크린넷제로

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 주거지 적용형 생분해 플라스틱 선별 및 분해 설비 개발

영문 : Development of Residential Biodegradable Plastic Screening and Decomposition Facility

과제 팀명

크린넷제로

지도교수

서*원 교수님

개발기간

2022년 9월 ~ 2022년 12월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 환경공학부·과 20178900** 박*녕(팀장)

서울시립대학교 환경공학부·과 20178900** 정*교

서울시립대학교 환경공학부·과 20188900** 송*은

서울시립대학교 환경공학부·과 20188900** 이*나

서론

가. 개발 과제의 개요

개발 과제 요약

플라스틱으로 인한 폐기물 문제를 줄이기 위해 바이오 플라스틱의 수요량이 늘어나고 있다. 하지만 바이오 플라스틱 처리를 위한 인프라와 시스템이 마련되어 있지 않아, 대부분의 바이오 플라스틱은 일반 폐기물과 같이 소각장으로 이송되고 있다. 이를 해결하기 위해 본 설계에서는 생활 폐기물에서 바이오 플라스틱 중 생분해성 플라스틱을 선별 및 분류하고, 생분해가 원활하게 이루어질 수 있는 조건을 갖춘 시스템을 개발하여 바이오 플라스틱의 친환경성을 살리고자 한다.

개발 과제의 배경

1) 유명무실한 바이오 플라스틱의 '친환경성'

- 바이오 플라스틱 산업은 탄소중립 달성을 위해 급격하게 성장하고 있다. 하지만 현재 이를 위한 분리배출 및 처리에 관한 구체적인 계획은 마련되어 있지 않다. 자원순환사회경제연구소 소장은 플라스틱 처리 방식에 있어서, 특성에 맞는 처리 방식 없이 무조건 ‘바이오 플라스틱’ 에 대한 홍보만 하면 의미가 없다고 언급했다. 바이오 플라스틱도 그 기반이 바이오 원료인지 석유화학 원료인지, 생분해가 되는지 안 되는지에 따라 다양한 종류가 있으며, 각 종류마다 지구 환경에 미치는 영향력이 다르다. 하지만 현재는 명확한 구분 없이 '친환경 플라스틱'으로 묶어 부르며, 폐기물을 처리하는 방법도 크게 구분되지 않는다. 생분해성 플라스틱을 종량제 봉투에 넣어 배출하는 경우, 대부분 매립 또는 소각된다. 일반 플라스틱처럼 배출는 경우, 다른 플라스틱 제품이 재활용되는 것을 방해한다. 따라서, '친환경'을 위해 개발된 생분해성 플라스틱의 효용성이 매우 떨어지게 된다. 따라서, 바이오 플라스틱이 환경 문제에 기여를 하기 위해서는 올바른 분리수거 방식 및 분해 조건을 갖춘 시설 등의 시스템 및 인프라 개발이 필요하다.

2) 바이오 플라스틱

- 바이오 플라스틱이란 재생 가능한 원료로 제조하는 플라스틱 전반을 의미한다. 크게 두 종류로 나눌 수 있는데, 식물 및 유기성 원료에서 유래된 바이오매스를 원료로 생산한 '바이오 기반' 플라스틱과, 특정 조건에서 짧은 시간 내에 미생물로 완전히 분해되는 '생분해성'이 있다. 한국과학기술정보연구원에서 발간한 ‘ASTI 마켓 인사이트’에 따르면, 생분해성 플라스틱은 2025년 바이오 플라스틱 시장의 40%를, ‘바이오 기반’ 플라스틱은 60%를 차지할 것으로 보고 있다. 현재 일상에서 접할 수 있는 '친환경' 플라스틱은 대개 '생분해성'인 경우가 많다. 하지만 앞으로는 ‘바이오 기반’ 플라스틱의 비율도 점차 커질 것이다. 이는 기존의 일반 플라스틱을 대체함으로써, 플라스틱의 환경 파괴적인 측면을 많이 감소시킬 수 있을 것으로 기대된다. - 더불어, 바이오 플라스틱의 종류에 관해 첨언하자면 바이오 플라스틱 종류는 바이오 기반 원료와 생분해성의 유무라는 두 가지 특징으로 나눌 수 있다. 바이오 기반이지만 생분해성이 없는 플라스틱으로는 바이오 PE, 바이오 PET, 바이오 PA 등이 있다. 화석연료 기반이지만 생분해성이 있는 플라스틱으로는 PBAT, PCL 등이 있다. 바이오 기반이며 생분해성까지 갖춘 플라스틱으로는 PLA, PHA 등이 있다.

개발 과제의 목표 및 내용

1) 생활 폐기물에서 배출되는 플라스틱 중 바이오 플라스틱(생분해성 플라스틱)을 선별 및 분류할 수 있는 공정을 개발한다. 2) 배출되는 생분해성 플라스틱을 처리시설로 운송하는 것이 아닌, 배출된 장소에서 바로 분해될 수 있는 조건을 갖춘 시설을 통해 전과정평가에서 바이오 플라스틱의 탄소배출량을 저감할 수 있는 시스템을 제안한다. 3) 생분해성 플라스틱의 최적 분해조건을 찾고, 그 조건을 유지하여 처리대상의 완전한 친환경적 분해를 이룰 수 있는 시스템을 설계한다.

나. 관련 기술의 현황

관련 기술의 현황 및 분석(State of art)

• 국외 기술현황

유럽에서는 위에서 보는 바와 같이 바이오 기반 플라스틱과 생분해성 플라스틱을 분리하여 처리하는 시스템이 마련되어 있다. 바이오 기반 플라스틱은 재활용 쓰레기통에 버려져 재활용되고 생분해성 플라스틱은 따로 분리되어 퇴비화 공정을 거치는 순환하는 시스템이다. 유럽에서는 따로 선별과정을 두지 않고 개인이 분리 배출할 수 있게끔 제품에 다양한 로고를 새겨 판매한다. 로고는 Home compostable logo, Compostable logo, Biodegrable logo, Bioplastics logo 등으로 EN 13432의 기준에 따라 분류된다. Home compostable logo는 일반 쓰레기통에 버리거나 집에서 묻어도 된다는 의미이고 Compostable logo, Biodegrable logo, Bioplastics logo는 일반 쓰레기통에만 버리라는 의미이다. 여기에 Seedling logo가 추가로 있으면 음식물 쓰레기통에 버려도 된다는 의미이다. 같은 일반 쓰레기통에 버리는 제품이라도 본래 다른 의미가 있다. 원래 Biodegradable logo가 있는 제품이면 재활용도 가능하다는 의미인데, 아직 재활용 시설이 부족해서 혼란을 주지 않기 위해 일반 쓰레기통으로 통일하고 있다. Bioplastics logo가 있으면 재활용 또는 퇴비화가 전혀 안 된다는 의미이다. 유럽에서는 생분해성 플라스틱(Biodegradable)을 넘어 Compostable 플라스틱도 생산하고 있다. 이는 자연에서 미생물이 분해하는 생분해성 플라스틱과 달리 인간이 만들어낸 미생물로 더 빠르게 분해하고 미세플라스틱도 유발하지 않는 플라스틱을 말한다. 유럽에서는 Compostable 플라스틱을 처리하는 시스템 또한 마련되어 있다. Home-composting이라는 집에서 직접 퇴비화 하는 방법도 사용된다. 이는 매립이나 소각보다 환경적 이점이 많을 뿐 아니라 처리비용도 훨씬 저렴하다. Home-composting이 적용되지 않는 제품은 다음과 같은 과정(Organic recycling)을 거쳐 퇴비로 사용된다. 퇴비화 시설은 분해에 필요한 50~70℃의 열과 충분한 습도와 미생물 수를 갖추고 약 6주에서 12주에 걸쳐 분해한다.

• 국내 기술현황

국내에서도 코오롱인더스티리, CJ 제일제당 등의 대기업들이 생분해성 플라스틱을 상용화하기 위해 적극적으로 나서고 있다. 하지만 생분해성 플라스틱 개발에만 초점을 맞추고, 이에 대한 규제 및 관련 인프라에 대해서는 무관심하다. 분리배출 시설은 물론, 분리배출 기준조차 없어 생분해성 플라스틱 제품, 바이오 기반 플라스틱 제품 구분 없이 대부분 종량제 봉투에 넣어 소각되고 있다. 소각되지 않은 생분해성 플라스틱 제품은 매립 시설로 보내져 생분해되고 있지만, 그 또한 전문 퇴비화 시설이 아니다. 또한, 바이오 플라스틱 선별과정이 없었기 때문에 바이오 기반 플라스틱이 매립된다면 분해가 되지 않고 오히려 미세플라스틱이 유발되는 문제점이 있다. 더불어, 메탄 발생을 유발해 기후에도 악형향을 끼친다. 다시 말해, 국내에는 생분해성 플라스틱 제품 선별 및 처리에 관한 기술과 시설이 전혀 마련되어 있지 않다.

• 기술 로드맵

시장상황에 대한 분석

• 경쟁제품 조사 비교

- 시중에 바이오 플라스틱을 선별하고 분해하는 장치는 없음

- 경쟁제품으로써 일반적인 플라스틱의 수거 및 처리과정을 고려

- 모(母)제품인 크린넷 vs 일반적인 수거 및 처리

• 마케팅 전략 제시

- 마케팅 제품 개요

생활 플라스틱 속 바이오 플라스틱을 선별하고 분해하는 완전한 시스템 및 설비

바이오 플라스틱의 친환경성을 보존하며,

주민과 아이들에게 자원순환과 환경보존의 교육 매개로 이용

- 마케팅 대상

크린넷, envec 등 자동 생활폐기물 수거 인프라 건설 기업

플라스틱 재활용 및 처리 업체

지자체 및 국가

- SWOT분석

다. 개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

1) 수거과정에서 환경오염물질 감축 가능

기존에는 플라스틱을 폐기물 수거차량이 모든 수거지점에 들러 수거를 했다면 쓰레기자동집하설비를 이용하면 기존에 수거차량이 발생시키는 소음, 교통체증, 탄소배출을 최대 90%까지 감소시킬 수 있다.

2) 생분해성 플라스틱 선별기술

바이오 플라스틱 중 최근 또는 미래에 수요량이 많아질 것으로 예상되는 생분해성 플라스틱을 분류하기 위해서 염용액을 이용한 비중차 선별기술을 도입한다. 비중차 선별에 앞서 ‘근적외선 자동선별 시스템’을 통해 PS 플라스틱을 분류해내는 1차 선별과정을 거쳐 생분해성 플라스틱과 비중이 비슷한 PS를 먼저 분리한 뒤, 나머지 플라스틱을 ‘비중차 선별’을 통해 2차로 선별한다. 비중이 낮아 물 위로 부상한 일반플라스틱은 이동되어 표준 컨테이너 수거차량을 통해 기존 플라스틱 처리시설로 이송된다. 비중이 높아 가라앉는 생분해성 플라스틱은 생분해 시설로 모이게 된다. 근적외선 선별과 비중차 선별은 이미 상용화가 이루어진 안정된 기술로, 두 기술을 함께 이용함으로써 높은 회수율을 달성할 수 있을 것으로 보인다.

3) 생분해성 플라스틱 분해기술

생분해성 플라스틱을 분해하기 위해서는 온도 58℃ 이상, 수분 70% 이상의 조건이 6개월간 유지되어야 한다. 선별과정 뒤 파쇄과정을 거쳐서 플라스틱의 부피를 감소시키고 비표면적을 증가시킨다. 온도 및 수분조건을 동시에 충족시키기 위해서 ‘태양열’을 사용한다. 태양열 전지판은 전기를 생산할 수 있지만 일반 가정에서는 온수 및 난방만을 위해서 설치가 되는 것처럼 집하장의 지붕에 태양열 전지판을 설치하여 온수를 만든다. 비중차 선별에서 사용된 물을 재이용하여 온수순환장치를 만들어 수분조건과 온도조건을 충족시킬 수 있다. 온도 조건을 만족하기 어려울 시 주변의 폐열을 이용하는 것을 제안한다. 이러한 분해기술은 태양열의 활용, 물의 재이용 등 친환경적이고 지속가능한 자원재순환을 이뤄낼 수 있다.

경제적, 사회적 기대 및 파급효과

1) 사회적 파급효과

제대로 분리가 되지 않아 일반플라스틱의 재활용, 생분해성 플라스틱의 분해 모두에 악영향을 미치고 있어 사회적으로 꾸준히 제기되는 생분해성 플라스틱의 효용성 문제를 ‘생분해성 플라스틱 선별 및 분해’ 공정을 제안해 해소한다. 전통적인 방식에서는 시민들이 직접 생분해성 플라스틱과 일반플라스틱을 구분하여 버려야 하지만 이것은 전적으로 시민들의 올바른 인식과 양심에 맡겨야 했던 문제였다. ‘쓰레기자동집하처리시설’의 설치는 투명 페트를 제외한 플라스틱을 모두 하나의 흡입구에 넣게 함으로써 시민들의 번거로움을 없애고 처리과정을 간소화한다. 선별공정 중 ‘비중차 선별’의 선별효율을 높이기 위해서 생분해성 플라스틱 제조 시 일정범위 안에서 비중을 통일하도록 하는 정책을 제안한다. 생분해성 플라스틱인 PLA 생분해성 봉투를 수거, 처리할 만한 시스템이 없다는 이유로 ‘2021년 11월’에 환경부는 일회용품에 생분해성 플라스틱 사용을 사실상 금지했다. 이 때문에 국내기업들은 유럽 기업들에 비해 도태되고 있다. ‘생분해성 플라스틱 처리공정’을 제안해 바이오 플라스틱 산업이 급속도로 발전하고 있는 전 세계의 추세의 흐름을 우리나라도 따라갈 필요가 있다. 바이오 플라스틱 산업 성장에 기여하여 탄소중립을 실현시키고, ‘RE100’을 달성할 수 있게 한다.

2) 경제적 파급효과

기존의 재활용 수거방식으로 생분해성 플라스틱을 수거할 경우 일반 플라스틱 재활용을 방해하고 생분해성 플라스틱이 기존의 방식대로 처리되어 버리는 문제점이 있다. 우리의 공정대로 진행할 경우 일반플라스틱은 기존대로 재활용이 되어 플라스틱 재활용률이 높아지고 생분해성 플라스틱의 분해로 천연부산물을 얻을 수 있다. 생분해성 플라스틱은 현재 도입 초기단계로 관련 인프라가 부족하다. 생분해성 플라스틱 처리시설과 같은 기반시설을 도입한다면 바이오 플라스틱 산업의 확장에 기여하고 경쟁력을 제고할 수 있다. ‘축차 동태 일반균형모형을 이용한 바이오 플라스틱 산업의 경제적 환경적 파급효과 분석’ 논문에 따르면 플라스틱 규제 시나리오에서 온실가스 감축과 폐기물 감소효과는 확인되었으나 국가GDP는 감소하는 것으로 나타나 경제에 부정적 파급효과가 발생하는 것으로 분석되었다. 반면에 플라스틱 산업 규제와 동시에 바이오 플라스틱 산업을 육성 시 플라스틱 산업 규제 시나리오와 유사한 수준의 온실가스 감축과 폐기물 감소효과가 발생하지만 바이오 플라스틱 산업 생산확대에 따라 경제적 손실이 상쇄되어 GDP 감소폭이 줄거나 증가하는 것으로 확인되었다. 이는 바이오 플라스틱 산업 육성을 통해 기존 플라스틱산업을 대체해 나갈 경우 환경문제 해결과 경제성장을 동시에 가능케함을 시사한다.

라. 기술개발 일정 및 추진체계

개발 일정

내용

구성원 및 추진체계

내용

설계

설계사양

제품의 요구사항

내용

설계 사양

내용

바. 개념설계안

1) 폐기물 이송기술

기존의 폐기물 처리는 문전수거 방식으로 진행되었다. 문전수거 처리방법은 배출원-배출장소-수집 및 운반-적환장-수집 및 운반을 거쳐 소각장, 매립장으로 이동하였다. 최근의 신도시들에는 이러한 기존의 방식을 벗어나 크린넷, 엔백 등의 기업에서 제공하는 폐기물자동집하장치를 이용한다. 폐기물 집하장치는 기존방식의 수집 및 운반과 적환장을 이송관로, 중앙집하장으로 대체한다.

현재 여러 도시에서 운영 중에 있으나 일반쓰레기, 음식물쓰레기에 한정하여 운영하고 있다. 이에 우리는 음식물 쓰레기, 일반쓰레기와 더불어 플라스틱류 수거도 폐기물자동집하장치를 이용하려고 한다. 우리 설계에는 기존에 음식물 쓰레기, 일반쓰레기 수거를 위한 총 2개의 투입구가 있지만 플라스틱 수거를 위한 투입구 하나를 더 설치한다.

투입설비인 투입구에 플라스틱을 넣게 되면 투입설비에서 집하설비까지 플라스틱은 관로내에서 공기가 같이 유동하게 되며, 공기의 유동은 집하장에서 송풍장치를 이용하여 흡인한다. 투입된 플라스틱은 지하에 매설된 파이프와 송풍기를 이용하여 중앙집중제어 시스템의 통제에 따라 지하매설관로에 흐르는 공기가 약 60~70km/hr 속도로 집하장에 자동수집된다.

플라스틱류를 폐기물자동집하장치를 통해 수거하려는 이유는 크게 두가지다. 첫째, 우리 설계의 목표인 생분해성 플라스틱을 분해하려면 일차적으로 일반플라스틱과의 분리가 우선적이다. 이를 폐기물자동집하장치를 이용해서 시민들이 분리해야하는 번거로움을 없앤다. 둘째, 플라스틱류 폐기물을 기존의 방식인 문전수거로 할 경우 수집 및 운반과정에서 발생하는 소음, 악취와 대기오염물질을 없애 주민들의 삶의 질을 높일 수 있다.

2) 선별기술

혼합 플라스틱의 선별에는 플라스틱의 비중 차이를 이용한 선별, 녹는점 혹은 연화점을 이용한 선별, 용매(xylene) 추출법, 광학 선별 등 다양한 방법이 있다. 비중차 선별은 건식과 습식으로 나뉘어지는데 건식 선별은 air table, wind separation, air classifier 등이 있고, 습식 선별은 원심분리, 사이클론과 결합한 기술이 있다. 또한 광학 선별은 근적외선을 이용한 기술이 상용화되어 있다. 다양한 선별방법 중, 설계 사양 즉 제품 요구사항―플라스틱 분류의 정확성, 충분한 폐기물 수용량, 효율적인 에너지 사용―을 만족하는 플라스틱 선별 방법은 비중차 선별이라고 판단하였다. 다음은 생활계에서 주로 발생하는 플라스틱과 생분해성 플라스틱의 밀도 표이다.

생분해성 플라스틱 시장에서 높은 비중을 차지하고 있는 주요한 생분해성 플라스틱들(PLA 등)의 비중은 1 이상이며, 일반 플라스틱은 PS 제외한 나머지가 1 미만의 값을 보이고 있다. 이는 비중이 1인 물을 이용하여 크게 두 부류로 플라스틱의 분류가 가능하다는 것을 시사한다. 그러나 이 방법 외에 PS와 생분해성 플라스틱을 분류할 수 있는 공정이 추가적으로 필요하다. 이에 근적외선 선별기를 이용한 방법과 중액을 이용한 추가 비중차 선별의 방법을 제시한다.

(1) 중액선별

중액선별은 물보다 비중이 높은 두 물질을 분류하기 위해 비중 1 이상의 중액을 이용하는 방법이다. 중액선별의 매질에는 3가지 종류가 있다. 탄화규소염화물을 이용한 유기액체, 염화칼슘 혹은 염화나트륨을 이용한 염류수용액, 자철광, 사매질, 점토, 석고 등을 이용한 고비중 고체현탁액이다. 선별 원리는 물을 이용한 비중차 선별과 같이 매질보다 비중이 낮은 플라스틱은 위로 뜨고, 매질보다 비중이 높은 플라스틱은 밑으로 가라앉는 성질을 이용하는 것이다.

위 방법을 추가하여 습식 비중차 선별을 2단으로 설치할 경우, 각 선별 공정의 연계성이 용이하고 설치비가 저렴할 가능성이 높다. 그러나 중액 매질 사용으로 인한 운영비와 동력비가 높을 것으로 예상되며, 향후 생분해성 플라스틱의 분해 및 퇴비화와 일반 플라스틱의 재활용에 차질을 주지 않기 위해 세척 공정이 필요할 것으로 고려된다.

(2) 근적외선 선별

근적외선 선별은 플라스틱 재질 별 고유한 근적외선 흡수 스펙트럼을 이용하여 혼합 플라스틱을 분류하는 기술이다. 이미 기술이 상용화되어 다양한 선별기가 시중에 존재한다. 다음은 근적외선 자동 선별기(NIR Plastic Separator)의 작동 원리이다.

① 이송 콘베이어에 의해 재활용품 이송 ② NIR LAMP에서 NIR 투시 ③ 플라스틱에서 반사된 파형을 디텍터(Detector)에서 수신 ④ 수신된 파형을 광케이블을 통해 광다중채널로 송신 ⑤ 광다중채널에서 파형을 종합하여 근적외선 분광 판별기로 송신 ⑥ 근적외선 분광 판별기에서 플라스틱 성분을 분석 후 전자동식통합제어시스템으로 분석된 정보를 전송 ⑦ 전자동식통합제어시스템에서 정보를 수신한 후 입력된 플라스틱 성분만 압축 Air로 토출

근적외선 자동 선별―비중차 선별 공정으로 설계할 경우 근적외선 선별로 PS, PP, PE를 토출하여 분리할 수 있다. 토출되지 않은 플라스틱은 파쇄 및 혼합세척을 거치고, 물을 이용한 비중차 선별로 생분해성 플라스틱을 완전히 선별할 수 있다. 초기 설치 비용이 높을 수 있으나 유지보수가 용이하고 안정된 선별 순도를 가진다는 장점이 있다.

3) 분해조건 유지기술

생분해성 플라스틱은 60도의 온도와 70% 습도를 만족시키는 환경의 토양에서 6개월간 90% 이상 생분해된다. 그렇기 때문에 분해 시설에서는 24시간 동안 위의 조건을 유지할 수 있어야 한다. 온도 및 습도 유지를 위해 태양열 집열기술을 적용하고, 비중 선별에 이용한 공업 용수를 재이용하는 방법을 고안했다.

태양열 집열기는 크게 평판형과 진공관형이 있는데, 진공관형이 더 높은 집열 온도를 달성할 수 있어 이를 채택하였다. 비중 선별에 이용된 용수가 태양열 집열 보일러를 거쳐 데워지면 온수난방 원리에 따라 분해 시설의 바닥면을 흐르며 설비 온도를 상승 및 유지시키며, 습도 유지에 필요한 일정량의 물을 천장에서 분사시킨 뒤 다시 보일러 탱크로 들어간다.

습도 유지는 산업용 가습기에 비중 선별 시 이용한 공업용수를 재이용 하는 방법으로 유지한다. 사용할 가습방식은 일류체식으로, 물을 70-80bar로 압축하여 전자변과 미세한 노즐을 통해서 분무하는 방식이다. 이는 전열식 가습기의 1% 정도로 소비전력이 낮으며, 물입자가 작고 대용량 가습이 가능하여 분해 설비의 습도를 유지하는데 적합하다.

이론적 계산 및 시뮬레이션

내용

상세설계 내용

내용

결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

내용

포스터

내용

관련사업비 내역서

내용

완료작품의 평가

내용

향후계획

내용

특허 출원 내용

내용