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2019년 12월 20일 (금) 04:24 판

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

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

기술 로드맵

내용

특허조사

• 정전기를 이용한 건축폐기물처리장치용 이물질 분리장치

(출원번호: 10-2006-0070449)

• 폴리에스테르와 나일론이 혼합된 혼합플라스틱의 재질분리방법 및 이를 위한 마찰하전형정전선별장치

(출원번호: 10-2008-0058251)

• 에이비에스(ABS)와 피에스(PS) 혼합폐플라스틱 재질분리를 위한 마찰하전형정전선별 방법

(출원번호: 10-2013-0141029)

• 밀도차 분리를 이용한 순환 토사 내 이물질 분리장치

(출원번호: 10-2016-0108948)

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

내용

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

내용

설계

설계사양

내용

개념설계안

내용

이론적 계산 및 시뮬레이션

내용

조립도

조립도

내용

조립순서

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부품도

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제어부 및 회로설계

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소프트웨어 설계

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자재소요서

내용

결과 및 평가

완료작품 소개

프로토타입 사진

내용

포스터

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특허출원번호 통지서

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개발사업비 내역서

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완료 작품의 평가

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향후평가

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부록

참고문헌 및 참고사이트

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관련특허

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소프트웨어 프로그램 소스

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