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KR-20260061675-A - DEVICE FOR SEPARATING PLASTIC PARTICLES FROM SOIL USING MICROBUBBLES

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Abstract

미세버블을 이용한 토양 내 플라스틱 분리장치가 개시된다. 본 발명에 따른 미세버블을 이용한 토양 내 플라스틱 분리장치는, 토양 내에 포함된 플라스틱입자를 분리 및 회수하기 위한 분리장치로서, 하향으로 형성되어 상부개구를 통해 토양시료가 투입되고, 제1,2 분기관으로 분기되는 제1 투입관; 하향으로 형성되어 상부개구를 통해 분리액이 투입되고, 상측과 하측에서 상기 제1,2 분기관과 각각 연통되는 제1,2 연결관이 구비된 제2 투입관; 토양시료와 분리액의 혼합과 순환이 상기 제2 분기관, 제1 분기관, 제1 연결관 및 제2 연결관을 통해 이루어지도록, 상기 제2 분기관의 하단에 결합되어 상기 제2 분기관에 소정 압력의 기체를 제공하는 시료순환부; 및 토양시료와 분리액의 혼합과 순환과정에서 플라스틱입자가 상방으로 부유되어 분리되도록, 플라스틱입자에 흡착되는 미세버블을 상기 제1 연결관의 아래쪽에서 상기 제2 투입관에 제공하는 버블제공부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Inventors

  • 옥용식
  • 황건욱
  • 정재학
  • 황성연
  • 김주양
  • 김도운
  • 김주양
  • 김도운

Assignees

  • 고려대학교 산학협력단
  • 주식회사 한국분석과학연구소

Dates

Publication Date
20260506
Application Date
20241028

Claims (10)

  1. 토양 내에 포함된 플라스틱입자를 분리 및 회수하기 위한 분리장치로서, 하향으로 형성되어 상부개구를 통해 토양시료가 투입되고, 제1,2 분기관으로 분기되는 제1 투입관; 하향으로 형성되어 상부개구를 통해 분리액이 투입되고, 상측과 하측에서 상기 제1,2 분기관과 각각 연통되는 제1,2 연결관이 구비된 제2 투입관; 토양시료와 분리액의 혼합과 순환이 상기 제2 분기관, 제1 분기관, 제1 연결관 및 제2 연결관을 통해 이루어지도록, 상기 제2 분기관의 하단에 결합되어 상기 제2 분기관에 소정 압력의 기체를 제공하는 시료순환부; 및 토양시료와 분리액의 혼합과 순환과정에서 플라스틱입자가 상방으로 부유되어 분리되도록, 플라스틱입자에 흡착되는 미세버블을 상기 제1 연결관의 아래쪽에서 상기 제2 투입관에 제공하는 버블제공부를 포함하는 것을 특징으로 하는 미세버블을 이용한 토양 내 플라스틱 분리장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 플라스틱 분리장치는, 상기 제2 투입관의 상단에서 측방으로 형성되어 상기 버블제공부에 의해 상방으로 부유한 플라스틱입자를 외측으로 분리이동시키는 분리관을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 미세버블을 이용한 토양 내 플라스틱 분리장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 분리관은, 플라스틱입자가 상기 제2 투입관으로 이동하는 것을 방지하기 위해, 상기 제2 투입관에서 하향 경사지게 형성되는 것을 특징으로 하는 미세버블을 이용한 토양 내 플라스틱 분리장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제1 연결관은, 상기 제2 투입관을 향해 하향 경사지게 형성되고, 상기 제2 연결관은, 상기 제2 분기관을 향해 하향 경사지게 형성되는 것을 특징으로 하는 미세버블을 이용한 토양 내 플라스틱 분리장치.
  5. 제2항에 있어서, 상기 플라스틱 분리장치는, 상기 분리관에서 전달된 플라스틱입자를 하방으로 이동시키기 위해, 상기 분리관에 연통되며 상하방향으로 형성되는 수거관을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 미세버블을 이용한 토양 내 플라스틱 분리장치.
  6. 제5항에 있어서, 상기 수거관에는, 플라스틱입자의 하방이동을 촉진하기 위해, 상부개구를 통해 간헐적으로 분리액이 투입되는 것을 특징으로 하는 미세버블을 이용한 토양 내 플라스틱 분리장치.
  7. 제5항에 있어서, 상기 플라스틱 분리장치는, 상기 수거관의 하단에 결합되어 분리액을 처리하며 플라스틱입자를 걸러내는 필터처리부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 미세버블을 이용한 토양 내 플라스틱 분리장치.
  8. 제7항에 있어서, 상기 필터처리부는, 상기 수거관의 하단에 결합되어 상기 수거관으로부터 전달된 분리액과 플라스틱입자의 혼합액에서 플라스틱입자를 걸러내는 필터; 및 상기 필터에 결합되어 분리액을 강제로 흡인하여 분리처리하는 진공펌프를 포함하는 것을 특징으로 하는 미세버블을 이용한 토양 내 플라스틱 분리장치.
  9. 제1항에 있어서, 상기 버블제공부에 공급되어 미세버블을 생성하는 기체는, 비극성을 띠며 토양시료에 포함된 플라스틱입자에 대한 미세버블의 효율적인 흡착을 위해, 공기, 비극성 기체인 질소(N 2 ), 산소(O 2 ), 메탄(CH 4 ) 및 극성이 약한 기체인 이산화탄소(CO 2 ) 중 적어도 어느 하나를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 미세버블을 이용한 토양 내 플라스틱 분리장치.
  10. 제5항에 있어서, 상기 플라스틱 분리장치는, 대량의 토양시료 처리와 플라스틱입자의 회수효율 증대를 위해, 복수 개로 구성되어 어느 하나의 상기 수거관이 다른 하나의 상기 제1 투입관에 연통되도록 병렬 설치되는 것을 특징으로 미세버블을 이용한 토양 내 플라스틱 분리장치.

Description

미세버블을 이용한 토양 내 플라스틱 분리장치{DEVICE FOR SEPARATING PLASTIC PARTICLES FROM SOIL USING MICROBUBBLES} 본 발명은, 미세버블을 이용한 토양 내 플라스틱 분리장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 토양시료와 분리액에 포함된 플라스틱입자를 미세버블의 흡착 작용을 통해 상방으로 부유시켜 회수하도록 구성된 플라스틱 분리장치에 관한 것이다. 플라스틱은 인류의 생활에 다양하고 풍부한 편리함을 제공하지만, 플라스틱 쓰레기는 바람에 날려 육지에 쌓이거나 강을 따라 바다로 흘러들어 토양, 물, 대기 모두를 오염시키며 생명체에 위협이 되어 온지 수십년이 되어 가고 있다. 이러한 플라스틱은 제조와 폐기 과정에서 많은 화석 에너지를 소비함에 따라 온실가스 배출량을 증가시키는 주요한 원인이 되어 기후 변화를 가속화시키고 있다. 또한, 최근에는 플라스틱 쓰레기로부터 5mm 이하의 작은 플라스틱 조각들로 풍화된 미세 플라스틱입자는, 물과 토양에 침투되어 해양 생태계와 육지 생태계 모두에 대해 심각한 위협이 되고 있고, 인간의 건강에도 해로운 영향을 끼치고 있는 실정이다. 특히, 토양 내 플라스틱입자는, 토질 및 작물 생장에 영향을 미치며 인류의 식량안보를 위협하는 중요한 환경 난제 중 하나로 취급되고 있다. 이에 따라 토양 내 분포하는 플라스틱입자의 양과 거동을 모니터링하며 그 영향을 평가하는 연구가 최근 진행되고 있지만, 토양 내 플라스틱을 확인하고 회수하는 표준화된 방법론이 현재까지 구체적으로 확립되지 않은 관계상 대부분 종래 시료 분석법의 일종인 화학적 분해법과 밀도 분리법 등이 플라스틱입자 추출에 활용되고 있다. 여기서 화학적 분해법은 플라스틱 입자의 표면과 토양에 남아있는 유기물을 제거하는 방법으로, 산화제(예: 과산화수소) 또는 알칼리성 화합물(예: 수산화나트륨) 등을 이용하는 기술이다. 특히, 토양에 포함된 유기물은 플라스틱 입자에 흡착되어 그 분리 효율을 저하시킬 수 있으므로, 이를 효과적으로 제거하는 전처리 방법이다. 또한, 대한민국등록특허 제10-2420703호(등록일: 2022년07월11일)와 같은 밀도 분리법은, 밀도 분리용액을 토양에 혼합한 상태에서 상대적 밀도 차를 이용하여 토양과 플라스틱입자를 분리하는 기술로서, 분리의 난이도가 낮아 활용성이 있으나, 플라스틱 종류에 따라 사용할 수 있는 밀도 분리용액이 제한적이고, 높은 회수율 확보를 위해 분리과정이 최소 3회 이상 반복되어야 한다는 점에서 많은 인력과 시간이 소요되는 문제가 있다. 나아가 밀도 분리법은, 재활용이 어렵고 환경적으로 유해한 밀도 분리용액을 취급한다는 단점과 함께 다량으로 투입되거나 연속적으로 다량 투입되는 토양시료를 처리하기에 부적한 방식이어서 토양시료 분석에 대한 대표성을 확보하기 어려운 한계가 있다는 점에서, 새롭고 개선된 토양 내 플라스틱입자 분리법이 절실히 요구되고 있다. 도 1은 본 발명의 실시예에 따른 미세버블을 이용한 토양 내 플라스틱 분리장치의 사시도이다. 도 2는 도 1의 절단선 A-A에 따른 종단면도이다. 도 3 내지 도 6은 도 2를 기준으로 본 발명의 실시예에 따른 플라스틱 분리장치의 작동과정을 순서대로 보여주는 작동상태도이다. 도 7은 도 2의 플라스틱 분리장치를 복수 개로 구성하여 병렬 설치한 사용태도이다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세하게 설명하면 다음과 같다. 다만, 본 발명을 설명함에 있어서, 이미 공지된 기능 혹은 구성에 대한 설명은, 본 발명의 요지를 명료하게 하기 위하여 생략하기로 한다. 도 1은 본 발명의 실시예에 따른 미세버블을 이용한 토양 내 플라스틱 분리장치의 사시도이고, 도 2는 도 1의 절단선 A-A에 따른 종단면도이고, 도 3 내지 도 6은 도 2를 기준으로 본 발명의 실시예에 따른 플라스틱 분리장치의 작동과정을 순서대로 보여주는 작동상태도이고, 도 7은 도 2의 플라스틱 분리장치를 복수 개로 구성하여 병렬 설치한 사용태도이다. 발명의 설명 및 청구범위 등에서 방향을 지칭하는 상(위쪽), 하(아래쪽), 좌우(옆쪽 또는 측방), 전(정,앞쪽), 후(배,뒤쪽) 등은 권리의 한정의 용도가 아닌 설명의 편의를 위해서 도면 및 구성 간의 상대적 위치를 기준으로 정한 것으로, 3개의 축은 서로 대응되게 회전하여 바뀔 수 있으며, 특별히 다르게 한정하는 경우 외에는 이에 따른다. 본 발명에 따른 미세버블을 이용한 토양 내 플라스틱 분리장치(100)는, 토양에 포함된 플라스틱입자(PP)에 대한 분리 내지 회수 작업을 종래에 비해 적은 인력과 높은 회수율로 신속하게 수행하고, 친환경적인 방식으로 연구실 단위에서 저비용으로 운용하는 한편, 상대적으로 많은 수십 g의 토양시료(SS)에 대한 처리를 통해 플라스틱입자(PP) 분포에 대한 토양시료(SS)의 대표성을 신뢰성 있게 확보하기 위해 안출된 발명이다. 상술한 바와 같은 기능 내지 작용을 구체적으로 구현하기 위해, 본 발명의 실시예에 따른 플라스틱 분리장치(100)는, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 제1 투입관(110), 제2 투입관(120), 시료순환부(130), 버블제공부(140), 분리관(150), 수거관(160) 및 필터처리부(170) 등을 포함하여 구성될 수 있다. 이하에서는 상술한 구성들에 대하여 구체적으로 설명하기로 한다. 먼저, 제1 투입관(110)은, 토양시료(SS)의 투입을 허용하며, 후술할 분리액(W)과 토양시료(SS)의 혼합과 순환이 이루어지도록 안내하기 위해 하향으로 길게 형성된 관체형상의 구성요소이다. 이러한 제1 투입관(110)은, 토양시료(SS)와 분리액(W)의 혼합과 순환 상태가 외부에서 용이하게 확인될 수 있도록 투명한 소재로 제작되되, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 상단에는 토양시료(SS)가 투입되는 상부개구(O1)가 형성되고, 상부개구(O1)로부터 하향으로 연장된 부분에는 서로 분기된 형태의 제1 분기관(112)과 제2 분기관(114)이 각각 형성될 수 있다. 제1 분기관(112)은, 후술할 제2 투입관(120)의 상측에 형성된 제1 연결관(122)과 연결될 수 있도록, 제2 분기관(114)보다 짧은 길이로 하향 형성되어 토양시료(SS)와 분리액(W)의 혼합과 순환을 안내하는 관체형상의 구성요소이다. 그리고 제2 분기관(114)은, 후술할 제2 투입관(120)의 하측에 형성된 제2 연결관(124)과 연결될 수 있도록, 제1 분기관(112)보다 길게 하향 형성되어 토양시료(SS)와 분리액(W)의 혼합과 순환을 안내하는 관체형상의 구성요소이다. 이러한 제1 분기관(112)과 제2 분기관(114)은, 토양시료(SS)와 분리액(W)의 원활한 혼합과 순환을 위해, 동일한 외경과 내경을 갖도록 제작하게 되지만, 필요에 따라 서로 다른 직경으로 제작될 수도 있다. 한편, 제1 투입관(110)의 상부개구(O1)를 통해 투입되는 토양시료(SS)는, 조사지역에서 채취된 토양을 건조하여 소정 크기의 입도로 분쇄 또는 체질(사별)하고, 필요한 경우 분쇄된 토양에서 유기물 등을 제거하는 전처리 과정을 거쳐 얻어지는 것으로서, 시료의 대표성을 확보하기 위해 도 3에 도시된 바와 같이, 수십g의 토양이 투입될 수 있다. 이러한 토양시료(SS)에는, 채취된 지역의 토양 유형, 오염원 등에 따라 차이가 있지만, 대략 5mm 이하의 작은 조각들로 풍화된 소정량의 플라스틱입자(PP)(미세플라스틱)가 포함되는데, 주로 비료, 폐수 슬러지, 비닐멀칭(농업용 플라스틱) 등에서 비롯되어 바람, 강수 등 다양한 경로를 통해 이동하게 된다. 위와 같은 원인으로 토양 내에 축적되는 플라스틱입자(PP)는, 일반적으로 폴리에틸렌(PE, 비중: 0.91~0.96, 토양 내 분포: 35~50%), 폴리프로필렌(PP, 비중: 0.85~0.92, 토양 내 분포: 10~30%), 폴리스티렌(PS, 비중: 1.04~1.06, 토양 내 분포: 5~15%), 폴리염화비닐(PVC, 비중: 1.3~1.4, 토양 내 분포: 5~10%), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET, 비중: 약 1.38, 토양 내 분포: 5~10%), 나일론(PA, 비중: 약 1.15, 토양 내 분포: 5% 미만), 고무 및 합성 고무(Rubber, 비중: 1.0 이상, 토양 내 분포: 10~15%) 등으로 분류될 수 있고, 후술하는 바와 같이 본 발명에 의해 분리되어 회수될 수 있다. 제2 투입관(120)은, 분리액(W)의 투입을 허용하며, 분리액(W)과 토양시료(SS)의 순환과정에서 토양시료(SS)에 포함된 플라스틱입자(PP)에 대한 미세버블(MB)의 흡착 내지 부착을 촉진하여 플라스틱입자(PP)의 상방이동을 안내하기 위해 하향으로 길게 형성된 관체형상의 구성요소이다. 이러한 제2 투입관(120)은, 토양시료(SS)와 분리액(W)의 혼합과 순환 상태가 외부에서 용이하게 확인될 수 있도록 투명한 소재로 제작되되, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 상단에는 분리액(W)이 투입되는 상부개구(O2)가 형성되고, 상부개구(O2)로부터 하향으로 연장된 부분에는 상술한 제1 분기관(112) 및 제2 분기관(114)과 각각 연통되는 제1 연결관(122) 및 제2 연결관(124)이 구비될 수 있다. 제1 연결관(122)은, 제2 분기관(114)에서 전달되어 제1 분기관(112)을 통해 하향으로 이동하는 분리액(W)과 토양시료(SS)의 순환이 제2 투입관(120)의 하단으로 이어지도록 하기 위해 마련된 관체형상의 구성요소이다. 이러한 제1 연결관(122)은, 제2 투입관(120)의 상측에서 측방으로 연장형성되어 상술한 제1 분기관(112)과 연통되는 관체라면, 그 형상이나 배치 구조 등은 특별하게 제한되지 않는다. 다만, 본 발명의 실시예에 따른 제1 연결관(122)은, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 제2 투입관(120)을 향해 하향 경사지게 형성될 수 있는데, 이는 제1 분기관(112)을 통해 하향으로 이동하는 분리액(W)과 토양시료(SS)의 순환이 자중에 의해 제2 투입관(120)으로 보다 원활하게 이어지도록 하기 위함이다. 제2 연결관(124)은, 제1 분기관(112)에서 전달되어 제1 연결관(122)과 제2 투입관(120)을 통해 하향으로 이동하는 분리액(W)과 토양시