마이크로조

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 하수처리시설 방류수 내 미세플라스틱 모니터링 시스템

영문 : Monitoring System of Microplastics in Effluent from Wastewater Treatment Plant

과제 팀명

마이크로조

지도교수

이인규 연구교수님 김현욱 교수님

서울물연구원 이인근 연구원장 서울물연구원 장도일 연구사

개발기간

2021년 3월 ~ 2021년 6월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 환경공학부 20138900** 노**(팀장)

서울시립대학교 환경공학부 20178900** 박**

서울시립대학교 환경공학부 20178900** 이**

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

◇미세플라스틱의 생태계 파괴 위험성 및 인체 건강 위해성에 대한 인식이 높아지고 있는 가운데 하수처리시설 방류수 중 수억 개의 미세플라스틱이 유출되고 있다는 사실이 문제시되고 있다.

◇현재 방류수 내 미세플라스틱을 분석하고 제어하는 시스템이 부족하기 때문에 형광분석을 이용한 미세플라스틱 분석 기기 설계를 통해 방류수 내 미세플라스틱 제어 시스템을 구축하고자 한다.

개발 과제의 배경 및 효과

◇전 세계적으로 플라스틱 사용량은 1960년대 이후 급증하였으며, 우리나라도 경제성장 출발 시기인 이 무렵부터 플라스틱 생산량이 급증하였다. 플라스틱은 소각, 매립, 그리고 재활용을 통해 처리되고 있지만, 미처리된 플라스틱과 미세플라스틱 등은 자연 환경에 누적될 것으로 예상된다.

◇미세플라스틱(Microplastics)의 정의는 연구자에 따라 크기 범주가 일정하지 않고, 형태 역시 다양하여 국제적으로 확정되어 있지 않다. 본 연구에서는 관련 선행연구와 대부분의 정부기관의 정의를 고려하여 미세플라스틱을 ‘5mm이하의 플라스틱 고체 입자’로 정의하고자 한다.

◇1970년 플라스틱이 물환경 분야의 문제로 나타나 국제사회는 해양환경 오염물질로서 플라스틱에 관해 논의하기 시작했다. 최근 해양환경 연구자들은 플라스틱뿐만 아니라 더 작은 형태의 미세플라스틱의 심각성을 보고했으며, 이에 2017년 G20 정상회의에서 채택된 ‘G20 해양쓰레기 실행계획’ 선언문 중에는 해양환경의 플라스틱 문제 해결과 관련하여 미세플라스틱의 저감 또한 포함되었다.  

◇환경부도 24개 정수장의 상수원수 및 수돗물에서 미세플라스틱 함유 실태를 조사하였다. 그 결과, 상수원수 1개소에서 1개/L, 수돗물 3개소에서 0.2~0.6개/L 검출되었다. 상대적으로 낮은 수치이지만, 미세플라스틱이 검출되었다는 사실 자체만으로 주목할 만하다고 평가할 수 있으며, 분석 과정이 표준화 되어있지 않아 조사 결과 간 불확실성도 감안해야 한다.

◇또한 연구결과에 따르면 국내의 하수처리공정으로 미세플라스틱이 98% 정도 제거되지만, 많은 양의 미세플라스틱이 유입되기 때문에 방류수를 통해 수천~수억개의 미세플라스틱이 유출되고 있다. 건조 슬러지를 통해 제거되지만 이를 재이용할 경우 생활하수를 통해 다시 인체 건강에 노출될 수 있다는 우려가 있다.

◇방류수 내 미세플라스틱을 정량적으로 분석하여 설정치를 초과하는 경우 하수처리시설의 운영정보를 분석하고 이를 제어하기 위한 방안을 진단할 수 있다. 이는 곧 미세플라스틱 오염도 저감을 위해 하수처리시설을 체계적으로 관리하는 데 도움을 줄 것이다.

개발 과제의 목표와 내용

현재까지의 미세플라스틱 분석기술은 현미경(정량분석)을 통해 이루어졌으나 분석시간이 길기 때문에 현장분석에는 어려움이 있다. 따라서 수중 미세플라스틱의 자동화 탐지/분석을 위해 광학 기반 검출센서를 설계하여 현장에 최적화된 분석 기법을 개발하고자 한다.

◇4.7㎛의 hydrophilic polycarbonate membrane black filter (이하 PC 필터)를 이용하여 여과한 후 60℃ 온도 조건에서 30% H2O2를 이용한 고도 산화 공정으로 표면의 유기물을 제거 후 일정 시간이 경과한 뒤 3차 증류수(DI; deionized water)로 MPs를 세척하여 형광 분석의 방해 인자를 제거.

◇아세트산 에틸(ethyl acetate), 아세토니트릴(acetonitrile), 다이클로로메테인 (dichloromethane), 톨루엔(toluene)은 PC 필터를 손상시키며 에탄올(ethanol), 사이클로헥세인(cyclohexane)은 PC 필터 표면을 탈색시켜 적합하지 않다. n-hexane의 경우 필터의 손상은 없으나 용해성이 낮아 NR을 충분히 용해시키지 못하므로 아세톤(acetone)에 일정 농도의 NR을 녹인 후 n-hexane을 10배 희석하여 염색 시료로 사용.

◇MPs를 정성ㆍ정량적으로 분석하기 위한 기술로 자주 등장하는 퓨리에 변환 적외선 분광법 (Fourier transform infrared; FT-IR)의 경우 20㎛ 이상의 입자만 분석이 가능하다는 단점이 있다. 하수처리시설 내에는 20㎛ 이하의 MPs도 존재하기 때문에 방류수 내의 MPs를 분석하기 위해서 FT-IR 기법은 적합하지 않다. 따라서 본 설계에서는 NR로 염색된 입자가 빛을 만나 형광을 발생시킬 때 이를 측정하는 기법인 형광 분석법을 검출부에 적용하고자 한다. 검출부 내부는 광원과 빛의 여기 파장(excitation wavelength)를 선택하기 위한 excitation filter로 구성된다. 이때 발형광단이 녹색형광단백질(GFP)인 필터를 사용하며 여기 파장은 488nm, 방출 파장은 539nm이다. 또한 빛을 모아주는 역할을 하는 집광렌즈와 특정 방출 범위만 투과시키는 emission filter를 거쳐 검지관에서 측정한다. 이러한 단계를 거쳐 검지한 파장을 통해 MPs를 정량적으로 분석할 수 있다.

관련 기술의 현황

State of art

<미세플라스틱 검출 및 분석 기술>

1. 퓨리에 변환 적외선분광법(Fourier transform infrared, FT-IR)
시료에 적외선을 조사하여 파장에 따른 흡수도를 측정하고 흡수도 띠의 위치와 강도로 물질의 화학적 결합 등의 정성, 정량 분석이 가능하다. 적외선 광원에서 방출된 IR beam의 일부가 시료에 의해서 흡수가 되고 나머지는 detector에 도달하여 측정이 된다. 따라서 나머지 IR beam은 광원에서 방출된 IR beam과 비교하여 주파수(frequency, wavelength, wavenumber)의 함수로 시료의 IR 스펙트럼이 작성되며, 흡수도 띠의 위치와 강도로 미세플라스틱의 화학적 결합 등의 정성 분석이 가능하다.

2. 라만 분광법 (Raman spectroscopy)
특정 분자에 레이저를 투과시켜 해당 분자의 전자 에너지 준위 차이만큼 에너지를 흡수하는 현상을 통해 분자의 종류를 알아내는 방법으로 미세플라스틱을 구성하는 각각의 고분자의 독특한 스펙트럼을 통해 구성성분과 조성에 대한 정보를 알 수 있다. FT-IR과 마찬가지로 분자의 진동에너지 준위 사이에서 기이되며, 플라스틱 종류별 Raman shift에 따른 fingerprint 및 C-H streth 구간의 스펙트럼으로 정성 분석이 가능하다.

3. 열분해법
3.1. 시차주사열량계(differential scanning calorimeter, DSC), 열중량 분석기(thermogravimetric analysis, TGA)를 활용한 기술 : 각 고분자들의 고유한 흡열 상전이 변화와 peak 온도(녹는점 등의 플라스틱 고유 물성)를 바탕으로 해양에서 채취한 미세플라스틱 시료에서 7개의 서로 다른 플라스틱을 구별하였다.
3.2. 열분해 가스크로마토그래피(pyrolysis-gas chromatography, Pys-GC/MS)를 활용한 분석 기술 : TGA를 열탈착 가스크로마토그래피 질량분석계와 함께 사용하며 미세플라스틱 내 폴리에틸렌 성분을 검출하는 데 매우 유용한 정보를 제공할 뿐만 아니라 불균일한 상태의 대용량 미세플라스틱을 정교하게 측정할 수 있는 장점이 있다.

기술 로드맵

특허조사

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

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부품도

내용

제어부 및 회로설계

내용

소프트웨어 설계

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자재소요서

내용

결과 및 평가

완료작품 소개

프로토타입 사진

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포스터

내용

특허출원번호 통지서

내용

개발사업비 내역서

내용

완료 작품의 평가

내용

향후평가

내용

부록

참고문헌 및 참고사이트

[1] 김익재 외(2019), 「하천 및 호소의 물환경에 미치는 미세플라스틱 영향 연구」, 한국환경정책평가연구원.

[2] 박정규 외(2019), 「미세플라스틱의 건강 피해 저감 연구」, 한국환경정책평가 연구원.

[3] 안재환 외(2019), 「미세플라스틱 유출 저감 및 제거기술 개발 기획연구」, 한국건설기술연구원

[4] 심우준 외 (2016), 「 Identification and quantification of microplastics using Nile Red staining 」

[5] 유혜원 외(2020), 「담수 물환경 중 미세플라스틱 분석방법 및 검출에 대한 고찰」, 한국환경분석학회

[6] Kelly.D.S. (2018), 「Fluorescence photobleaching of microplastics: A cautionary tale.」, Marine Pollution Bulletin, 133,

[7] 박상우. 「미세플라스틱의 현상과 국제적 동향. 국내외 IP 분석보고서」

[8] 이앤에스텍, 동파방지시공, 2021-05-27 접속 http://www.selfcable.com/%EB%8F%99%ED%8C%8C%EB%B0%A9%EC%A7%80%EC%8B%9C%EA%B 3%B5-2/

[9] Nirmal Kumar Shahi (2019), 「효과적인 미세플라스틱 제거 기술과 Nile red를 적용시킨 형광현미경의 미세플라스틱 제거 검증」, 단국대학교 대학원

[10] THORLABS, Fluorescence Imaging Filters, 2021-05-27 접속 https://www.thorlabs.com/newgrouppage9.cfm?objectgroup_id=2990&gclid=Cj0KCQjwwLKFBhDPARIsAPzPi-JZhYPS5hWwe6SCAWdrNJR-sS-FyZib2aAEsvicSCH6RthPewFc5TYaAtAFEALw_wcB

관련특허

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