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미세먼지 주요 배출원은 ‘도로 이동 오염원’

매일 아침 날씨뿐만 아니라 미세먼지 농도까지 확인하고 하루를 준비하는 시대에 살고 있다. 미세먼지는 우리 눈에 보이지 않는 아주 작은 물질로, 대기 중에 떠다니는 직경 10㎛ 이하의 입자상 물질이라고 정의한다. 그 분류를 살펴보면 먼지는 대기 중에 떠다니거나 흩날려 내려오는 입자상 물질로, 석탄·석유 등의 화석연료를 태울 때나 공장·자동차 등의 배출가스에서 많이 발생한다.

입자 크기에 따라 50㎛ 이하인 총먼지(Total Suspended Particles, TSP)와 매우 작은 미세먼지( Particulate Matter, PM)로 구분한다. 여기서 미세먼지는 다시 지름이 10㎛보다 작은 미세먼지(PM10), 지름이 2.5㎛보다 작은 미세먼지(PM2.5)와 지름이 0.1㎛보다 작은 미세먼지(PM0.1)로 나뉜다.

미세먼지 배출원을 살펴보면, 2019년 서울의 PM2.5 배출량은 총 2714 톤으로 단위면적당 약 4.5톤/km2이다. 배출원의 절반 이상은 비산먼지(29%), 난방·발전(21%), 도로 이동 오염원 (19%)과 비도로 이동 오염원(19%)이 차지한다. 특히 인구 및 자동차 활동이 집중된 서울에서는 도로 이동 오염원에 의한 대기 오염이 심각한 수준이다.

미세먼지 배출원 통계치를 통해 우리는 미세먼지를 제거·분해 할 수 있는 소재를 도로시설물에 적용하는 방법이 도심지 대기 오염을 저감하는 데 아주 효과적인 것을 알 수 있다. 실제로 독일은 도시 내 미세먼지가 도로 이동 오염원에 의해 배출되거나 생성되는 비중이 높다는 것에 착안해 ‘공간 단위 관리(Green Zones Germany)’를 시행해 자동차 통행을 제한하는 구역을 지정하거나, 특정 시간대에 차량 진입 제한 또는 주정차 금지 등을 하고 있다.

또한 독일의 그린시티 솔루션(Greencity Solutions)은 ‘이끼식 물을 이용한 미세먼지 저감 프로젝트’를 통해 이끼식물을 활용, 약 13~20g/m2의 미세먼지 흡착 효과를 얻고 있다. 영국 버밍엄에서는 심장병, 폐질환 및 암 같은 질병 발병과 이에 따른 조기 사망자 증가 등이 미세먼지를 비롯한 대기오염과 관련 있다고 판단해 이를 해결하기 위한 일환으로 도시 벽을 녹화·광촉매 도포하는 ‘녹색벽(green walls)’ 설치를 시행했다. 이처럼 미세먼지 저감을 위한 기술적 접근으로 ‘녹색화’와 ‘광촉매’를 이용해 도로나 시설물에 코팅함으로써 미세먼지 생성 원인물질을 제거하거나, 미세먼지 생성물질을 분해해 공기를 정화하고 있다. 이 밖에 여과 및 전기집진기 설치, 살수 및 분무 같은 방안도 시행하고 있다.

건설업계, 미세먼지 저감용 기능성 도로시설물 개발 필요

미세먼지 시대를 살고 있는 건설 기술인으로서, 석탄화력발전소 부산물(Coal Combustion Products, CCPs)을 활용해 미세 먼지 및 미세먼지 전구물질을 포집·분해하는 소재를 개발하고 있다. 또한 도로 이동 오염원 저감에 효과적으로 대응할 수 있는 도로 방음벽 및 보도와 차도 블록에 적용하는 연구를 수행 하고 있다. 이 연구는 CCPs를 기본 소재로 채택해 기존 CCPs 저부가가치 대량 처리(채움재 및 레미콘 등)에 치중된 연구를 사회적 현안인 미세먼지 저감과 대기 정화를 위한 기능성 기술 개발 연구로 전환했다. CCPs를 활용해 기존 무기 필터 소재보다 훨씬 값싼 활성탄을 생산하고 이를 건설자재에 적용했다. CCPs 활용 증대와 함께 신개념 CCPs 활용 기술 확보를 통해 CCPs 새 활용(업사이클링) 고부가가치화라는 목표도 도모한 것이다.

연구개발 성과물인 CCPs 활용 활성탄, 광분해 nanofiber, 기능성 포러스 골재 및 탄소 포집 미세먼지 저감 foam 블록 기술을 통한 방음벽, 보도블록 등 2차 제품을 도로시설에 적용해 미세먼지 저감과 대기 정화를 통한 국민 보건복지 향상 건설기술을 수행하고 있다

이번 연구과제(오른쪽 청정화력핵심기술사업 참고)는 산업통상자원부의 청정화력핵심기술사업으로 ‘석탄화력발전소 애시를 활용한 대기오염물질 저감 다공체 제조 및 활용 기술개발’이다. KCL이 주관기관이며, 2021년 12월 31일까지 진행한다. 각 핵심기술별 연구(연구과제 진행 상황 도표 참고)는 ‘CCPs 기반 활성탄 개발(핵심기술 1)’ ‘광분해 나노섬유 개발(핵심기술 2)’ ‘CCPs 활용 미세먼지 제거 패널 개발(핵심기술 3)’ ‘가스·입자상 미세먼지 저감 성능평가 개발(핵심기술 4)’ 등이다.

KCL, 미세먼지 저감 성능평가 기반 구축

현재 미세먼지 저감 및 광촉매 활용 기능성 제품 관련 국내시장은 급성장하고 있지만, 해당 분야 성능평가 기반은 아직까지도 미비한 실정이다. 해당 제품에 대한 신뢰성 구축과 소비자 안전을 위한 소재·제품 단위 성능평가 방법이 시급한 상황이다.

KCL은 이번 연구에서 제조한 미세먼지 저감 기능성 방음벽 및 보도블록 등 제품 단위 평가를 위한 입자상 미세먼지 저감 성능평가 시스템을 구축했다(사진 참조). 이 시스템은 30m3 챔버, 염화칼륨 입자 발생기, 청정 공기 공급 시스템, 수직· 수평 교반기 및 입자 계수기 등으로 구성했다. 챔버 온도는 –10~60℃, 상대습도는 0~60%까지 가능하도록 설계해 국내 환경 조건을 충분히 모사할 수 있게 했다. 또한 챔버 내부에는 성능평가 신뢰성을 확보하기 위해 15개소에 기류 센서 및 간이 미세먼지 측정기 등을 설치했다. 시험 챔버 기밀도는 입자 크기가 0.3㎛인 입자에 대해 20분 경과 후 입자 농도가 초기 농도의 80% 이상 확보하는 것을 만족했다. 챔버 상단에는 1300(W)×280mm(H) 크기의 날개수 3개 교반용 팬을 설치했고, ASHRAE 52.2 및 ISO 16890-1의 시험 입자(test aerosol) 요구 사항을 만족하는 입자 발생기(aerosol generator)를 적용했다.

시험 입자는 다분산의 고체상 염화칼륨(potassium chloride, KCl)을 아토마이징(atomizing)해 분사한다. 미세먼지 제거 기능성 콘크리트 블록 대상 시험에서는 4% KCl 수용액(물100ml에 대하여 KCl 4g의 비율로 혼합한 용액)을 사용해 직경 0.1~10㎛ 시험입자를 발생했으며, 시험입자는 챔버 중앙 바닥 위 50cm 위치에서 분사했다. 이번 연구에서 개발한 기능성 방음벽을 시험체로 선정해 염화칼륨 농도, 바람 조건 및 시험체 수량 등 시험 변수를 최적화해 성능평가를 수행했다. 그 결과 무시험체(빈 챔버) 대비 일반 다공성 패널은 PM10 저감률 21.9%, PM2.5 저감률 13.4%였으나, 이번 연구의 성과물인 CCPs 활용 경량골재 다공성 방음 패널은 PM10 저감률 27.7%, PM2.5 저감률 19.4%로 CCPs 활용 경량골재 다공성 방음 패널의 미세먼지 저감 효과를 확인했다.

가스상 미세먼지 전구물질 저감 성능평가 시스템 구축

KCL은 이번 연구에서 광분해 향상 TiO2 nanofiber 및 섬유 코팅제를 기능성 방음벽 등에 적용함으로써 NOx 등 가스상 미세먼지 전구물질을 저감할 수 있는 제품을 개발했다. 또 개발 제품 성능평가를 수행하기 위해 KCL은 광촉매 소재 및 광촉매를 적용한 이차제품의 성능평가 시스템을 구축했다.

일반적인 광촉매 성능은 KS L ISO 22197-1에 준하여, 시험 시편을 100×50×10mm(길이×폭×두께)로 제한하고 있다. 그러나 광촉매 활용 건설용 이차제품의 성능평가 신뢰성을 확보 하기 위해 소재 단위뿐 아니라 제품 단위 성능평가가 필요하다고 판단한다. 따라서 시험 시편 크기 확대 및 외부 환경 조건 변수를 고려해 성능 평가 시스템을 구축했다. 최대 250×250× 10mm(길이×폭×두께)의 제품을 평가할 수 있는 반응기를 제작했다. KS L ISO 22197-1과 달리 층류뿐 아니라 난류 조건에 대해서도 성능평가가 가능하도록 했다. 동시에 온도 조건 –10~60℃, 상대습도는 0~100%까지 가능하도록 시스템을 구축했다. 이 시스템을 활용한 성능평가는 현재 계속 진행 중이며, 추후 연구 성과를 발표할 계획이다.

정부는 현재 미세먼지 관리 대책을 수립해 각종 사업을 실시하고 있다. 이에 미세먼지 대책을 위한 다양한 기능성 제품이 쏟아져 나오고 있는데, 개발 제품에 대한 전반적 성능 점검 및 평가가 필요한 시점이다.

KCL은 ‘석탄화력발전소 애시를 활용한 대기오염물질 저감 다공체 제조 및 활용 기술개발’ 과제를 진행하면서 미세먼지 저감 및 광촉매 성능평가를 수행할 수 있는 기반을 구축했다. 단순히 기존 소재 단위 성능평가의 한계를 극복하기 위해 제품 단위 성능평가를 위한 가이드라인을 제시하고, 성능평가 신뢰성을 확보하기 위한 지속적인 데이터를 구축하고 있다. 성능평가 수행을 지속적으로 함으로써 범부처 사업과의 연계성 및 개발 제품 신뢰성 확보를 통한 소비자 보호를 목표로 한다.

입자상 미세먼지 저감 성능평가 시스템 구축 현황