2조 꽁렉터

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 처리대                 상 유해화학물질을 초임계 유체 세정을 통해 목표 정화 율을 달성.
              분리공정을 통하여 분리된 필터를 제외한 나머지부분(담뱃잎, 종이 등)은 경제성을 고                   려하여 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’까지 를 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 납부 를 통해 폐기물 문제에 대한 책임을 면제받고 있다.

◇ 담배꽁초가 ‘100%재활용’이 가능한 자원이라는 사실이 알려지면서 담배꽁초의 수거 및 재활용 사업

  이 현재 활발하게 연구·진행되고 있다. 프랑스의 경우, 국가 순환경제 목표 달성을 위한 담배꽁초 재
  활용 사업을 추진하면서 1대당 1만개의 담배꽁초 수거가 가능한 담배꽁초 전용 수거함을 도심에 설
  치하는 캠페인을 진행하고 있으며, 수거된 담배꽁초를 100% 재활용해 필터는 플라스틱으로 재생산
  하고, 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. 담배꽁초 를 이용한 절연효과가 높은 벽돌 생산 연구, 담배꽁초를 이용해 만든 아스팔트가 기존 아스팔트보다 높은 강도를 가지며 열전도 측면에서도 효과적이라는 연구결과 발표 등 관련 연구도 국제적 차원에 서 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 아직까 지는 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 담배꽁 초 재활용 업체인 TerraCycle에 보내진다. 그 후 TerraCycle의 자체 재활용 공정을 거쳐 플라스틱제품 으로 재활용되는데, 이때 건식 분리방법을 통해 폐 담배꽁초 에서 담배필터를 분리하는 것으로 조사 되나 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 사 용되는 물질은 ‘셀룰로오스 디아세테이트’이다. 셀룰로오스 디아세테이트는 아세톤을 용매로 하여 추 출될 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 셀룰로오스아세테 이트의 플레이크(flake)를 아세톤 등의 용제로 용해하고, 셀룰로오스 아세테이트의 방사원액을 조제한 다. 이 방사원액을 방사노즐장치로 공급하고, 고온 대기 중에 토출하는 건식방사법에 의해 방사하여, 셀룰로오스 아세테이트 섬유를 얻는다. 건식방사법 대신에 습식방사법을 사용하는 것도 가능하다. 이 러한 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 있 으며, 조성비는 28~33%의 질량백분율을 갖도록 첨가하여 펠렛화 한다. 그러나 프탈레이트계 가소제 를 적용한 CA혼합체가 분해 시 인체에 유해한 환경호르몬 물질을 배출한다는 사실이 밝혀지면서 점 차 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 셀룰로오 스 아세테이트는 이축압출기 등을 통해 펠렛으로 만들어지고, 이후 판재형태로 재압출 된다. 담배필 터 제작에는 약 6~12%의 트리아세틴(TA) 가소제가 첨가되며, 이는 섬유(Cellulose acetate tow) 형 태이다.

특허조사

내용

특허전략

내용

관련 시장에 대한 분석

경쟁제품 조사 비교

내용

마케팅 전략

내용

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

내용

경제적 및 사회적 파급효과

내용

구성원 및 추진체계

내용

설계

설계사양

내용

개념설계안

내용

이론적 계산 및 시뮬레이션

내용

조립도

조립도

내용

조립순서

내용

부품도

내용

제어부 및 회로설계

내용

소프트웨어 설계

내용

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

내용

부록

참고문헌 및 참고사이트

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관련특허

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소프트웨어 프로그램 소스

내용