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2018년 12월 19일 (수) 03:55 판

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 폐플라스틱을 이용한 재활용 담체 개발

영문 : Development of Recycling Media Using Waste Plastics

과제 팀명

막거르조

지도교수

장서일 교수님

개발기간

2018년 9월 ~ 2018년 12월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 환경공학부·과 2015890013 김주형(팀장)

서울시립대학교 환경공학부·과 2015890024 배성준

서울시립대학교 환경공학부·과 2015890074 최요한

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

현재 수많은 플라스틱 제품이 생산되면서 많은 양의 플라스틱 폐기물이 발생하고 있다. 폐플라 스틱을 처리하기 위한 공정이 개발되어왔지만 경제성 문제로 인해 제대로 처리되지 않고 있다. 또한 중국으로의 수출 불가 및 해외로부터의 수입 증가로 인해 늘어난 폐플라스틱을 처리해야 하 는 실정이다. 이에 따라 본 설계에서는 폐플라스틱을 재활용하기 위한 방안으로 폐플라스틱을 수 처리에 필요한 미생물 담체로 재활용하여 이용하고자 한다. 먼저 폐플라스틱 중에서도 화학적 안 정성이 좋고 가공이 용이한 PE,PP를 점토 및 황토 등과 혼합하여 가공한 미생물 담체를 제작한다. 3가지의 PE, PP 혼합비를 가정한 후 실험 및 가격 분석을 통해 가장 실용적인 혼합비를 선정하여 담체를 개발한다.

개발 과제의 배경

전세계적으로 수많은 플라스틱제품이 생산되며 이로인해 다수의 플라스틱 폐기물이 발생되고 있다. 플라스틱 폐기물의양은 점차 증가하는 추세이며 향후에도 더 증가할 것으로 생각된다. 이렇 게 발생하는 폐플라스틱은 많은 환경문제를 발생시킨다. 폐플라스틱 중 염화비닐 및 염화비닐을 가소제로 사용하는 플라스틱에서는 염화수소가 발생되어 설비부식 및대기오염문제를 야기한다. 또한 착색안료에 들어가는 중금속은 유해배기가스를 발생시킨다. 해양으로 유출된 경우 해양생물 이 폐플라스틱을 먹고 죽는 문제도 발생한다. 이와 같이 폐플라스틱은 많은 환경문제의 원인이 되며 이를 해결하기 위해 재활용하는 방법이 시도되고있다. 국내플라스틱재활용현황을 보면 2015 년기준 재활용율 59.5%로 점진적으로 증가하는 추세이다. 하지만 올해 4월 중국이 폐플라스틱을 포함한 고체폐기물의 수입을 금지하면서 총수출량이 감소하고 중국으로 수입되던 고체폐기물이 우리나라에 수입되면서 국내폐플라스틱 보유량이 증가하였다. 따라서 향후 적극적으로 폐플라스 틱을 처리해야한다. 본연구에서는 폐플라스틱의 재활용방안으로 폐플라스틱을 이용한 미생물담체 를 개발하여 수처리공정에 이용하고자한다.
폐플라스틱 담체를 제작하여 기대할 수 있는 효과로는 먼저 재활용효과가 있다. 폐플라스틱의 재활용이라는 측면에서 환경문제를 개선할 수 있으며 수출량 감소 및 수입량 증가로 인한 폐플라 스틱 보유량 증가 문제에 대응할 수 있다. 또한 이렇게 제작된 담체의 성능을 기존 방식대로 제 작한 담체와 비교하여 재활용 담체의 수처리 적용 가능성을 확인할 수 있다.

개발 과제의 목표 및 내용

1) 폐플라스틱을 재활용한 담체 개발

플라스틱 종류 중 화학적 안정성이 좋고 가공이 용이한 PE, PP를 재활용한 미생물 담체를 개발 하고자 한다. 먼저 개발한 담체의 침전을 방지하기 위해 비중이 물과 비슷한 약 1g/cm3에 가깝도 록 제작해야 한다. 비표면적이 커 미생물의 부착농도가 높아야하며 담체 간 마찰에 의한 생물막 의 탈리현상을 방지할 수 있는 형태를 결정해야한다.

2) 담체에 최적인 혼합비 선정

물성이 다른 PE와 PP를 다양한 비율로 혼합한 후 점토, 황토, 톱밥과 함께 담체를 제작한다. 이 후 각 비율에서의 밀도, 공극률 등 특성을 비교한다. 그 다음 jar test를 통해 각 조건에서의 제거 효율, 내구성 등을 비교하고 각 특성을 종합적으로 평가하여 최적의 혼합 비율을 선정하고자 한 다.

3) 수처리에 적합한 총질소 제거효율

기존의 미생물 담체와 총질소 제거효율을 비교하였을 때 충분히 활용될 수 있는 수준이 되어야 한다. 기존 기술 및 연구와 비교하였을 때 실용성이 있다고 판단할 수 있는 기준으로 NH4+-N 90% 이상 제거 및 TN 70% 이상 제거를 기준으로 하여 목표를 설정하였다.

4) 경제성 및 경쟁력 확보

폐플라스틱을 활용하여 자원을 절약하고 제작 비용을 합리적으로 산정하여 경제성을 확보해아 한다. 또한 기존 담체와 성능을 비교했을 때 유사한 성능을 나타내면서 기존 공정보다 간단한 제 작 공정을 제시하여 경쟁력을 확보해야 한다

관련 기술의 현황

관련 기술의 현황 및 분석(State of art)

전 세계적인 기술현황

다음 표는 담체의 재질에 따른 폐수 또는 하수처리에 적용한 경우의 사용 용도를 나타낸 것이다. 담체는 재질에 따라 천연재료, 합성물질, 세라믹 등으로 구분될 수 있다.

1) 천연재료 담체

천연재료를 활용한 담체는 폐̇,하수처리 초기에 주로 사용되었다. 초기에는 살수여상 혹은 Solid Contact 등의 공정에 사용되었으나 현재에는 미생물 부착 문제, 미생물 탈리 등의 문제로 거의 사용되지 않고 있다.

2) 합성 담체

합성 담체는 대부분 살수여상 혹은 침적형 고정상 여재들로 이용된다. 기존 천연재료 담체와 비교하여 큰 우위를 보이고 있다. 담체의 무게 또한 가벼우며 균일한 모양, 큰 비표면적, 높은 강도, 미생물 부착의 용이성 등 기존 천연재료 담체보다 한 단계 성장한 모습을 보인다. 따라서 처리효율이 상당히 향상되었을 뿐만 아니라 공정을 다룰 때에도 편리하다는 장점이 있다.

3) 세라믹 담체

세라믹은 열처리를 한 비금속 또는 무기화합물의 총칭이다. 주성분은   ,   등이다. 세라믹 담체는 무기성 재료로 만들어지기 때문에 열처리에 큰 장점을 가진다. 미생물 탈리가 쉽게 일어나는 합성 담체와 대조하여 미생물이 쉽게 떨어지지 않는다는 장점을 가지고 있다.

4) 폐자원 담체

기존 천연재료, 합성, 세라믹 등의 담체를 통해 담체 개발 기술은 많은 발전을 이룬 상태이다. 그 종류에는 폴리우레탄, PVC polyprolylene, cellulose 및 폐타이어 등의 유기질이 있으며, 천연광물, 제올라이트, 석탄회, 폐주물사, 폐유리를 이용한 무기질 세라믹 담체 등 그 종류는 다양하다.

특허조사 및 특허 전략 분석

1) 폐폴리에틸렌을 이용한 폐·하수처리용 과립담체의 제조방법 (2003.03)

(1) 재료 : 폐플라스틱, 제올라이트, 활성탄
(2) 제작 과정 : ➀ 혼합 단계 ➁ 용융압출단계 ➂ 압출성형단계 ➃ 탈수단계
(3) 실험 결과
(4) 특허 제품의 경쟁력
① 다양한 크기(5 ~10mm)의 과립상으로 다양한 종류의 미생물 부착성장이 양호
② 진비중 1 ~ 1.19 범위 내의 것으로서 수류에 따라 원활하게 유동 
③ 담체의 정체현상이 없고 용이하게 제조할 수 있어 대량생산이 가능
④ 폐폴리에틸렌을 주원료로 사용하여 경제성이 높고 폐기물로부터 야기되는 공해문제를 해결
⑤ 미생물의 부착 성장에 적합한 큰 비표면적을 가지므로 처리속도가 빠르고 처리효율이 우수

2) 미생물 담체 및 이의 제조방법 (2010.3)

(1) 재료: 폴리에틸렌, 제올라이트, 활성탄
(2) 제작 과정: ➀ 혼합 단계 ➁ 압출단계 ➂ 절단 단계 ④ 전하변경공정 단계
(3) 실험 결과
(4) 특허 제품의 경쟁력
① 전하변경공정 추가된 실시예 2의 미생물 부착 속도가 실시예 1보다 두 배 이상 증가
② 친수성 양전하로 변경됨에 따라 부착 후 활성이 증가하여 처리효율도 증가
③ 비중 0.97인 담체가 잠수 부상 상태를 유지하며 완전히 유동되어 편류현상이 없음

3) 미생물 고정화용 다공성 담체 및 그 제조 방법 (2011.07)

(1) 재료: 슬러지, 활성탄. 제올라이트, 황토, 폐플라스틱 분말, 폴리비닐알코올, 폐타이어분말, 폴리옥시에틸렌알킬에테르
(2) 제작 과정: ➀ 혼합 단계 ➁ 미분체 제조 단계 ➂ 혼련 단계 ④ 성형 단계 ⑤ 절단 단계  
(3) 실험 결과
(4) 특허 제품의 경쟁력
① 슬러지를 함유하여 폐수처리에 있어 순응시간 단축시켜 안정적인 처리효율 유지 
② 폐플라스틱 분말, 폐타이어 분말을 활용하여 비중 조절이 용이
③ 다양한 크기와 많은 기공을 통해 미생물 생장에 필요한 각종 원소를 담체 내 함유
➃ 저온에서 혼련 및 성형을 하여 제조방법이 매우 간단하고 용이

기술 로드맵

내용

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

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