서 론

유령어업 저감 및 해양생태계 보호를 위해 개발된 생분해 어구는 대게, 꽃게, 참조기 자망 및 붕장어 플라스틱 통발 깔때기를 중심으로 어업 현장에 보급되고 있다. 그동안 생분해 어구 연구는 원료 개발(Park et al., 2023), 어획 성능 평가(Park et al., 2007;Bae et al., 2010;Cha et al., 2011;Bae et al., 2012;An et al., 2013;Kim and Lee, 2014;Kim et al., 2014a;Kim et al., 2014b;Kim et al., 2016;Kim et al., 2018), 경제성 분석(Park et al., 2019;Drakeford et al., 2023), 분해도(Hyun et al., 2021;Kim et al., 2023a;Kim et al., 2023b;Kim et al., 2024) 등에 대해 활발히 수행되었다.

생분해 어구뿐만 아니라 우리나라 연근해에서 사용되고 있는 자망 및 통발 어구들에 대해 최근에는 어구 전주기 관리 체계가 마련되었고, 이에 따라 어구의 생산에서 부터 수거까지 관리하기 위한 어구 생산업ㆍ판매업 신고 제도, 통발 어구를 대상으로 한 어구 보증금 제도 등이 시행되고 있다(Kang et al. 2023). 또한 플라스틱 저감 및 자원 재활용에 대한 전세계적인 관심과 노력에 따라 폐어구도 재활용할 수 있는 방안 마련이 필요시 되고 있다. 국외에서는 폐어구를 재활용하기 위한 방안을 마련하기 위해 국가별 맞춤 연구(Basurko et al., 2023), 폐어구에 대한 재질 속성 연구(Kozioł et al., 2022;Weißbach et al., 2022), 폐어구 재활용 계획 마련 연구(Juan et al., 2021;Schneider et al., 2023;Liotta et al., 2024) 등이 활발히 수행되고 있는 반면, 우리나라에서는 일부 스타트업 기업들에 의해 폐어구를 재활용할 수 있는 기술 개발이 진행되고 있으나 아직까지는 폐어구를 재활용하기 보다는 소각하거나 매립하여 처리하는 경우가 많다. 또한 관련 정책 부재, 재활용을 위한 기반 시설 부족 등 걸림돌도 많이 존재하고 있다. 이렇듯 우리나라에서 어구를 재활용하기에는 아직까지 기술적으로도 정책적으로도 어려움이 많다.

특히 생분해 자망 어구는 Polypropylene (PP) 재질의 뜸줄과 발줄에 힘이 많이 걸리는 부분을 Polyamide(PA) 혹은 Polyethylene(PE) 재질의 연결 그물을 사용하여 어구를 구성하고 있으므로 재활용을 하기 위해서는 뜸줄과 발줄을 분리하고 연결 그물을 제거하는 등 전처리 과정이 필요하다. 하지만 생분해 어구를 재활용하기 위해 뜸줄과 발줄을 분리하거나 염분을 제거하는 등의 세부 과정을 연구하거나 기술을 개발한 사례는 없다. 따라서 본 연구에서는 어업 현장에 보급되고 있는 생분해 어구의 대부분을 차지하는 생분해 자망 어구에서 생분해 이외의 재질을 분리할 수 있는 기술과 사용한 어구에 부착된 염분을 제거할 수 있는 기술을 마련하고자 생분해 자망 폐어구 전처리 장치를 개발하여 재활용 가능성을 높이고자 한다. 또한 전처리 장치를 통해 생분해 재질의 폐그물을 재생칩으로 만들어 재활용 가능성도 파악하여 생분해 자망 폐어구의 재활용 기술을 확보하고자 한다.

재료 및 방법

생분해 자망 폐어구 전처리 장치 설계

생분해 자망 폐어구를 재활용하기 위해서는 생분해 재질인 망지 부분만을 분리 가능한지, 망지에 부착된 염분을 제거 가능한지의 여부가 핵심 기술이다. 본 연구에서는 생분해 자망 폐어구를 재활용하기 위해 그물 견인, 그물 로프 분리, 그물 세척, 그물 건조, 그물 파쇄 등 세부 장치로 구성된 전처리 장치를 설계하였다. 또한 자망 망지는 굵기가 가늘고 얽히는 경우가 많기 때문에 최초 작업 개시 및 일부 얽히는 부분에서는 장치를 사용자가 직접 작동 및 재작업이 병행될 수 있도록 하였고, 장치의 휴대성, 내구성 및 사용자의 안전성을 고려하여 2가지 형태로 설계하였다.

A type 전처리 장치는 Fig. 1과 같이 그물 견인, 그물 로프 분리, 그물 세척, 그물 건조, 그물 파쇄 및 패킹 등 5개의 세부 장치가 하나의 장치로 통합된 형태로 설계하였다. 생분해 자망 폐어구는 완전히 펼친 상태에서 그물 견인부를 통해 본 장치로 들어가면 그물 로프 분리부를 통과하면서 뜸줄, 발줄, 연결 그물이 분리되어 생분해 재질의 망지 부분만 남게 된다. 이후 그물 세척부를 통과하면서 망지에 부착된 염분이 세척되고, 건조부를 통과하면서 세척된 망지가 건조된다. 마지막으로 그물 파쇄부를 통과하면서 일정한 크기로 생분해 재질의 망지가 파쇄되고 이동하기 편리하도록 패킹된다.

B type 전처리 장치는 장치의 휴대성 및 사용자의 안전성을 높이기 위하여 Fig. 2와 같이 그물 견인 및 그물 로프 분리, 그물 세척 및 건조 등 2개로 분리된 형태로 설계하였다. 그물 견인 및 로프 분리 모듈을 통해 생분해 자망 폐어구를 견인함과 동시에 뜸줄과 뜸줄쪽 연결 그물, 발줄과 발줄쪽 연결 그물을 분리한다. 이후 그물 세척 및 건조 모듈에 생분해 재질의 망지를 투입하여 세척하고 건조한다.

생분해 자망 폐어구 전처리 장치 성능 평가

생분해 자망 폐어구 전처리 장치의 성능을 평가하기 위한 시험법이 없기에 본 연구에서는 그물 견인 속도, 최대 견인 장력, 그물 로프 분리율, 염분 제거율, 건조 처리량 등을 통해 전처리 장치의 성능을 평가하였다.

그물 견인 속도를 평가하기 위해 생분해 그물에 부착된 뜸줄에 50 cm 간격으로 측정 위치를 표시하였고, 고속카메라(acA640-750um, Basler, Germany)를 이용하여 그물이 견인되는 동안 표시한 부분의 프레임 수로 견인 속도를 평가하였다. 그물 견인 장력은 견인되는 뜸줄에 장력계(CDES-200, Bongshin, Korea)를 연결하여 그물이 견인되는 동안 발생하는 장력으로 평가하였다. 그물 로프 분리율을 평가하기 위해 생분해 그물에 부착된 뜸 줄, 발줄 중 임의의 위치에 50cm 간격으로 10개의 측정 위치를 표시하였고, 절단되지 않은 그물코 수를 확인하 여 식 (1)과 같이 계산하였다.

여기서, e 는 분리율(%), E₀ 는 단위 길이당 부착된 그물코 수, R 은 그물 로프 분리 후 절단되지 않은 그물코 수이다.

생분해 자망 폐어구에 부착된 염분은 Na, Cl 등 다양한 성분이 포함되어 있으나 염분 제거율에 관한 시험법 부재로 KS M 0180:2009 시험법을 준용하여 세척 전후 Cl 함유량의 변화를 통해 염분 제거율을 평가하였고, 건조 처리량은 온습도계(EM54, FLIR, USA), 전자 저울(H17, AND, Japan)을 이용하여 세척 전 그물의 무게 및 습도와 세척 후 20분 동안 건조된 그물의 무게 및 습도를 통해 평가하였다.

재생칩 제조 장치 설계

생분해 자망 폐어구 전처리 장치를 통해 세척 및 건조된 그물을 재생칩으로 생산하기 위하여 Fig. 3과 같이 장치 프레임, 실린더형 압출기, 노즐 스크류, 냉각수조, 커팅용 유압 유닛 및 모터로 구성된 재생칩 제조 장치를 설계하였다. 이 장치에서 실린더형 압출기의 압출 온도는 170℃, 노즐의 직경은 4 mm, 냉각수의 온도는 20℃ 로 설정하였다.

재생칩 제조 장치 성능 평가

재생칩 제조 장치의 성능은 재생칩의 크기 및 색상 균일도를 통해 평가하였다. 이를 위해 충남 태안 연안에서 사용한 그물실 굵기 0.284 mm, 그물코 크기 150 mm, 가로 2,000코, 세로 13코 규격의 생분해 꽃게 자망 폐어구 5폭으로 생산한 재생칩을 사용하였다. 재생칩 크기는 생산된 재생칩의 형상을 3차원으로 스캐닝하여 균일도를 평가하였고, 재생칩의 색상은 흡광도 측정 장치(UV-2600, Shimadzu, Japan) 장치를 이용하여 400~800 nm 파장 영역에서 흡광도 측정을 통해 균일도를 평가하였다.

생분해 자망 폐어구로 제조한 재생칩의 재활용 가능성 평가

생분해 어구는 생산 후 UV, 온도, 습도, 미생물 등에 의해 분해가 시작되며, 어구를 구성하는 그물실의 굵기, 어구 규격, 사용 및 보관 조건에 따라 분해 정도의 차이가 있다. 따라서 사용 1∼2년 후 어구로써의 기능을 상실한 생분해 대게, 꽃게, 참조기 자망 등 폐어구로 생산된 재생칩을 사출용품에 적용하기에 앞서 물성 시험을 진행하였다. 생분해 어구용 PBS(Polybutylene succinate) 수지와 재생칩을 일정 비율로 혼합하여 Fig. 4와 같이 2가지 형태의 시편으로 사출하였고, 충격강도, 굴곡강도, 굴곡 탄성도, 인장강도, 신장률, 무게, 분자량, 용융 흐름지수 등을 통해 재생칩 혼합 비율에 따른 물성 변화를 분석하였다. 또한 재생칩의 혼합 비율에 따른 물성 변화 자료를 기초로 길이 180∼210 mm, 중간테 직경 70 mm, 통수공 직경 7 mm 규격의 붕장어 플라스틱 통발 깔때기를 사출하였고, 깔때기 두께, 파단강도, 신장률, 무게, 융점 등을 분석하여 ^「친환경(생분해) 어구 보급사업_」 별표 1. 생분해 어구 검사 규정을 만족하는지 여부를 평가하였다.

결과 및 고찰

생분해 자망 폐어구 전처리 장치 성능

A type 전처리 장치는 생분해 자망 폐어구의 뜸, 침자의 통과가 용이하여야 원활한 견인이 이루어질 수 있으므로, 상부에 부착된 고무 롤러가 하부에 부착된 롤러를 둘러싸서 미끌리거나 헛돌지 않고 그물이 견인될 수 있도록 하였다. 또한 그물 견인 시작 단계에서 절단 과정에 이르기까지 꼬임이 발생하지 않고 일정한 간격을 유지하면서 견인될 수 있도록 2열로 배치하였다. B type 전 처리 장치는 사용자의 휴대성 및 안정성 확보 등의 요구 사항을 반영하여 그물 견인 및 그물 로프 분리 장치, 그물 세척 및 건조 장치로 모듈화한 형태로 제작하였다. 따라서 그물 견인 및 그물 로프 분리 장치는 통합형인 A type 장치의 약 1/6 크기로 제작되어 협소한 공간에서도 설치 및 사용이 가능하다는 장점을 가지고 있다. 또한 2대의 장치를 분리 및 결합이 가능한 형태로 제작하였다. 로프 분리 장치는 탈착이 가능하도록 하여 휴대성을 높였고, 절단 칼날 및 로프 견인 시 안전성을 확보하고 그물이 자연스럽게 견인이 될 수 있도록 곡선 형태의 커팅 가이드를 부착하여 내구성을 개선하였다.

한국생산기술연구원에 의뢰하여 그물 견인 속도, 최대 견인 장력, 그물 로프 분리율에 대한 성능을 평가한 결과, 그물 견인 속도는 A type 장치가 14.1 cm/s, B type 장치가 20.0 cm/s로 나타나 B type 장치의 성능이 A type 장치에 비해 약 1.4배 우수하였다. 그물 로프 분리율은 A type, B type 장치 모두 100%로 나타났다. 그물 최대 견인 장력은 A type 장치가 45.0 kgf, B type 장치가 3.6 kgf로 나타나 B type 장치는 A type 장치에 비해 1/8 수준의 장력으로도 충분히 그물을 견인 할 수 있었다(Table 1). 한국화학융합시험연구원에 의뢰하여 그물 세척 전후의 Cl 함유량 변화를 통해 염분 제거율을 분석한 결과, 세척 전 생분해 자망 폐어구의 Cl 함유량인 680 mg/kg에 비해 A type 장치로 세척한 후 Cl 함유량은 48.2% 감소하였고, B type 장치로 세척한 후 Cl 함유량 은 54.1% 감소하였다(Table 1).

한국생산기술연구원에 의뢰하여 건조 처리량을 분석한 결과, A type 장치가 14.1 cm/s, B type 장치가 12.5 cm/s로 나타나 A type 장치의 성능이 B type 장치에 비해 약 1.1배 우수하였다(Table 1). A type 장치는 링블로워를 이용한 에어 송풍 기능을 사용하였고 B type 장치는 열풍 건조 기능을 사용하기에 건조 처리량을 단순히 비교하는 것에는 어려움이 있으나 B type 장치는 열풍 온도 조절을 통해 건조 처리량을 높을 수 있을 것으로 판단된다.

재생칩 제조 장치 성능

재생칩 제조 장치를 통해 생산된 생분해 자망 폐어구의 재생칩은 압출기의 온도 및 압력, 재생실 절단 등 세부 공정에 따라 크기가 크게 나타났다. 특히 재생실 절단 속도의 불균일로 인해 2.155±0.10 mm, 2.568±0.07 mm, 3.916±0.08 mm 등으로 채생칩 크기가 다르게 생산되는 문제점도 있었다. 따라서 본 연구에서는 압출시 온도를 170℃, 냉각수의 온도를 20℃로 한 최적의 생산 세부 공정을 도출하여 성능 평가를 수행하였다.

한국생산기술연구원에 의뢰하여 3D 스캔을 통해 측정한 재생칩의 크기 균일도를 분석한 결과, 재생칩의 크기가 6.15±0.15 mm로 오차 범위 내에서 재생칩이 균일하게 생산되었고, 재생실 절단 속도도 균일하게 유지되는 것으로 나타났다. 동아대학교 유기재료고분자공학과에 의뢰하여 재생칩의 색상 균일도를 분석한 결과, 400∼800 nm의 가시광선 파장 영역에서 측정한 재생칩의 흡광도는 전체적인 경향에서 차이를 보이지 않았고, 특정한 파장들에서의 흡광도 차이가 거의 나타나지 않아 색상이 균일하게 생산되었음을 알 수 있었다.

생분해 자망 폐어구로 제조한 재생칩의 재활용 가능성

재생칩 제조장치를 통해 생산된 재생칩과 기존 생분해 어구용 PBS 수지를 혼합하여 그 비율에 따른 물성을 분석한 결과, 재생칩의 혼합 비율이 높아질수록 인장강도와 신장율은 감소하는 경향을 보였고, 용융흐름지수는 증가하는 경향을 보였다(Table 2).

재생칩의 혼합 비율에 따른 물성 변화 자료를 기초로 전체 길이 180∼210 mm, 중간테 직경 70 mm, 통수공 직경 7 mm 규격의 붕장어 플라스틱 통발 깔때기로 사출 하여 성능을 분석한 결과, 재생칩과 PBS 수지를 5:5 비율로 혼합한 경우 ^「친환경(생분해) 어구 보급사업_」 별표 1. 생분해 어구 검사 규정에 만족하는 성능을 나타내었다(Table 3). 따라서 추후에 재생칩의 혼합 비율에 따른 경제성 분석이 수행된다면 생분해 붕장어 플라스틱 통발 깔때기의 원가 절감도 가져올 수 있을 것으로 기대된다.

결 론

우리나라에서 세계 최초로 개발한 생분해 어구는 그 동안 보급 활성화 및 성능 개선에 중점을 두고 연구 및 정책이 마련되어 대게, 꽃게, 참조기 자망 및 붕장어 플라스틱 통발 깔때기를 중심으로 어업 현장에 보급되고 있다. 최근에는 어구 전주기 관리, 플라스틱 재활용 등에 관심이 높아지고 있어 어구의 재활용에 대한 필요성도 제기되고 있다. 특히 생분해 어구는 유령어업 저감 및 해양생태계 보호에 선제적으로 대응할 수 있다는 장점은 있으나 사용한 폐어구는 기존의 PA 재질의 어구와 동일하게 소각하거나 매립하는 방식으로 처리되고 있기에, 친환경 어구라는 인식을 높이기 위해 재활용에 대한 필요성이 더욱더 요구되고 있다. 따라서 본 연구에서는 생분해 어구 중 사용량이 가장 많은 자망 폐어구를 재활용하기 위한 전처리 장치를 개발하고, 붕장어 플라스틱 통발 깔때기로 재활용 가능성도 평가하였다. 그 결과, 본 연구에서 개발한 B type 전처리 장치는 대한민국 특허로도 등록(등록 번호 : 10-2079286)되었다. 생분해 어구를 사용하는 것도 중요하지만 생분해 폐어구를 재활용하기 위해서는 사용한 생분해 어구의 수거도 꼭 필요하다. 이를 위해서는 사용한 생분해 어구를 기존 나일론 어구와 분리하여 수거해야한다는 인식도 갖춰져야 한다. 또한 어업인들이 자발적으로 생분해 폐어구를 수거하여 유실률과 회수율을 관리할 수 있도록 생분해 폐어구 전용 수거장 설치, 어구 보증금 및 관리 제도 마련 등 정부와 지자체의 제도적 뒷받침과 홍보가 병행된다면, 본 연구를 통해 개발된 생분해 자망 폐어구 전처리 장치의 활용도가 더욱 높아질 수 있을 것으로 기대된다. 그리고 개발된 전처리 장치를 어업 현장에 보급하기 위한 추가적인 성능 개선 연구, 열분해 방식을 통해 생분해 재질을 분리하는 연구, 생분해 어구의 모든 재료를 생분해 재질로 변경하는 연구, 생분해 재생칩을 활용한 제품 개발 등이 추가적으로 수행된다면 생분해 어구의 재활용 가능성을 더욱 높일 수 있을 것으로 판단된다.