구와 보관조

- 크기/규모가 적당할 것 : 장치의 크기

- 가수분해가 잘 진행될 것 : 가수분해조

- 중성화가 잘 진행될 것 : 중화조

- 반응조에서 저장조로 이동시키는 펌프가 잘 작동할 것 : 운송펌프

- 온도 센서가 잘 작동할 것 : 가수분해조

- 비료화가 진행되는 중 비료의 반응조끼리의 이동이 원활할 것 : 연결부·접합부

- 비료의 저장 탱크의 용량이 충분할 것 : 저장조

- 비료의 생산수율이 타산이 맞을 것 : 가수분해조, 중화조

- 투입 금액에 따른 비료량 조절이 정확할 것 : 저장조

개념설계안

가. 폐 모발 퇴비화 및 판매장치

◇ 본 발명의 비료화 기기는 위 그림과 같이 구성된다. 각 장치에서의 처리 과정은 다음과 같다.

(가) 모발보관조 : 모발 투입구 밑에 QR코드를 태그하면 모발을 넣을 수 있도록 투입구가 열리며 모발을 넣으면 모발 보관조에 저장되고 일정량의 무게에 도달하면 가수분해조로 이동한다.

(나) 가수분해조 : 모발을 알칼리성 수용액과 접촉시켜 모발 가수분해 알칼리 액을 만든다/ 이 때 0.3 ~ 1 M의 알칼리성 수용액에 모발을 침적시키고 상기 모발이 침적된 알칼리성 수용액을 밀폐된 공간에서 80~ 150oC에서 10분 내지 1시간 동안 가압 처리하여 수행하며 일정량의 무게에 도달하면 중화조로 이동한다.

(다) 중화조 : 가수분해조에서 얻은 가수분해 액에 인산을 첨가하여 pH를 7~8로 중화시켜 모발 가수분해 중화액을 만든다. 이 중화액을 펌프를 이용해 저장조로 끌어올린다.

(라) 저장조 : 생성된 액체 비료의 저장공간이며 외부에서 금액을 투입하면 투입된 금액에 따른 비료의 량을 산정하여 외부로 추출한다.

(마) 외부 추출구 : 비료 수요자는 외부 추출구에 비료를 담을 용기를 두어 비료 얻음으로써 비료를 구매할 수 있다.

(바) 알칼리 용액 보관소 : 수산화나트륨 : 수산화 칼륨 : 수산화 칼슘 = 5~10 : 0.5~1.5 : 1의 비율로 혼합한 용액을 보관한다.

(사) 산성 용액 보관소 : pH를 7~8로 조절할 수 있도록 인산의 농도가 7~15M이 바람직하며, 이 중 10M이 가장 바람직하다.

(가) -> (나) -> (다) -> (라) -> (마)의 순서에 따라 폐 모발의 수거부터 비료화, 판매 처리까지 이루어지며, (바) 와 (사)는 가수분해와 중화에 필요한 용액을 보관하는 장소이며 주기적인 관리가 필요하다.

나. 수거 및 판매 시스템

◇ 어플리케이션 개발

폐 모발 퇴비화 및 판매 장치의 효율적인 운영을 위한 어플리케이션으로, 개발명은 “퍼틸헤어”이다. “퍼틸헤어”는 비료의 “Fertilizer”과 모발이 “hair”를 결합하여 구상하였다. 상기 어플리케이션을 통해 미용실 종사자에게는 미용실 인증 QR 코드와 폐 모발 제출현황 등을, 소비자에게는 주변에 이용 가능한 장치의 위치와 각 장치의 저장된 비료 현황 등을 제공한다. 미용실 종사자는 어플리케이션을 통해 누적 폐 모발 제출량을 알 수 있으며, 이 자료를 기반으로 친환경 미용실 인증마크를 부여받게 된다. 소비자에게는 각 장치에 어떤 미용실이 얼마만큼의 모발을 제출하였는지 공개하여 약간의 홍보효과를 얻는다. 어플리케이션의 하단에는 광고배너를 띄워 어플리케이션 및 장치를 유지하는데 필요한 자금을 확보하여 경제성에 기여할 수 있도록 한다.

◇ 어플리케이션을 이용한 수거방법 및 활용방안

미용실 종사자만이 어플로 생성된 QR 코드를 통하여 장치의 폐 모발 투입구를 열 수 있다. 이를 통해 제 3자의 이물질 투입을 방지하여 비료의 품질을 확보할 수 있다. 또한 소비자 역시 어플리케이션을 통해 주변의 장치의 위치를 알 수 있으며, 각 장치에 저장된 비료의 양을 미리 확인하여 구매하는데에 불편함이 없도록 할 수 있다.

이론적 계산 및 시뮬레이션

◇ 하루 수거되는 폐 모발량 산정

- 전국에 있는 미용실 개수를 조사하였더니 125,871개가 나왔으며(2021 전국 미용실 이용원 주소록 CD, 컨텐츠에그 편집부) 약 126,000개로 산정하였다. 각 동마다 비료장치를 설치하기위해 휘경동 기준으로 하루 폐 모발 발생량을 산정하기 위해 전체 미용실 수에 우리나라 전체 인구에 대한 동대문구 인구수를 곱하고 실험을 하기 위해 휘경동 께딸헤어에서 3일간 모은 머리카락 무게가 약 900g으로, 하루 모발 수거량은 300g으로 산정하여 곱하였다. 이 값에 동대문구에 총 21개동이 있으므로 21로 나누어 휘경동 하루 폐 모발 발생량 약 11,684g을 산정하였다.

◇ 하루 생산되는 비료량 산정

- 특허에 나와있는 가수분해 용액 혼합 농도 비율을 참고하여 실험을 진행하였다. 수산화나트륨 : 수산화칼륨 : 수산화칼슘 = 5~10 : 0.5~1.5 : 1 의 비율로  0.3 ~ 1M의 알칼리성 수용액을 만들어야 하므로, 약품 사용을 최소화 시키기 위해 최저 비율로 0.3M 알칼리성 수용액을 만들었다.

- 위 비율에 따라 Ca(OH)2 = 17.09g, NaOH = 0.92g, KOH = 2.59g, 증류수 1L를 혼합하여 0.3mol/L 알칼리성 수용액을 온도 80~100oC에서 약 45분간 가열하여 가수분해하였다. 가수분해 완료한 폐 모발 알칼리성 수용액의 pH는 12.06이였으며, 진한 인산 약 5ml를 첨가하여 적정 pH범위 7~8인 7.45로 맞추었다. 따라서, 위 실험을 통해 폐 모발 500g당 액체 비료 1L를 만들 수 있다는 것을 확인하였다. 앞서 산정한 휘경동 하루 페 모발 발생량 11,684g을 500g으로 나눠 하루 휘경동에서 23.37L 비료가 생산되며, 약 25L로 산정하였다.

◇ 장치 크기 산정

- 위에서 산정한 비료 발생량에 따라 장치크기를 설계하였다. 하루 최대 비료 발생량인 25L를 근거로 여유고를 반영 하였으며, 하루에 5L씩 5번 나누어 생산한다고 가정하여 설계하였다. 각 반응조의 용량 및 크기 선정에 대한 상세한 설명은 4-가 조립도에 나타내었으며, 각각의 반응조의 크기와 배치, 여유 공간을 고려하여 전체 장치 크기는 W : 160cm, D : 88cm, H : 220cm의 크기로 산정하였다.

◇ 운전조건

- 가수분해조는 80~100oC 온도에서 45분 동안 가열시켜 가수분해를 원활히 진행한다.

◇성분 분석

- 일일 발생 폐 모발을 기기에 투입 및 처리 시에 예상되는 하루 최대 비료 생산량은 25L로, 생산될 비료의 성분은 다음과 같다.

- 생산되는 비료는 농촌진흥청의 ‘비료 공정규격설정 및 지정’에서 명시된 제 1종 복합비료 에 해당하며, 유해 성분의 함유량 기준 또한 충족함을 알 수 있다. 이는 우리가 생산할 비료가 다른 비료와의 배합이 가능하며, 비료의 필수 3요소 함유량이 높아 비료 시비에 있어서도 시간 및 노동력 절감이 가능함을 의미한다.

◇ 식물 생장 실험

- 비료의 실 성능을 직접적으로 알아보기 위해 폐 모발 비료와 상용화되어 있는 비료 두가지를 함께 식물 생장 실험에 사용하기로 하였다. 식물은 바질으로 결정하였다. 화분A 에는 비료를 넣지 않고, 화분B에는 고체 비료를 뿌렸다. 화분C에는 시중의 액체비료를, 화분D에는 직접 제조한 폐 모발 비료를 첨가하였다.

상세설계 내용

제어부 및 회로설계

◇ 모발 투입구 회로

- 모발투입구에 미용업계 종사자들이 QR코드 리더기에 미용업체의 정보가 포함된 QR코드를 인식시키면 투입구에서 이를 인식하여 모터가 작동되고 투입구가 열리도록 한다. QR코드와 유사한 방식이며 직접 제작하기에 유용한 RFID 모듈을 사용하여 회로를 설계하였다. 보드는 아두이노 Uno R3 SMD를 사용하였으며 RFID 인식기는 RFID-RC522 을 사용하였다. 부가적으로는 브레드보드와 점퍼케이블을 사용하여 보드와 RFID-RC522를 연결하였다. 코드는 부록을 참조한다.

◇ 각 조의 수위 측정 회로

- 각 조에 일정량 이상의 수위가 차오르면 이를 수위센서가 감지해 각 조들 끼리의 이동경로를 차단하여 원활한 가수분해가 이루어지도록 해야한다. 아두이노 코딩을 통해 센서가 수위를 인식하여 LED가 들어오는 회로를 설계하였다. 보드는 아두이노 Uno R3 SMD를 사용하였고 수위 측정 센서 모듈과 색상 LED를 사용하였다. 추가적으로 점프케이블과 브레드보드를 사용하여 보드와 센서를 연결하였다. 코드는 부록을 참조한다.

소프트웨어 설계

- 1. QR & RFID 인식 센서: 소프트웨어 설계를 통해 허용된 배출자에게만 투입구를 개방한다. 모발 이외의 물질 투입을 제한하여 비료의 품질을 보존한다.
  2. 개인 별 모발 투입량 기록: 센서를 통해 인식된 개별의 사용자의 모발 투입량 정보 및 비료 추출량을 데이터화하여 기록하고 보관한다.
  3. 수위센서: 가수분해물이 일정 수위 이상 축적되면 상부, 하부의 가수분해 조와 해당조의 하부 개폐 장치와 연동된다. 일정량 이상의 물질 축적 시 자동으로 다음 단계의 공정이 진행되도록 설계한다.
  4. 가열 및 교반설비: 수위센서와 연동된 가열기와 교반기로 전달된 수위 정보에 따라 작동된다. 1회 처리 기준인 5L 수위 달성 시 작동된다.

조립도

◇ 전체 장치 크기 : W : 160cm, D : 88cm, H : 220cm

A : QR 리더기(RFID)

- 장치 좌측의 QR 리더기는 지정된 카드를 인식하여 모발 투입구를 개폐할 수 있도록했으며, 제출된 폐 모발의 무게를 인식하여 마일리지 형식으로 제출자에게 혜택을 줄 수 있도록 설계하였다. 우측의 QR 리더기는 카트를 인식하여 투입된 금액만큼의 비료가 배출되도록 설계하였다. 

B : 가수분해 용액 보관조(400.40L)

- 폐 모발의 가수분해에 필요한 를 증류수에 혼합한 용액을 보관하는 용도이며, 산정된 일평균 폐 모발 발생량을 고려하여 약 20일 정도의 용량을 저장할 수 있도록 부피를 404.40L로 결정하였다. 또한 용액이 강알칼리성임을 고려하여 소재는 스테인리스 304으로 결정하였다.

C : 폐 모발 보관통(88L)

- 산정된 일평균 폐 모발 발생량과 분쇄에 의한 부피감소를 고려하여 88L의 용량을 보관할 수 있도록 설계하였다. 또한 머리카락의 엉킴에 의한 기기의 내부고장을 방지하고, 부피를 줄여 가수분해 공정을 원활하게 진행시키고자 보관조 상단에 분쇄기를 설치하였다.

D : 가수분해조(8.48L)

- 일일 가수분해 처리 물질 25L 범위 내에서 1회 반응 시 5L 집적 시 자동 침강하도록 설계. 파쇄된 모발 일부는 분해조 상단에 부유하는 현상과 전체 설비의 크기를 고려하여 여유고 포함 8.48L로 설정하였다. 가수분해조의 소재는 가수분해 용액의 강알칼리성을 견딜 수 있는 스테인리스 304으로 결정하였고, 가수분해가 일어날 수 있는 80~100℃ 조건을 만족시킬 수 있도록 조의 하단에 가열장치를 설치하였다.

E : 중화조(8.48L)

- 가수분해가 완료된 강알칼리의 비료를 중화시키기 위한 장치로 가수분해조에서 전달된 용액의 양을 수용할 수 있도록 여유고 포함 8.48L로 설정하였다. 중화를 위해 투입된 인산이 잘 섞일 수 있도록 내부에 교반장치를 설치하였으며, 소재는 가수분해조에서 전달된 용액의 강알칼리성을 견딜 수 있는 스테인리스 304으로 결정하였다.

F: 중화용액 보관조(2.80L)

- 가수분해가 끝난 강알칼리성의 용액을 중화시키기 위한 진한인산을 보관하기 위한 조로, 충분한 양의 용액의 보관할 수 있도록 2.80L로 부피를 결정하였다.

G : 펌프

- 중화조에서 비료보관조로 완성된 비료를 이동시키기 위한 펌프이다. 

H : 비료보관조(292.17L)

- 완성된 비료를 보관하기 위한 조. 하루 비료 생산량 25L와, 소비자의 구매를 통해 배출될 비료의 양을 고려하여 조의 부피는 292.17L로 결정하였다.  

I : 배출구

- 저장된 비료를 배출하기 위한 장치이다. 

J : 제어부

- 수위센서와 가열장치, 펌프, 카드인식 등을 제어할 수 있는 각각의 소프트웨어 등이 있는 장치이다.

부품도

A : 가열장치

- 가열장치의 최대 가열가능 온도는 250°C로, 가수분해 온도조건 유지에 필요한 전력량과 보정 계수를 반영하여 계산하였으며 위의 전력량을 충족하는 3M사의 Silicone Heater 사용이 적합하다.

B : 교반장치

- 중화조의 크기가 8.48L이며, 1회 교반 시 5L의 용액을 50rpm으로 3분 교반하도록 설정하였다. 12V 조건에서 운전하기 위해 Greartisan사의 DC 12V 50RPM 기어 모터를 사용하기로 결정하였다.

C : 펌프

- 필요 동력과 유량 , 운전온도 80~100℃, 사용 전압 12V를 고려하여 Nuotrilin 사의 small diaphragm self priming 12 v mini water pump를 사용하기로 결정하였다.

D : 분쇄장치

- 효율적인 가수분해를 위한 모발의 분쇄를 위해 투입구 내부에 분쇄장치를 설치하였다. 가늘고 얇은 모발의 특성상 엉킬 수 있으며, 이는 곧 분쇄장치의 고장 및 효율 저하의 원인으로 작용할 것이므로 5000rpm 이상의 높은 수의 회전이 가능한 티엔디사의 795모터 볼 베어링 모터를 사용할 것이다.

해당 모터는 12V 전압 하의 조건에서 10000rpm 이상 회전이 가능하며, 100W의 정격 출력이 가능하다.

결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

RFID, 수위센서를 사용한 프로토 타입

파일:모럭모록 5조시연물 영상.mp4

포스터

완료 작품의 평가

1-1. 식물생장 실험을 통한 비료 성능 평가

실험을 통해 만든 비료의 성능을 확인하기 위해 바질 씨앗을 11월 8일에 심어 진행하였으나, 바질의 생장 속도가 느려 프로젝트 기간 내에 생장 변화를 비교·분석 할 수 없을 것으로 판단하여, 11월 22일부터 11월 30일 까지 개화하지 않은 장미의 식물 생장 변화를 관찰하였다. 화분A에는 비료를 넣지 않고, 화분B에는 고체 비료를 뿌렸다. 화분C에는 시중에서 판매하고 있는 액체비료를, 화분D에는 실험을 통해 직접 제조한 비료를 첨가하여 비교하였다. 사진을 보면, 11월 22일에 모든 장미가 아직 개화하지 않은 점을 확인할 수 있다. 4일 경과 후 11월 28일에는 모든 화분에서 조금씩 핀 것을 알 수 있다. 11월 30일 모든 화분에서 장미의 개화를 확인할 수 있었으며, 화분 A와 비교하였을 때 폐 모발 비료를 첨가한 화분 D가 조금 더 피고 생기가 있다는 것을 확인할 수 있었다. 위 사실로 보아 폐 모발 비료가 다른 비료들과 같이 식물 생장에 도움을 주는 것을 확인할 수 있었으며 시중에 판매하는 다른 비료들과의 성능도 크게 다르지 않다는 점을 확인할 수 있었다.

1-2. 비료의 생산수율 평가

앞서 실험을 통해 폐 모발 500g 당 액체 비료 1L를 생산할 수 있으며, 연간 18,000t의 폐 모발 비료가 생산된다. 평균적으로 기계 하나당 1일 비료 판매량이 15L임을 가정하여, 연간 10,800t의 폐 모발 비료가 소비자들에게 판매될 것으로 예상된다. 농림축산식품부의 농림축산식품통계연보에 따르면 2019년 복합비료의 수요량은 약 95만 톤이다. 폐 모발 비료는 1종 복합비료이기에 그대로 사용해도 무방하며, 타 비료와 혼합 사용이 가능하므로 일반 소비자들을 포함하여 기존 농가에서도 꾸준한 수요가 있을 것으로 예상된다. 따라서, 복합비료 소비량을 제한 후에도 폐 모발 비료의 판매량은 수요량을 충족시킬 수 있을 것으로 판단된다.

2-1. 카드리더기 및 수위센서 작동 평가

카드리더기와 수위센서가 연결된 최종 프로토타입을 제작하였다. 설계한 아두이노 코딩에 따라 원활하게 작동하는지 평가하기 위해 100번 시행을 했을 때 모두 정상 가동 했다는 것을 확인하였고, 이는 평가 기준의 개발목표치에 부합하였다.

2-2. 생성된 비료의 저장 탱크 용량 평가

1-2 비료의 생산수율 평가에 따르면 하루 비료 판매량이 15L이며, 저장되는 비료는 10L임을 알 수 있다.  약 30일 정도 저장할 수 있게 충분한 용량인 약 292.17L로 결정하였다. 이는 생산량과 수요량을 고려하였을 때 적합한 저장 용량이라고 판단된다.

3-1. 경제성 분석

3-1-1. 개념

사회 혹은 기업 등이 의사결정을 할 때 비용과 편익을 따져 여러 대안들 중 최적의 대안을 선정하는 기법이다. 여러 대안들의 비용이 동일하다면 편익이 가장 큰 대안을 선택하고, 반대로 편익이 유사하다면 비용이 가정 적게 드는 대안을 선택한다. 사회 전체의 입장에서 비용과 편익을 비교해 정책에 관한 의사결정을 하거나 새로운 투자 기회가 존재할 때 투자를 할 것인지 말 것인지 결정할 때 쓰인다.

3-1-2. 소모비용

◇ 각 부품 판매비용을 고려한 장치 제조 비용

완제품의 전국 행정복지센터 3491개소, 각 1개씩 설치를 기준으로 계산되었다.

1. 용액 보관조 : 스테인레스 스틸(304) (400.40L)&(8.48L) : 15kg, 20만원

2. 가열장치 : 실리콘 히터 235*235(mm) : 10만원

3. 교반장치 : 1.5만원

4. 펌프+연결 관 : 18만원

5. 전체 틀 : 60만원

6. 기타 소요비용(제작비) : 490.5만원

- 총 제작비는 관련 업체 3곳에 예상 제작 비용을 문의하여 평균을 낸 결과 약 600만원이 소요됨을 알 수 있었다. 전국 3491개의 행정복지센터 당 기기 한 개를 설치하기 위한 총 비용은 약 209억으로 산정되었다.

◇ 어플 개발비

어플 개발비는 관련 업체 3곳에 문의한 결과 약 4,500만원의 비용이 소요된다.

◇ 장치 운영 비용

1. 용액 비용 : 비료를 만들기 위해 필요한 용액의 비용은 1L당 750원이다. 연간 발생하는 폐 모발량 6301.81t을 처리하기 위한 용액은 12,603,620L이다. 따라서 연간 소모되는 용액의 비용은 약 94.5억이다.

2. 보수 비용 : 장치의 고장 및 오작동을 감안하여 연간 5억의 보수비용을 산정하였다.

3. 전기 비용 :



장치를 한 달간 운전하였을 때의 소비전력은 QFID, 가열장치, 교반장치, 펌프 분쇄장치, 제어부의 총 소비전력과 같으며 이는 1.3+10.9+6.7+6.7+6+1.4=33kWh 이다. 한국 소비자원의 자료에 따르면 냉온수를 취급하는 장치를 다룰 시 연속 가동이 아닌 12시간 기준 상시 가동으로 장치를 작동한다면 약 27%의 절전율을 얻을 수 있다. 이를 반영하여 한 달 33kWh의 전력 사용을 24kWh로 줄일 수 있었고 가정용(저압)으로 계산하였을 때 예상 전기요금은 1,310원/월 이며 연간 전력 사용 비용은 5488만원이다.

◇ 인력 비용

장치의 설치 위치가 행정복지센터 주변임을 감안하여, 약품 교체에 필요한 인력은 해당 센터의 인력으로 충당할 수 있다. 비료 제조에 필요한 약품을 각 행정 복지센터로 운반하는 인력수는 아래와 같이 계산한다.

전국 행정복지센터 수 3491 ÷ (10개소/명) ÷ (5회/주) ÷ (4.5주/달) = 69.82명/달

- 근무시간 : 하루 8시간, 주 5일 주휴시간 35시간 포함 총 209시간

- 월급 : 1,822,480원

- 연간 인력 비 : 15억 3천만원

3-1-3. 편익비용

◇ 폐기물 처리비용

2015 기준 폐기물 처리비용 : 톤 당 170,800원으로 2011대비 24.5% 증가했다.



1.1. 연간 발생 폐 모발량 : 6301.81t/year
1.2. 소각 및 매립 비율 : 5.8%(소각) 7.8%(매립)



- 2021년 총 매립비용(102,167원/t 기준) : 369,259,468.65원 

- 2022년 총 매립비용(148,270원/t 기준) : 535,888,314.40원

- 2021년 총 소각비용(140,000원/t 기준) : 376,255,126.47원 

- 2022년 총 소각비용(150,000원/t 기준) : 403,130,492.65원

- 2021년 총 처리비용(소각 +매립) : 745,514,595.12원

- 2022년 총 처리비용(소각 +매립) : 939,018,807.05원

1년간 1억 9천 5백만원 증가

따라서 매년 증가하는 폐 모발량과 매립·소각 비용에 따라 더 많은 비용을 절약할 수 있다고 판단된다.

◇ 비료 판매비용

2021 폐 모발 발생량 기준 12,603,620L의 폐 모발 비료를 생산할 수 있다.

시중에 파는 액체비료 400mL에 1,000원으로 1L에 2,500원인 것을 알 수 있다.

비료의 가격은 친환경 비료인 것을 감안하여 시중에 파는 액체비료의 가격보다 저렴한 1L에 1,500원으로 산정하였다.

폐 모발 비료 1L의 가격 : 1,500 원/L

연간 생산되는 폐 모발 비료의 양 : 12,603,620L/year

연간 총 비료 판매비용 : 12,603,620L/year × 1,500원/L = 189 억원/year

◇ B/C 계산

B/C 분석을 진행하기 위해 산정한 할인율과 B/C 분석 및 계산표



-환경부 및 통계청, 공신력 있는 기관의 자료를 활용하여 할인율 산정



- B/C 분석 및 계산을 통해 산출된 값이 1 이상일 경우 경제적 타당성이 있음을 의미. 사업 진행 10년 기준의 B/C 값 = 1.50

4. 환경적 편익 및 감세혜택

◇ 환경적 기대효과

모발은 수분량 10~15%를 제하면 80~90%의 케라틴 단백질로 이루어져 있다.

케라틴 단백질은 C 50%, H 6%, O 20%, N 7%, S 5%의 화학적 구성비를 가지는데, 케라틴 폐기물은 환경 오염물질로도 간주되며, 가금류농장 및 가죽산업 등 양모산업을 통해 지속적인 케라틴 폐기물이 배출되고 있는 실정에서, 케라틴 단백질의 소각은 대기에 광범위한 오염을 초래하고 있다. 따라서 수집된 6301.81t의 폐 모발 중 소각으로 처리될 3614t의 폐 모발로 인한 대기 오염을 방지효과를 기대할 수 있다. 이러한 대기오염의 환경개선에 대한 경제적 효과는 주로 WTP(Willingness to Pay)분석법에 의해 시행되며, 자원·환경경제연구(2006.KCI)의 방법에 따라 진행하면 다음과 같다. 아래는 한국환경경제학회의 자원 환경경제연구지에 수록된 값을 2020년 기준의 물가로 환산(ECOS, 한국은행 경제통계시스템, 1.314배)한 값이다.



통계조사를 통해 폐기물의 연소로 인해 발생하는 환경위해물질의 10%감소가 위의 표와 가장 유사하게 대응하는 지불 의사액임을 알 수 있다. 2019년 기준 전국의 폐기물 중 소각으로 처리되는 폐기물은 14919t/day로, 연간 소각처리되는 폐기물은 5,445,435t/year 이며, 이중 우리가 수거한 폐 모발로 인한 환경보전의 경제적 이익은 다음과 같은 식으로 계산되며, 11.147억원으로 추정된다.

◇ 감세혜택 기준 마련

2021 기준 전국 미용실 수 : 125,871개소에 제공 모발의 양에 따른 세금 혜택을 부과, 자발적인 참여를 독려하기 위한 기준 마련.

미용 사업자의 종합소득세 감면을 목표로 미용실 사업자의 과세 기준에 따른 비율 조사.

소득세 세율 기준 (지방세 가산 10% 배제)/ 2018 통계청 서비스업 조사 기준.



근로자의 소득세 납부 방법 관여

근로자의 1년치 근로소득에 대한 세금을 다음 해 연말정산 혹은 5월 종합소득세 신고를 통해 납부. 그러나 근로자의 세금은 직접 내는 것이 아니라 고용주가 징수하여 내도록 함.(원천징수)

따라서 고용주의 세금 혜택 금액을 근로자의 원천징수액에 반영.



10년간의 사업을 통해 누적 수익액 산출을 통해 사업을 통해 제공 가능한 세금 혜택의 규모 파악. 2024년 지급을 목표로, 향후 3년을 주기로 2027,2030년 세금 혜택 제공.

5. 실용가능성

◇ 설문조사 1(일반인 대상(50명))



◇ 설문조사 2(미용업계 종사자 대상(20곳))



11월 22일에서 26일까지 5일간 진행된 설문조사 결과 일반인들을 대상으로한 설문조사에서 6번(폐 모발이 따로 수거를 통해 비료로 재활용이 가능하다면, 제출하는 것이 옳다고 생각하십니까?)과 7번(폐 모발로 만든 비료가 다른 시중에 있는 비료와 비교했을 때 성능이 유사하다면 구매 할 의향이 있나) 문항의 응답률이 96%와 72%로 나타났다. 미용업계 종사자들을 대상으로 한 설문조사에서 4번(폐 모발이 따로 비용이 없이 수거를 통해 재활용이 가능하다면, 제출하는 것이 옳다고 생각하십니까?) 문항의 응답률이 98%로 나타났다. 따라서, 장치를 운영하기 위한 폐 모발의 수거와 비료의 판매를 위한 시민들의 자발적 참여가 평가 기준치인 70%를 넘었기 때문에 이는 평가 기준의 개발목표치에 부합하였다.

6. 평가기준표

7. 개발사업비 내역서

향후평가

◇ 폐 모발의 자원화를 통해 연간 수억, 향후 수천억의 부가효과를 창출할 수 있다.

◇ 소각 폐기물로 인한 국민의 건강 증진효과 및 국토 환경 보전의 효과를 기대할 수 있다.

◇ 초기 투자비용 회수 후 점진적으로 증가하는 인구에 대응하는 추가비용을 창출할 수 있다.

◇ 최근 10년간 28% 증가한 미용실 사업자와 이에 준하여 준하는 미용업계 종사자의 자발적인 환경 보전 운동 참여를 독려할 수 있다. 

◇ 전국 3491개의 행정복지센터에 1대씩 설치된 폐 모발의 비료화 장치는 QR코드 사용 및 선택적인 접근성으로 인해 오작동의 우려가 전무하며, 타 서비스업종의 환경보전활동 독려를 위한 기반 시스템, 기술이 될 수 있다.

◇ 실용화 과정에서 제도적 기반과 비료의 해외 판매를 통해 수익성 향상을 확보할 시 더욱 많은 일자리의 창출이 가능할 것이다.

특허 출원 내용

부록

A-1 참고문헌 및 참고사이트

◇ 오세옥, “폐 모발의 재활용 필요성과 적용 결과 분석“, 서경대학교 대학원, 2012.02 한국폐기물협회."수도권매립지 폐기물반입수수료 고시"(2021)

◇ 김수인 외 1인, "대기질 개선으로 인한 조기 사망률 감소의 편익추정." 環境政策 26.4 (2018): 45-69.

◇ 조승국외 2인, "수도권 대기오염 개선으로 인한 건강효과의 경제적 가치평가: 컨조인트 분석법을 이용하여." 자원·환경경제연구 15.5 (2006): 859-884.

◇ ECOS(한국은행 경제통계시스템)."화폐가치계산"

◇ KOSIS(국가통계포털),"전국 폐기물 발생 및 처리현황"

◇ 재단 법인 한국경제행정연구원. "생활폐기물 수집,운반 및 처리비용 원가산정 연구보고서"(2019)

◇ Tarun Kumar Kumawat."Keratin Waste: The Biodegradable Polymers"(2018)

◇ 농림축산식품부, 농림축산식품통계연보(2020)

A-2 관련특허

◇ 폐 모발의 가수분해 및 미생물 발효에 의해 제조된 유기질 비료의 조성물 및 이의 제조방법 (등록번호(등록일자): 10-1043568(2011.06.16), 출원인: 김주대)

◇ 가축사체의 액화비료의 제조방법과 이를 위한 액화처리장치 (공개번호(공개일자): 10-2021-0058243(2021.05.24), 출원인: 주식회사 스마트네오텍)

A-3 소프트웨어 프로그램 소스

A-3-1. 모발 투입구 RFID 회로 코딩



A-3-2. 수위 센서 회로 코딩