"엔지니어스커피"의 두 판 사이의 차이

2018년 12월 13일 (목) 16:47 판

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 커피찌꺼기를 활용한 유해가스 처리 흡착탑 설계

영문 : Design of Adsorption Tower for Toxic Gas Treatment Using SCG (Spent Coffee Grounds)

과제 팀명

엔지니어스 커피

지도교수

장서일 교수님

개발기간

2018년 9월 ~ 2018년 12월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 환경공학부 2014890025 김희연(팀장)

서울시립대학교 환경공학부 2014890040 서은홍

서울시립대학교 환경공학부 2014890047 유나형

서울시립대학교 환경공학부 2014890066 전봄이

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

 현재 우리나라 커피 소비량에 따른 커피 찌꺼기의 양은 연간 27만 톤으로, 커피 소비량의 증가에 따라 찌꺼기의 양 역시 계속해서 증가하고 있다. 하지만 현재 커피찌꺼기는 일반쓰레기로 분류되어 매립 또는 소각 처리되고 있기 때문에 처리과정의 경제적, 환경적 측면 뿐 아니라 자원화 할 수 있는 잠재적 가치가 버려진다는 측면에서 손해가 크다고 판단했다. 따라서 우리는 방대한 양의 커피찌꺼기를 활용할 수 있는 방안을 모색하였다. 
우리는 커피찌꺼기로 활성탄을 제작해, 커피 로스팅 과정에서 발생하는 유해가스를 처리하기 위한 흡착탑에 적용하고자 한다. 미국 환경청의 자료에 따르면 커피 로스팅 과정에서 연간 108 톤의 VOC가 발생하며, 그 농도는 약 176 ppm으로 배출허용기준농도 10 ppm을 초과하기 때문에 별도의 처리가 필요하다. 이에 열분해 기계를 이용하던 경쟁사의 제품과는 달리 흡착탑을 설치함으로써, 기존의 폭발 위험성을 없애고 사이클론의 필요성을 제거해 공정을 단순화하였다. 
활성탄의 품질 향상과 연구의 용이성을 위해 커피찌꺼기의 성분을 단일화하고자 했고, 이를 위해 우리나라 커피 브랜드 중 점포 개수가 가장 많은 “EDIYA COFFEE"를 사업대상으로 하였다.

개발 과제의 배경 및 효과

• 배경

 농림축산식품부의 자료에 따르면 우리나라는 20대 이상 성인의 1인당 연간 커피소비량이 2014년 341잔, 2015년 349잔, 2016년 428잔으로 점점 증가하는 추세이며, 국제커피기구에 따르면 세계 커피 소비량 15위 전후를 기록할 만큼 커피 소비량이 큰 나라이다. 이러한 커피 수요의 증가는 현대인의 라이프 스타일과 커피에 대한 습관적인 소비가 주된 원인으로 꼽힌다. 커피 시장의 성장 가속화에 따라 커피찌꺼기의 양 또한 계속해서 증가하고 있지만, 그의 활용은 미미한 수준이다. 실제로 커피를 만드는데 필요한 부분은 원두의 0.2 %에 불과하기 때문에 무려 99.8 %의 원두가 고스란히 일반쓰레기로 버려지는 것이다. 이렇게 버려지는 커피찌꺼기는 연간 약 27만 톤으로, 그 처리비용은 1년에 약 324억, 이를 처리하는데 소모되는 경제적 손실은 인건비를 포함하여 약 7,642억 원에 육박한다.
환경적 측면의 문제 또한 무시할 수 없다. 커피찌꺼기를 소각 처리 할 경우, 커피찌꺼기 1 ton 당 약 340 kg의 이산화탄소가 발생하며, 이를 하루 발생하는 커피찌꺼기의 양 약 745 kg을 기준으로 계산하면 연간 약 92,000 ton의 이산화탄소가 발생한다는 것을 알 수 있다. 이 수치는 자동차 11,000대가 내뿜는 이산화탄소의 양과 맞먹는다.
커피수요량의 계속되는 증가에 따라 커피찌꺼기를 처리하기 위한 경제적 손실과 환경적 측면의 손실 또한 증가할 것이다. 그러나 커피찌꺼기를 폐기함으로써 발생하는 가장 큰 손실은 새로운 자원으로 사용할 수 있는 폐자원을 폐기함으로써 버려지는 잠재적 가치일 것이다. 우리는 이에 주목하여 커피찌꺼기를 자원화하려고 한다. 

• 효과

 커피찌꺼기를 바이오매스로 활용함으로써 기존의 소각, 매립 처리 시 발생하던 경제적 손실과 이산화탄소 발생량을 줄일 수 있을 뿐 아니라, 폐기물로 버려지던 자원의 잠재적 가치를 활용한다는 측면에 의의가 있다. 또한 커피 소비로 인해 발생한 부산물을 커피 생산 과정에서 발생하는 대기오염물질 처리에 사용함으로써 생산, 소비, 처리 과정에 걸친 ‘자원의 선순환 구조’를 완성하여, 지속가능한 발전에 기여할 수 있을 것이다.

개발 과제의 목표 및 내용

• 목표

 매일 수백 톤씩 버려지는 커피찌꺼기를 자원화함으로써, 경제적 수익을 창출함과 동시에 자원의 선순환 구조를 완성해 지속가능한 발전에 기여한다. 

• 내용

 일반쓰레기로 버려지던 커피찌꺼기를 활성탄으로 만들어 커피 생산 과정에서 발생하는 대기오염물질을 처리하기 위한 흡착탑에 사용한다. 
이를 통해 쓰레기의 절대적인 양이 줄어들면, 수십 억 원의 일반쓰레기 종량제 봉투 비용 및 쓰레기 처리비용을 절감해 경제적 이익을 얻을 수 있다. 또한 커피찌꺼기의 높은 유분 함유량을 이용해 바이오 디젤을 추출하거나, 바이오 가스를 추출하는 등 부가적인 수익을 기대할 수 있다. 뿐만 아니라, 우리나라의 커피 산업이 계속해서 발전한다면 커피찌꺼기의 재활용 사업 및 시장도 성장할 가능성이 있다고 생각한다. 그러한 측면을 고려한다면 새로운 활성탄을 제조하지만 기존의 흡착탑에 그대로 적용가능하다는 점에서 향후 흡착탑 제조업체 혹은 사용 업체들을 대상으로 하는 판매 수익 또한 기대할 수 있을 것이다.
 커피찌꺼기 처리 시 발생하는 오염물질과 커피 로스팅 과정에서 발생하는 오염물질을 저감시킨다는 점, 커피찌꺼기를 바이오매스로 활용한다는 점 등의 환경적 측면의 이익도 있다. 소각 시 발생하는 이산화탄소, 로스팅 과정에서 발생하는 VOC 등은 온실가스이기 때문에 처리와 관리가 필요하다. 특히 VOC는 발암물질이자 광화학스모그의 원인물질이기도 한데, 커피 로스팅 과정에서 배출허용기준보다 높은 농도의 VOC가 발생한다. 이를 커피찌꺼기 활성탄, 즉 바이오매스를 통해 처리하기 때문에 친환경적인 방법으로 대기오염물질을 저감시켜 자원의 선순환 구조를 완성하는 것이다.

관련 기술의 현황

관련 기술의 현황 및 분석(State of art)

• 국내의 기술개발 현황

유해가스 처리기술의 종류로는 연소법, 흡착법, 흡수법, 미생물처리법, 오존산화법, 냉각응축법 등이 있다. 우리는 여기서 활성탄, 제올라이트 등 흡착제를 이용하여 유가스를 흡착 제거하고, 적응성이 높으며 설치비용이 적다는 장점을 지닌 흡착탑의 형태를 차용하고자 한다.

또한, 다이옥신 및 유해가스를 제거하는 기술로 활용한 장치로는 전기집진장치, 반건식세정탑, 여과집진장치, 습식세정장치, SCR 등이 사용되고 있다.

• 국내의 최신 기술

- ㈜ 에이피시스 “플라즈마와 유해가스의 대향류를 이용한 유해가스 처리장치 및 처리방법”

플라즈마와 유해가스의 혼합을 극대화시켜 대용량의 유해가스가 주입되어도 일정한 분해효율을 달성할 수 있는 “플라즈마와 유해가스의 대향류를 이용한 유해가스 처리장치”가 개시된다. 이를 위하여 음전극과 양전극 사이에 전압을 가하여 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 발생수단, 및 상기 플라즈마 발생수단의 후단에 연결 설치되고, 외부로부터 공급된 유해가스를 상기 플라즈마 흐름과 반대 방향으로 주입하며, 플라즈마 처리된 유해가스를 외부로 배출하는 대향류 챔버를 포함하는 플라즈마와 유해가스의 대향류를 이용한 유해가스 처리장치를 제공한다. 본 발명에 의하면, 플라즈마의 흐름과 반대 방향으로 유해가스를 주입하므로 플라즈마의 흐름과 동일 방향으로 유해가스를 주입하는 경우보다 플라즈마와 유해가스의 혼합이 충분히 이루어지고, 플라즈마와 유해가스가 혼합되는 고온영역에서 유해가스의 체류 시간이 증가되므로 분해효율이 향상된다.

• 특허조사 및 특허 전략 분석

- 특허조사

· 에이치플러스이엔지(주),휘발성 유기화합물 흡착탑

· 윤영중,휘발성 유해물질 제거용 활성탄 흡착탑

· King Car Food Industrial Co.. Ltd.,Method for manufacturing activated carbon from coffee waste

· 현대자동차 주식회사, 인하대학교 산학협력단,활성탄소 및 이의 제조방법

· 한국기계연구원,활성탄 및 이의 제조방법

· 경북대학교 산학협력단,건조 커피찌꺼기를 이용한 염색폐수의 처리방법 및 처리장치 (공개특허)

-특허 전략

일반쓰레기로 버려지는 커피찌꺼기를 자원으로 활용하여 활성탄을 제조한다. 커피 소비의 증가에 따라 늘어나는 커피찌꺼기의 발생량을 보다 효율적으로 처리하고자 하였고, 버려지는 자원의 재발견·활용을 통해 부가가치를 창출하고자 한다.

활성탄을 가장 효율적으로 사용하기 위해 흡착탑에 적용한다. 재사용과 효율 향상을 위해 커피찌꺼기를 입상 활성탄의 형태로 가공했으며, 처리 목표 효율에 도달하기 위해 활성탄을 4단으로 투입한다.

현재의 기술 수준에서는 경제성이 떨어지는 것이 사실이다. 하지만 경제성은 경쟁력을 확보하기 위한 필수 요소인 만큼, 우리의 설계제품이 환경적으로 큰 의미를 갖고 경제성은 추후에 기술의 발전으로 보완될 수 있다는 점을 어필하는 것이 도움이 될 것이다.

• 기술 로드맵

커피찌꺼기 활용에 대한 필요성은 계속해서 제고되어 왔다. 현재 커피찌꺼기를 활용하는 예로는 가정에서 기름 제거 및 냄새 흡착 용도로 사용하거나, 아동 완구용 점토 또는 친환경비료를 제조하는 것 등이 있는데, 사업의 규모나 관심도가 매우 작은 실정이다.

최근 환경부에서는 커피찌꺼기에 대한 재활용 의무와 배출 부담금 부과를 검토하겠다고 밝혔다. 방대한 양의 커피찌꺼기 활용에 대한 필요성이 공론화되어, 더욱 관심을 받게 된 것이다. 뿐만 아니라 현재 커피찌꺼기는 신재생에너지 원료 즉, 바이오원료로 각광받고 있다. 그렇기 때문에 지금이 커피찌꺼기를 자원화하려는 기술개발이 가장 필요한 시기라고 할 수 있다. 이에 우리는 커피찌꺼기로 활성탄을 제작하여 유해가스를 흡착하기 위한 흡착탑에 적용해, 보다 큰 규모의 사업을 진행하고 지속적인 개발을 도모하고자 한다.

가까운 미래에는 경제성 확보에 주력할 것이다. 커피찌꺼기는 친환경적이라는 점에서 강점을 갖고 있지만, 단순히 일반쓰레기로 처리하는 비용보다는 새로운 기술개발과 제조공정 및 실제 제품화 과정에 더 많은 초기비용이 필요한 것이 사실이다. 따라서 기술발전에 따라 생산비용을 절감하거나, 커피찌꺼기 활성탄의 효율을 높여 해당 제품을 상용화 시키는 등의 방법을 통해 커피찌꺼기 활성탄의 경제성을 확보하고자 한다.

최종 목표는 커피찌꺼기 활용방안을 단순 제시하는 것에서 그치지 않고 이를 보편화하는 것에 있다. 사물인터넷이나 자동 시스템 기술을 활용하여 측정, 관리 및 소재 공정 기술에 적용하고, 친환경적인 활성탄의 대중화를 위한 시장의 인식 제고가 필요하다.

시장상황에 대한 분석

• 경쟁제품(기존 흡착탑) 조사 비교

- 기존 흡착탑과 설계 흡착탑의 공통점
공정이 (① 가스 흡입구 ② 활성탄 투입구 ③ 내부점검구 ④ 활성탄 배출구 ⑤ 송풍기 ⑥ 배출 굴뚝)으로 동일함
기능이 VOCs, 유기성가스, 악취, 유해가스 흡착 제거를 하는 것으로 동일함
- 기존 흡착제의 경우
 흡착제 : 활성탄, 알루미나, 황산스트론튬
 용도 :  분뇨 및 폐수처리장, 정수처리장, VOCs 발생작업장
- 설계 활성탄의 경우
 흡착제 : 커피찌꺼기 활성탄
 용도 :  커피 로스팅 공장에서 발생하는 유해가스 제거
-기존의 흡착탑에서 사용하던 활성탄, 알루미나, 황산스트론튬 등의 흡착제를 커피찌꺼기로 만든 활성탄으로 대체한다. 특히 커피 로스팅 과정에서 발생하는 포름알데히드 등의 유해가스를 처리하기 위한 흡착탑에 커피찌꺼기를 사용함으로써 커피 생산, 소비, 부산물 처리까지의 자원순환 프로세스를 완성했다. 뿐만 아니라 일반폐기물로 매립되던 커피찌꺼기를 재활용한다는 점에서 환경적, 경제적으로 유의미한 성과를 기대할 수 있다. 또한 기존의 흡착탑과 공정상의 차이는 없기 때문에 기존의 사용처에도 자유롭게 적용가능하다는 장점이 있다. 

• 마케팅 전략 제시(SWOT 분석)

- Strengths

로스팅 과정에서 발생하는 유해가스 처리공정 축약과 동시에 폭발가능성 감소 커피찌꺼기를 활용한 친환경 활성탄 기존의 흡착탑의 구조에서 추가적인 장치 신설 없이 사용 가능 커피 생산 과정의 자원 순환 프로세스 구축

- Weaknesses

기존의 활성탄과의 흡착율의 큰 차이는 없음 소비자의 구매 욕구를 자극시킬 요소 부족

- Opportunities

친환경 활성탄을 이용한 흡착탑이 아직 시장에 나타나있지 않음 국제적으로 환경적인 측면이 중요하게 대두되는 추세 로스팅 공장 건축 계획을 가진 회사의 등장

- Threats

활성탄으로 활용 가능한 또 다른 바이오매스 존재 기술의 발전으로 활성탄 흡착보다 더 좋은 흡착기술 개발 가능성 있음

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

활성탄 흡착탑은 오랜 사용기간으로 그 효과를 입증하고 있다. 활성탄은 VOCs, 다이옥신, HS, 미세먼지 등 대기오염의 주원인이 되는 유해가스를 흡착하는 효과가 약 70 % 이상이다. 
커피찌꺼기가 일반쓰레기로 처리될 때 발생하는 이산화탄소가 절감되기 때문에 온실가스 발생량 감축 효과가 있다.
활성탄 제조과정은 원재료에 관계없이 무관하나, 커피찌꺼기를 활용한 활성탄은 다른 종류의 활성탄과 비교해 중금속 흡착능이 뛰어나다는 연구결과가 많다. 차후의 기술 발전을 통해 우리가 현재 설계하는 공정 외에 중금속 분진 등이 발생하는 공장에도 사용할 수 있을 것이다.
커피 생두 로스팅 과정에서 배출되는 유해가스를 제거하는데 커피찌꺼기 활성탄 흡착탑을 사용한다면 커피의 생산, 소비, 부산물 및 유해물질 처리에 있어 순환구조를 형성하므로 경제적, 환경적으로 유의미하다.

경제적, 사회적 기대 및 파급효과

활성탄 흡착탑은 오랜 사용기간으로 그 효과를 입증하고 있다. 활성탄은 VOCs, 다이옥신, HS, 미세먼지 등 대기오염의 주원인이 되는 유해가스를 흡착하는 효과가 약 70 % 이상이다. 
커피찌꺼기가 일반쓰레기로 처리될 때 발생하는 이산화탄소가 절감되기 때문에 온실가스 발생량 감축 효과가 있다.
활성탄 제조과정은 원재료에 관계없이 무관하나, 커피찌꺼기를 활용한 활성탄은 다른 종류의 활성탄과 비교해 중금속 흡착능이 뛰어나다는 연구결과가 많다. 차후의 기술 발전을 통해 우리가 현재 설계하는 공정 외에 중금속 분진 등이 발생하는 공장에도 사용할 수 있을 것이다.
커피 생두 로스팅 과정에서 배출되는 유해가스를 제거하는데 커피찌꺼기 활성탄 흡착탑을 사용한다면 커피의 생산, 소비, 부산물 및 유해물질 처리에 있어 순환구조를 형성하므로 경제적, 환경적으로 유의미하다.

구성원 및 추진체계

구성원

김희연 – 자료 수집 및 발표, 3D 모델링

서은홍 - 자료 수집 및 발표, 보고서 작성

유나형 – 자료 수집 및 발표, 이론적 계산

전봄이 - 자료 수집 및 발표, 시연물 제작

추진체계

2018/09/01 ~ 2018/09/28 + 주제 선정 및 과제 제안서, 평가기준 작성

2018/09/28 ~ 2018/10/12 + 경쟁력 분석, 경제성 분석, 수치화 작업

2018/10/12 ~ 2018/10/26 + 개념 설계, 간단한 공정 및 필수 요소 설계

2018/10/26 ~ 2018/11/30 + 상세 설계, 세부 공정 및 효율성 증대 방안

2018/11/30 ~ 2018/12/14 + 시연물, 포스터, 최종 보고서 제작

설계

개념설계안

제품의 요구사항

- 필요사항인 동시에 중요도가 ‘대’인 것 : 처리 효율성, 제품의 경제성, 제품의 안전성
- 처리 효율성 : 대기오염물질 배출량이 배출허용기준을 만족할 것
- 제품의 경제성 : 커피찌꺼기의 수거, 가공, 활용 비용이 기존의 유해가스 처리비용과 커피찌꺼기 폐기비용, 버려지던 폐자원의 잠재적
                  이익을 고려한 것보다 경제적일 것
- 제품의 안전성 : 커피찌꺼기 활성탄과 유해가스 제거과정의 폭발위험성을 고려할 것

커피찌꺼기 활성탄 제조

• 활성탄의 형상 : 입상활성탄
• 활성탄의 제조 과정 및 조건

1. 전처리 : 수용성 성분과 불순물을 제거하기 위해 증류수에 2회 끓인 후 자연 건조한다.
2. ROASTING : 휘발성 물질 등의 불순물을 제거하여 섬유구조의 열분해가 잘 이루어지도록 HOT PLATE에서 1시간 로스팅을 한다.
3. 탄화 : 열분해장치의 내부에 질소가스를 주입하여 무산소조건을 만든 후 500 ℃까지 10 ℃/min의 속도로 승온시킨 뒤 1시간동 안 열분해시킨다.
4. 활성화 : KOH(수산화포타슘)으로 약 500 ℃에서 1 시간동안 활성화 처리를 한다.
5. 중화수세 : 농도 3 %의 HCl로 수회 세척한다.

개념설계안

내용

이론적 계산 및 시뮬레이션

내용

상세설계 내용

내용

결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

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포스터

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관련사업비 내역서

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완료작품의 평가

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향후계획

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특허 출원 내용

내용