"2조 꽁렉터"의 두 판 사이의 차이

2019년 6월 20일 (목) 08:25 판

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 초임계 유체 추출을 이용한 담배필터 재활용 공정 설계..

영문 : Cigarette filter recycling process using supercritical fluid extraction..

과제 팀명

꽁렉터

지도교수

김주식 교수님

개발기간

2019년 3월 ~ 2019년 6월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 환경공학부 20138900** 문**

서울시립대학교 환경공학부 20138900** 최**

서울시립대학교 환경공학부 20158900** 권**

서울시립대학교 환경공학부 20158900** 장**

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

현재 플라스틱으로 인한 환경문제가 대두되면서, 그에 대한 재활용 사업이 계속해서 추진되고 있다. 그 플라스틱 문제 중 하나가 바로 담배 내 들어있는 ‘담배필터’다. 시중에 판매되고 있는 담배는 90%가 셀룰로오스 아세테이트(Cellulose acetate)로 된 담배필터로 구성되어 있다. 이 때, 셀룰로오스 아세테이트는 플라스틱 중 하나로 다른 플라스틱에 비해서는 분해속도가 빠르다는 장점이 있지만 미세플라스틱이 되는 시점부터는 그 속도가 매우 느려 또 다른 플라스틱 환경문제를 야기 시키고 있다. 일부 선진국에서는 CA(Cellulose Acetate)담배필터가 100% 재활용 가능한 자원이라는 것을 밝혀내면서 이에 대한 사업이 활발하게 연구 및 진행되고 있다. 따라서 우리는 초임계유체 추출을 이용한 세정단계를 포함하여 국내(서울시 기준) 담배필터 재활용 사업에 대한 공정을 설계함으로써 이에 대한 환경문제를 해결함과 동시에 이익을 창출해보고자 한다. 즉, 수거된 담배꽁초에 대한 recycling 및 upcycling 공정의 제안 및 설계를 통해 새로운 자원으로서 담배꽁초의 활용가능성을 제시하는 것을 과제 목표로 삼고자 한다.

개발 과제의 배경 및 효과

◇ 최근 미세먼지와 함께 범지구적 환경이슈로 부상한 해양미세플라스틱의 주발생원으로 담배꽁초가 지목되면서 담배꽁초에 대한 수거 및 재활용의 필요성은 나날이 증가하고 있다.(현재 담배꽁초 내 필터의 90%가 셀룰로오스 아세테이트를 주원료로 하여 제작된 플라스틱필터이고, 해양으로 유입된 담배꽁초가 분해되면서 필터 내의 셀룰로오스 아세테이트가 유출되어 심각한 해양 미세플라스틱 문제를 유발하고 있다.)

◇ 전 세계적으로 버려지는 담배꽁초 중 75%가량이 길거리에 버려지는 담배꽁초이고 그 양이 2025년까 지 50%이상 늘어날 것으로 환경전문가들이 전망하면서 담배꽁초의 처리문제가 중요한 국제적 관심 사가 되고 있다.

◇ 서울시에서는 2018년 기준 연간 87억 개 담배꽁초가 무단 투기되는 것으로 추정된다. 동년기준 서울 시 담배꽁초 무단 투기 단속건수가 7만 2천 건에 불과하다는 점에서 길거리 등에 무단 투기되는 담 배꽁초의 처리문제는 국내에서도 중요한 사회적·환경적 문제로 대두되고 있는 상황이다.

◇ 국내의 경우 버려지는 담배꽁초에 대한 별도의 수거, 처리체계가 없는 실정이다. 현재 국내에서 담배꽁초는 폐기물로 분류되어 수거 후 별도의 처리과정을 거치지 않고 소각 및 매립되는데, 이 과 정에서 담배꽁초 내의 유해 화학물질이 토양 및 대기로 유출되어 2차 환경오염을 유발하고 있다. ‘담배꽁초 재활용사업’을 통한 해양미세플라스틱 오염량 감축 및 국가순환경제 달성이 선진국을 중심 으로 국제적 추세가 되어가고 있다는 점을 고려할 때, 국내 담배꽁초의 수거 및 재활용 방안에 대한 필요성은 점차 증대될 것으로 판단된다.

◇ 해외사례를 살펴보면 자원재생측면에서 담배꽁초가 ‘100%재활용’이 가능한 자원이라는 사실이 알려 지면서 미국, 캐나다, 프랑스, 호주 등 선진각국을 중심으로 담배꽁초의 수거 및 재활용 사업이 현재 활발하게 연구·진행되고 있다.

◇ 담배꽁초를 분리수거하지 않고 일반폐기물과 함께 소각ㆍ매립하고 있는 현행에서, 본 개발과제의 수 행으로 꽁초의 약 60wt%를 차지하는 필터를 자원으로 전환한다. 소각ㆍ매립되는 양이 줄어들어 처리비용과 환경부하가 줄어들 것으로 기대하며, 자원화한 담배필터를 CA Sheets로 제작함으로써 경 제적인 가치를 창출한다.

개발 과제의 목표와 내용

◇ 본 과제는 국내 담배꽁초의 수거 및 재활용 사업에 대한 필요성을 인식하고, 수거된 폐 담배꽁초를 새로운 ‘자원(資源)’으로서 활용하기 위해 관련 시설물을 공학적으로 설계하려는 데 중심목표가 있다.

◇ 본 과제에서는 폐 담배꽁초의 구성성분 중 최근 해양미세플라스틱 문제의 주원인으로 지목되고 있는 담배필터에 focusing하여 담배필터 내 (반)플라스틱 물질인 셀룰로오스 아세테이트(CA)에 대한 recycling 및 upcycling 공정을 설계하고자 한다.

◇ 개략적인 공학적 설계 항목은 분리, 정화(세척), 압출ㆍ성형(시트화)의 3단계 공정으로 구분된다.

◇ 개략적인 공학적 설계 항목들을 나열하면 아래와 같다.

 1) 분리공정 :  폐 담배꽁초를 담배필터와 나머지부분(담뱃잎, 종이 등)으로 분리
 2) 정화공정 : 담배필터의 오염물질들을 제거하기 위한 전처리과정으로서, 선정한 담배필터 내 처리대상 유해화학물질을 초임계 유체 세정을 통해 목표 정화 율을 달성.
              분리공정을 통하여 분리된 필터를 제외한 나머지부분(담뱃잎, 종이 등)은 경제성을 고려하여 적절한 처리공정 제안
 3) 압출ㆍ성형(시트화) : 분리와 정화를 거친 CA tow상태인 담배필터에 친환경 가소제를 첨가, 용융 및 압출과정을 거쳐 CA Sheets화하여 다양한 플라스틱 제품으로의 상업적인 재활용 가능성을 제시 

◇ 따라서 본 과제의 범위는 수거된 폐 담배꽁초를 대상으로 ‘상업적으로 이용 가능한 Sheets 제조’까지를 포함한다.

관련 기술의 현황

State of art

가. State of art (1)

◇ 담배꽁초는 국내법상 재활용 불가 폐기물로 분류되어 ‘담배꽁초 관리 및 재활용’에 대한 정부 정책이 구체적으로 마련되지 않은 상태이다.

◇ 담배꽁초에 부과되는 폐기물부담금은 1개비당 1,225원으로 국내 담배 생산자는 폐기물 부담금 납부를 통해 폐기물 문제에 대한 책임을 면제받고 있다.

◇ 담배꽁초가 ‘100%재활용’이 가능한 자원이라는 사실이 알려지면서 담배꽁초의 수거 및 재활용 사업이 현재 활발하게 연구·진행되고 있다. 프랑스의 경우, 국가 순환경제 목표 달성을 위한 담배꽁초 재활용 사업을 추진하면서 1대당 1만개의 담배꽁초 수거가 가능한 담배꽁초 전용 수거함을 도심에 설치하는 캠페인을 진행하고 있으며, 수거된 담배꽁초를 100% 재활용해 필터는 플라스틱으로 재생산하고, 필터를 뺀 나머지 부분은 퇴비로 이용하는 사업을 적극적으로 추진하고 있다.

◇ 미국(salam시)과 호주(멜버른시)도 위와 같은 수거 및 재활용 사업을 활발히 진행하고 있다. 담배꽁초를 이용한 절연효과가 높은 벽돌 생산 연구, 담배꽁초를 이용해 만든 아스팔트가 기존 아스팔트보다 높은 강도를 가지며 열전도 측면에서도 효과적이라는 연구결과 발표 등 관련 연구도 국제적 차원에서 점차 확산되고 있다.

나. State of art (2) - 본 과제의 공학적 설계항목과 관련된 기술 현황

폐 담배꽁초 에서 담배필터 분리 기술

◇ 국내의 경우, 담배꽁초에 대한 재활용 사업 및 연구는 해외에 비하여 활성화정도가 매우 낮은 상황 이다. 2018년 구리시에서 ‘담배꽁초 퇴비화기기’를 시범운영한 사례가 있으나 해당기기는 담배필터의 분리공정을 포함하고 있지 않다. 관련 연구에서도 담배꽁초의 개별적 요소(담배필터, 종이 및 담뱃잎 등)에 대한 재활용방안 연구사례는 증가하고 있으나 담배꽁초의 분리기술에 대한 선행연구는 아직까지는 거의 존재하지 않는 것으로 조사된다.

◇ 국내 특허를 살펴보면, 침하되어진 일정량 이상의 담배꽁초를 담배꽁초 슬러리 상태에서 교반기로 교반하여 담배필터 부분과 담배가루 부분을 분리시키는 습식분리기술이 특허로 등록된 바 있다.

◇ 프랑스, 호주 등 해외 사례를 살펴보면 전용수거함을 통하여 수거된 담배꽁초는 세계 최대의 담배꽁초 재활용 업체인 TerraCycle에 보내진다. 그 후 TerraCycle의 자체 재활용 공정을 거쳐 플라스틱제품으로 재활용되는데, 이때 건식 분리방법을 통해 폐 담배꽁초 에서 담배필터를 분리하는 것으로 조사되나 자세한 공정내용은 회사 기밀로 확인이 불가능한 상황이다.

1차 셀룰로오스 아세테이트의 초화를 통한 디아세테이트화

◇ 셀룰로오스 아세테이트는 셀룰로오스가 가지고 있는 3개의 수산기(-OH)중 아세틸기(-OC(O)CH)로 치환된 개수에 따라 디아세테이트와 트리아세테이트로 분류되는데, 이중 담배필터의 주성분으로 사용되는 물질은 ‘셀룰로오스 디아세테이트’이다. 셀룰로오스 디아세테이트는 아세톤을 용매로 하여 추출될 수 있다. (* 수산기가 아세틸기로 치환된 개수에 따른 아세테이트의 분류)

① 트리아세테이트 : 아세틸기로 치환한 개수가 2.8 ~ 3.0개인 것. 디아세테이트에 비해 초화(아세트화)도 가 크고 아세톤에 녹지 않는다. ② 디아세테이트  : 아세틸기로 치환한 개수가 2.5개 인 것. 일반적으로 아세테이트라고 불리는 물질의 주된 형태로서, 아세톤에 용해되는 성질을 갖는다.)

가소제를 활용한 셀룰로오스 아세테이트 펠릿화 및 재활용 기술

◇ 1차 셀룰로오스 아세테이트의 가공법으로는 아세톤과 같은 용매를 이용하여 용액방사법으로 섬유를 제조하는 방법과 가소제를 첨가하여 셀룰로오스 아세테이트를 가소화한 후 용융가공법을 통해 펠릿, 판재 등으로 가공하는 방법이 있다.

◇ 셀룰로오스아세테이트 섬유는 현재, 다음과 같이 하여 제조되고 있다. 우선, 원료인 셀룰로오스아세테이트의 플레이크(flake)를 아세톤 등의 용제로 용해하고, 셀룰로오스 아세테이트의 방사원액을 조제한다. 이 방사원액을 방사노즐장치로 공급하고, 고온 대기 중에 토출하는 건식방사법에 의해 방사하여,셀룰로오스 아세테이트 섬유를 얻는다. 건식방사법 대신에 습식방사법을 사용하는 것도 가능하다. 이러한 CA섬유를 담배필터용으로 사용하기 위해서는 먼저 총섬도를 적당하게 설정하고, 섬유토우(tow)로서 만든다. 이를 담배필터플러그 권상장치에 의해 개섬하고, 약 6~12%의 트리아세틴(TA) 가소제를 첨가, 필터 권취지로 모양을 만들고 절단하여 만든 것이 담배필터이다.

◇ 현재 셀룰로오스 아세테이트에 첨가하는 가소제로는 주로 DEP(프탈레이트계 가소제)가 이용되고 있으며, 조성비는 28~33%의 질량백분율을 갖도록 첨가하여 펠렛화 한다. 그러나 프탈레이트계 가소제를 적용한 CA혼합체가 분해 시 인체에 유해한 환경호르몬 물질을 배출한다는 사실이 밝혀지면서 점차 가소제를 친환경소재로 바꾸는 단계에 있다. 대표적으로 사용되고 있는 친환경가소제로는 DEP free가 있으며, 관련 연구에 따르면 크레실 디페닐 포스페이트(CDP), 폴리 에틸렌 글리콜(PEG) 등의 물질들이 프탈레이트계 가소제를 대체할 수 있는 것으로 조사되고 있다. 가소제를 첨가한 셀룰로오스 아세테이트는 이축압출기 등을 통해 펠렛으로 만들어지고, 이후 판재형태로 재압출 된다. 담배필터 제작에는 약 6~12%의 트리아세틴(TA) 가소제가 첨가되며, 이는 섬유(Cellulose acetate tow) 형태이다.

기술 로드맵

특허조사

1) 담배 필터를 이용한 흡음재

=> 버려지는 담배필터를 이용하여 인체에 무해한 흡음재를 만드는 것이다. 이는 건축물의 외부를 이루는 외벽에서 건축물의 내부를 이루는 내벽으로 또는 상기 내벽에서 외벽으로 전달되는 소음을 차단할 수 있도록 상기 내벽과 외벽사이의 공간에 적층되는 담배 필터재로 구성된다. 또한, 전주파수 영역의 소음에 대해 다른 흡음재와 비교하여 고른 흡음 효과가 있으며, 특히 저주파수 영역의 소음에 월등한 흡음 효과가 있다.

2) 담배꽁초를 이용한 친환경 농약 제조 방법 및 그에 따른 시스템

=> 세척과정을 통해 담배꽁초에 잔존하는 니코틴을 용출처리하고 이에 따른 처리수를 취수함으로써 니코틴이 일정농도 이상 함유되어진 천연농약을 얻도록 한 특허이다. 즉, 실제 농가에 사용할 경우엔 이를 희석하여 사용하여야 한다.

3) 담뱃재를 포함하는 도자기 투명 유약 조성물 및 제조방법 => 담뱃재는 유백색을 내게 하는 P2O5 성분과 청색 등 발색을 내게 하는 Fe2O3 성분이 적고 K2O성분이 많기 때문에, 그 결과 자기 투명 유약 조성물은 초벌구이를 한 생활용 도자기에 시유(施釉)할 경우 초벌구이 위의 그림을 보이게 할 수 있다.

4) 담배꽁초 습식처리장치

=> 수분 및 이물질과 악취를 포함하고 있는 담배꽁초를 초음파가습기에 의한 세척과, UV램프에 의한 세균 사멸 및 악취 제거과정을 거치는 장치이다. 오수 및 세척과정에서 발생하는 오수를 수처리 과정을 거쳐 초음파 가습기로 물을 공급하기 위한 수조로 순환시켜 재이용하며, 세척, 세균 사멸,악취 제거과정을 거쳐 수거된 담배꽁초는 별도의 건조과정을 거쳐 재활용 가능하도록 하는 장치다.

관련 시장에 대한 분석

경쟁제품 조사 비교

◇ 구리시 퇴비화
=> 2018년 3월 구리시에서는 담배꽁초 한 개에 10원의 현상금을 걸고 담배꽁초를 모아 퇴비화 사업을 진행하였다. 필터를 따로 분리하는 게 아니라, 꽁초 전체를 갈아서 미생물을 이용하여 퇴비화를 진행하는 사업으로 ㈜ 이지원 바이오와 함께 진행한 사업이었다. 현재 이 사업은 경제성이나 퇴비화를 통해 생성된 상품이 퇴비로써의 가치를 가지지 못하여 사실 상 중단상태에 놓여 있다.  
   

◇ 테라사이클

=> 미국의 테라사이클은 담배꽁초를 파운드(1.4kg)당 1달러의 가격을 지불하고 구입하여 팔레트를 제작하는 다양한 글로벌 기업이다. 현재 22개국에 진출해 있으며 한국에는 최근 19년 1월에 진출하였다. 아직 한국에서의 사업은 계획 중에 있으며, 한국에서는 꽁초를 이용하여 공원 벤치, 운동기구 등 의 시설을 제작할 계획이다.

◇ Mego => 담배꽁초를 재활용하여 업사이클링을 하는 회사로, 기계를 통해서 담배필터와 재를 분리 하여 재활용해서 비료나 버섯 등을 만든다. 여과방식 등 다양한 기술을 이용해 제작한 기계로 담배와 오염된 물을 정화하며 그 정화된 물은 다시 사용한다. 프레스기로 견고한 재료(소파나 의자, 사무용품)를 만들며, 이는 2017년엔 약 3천만~4천만 개가, 2018년엔 약 8천만 개의 담배꽁초가 재활용되었다.

마케팅 전략

내용

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

내용

경제적 및 사회적 파급효과

내용

구성원 및 추진체계

내용

설계

설계사양

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개념설계안

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이론적 계산 및 시뮬레이션

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조립도

조립도

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조립순서

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부품도

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제어부 및 회로설계

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소프트웨어 설계

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자재소요서

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결과 및 평가

완료작품 소개

프로토타입 사진

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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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