창의설계 소규모 창업 아이템 개인보고서20221666 김지윤Title: 생활 하수 속 미세플라스틱 제거 및 증류 필터고안한 창업 아이템물 재사용이 가능한 생활하수 속 미세플라스틱 제거 필터간단한 설명세면대, 욕조(샤워실), 세탁기, 싱크대에서 사용한 물에서 미세플라스틱을 걸러내고, 순수한 물을 모아 변기 물로 재사용하는 필터이다.보일러 버너가 위치한 벽이나 바닥 밑에 설치할 수 있다.창업 아이템 선정 계기환경오염의 원인 중 미세플라스틱이 생활하수(샴푸, 세제 등)에서 많이 배출된다.미세플라스틱은 한 번 배출되면 소멸하지 않고 환경, 인체에 좋지 않은 영향을 끼치기 때문에 배출량을 줄여야 할 필요가 크다.세탁, 설거지, 세면대, 욕조 등에서 배출되는 생활하수에서 물을 다시 얻으면 변기물로는 재사용이 가능하고 경제적 이득을 얻을 수 있지 않을까 생각하게 되었다.미세플라스틱?정의: 1nm 이상 5mm 이하의 크기를 가진 합성 폴리머 입자를 포함하는 물질 혹은 혼합물환경에 미치는 영향, 현황: 미세플라스틱은 대부분이 해양으로 배출되어 해양에 광범위하게 분포하여 해양 환경에 영향을 미치게 된다.생선, 조개류, 갑각류 등 해양 생물들은 먹이, 플랑크톤 등을 통해 미세플라스틱을 섭취하게 된다. 미세플라스틱은 자체로 독성을 가지기 때문에 생물학적으로 장애를 일으킬 수 있다.미세 플라스틱이 가진 화학물질은 잔류성과 생물 축적성이 높이 동물의 면역력 감소와 생식 기능 약화를 불러 일으킬 수 있다.최근 연구에 따르면 연간 약 800만 톤의 플라스틱이 해양으로 유출되고 있다. 또한 중국의 한 해변 침전물의 농도를 측정한 결과 50g 당 약 350개의 미세 플라스틱이 검출되었다.인체에 유입되는 경로, 영향: 해양의 생물자원은 인간의 주요 식품 원료인데, 이 생물자원에 미세 플라스틱이 축적됨에 따라 인체에 미세 플라스틱이 유입될 수밖에 없다.최근 연구에 따르면 체 내에 미세 플라스틱이 축적되면 유전, 신경학적인 문제를 일으킬 가능성이 커진다.생활 속 배출 요인: 화장품 속 마이크로 비클렌징 제품 등이 폐수로 배출된다. 이는 하수도로 유입되어 강, 해양 등의 자연환경으로 배출된다.미세플라스틱 걸러내는 방법전기적 극성 이용: 상당수의 플라스틱은 자체적으로 미세한 음극을 띤다. 따라서 미세 플라스틱이 포함된 물에 전류를 흘려주면 미세플라스틱이 (+) 극 쪽으로 흡착된다. 이를 걸러내면 미세 플라스틱을 걸러낼 수 있다.순수한 물 증류 방법화장실에서 온수 사용시 단시간에 온수를 데우기 위해 보일러는 버너를 이용한다. 이 보일러의 버너 옆에 생활하수의 필터를 배치하여 이 열을 이용하여 증류를 진행하기 때문에 별도의 에너지 소비가 필요하지 않다.필터의 위쪽에는 냉각 막대를 설치하여 순수한 물을 얻어낸다.얻어낸 순수한 물은 변기로 이동하여 변기 물로 재사용 된다. 따라서 가정의 물 사용량을 줄이는 효과가 나타난다.Process flow diagram------------약 1m/5sec--------------Reaction Engineering전기적 흡착순수한 물이 아니기 때문에 전류가 흐를 수 있고, 필터의 양쪽에 전극을 설치하고 전압을 걸어주면 음극을 띠는 미세플라스틱이 (+) 극에 흡착될 것이다.증류보일러 버너 근처의 온도가 약 200도로 매우 빠르게 물을 데울 수 있으며, 물이 필터 안에 흐르는 동안 증류가 진행되기 때문에 적당량의 물을 얻을 수 있다.Mass Balance미세플라스틱 – 폴리프로필렌(polypropylene)폐수에 포함된 미세플라스틱의 양일반적으로 미세플라스틱이 포함되어 있는 세제, 클렌징 제품을 가정해보자. 이 제품 1000ml 기준 약 10만개의 미세플라스틱이 들어있다고 볼 수 있다.이 미세플라스틱은 대부분 polypropylene으로 이루어져 있기에 polypropylene으로만 이루어져 있다고 가정한다. 미세플라스틱 10만개의 질량을 계산해보면 약 0.436g이다.이 중 한 번 세제나 클렌징 제품을 사용할 때 포함된 미세 플라스틱의 양은 한 통의 약 1/30 로 가정하자.그렇게 하면 한 번 샤워나 설거지를 하여 필터가 에 포함된다고 계산할 수 있다.물의 양투입되는 물의 양: 평균적으로 계산했을 때, 크게 두 가지 경우를 보자.15분 동안 샤워하는 데 사용하는 물의 양: 1분당 10 L X 15분 = 150 L설거지 20분 동안 할 때 사용하는 물의 양: 1분당 5 L X 15분 = 100 L이 보고서에서는 투입되는 물의 양을 두 경우의 평균인 125L로 계산한다.증발되는 물의 양물의 증발 속도는 온도, 습도, 액체의 표면적에 영향을 받는다.일반화된 증발속도 표현식은 아래와 같이 나타낼 수 있다.Qm = 증발속도 (질량/시간)M = 휘발성분의 분자량KA = 일정 계 A에서의 물질전달계수(길이/시간)Rg = 이상기체상수TL = 액체의 절대온도Psat = 액체의 온도에서 순수액체의 포화증기압p = 액체의 분압위 증발속도 표현식을 사용하여 물의 증발속도를 계산해보면,18 x 100/5 x 733.24 / 8.314 / 373 = 85.12 (g/sec) 이다.수득률미세 플라스틱폐수에 포함된 미세플라스틱을 전극을 통해 모두 흡착시키기에는 물의 흐름만큼 전압이 강하지 않으므로, 미세플라스틱의 약 70% 정도가 흡착될 것으로 예상한다.한 번에 0.015g의 미세 플라스틱이 폐수에 포함되어 있다고 가정하면, 그 중 70%인 0. 105g의 미세플라스틱이 흡착되어 배출되지 않는다.필터가 하루에 네 번 필터가 작동된다고 가정하면 하루에 0.06g의 미세 플라스틱 중 0.042g의 미세플라스틱을 흡착한다.순수한 물물의 밀도를 고려하면 125L이면 125000g으로 나타낼 수 있고, 1초당 단위면적에 흐르는 물의 질량은 15000/900 = 16.67 이고, 파이프의 길이를 고려하면100 x 16.67 = 1667g 이 된다. 따라서 위에서 구한 증발하는 물의 양을 적용하면 1초당 1667g 중 85.12g 이 증발하여 순수한 물로 증류된다는 것을 구해볼 수 있다.따라서 순수한 물의 수득률은 약 5.1% 임을 알 수 있다.Heat Transfer보일러 버너의 열 이용(주변 온도): 약 200℃,르고 있는 물로 열이 전달되어 물의 증류가 일어난다.경제적 이득급수량이 줄어들어 수도 요금 줄어든다.-변기 한 번 내릴 때 필요한 물의 양은 6L이고, 이에 해당하는 양의 물을 위의 필터를 사용하여 모으기 위해 필요한 폐수의 양을 계산해보자.위에서 구한 순수한 물의 수득률이 약 5%이므로, 6L의 순수한 물을 구하기 위해 120L의 폐수가 필요하다. 이는 위에서 1회 평균 폐수량으로 가정한 125L 와 비슷하고, 이는 한 번 사워 혹은 설거지를 할 때마다 변기물을 한 번 내릴 만큼의 물을 절약할 수 있다는 것으로 이끌 수 있다.따라서 2인 가정에서 하루에 네 번 필터가 작동되어 물을 아끼면 하루에 약 25L의 물을 아낄 수 있고, 한달 동안 750L의 물을 절약할 수 있다. 이는 750kg에 해당하고 0.75 톤으로 환산할 수 있다.서울시민 2인 가정의 한달 평균 수돗물 사용량이 약 20톤이라 가정하자. 상수도, 하수도요금을 합한 서울시 수도요금은 1톤당 1325원 이므로, 26500원이 한 달 수도요금으로 계산된다.만약 한달에 0.75톤이 절약되면, 25500원이 한 달 수도요금으로 계산된다.따라서 한 달에 약 1000원에 해당하는 수도요금의 경제적 이득을 볼 수 있다.사회적 이득미세플라스틱이 생활하수에 포함되어 배출되는 양이 적어진다.그 양을 계산해보면, 위에서 수득률을 구할 때 하루에 미세플라스틱 흡착량이 0.06g 중 0.042g 이기 때문에 배출량이 0.042g 줄어든다고 해석할 수 있다. 따라서 한달 동안 필터를 사용하였을 때 배출량은 1.26g 줄어든다.한 가정당 한달 미세 플라스틱 배출량이 1.26g 줄어든다고 가정하면, 1만 가구 당 12.6kg의 미세플라스틱 배출량을 줄일 수 있다.이는 환경오염, 특히 수질오염 개선에 큰 이득이 될 것으로 생각된다.추가적으로 생각해볼 사항걸러진 미세플라스틱은 어떻게 처리할 수 있을까?미세플라스틱을 구성하는 폴리프로필렌(PP)이 현재 건설 재료의 소재로 쓰이고 있고, 단열, 방음에 효과적이기 때문에 가정에서 걸있다.또한, 폐플라스틱과 걸러진 미세플라스틱을 수거하여 난방을 할 수 있는 고형원료로 재활용할 수 있다.증류를 통해 얻는 물의 수득률을 더 높일 수 있는 방법이 있을까?증류관의 길이가 길수록 순도가 높은 물질을 얻을 수 있고, 수득률과 효율이 높아진다.필터 내의 압력을 낮출 수 있는 방법이 있다면, 압력을 낮추어 수득률을 높일 수 있다. 압력을 낮추면 액체의 끓는점이 낮아져 증발이 더 잘 일어나게 된다.출처엄주현, 박종환, 김성헌, 김영진, 류성기 and 서동철. (2019). 수중에서 미세플라스틱인 Polypropylene의 Cd 흡착특성 평가. 한국환경농학회지, 38(2), 83-88.김현정, 이혁진, 장낙한, 김응찬 and 최항. (2021). 물속에서 미세플라스틱을 제거할 수 있는 탐구 활동의 탐색. 현장과학교육, 15(2), 163-170.유럽화학물질청 보고서 번역 및 모니터링 | 여성환경연대 경진주(진진), 박선미(조화하다)Brown 외, Chemistry: the central science, Pearson, 2018 Hyperlink "https://www.youtube.com/watch?v=jPywATCgTtU" https://www.youtube.com/watch?v=jPywATCgTtU박지아, 강현본, 최윤식. (2021). 해양 환경의 미세 플라스틱과 인간의 건강에 미치는 영향. 생명과학회지, 31(4), 442-451.염철중. "휘발성 물질의 증발속도 및 공기혼합특성." 국내석사학위논문 충북대학교, 2017. 충청북도조은채, 김철회. (2015). 물 인권과 수도요금. 한국공공관리학회 학술대회, (), 81-107.이상훈. (2019). 국내 플라스틱 리싸이클링 현황. 자원리싸이클링 , 28(6), 3-8.박준길, 한택희, 김동주, 김민욱. (2021). 해양 플라스틱 재활용 건설재료 개발. 대한토목학회지, 69(6), 39-45.소희수. "고로슬래그 골재 및 폴리프로필렌 섬유를 활용한 플라이애쉬 기반 보수재료의 내황산염에 관한 실험적 서울
