공기청정기의 톨루엔 제거능력 시험방법 비교 분석
김학준⋅한방우⋅김영복⋅김용진* 한국기계연구원 청정환경기계연구센터
Comparison of test methods for toluene removal performance of air cleaners
Hak-Joon Kim⋅Bangwoo Han⋅Young-bok Kim⋅Yong-Jin Kim*
Environmental System Research Center, Korea Institute of Machinery & Materials(KIMM)
Abstract
The removal efficiency of VOC was tested for five air cleaners selected in terms of type and cleaning performances. Toluene, representative VOCs, was selected and used as the test gas. In order to indicate toluene removal capacity, toluene removal efficiency in a chamber and a duct was investigated with different measurement devices such as gas detecting tubes and GC/MSD. Changes in toluene concentration in the chamber were measured with GC/MSD. The test results showed that the performances of the test models in the test chamber were superior to those in the duct, however, they did not differentiate the performances of test models. According to our test study, toluene removal capacity calculated from the changes in toluene concentration with time was a good indicator for VOCs removal performance.
Keywords ：Toluene removal performance, Test methods, Air cleaners
1. 서론
산업화와 도시화 이후 각종 건축물에서 에너지 절약 및 효율을 높이기 위해 단열화 및 밀폐화가 강화됨에 따라 실내에서 발생된 오염 공기가 계속 적으로 순환되면서 실내 공기의 질이 악화되고 있 다. 도시생활에서는 사람이 하루의 80∼90% 시간 을 실내에서 생활하고 있고 외부에서 유입되는 오 염물질 외에도 실내 건축물 또는 가구 등에서 배 출되는 유해 오염물질이 지속적으로 증가하고 있 기 때문에 실내 오염원에 노출될 확률이 매우 높 아지고 있다. 최근 들어 이러한 실내 오염물질의 오염농도가 점차 증가하여 장시간 실내에서 활동 을 하는 사람 중에 두통, 현기증, 안질, 후두염 등 건물증후군(SBS; Sick Building Syndrome)이라는 질병의 발생 사례가 보고되고 있다(Anderson et al., 1997).
이와 같이 날로 악화되어가는 실내 공기질을 개 선하는 방법에는 환기를 이용하는 방법, 친환경 건축자재의 사용으로 오염물질 방출을 근원적으 로 억제시키는 방법, 그리고 공기청정기와 같은 실내 공기정화기를 사용하는 방법 등이 있다. 그 러나 친환경 건축자재의 사용은 건축자재 이외의 다른 실내 오염원를 제거하기는 어렵기 때문에 기 본적인 한계가 있고, 신선한 외기 도입을 통한 환 기 방법 또한 에너지 소비의 과대한 증가가 발생 할 수 있고 대기 오염 심화로 인해 환기 시 실내 공기질이 더욱 악화되는 우려 때문에 최근 들어 대도시를 중심으로 실내 공기청정기의 사용이 증 가하고 있다(손종렬 외, 2002). 특히 새집의 건축 자재나 단열재 등에서 방출되는 휘발성 유기화합 물(VOCs)이나 포름알데히드(HCHO)는 불쾌감, 재 채기, 구토, 호흡 곤란 등의 증상을 일으키는 원인
이 되는 물질이기 때문에 향후 공기청정기의 휘발 성 유기화합물 및 포름알데히드 제거성능에 대한 관심이 더욱 고조될 전망이다(Niu et al., 2001).
현재 한국공기청정협회와 일본전기공업회의 공 기청정기 탈취성능 시험규격 (SPS-KACA002-132, 2006; JEM 1467-1995, 1995)들은 흔히 3대 생활악 취로 불리는 암모니아, 초산, 아세트알데히드의 제거 기능에 그 중점을 두고 있으며, 현재까지 VOC나 포름알데히드 등의 유해물질 제거성능에 대한 객관적이고 표준화된 방법은 아직까지 존재 하고 있지 않은 실정이다. 특히 VOCs는 600여종 이 넘고 그 위해성이나 기준농도에 대한 각각의 개별적 파악이 어려울 뿐만 아니라 그 측정, 분석 및 평가도 쉽지 않은 상황이다. 이러한 상태에서 공기청정기의 VOCs나 포름알데히드의 제거효율 을 측정하고 평가하는 것은 그 측정기법에 따라 결과가 많이 달라질 수 있다. 그럼에도 불구하고 이러한 유해물질의 제거 기능에 대한 객관적인 기 준 제시가 매우 요구되고 있는 상황이므로 본 연 구에서는 대표적인 VOC 물질인 톨루엔의 제거성 능시험을 SPS-KACA002-132에서 규정하고 있는 챔버법과 KS 9314에서 규정하고 있는 덕트법으로 시험하여 그 성능을 비교하였다. 또한 GC/MSD를 이용하여 시간에 따른 톨루엔감소율을 이용해 가 스제거적용면적을 구해봄으로써 객관적인 공기청 정기의 톨루엔제거성능평가에 대한 새로운 방법 을 제안하고자 한다.
2. 실험 방법
2.1 공기청정기 및 대상 가스의 선정
시험대상 공기청정기는 풍량이 2∼6CMM대이
고 한국공기청정협회의 CA(Clean Air) 탈취효율이 60~90% 효율을 가지는 공기청정기로서 복합식 4 대와 전기집진식 1대의 총 5대를 선정하였다. 시 험대상 공기청정기의 청정화 방식과 한국공기청 정협회의 CA 성능시험 결과를 Table 1에 정리하 였다.
대상가스로는 새집의 건축 자재나 단열재 등에 서 방출되는 휘발성 유기화합물(VOCs)중 가장 대 표적인 톨루엔을 대상가스로 선정하였다. 사용된 톨루엔의 물성은 Table 2에 정리하였다.
2.2 실험방법
2.2.1 챔버법
챔버법에 의한 가스제거효율시험은 기본적으로
한국공기청정협회 SPS-KACA002-132 규격의 탈취 시험과 거의 유사하며 그 장치의 구성은 그림 1과 같다. 가로 1.4m, 세로 1.4m, 높이 2.0m의 직육면 체로 부피가 4.0㎥인 시험 챔버를 사용하였고 시 험가스인 톨루엔을 Bubbler법을 이용하여 주입한 후 챔버의 초기 농도가 17∼20ppm의 범위가 되도 록 주입유량과 시간을 조절하였다. 초기 농도가 범위 내의 일정한 값에 도달하면 공기청정기를 작 동시키고 30분 후 챔버 내의 가스 농도를 측정하 여 가스제거효율을 측정하였다. 가스 농도측정에 는 톨루엔 검출용 검지관(GASTECH)과 GC/MSD (Model 6890N/5973N, Agilent, USA)를 사용하였다.
시험 중 챔버내 온도는 20℃±10%, 습도는 45%±
10%로 유지시켰다.
Table 1. General performances of selected five air cleaners.
Co. A B C D E
Type Complex (particle+gas+
photocatalysis+ion)
Complex (particle+gas+
photocatalysis+ion)
Complex (particle+gas+
photocatalysis+ion)
Complex (particle+gas+
photocatalysis+ion)
Electrostatic (electrostatic+gas) Flow rate
(CMM) 6.1 5.4 4.8 2.9 6.0
Air Cleaning
Capacity(Pyung) 10.8 10.3 9.0 4.3 10.9
Odor removal
efficiency(%) 76 95 88 66 61
※ particle=particle filter, gas=gas filter (activated carbon filter), ion=negative ion, electrostatic=electrostatic precipitation
Table 2. Properties of the tested gas.
Phase M.W.(g/mol) Boiling
temp.
(℃)
Melting temp.
(℃)
Density
(g/c㎥) Solubility in water
(g/100ml) Danger Characterisitics Toluene
(C7H8) liquid 92.14 110.6 -93 0.8669 0.053 (20℃.) cancerogenic colorless liquid unique smell
2.2.2 덕트법
덕트법에 의한 가스제거효율시험은 그림 2에 서 보는 것과 같이 사각 덕트(600×600)의 중심부 에 공기청정기를 올려 놓고 공기청정기의 공기 흡 입부와 토출구를 덕트의 상 하단에 각각 연결한 다. 덕트의 후단부에는 일정유량을 배출할 수 있 는 송풍기가 장착되어 있고, 전단에는 시험체에 균일한 농도의 가스가 공급될 수 있도록 교반팬을 장착하였다. 그리고 가스 공급은 챔버법과 동일하 게 Bubbler법을 사용하였다.
3. 실험 결과
3.1 챔버법과 덕트법에서의 검지관, GC/MSD 측 정법 비교
그림 3은 챔버법에서 검지관과 GC/MSD의 측정 결과로서 청정기 작동 전 챔버의 초기농도를 4회 측정시 검지관과 GC/MSD에 의한 측정값 차이를 나타내고 있다. 최대 9% 오차를 제외하고 오차범 위가 5%미만으로 두 계측 결과가 매우 유사함을 알 수 있었다.
Fig. 1. Experimental apparatus for the toluene removal performance test of air cleaners in the chamber.
Fig. 2. Experimental apparatus for the toluene removal performance test of air cleaners in the duct.
다음으로 덕트법에서 검지관과 GC/MSD에 의한 농도 측정값 또한 비교하여 보았다. 그림 4에서 보는 것과 같이 검지관에 의한 측정값이 최대 44% 정도 GC/MSD로 측정한 농도에 비해 적게 나타났다. 이는 덕트법의 경우 검지관 내부로 기
체를 흡입하는 조건이 일정하지 않고, 그 흡입량 또한 정지된 기체를 흡입하는 챔버법에서 보다 작 았기 때문으로 사료된다.
이상의 톨루엔을 이용해 검지관과 GC/MSD를 비교한 결과를 분석하면 검지관의 경우 측정하는
0 4 8 12 16 20
1 2 3 4
# of tests
C onc ent ra tion( pp m )
D etec ting tube GC /MSD
Fig. 3. Measured background concentrations in the test chamber with different measurement devices.
0 4 8 12 16 20
1 2 3
# of tests
T oluene c onc ent ra tio n( ppm )
Detecting tube GC/MSD
Fig. 4. Measured concentrations before the test models in the test duct with different measurement devices.
실험자에 따라 검지관 펌프를 사용하여 포집할 때 흡입속도가 다를 수 있고 검지관 농도선을 읽는 기준 또한 틀릴 수 있기 때문에 측정오차가 10%
이상으로 상당히 높을 수 있다. 따라서 이후 시험 의 농도 측정은 GC/MSD로 하였다.
3.2 챔버법과 덕트법에서 톨루엔 제거효율 비교 그림 5는 다섯 모델에 대한 챔버법과 덕트법에 서의 톨루엔 가스제거효율의 비교 결과를 보여주 고 있다. 그림에서 보는 것처럼 챔버법의 경우 공 기청정기 작동 30분 후 가스농도가 모두 약 18ppm에서 0ppm으로 감소하였다. 다섯 모델 모두 청정화형식에 상관없이 95% 이상의 높은 가스제 거효율이 나타났다. Table 1의 기존 CA 탈취성능 과 비교하였을 경우 본 톨루엔 제거성능이 매우 우수하게 나타나 CA 탈취성능과의 유사성을 확인 하기 어려웠다.
덕트법의 경우 그림 5에서 보는 것처럼 A, E사 모델의 가스제거성능이 나머지 모델에 비해 낮게
나타났으며 B, C, D사 모델의 경우 약 50% 제거 효율을 보였다. 덕트법에 의한 제거효율의 경우는 다섯 모델의 CA 탈취성능과 유사한 경향을 보였 다.
한편, A사 모델을 기준으로 챔버법과 덕트법에 서 농도 변화가 가스제거효율변화에 영향을 미치 는지 확인해 보았다. 그림 6에서 보는 것처럼 농 도 변화에 따른 효율을 측정한 결과 챔버법과 덕 트법 모두 농도에 따른 효율 변화가 최대 5% 이 하로 거의 없는 것을 나타났다.
이상의 톨루엔을 이용한 챔버법과 덕트법에서 제거효율을 비교한 결과를 분석하면, 챔버법의 경 우 대부분의 모델이 초기 농도와 상관없이 높은 제거성능을 나타내어 각 제품 사이의 성능 차이를 변별하는데 어려움이 있었지만 덕트법의 경우는 각각의 성능 수준을 변별할 수 있었다. 그러나 실 제 실내 환경에서 공기청정기는 밀폐된 공간에서 장시간 실내공기를 순환시키면서 정화시키기 때 문에 챔버법에서의 가스제거율 측정법이 실제 공
0 20 40 60 80 100 120
A B C D E
Model
R emo va l e ffi ci en cy( % )
Chamber Duct
Fig. 5. Toluene removal efficiency of the five test models in the chamber and duct.
기청정기의 가스제거성능에 더욱 유사하다고 할 수 있다. 따라서 챔버법에 의하면서 공기청정기의 가스제거성능을 변별할 수 있는 다른 시험법이 필 요할 것으로 판단된다.
3.3 시간별 가스농도 변화에 의한 톨루엔제거 효율 비교
앞에서 본 것과 같이 공기청정기가 실질적으로 적용되는 상황에 적합한 챔버법으로 30분 전, 후
0 20 40 60 80 100 120
0 5 10 15 20 25
Initial concentration(ppm )
Removal efficiency(%)
Cham ber Duct
Fig. 6. Changes in toluene removal efficiency by different initial conditions in the chamber and duct.
0 4 8 12 16 20
0 5 10 15 20 25 30 35
Time(min)
C onc ent ra tion (ppm )
A B E
Fig. 7. Changes in concentrations of the three test models by time in the chamber.
배경농도에 따른 가스제거효율을 비교해본 결과 다섯 모델 모두 95% 이상의 제거성능을 보여 각 각에 대한 상대적인 성능 비교가 어려웠다. 이는 공기청정기의 가스제거성능이 점차적으로 우수해 지면서 4㎥ 챔버에서 30분의 공기청정기 가동시 간이 지나치게 길게 선택되어진 것으로 판단된다.
따라서 챔버 내에서 시간에 따른 농도 감소 변화 를 통해 공기청정기의 가스제거성능을 비교해 보 았다. 다섯 모델 중 톨루엔 제거성능과 청정화 방 식이 다른 세 모델(A, B, E모델)을 선정하여 시간 에 따른 톨루엔 감소량을 측정하였다.
그림 7에서 보는 것과 같이 B사 모델인 경우 가장 빨리 챔버 내 톨루엔 농도가 감소하였으며, E모델이 가스감소율이 가장 낮게 나타났다. 이는 챔버법, 덕트법에서 본 톨루엔 제거효율과 동일한 경향성을 보여주고 있다.
시간에 따른 톨루엔제거능력을 한국공기청정협 회 규격(SPS-KACA002-132)에서 규정하고 있는 분진 청정화능력 계산식을 이용해 산출해보았다.
가스제거능력 P는 다음과 같다.
P = V t { ln ( C C
i 2t 2- C C
i 1t 1) } (1) 여기서,
P : 가스제거능력(㎥/min) V : 시험챔버 체적(㎥)
t : 운전감소기의 측정시간(min), 챔버내 잔 류농도가 초기농도의 1/3이 되는 시점 Ci1 : 자연감소시 측정개시점 t=0에서의 톨루
엔농도(ppm)
Ci2 : 운전감소시 측정개시점 t=0에서의 톨루 엔농도(ppm)
Ct1 : 자연감소시 측정개시점 t분에서의 톨루 엔농도(ppm)
Ct2 : 운전감소시 측정개시점 t분에서의 톨루 엔농도(ppm)
식 (1)을 이용하여 A, B, E 모델의 가스제거능 력값을 구해보면 각각 0.940, 1.069, 0.577 ㎥/min였 다. 이 수치를 적용면적으로 산출하면 적용면적 S
= 2.4P 식에 의해 세 모델은 각각 1.26, 2.57 및 1.38평이었다. 가스제거성능을 시간에 따른 감소 율을 통한 적용면적으로 산출할 경우 분진 적용면 적(Table 1)보다 매우 낮게 나타나는 것을 확인할 수 있었다. 그렇지만 이와 같은 시간에 따른 가스 농도변화로부터 공기청정기의 가스제거성능을 제 시하는 방법은 기존의 챔버법 방법으로 분별하기 어려운 성능의 차이를 쉽게 분별하고 평가하는 좋 은 방법이 될 것으로 판단된다.
4. 결론
이상의 성능시험 및 분석연구로 얻을 수 있는 결론은 다음과 같다.
1) 휘발성 유기화합물(VOCs) 중 대표적인 톨루 엔의 경우 챔버법에 의한 공기청정기의 가스제거 성능을 GC/MSD 분석 방법을 통해 정량적으로 분 석, 비교할 수 있었다.
2) 챔버법으로 공기청정기의 가스제거성능을 수행할 경우, 검지관과 GC/MSD의 정량적인 가스 농도 측정값이 거의 일치함을 확인할 수 있었다. 한편, 덕트법에서는 검지관 측정값이 GC/MSD에 비해 낮게 나타났다.
3) 덕트법에 의한 톨루엔제거효율은 챔버법에 의한 제거효율보다 매우 낮게 나타났다. 이는 단 일 패스로는 충분한 가스제거 성능을 보이지 못하
더라도 챔버 내에서 지속적으로 순환하면서 톨루 엔을 충분히 제거할 수 있음을 보여준다. 4) 덕트법을 통해 초기 농도 변화에 따른 가스 제거성능 비교를 수행해본 결과, 초기 농도값의 변화에 관계없이 공기청정기의 톨루엔 제거효율 은 일정함을 확인할 수 있었다.
5) 챔버법으로는 톨루엔 제거성능이 우수하게 나타나 공기청정기 간의 가스제거성능을 구분하 기 어려웠지만 시간별 톨루엔 농도감소율을 통해 서 성능 비교가 가능할 수 있었다.
감사의 글
본 논문은 한국공기청정협회에서 지원한 공기 청정기 가스제거효율 시험방법 기준 개발 연구 용 역사업의 일환으로 수행되었으며, 이에 감사드립 니다.
참고문헌
손종렬, 김영환, 우완기 (2002). 실내용 공기청정기 의 성능평가 및 인식도 조사, 대한위생학회지, 제17권 111-116.
Anderson, K., Bakke, J. V., Bjorseth, O., Bornehag, C.G., Clausen, G., Hongslo, J.K., Kjellman, K., Kjaergaard, S., Levy, F., Molhave, L., Skerfving, S., and Sundell, J. (1997). TVOC and health in non-industrial indoor environments, Indoor Air, 7, 78-91.
Daisey, J.M. and Hodgson, A.T. (2003). Initial efficiencies of air cleaners for the removal of nitrogen dioxide and volatile organic compounds, Atmospheric environment, 23, 1885-1892.
JEM 1467-1995 (1995). Air cleaners of household and similar use, Japanese Electrical Manufacturers Association Standard
Niu, J.L., Tung, T.C.W. and Burnett, J. (2001).
Quantification of dust removal and ozone emission of ionizer air-cleaners by chamber testing, J. of Electrostatics, 51/52, 21-24.
KS C 9314 (2002). Air cleaner, Korean Industrial Standard
SPS-KACA002-132 (2006). Indoor air cleaner, Korea Air Cleaning Association Standard
