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해당 시스템은 암모니아를 환원제로 사용한 촉매를 통해 질소 산화물을 인체에 무해한 질소로 전환시키는 기술이다. 티타늄 산화물(TiO2)에 소량의 바나듐 산화물(V2O5)을 담지한 형태의 금속 산화물 촉매가 가장 많이 사용된다.
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맑은 하늘을 되찾을 수 있는 방법은?
작은 기술의 차이 하나가 세상을 바꿉니다.
“저비용 광촉매를 활용한 미세먼지 저감 건설기술 개발\”
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미세먼지 저감 기술 동향
치 창출형 ICT 기술발굴 및 기획 연구]. 미세먼지 저감 기술 동향. Technology Trend for Particle Matter Reduction. 이재호 (J.H. Lee, [email protected]).
Source: ettrends.etri.re.kr
Date Published: 7/4/2021
View: 5285
사업장 미세먼지 저감기술 현황 – Korea Science
40 공기청정기술 Air Cleaning Technology. 사업장 미세먼지 저감기술 현황. 한 방 우 | 한국기계연구원. 책임연구원. E-Mail : [email protected].
Source: www.koreascience.or.kr
Date Published: 2/2/2022
View: 905
[보고서]미세먼지 측정 및 저감 기술 개발 동향 – ScienceON
본 보고서에서는 미세먼지 센서 기술 및 저감 신기술에 대해서 보다 자세히 살펴보고자 한다. 2. 미세먼지 측정 기술 미세먼지(Particulate Matter 10)는 입자의 직경 …
Source: scienceon.kisti.re.kr
Date Published: 3/17/2022
View: 6218
산업공정 맞춤형 미세먼지 저감기술
1한국생산기술연구원 산업미세먼지저감기술센터 … 산화촉매 시스템 개발, 6세부 다종 연료 맞춤형 오염저감 연소기술 개발, 7세부 다중분석을 통한 오염.
Source: www.cheric.org
Date Published: 11/26/2021
View: 3958
[과학의 달인] 친환경 기계 기술로 ‘미세먼지 제로’ 도전
배기가스를 저감시키는 기술 중에 가장 간단한 방법이 바로 물을 뿌려서 오염 물질을 녹이는 방식인데요. 물에 잘 녹는 황산화물(SOx)은 이 방식으로 제거 …
Source: m.science.ytn.co.kr
Date Published: 4/3/2021
View: 4331
[스토리] 미세먼지 저감을 위한 각국의 노력과 다양한 기술 2부
경유차 운행 제한 등 규제 정책과 함께 기술적인 미세먼지 농도 저감 대책도 마련되어야 미세먼지 대책의 실효성은 배가 되기 때문입니다. 이에 과학기술 …
Source: blog.naver.com
Date Published: 6/10/2021
View: 7007
미세먼지 처리기법 원리 및 기술 개발 동향
미세먼지 저감 기술 개발 동향. 1. 극미세 마이크로 탄소섬유를 이용한 습식 공기정화 기술. 필터 없이 물과 정전기만으로 초미세먼지(PM2.5)를 제거할 수 있는 기술로 …
Source: library.krihs.re.kr
Date Published: 8/17/2021
View: 9766
미세먼지 저감기술로, 도심 속 청정 도로환경 만든다 – 공학저널
이에 미세먼지 파트에서는 ‘친환경 무기계복합소재 및 시공기술을 적용한 취약지점 도로변 미세먼지 저감 기술 개발’을 진행하고 있다.
Source: www.engjournal.co.kr
Date Published: 9/2/2021
View: 1124
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주제에 대한 기사 평가 미세 먼지 저감 기술
- Author: 국토교통과학기술진흥원
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- Date Published: 2020. 6. 12.
- Video Url link: https://www.youtube.com/watch?v=hh7yvuGgu1g
쉽고 효과적인 미세 먼지 저감 기술 찾았다
– 대규모 검증 작업 마쳐, 포스코 광양제철소서 상용화 성공적 운용 중
– 산업 배출 미세 먼지 저감 효과,〈네이처 커뮤니케이션즈〉 10일 게재
▲ (왼쪽부터) 서울대 화학생물공학부 김도희 교수, 송인학 박사, 이황호 박사
미세 먼지의 원인으로 꼽히는 환경 오염 물질인 질소 산화물을 효과적으로 제거할 수 있는 원천 기술이 서울대 공대 화학생물공학부 김도희 교수팀에 의해 개발됐다.
김도희 교수 연구팀은 포항산업과학연구원(RIST) 미세먼지연구센터와 산학 공동 연구를 통해 저온에서도 질소 산화물을 안정적으로 제거할 수 있는 바나듐 기반 촉매시스템을 개발했다. 송인학 박사, 이황호 박사가 공동 제1저자로 참여한 이번 연구 결과는 국제 학술지 〈네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)〉에 2월 10일 자로 온라인 게재됐다. (논문명: Simple physical mixing of zeolite prevents sulfur deactivation of vanadia catalysts for NOx removal)
발전소, 소각로, 제철소 등 연소시설에서 발생하는 고온 속 질소(N2)와 산소(O2)는 서로 반응하여 질소 산화물(NO, NO2)을 생성한다. 질소 산화물은 광화학 스모그와 산성비, 미세 먼지의 원인이 되는 대표적인 환경 오염 물질로 인체에 유입될 경우 피부 조직과 호흡기를 자극해 치명적인 질환을 일으키는 것으로 알려져 있어 한국을 포함한 전 세계 많은 국가에서 그 배출량을 규제하고 있다. 특히 최근에는 대기 중 질소 산화물이 미세 먼지 생성의 주원인으로 보고되면서 질소 산화물 배출 규제는 점점 강화되는 추세이다.
현재 산업계 연소시설에서는 암모니아(NH3)를 이용한 선택적 촉매 환원 기술(SCR; Selective Catalytic Reduction)을 이용하여 배출되는 질소 산화물을 제거하고 있다. 해당 시스템은 암모니아를 환원제로 사용한 촉매를 통해 질소 산화물을 인체에 무해한 질소로 전환시키는 기술이다. 티타늄 산화물(TiO2)에 소량의 바나듐 산화물(V2O5)을 담지한 형태의 금속 산화물 촉매가 가장 많이 사용된다. 바나듐 촉매는 구리(Cu), 망간(Mn) 등을 포함한 다른 촉매들과는 달리 300~400℃의 온도 영역에서 연소 배기가스에 포함된 이산화황(SO 2 )에 의한 성능 저하 없이 질소 산화물을 안정적으로 제거할 수 있어 널리 사용되고 있다.
최근 전 산업계에서 에너지 절약에 대한 요구가 커짐에 따라 300~400℃의 높은 온도 영역뿐 아니라 250℃ 미만의 낮은 온도에서도 운용할 수 있는 SCR 촉매의 필요성이 제기되고 있다.
하지만 250℃ 미만의 낮은 온도에서는 가스에 포함된 이산화황(SO 2 )이 점성이 높은 중황산암모늄(Ammonium bisulfate, ABS) 형태로 전환되어 촉매 표면에 침적됨으로써 활성점을 막아 촉매의 질소 산화물 저감 능력이 점차 저하되는 새로운 문제가 발생한다. 따라서 바나듐 촉매를 이용한 SCR 기술을 낮은 온도 조건에서도 성공적으로 활용하기 위해서는 중황산암모늄에 의해 촉매 활성이 감소하는 문제를 반드시 해결하여야 했다.
연구팀은 흡착제나 촉매로 쓰이며 다공성 물질인 제올라이트를 기존 바나듐 촉매와 물리적으로 혼합할 경우, 촉매와 인접한 제올라이트가 촉매 표면에 침적되는 중황산암모늄을 선택적으로 흡수하여 촉매 활성 저하를 억제할 수 있음을 처음으로 발견하였다.
이러한 관찰을 바탕으로 220℃의 낮은 온도에서 바나듐 촉매에 침적되는 중황산암모늄을 곧바로 혼합한 제올라이트에 흡수시켜 바나듐 촉매의 활성점을 보호하는 새로운 물리 혼합 촉매를 제안하였고, 그 결과 우수한 안정성을 가지는 촉매 시스템을 개발하는데 성공하였다.
또한 연구팀은 포항공과대학교 화학공학과 한정우 교수와의 공동 연구를 통해 제올라이트의 특별한 구조가 반응 조건에서 중황산암모늄 분자를 안정화시키는 효과를 가져온다는 것을 이론적으로 규명하였다.
해당 원천 기술은 촉매 제조 방법이 무척 간단하면서 뛰어난 성능 향상을 보인다는 점에서 기존의 다른 기술에 비해 빠른 상용화가 가능했다. 실제로 개발된 신규 촉매는 파일럿 플랜트에서 대규모 검증 작업을 마쳤으며, 현재 포스코 광양제철소에서 상용화되어 성공적으로 운용되고 있다.
김도희 교수는 “제올라이트 촉매를 물리적으로 혼합하여 제조하는 간단하고 저렴한 방법으로 황에 의한 바나듐 촉매의 성능 저하 문제를 해결하였다”라며 “신규 촉매의 우수성을 이론과 실험으로 규명한 연구 결과도 중요하지만, 대학에서 개발한 촉매를 산업계에 기술 이전하여 상용화한 사례는 매우 의미 있는 산학 협력 결과”라고 전했다.
이번 연구는 POSCO와 과학기술정보통신부의 선도연구센터사업(고려대학교 초저에너지자동차 초저배출사업단)의 지원으로 수행됐다.
▲ 그림 1: (a) 저온(220℃) 탈질 반응에서 기존 촉매와 개발 촉매의 황 피독 경향 비교
(b) 개발된 저온 촉매가 작동하는 원리를 요약한 그림
[문의사항]서울대학교 공과대학 화학생물공학부 김도희 교수 / 02-880-1633 / [email protected]
[보고서]미세먼지 측정 및 저감 기술 개발 동향
초록
1. 개요
한국도 겨울에 접어들면서 연일 미세먼지와 관련된 뉴스가 보도되고 있으며, 마스크 착용이 일상화되고 맑은 하늘을 보기 어려운 날이 많아지면서 국민들의 건강을 위협받고 있다. 세계보건기구(World Health Organization)에 따르면 전 세계 인구의 92% 정도가 공기오염으로 인해서 피해를 입고 있다고 한다. 중국의 대기질과 관련한 사망자 수가 2012년 1,032,833명이었으며 미국은 38,043명이라고 보고하고 있다[1]. 인도의 경우 약 13억의 인구 중에서 6억 명 이상이 대기환경기준(National Ambient Air Quality Standard: NAAQS)이 평균보다 나쁜 지역에 거주하고 있다고 한다[2]. 한국도 예외는 아니며, 매년 14,000명 정도가 추가적으로 대기오염 때문에 사망한다고 한다. 미세먼지의 심각성은 굳이 다시 강조하지 않아도 될 거 같다. 이러한 대기오염으로 인한 경제적인 손실은 만만치 않으며, 국민 보건에도 악영향을 미칠 뿐만 아니라 노동생산성 저하로까지 이어진다.
이에 (초)미세먼지로 인한 환경성질환에 대한 연구들이 많이 진행되어왔다. 각종 기관지염, 천식 등의 호흡기질환과 같은 질병에 쉽게 노출될 수 있으며, 미세먼지는 폐에 쌓이고 다른 장기에도 침투하는 등 인체의 면역력을 약화시키며 암의 원인이 되기도 한다. 특히, 영·유아 및 노약자에게는 치명적이며 이는 앞서 언급한 공기오염으로 인한 사망률 중에서 많은 부분을 차지한다.
이와 관련하여 정부 및 지자체 차원에서 미세먼지가 주로 발생하는 도심 일부 지역에 노후된 차량의 운행을 제한하는 정책을 추진하기도 한다. 또한 차량의 미세먼지 처리 성능에 따라서 인증표를 발급하고 차량에 이를 부착하도록 할 수도 있다. 또한 미세먼지 비상 저감 조치 대책의 일환으로 미세먼지가 심각한 날에는 공공기관뿐만 아니라 민간기업도 차량 2부제 시행을 강제토록 하는 방안을 지자체별로 시행을 고려 중이다. 한 연구 결과에 따르면 자동차 2부제 운행이 미세먼지 감축에 미치는 영향에 있어서 대기의 흐름이 원활한 계절에는 그 효과가 그리 크지 않을 수도 있다는 것을 발견하였다. 그러나 대기 중에 오랫동안 머물러 있는 미세먼지 입자 특성상 대기가 정체되어 있는 겨울에는 상당한 효과를 볼 수 있다고 한다[3]. 이와 더불어 정부의 정책적 노력에는 미세먼지를 보다 정확하게 측정할 수 있는 장비 및 저감할 수 있는 기술개발이 선행되어야 한다. 본 보고서에서는 미세먼지 센서 기술 및 저감 신기술에 대해서 보다 자세히 살펴보고자 한다.
2. 미세먼지 측정 기술
미세먼지(Particulate Matter 10)는 입자의 직경이 10µm 이하인 먼지 입자를, 초미세먼지(Particulate Matter 2.5)는 입자의 직경이 2.5µm 이하인 먼지 입자를 의미한다. 이와 관련한 미세먼지 및 CO, O3, NO2, No와 같은 유해한 물질을 감지하는 기술의 종류부터 살펴보기로 한다. 미세먼지 센서 기술과 관련된 최근 연구 트렌드를 보면, 미세먼지 및 유해 오염물질을 보다 효과적으로 감소시키면서 제품의 가격은 낮추는 방향으로 연구들이 진행되고 있다. 우리의 실생활과 밀접한 연관이 있는 기술을 상용화함으로써 소비자들이 쉽게 구매할 수 있도록 가격경쟁력을 유지하는 방향으로 연구가 이루어짐을 알 수 있다.
2.1. 미세먼지 센서
대기 중의 미세먼지는 다양한 방법을 통해서 측정할 수 있다. 필터 방식의 미세먼지 중량 측정 방식, 베타 감쇠법, 광학적 방법 등이 이에 해당한다. 이 중에서 광학적 방식이 지금까지 가장 저렴한 방식으로 알려져왔다. 기기의 비용이 다른 방식에 비해서 상대적으로 저렴한 편이고, 전력 소모가 적으며 반응속도가 빠른 편이어서 주로 사용되어왔다. 광학 기술의 원리를 간단히 살펴보면[4], 이 기술에서는 광선이 기기로부터 나와서 대기 중에 있는 미세먼지에 빛이 발산하는 정도를 Photo-meter를 통해서 측정하게 된다. 0.3µm보다 큰 입자인 경우, 빛이 퍼지는 정도가 입자의 농도에 비례한다. 하지만 0.3µm보다 작은 입자인 경우, 빛이 충분히 퍼지지 않아서 광학적 방식으로는 측정이 어려운 편이다. 그래서 발산한 빛을 분포를 분석하거나 필터를 부착하는 간접적인 방식을 활용하여 작은 입자의 경우 측정률을 높이고 있다.
2.2. 가스 센서
가스 센서의 구동 원리는 미세먼지 측정기의 구동 원리와 크게 다르지 않다. 가스를 측정하기 위해서는 크게 두 가지 종류의 비용이 저렴한 센서가 존재한다. 메탈옥사이드(Metal-oxide-semiconductor) 반도체 센서와 전기화학적(Electrochemical) 센서가 그것에 해당한다.
첫째, 메탈옥사이드(MOS) 가스 센서는 감지하고자 하는 가스에 노출되었을 경우 메탈옥사이드의 화학적 특성이 변화하는 것을 활용하여 가스를 감지하는 기술이다. 휘발성유기화합물 및 혼합 가스 탐지를 할 수 있으며, 독창적인 알고리즘을 바탕으로 CO2 레벨 변화가 가능하다. MOS 센서는 감도와 안정성이 높으며, 작은 입자도 감별이 가능하다. 반응속도도 빠른 것이 특징이며, 가볍고, 가격대도 저렴한 편이라서 실생활에 적용이 많이 되고 있으며, 공기청정기, 기상대, 전자레인지, 오븐 레인지 후드 등에 광범위하게 활용되고 있다.
둘째, 전기화학적 센서는 전압전류법을 이용하여 센서에 형성된 생물막의 정략적 측정을 통해서 가스의 존재 여부를 판별하는 기술이다. MOS 센서에 비해서 상대적으로 작은 입자의 가스를 감지할 수 있지만, 기기의 부피가 크고 가격이 조금 더 비싼 것이 단점이다. 하지만 메탈옥사이드 가스 센서보다 성능이 대체적으로 우수한 편이다.
3. 미세먼지 저감 기술
앞에서는 미세먼지 측정 기술에 대해서 살펴보았다면, 이번 세션에서는 미세먼지 저감 기술에 대해서 살펴보기로 하자. 실외 PM 2.5 농도를 단기간에 쉽게 줄이기는 어렵기 때문에 공간이 한정되어 있는 실내 PM 2.5 농도를 줄이는 노력은 거주자들의 건강을 위해서 아주 중요한 일이다. 본 보고서에서는 주로 실내 PM 2.5 농도를 줄일 수 있는 5가지 기술에 대해서 살펴보기로 하자.
3.1. 공기필터
많은 연구자들은 공기필터를 활용하여 실내의 미세먼지를 줄이는 노력을 기울이고 있다. Cao et al.는 다양한 실내 필터의 조합과 기존의 공조 설비를 통해서 가장 효과가 높은 실내 필터와 공조 설비 조합을 찾아내었다. 또한 기존의 설비와 가장 큰 시너지를 낼 수 있는 공기필터를 찾기 위한 노력은 지속적으로 이루어지고 있다.
앞에서 언급한 기존의 공기필터를 활용한 연구뿐만 아니라 새로운 소재를 이용하여 필터를 만들려고 하는 노력도 꾸준히 이어지고 있다. Zhao et al.는 electrospun Polyvinylidene Fluoride Fiber (PVDF)를 음극 파우더(Negative ion powders)를 첨가한 후 흡착율이 99.9%까지 향상되는 것을 발견하였다. Zhang et al.는 High-thermal-stability polyimide nanofibers를 활용하여 성능이 높은 공기필터를 제작하여 실외에서 자동차 배기가스와 같이 높은 온도에서 나오는 PM 2.5까지도 99.5%까지 걸러내는 것으로 확인되었다. 또 다른 연구 결과는 창문에 공기필터를 직접 부착하여 소비자들이 적은 비용으로도 공기청정기와 같은 효과를 누릴 수 있도록 만들기도 한다. 물론 이러한 실험 결과들은 이상적인 실험 환경에서 나온 측정 결과로서, 실제 우리가 살아가는 환경에서는 실험 결과보다 못한 낮은 수치가 나올 수 있다는 것은 인식할 필요가 있다.
안개가 자욱하게 끼인 도심의 출퇴근길에, 그 속에 함께 포함되어 있어 눈에 보이지 않는 미세먼지를 걱정하지 않을 수 없다. 자동차 에어컨 필터에도 PM 2.5를 걸러낼 수 있는 기능이 포함되어야만 한다. 가정뿐만 아니라 출퇴근할 때 자동차 안에서 많은 시간을 보내는 현대인들의 건강을 위해서도 이러한 정책은 수반되어야 한다. 이에 Midea, Haier, Panasonic, Gree, KELON 같은 회사들은 관련 제품 기술개발에 박차를 가하고 있다. 에너지등급까지 함께 표기하여 에너지효율 제품 여부도 판별해볼 수 있도록 하였다. PM 2.5 제거 효과가 가장 큰 제품은 표에서 알 수 있듯이 Haier와 KELON 제품이다[5].
3.2. 중력침강실
중력설정기는 오염된 기체를 유입시킨 긴 챔버에 오염된 가스가 천천히 지나가면서 먼지 입자들이 중력에 의해 바닥에 가라앉게 만든다. 이 장치는 큰 입자(직경 75μm보다 큼)에만 사용될 수 있으며, 사실 대부분의 매우 낮은 단자의 입자 정착 속도는 대기오염 분야에서 발생하는 중력침강실의 유용성을 제한한다. 횡단면적(WH)은 접근하는 덕트보다 훨씬 크게 되고, 챔버 내부의 선형 기체의 속도가 입구 덕트의 선형 기체 속도보다 낮기 때문에 순조롭게 미세먼지의 착지가 가능해진다. 이러한 장비는 정기적으로 수동식 청소를 해야 하지만, 설계와 시공은 비교적 간단하다. 그러나 지난 30년 동안 엄격한 통제 요구사항들이 채택되면서 이 유형의 수집기 사용이 급격히 감소했다. 하지만 이러한 장치들은 여전히 야금 산업의 매우 더러운 가스들을 처리하는 데 어느 정도는 유용하다.
3.3. 원심분리기
원심분리기는 원심력을 이용하여 먼지 입자를 채취 표면으로 유도하는 기계적 수집기이다. 일반적으로 기체의 흐름은 사이클론 방식으로 회전해야 한다. 입자의 질량은 그들이 사이클론 자체 벽 쪽으로 이동한 다음, 사이클론의 호퍼에 정착하게 한다. 청소된 공기는 사이클론에서 회전하여 밖으로 나온다. 기계식 수집기의 주요 유형은 대형 직경의 사이클론과 소형 직경의 멀티사이클론이 있다.
3.4. 미세먼지 습식 스크러버
스크러버라는 용어는 원래 액체 방울에 미세한 입자를 모으는 장치를 설명하기 위해 사용되었다. 이 용어는 오늘날 더 일반적인 의미를 지니고 있다. 사실, 아황산가스 방출을 제어하기 위해 액체를 사용하는 장치도 스크러버라고 불린다.
스크러버의 기본 개념은 액체를 떨어뜨려 입자들이 서로 닿게 하여 입자가 물방울에 달라붙게 하는 것이다. 따라서 기체 흐름 내에서 많은 양의 액체 방울(일반적으로 수분)을 적절하게 투입해주어야 한다. 기체와 액체의 혼합물에서 생긴 먼지는 저가 사이클론에서도 쉽게 분리될 수 있으며, 또한 해당 액체는 분리시켜 재활용될 수 있다.
3.5. 정전집진기
정전집진기의 기본 개념은 입자들에 전하를 일으켜 그것들을 수집벽으로 모이게 하여 정전기 파일에 넣는 것이다. 플레이트 2개가 장착된 정전집진기는 비교적 간단한 구성을 나타낸다. 이 구성에서 더러운 기체는 전기적으로 접지된 플레이트 사이를 통과한다. 플레이트 사이에는 와이어 행이 있으며, 일반적으로 전압이 40,000V로 고정되어 있다. 충전된 와이어와 접지 플레이트의 조합은 자유전자가 동시에 생성되어 입자와 전자가 플레이트로 충전되도록 한다. 이 먼지 덩어리는 플레이트를 정기적으로 기계 또는 전자기기로 막으면서 제거된다.
4. 결론
앞에서 살펴본 바와 같이 (초)미세먼지 혹은 대기 중의 유해 물질을 줄이기 위해 일반적으로 활용되는 기술적인 노력들을 살펴보았다. 앞의 기술과 접목된 새로운 기술들이 계속 실험을 통해 개발 중이며, 상용화하기에는 가격경쟁력이 기존의 기술에 비해서 뒤쳐지는 것들도 있다. 앞에서 살펴본 것들을 간략하게 요약하도록 하자.
PM 2.5 혹은 PM 10을 측정하기 위해서는 저렴한 광학 센서가 존재한다. 기존의 센서들에 비해서 비용도 저렴하고 성능도 정확한 것으로 알려져 있다. 하지만 센서가 주변 환경에 따라 다르게 반응할 수도 있기 때문에 측정 초기에 정밀한 캘리브레이션은 필수적으로 이루어져야 할 것이다.
미세먼지 이외에 다른 가스, O3, NO2, CO, NO를 측정하기 위한 기기의 종류 및 특성에 대해서도 간략하게 살펴보았다. 크게 MOS 센서와 EC 센서가 존재하며, 미세먼지 기기와 마찬가지로 측정 초기에 정밀한 캘리브레이션이 선행되어야만 보다 정확한 측정이 가능할 것이다.
대부분의 EC 센서는 MOS 센서에 비해서 가격이 비싸지만, EC 센서가 MOS 센서에 비해서 보다 정확한 편이다. 하지만 여러 가지 연구 결과를 검토한 결과, EC 센서의 고비용을 상쇄할 만큼 EC 센서의 성능이 MOS 센서보다 탁월한지는 아직 의문이 남는다. 결론적으로 O3, NO2, CO 측정 시에는 MOS 센서를 추천하는 편이며, NO 측정 시에는 EC 센서를 추천한다.
또한 에어필터 관련해서도 많은 실험적인 노력이 꾸준히 이루어져오고 있다는 것은 요즘같이 미세먼지가 심각한 상황에서 대중들에게도 빠르게 상용화할 수 있는 기술이기 때문에 반가운 소식이 아닐 수 없다. 기존의 기술들을 바탕으로 국내외 사례들을 참고하여 지속적인 신기술 개발이 필요하며, 민간 및 정부 차원에서도 미세먼지 저감을 위한 획기적인 기술이 개발될 수 있도록 정책적, 재정적 지원도 수반되어야 한다.
References
1. 92 percent of the world’s population breathes substandard air, WHO Says, Kennedy M, 2016, http://www.npr.org/sections/thetwoway/2016/09/27/495654086/who-says-92-percent-of-the-worldspopulation-breathes-sub-standard-air. [Viewed 2018-11-25].
2. A Roadmap Towards Cleaning India’s Air, Energy Policy Institute at the University of Chicago, 2018, https://epic.uchicago.in/wp-content/uploads/2018/08/POLICY-BRIEF-A-ROADMAP-TOWARDS-CLEANING-INDIAS-AIR-1-1.pdf. [Viewed 2018-11-23].
3. Clearing the air on Delhi’s odd-even program, Michael Greenstone, Santosh Harish, Rohini Pande, Anant Sudarshan, 2017, https://epic.uchicago.in/wp-content/uploads/2017/07/Odd-Even-EPW-draft-02072017.pdf. [Viewed 2018-11-23].
4. Rai, A. C., & Kumar, P., 2017. Summary of air quality sensors and recommendations for application. Ref. Ares. Retrieved from https://www.iscapeproject.eu/wp-content/uploads/2017/09/iSCAPE_D1.5_Summary-of-air-quality-sensors-and-recommendations-for-application.pdf. [Viewed 2018-11-23].
5. Cao, G.; Xie, H.; Zhao, S. Strategic Research of Pollution Control of Indoor PM2.5 in Public Buildings. Build. Sci. 2015, 31.
[과학의 달인] 친환경 기계 기술로 ‘미세먼지 제로’ 도전
■ 김학준 / 한국기계연구원 책임연구원
[앵커]화석연료 대신 친환경 에너지로 패러다임이 바뀌면서 환경오염 물질 배출을 최소화하는 것이 국가 경쟁력이 됐습니다. 이런 가운데 산업 현장에서 발생하는 미세먼지를 획기적으로 줄일 수 있는 원천 기술이 개발됐다고 합니다.
오늘 과학의 달인에서는 미세먼지 저감 기술을 개발하시는 한국기계연구원 김학준 박사 모셨습니다. 어서 오십시오. 박사님께서는 질소산화물과 황산화물을 동시에 저감하는 장비를 개발하셨다고 들었는데요. 이 물질들이 정확히 무엇인지 알기 쉽게 설명해주시겠어요?
[인터뷰]질소산화물(NOx)과 황산화물(SOx)은 미세먼지를 구성하는 성분이며, 대표적인 대기 환경 규제 물질입니다. 미세먼지는 꽃가루, 황사 등 자연 상태에서 만들어지기도 하고, 자동차, 선박, 공장 등에서 인위적으로 만들어지기도 하는데요. 인위적으로 만들어진 미세먼지 중에 굴뚝에서 나올 때 고체 상태인 1차 미세먼지가 있고, 가스 상태로 나와 공기 중에 다른 물질과 화학 반응을 일으켜 미세먼지가 되는 2차 미세먼지가 있습니다.
질소산화물(NOx)과 황산화물(SOx)은 바로 2차 미세먼지의 원인 물질입니다. 이 둘로 만들어진 먼지는 대부분이 초미세먼지인데요, 대기 중에 오랜 시간 머무를 수 있고, 인체에 유입되었을 때는 혈관까지 침투할 수 있는 매우 위험한 오염원입니다. 질소산화물(NOx)과 황산화물(SOx)을 이루는 물질은 이름에서 알 수 있듯이 질소, 황, 산소이기 때문에 주로 황을 포함한 화석연료를 태우는 공장, 발전소, 자동차 등에서 많이 배출됩니다.
또한, 질소산화물(NOx)은 고온에서 질소와 산소의 화학반응으로 만들어지기 때문에 꼭 연소가 아니더라도 고온에서 작업하는 제철소, 소각로 등에서도 배출이 많이 됩니다. 특히, 최근 국내 주력산업인 IT 제조 공정에서도 질소와 황이 포함된 화학물질을 사용하기 때문에 질소산화물(NOx)과 황산화물(SOx)이 배출되게 됩니다.
[앵커]사람과 생태계에 모두 위협이 되고 있는 이 물질들을 획기적으로 줄일 수 있는 기술을 개발하셨다고 들었습니다. 어떤 기술인가요?
[인터뷰]이번 기술의 핵심은 질소산화물(NOx)과 황산화물(SOx)을 동시에 저감 할 수 있는 방법을 찾은 것입니다. 배기가스를 저감시키는 기술 중에 가장 간단한 방법이 바로 물을 뿌려서 오염 물질을 녹이는 방식인데요. 물에 잘 녹는 황산화물(SOx)은 이 방식으로 제거하고 있지만, 질소산화물(NOx)은 물에 잘 녹지 않기 때문에 촉매 방식을 사용해야만 합니다.
하지만 제가 개발한 기술은 물에 잘 녹지 않는 질소산화물(NOx)을 오존과 반응시켜 물에 잘 녹는 물질로 만들고, 황산화물(SOx)과 동시에 저감할 수 있는 매우 간단하고, 경제적인 기술입니다. 둘을 함께 녹이는 데는 새로운 첨가제가 필요한데요. 저희는 첨가제를 만들기 위해 다양한 화학 물질을 섞어 보고, 고체, 액체 상태로 만들어 보기도 했습니다. 많은 시행착오를 겪은 끝에 동시 저감 효과가 있는 첨가제를 개발하게 되었습니다.
[앵커]이번에 개발한 기술은 기존의 저감 장비와 비교했을 때 어떤 차이와 특징이 있는 건가요?
[인터뷰]기존에는 촉매 장치에 암모니아나 요소수를 뿌려서 질소산화물(NOx)을 질소로 환원하는 방식을 주로 사용했는데요. 하지만 촉매는 300도 이상에서만 활성화되기 때문에 배기가스 온도가 낮을 경우에 그 효과가 떨어져서 다시 온도를 올리기 위한 전기 히터나 버너가 필요합니다. 특히, 요소수는 100% 수입에 의존하고 있어서 향후 대체 기술이 필요한 실정입니다.
저희가 이번에 개발한 기술은 물을 뿌리는 방식이기 때문에 상온에서도 질소산화물(NOx)을 저감할 수 있고요. 온도가 낮을 경우 가스 부피가 줄어들어서 저감 장치 크기도 작아지기 때문에 설치 면적과 비용 측면에서 효율적입니다.
[앵커]기술을 만드는 것도 중요하지만, 기술이 실제 산업 현장에서 제 역할을 하고 있는지 확인하는 것도 필요할 텐데요. 실증 작업을 해보셨나요?
[인터뷰]우선, 실험실에서 개발한 기술들은 대부분 실제 환경을 인위적으로 모사한 조건에서 개발되기 때문에 상용화에 앞서 단계적으로 장치를 키워가면서 실증연구를 수행해야 합니다. 저희는 실험실에서 아이디어를 검증한 후에 이 기술을 필요로 하는 제철소, 소각로, 발전소 등에 기술을 소개했고, 최종적으로 오염 물질 저감에 적극적으로 관심을 보였던 한국남부발전의 하동화력발전소에서 실증을 진행하게 됐습니다.
2년 전에 한국기계연구원과 하동발전소 간 공동 연구팀이 구성됐고, 여러 번의 기술 회의를 통해서 발전소 전체의 1/1000 수준의 동시 저감 장치를 발전소 3호기에 연결했습니다. 이 실증 장치에 실제 배기가스를 주입해서 약 1년 동안 질소산화물(NOx), 황산화물(SOx)의 동시 저감 성능을 확인했고요. 오존 주입량, 첨가제 주입량, 가스 체류 시간, 장치 크기 등 여러 중요한 설계 자료를 확보했습니다. 이런 실증 연구 자료는 쉽게 얻을 수 없기 때문에, 상용화에 꼭 필요한 핵심 기술 자료라고 할 수 있습니다.
[앵커]실증 환경에서 오염 물질이 어느 정도 저감 됐던가요?
[인터뷰]실증 장치의 성능 목표는 황산화물(SOx)과 질소산화물(NOx)을 기존 15ppm에서 5ppm 이하로 낮추는 것이었는데요. 최종 성능 시험 결과 각각 0.5ppm과 4ppm으로 배출농도를 획기적으로 저감했습니다. 이는 디젤 자동차 6,000대가 배출하는 양을 줄인 것과 같은 수준인데요. 미세먼지 배출 농도 측면에서 보면 천연가스를 연료로 사용하는 복합발전소의 배출 수준입니다. 특히 60도 정도에서의 온도에서 수행되었기 때문에 다양한 저온 배기가스 환경에 적용할 수 있을 것 같습니다.
[앵커]그런데 실제 발전소 현장에서 실증하는 과정 중에 생각지 못한 어려움은 없었나요?
[인터뷰]실제 환경은 실험실과 달리, 황산화물(SOx)과 질소산화물(NOx) 외에 먼지, 이산화탄소, 수증기 등 다양한 오염물질이 함께 배출되기 때문에 배기관이 막힌다거나, 팬이 고장 나는, 예상하지 못했던 문제들이 많이 발생했는데요. 특별히 상주 인력을 투입해 장치 상태를 확인하고 관리했습니다. 실증 기간 코로나 방역으로 인해서 출입이 제한된 적도 많아서 갑자기 고장 날 경우에는 수정을 못 해 노심초사한 적도 있어 힘들었습니다.
[앵커]이 기술은 언제쯤 상용화될 수 있을까요?
[인터뷰]실제 화력발전소에 상용화를 위해서는 현재 장치보다 최소 10배 이상의 크기 장치를 만들어서 실증하는 단계가 필요합니다. 현재, 그 정도에서 배기가스가 배출되는 제철소나 소각로 등에서 전체 배기가스를 처리하는 상용화 연구를 수행할 계획에 있고요. 이 과정이 성공적으로 마무리 될 경우, 약 2년 후부터 발전소보다 조금 작은 규모를 시작으로 상용화가 가능할 것으로 생각하고 있습니다.
현재 소각로, 화학 공정, 반도체 등 배기가스 온도가 낮은 다양한 산업체에서 이 기술에 관심을 보이고 있고, 추가 실증 문의도 오고 있습니다. 핵심 기술을 이전받아 반도체, 소각로 같은 곳에 적용해보고자 하는 기업도 있어서 빠른 시일 내에 이전이 가능할 것 같습니다. 국내에서 상용화가 될 경우 해외 수출도 가능할 것으로 생각하고 있는데요. 국내 기업들의 해외 공장이나 해외 산업체에서도 동시 저감 기술에 대한 수요가 많이 있을 것 같습니다.
[앵커]오늘 말씀을 들어보니 이 기술이 상용화되면 경제적 효과도 있을 텐데 그 규모가 어느 정도 될지도 궁금해지는데요. 추산이 가능한가요?
[인터뷰]현재 대기 환경설비의 시장 규모가 7조 원가량 형성되어 있습니다. 이중 질소산화물(NOx)과 황산화물(SOx) 저감 장치 시장 규모를 2조 원으로 예상하면, 이 기술로 인해서 약 1조 원가량의 신규 시장이 형성될 것으로 예상이 되고, 고용 창출 효과로는 1만 명이 예상됩니다. 저희는 이번에 진행한 화력발전소 실증을 통해서 중요한 설계 그리고 운전기술을 확보했는데요. 이 기술을 기업에 이전해 석탄 화력발전소뿐만 아니라 제철소, 소각로, 반도체 공정 등 국내 대표 산업 전반에 적용할 목표를 세우고 있습니다.
[앵커]연구원님께서는 어떤 계기로 환경을 지키는 기술에 관심을 가지게 되신 건가요?
[인터뷰]저는 학창시절부터 환경에 대한 관심이 많았습니다. 그래서 시간이 날 때마다 환경에 대한 다큐멘터리나 환경 재난을 다룬 SF 영화를 자주 보곤 했습니다. 특히, 석사 시절에는 사람이 호흡하는 공기 질에 대해 연구를 하고 싶었고, 공기 중에 떠다니는 눈에 보이지 않는 입자를 연구하는 에어로졸 공학을 전공하였습니다. 그래서, 지금까지 약 20년 동안 미세먼지와 관련된 생각만 하면서 연구를 하는 것 같습니다.
[앵커]앞으로의 연구 개발 목표는요?
[인터뷰]과거에는 미세먼지에 대한 사회적 관심이 거의 없어서 이번 연구와 같이 실증을 한다거나 상용화를 하는 것이 매우 어려웠는데요. 최근에는 미세먼지로 인한 인체 유해성과 중국발 미세먼지로 인해 사회적 관심도가 높아져서 제가 연구하는 기술을 필요로 하는 곳이 많아졌습니다. 그래서 앞으로 미래 세대를 위해 강화될 환경 규제에 산업체들이 적극적으로 대응할 수 있도록 필요한 배기 정화 기술을 개발하고 상용화할 예정이고요.
그리고 중국발 미세먼지나 코로나바이러스와 같은 공기 오염 물질로부터 국민의 호흡 건강을 지킬 수 있는 실내 공기정화 기술이라든지 개인이 착용하거나 휴대하면서 필요할 때 호흡 공기를 정화할 수 있는 개인용 공기 정화 기술을 개발하고자 합니다.
[앵커]올해 가을 유난히 공기가 깨끗했잖아요. 마음껏 좋은 공기를 마실 수 있다는 게 얼마나 큰 행복인지 느꼈던 시간인데, 앞으로도 국민이 맑은 공기 마실 수 있게 좋은 기술 개발해주시기 바랍니다. 지금까지 한국기계연구원 김학준 책임연구원과 함께했습니다. 고맙습니다.
YTN 사이언스 김기봉 ([email protected])
미세먼지 저감기술로, 도심 속 청정 도로환경 만든다
[공학저널 전찬민 기자] 미세먼지 문제는 우리나라를 비롯해 아프리카, 인도, 중국, 몽골 등 한정적인 지역에서 매우 심각하게 대두되는 사회적 이슈이지만 전 세계인들의 생명과 안전을 위협하는 지구 공동체의 문제로, 해결해야 할 당면과제 중 하나다.세계보건기구(WHO)의 2016년 연구 자료에는 미세먼지에 따른 사망원인으로써 폐암(29%), 뇌졸중(24%), 폐질환(43%) 등 대기오염과 질병의 인과 관계가 높은 것으로 보고됐다. 또한 WHO의 국제 암 연구소는 지난 2013년 미세먼지를 암을 유발하는 1군 발암물질로 지정했다.
특히 우리의 일상에서 흔하게 사용되는 초미세먼지(PM2.5)는 사람 머리카락 지름의 약 1/30 수준으로써 호흡기와 눈을 통해 흡입 시 혈관을 통해 직·간접적으로 인체 유해한 영향을 주고 있는 것으로 알려졌다.
우리나라의 경우, 환경부 통계 자료에 따르면 국내 미세먼지 발생원은 서울시와 같은 대도시의 자동차 도로변 미세먼지가 발생량 전체에서 미세먼지(PM10) 65%, 그중 질소산화물(NOx)이 57.3%로 가장 큰 영향이 있는 것으로 나타났다. 이에 따라 미세먼지 저감과 관리에 관한 특별법(2019.2)을 기반으로 각 부처마다 미세먼지 저감 정책과 실천 방안을 마련하고 있으며, 미세먼지로부터 시민들을 보호하려는 지방자치단체의 노력으로 다양한 실증 방안과 제도, 기준이 마련되고 있다.
이와 더불어 미세먼지를 저감시키기 위한 연구도 활발히 진행되고 있으며, 특히 도로변에서 발생하고 있는 미세먼지를 저감시켜 국민 생활 안전을 확보하고자 지난 2019년 ‘도로 미세먼지 저감기술 개발 및 실증연구’가 착수됐다. 이번 연구과제는 도심지 도로변 미세먼지 10~30% 이상 감축을 위한 지속가능한 청정도로 인프라 적용 기술 개발을 목표로 미세먼지와 비산먼지 파트로 구분돼 연구가 진행되고 있다.
도심지 도로변에는 버스전용도로와 일반도로, 인도포장과 버스정류장 등 도로시설물이 있지만 도로변에서 가장 많이 발생되는 미세먼지(PM10, NOx)를 저감 할 수 있는 소재와 기술 개발이 미흡한 실정이다. 이에 미세먼지 파트에서는 ‘친환경 무기계복합소재 및 시공기술을 적용한 취약지점 도로변 미세먼지 저감 기술 개발’을 진행하고 있다.
아스팔트도로포장체의 내구공용성을 개선해 미세먼지 발생을 최소화하는 공법, 인도 포장체의 최적화 배합과 특수 기능성 코팅을 통한 NOx 저감 기능 탑재, 소형차를 활용한 실시간 이동형 측정 차량과 부유미생물, 초미세먼지 저감 효율이 높은 첨단 버스정류장 등 취약계층 보호를 위한 다양한 기술을 확보하고 있다. 이를 통해 실시간 모니터링 데이터를 시민들과 공유할 수 있도록 서비스 체계 구축도 테스트베드를 거쳐 실증화 기술로써 검증 단계에 있다.
또한 비산먼지 파트는 ‘도로포장 전주기 비산먼지 저감 기술 개발’로써 생산, 운반, 시공, 모니터링 등 건설공사 전 과정에서 발생되는 비산과 재비산먼지의 저감 기술과 공법을 개발하고 있다. 이를 통해 비포장도로의 비산먼지 저감제 코팅 기술, 레미콘과 아스콘 생산 시설의 비산먼지 저감 시스템, 굴착복구 시 비산먼지 저감 시공 장비 등 현장에서 적용할 수 있는 기술과 장비 개발에 대한 실증화 연구 단계에 진입했다.
연구단장을 맡고 있는 국립한경대학교 김혁중 석좌교수(사진)는 “우리 연구단은 대학, 기업, 연구소 등 30개 기관에서 약 200명의 전문가분들과 함께 융합연구를 수행하고 있다”며 “미세먼지 저감 소재, 시공 기술과 공법, 모니터링 시스템까지 다자간 연구를 통해 지난 3차년 연구 기간 동안 테스트베드와 현장 실증 검증에 대한 성과를 도출했다”고 말했다.
그는 이어 “주관기관인 한경대는 소형차 기반의 실시한 이동차량 시스템으로써 온도, 습도 등 외기환경의 변화에서 정확한 미세먼지를 측정할 수 있는 기술을 한국생산기술연구원과 함께 개발했다”며 “공동연구기관으로 포스코건설은 대전국토청의 충남소재 현장 시연회를 통해 비포장도로에서 발생되는 비산먼지 저감용 친환경 소재의 기술과 실증 검증을 통해 국책연구사업의 성과에 대한 실효성에 대한 지역과 시민사회에 응원을 받고 있다”고 덧붙였다.
이렇듯 ‘북핵, 지진보다 더 무서운 것이 미세먼지’라는 이야기도 나올 정도로 이제는 중국발 미세먼지가 자연스럽게 줄어들거나, 추운 날씨가 지속돼 맑은 하늘을 볼 수 있기를 기대해서는 안된다. 이에 ‘선택이 아닌 최선의 노력, Speed up 전략을 통해 미세먼지를 저감할 수 있도록 Action Plan’을 국토교통부에 사업계획을 제안해 2019년 4월에 ‘미세먼지 저감기술 및 실증 연구단’이 출범하게 됐다.
연구단에서 초점을 맞추는 도심지 도로변은 보행자와 운전자, 학교 주변과 버스승강장 등 국민생활과 가장 밀접한 관계를 가진 생활공간이다. 또한 국토교통부의 직접적인 사업 범위에 해당되는 건설, 교통, 미세먼지 모니터링 시스템 측면에 대한 창의적이고 도전적인 실증화 연구이기 때문에 연구단은 최상의 결과를 만들기 위해 최선을 다하고 있다.
그간 연구단은 3차년까지 기술과 공법에 대한 특허, 논문, 공인시험성적서 등 기술 확립과 테스트베드 평가를 통해 기술 검증과 신뢰도 제고에 초점을 맞춰 수행됐다. 현재는 4단계(4~5차년도) 연구를 수행중이며, 충청남도와 협약을 통해 ‘도심지 미세먼지저감 스마트솔루션 리빙랩 구축사업’ 추진을 계획하고 있다.
김 교수는 “충청남도는 전국의 약 50% 수준의 화력발전소가 운영되고 있고, 지리적 위치로도 중국의 미세먼지 영향을 받는 서해안의 집중 권역이기도 하다”며 “이에 국내 최초로 ‘도심지 도로 건설공사 시 발생되는 비산먼지와 도로변 미세먼지 저감 기술’에 대한 종합적 대응 방안(Total Solution Model)으로써 국토교통부 실증사업과 연계해 지자체의 정책 실효성에 대한 시너지를 높이기 위해 초점을 맞춰나갈 예정”이라고 말했다.
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