막거르조
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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
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
- 특허 전략
1) 기공률의 극대화
담체가 생물학적 서식지로 적용되기 위해선 담체 내에 비표면적이 커야한다. 따라서 담체 내부에 비표면적을 크게 하기 위한 조건으로 기공률의 향상이 필수적이다. 이를 위해 황토와 제올라이트를 활용하여 높은 기공율을 확보하고자 한다.
2) 미생물의 부착속도 향상
담체는 미생물이 부착한 장소가 있어야하며 이에 대한 부착이 용이해야한다. 또한 미생물의 탈착이 쉬워서는 안 되며 부착속도가 빠를수록 미생물의 번식속도가 향상된다. 본 설계에서는 소수성 물질인 PE,PP를 활용하기에 친수성 물질을 첨가하여 제작하거나 친수성 물질 코팅을 통해 이를 해결하고자 한다.
3) 경쟁력 확보
시장에서의 경쟁력을 확보하기 위해선 제작단가를 낮추고 제품의 품질향상이 필수적이다. 이를 위해 재료의 단가를 낮춤과 동시에 제작 공정의 단순화가 필수적이고 공정에 들어가는 에너지도 낮춰야할 필요가 있다. 본 설계에서는 폐플라스틱 분말을 활용하여 재료 단가를 낮추고 에너지가 적게 소비되는 저온 공정을 채택하고자 한다.
- 기술 로드맵
내용
시장상황에 대한 분석
- 경쟁제품 조사 비교
내용
- 마케팅 전략 제시
내용
개발과제의 기대효과
기술적 기대효과
1) PP, PE, 황토, 톱밥의 혼합비율을 달리하여 담체의 비중을 조절함으로써 담체가 적용되는 조의 수류에 따라 원활하게 유동된다. 2) 시중의 제공되는 다공질의 폴리우레탄 재질의 유동형 담체의 성능에 뒤떨어지지 않는 고농도의 미생물 보유량을(12,000~30,000 mg/L) 지닌다. 3) 다양한 크기(5 ~10mm)의 과립상으로 다양한 종류의 미생물을 부착시킬 수 있다. 4) 친수성으로 변경됨에 따라 표면에 부착 후 활성이 증가하여 처리효율이 향상된다. 5) 발포제를 첨가하여 기존의 담체보다 기공률을 향상되어 처리효율이 향상된다. 6) 황토, PP, PE, 톱밥을 활용하여 기존의 담체 제작 공정보다 단순하며 효율측면에서도 떨어지지 않는 제품을 제작한다.
경제적, 사회적 기대 및 파급효과
1) PE, PP분말을 주원료로 사용하여 경제성이 높고 폐기물로부터 야기되는 공해문제를 해결한다. 2) PE, PP의 재활용품 가치가 높아져 재활용률이 더욱 향상된다. 3) 폐플라스틱, 톱밥, 황토를 비롯한 친환경 재료로 제작하여 환경에 끼치는 영향이 적다. 4) 발포제와 친수성 코팅을 함으로서 기존의 세라믹 담체의 문제점이었던 생장속도와 긴 처리시간을 줄일 수 있다. 5) 활성탄 담체의 경우 초기 투자비용이 높은 반면 폐플라스틱을 활용할 경우 초기 투자비용이 낮다.
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
설계안을 바탕으로 담체를 제조한 결과 위와 같은 결과물을 얻었다. 직경 약 15mm, 높이 약 3~6mm이며 다양한 형태로 제작된 것을 알 수 있다. 품질이 안좋은 파쇄 폐플라스틱을 이용하였기 때문에 불순물이 많이 있는 것을 관찰할 수 있었다. 또한 형태가 다양한 것은 이물질이 성형과정에서 불순물로 작용하였기 때문으로 판단된다. 표면을 보면 충분한 거칠기를 가지고 있으며 미세한 기공이 나있어 미생물 부착에 유리한 조건을 충족시켰다. 손으로 만져봤을 때 단단한 것을 확인할 수 있었으며 힘을 주어도 부서지지 않는 것을 봤을 때 물리적 내구성도 있다고 판단하였다. 하지만 형태가 불안정하고 끝부분이 튀어나오도록 제작된 담체가 다수 있었다. 이는 미세 플라스틱 유출의 우려가 있으므로 가공하여 돌출부를 없앨 필요가 있을 것으로 보인다.
포스터
내용
관련사업비 내역서
본 설계는 직접 개발하여 진행하였으며 실험의 경우 한국세라믹기술원에서 SEM 분석을 도움받아 진행하였기때문에 실험위탁비용은 발생하지 않았다. 또한 하폐수처리 및 물순환 연구실로부터 표준용액과 담체 제작틀을 빌려 진행하여 제작비용 외 비용은 발생하지 않았다.
완료작품의 평가
가. 자체평가
다음은 3가지 PP:PE 혼합비에 따른 담체의 평가기준으로 한국품질만족지수(KS-QEI : Korean Standard-Quality Excellence Index)를 참고하여 설정하였다. 한국품질만족지수란 한국표준협회와 한국품질경영학회가 제품 및 서비스에 대한 고객의 만족도와 제품(서비스) 특성을 반영하여 공동으로 개발한 품질 측정 모델이다. 따라서 해당 지표에서 제공하는 사용품질 평가항목(성능, 신뢰성, 내구성, 사용성, 안정성)을 통해 3가지 혼합비를 가진 담체 중 가장 효율적인 담체를 평가하였다. 평가항목 중 접근성은 담체 설계에서 중요한 항목이 아니라고 판단되어 제외하였다. 해당 평가기준을 통해 PP:PE 혼합비 4:3이 가장 우수하다는 것을 알 수 있다. PP함량이 높을수록 표면거칠기 등 담체의 물성은 미생물에 친화성을 보이지만 내구성은 PE함량이 높은 것에 비해 줄어든다. 하지만 해당 평가기준에서는 성능 부분을 중점적으로 보았기 때문에 PP함량이 높을수록 우수하다는 결론을 내렸다.
향후계획
내용
특허 출원 내용
내용
