PVAC

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Env201908 (토론 | 기여)님의 2019년 12월 20일 (금) 07:47 판 (→‎개념설계안)
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프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 해안가 발포 스타이렌 수지 제거

영문 : removing styrenfoam on marine coast

과제 팀명

PVAC

지도교수

장서일 교수님

개발기간

2019년 9월 ~ 2019년 12월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 환경공학부 20168900** 고**(팀장)

서울시립대학교 환경공학부 20098900** 양**

서울시립대학교 환경공학부 20148900** 채**

서울시립대학교 환경공학부 20168900** 허**

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

  • 미세플라스틱의 위험성에 대한 관심이 대두되고 있다. 미세플라스틱은 크기가 5 mm 미만의 플라스틱을 통칭하는 단어로서 여러 분야에서 환경오염 및 생물의 건강에 악영향을 끼치고 있다.
  • 국내 해변가의 모래가 많은 양의 미세플라스틱으로 오염되어 있다. 또한 그 미세플라스틱의 90% 이상이 양식장 부표로부터 떨어져 나온 미세플라스틱(발포 스타이렌 수지)이다.
  • 이러한 문제를 해결하기 위해 한국해양과학기술원(KIOST)에서 발포 스타이렌 수지를 대체한 양식장 부표가 개발되었다. 하지만 기 배출된 미세플라스틱이 해변가를 덮고 있으며 이를 제거할 필요성이 대두되고 있다.
  • 미세플라스틱의 제거 필요성에 따라 본 과제를 통해 해변가 모래 속에 존재하는 발포 스타이렌 수지를 제거하고자 한다.
  • 기존의 해변가 미세플라스틱 및 쓰레기 청소는 물을 이용한 습식 방식이었다. 하지만 이러한 방식은 사용한 물에 대하여 정화 과정이 필요하며 이 과정에서 비용이 발생한다. 따라서 본 과제에서는 이러한 과정이 필요 없는 건식 방식으로 미세플라스틱을 제거하고자 한다.
  • 본 과제를 통해 발포 스타이렌 수지를 제거함으로써 해양환경을 개선하고 생물농축을 방지하고자 한다.

개발 과제의 배경 및 효과

  1. 개발 과제의 배경
    • 아직 인체에 유해성이 밝혀지지 않은 미세플라스틱이 국내 해안가에 많이 축적되어 있으며 그 중 발포 스타이렌 수지(스티로폼)이 대부분을 차지한다고 밝혀졌다.
    • 이는 국내 양식장 등에서 사용하는 부표가 마모되며 발생한 것으로 싸고 내구성이 좋아 많이 사용한다. 이 문제를 해결하기 위해 한국해양과학기술원(KIOST)에서는 내구성도 좋고 발포 스타이렌 수지를 이용하지 않는 부표를 개발해 보급하고 있다.
    • 하지만, 이미 발포 스타이렌 수지로 오염된 해변가 모래는 정화되지 않고 있다. 오염된 모래는 바람이나 파도에 의해 다시 해안으로 유입될 수 있으므로 이를 해결하기 위한 기술이 필요하다.
    • 이를 해결하기 위하여 국외에서 물을 사용하여 밀도차에 의해 미세플라스틱을 분리해내는 청소방식을 개발하였으나 2차 오염된 물을 정화해야 한다는 단점이 있다.

한국 해안가의 미세플라스틱 개수별, 무게별 축적량, Jongyoung Lee, et all., Distribution and Size Relationships of Plastic Marine Debris on Beaches in South Korea (2015)



경향신문, 미세플라스틱 골칫거리 된 ‘부이’ 중, http://news.khan.co.kr/kh_news/khan_art_view.html?art_id=201906290600105



KIOST에서 개발한 미세플라스틱 방지 부표, http://www.korea.kr/news/policyNewsView.do?newsId=148856701&call_from=rsslink

.

  1. 개발 과제의 효과
    • 국내 해안가에 높은 비율로 존재하는 미세플라스틱인 발포 스타이렌 수지를 제거하여 양식 환경 및 근방 해안의 환경을 쾌적하게 조성할 수 있다.
    • 해안가에 존재하는 미세플라스틱을 제거하여 해변에서 파도나 바람에 의해 다시 바다로 돌아가는 미세플라스틱의 양을 줄일 수 있다.
    • 이미 개발되어있는 물을 이용하여 미세플라스틱과 모래를 분리해내는 습식 청소기는 모래를 정화한 후 오염된 물을 다시 정화해야 하는 단점이 있으나, 본 과제에서는 건식 방식을 사용하여 기존 기술의 단점을 보완할 수 있다.
    • 해안가에 존재하는 미세플라스틱의 양을 조사하여 향후 연구 등에 활용될 수 있다.

개발 과제의 목표와 내용

  1. 개발 과제의 목표
    • 해변에 축적되어있는 미세플라스틱 중 발포 스타이렌 수지를 제거하는 것을 목표로 한다.
    • 물을 사용하지 않고 건식 방식으로 제거하는 것을 목표로 한다.
    • 90 % 이상의 미세플라스틱 제거율을 목표로 한다.
    • 해안가 정화의 의미를 가질 정도의 충분한 제거 속도와 용량을 유지할 수 있도록 한다.

  2. 개발 과제의 내용
    • 모래를 건식 미세플라스틱 처리 장치 내부로 흡입하여 모래와 미세플라스틱(발포 스타이렌 수지)을 분리하고, 정화된 모래를 다시 배출하는 형태로 한다.
    • 실제 장치의 1/5의 크기에 해당하는 프로토타입을 제작하고 모의실험을 진행하여 설계 목표를 충족시킬 수 있는지를 확인하고 실제 장치를 설계한다.
    • 차량을 이용하여 이동식으로 작동하는 장치이므로 적은 전력으로도 작동 가능하도록 설계한다.
    • 모래 흡입 방식과 흡입한 모래의 이동 방식을 설계하고 모래와 미세플라스틱을 분리하는 분리조, 분리해 낸 미세플라스틱을 보관하는 저장조를 설계한다.
    • 미세플라스틱을 분리하는 방식은 건식을 사용하며 마찰로 인해 생성된 정전기를 이용하여 대전된 입자를 제거하는 방식을 이용한다.

관련 기술의 현황

State of art

  • 2019년, 캐나다 퀘벡주 사브룩 대학에 다니는 기계공학과 학생 12명이 해안가에서 미세플라스틱을 청소하는 습식 청소기를 개발했다.



‘미세 플라스틱만 ‘쏙쏙’…세계 최초 ‘해변용 진공 청소기’ 개발한 대학생들‘, 서울신문, https://m.seoul.co.kr/news/newsView.php?cp=nownews&id=20190702601007



  • 모래와 미세플라스틱 사이의 밀도차를 이용하여 액체에 부유하는 미세플라스틱을 제거하는 방식을 이용하였다.
  • 건식 방식의 해안 미세플라스틱 제거 장치는 개발 되지 않고 있다.
  • 폐기물 처리 과정에서 플라스틱을 선별하는 방식은 다양하다.



혼합 폐플라스틱 종합 자동선별분리기술 개발‘, 자원재활용기술개발사업, 수원대학교



  • 건식 방식으로 모래와 미세플라스틱을 분류하기 위해서 정전선별 방식을 이용하기로 했다.
  • 정전선별 방식은 크게 정전유도형, 코로나방전형, 마찰하전형 방식의 3가지로 분류할 수 있는데, 이 중 전도체 또는 부도체인지의 여부에 관계없이 혼합물의 분리가 가능한 마찰하전형 방식을 이용하는 것이 적절하다고 판단하였다.



마찰하전형정전선별법에 의한 혼합 폐플라스틱 재질별 분리기술 개발‘, 자원재활용기술개 발사업, 한국지질자원연구원



  • 마찰하전정전선별은 물질의 일함수 값과 대전서열을 이용한 것으로 입자간 또는 입자와 하전 장치 사이의 접촉을 통하여 반대 극성으로 하전된 물질을 정전기를 이용하여 분리하는 방식이다.



Guiqing Wu, Jia Li, Zhenming Xu, ’Triboelectrostatic separation for granular plastic waste recycling: A review‘, Waste Management 33 (2013), 585



기술 로드맵



기술 로드맵



특허조사

  1. 정전기를 이용한 건축폐기물처리장치용 이물질 분리장치

    정전기를 이용한 건축폐기물처리장치용 이물질 분리장치, (출원번호: 10-2006-0070449)


    1. 특허 내용
      • 본 발명은 건축폐기물처리장치용 이물질 분리장치에 관한 것으로, 더 상세하게는 파쇄기에 의해 분쇄된 폐콘크리트 파쇄물의 이동과정에서 이에 포함되어 있는 벽지, 스티로폼, 목재 등의 유기물을 정전기를 이용하여 일정장소로 분리하도록 하여 연속공정이 가능하도록 하는 정전기를 이용한 건축폐기물처리장치용 이물질 분리장치에 관한 것이다.
    2. 유사성
      • 정전기를 이용하여 혼합물을 분리한다.
      • 컨베이어 벨트를 이용하여 혼합물을 이송한다.
    3. 차별성
      • 분리하고자 하는 물질이 다르다.(본 특허에서는 벽지, 스티로폼, 목재 등의 유기물끼리의 분리를 목적으로 함)

  2. 폴리에스테르와 나일론이 혼합된 혼합플라스틱의 재질분리방법 및 이를 위한 마찰하전형정전선별장치

    폴리에스테르와 나일론이 혼합된 혼합플라스틱의 재질분리방법 및 이를 위한 마찰하전형정전선별장치, (출원번호: 10-2008-0058251)


    1. 특허 내용
      • 본 발명은 혼합플라스틱의 재질분리에 관한 것으로, 보다 자세하게는 PET와 나일론이 혼합된 혼합플라스틱의 재질분리 방법 및 이를 위한 마찰하전형정전선별장치에 관한 것이다.
      • 본 발명의 PET와 나일론이 혼합된 혼합플라스틱의 재질분리 방법은 PET와 나일론이 혼합된 혼합플라스틱을 PET입자 및 나일론입자의 혼합입자로 파쇄하는 제 1단계; 파쇄된 상기 혼합입자를 파이프 라인과 사이클론 하전장치내부에 공기와 함께 투입하여 충돌 또는 마찰시켜 하전시키는 제 2단계; 및 하전된 상기 혼합입자를 전기장 사이로 통과시켜 분리하는 제 3단계를 포함함에 기술적 특징이 있다.
    2. 유사성
      • 마찰하전형정전선별방식을 이용하여 혼합물을 분리한다.
      • 컨베이어 벨트를 이용하여 혼합물을 이송한다.
    3. 차별성
      • 분리하고자 하는 물질이 다르다. (본 특허에서는 폴리에스테르와 나일론이 혼합된 혼합플라스틱의 분리를 목적으로 함)

  3. 에이비에스(ABS)와 피에스(PS) 혼합폐플라스틱 재질분리를 위한 마찰하전형정전선별 방법
    에이비에스(ABS)와 피에스(PS) 혼합폐플라스틱 재질분리를 위한 마찰하전형정전선별 방법, (출원번호: 10-2013-0141029)


    1. 특허 내용
      • 본 발명은 ABS와 PS 혼합폐플라스틱 재질분리를 위한 마찰하전형정전선별 방법에 관한 것으로, 더욱 바람직하게는 마찰하전형정전선별을 적용하여 ABS(Acrylonitrile Butadiene Styrene)와 PS(Polystyrene)가 혼합된 폐플라스틱으로부터 ABS를 회수하기 위하여, 대상시료인 ABS와 PS의 혼합 폐플라스틱의 재질분리에 효과적인 하전물질인 PET, HIPS 그리고 ABS 중 어느 하나를 적용하여 마찰하전형정전선별 실험을 수행한 결과, 최적 실험조건에서ABS의 품위와 회수율이 각각 99.5%와 92.5%인 결과를 얻어냄으로써, ABS와 PS의 혼합 플라스틱을 재활용할 수 있도록 하기 위한 것이다.
    2. 유사성
      • 마찰하전형정전선별방식을 이용하여 혼합물을 분리한다.
    3. 차별성
      • 분리하고자 하는 물질이 다르다. (본 특허에서는 ABS와 PS가 혼합된 혼합플라스틱의 분리를 목적으로 함)

  4. 밀도차 분리를 이용한 순환 토사 내 이물질 분리장치
    밀도차 분리를 이용한 순환 토사 내 이물질 분리장치, (출원번호: 10-2016-0108948)


    1. 특허 내용
      • 본 발명은 밀도차 분리를 이용한 순환 토사 내 이물질 분리장치에 관한 것으로 (중략) 건설 폐기물처리장으로 반입된 건설 폐기물들에서 분리한 토사에 포함되어 있는 나무 조각이나 스티로폼, 비닐, 플라스틱 조각 등과 같은 각종 이물질을 보다 효율적으로 자동 선별하여 제거할 수 있어 각종 건설현장 등에서 재사용이 가능한 순환 토사를 보디 깨끗하고 좋은 품질로 연속 생산해 낼 수 있다.
    2. 유사성
      • 토사에 포함되어 있는 이물질을 제거하는 방법에 관한 것이다.
    3. 차별성
      • 본 특허에서는 물질의 밀도차를 이용하여 토사와 이물질을 분리한다.

특허전략

  • 양식장에서 사용되는 많은 양의 부이로 인해 생성된 미세플라스틱 문제에 대한 해결책이 요구되었다.
  • 발포 스타이렌 수지를 사용하지 않는 친환경 부이를 제작하여 공급하고자 했지만 이전에 비해 너무 비싼 비용과 성능의 부족으로 사용되지 않았다. 해양에서 부유하면서 미세플라스틱을 수집하는 장치에 대한 아이디어도 있었지만 여러 가지 이유로 현실적으로는 사용되지 못하고 있다. 또한 이런 방법으로는 이미 오염된 해안의 모래는 정화할 수 없다.
  • 해안 모래를 정화하는 습식 청소기가 개발되었지만 건식 청소기는 개발되지 않았다. 습식 청소기를 건식으로 바꾼다면 폐수처리 문제가 해결되므로 더 좋을 것으로 판단하였다.
  • 현재 폐기물 처리 과정 중에 사용되는 플라스틱 선별 기술 중, 정전선별 방식을 응용하여 오염된 해안 모래에서 미세플라스틱을 분리하고자 하였다.
  • 실험을 통해 모래와 발포 스타이렌 수지의 일함수와 대전서열을 확인하고 적절한 장치를 설계한다.
  • 태양광 패널을 통하여 더 친환경적이고 경제적인 설비가 가능하도록 한다.

관련 시장에 대한 분석

경쟁제품 조사 비교

  • 2019년, 캐나다 퀘벡주 사브룩 대학에 다니는 기계공학과 학생 12명이 해안가에서 미세플라스틱을 청소하는 습식 청소기를 개발했다. [4]
  • 위 청소기는 물을 이용하여 밀도차로 인한 모래와 미세플라스틱의 분리를 이용한다.
  • 기존에 밀도차를 이용해서 바람으로 모래와 미세플라스틱을 분리하는 기구가 있다.
  • 본 개발에서는 밀도차를 이용하지 않고 물질의 정전기적 특성을 이용하여 모래와 미세플라스틱을 분리한다. 따라서, 밀도차를 이용하여 분리하는 기구들 보다 제거 능력에서 우위에있다.

마케팅 전략

표 1 SWOT분석 결과1

강점 (Strength)

약점 (Weakness)

-캐나다에서 개발중인 물을 이용하여 해변 모래에서 미세플라스틱을 제거하는 제품의 경우 사용한 물을 정화해야한다는 단점이 있지만 우리는 건식을 사용하여 이러한 단점을 보완한다.

-높은 미세플라스틱 제거능력

-전처리과정을 통해 수분을 제거해야한다.

-2~3번 반복과정을 거쳐야한다

기회 (Opportunity)

위협 (Treat)

-기존 해변 모래에서 미세플라스틱을 제거하는 상용화된 제품이 없음

-해양오염, 미세플라스틱의 위험 증가에 따른 제품의 수요증가

-환경 문제에 대한 실질적인 지원 또는 인식의 부족

 

표 2 SWOT분석 결과2

 

강점 (Strength)

약점 (Weakness)

기회 (Opportunity)

-해안가 정화와 오염정화의 취지에 맞게 추가 오염이 발생하지 않는다는 점을 강조한다.

-최근 이슈로 떠오른 미세플라스틱의 위험성과 불안감을 언급하며 확실한 과정을 거쳐 처리하는 점으로 강조한다.

위협 (Threat)

-국회 계류중인 '해양폐기물 및 해양오염 퇴적물 관리법'에 대비한 대책이 될 수 있다.

-국제적으로도 대두될 수 있는 문제로 보고 대비할 수 있다.

-해안가 오염해결에 대한 실질적인 근거와 여론인식이 중요하다.

-정부차원이 아닌 민간차원에서는 홍보활동을 통한 인식개선을 할 수 있다. 

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

  • 정전기를 이용한 제거방법을 사용한다. 기존에 개발 중인 물을 사용하여 밀도차로 미세플라스틱을 제거하는 방법은 오염된 물을 다시 정화해야하는 단점이 있다. 정전기를 이용하므로 이러한 단점을 보완할 수 있다.
  • 본 개발의 목적은 미세플라스틱 중 스티로폼수지를 제거하는 것이지만 이 기술에서 더 발전시켜 해안에 존재하는 여러 오염물을 제거하고 분류할 수 있을 것이라고 기대한다.
  • 해안에 축적되어있는 미세플라스틱을 제거할 수 있다.

경제적 및 사회적 파급효과

  • 해안 미세플라스틱 농도 감소로 인해 생물농축이 감소하여 잠재적 위험성을 낮춘다.
  • 미세플라스틱으로 인해 발생할 보건환경과 관련된 부가적인 비용을 낮출 수 있다.
  • 해양뿐 아니라 해안가 모래에 존재하는 미세플라스틱의 위험성을 각인시킬 수 있다.
  • 본 개발을 통한 결과물을 이용해서 해안가 모래에 존재하는 오염물에 관한 연구에 사용될 수 있다.

구성원 및 추진체계

구성원: 고**, 양**, 채**, 허**

추진체계



설계

설계사양

1.제품 요구사항

번호 요 구 사 항 D or W 비고
1 모래에서 발포스타이렌 수지를 분리하는 효율이 90% 이상이어야 한다. D
2 제품의 경제성이 충분해야한다. W
3 전처리 과정을 통해 협잡물이 걸러져야한다. D
4 건조 공정이 제대로 이뤄져야한다 D
5 모래와 플라스틱의 분리 효율이 충분해야한다. D
6 제품의 내구성이 좋아야 한다. W
표3 제품 요구사항

2.목적계통도


목적계통도



3.설계사양

표 4 설계사양

구분

기능

요 구 사 항

중요 가산치

비고

유입부

전처리 공정

모래입자 크기 이상의 협잡물을 걸러낼 기준( 5mm채 )

11111111;

22222222;

건조 공정

수분 건조에 이용할 공정

함수율20%

3333333333333;

4444444444444444;

벨트부

운송 기능

10cm/s 이하

555555555555

6666666666666

분리부

분리기능

3번반복시 99%효율달성할수있는 78%효율

777777777777777

8888888888888888

대전 기능

pvc, 아크릴 중 실험을 통해 최적의 재질 결정

99999999999999999999

00000000000000000000000000000;


4.대전열

표 5 물질의 대전서열

대전서열

상                                                                                                            하

소재

유리

면

알루미늄

철

고무

아크릴

테프론

개념설계안

  1. 기능 계통도

    기능계통도
  2. 구상도
    구상도
    1. 설계 개요
      미세플라스틱으로 오염도어 있는 모래를 유입부에 투입시키고 마찰에 의해 대전된 미세플라스틱 입자가 털과 마찰되어 대전열 차에 의해 대전된 pvc필름에 의해 쿨롱힘을 받아 pvc필름으로 이동하다 벨트와 pvc필름 사이에 있는 틈으로 빠져 포집된다.
    2. 설계 역할
      1. 유입부
        모래와 미세플라스틱 혼합물을 벨트로 유입시키는 역할을 하며, 마찰에 의해서 미세플라스틱을 대전시킨다.
      2. 벨트
        모래를 운반하는 역할을 하며 이 구간을 지나며 정전기적 인력에 의해 미세플라스틱이 모래와 분리되게된다. 타이밍벨트, 벨트풀리, 모터로 구성되며 모터로 벨트풀리를 회전시키고 이와 연결되어있는 타이밍벨트가 돌아가며 작동된다.
      3. 유출부
        마지막으로 분리되지 않는 큰 고형물을 체를 이용하여 분리하고 나머지 정화된 모래를 수집한다.
      4. pvc필름부, 폴리에스터
        대전열, https://patents.google.com/patent/KR101749972B1/ko
        대전열상으로 멀리 떨어져있는 pvc와 인조합성섬유(폴리에스터)를 마찰시켜 큰 정전전압을 발생시킨다. 벨트의 양 옆에 2개 위치시켜 그 사이를 통과하는 미세플라스틱을 정전기적 인력으로 분리하는 핵심 부위이다.
  3. QFD
    1. 고객 확인
      경남지역 지자체별 굴 양식장의 부자 사용량(음영표시)과 스티로폼 부자 쓰레기 발생량(파이그래프)
      경남지역 굴 양식장 부자쓰레기 연간 발생량 추정
      (A:우리나라지도 , B:통영시 광도면 위성사진 , C:통영시 광도면 부자 사진
      통영 해안가의 해양 쓰레기 퇴적물 분포 (A)는 macro[ >25mm] 물질의 구성비율 (B)는 micro[ 1-25mm]물질의 구성비율
      파이그래프를 통해 경남 통영, 거제지역에 부자사용량이 많다는 것을 알 수 있다. 경남지역 굴 양식장 부자쓰레기 연간 발생량 추정 표에 그 발생량을 지역별로 보이고 있고, 통영 해안가의 해양 쓰레기 퇴적물 분포와 구성비를 통해 통영지역 해안가 퇴적물 쓰레기의 대부분이 스티로폼이라는 것을 알 수 있다. 따라서, 자료에서 확인할 수 있듯이 스티로폼 부자 사용량이 많아 해안가 모래에 많은 양의 미세 스티로폼이 퇴적되어 있는 통영지역을 대상으로 선정하였다. 지도를 통해 실제로 위성사진을 확인한 결과 통영지역 광도면에 다수의 스티로폼 부자를 확인할 수 있었고 인근에 모래로 이루어진 해안가가 있는 것을 확인하였다.
    2. 고객의 요구조건 확인
    3. 각 요구조건에 대한 상대적인 중요도 결정
    4. 경쟁사 제품 확인 및 평가
    5. 설계 변수
      1. 기구의 크기
      2. 기구로부터 발생하는 소음
      3. 기구에 필요한 동력 공급
      4. 제품 내구성
      5. 해안가 특성 돌, 자갈등의 존재
      6. 미세플라스틱외에 큰 쓰레기
      7. 고객요구조건과 설계변수 사이의 상관 정도 규명 & 설계 변수들 사이의 관련성 규명
  4. HOQ

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

내용

특허출원번호 통지서

내용

개발사업비 내역서

내용

완료 작품의 평가

내용

향후평가

내용

부록

참고문헌 및 참고사이트

내용

관련특허

내용

소프트웨어 프로그램 소스

내용

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