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2018년 12월 13일 (목) 17:19 판

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 셀룰로오스, 키토산, 벤토나이트를 이용한 생분해성 필름 제조

영문 : Biodegradable Film Production with Cellulose, Chitosan, Bentonite

과제 팀명

인벤져스

지도교수

장*일 교수님

개발기간

2018년 9월 ~ 2018년 12월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 환경공학부·과 20139200** 문*림(팀장)

서울시립대학교 환경공학부·과 20148900** 김*원

서울시립대학교 환경공학부·과 20158900** 박*안

서울시립대학교 환경공학부·과 20158900** 홍*진

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

◇ 플라스틱의 긴 분해기간, 미세플라스틱의 인체 유해성 등을 개선하기 위한 생분해성 플라스틱의 개발이 요구되고 있다. 플라스틱 중에서도 필름의 경우, 농업에서는 멀칭필름, 산업에서는 기저귀, 밴드 등으로 많은 수요가 존재한다. 이 필름을 생분해성 필름으로 대체함으로서 위의 문제점들의 해결을 모색할 수 있다.

◇ 천연 고분자인 셀룰로오스와 키토산을 이용하여 자연에서 생분해되는 필름을 제조한다.

◇ 셀룰로오스를 이용해 기존 필름 수준의 기계적 성질을 꾀하고, 벤토나이트를 첨가함으로써 필름에 기계적 물성을 증대하고 통기성의 기능을 추가한다.

◇ 생성된 키토산 초산수용액에 앞서 셀룰로오스가 분산된 용액을 서서히 첨가한다. 이때 첨가하는 키토산과 셀룰로오스 비율을 달리하여 가장 최적의 비율을 찾는다.

◇ 위의 용액을 일정시간동안 교반시켜서 키토산/셀룰로오스가 혼합 첨가되어 있는 필름 제조원료액을 생성한 후, 벤토나이트 넣는다. 제조된 필름 제조원료액을 유리판에 부은 후 실온에서 건조기에서 닥터 블레이드를 사용하여 필름의 두께가 40 내지 150μm가 조절한 다음 70°C를 유지하면서 건조시켜 필름을 제작한다.

◇ 제품 요구사항으로는 생분해도, 기계적 성질(인장강도, 신율), 방수성(수분 투과도), 온실가스 감축이 있으며, 각각은 SEM 등의 기기를 이용하고 Warm tool등의 예측모델을 이용하여 측정한다.

개발 과제의 배경

◇ 21세기는 플라스틱의 시대라고 불릴 정도로 전 세계적으로 많이 생산되고 소비되고 있다. 현재까지 생산된 플라스틱의 총량은 83억 톤에 육박하며 이 중 75%인 약 63억 톤이 쓰레기로 배출됐다고 한국해양수산개발원에서 발표했다. 그러나 폐기된 쓰레기 중 9%만 재활용 되었으며, 12%는 소각되고 나머지 79%는 매립되거나 자연에 버려져있다.

◇ 플라스틱 폐기물은 적게는 6개월부터 길게는 500년 이상의 분해기간을 필요로 한다. 그 동안 플라스틱은 각종 유해물질을 배출하기도 하며 생물들이 먹이로 오인해 섭취하거나 폐어망이나 봉지에 걸려 이동이 자유롭지 못하게 되면서 결국 죽음을 초래한다.

◇ 더불어 아직까지 인체 영향은 규명되지 않았지만, 지름 5mm이하로 분해된 미세플라스틱은 먹이사슬에 의해 생체 내 축적이 되면서 해양 생물에 악영향을 주고 있다.

◇ 이에 따라, EU에서는 플라스틱 배출량을 감소시키기 위해 해변에 있는 쓰레기 중 70%를 차지하는 플라스틱 빨대, 물티슈 등의 10가지 품목을 금지하는 방안을 추진하고 있으며, 바이오매스를 이용한 생분해성 플라스틱의 연구와 제조가 점점 활발해지고 있다.

◇ 우리나라의 경우, 2017년 ‘재활용 쓰레기’ 최대 수입국인 중국이 수입을 중단하면서 그에 따른 대책을 수립하지 못한 채 2018년 4월 우리나라에서 폐플라스틱 수거 대란이 일어났다. 중국에 폐지, 폐플라스틱 처리를 의존해 온 수출국 중 우리나라는 다른 나라에 비해 비닐 사용량이 매우 높은데, 독일의 6배, 아일랜드의 20배, 핀란드의 100배 수준이었다. 따라서 환경부는 재활용 업체의 수거 비용을 경감시키는 것과 수거, 선별 과정에서 잔재 발생을 최소화하는 관련 규정 개정을 추진하였다. 그러나 사용량이 월등히 높은 만큼 궁극적으로 사용량을 줄여야 하는 실정이다.

◇ 이에 우리는 전 세계적으로 부상한 플라스틱 이슈와 함께 버려진 볏짚과 갑각류에서 추출한 셀룰로오스와 키토산으로 생분해가 가능한 LDPE를 대체할만한 필름을 개발해보고자 한다. 또한, 벤토나이트를 첨가함으로써 생분해성 필름이 갖는 약한 물성을 보완하고자 한다.

개발 과제의 목표 및 내용

1. 산업과 농업에서 버려지는 폐기물을 활용함으로써 폐기물의 양을 감소시킨다.

수산 가공 산업에서 버려지는 게와 새우 등의 갑각류의 껍질로부터 키토산을 농업에서 버려지는 볏짚, 목재 산업에서 발생하는 폐목재 등에서 셀룰로오스를 추출할 수 있다. 따라서 폐기물로부터 추출 가능한 키토산 및 셀룰로오스를 이용하여 생분해성 필름을 제작할 것이다.

2. LDPE를 대체할 수 있는 생분해성 필름을 제작함으로써 분해가 안 되는 플라스틱의 사용량 및 전체 쓰레기 배출량을 감소시키고, 그로 인해 발생하는 환경오염을 방지한다.

전국폐기물통계조사(2016~2017년)에 따르면 생활계 폐기물 중 필름류 포장재의 총 원단위 발생량은25.87g/일/인이다. 또한, 한국보건산업진흥원이 실시한 ‘국내 범용 포장재의 사용실태 조사’에 따르면, 국내 범용 포장재 중 PE 재질이 61.4%로 우리나라 인구수를 이용해 계산해보면 2017년에 배출된 PE 필름 포장재만 약 3천억 톤에 다다른다. 또한, 한국 환경공단의 영농폐비닐 자료조사에 따르면 2007년부터 2010년까지 발생한 멀칭용 LDPE필름은 매년 평균 10만 톤이었다. 따라서 1년 동안 우리나라에서 발생하는 LDPE 필름만 해도 매우 방대한 양임을 알 수 있다. 이를 모두 생분해성 필름으로 대체한다면 석유계 플라스틱으로부터 발생하는 토양 및 수질 오염, 생태계 악영향을 방지할 수 있을 것이다.

3. 기존의 생분해성 필름이 갖는 약한 물성을 Nanofiller인 벤토나이트를 첨가함으로써 개선시킨다.

 앞서 언급한 전 세계적으로 플라스틱의 문제점이 부상하자, 많은 국가와 연구기관에서 생분해성 플라스틱에 관한 관심이 높아지고 있다. 그러나 천연물질계 생분해성 플라스틱의 경우 기존 석유계 플라스틱에 비해 인장강도 등의 물성이 부족한 문제점이 있다. 석유계 플라스틱을 제조할 때에도 부족한 물성을 보완하고 제품의 생산 단가를 낮추기 위하여 충전제를 첨가하는데 이미 Nanofiller인 점토광물에 대한 연구가 활발한 실정이다. 이에 우리 조는 충전제로서 Nanofiller인 벤토나이트를 첨가함으로써 기존 LDPE필름 수준으로 물성을 보완하고자 한다.

내용

구성원 및 추진체계

내용

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

완료작품의 평가

내용

향후계획

내용

특허 출원 내용

내용

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 . 산업과 농업에서 버려지는 폐기물을 활용함으로써 폐기물의 양을 감소시킨다.
-  수산 가공 산업에서 버려지는 게와 새우 등의 갑각류의 껍질로부터 키토산을 농업에서 버려지는 볏짚, 목재 산업에서 발생하는 폐목재 등에서 셀룰로오스를 추출할 수 있다. 따라서 폐기물로부터 추출 가능한 키토산 및 셀룰로오스를 이용하여 생분해성 필름을 제작할 것이다.
+수산 가공 산업에서 버려지는 게와 새우 등의 갑각류의 껍질로부터 키토산을 농업에서 버려지는 볏짚, 목재 산업에서 발생하는 폐목재 등에서 셀룰로오스를 추출할 수 있다. 따라서 폐기물로부터 추출 가능한 키토산 및 셀룰로오스를 이용하여 생분해성 필름을 제작할 것이다.
 . LDPE를 대체할 수 있는 생분해성 필름을 제작함으로써 분해가 안 되는 플라스틱의 사용량 및 전체 쓰레기 배출량을 감소시키고, 그로 인해 발생하는 환경오염을 방지한다.
-  전국폐기물통계조사(2016~2017년)에 따르면 생활계 폐기물 중 필름류 포장재의 총 원단위 발생량은25.87g/일/인이다. 또한, 한국보건산업진흥원이 실시한 ‘국내 범용 포장재의 사용실태 조사’에 따르면, 국내 범용 포장재 중 PE 재질이 61.4%로 우리나라 인구수를 이용해 계산해보면 2017년에 배출된 PE 필름 포장재만 약 3천억 톤에 다다른다. 또한, 한국 환경공단의 영농폐비닐 자료조사에 따르면 2007년부터 2010년까지 발생한 멀칭용 LDPE필름은 매년 평균 10만 톤이었다. 따라서 1년 동안 우리나라에서 발생하는 LDPE 필름만 해도 매우 방대한 양임을 알 수 있다. 이를 모두 생분해성 필름으로 대체한다면 석유계 플라스틱으로부터 발생하는 토양 및 수질 오염, 생태계 악영향을 방지할 수 있을 것이다.
+전국폐기물통계조사(2016~2017년)에 따르면 생활계 폐기물 중 필름류 포장재의 총 원단위 발생량은25.87g/일/인이다. 또한, 한국보건산업진흥원이 실시한 ‘국내 범용 포장재의 사용실태 조사’에 따르면, 국내 범용 포장재 중 PE 재질이 61.4%로 우리나라 인구수를 이용해 계산해보면 2017년에 배출된 PE 필름 포장재만 약 3천억 톤에 다다른다. 또한, 한국 환경공단의 영농폐비닐 자료조사에 따르면 2007년부터 2010년까지 발생한 멀칭용 LDPE필름은 매년 평균 10만 톤이었다. 따라서 1년 동안 우리나라에서 발생하는 LDPE 필름만 해도 매우 방대한 양임을 알 수 있다. 이를 모두 생분해성 필름으로 대체한다면 석유계 플라스틱으로부터 발생하는 토양 및 수질 오염, 생태계 악영향을 방지할 수 있을 것이다.
 . 기존의 생분해성 필름이 갖는 약한 물성을 Nanofiller인 벤토나이트를 첨가함으로써 개선시킨다.