Study on the Removal of Carbon Dioxide in the Subway Cabin Using Zeolite Type Carbon Dioxide Adsorbent

제올라이트계 이산화탄소 흡착제를 사용한 지하철 객실 내부의 이산화탄소 제거에 관한 연구

Study on the Removal of Carbon Dioxide in the Subway Cabin Using Zeolite Type Carbon Dioxide Adsorbent

조영민

·박덕신

·권순박

·이주열

·황윤호

Youngmin Cho

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1. 서 론

최근지하철공기질에대한일반국민들의관심이높아지 고있는데, 특히이용승객의건강보호와생산성 향상측면 에서전동차 객실의고농도이산화탄소가문제점으로 많이 지적되고있다. 환경부의 ‘다중이용시설등의실내공기질관

리법’ [1]에서는지하철역사등 다중이용시설의이산화탄

소농도 기준을 1,000ppm^{으로정하고 있다}. ^{일반적인 실내}

환경에서이와같은이산화탄소농도기준을맞추기위해외 부 신선공기유입을통한환기가이용되지만, 터널구간을 운행하는전동차의경우 터널내부의먼지농도가높기때 문에환기구를통하여외기가유입될경우객실내부도미 세먼지로오염될우려가있다. 따라서현재로서는주로정 차시출입문개폐에의한환기및출입문의문틈을통한자 연환기에의존하고있는데, 이를통한환기량은필요환기 량에비하여매우 부족한실정이다. 현재승객 탑승이많은 출퇴근 시간에는 이산화탄소 농도가 순간적으로는 4,000 ppm^{을초과하는경우도많은데}, ^{기존지하철의환기시스템}

을 이용하여이산화탄소농도를 1,000ppm 이하로유지하는 것은 현실적으로는 거의 불가능하다.

이에 환경부에서는기존의 ‘다중이용시설등의 실내공기 질 관리법’에서정한일반적인이산화탄소농도기준과별도

로 2007년에표 1과같이 ‘대중교통수단실내공기질가이드

라인’ [2]을 통하여객실내의이산화탄소에 대하여더 완

화된기준을 적용하고 있다. 그러나, 여전히 객실내 이산 화탄소농도가가이드라인 기준을초과하는경우가많아심 각한문제점으로지적되고있다 [3-7]. 특히이산화탄소의농 도는 승객의수와 비례하기때문에승객의수가 정원을훨 씬 초과하는출근시간대에는전동차객실의이산화탄소농 도가 고농도가 되는 경우가 빈번하다.

이에본연구에서는전동차객실에서혼잡시에농도가가 이드라인 기준치를초과하는이산화탄소를저감할 수있는 Abstract High concentration of carbon dioxide at subway cabin is one of the serious environmental concerns because carbon dioxide causes drowsiness, headache, and nervelessness of passengers. Ministry of Environment set a guideline for indoor carbon dioxide levels in train or subway in 2007. In this study, a carbon dioxide removal system for subway cabin was developed and tested using a test subway cabin. Various types of modified zeolites were used as the adsorbent of carbon dioxide. The tested zeolites were applied to the subway cabin, and showed high potential to lower the indoor CO2 level.

Keywords : Carbon dioxide, Adsorbent, Subway cabin, Indoor air quality, Removal

초 록 지하철 객실은 고농도의 이산화탄소로 오염되기 쉬운데, 이로 인하여 지하철 승객의 졸림, 두통, 무력 감 등을 야기하기 쉽다. 이 때문에 환경부에서는 2007년에서는 열차와 지하철 객실의 이산화탄소 농도에 대한 가이드라인을 정한 바 있다. 본 연구에서는 지하철 객차용 이산화탄소 저감 시스템을 개발하고 실험용 객차를 이용하여 성능시험을 수행하였다. 다양한 종류의 개질 제올라이트를 이산화탄소 흡착제로 사용하여 지하철 객 실 내부의 이산화탄소 농도를 저감할 수 있었다.

주요어 : 이산화탄소, 흡착제, 지하철객실, 실내공기질, 저감

Table 1 Carbon dioxide guideline for subway and intercity train in Korea

Classification Level 1* (ppm) Level 2** (ppm)

Subway 2,500 3,500

Intercity train 2,000 3,000

Guideline values are averaged values during each route.

*Level 1: normal times, **Level 2: rush hours.

†교신저자 : 한국철도기술연구원철도환경연구실

E-mail : [email protected]

1한국철도기술연구원철도환경연구실

2(주)애니텍

제올라이트계흡착제에대한특성을파악하였다. 그리고흡 착제를충진한이산화탄소흡착장치를개발하고, 이를실 제객차에적용하는실험을통해전동차객실의공기질을쾌 적하게 유지할 수 있는 방안을 모색하였다.

2. 실험 방법

본실험에서는이산화탄소흡착제로상용 13X ^제올라이

트 (UOP사)와 5A 제올라이트 (UOP)를구입하여그대로사

용하거나, ^{이를이온교환방법으로개질하여} (AK1, AK2) ^사

용하였다[8]. AK1과 AK2는 상용제올라이트를 200^oC에서

5^{시간동안건조 후}, ^{이산화탄소의화학적흡착이가능하도}

록 70^oC의 NaCl 수용액에 24시간 씩 3회에걸쳐 총 72시 간동안담지하였다. ^{이를증류수로세척한후 다시} 120^oC

에서건조시키고 pellet 형태로성형하였다. 이후각각 500^oC

및 700^oC^{의고온에서} 2^{시간 동안소성한후 실험에사용하}

였다. 상용제올라이트인 13X와 5A는 모두지름 2~3mm의 구형알갱이형태였고, AK1^과 AK2^{는 가로}, ^세로, ^높이각

각 5~6mm의 정사각형 형태로 소성하여 사용하였다.

2.2 이산화탄소 흡착성능 실험

상용제올라이트및개질한 흡착제의이산화탄소흡착성 능을알아보기 위하여그림 1과 같은실험 장치를구성하

였다. ^{실험장치에는순도} 99.99 %^{의질소와순도} 99 %^의

이산화탄소가 유입되도록하였으며, 이 때 질소의 유량은

1~5L/min^{로다양하게변화시키고}, ^{이때 이산화탄소의유량}

을 4~25mL/min 등으로 조절하여초기이산화탄소의농도

를 5,000ppm^{으로일정하게하였다}. ^{이산화탄소흡착제를단}

면 지름 3.75cm, 길이 21cm, 부피 232mL의 quartz로 제작 된이산화탄소흡착반응기에충진하였으며, ^{이때충진량은} 30g과 70g의두가지경우로나누어실험을수행하였다. 이 산화탄소흡착반응기를통과한후의이산화탄소농도는비 분산적외선 (Non-dispersive infrared; ND IR) 방식의이산화

탄소 센서 (SenseAir사, 스웨덴)로 측정하여흡착제의이산

화탄소저감성능을파악하였다. 또한, 흡착제의충진량과유

량에따른영향을알아보기위하여유량을 1~5L/min으로변

화시키고, 충진량도 30g과 70g으로바꾸면서시간에따른이 산화탄소 흡착성능을 알아보았다.

2.3 지하철 객차의 이산화탄소 저감 실험

그림 2와같이이산화탄소농도 측정기를실험용 전동차 에 설치하여이산화탄소저감장치 가동에따른객실에서의 이산화탄소저감성능을파악하였다. 실험용전동차는수도 권 지하철구간운행에사용되었던전동차로하였다. ^객실

은 좌우대칭형태이므로객실내부의절반을비닐로차단

하여 객실의 1/2 ^{공간을대상으로이산화탄소저감장치한}

대를객차의바닥면으로부터 2.0m 높이에 설치하여실험 을 수행하였다. ^{실제전동차에적용할때에는저감장치두}

대를진행방향으로전동차의앞부분과뒷부분에각각한대 씩 장착할 수 있도록 설계하였다.

이산화탄소저감장치에사용된이산화탄소흡착제는 AK2

였으며, ^{사용된양은} 4kg^이었고, ^유량은 3m³/min ^이었다. ^객

실 내 실험공간의크기는길이 10.0m, 폭 2.9m, 높이 2.3m

로서총부피는 66.7m^3이었다. ^{여기에이산화탄소를인위적}

으로넣어주고, 혼합팬을이용하여객실내에이산화탄소 가 고르게분포하도록하였다. 이후이산화탄소저감장치를 가동시키는 경우와가동시키지않는 경우의이산화탄소농 도 감소 경향을 파악하였다.

이산화탄소농도변화를모니터링하기위하여그림 2와같

이 두개의 CO² monitor^{를 이산화탄소저감장치의공기유}

입구아래 부분과공기토출구아랫부분에지상에서 1m 높 이에 각각설치하였다. 이렇게 두 개의 CO2 monitor를 사

용한것은 CO2 monitor 2의상부 위치에서이산화탄소저

감장치로공기가유입되고 CO² monitor 1^{의상부위치로처}

Table 2 Preparation of carbon dioxide adsorbent

Classification 13X 5A AK1 AK2

Maker UOP Anytech

Synthesis Synthetic zeolite Ion-exchanged zeolite

Cation sodium calcium sodium

calcium

sodium calcium lithium Calcination

temperature (^oC) none 500 700

BET surface area

(m²/g) 474 37 108 110

Size (mm) 2 2 5 5

Hardness

(kgf/cm²) 4.0 3.5 3.0 2.5

Fig. 1 Experimental set-up for CO2 adsorption

Fig. 2 Schematic diagram of CO2 removal test in subway cabin

리된공기가나오기 때문에이에따른영향을알아보기위 함이었다.

3. 실험 결과

상용제올라이트계이산화탄소흡착제를대상으로질소유

량을 1.6L/min으로고정시키고, 이산화탄소를일정하게흘

려주어초기이산화탄소농도를 5,000ppm^{으로조절한후에}

이산화탄소흡착제의충진량을 30g과 70g으로하였을때의 흡착성능을비교결과를그림 3^{에나타내었다}. ^실험결과, 30g

을충진한경우 13X는 132분, 5A는 345분동안흡착이진 행되었고, 70g^{을충진한경우} 13X^는 302^분, 5A^는 398^{분 동}

안흡착이진행되어충진량이많은 경우흡착도더 오랫동

안일어남을알수 있었다. ^또한, 13X^보다는 5A^{가흡착 성}

능이 더욱 우수한 것으로 나타났다.

13X^{에 흡착된 이산화탄소의양은충진량이} 30g^{일 경우}

0.63L, 70g일 경우 1.15L이었으며, 이산화탄소의 상온·상

압에서의밀도를 1.98g/L^{로가정하였을경우에질량은} 1.25g,

2.28g이며, 이는 각각 22.72mmol과 51.81mmol에 해당하므 로흡착제 1g ^당 0.76mmol^과 0.74mmol^{의 이산화탄소가흡}

착된것을알 수있었다. 따라서충진량이변화해도단위중 량당 이산화탄소 흡착량은 큰 변화가 없었다.

5A에 흡착된 이산화탄소의 양은 충진량이 30g일 경우

1.45L, 70g^일경우 1.94L^이었으며, 13X^{와마찬가지방법으로}

계산하면, 각각 2.87g, 3.84g이고, 이는 65.21mmol, 87.25mmol

이므로, ^흡착제 1g ^당 2.17mmol^과 1.24mmol^{의 이산화탄소}

가흡착하였다. 따라서 5A가 13X보다단위중량당이산화

탄소를 1.6~2.8배가량 더 잘 흡착함을알 수 있었다. 그러

나 5A는 13X와 달리충진량이증가하면단위중량당 이산

화탄소흡착량이 43% ^{가량감소함을볼수있었다}. ^이는흡

착반응기의 단면적이일정한상태에서 충진량을증가시키 면충진층의길이가증가하는데, 충진층의길이가길어지면 서앞 부분에서흡착이 잘 일어나뒷 부분에서는흡착성능 이떨어지면서 전체적인단위중량당흡착량은감소하는 것

으로보인다. 13X에서는 이와같은현상이나타나지않은

것은 13X^{는충진층의앞부분에서흡착이충분히일어나지}

않으므로, 상대적으로고농도의이산화탄소가흐르면서뒷 부분에서도고르게이산화탄소가흡착이일어나기때문인것 으로보인다. 따라서, 5A를이산화탄소흡착제로사용하기 위해서는가능한한단면적은넓게하고충진층의높이는낮 추는 것이 더 효율적일 것으로 판단된다.

제올라이트가초기에이산화탄소를잘 흡착할수 있는것 은 제올라이트에잘 발달된 pore와 channel 등으로인하여 비표면적이크고, 이산화탄소를잘 흡착하는실리카 (SiO2)

와알루미나 (Al²O³) 등으로구성되어있기때문이다. 13X

에비하여 5A 제올라이트는 Si/Al 비율이낮아서 염기성이 더약하기때문에이산화탄소흡착성능이 약간낮게나타난 다. 두제올라이트 모두흡착가능한 양이상의이산화탄소 가유입되면 흡착점이포화되기때문에 이산화탄소흡착량

이 급격히 떨어졌다.

본실험에서개질하여제조한두가지타입의제올라이트 계 이산화탄소흡착제의흡착성능을비교한결과를그림 4

에 나타내었다. AK1과 AK2는 상용제올라이트인 13X 및

5A와 초기에는유사한이산화탄소흡착특성을나타냈으나,

흡착지속시간은크게증가하여흡착성능이훨씬우수한것 으로 나타났다. 흡착한이산화탄소의양은 충진량이 30g인 경우 AK1과 AK2가 각각 3.10L, 1.55L이었으며, 이를질량 으로 환산하면 6.14g, 3.07g이고, 이는 각각 139.5mmol과

69.8mmol에 해당하므로, 흡착제 1g 당 각각 4.65mmol과

2.33mmol을 흡착함을알 수있었다. 특히 AK1은 5A에 비 해 2.1배 이상흡착량이커서개질한제올라이트의흡착성 능이더욱우수함을확인할수있었다. 이처럼 AK1과 AK2

의 초기이산화탄소 흡착성능이 13X 및 5A에 비하여우수 한 이유는이들흡착제가알칼리물질로구성되어산성가스 인 이산화탄소와의산-알칼리중화반응을유도할수 있으 며, 또한양이온 교환을통해이산화탄소와화학적흡착형 Fig. 3 Outlet CO2 concentration for conventional zeolites at various loading amounts under 1.6L/min of N2 flow rate

Fig. 4Outlet CO2 concentration for modified zeolites at various loading amounts under 1.6L/min of N2 flow rate

성을 더 용이하게 하였기 때문이다.

충진량이 70g인 경우흡착한이산화탄소의양은 AK1과

AK2가 각각 4.03L, 3.23L이었으며, 이를질량으로 환산하

면 7.98g, 6.40g이고, 이는각각 181.3mmol과 145.4mmol이 며, 흡착제 1g 당 각각 2.59mmol과 2.08mmol의 이산화탄 소가흡착되었음을 알수 있었다. 충진량이증가하면 AK1

과 AK2 모두 5A와 마찬가지로단위중량당이산화탄소흡

착량이감소하는것을볼수있었는데, 특히 AK1의흡착량 이크게감소하였다. 이는 5A의경우와마찬가지로흡착반 응기의단면적이일정한 상태에서충진량이증가함에 따라 충진층의길이가길어지면서 앞부분에서흡착이잘 일어나 뒷부분에서는흡착성능이떨어지면서전체적인단위중량당 흡착량은 감소하는 것으로 보인다.

위의실험에사용된개질한 제올라이트계이산화탄소흡 착제 AK1과 AK2를대상으로이산화탄소농도를동일하게 한조건에서 질소와이산화탄소혼합가스의유량을 다양하 게변화시킨경우에대한각흡착제의이산화탄소흡착특성

을 그림 5~6에나타내었다. 실험결과 AK1과 AK2 모두 유

량이 1L/min으로낮을때는흡착이오랫동안 지속됨을볼

수 있었으나, 2L/min 이상 증가시흡착지속시간이급격하

게 감소함을볼수있었다. 이는이산화탄소가흡착하기위 해서는이산화탄소의흡착반응기내체류시간이 길어야함 을 의미한다.

3.2 지하철 객실의 이산화탄소 저감

본 실험에서는전동차객실용이산화탄소저감장치를제

작하여실제차량에설치하고초기농도를약 5,000ppm으

로 설정한후 장치를 가동하였을때와가동하지않았을때 의 이산화탄소 농도변화를 그림 7 (CO2 monitor 1)과 그 림 8 (CO² monitor 2)^{에 나타내었다}.

실험결과이산화탄소저감장치를가동하지않은경우에도 이산화탄소농도가자연적으로감소하는것을볼 수있었는 데, 초기이산화탄소 농도가 4,988ppm이었던 CO2 monitor

1^에서는 2,500ppm^{에도달하기까지} 103^{분이소요되어이산}

화탄소농도저감속도는 24.2ppm/min이었고, 초기이산화탄 소농도가 4,690ppm^이었던 CO² monitor 2^에서는 2,500ppm

에 도달하기까지 101분이소요되어 이산화탄소농도저감

속도는 21.7ppm/min^이었다. ^{이처럼이산화탄소농도가자연}

적으로감소하는것은전동차객차의특성상출입문, 연결 막등의틈을통하여외기가유입되어객실의이산화탄소농 도가 희석되어 저감되기 때문이다.

이산화탄소저감장치를가동한경우, ^{초기 이산화탄소농}

도가 5,048ppm이었던 CO2 monitor 1에서는 2,500ppm에도 달하기까지 44^{분이소요되어이산화탄소 농도저감속도는} 57.9ppm/min이었고, 초기이산화탄소농도가 4,326ppm이었 던 CO2 monitor 2에서는 46분이 소요되어이산화탄소농도 저감속도는 39.7ppm/min이었다. 따라서 전동차에서이산화 탄소저감장치를가동할경우이산화탄소농도를짧은시간 에 낮출수있으며, 외기의유입으로인한이산화탄소의자 연감소를 감안할경우저감장치에 의한이산화탄소저감효

과는 52.9%인 것으로 나타났다.

Fig. 5Outlet CO2 concentration for 30g of AK1 under various flow rates condition

Fig. 6Outlet CO2 concentration for 30g of AK2 under various flow rates condition

Fig. 7CO2 concentration change monitored by CO2 monitor 1 with CO2 removal system on and off

또한, CO² monitor 2보다는 CO² monitor 1에서저감속도 가 더 크게 나타났는데, 이는 CO2 monitor 2의 상부위치 에서이산화탄소저감장치로공기가유입되고 CO² monitor 1의 상부위치로이산화탄소가제거된 공기가나오기때문 이며, 향후본저감장치를전동차내에적용할 경우처리된 공기가 더욱고르게객실 내부로 퍼질수 있도록하는 시 스템이 필요할 것으로 보인다.

본실험에서는전동차의대칭을감안하여전체체적의절 반을실험공간으로사용하였다. 공간의체적은 66.7m³이며,

이산화탄소저감장치의성능실험에사용된저감장치의처리 유량은 3m³/min이므로환기율은 2.7회/h이었다. 즉, 약 22분 마다한 번 씩전동차내부의공기가 이산화탄소저감장치 를 통과하는것이된다. 실제실험에서는초기이산화탄소 농도인 5,000ppm을 2,500ppm으로낮추는데 44~46분이소 요되므로본 처리장치를약 2회 통과해야함을의미한다.

4. 결 론

본연구에서는기존의상용제올라이트계이산화탄소를개 질하여보다 이산화탄소흡착성능이우수한이산화탄소 흡 착제를개발하였다. 이렇게개발한이산화탄소흡착제를충 진한소형 이산화탄소흡착장치에적용하여초기 이산화탄

소농도가 5,000ppm인전동차객실의이산화탄소농도를약

45분만에 2,500ppm까지 낮출수 있었다. 따라서 전동차에

서 이산화탄소저감장치를가동할 경우이산화탄소농도를 짧은시간에 낮출수있으며, 외기의유입으로인한이산화 탄소의 자연감소를감안할경우 저감장치에의한이산화탄 소 저감효과는 52.9%인 것으로 나타났다.

향후 흡착제의성능개선및유동해석을통한저감장치의 개량으로실제운행되는전동차의이산화탄소농도를 ‘대중 교통수단 실내공기질가이드라인’에서정한비첨두시간의

3,500ppm, 첨두시간의 2,500ppm 이하로유지할수있을것

으로 기대된다.

감사의 글

본 연구는국토해양부미래도시철도기술개발사업(도시철 도 터널및차량의공기질개선기술개발연구단)의 일환으 로 수행되었습니다.

참고문헌

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접수일

(2010

2

17

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(2010

12

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),

게재확정일

(2010

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Fig. 8CO2 concentration change monitored by CO2 monitor 2 with CO2 removal system on and off