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2024년 12월 19일 (목) 21:51 판

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 멤브레인 가스분리기를 이용한 정화조 메탄의 자원화 및 스마트 안전 관리 시스템 구축

영문 : Resource Utilization of Septic Tank Methane Using Membrane Gas Separators and Establishment of a Smart Safety Management System

과제 팀명

메탄탄후루후루

지도교수

구자용 교수님

개발기간

2024년 9월 ~ 2024년 12월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 환경공학부 2019890066 조*희(팀장)

서울시립대학교 환경공학부 2019890035 여*형

서울시립대학교 환경공학부 2019890060 정*수

서울시립대학교 환경공학부 2019890063 조*주

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

◇ 멤브레인 가스분리 기술을 활용하여 아파트 정화조에서 발생하는 메탄가스를 포집 및 자원화
◇ 포집된 바이오가스의 전처리를 진행하고, 이후 멤브레인을 통해 고순도의 바이오 메탄 획득
◇ 가스 센서와 IoT 기술을 통해 실시간 모니터링 및 위험 상황을 감지
◇ 환경 보호와 안전사고 예방을 동시에 달성하는 통합 시스템 구축

개발 과제의 배경

◇ 여름철 아파트 정화조에서 발생하는 메탄가스로 인한 폭발 사고 발생

여름철에는 높은 기온으로 인해 정화조 내 유기물 분해 속도가 증가하여 메탄가스와 같은 가연성 가스가 다량 발생한다. 이 때 주로 발생하는 메탄가스는 무색, 무취로 축적 시 감지하기 어려워 위험성이 높아진다. 이렇게 정화조 내에 축적된 메탄가스는 적절한 환기나 가스 관리 시스템이 없을 경우 작은 불꽃이나 전기 스파크에도 폭발할 수 있고, 특히 아파트와 같은 밀집된 주거 지역에서는 폭발 사고 시 인명 피해와 재산 손실이 매우 크다.

[여름철 메탄가스로 인한 아파트 내 정화조 폭발 사고 (MBC 뉴스)]

◇ 정화조에서 방출되는 가스로 인한 정화조 청소 작업 중 발생하는 질식사고 발생

아파트와 밀집 주거 지역의 정화조는 주기적으로 연 1회 이상 청소 작업이 필요하다. 정화조 청소 시 내부에 축적된 유해 가스(메탄, 황화수소 등)가 투입된 작업자에게 직접적으로 노출될 수 있고, 밀폐된 공간에서의 작업은 이러한 위험을 더욱 증가시킨다. 유해 가스에 노출되면 호흡 곤란, 두통, 현기증을 유발하며, 심한 경우 의식 상실이나 사망에 이를 수 있으므로 관리시스템이 필수적이다. 고용노동부 통계자료에 따르면 최근 10년간 질식사고 중 정화조 청소 작업과 같이 밀폐된 공간에서의 오폐수 처리가 37%로 가장 큰 비중을 차지하는 것으로 확인되었다. 이와 같이 유해가스에 노출이 쉬운 정화조 청소 작업에서 고도화된 관리 시스템이 필요하다.

[정화조 청소 도중 질식사 사고 발생 (KBS 뉴스)]

[질식사고 월별 추이 통계 (고용노동부)]

◇ 멤브레인 가스 분리 기술을 활용해 메탄가스를 포집, 경제적 이익 창출 가능성 고려

멤브레인 가스 분리 기술은 특정 가스를 선택적으로 투과시키는 멤브레인을 사용하여 혼합 가스에서 원하는 가스를 효율적으로 분리하는 기술이다. 여름철 정화조에서 발생하는 바이오 가스를 포집해 에너지 자원으로 활용할 수 있다. 포집된 바이오 가스는 멤브레인 가스 분리 기술을 이용하여 고순도 메탄 가스로 분리할 수 있다. 발전용 연료나 산업용 열원으로 사용 가능하며, 이를 통해 에너지 비용 절감과 추가적인 수익 창출이 가능하다. 또한, 메탄 가스는 강력한 온실가스로 대기 중 방출 시 지구 온난화를 가속하므로 메탄 가스를 포집하여 활용한다면 환경 보호에도 기여할 수 있다.

◇ 스마트 안전 관리 시스템으로 실시간 모니터링 및 사고 예방과 환경 보호 도모

IoT 기술과 센서 기술의 발전으로 다양한 환경 시설에서 활용 가능성이 높아지고 실제 활용 사례도 늘었고, 정화조와 같은 시설에도 내부 상태를 실시간으로 모니터링하고 관리하는 것이 가능해졌다.

[IoT 기술과 센서 기술을 활용한 실제 정화조 관리 시스템(조은이엔지)]

현재 산업계의 IoT기술과 센서 기술을 접목한 정화조 관리 시스템의 경우 정화조의 정상 작동이나 이상 징후 등의 가동 상태를 확인하거나 악취 문제를 해결하기 위해 관련 시스템이 개발된 상태다. 외에도 정화조에서 수집된 데이터를 분석하는 추세이다.

우리가 제안하고자 하는 설계 시스템은 유해 가스 탐지 센서와 기술이 접목된 형태로 실시간 모니터링으로 가스 누출이나 농도 상승을 조기에 발견한다. 이를 통해 사고를 예방하고 안전한 작업 환경을 조성하여 작업자의 질식사고 및 건강 피해를 방지할 수 있다. 또한, 센서를 통해 탐지된 유해 가스 중 메탄가스를 포집하여 대기 중 방출을 최소화하여 환경 오염을 줄이고, 포집된 가스를 재활용하여 자원 효율성을 높이고자 한다.

개발 과제의 목표 및 내용

◇ 멤브레인 가스 분리 기술로 정화조에서 발생하는 메탄가스를 포집
◇ IoT 기반 스마트 안전 관리 시스템을 위한 센싱 기술 구현
◇ 실시간 모니터링을 통한 자동화된 대응 방안 마련
◇ 에너지 자원화를 통한 경제적, 환경적 가치 창출

관련 기술의 현황

관련 기술의 현황 및 분석(State of art)

• 전 세계적인 기술현황

◇ 실시간 유해가스 탐지 기술

메탄가스(CH₄)와 같은 유해가스의 실시간 탐지 기술은 환경 보호와 산업 안전을 위해 매우 중요한 역 할을한다. 특히, 제안 설계 프로젝트인 아파트 정화조 내 유해가스를 실시간으로 탐지하는 것은 정화조 내 폭발사고나 질식사고와 같은 안전사고에 예방책이 될 수 있으며, 메탄가스 자동화 포집을 위한 시스템 의 기반이된다.

근래 최신기술인 State of the art는 높은 민감도(Sensitivity)와 정확도(Accuracy)를 주요 기준값으로, 높은 수치를 제공하며, 다양한 산업 현장에서 실시간으로 유해 가스를 탐지할 수 있도록 설계되어 있다. 주요 기술은 광학 가스 이미징(optical gas imaging, OGI), 반도체 가스 센서(semiconductor gas sensors) 그리 고 전기화학적 가스 센서(electrochemical gas sensors)가 있으며, AI와 IoT 기술을 이용해 그 효율성을 증 폭하고 있다.

또한, 디지털 트윈(Digital Twin)의 가상 시뮬레이션 방식으로 탐지 기술의 성능 최적화를 도모한다.

◈ 광학 가스 이미징(optical gas imaging, OGI)

OGI는 적외선 카메라를 사용하여 가스 누출을 시각적으로 탐지하는 기술이다. 이 방법은 가스가 적외선 파장을 흡수하거나 방출하는 특성을 이용하여 가스의 존재를 영상으로 확인할 수 있도록한 다. 특히, 메탄 가스는 적외선 스펙트럼의 특정 파장에서 흡수성이 강하기 때문에 이를 이용한 탐지가 매우 효과적이다.

- 장점 : 실시간으로 가스의 위치를 시각적 범위로 확인할 수 있고, 넓은 범위를 탐지할 수 있다.
- 단점 : 고가의 장비가 필요하며, 주로 고도 산업 현장이나 치명적인 유해가스 발생 시설에서 사용된다.

◈ 반도체 가스 센서(semiconductor gas sensors)

반도체 가스 센서는 가스와 반응하여 전기적 특성이 변화하는 반도체 물질을 사용하여 가스의 농도를 측 정하는 기술이다. 메탄가스 탐지에는 주로 금속 산화물(Metal Oxide Semiconductor, MOS) 센서가 사용 되며, 이는 가스가 반도체 표면에 흡착되어 전도도가 변화하는 원리를 이용한다.

- 장점 : 소형화가 가능하며, 저렴한 비용으로 대량 생산이 가능하다.
- 단점 : 특정 가스에 대한 선택성이 낮아 다른 가스와 혼동될 가능성이 있으며, 온/습도에 민감하다.

◈ 전기화학적 가스 센서(electrochemical gas sensors)

전기화학적 가스 센서는 가스와 화학적으로 반응하는 전극을 사용하여 전류의 변화를 측정하는 방식으로 가스를 탐지한다. 메탄가스 탐지에는 주로 산소와 결합하여 산화 환원 반응을 일으키는 방식이 사용된다.

- 장점 : 높은 감도와 선택성을 제공하며, 저전력 소모가 가능하다. 또한, 가장 많이 사용된다.
- 단점 : 센서 수명이 짧고, 정기적인 교체가 필요할 수 있다.

◈ AI와 IoT기술 활용

데이터를 분석하고 위험 상황을 예측하는 AI를 활용한 유해가스 탐지 기술도 중요하고 혁신적인 방법이 다. 이를 통해 센서가 수집한 데이터를 실시간으로 처리하고, 환경 변화에 따라 가스 농도를 모니터링하며, 더 나아가 자동으로 경고를 보내거나 조치를 취할 수 있다.

특히, 딥러닝 모델을 활용해 센서로 수집한 유해 가스 데이터의 복잡한 패턴을 파악하고, 환경적 요인들을 고려하여 더 정확하게 탐지할 수 있으며, 적외선 센서로 파악한 이미지를 학습한 모델로 활용할 수 있다.

또한, 센서에서 수집된 데이터를 네트워크와 데이터베이스로 연결하여 실시간으로 수집 및 모니터링까지 가능하게 하는 IoT기술도 널리 활용되고 있다. 여러 개의 가스 센서를 IoT 네트워크에 연결하여, 분산된 지역에서 동시에 데이터를 수집할 수 있고, 각 센서가 실시간 데이터를 공유하여 중앙 시스템에서 종합적 인 분석을 할 수 있으며, 이상 징후를 탐지하면 즉시 알림을 보낼 수 있다.

◈ 디지털 트윈(Digital Twin)

디지털 트윈은 실제 환경의 가상 시뮬레이션을 통해 실시간으로 모니터링하고 예측하는 기술이다. 이를 통해 메탄가스 탐지 시스템의 데이터를 기반으로 가상 환경을 만들어 가스 누출이 발생할 가능성을 예측하고, 시스템의 성능을 최적화할 수 있다. 특히 실제 환경에 적용하기 이전에 디지털 트윈을 바탕으로 더욱 최적화된 시스템을 구축할 수 있다.

◇ 정화조 유해가스 처리 기술

◈ 바이오가스 정제 전처리 공정

1. 수분 제거 설비

- 흡착식 건조기 : 흡착식 건조기는 실리카겔, 활성 알루미나, 제올라이트와 같은 흡착제를 이용하여 가스 내의 수분을 제거하는 방식이다. 흡착 공정의 경우 고품질 가스를 획득할 수 있으며 건조공정, 화학 약품을 미사용하고 공정수가 나오지 않는 장점이 있지만 바이오 가스는 상대습도가 높은 관계로 에너지 효율이 떨어진다.

- 냉각식 건조기 : 냉각식 건조기는 가스를 냉각하여 수분을 응축시키는 방식이다. 초고품질의 가스를 획득할 수 있지만 높은 에너지가 소요되어 고가의 공정이다.

- 막 분리 기술 : 막 분리 기술은 선택적 투과막을 이용하여 수분을 포함한 특정 성분을 분리하는 방법으로, 내구성이 뛰어나다. 화학약품을 미사용하고 기계구동이 적지만 정제공정이 필요하고 낮은 메탄 회수율과 높은 투자비의 문제가 있다.

2. 탈황 장치

- 습식 탈황 : 습식 탈황은 바이오가스 내에 존재하는 황화수소(H₂S)를 제거하기 위해 액체 용액을 사용하는 방식으로, 주로 가성소다(NaOH)나 철(Fe) 기반의 용액이 사용된다. 이 방식은 H₂S를 높은 효율로 제거할 수 있어 대량의 바이오가스를 처리하는 데 적합하다.

- 건식 탈황 : 건식 탈황은 고체 흡착제를 사용하여 H₂S를 제거하는 방식으로, 일반적으로 활성탄, 철 산화물, 산화 아연 등의 흡착제가 사용된다. 이 방식은 설비가 간단하고 설치 및 운영이 용이하여 다양한 규모에서 사용이 가능하다.

- 생물학적 여과법 : 생물학적 여과법은 미생물을 이용하여 H₂S를 제거하는 친환경적인 방법으로, 미생물은 H₂S를 산화하여 무해한 황 또는 황산으로 전환한다. 화학 약품을 사용하지 않아 환경에 미치는 영향이 적으며, 운영 비용이 저렴한 장점이 있다.

◈ 바이오가스 고질화 (바이오 메탄화)

- 멤브레인 가스 분리 : 멤브레인 가스 분리 기술은 선택적 투과성을 가진 막을 이용하여 바이오가스 내의 메탄과 이산화탄소를 분리하는 방법이다. 가스 분리막은 이산화탄소는 투과시키고 메탄은 투과시키지 않는 특성을 가지며, 이를 통해 고순도의 바이오 메탄을 생산한다. 여러 개의 막 모듈을 직렬 또는 병렬로 연결한 다단계 시스템이 가능하며 소형화된 모듈을 통해 작은 규모의 시설에서도 경제적인 적용이 가능하다.

- PSA (압력 스윙 흡착) : PSA 기술은 흡착제를 이용하여 바이오가스 내의 이산화탄소 및 기타 불순물을 제거하고 메탄 함량을 높이는 방법이다. 고압 상태에서 흡착제가 이산화탄소를 흡착하고, 저압 상태에서 흡착제를 재생하여 흡착된 이산화탄소를 제거한다.

• 특허조사 및 특허 전략 분석

◇ 실시간 유해가스 탐지 기술

◈ 유해 가스의 실시간 감지 센서모듈이 구비된 웨어러블형 장치 및 이를 이용한 안전 관리 시스템

◈ 선박내 밀폐공간의 유해가스 감지 및 작업자 모니터링 시스템

◇ 정화조 유해가스 처리 기술

◈ 메탄가스 발생용 정화조

◈ 매립가스 포집 메탄농도 제어시스템

◈ 매립가스 메탄 직접 전환 기술을 적용한 매립 가스 전환 장치

◈ 바이오가스의 메탄농도 제어가 가능한 수평형 혐기성소화조

◈ 친환경 하천 및 호소 수력발전용 메탄 포집수조

[특허전략]

◇ 정화조 유해가스 감지 기술
◈ 기존의 목표인 작업자의 밀폐공간 안전 확보를 위한 감지 기능에 더해 메탄가스의 효율적인 분리와 폭발 위험 농도 방지를 목표로 설계를 보완함으로써 시스템의 활용도를 극대화하고자 한다.

◈ 악취 저감을 위해 정화조 내의 가스들을 진공식으로 포집을 진행한다 정화조 가스 분석 센서를 통해 메탄 농도에 따른 간헐적인 포집을 한다 간헐적인 포집은 메탄 농도를 기준으로 폭발한계를 고려하여 자동 모니터링 및 밸브 조절을 가능토록 설계한다.

◇ 바이오가스 전처리 및 고질화 기술
◈ 아파트 단지 정화조의 소규모 설비에서 처리 효율을 높이는 것이 핵심이므로 멤브레인 가스 분리 설비를 관리층에 설치하며 전처리 설비의 규모는 최대한 줄여 일체화한다.

• 기술 로드맵

시장상황에 대한 분석

• 경쟁제품 조사 비교

내용

• 마케팅 전략 제시

내용

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

내용

경제적, 사회적 기대 및 파급효과

내용

기술개발 일정 및 추진체계

개발 일정

구성원 및 추진체계

◇ 전원 분담
- 주제 선정 및 선정된 주제 관련 자료 조사
- 정화조의 구조 및 메탄 포집 기술 분석
- 경쟁업체 및 특허 조사, 기술의 경쟁력 분석
- 제안 정화조 초기 설계
- 세부적인 설계 마무리 및 최종 프로토타입 제작
- 발표 및 평가 준비

◇ 여시형 : 과제제안서 발표, 메탄 감지 센서 및 관련 시스템 설계 및 코딩
◇ 정의수 : 경쟁력보고서 발표, 메탄 감지 센서 및 관련 시스템 설계 및 코딩
◇ 조영주 : 상세설계보고서 발표, 자원 재활용 시스템 설계
◇ 조준희 : 개념설계보고서 발표, 메탄 포집 시스템 설계, 전체 총괄

설계

설계사양

제품의 요구사항

내용

설계 사양

내용

개념설계안

내용

이론적 계산 및 시뮬레이션

내용

상세설계 내용

내용

결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

내용

포스터

내용

관련사업비 내역서

내용

완료작품의 평가

내용

향후계획

내용

특허 출원 내용

내용