[논문]시멘트 제조에 사용되는 선별된 폐플라스틱 폐기물류 원료로서의 기초 특성 평가

한종민; 강봉희; 박재용; 이정욱; 김남규

doi:10.7844/kirr.2020.29.6.88

시멘트 제조에 사용되는 선별된 폐플라스틱 폐기물류 원료로서의 기초 특성 평가
The Foundation Performance of Selected Waste Plastic Wastes Used in Cement Manufacturing 원문보기

資源리싸이클링 = Journal of the Korean Institute of Resources Recycling, v.29 no.6, 2020년, pp.88 - 97

한종민 (한국건설생활환경시험연구원) , 강봉희 (아세아시멘트 기술연구소) , 박재용 (한국건설생활환경시험연구원) , 이정욱 (한국건설생활환경시험연구원) , 김남규 (한국건설생활환경시험연구원)

초록
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본 연구는 시멘트 소성 공정에 사용되는 선별된 폐플라스틱 페기물류를 선별 및 파분쇄 공정을 거쳐 2종으로 분류하여 그에 따른 각각의 특성을 분석하고, 이를 기반으로 시멘트 소성 후의 강도에 대한 상관관계를 분석한 연구이다. 실험 변수로는 연질과 경질 폐플라스틱 폐기물로 분류하였으며 그에 따른 발열량, 염소, 수분 등의 상관관계를 분석하였다. 또한 각 폐기물 중 일부를 채택하여 용융시킨 후 조직 및 발열량을 분석하여 기초 특성을 평가하였다. 실험 결과 시멘트 소성에 사용되기 위해서는 연질 폐플라스틱 폐기물류 분리시키고 그 중 유사한 특성을 갖는 소재로 소성하는 것이 열원을 얻기에 적합한 것으로 평가되었다. 시멘트 소성 후의 강도별로 폐기물류에 대해 검토한 결과 경질 플라스틱류의 사용은 1일 및 28일 압축강도에 크게 기여하며, 연질 플라스틱류의 사용은 28일 압축강도에 기여하는 것으로 분석되었다. 그러나 이런 특성들은 폐기물을 일부만 채취하여 평가한 것으로 폐기물의 편차가 발생하기에 지속적인 관리가 필요하며 폐기물의 사용에 따른 환경적 문제에 대한 후속 연구가 요구된다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, the selected waste plastic waste logistics used for cement sintering were classified into two types through the process of sorting and crushing, analyzing the characteristics of each, and analyzing the correlation of the strength after cement manufacturing. The experimental variables were classified into soft and hard waste plastic waste, and the correlations between calorific value, chlorine, and moisture were analyzed. In addition, some of each waste was selected and melted, and the basic characteristics were evaluated by analyzing the structure and calorific value. The results of the experiment showed that it was evaluated that it is suitable to obtain a heat source by separating soft waste plastic wastes and sintering them with materials having similar properties. As a result of examining the wastes by strength after cement manufacturing, it was analyzed that the use of hard plastics greatly contributes to the compressive strength on the 1st and 28th, and the use of soft plastics contributes to the compressive strength on the 28th. However, these characteristics are evaluated by collecting only a part of the waste, and since the deviation of the waste occurs, continuous management is required, and a follow-up study on the environmental problems caused by the use of waste is required.

주제어

표/그림 (23)

그림 Fig. 1. Shape of waste plastic.
그림 Fig. 2. Automatic calorimeter.
그림 Fig. 3. The calorific value analysis procedure.
표 Table 1. The experimental plan
그림 Fig. 4. DSC (Differential scanning calorimetry).
그림 Fig. 5. DSC of samples.
그림 Fig. 6. Arrangement process.
그림 Fig. 7. Sample photos by fuel type (x 100).
그림 Fig 8. FT-IR (Fourier-transform infrared spectroscopy).
그림 Fig. 9. XT H 225_Micro Computed Tomography (CT).
그림 Fig. 10. Test result of DSC.
표 Table 2. Caloric value by fuel type
그림 Fig 11. A matrix of scatter plots of chlorine, calories, and moisture in soft plastic waste by the waste supplier.
그림 Fig 12. Results of regression analysis between moisture and calorific value of soft plastic waste.
그림 Fig 13. Box diagram of chlorine, calories and moisture in soft plastic waste.
그림 Fig. 14. Box diagram of chlorine, calories, and moisture in soft plastic waste by waste importer.
그림 Fig. 15. A matrix of scatter plots of chlorine, calories, and moisture in hard plastic waste by the waste supplier.
그림 Fig. 16. Results of regression analysis between moisture and calorific value of hard plastic waste.
그림 Fig. 17. Box diagram of chlorine, calories and moisture content in hard plastic waste.
그림 Fig. 18. Box diagram of chlorine, calories, and moisture in hard plastic waste by waste importer.
그림 Fig. 19. FT-IR test result (Vinyl-M).
그림 Fig. 20. Structure analysis before and after molding.
그림 Fig. 21. Correlation between compressive strength of cement and wastes.

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 생활 폐기물을 사용한 시멘트 소성 중 폐기물의 성상에 대해 2종으로 분류하고 이를 사용할 때 발열량, 염소, 수분에 대해 검토하였으며, 이를 기반으로 생활 폐기물을 처리 방법 중 하나인 시멘트 소성의 원료로 사용할 수 있는지를 검토한 것이다. 특히 시멘트 소성 후 품질 관리 항목으로 강도에 대한 상관 관계를 분석하여 시멘트 제품에 영향을 주지 않는 범위에서의 생활 폐기물을 사용이 가능한 것에 대한 기초 자료로 제시하고 한 것이다.
폐기물에 대한 수분이 많을 경우에는 발열에 영향을 미칠 수 있으며 특히 소성 온도를 저하하기 때문에 천연 연료를 사용을 증가시키는 요소가 될 것으로 예측되어 수분에 대한 검토를 실시하였다. 염소는 시멘트 제조 후 시멘트의 품질에 대한 팽창, 균열 등을 발생시킬 수 있고 폐기물이 생활 폐기물로 음식 등을 보관하던 폐기물도 존재하기에 이에 대한 분석을 실시하였다. 또한 폐플라스틱의 종류에 대한 시멘트를 생산하여 시멘트의 강도에 미치는 영향도 검토하였다.
또한 폐플라스틱의 종류에 대한 시멘트를 생산하여 시멘트의 강도에 미치는 영향도 검토하였다. 이런 영향에 대해 검토하는 것은 추후 폐기물을 소성 원료로 사용할 경우 시멘트의 품질에 영향을 줄 수 있기에 시멘트의 강도에 대해 검토하고 추후에는 클링커 광물에 미치는 요인에 대한 분석하는 것으로 한다. 이상의 내용을 기반으로 생활 폐기물을 시멘트 소성에 사용될 수 있는 연료로서의 기초 연구자료로 제시하고자 한다.
이런 영향에 대해 검토하는 것은 추후 폐기물을 소성 원료로 사용할 경우 시멘트의 품질에 영향을 줄 수 있기에 시멘트의 강도에 대해 검토하고 추후에는 클링커 광물에 미치는 요인에 대한 분석하는 것으로 한다. 이상의 내용을 기반으로 생활 폐기물을 시멘트 소성에 사용될 수 있는 연료로서의 기초 연구자료로 제시하고자 한다.
이에 본 연구에서는 시멘트 소성에 사용되는 생활 폐기물 중 폐플라스틱 폐기물을 시멘트 소성에 맞게 비중별로 분류하여 각각에 대한 발열 및 염소, 열량, 수분 등을 검토하는 것으로 하였다. 폐기물에 대한 수분이 많을 경우에는 발열에 영향을 미칠 수 있으며 특히 소성 온도를 저하하기 때문에 천연 연료를 사용을 증가시키는 요소가 될 것으로 예측되어 수분에 대한 검토를 실시하였다.
경질의 경우 시멘트 광물 중 초기와 장기에 영향을 주는 C3A, C₂S에 영향을 준 것으로 보이며 연질의 경우에는 C3S에 영향을 준 것으로 판단된다. 이에 추후 각각의 폐기물만을 사용한 후의 클링커 광물에 대한 분석을 실시하는 것으로 하고자 한다.
수 있는지를 검토한 것이다. 특히 시멘트 소성 후 품질 관리 항목으로 강도에 대한 상관 관계를 분석하여 시멘트 제품에 영향을 주지 않는 범위에서의 생활 폐기물을 사용이 가능한 것에 대한 기초 자료로 제시하고 한 것이다. 본 연구의 실험결과를 토대로 얻어진 결론은 아래와 같다.

제안 방법

수분함량 시험은 건조감량 등 열중량 분석 접근법으로 수분함량을 측정하였다. 각 시험 결과를 기반으로 연질 플라스틱류 압출 성형하여 발열량의 변화를 측정하고 그에 따른 조직 및 분광 분석을 실시하여 적합성을 검토하였다. Fig.
또한 연질 플라스틱류 폐기물과 경질 플라스틱류 폐기물을 수거하여 염소(ppm), 발열량(kcal/kg), 수분(%)에 대해 분석하였다. 염소함량 시험은 시료 속 염소이온을 전위차측정기를 이용하여 질산은용액으로 측정하는 방법을 사용했으며 발열량 시험은 생활폐기물의 열효율 평가를 통한 활용가능성 분석을 위해 환경부고시 제 2014-135호 (고형연료제품 품질 시험·분석방법에 따라 시험을 수행하였다.
염소는 시멘트 제조 후 시멘트의 품질에 대한 팽창, 균열 등을 발생시킬 수 있고 폐기물이 생활 폐기물로 음식 등을 보관하던 폐기물도 존재하기에 이에 대한 분석을 실시하였다. 또한 폐플라스틱의 종류에 대한 시멘트를 생산하여 시멘트의 강도에 미치는 영향도 검토하였다. 이런 영향에 대해 검토하는 것은 추후 폐기물을 소성 원료로 사용할 경우 시멘트의 품질에 영향을 줄 수 있기에 시멘트의 강도에 대해 검토하고 추후에는 클링커 광물에 미치는 요인에 대한 분석하는 것으로 한다.
20은 압출성형 전후의 내부적인 영향을 분석하기 위해 Micro-CT 촬영으로 내부 구조를 분석하였다. 시험은 샘플의 상단층, 중간층, 하단층으로 나누어 3부분을 촬영하였다. 분석 결과 미세 공극이 유사하게 나타나는 것으로 원소재에 따라 조직에는 미세 공극이 있는 것으로 나타났다.
것으로 하였다. 폐기물에 대한 수분이 많을 경우에는 발열에 영향을 미칠 수 있으며 특히 소성 온도를 저하하기 때문에 천연 연료를 사용을 증가시키는 요소가 될 것으로 예측되어 수분에 대한 검토를 실시하였다. 염소는 시멘트 제조 후 시멘트의 품질에 대한 팽창, 균열 등을 발생시킬 수 있고 폐기물이 생활 폐기물로 음식 등을 보관하던 폐기물도 존재하기에 이에 대한 분석을 실시하였다.
폐플라스틱 폐기물류의 연질과 경질로 분류하며 각각의 성상별에 따른 발열량과 열적 거동, 염소, 발열량, 수분 분석 등을 분석하였으며 그 중 일부의 분광 분석 및 조직을 분석하였다. 이상의 실험계획은 Table 1과 같다.

대상 데이터

또한 열적거동 분석은 Fig. 4의 시차주사열량계(Heat flux type DSC)를 사용하며, DSC 측정에 사용된 샘플은 Fig. 5와 같이 각각의 폐플라스틱을 용융한 샘플과 용융 및 압출성형을 한 샘플로 구분하였으며, 측정 대상 샘플을 밀폐하여 DSC 샘플을 제작하고 DSC 측정에 필요한 샘플을 준비하였다. DSC의 샘플배치 과정이며 총 3개의 캡으로 되어있으며 가장 안쪽에는 샘플 2개를 넣을 공간이 존재한다.
5g/cm3의 크기 30mm 이하를 갖는 것을 의미 하며 경질 플라스틱 폐기물류는 크기 50mm 이하의 크기 로 불연소 회분이 10wt%이하를 의미한다10). 본 시험에서 사용된 샘플은 재활용 업체에서 받은 샘플의 원재료인 연 질, 경질 폐플라스틱과 용융과정을 거친 연질 경질 폐플 라스틱을 활용하여 시험에 필요한 샘플을 확보하였다.
일반적으로 PE, PP는 범용플라스틱 중 하나로 압출, 사출, 블로우 등 가공성이 용이한 소재이므로 활용도가 높아 시험 재료로 선택하였다. 본 시험에서는 5가지 샘플들을 활용하여 각 시험을 수행하였다.

이론/모형

염소함량 시험은 시료 속 염소이온을 전위차측정기를 이용하여 질산은용액으로 측정하는 방법을 사용했으며 발열량 시험은 생활폐기물의 열효율 평가를 통한 활용가능성 분석을 위해 환경부고시 제 2014-135호 (고형연료제품 품질 시험·분석방법에 따라 시험을 수행하였다. 수분함량 시험은 건조감량 등 열중량 분석 접근법으로 수분함량을 측정하였다. 각 시험 결과를 기반으로 연질 플라스틱류 압출 성형하여 발열량의 변화를 측정하고 그에 따른 조직 및 분광 분석을 실시하여 적합성을 검토하였다.
분석하였다. 염소함량 시험은 시료 속 염소이온을 전위차측정기를 이용하여 질산은용액으로 측정하는 방법을 사용했으며 발열량 시험은 생활폐기물의 열효율 평가를 통한 활용가능성 분석을 위해 환경부고시 제 2014-135호 (고형연료제품 품질 시험·분석방법에 따라 시험을 수행하였다. 수분함량 시험은 건조감량 등 열중량 분석 접근법으로 수분함량을 측정하였다.

성능/효과

1) 폐기물류의 발열량은 폐비닐인 PE 소재의 경우 용융 전, 후 모두 10, 000kcal/kg 이상의 값을 나타내어 PP 시료보다 높은 값을 나타냈고 용융 후 시료에서 다소 높은 경향을 보인다. 이런 발열량 결과를 이용하여 PE 가 주로 이루어질 경우 소성의 천연 연료를 사용량을 저감할 것으로 보인다.
2) 폐기물 중 폐PP만을 사용할 경우 소재의 가공온도는 163℃ 이상으로 열을 가해야 가공이 가능하다. 일반적으로 폐기물류의 구성 원료가 유사한 것으로 확인될 경우 안정적으로 열을 발현하는 것으로 나타났다.
3) 연질 플라스틱류 폐기물은 염소의 경우 평균 6, 584ppm, 표준편차 23, 613, 변동계수 358.66으로 시료에 따라 염소 함량의 변동폭이 매우 큰 것으로 분석되었다. 열량은 평균 6, 584kcal/kg, 표준편차 913kcal/kg, 변동계수 13.
4) 경질 플라스틱류 폐기물은 염소의 경우 평균 6, 245ppm, 표준편차 7, 841, 변동계수 125.55로 연질 플라스틱류 폐기물에 비해서는 편차의 폭이 작지만, 일반적인 연료에 비해서는 염소함량의 변동폭이 큰 것으로 분석되었다. 발열량은 평균 4, 486kcal/kg, 표준편차 1009kcal/kg, 변동계수 22.
5) 연질 플라스틱류 폐기물의 열효율을 높이기 위한 용융 전후의 상태에 대해 분석한 결과 미세 공극이 유사하게 나타나는 것으로 원소재에 따라 조직에는 미세 공극이 있을 것으로 판단되었다. 또한 열효율을 높이기 위해 몰드 성형을 할 경우 큰 공극이 생성될 수 있기에 기존 연질 폐플라스틱 폐기물류로 투입하는 것이 적절한 것으로 판단된다.
6) 폐기물을 시멘트 소성의 원료로 사용한 경우 시멘트에 대한 강도에 영향을 준 폐기물을 분석한 결과 경질 플라스틱류의 사용은 1일 및 28일 압축강도에 기여하였으며 연질 플라스틱류의 사용은 28일 압축강도에 기여하는 것으로 분석되었다. 이는 경질은 클링커 광물 중 C3A에 주요 영향을 준 것으로 예측되며 연질의 경우 C3S에 영향을 준 것으로 판단된다.
DSC 시험은 폐PP만을 사용하여 샘플을 제작하였고 제작된 샘플의 결과 LLDPE(합성수지), PP 용융 Peak가 관찰되었으며 원료 육안 관찰 결과 분리되지 않은 다른 색상의 이물질은 확인되지 않았다. Fig.
것으로 판단되었다. 또한 열효율을 높이기 위해 몰드 성형을 할 경우 큰 공극이 생성될 수 있기에 기존 연질 폐플라스틱 폐기물류로 투입하는 것이 적절한 것으로 판단된다.
55로 연질 플라스틱류 폐기물에 비해서는 편차의 폭이 작지만, 일반적인 천연연료에 대해서는 염소함량의 변동폭이 큰 것으로 분석되었다. 발열량은 평균 4, 486kcal/kg, 표준편차 1009 kcal/kg, 변동계수 22.51로 연질 플라스틱류 폐기물에 비해 발열량(평균 6, 584.9kcal/kg)도 낮고 변동 폭(변동계수 13.87)도 컸는데, 이는 수분 분석결과(평균 16.8%, 표준편차 6.752&, 변동계수 40.30) 연질 플라스틱(평균 3.0%)에 비해 많은 양의 수분이 함유되어 있기 때문으로 판단된다. 분석 결과를 종합하면 시멘트 연료로 경질 플라스틱류를 사용할 경우 염소함량의 편차로 인해 공정 및 품질에 영향을 미칠 우려가 있으며, 연질 플라스틱류 폐기물에 비해 수분 함량이 높기 때문에 기대되는 발열량도 낮아 상대적으로 효율이 낮다.
55로 연질 플라스틱류 폐기물에 비해서는 편차의 폭이 작지만, 일반적인 천연연료에 대해서는 염소함량의 변동폭이 큰 것으로 분석되었다. 발열량은 평균 4, 486kcal/kg, 표준편차 1009 kcal/kg, 변동계수 22.51로 연질 플라스틱류 폐기물에 비해 발열량(평균 6, 584.9kcal/kg)도 낮고 변동 폭(변동계수 13.87)도 컸는데, 이는 수분 분석결과(평균 16.8%, 표준편차 6.752&, 변동계수 40.30) 연질 플라스틱(평균 3.0%)에 비해 많은 양의 수분이 함유되어 있기 때문으로 판단된다. 분석 결과를 종합하면 시멘트 연료로 경질 플라스틱류를 사용할 경우 염소함량의 편차로 인해 공정 및 품질에 영향을 미칠 우려가 있으며, 연질 플라스틱류 폐기물에 비해 수분 함량이 높기 때문에 기대되는 발열량도 낮아 상대적으로 효율이 낮다.
본 실험의 시멘트 제조 공정에 사용되는 생활 폐기물 중 폐플라스틱 폐기물류는 선별된 폐플라스틱과 비선별 된 폐플라스틱으로 구별할 수 있으며 주로 선별과정을 거 쳐서 활용하게 되고 비선별의 경우 폐기물은 대형, 고중 량 이물질이 혼입되어있어 활용도가 많이 감소된다. 또한 연질 플라스틱과 경질 플라스틱으로 구분하며 시멘트 제 조에 사용되는 폐플라스틱은 다양한 크기와 형태를 갖고 특히 재활용 업체에서 선정된 것이 사용되고 있다.
시험은 샘플의 상단층, 중간층, 하단층으로 나누어 3부분을 촬영하였다. 분석 결과 미세 공극이 유사하게 나타나는 것으로 원소재에 따라 조직에는 미세 공극이 있는 것으로 나타났다. 미세 공극이 많을 경우 미세한 구멍들로 인해 표면적이 증가하여 열효율이 증가 하게 되며 열효율을 높이기 위해 몰드 성형을 할 경우 큰 공극이 생성될 수 있기에 기존 연질 폐플라스틱 폐기물류로 투입하는 것이 적절한 것으로 판단된다.
0%)에 비해 많은 양의 수분이 함유되어 있기 때문으로 판단된다. 분석 결과를 종합하면 시멘트 연료로 경질 플라스틱류를 사용할 경우 염소함량의 편차로 인해 공정 및 품질에 영향을 미칠 우려가 있으며, 연질 플라스틱류 폐기물에 비해 수분 함량이 높기 때문에 기대되는 발열량도 낮아 상대적으로 효율이 낮다.
03으로 분석되었다. 분석 결과를 종합하면 시멘트 연료로 연질 플라스틱류를 사용할 경우 염소함량의 편차로 인해 공정 및 품질에 영향을 미칠 우려가 있으며, 발열량 및 수분은 비교적 일정해 공정 및 품질에 미치는 영향이 크지 않을 것으로 판단된다.
66으로 시료에 따라 염소함량의 변동폭이 매우 큰 것으로 분석되었다. 열량은 평균 6, 584kcal/kg, 표준편차 913kcal/kg, 변동계수 13.84로, 수분은 평균 3.04%, 표준편차 2.16%, 변동계수 71.03으로 분석되었다. 분석 결과를 종합하면 시멘트 연료로 연질 플라스틱류를 사용할 경우 염소함량의 편차로 인해 공정 및 품질에 영향을 미칠 우려가 있으며, 발열량 및 수분은 비교적 일정해 공정 및 품질에 미치는 영향이 크지 않을 것으로 판단된다.
17은 경질 플라스틱류 폐기물 중 종류별 시료 293 개에 대해 염소, 발열량, 수분 분석결과를 Box plot으로 나타낸 것이다. 전체적으로 염소의 경우 평균 6, 245ppm, 표준편차 7, 841, 변동계수 125.55로 연질 플라스틱류 폐기물에 비해서는 편차의 폭이 작지만, 일반적인 천연연료에 대해서는 염소함량의 변동폭이 큰 것으로 분석되었다. 발열량은 평균 4, 486kcal/kg, 표준편차 1009 kcal/kg, 변동계수 22.
13은 연질 플라스틱류 폐기물 중 염소, 발열량, 수분 분석결과를 Box plot으로 나타낸 것이다. 전체적으로 염소의 경우 평균 6, 584ppm, 표준편차 23, 613, 변동계수 358.66으로 시료에 따라 염소함량의 변동폭이 매우 큰 것으로 분석되었다. 열량은 평균 6, 584kcal/kg, 표준편차 913kcal/kg, 변동계수 13.

후속연구

10과 같이 시험은 3번 수행하였으며 시험결과 163℃에서 마지막 반응이 있었으므로 해당 소재를 가공하기 위한 가공온도는 163℃ 이상으로 열을 가해야 가공을 할 수 있는 것으로 나타났다. 대체적으로 원료의 구성 원료가 유사한 것으로 확인되어 제품 원료로 활용 시 안정적인 원료 공급이 가능할 것으로 판단된다.
이후에는 두 폐기물류를 혼합하여 시멘트 소성의 연료, 이산화탄소 발생 등에 대한 추가적인 연구와 폐기물의 성상에 대해 다각도로서 검토할 연구가 필요하다.

참고문헌 (10)

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Journal of the Korean Institute of Resources Recycling, 2018 : Life Cycle Assessment(LCA) of Rubber Recycling Process in Waste Tire, 27(1), pp.74-83.
Germanov, Elitza S., Andrea D. Marshall, Lars Bejder, et al., 2018 : Microplastics: No Small Problem for FilterFeeding Megafauna, Trends in Ecology & Evolution, 33(4), pp.227-232. doi: 10.1016/j.tree.2018.01.005.

상세보기
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상세보기
Yong Choi, Hyeong-Jin Choi, Seung-Whee Rhee, 2018 : Perspective on Recycling of Plastic Waste in Korea(Republic of), The 13th International Conference on Waste Management and Technology, Beijing, Tsinghua University, 2018. 3, pp.175-201.
Susan A. Thorneloe, Keith A. Weitz, Jenna Jambeck, 2005 : Moving from solid waste disposal to materials management in the united states. For presentation at the tenth International Waste Management and Landfill Symposium in Cagliari, pp.1-11.
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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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