05 미세먼지 처리기법 원리 및 기술 개발 동향

특집 미세먼지 해결을 위한 국토분야의 대응 방안

머리말

대기 중이나 특정한 환경하에 존재하는 미세입자들을 제어하는 기술들은 각종 과학기술 분야에서 광범위하게 응용되고 있으며, 산업적으로도 중요한 위치를 차지하고 있다. 특히 대기 중에 존재하는 미세입자들은 대기오염 물질로서 시계를 저하시키고, 인체에 치명적 인 영향을 줄 수 있기 때문에 이를 제거하기 위한 기술들이 지속적으로 개발되고 있다(김 정곤, 경대승, 이성희 2019).

미세입자 제거 기술에는 미세먼지를 전기적으로 대전시키거나, 인위적인 응집을 통해 일 정한 크기의 입자로 변환시키는 기술, 입자의 거동을 인위적으로 제어 · 분리하는 기술 등이 있다. 이는 기존의 대기오염 방지 기술과 더불어 최근 관심이 집중되고 있는 미세먼지 제거 장치의 기본 메커니즘으로 활용되고 있다(경대승, 이경희, 조동길 2018). 즉, 대기 중의 미 세입자 제거 기술은 인위적으로 외력을 가하거나, 공기의 흐름 가운데 장애물을 설치하여 미세입자를 분리해내는 원리를 기본적으로 이용하고 있다. 이 글에서는 대표적인 미세먼지 처리기법의 원리를 이해하고 이를 활용한 최신 기술 개발 동향에 대해 살펴보고자 한다.

미세먼지 처리기법의 원리

전기집진기는 정전기력을 이용하여 먼지 및 미스트(mist) 등의 입자들을 코로나 방전에 의해 하전(荷電)시킨 후 집진전극 표면으로 이동시켜 포집하는 원리를 이용한다. 구체적

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경대승 | LH 토지주택연구원 책임연구원([email protected])

미세먼지 처리기법 원리 및

기술 개발 동향

油)연소 보일러를 비롯하여 발 전소, 시멘트 소성로, 유리 용 해로, 제철 제강로, 소각로 등 주로 다량의 먼지가 배출되는 발생원에 효율적으로 사용될 수 있다. 정전기력에 의해 먼지

를 포집하기 때문에 기계적인 집진 기술에 비해 입경이 작은 입자의 제거에 효과적이며, 장기간 운전이 가능하여 유기물의 회수, 제품의 품질 향상, 공기 조화 등 광범위한 분야에 서 활용될 수 있다.

2. 여과 집진(필터)

필터는 기상(氣相)이나 액상 중의 작은 고형물을 제거하기 위한 여과체로, 미세먼지를 제 어하기 위해 주로 사용하는 섬유필터는 연소가스로부터 입자상 오염물질을 분리하는 데 매우 효과적이다. 필터에 있어서 단일섬유의 포집원리는 관성, 차단, 확산, 중력에 의한 메커니즘이 작용하며, 단일섬유 자체도 일부 먼지를 포집하지만 직물 위에 빠르게 쌓인 먼지 입자층에 의해 더욱 효율적으로 입자가 포집된다. 필터는 섬유의 종류, 필터의 형태,

<그림 2> 여과 집진(필터)의 원리

Transparent, Reusable, Active

PM filter

Ag NW Percolation

Network PM

+ Voltage

Polluted Air Filtrated Air

출처: 오가희 2017.

출처: sejinmax.yesoni.co.kr/html/skill_principle.php (2019년 5월 30일 검색).

분진, 가스 깨끗한 공기

특집 미세먼지 해결을 위한 국토분야의 대응 방안

집진기 내의 필터 배치 방법, 처리가스가 필터로 유입되는 방법 등에 따라 다양하다. 필터 의 형태를 인위적으로 조작할 수 있기 때문에 여러 가지 형태의 먼지를 포집할 수 있으며, 설계규모에 따라 처리용량을 조절할 수 있다. 또한 다양한 압력 저항의 조건에서 운전할 수 있으며, 다른 집진 방식에 비해 가격이 저렴하다는 장점을 지닌다.

3. 원심력 집진

원심력 집진은 먼지를 함유한 공기를 원통 내에서 회전시켜, 그 원심력으로 먼지를 외측 으로 분리시켜 집진하는 원리를 이용한다. 일반적으로 처리 풍량은 지름의 제곱에 비례하 여 증가하며, 지름이 커질수록 집진 가능한 한계입자의 크기도 커진다. 따라서 미립자를 포집하기 위해서는 소형 사이클론을 필요한 수만큼 병렬로 설치해야 하는데, 이처럼 다수 의 소형 사이클론을 이용하는 방식을 ‘멀티 사이클론’이라 일컫는다. 사이클론은 구조가 비교적 간단하고, 관리도 수월하여 널리 이용되지만 운전 시 압력손실이 높아 에너지 소 비가 많고 마모성 분진에 취약하다는 단점을 지닌다.

4. 촉매 반응

촉매는 반응속도 변화 및 반응 개시 등의 역할을 수행하며, 배기가스의 질소산화물(NOx) 및 황산화물(SOx) 처리 시 산화환원 반응에 주로 활용된다. 빛을 흡수해서 촉매반응을 일 으켜 각종 세균과 오염물질을 분해시키는 반도체 물질로 광촉매가 활용되고 있다. 즉, 반 도체 분말을 용액에 넣어 밴드 갭(band-gap) 이상의 에너지 광을 비추면 마이너스 전하

<그림 3> 광산화 분해 작용 원리

미세먼지(PM2.5), 오존(O3) 원인물질

광산화 분해 작용

미세먼지 원인물질 발생 미세먼지 원인물질 제거

건축자재 빛

(UV)

(H빗물2O)

광촉매 혼합층

TSP: 50㎛ 이하의 모든 부유 먼지 TSP

CO

CO

+ H

O N

+ H

O

NHO

Ca(NO3)3

CaSO4

H

SO

NOx

NOx SOx

SOx

VOCs VOCs

NH

NH

출처: 건축도시정책정보센터 2019.

5. 습식 집진

물에 의해 분진을 세정 · 분리하는 방식으로 관련 장치로는 세정탑, 분무조, 스크레이퍼 등이 있으며, 친수성 분진 및 퓸(fume) 외에 미스트나 가용성 가스, 증기 등을 제거할 수 있다. 액적(液滴), 액막, 기포 등을 통해 미립자를 분리 · 포집하며, 관성력, 확산력, 응집 력, 중력 등이 이용된다. 관성력과 중력 등은 입경이 클수록 커지고, 확산력과 응집력은 입경이 작을수록 집진효율이 뛰어나다. 하지만 습식 집진장치는 세정액의 처리 및 세정액 에 의한 장치 부식의 우려가 있다는 단점이 존재한다.

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 마이크로 탄 소섬유 방전극을 이용해 미세먼지를 하전 시킨 뒤, 고강도의 전기장이 형성된 집진패널로 포집한다. 극미세 마이크로 탄소섬유 다발에 상대적으로 낮은 전압을 가하여 오존 발생 없이 미세입자를 하전시킬 수 있으며, 금속 집진패널 또는 유전체 코팅 집진패널로 하전 입자를 포집시키는 기능을 결합하였다. 하전된 미세먼지 입자는 물이 흘러내리도록 설계 된 수막형 집진극에 의해 수막과 함께 하단부의 수조로 이동시켜 제거한다. 즉, 전기집진 판을 항상 깨끗하게 유지할 수 있어 2차 오염을 방지할 수 있고, 공기 정화와 가습이 동시 에 가능하며, 필터가 필요 없어 반영구적으로 사용이 가능하다는 장점을 지닌다.

2. 기능성 나노섬유 기반 초미세먼지 필터

현재 사용되고 있는 미세먼지 헤파필터는 ㎛ 크기의 섬유를 기반으로 하는 필터링 방식으 로 미세먼지 포집 효율이 좋아 가장 널리 사용되고 있다. 하지만 압력손실이 높아 공기를 정화하는 데 필요한 송풍장치의 전력 소모량이 크고 소음과 진동이 발생한다.

특집 미세먼지 해결을 위한 국토분야의 대응 방안

반면 반응성 이온 에칭 공정 기술을 전기 방사된 고분자 나노섬유 소재에 적용하여, 섬 유의 두께를 현저히 줄였으며, 주입된 산소 가스를 통해 화학적 표면 처리를 함으로써 집 진효율을 극대화하였다. 이를 통해 기존 나노섬유 기반의 미세먼지 포집필터와 비교하여 성능을 약 25% 향상시켰다. 특히, 상용 헤파필터 대비 동일한 수준의 집진효율(PM2.5 기 준 95%)을 유지함과 동시에 압력손실을 30% 경감할 수 있을 것으로 기대된다.

<그림 4> 헤파필터와 나노필터 제작과정 비교

기어 펌프

실린지 펌프

RF Plasma O2 gas

20㎛

고분자 용액 고전압

전기방사 이온에칭공정기술

섬유 집진기 헤파필터 (멜트브로운 공정)기능성 나노 섬유 필터(전기방사 및 반응성 이온 에칭 공정 기술)

뜨거운 공기

약 0.8~1㎛

약 0.3㎛

찬 공기

압출기

고분자

출처: 박수형 2018.

3. 고성능 저비용 조합형 집진시스템

미래에너지플랜트 융합 연구단은 입자상 초미세먼지 배출농도를 줄이기 위해 이중벽 구 조의 저압손 사이클론과 새로운 방식의 필터 재생시스템을 결합하여 초미세먼지를 90%

이상 제거할 수 있는 기술을 개발하였다. 이 기술은 1차 집진부인 저압손 사이클론에서 유 입되는 먼지가 70% 이상 제거된 후 나머지 먼지가 2차 집진부인 백필터 집진기로 유입되 어 여과 필터의 부하량을 감소시키는 원리를 이용한다.

사이클론은 운전 시 압력손실이 많아 에너지 소비가 많고 마모성 분진에 취약하다는 한 계가 있으나, 해당 기술은 압력손실을 70% 이상 감소시켜 에너지 효율을 향상시키고 기 계적 마모를 줄일 수 있다. 또한 2차 집진부인 백필터 집진기로 먼지가 유입되기 때문에

먼지 유발물질인 질소산화물(NOx)과 황산화물(SOx) 제거 효율도 기존 대비 50% 이상 향상시킬 수 있을 것 으로 예상된다. 초미세먼지와 미세먼지 유발 전구물질 (前驅物質)을 복합적으로 처리할 수 있기 때문에 해당 기술은 향후 폐기물에너지 자원화 설비, 화력발전소, 도로 공사장 등에도 확대 적용될 계획이다.

4. 버스정류장 공간분리형 미세먼지 저감 기술

한국철도기술연구원은 버스정류장에 사물인터넷(IoT)을 기반으로 한 미세먼지 집진모듈 을 적용하여 정류장 내부의 미세먼지 농도를 외부 농도 대비 50% 이상 저감하는 것을 목 표로 하는 연구를 수행 중이다. 특히, 이 기술은 저배압 초소형 집진모듈 및 시스템, 공간 분리 집진 및 공기순환 기술, 신재생발전시스템 복합 적용, 어플리케이션 기반 미세먼지 모니터링, 실규모 실증기반 최적운영 기술 등이 복합적으로 적용된다. 뿐만 아니라 리빙 랩(living lab)을 기반으로 개발 초기 단계부터 시민들의 의견을 수렴하여 서울시 및 부천 시의 테스트베드 현장에 적용할 계획이다.

<그림 6> 버스정류장 공간분리형 미세먼지 저감시스템

캐노피+펜스 캐노피+스탠드

측벽면+펜스 스탠드

출처: 이정은 2018.

출처: 길애경 2019.

200CMH급 Pecked Filter System 조합형 집진기 조합형 집진기 성능 평가 2차 집진부

(백필터 집진기) 먼지 배출농도

먼지 배출 농도 감소

특집 미세먼지 해결을 위한 국토분야의 대응 방안

5. 저비용 고성능 광촉매를 활용한 미세먼지 저감 건설 기술

한국건설기술연구원은 하루에 대기 중의 미세먼지 전구물질(NOx, SOx) 1톤/㎢을 제거할 수 있는 광촉매 기반의 도로 시설물용 건설자재 및 적용 기술(광촉매 도장재료, 가시광선 반응형 광촉매 건설자재, 광촉매 패브릭 및 타일, 광촉매 단열 · 흡음 등 다기능 건축자재, 광촉매 공기정화 필터 및 공조기기 등) 개발과 상용화를 추진하고 있다.

구체적으로 광촉매 재료 분말도 10㎛ 이하, 산화질소 제거율 50%를 만족하고, 기존 제 품 대비 가격이 50% 저렴한 저비용 고성능 광촉매 생산 기술 개발을 목표로 한다. 특히, 저비용 고성능 광촉매는 도로포장분야, 도로 부속시설물로 분류되어 있는 중앙분리대, 방 음벽 및 도로흡음 자재, 보행자 보도블록뿐만 아니라 터널 및 지하공간의 환기를 위한 공 조시설에 활용 가능할 것으로 기대된다.

<그림 7> 광촉매 콘크리트 미세먼지 제거 원리

출처: 김명화 2018.

6. 무필터 초미세먼지 정화장치

응축성장형 무필터 초미세먼지 정화장치는 물을 이용한 초미세먼지의 고속 응축 성장을 통해 조대화(粗大化)된 입자를 제거하는 원리를 이용한다. 수냉식 판형 열교환 응축기 및 단열팽창 응축기 등 두 가지 유형을 통해 100nm 이하의 초미세입자를 2㎛ 이상으로 성장 시키고, 조대입자 제거장치 및 수분증발기를 거쳐 초기 농도 대비 90% 이상의 효율로 초 미세먼지를 제거할 수 있는 것이 특징이다. 하지만 포화부에서 액적 증발을 위한 물이 추 가로 소모되며, 단열 팽창에 의한 냉각 효과를 얻기 위해 사용된 멀티 노즐이 팬 부하의 상승을 가져와 활용범위가 제한적이라는 것이 단점이다.

미래창조과학부 ‘초미세먼지 피해저감 사업단’ 제공 물 연속 공급 + 증발 제어

냉각조절을 통한 과포화도 제어 초미세입자의 성장속도 극대화 고농도 대유랑화를 위한 다채널 설계

무필터 관성충돌 제거장치(제거판, 사이클론) Cut off > 1μm, 채널당 유량: 1-10lpm

30㎡ 이하 공간 사용

포화부 응측부 제거부

•물 분사노즐 •수냉식판형 열 교환 응축

•단열팽창 응축

•Multi nozzle- 평판형 층돌판

공기흡입 대전부

하진 전극 형상 최적화

압력 손실 저감(소음 문제 해결) 포화기 불필요(추가전력 소모없음)

집진판

출처: 이승현 2015.

상기 장치의 개선안으로 대전기의 최적화 설계를 통해 이온 생성량을 극대화하고, 초미 세입자의 대전효율을 향상시키는 방안을 도입하였다. 이를 통해 압력손실을 경감시키고 소 음문제를 해결하였으며, 포화부를 생략하여 설치 부피를 줄일 수 있는 대전형 무필터 초미 세먼지 정화장치가 개발되었다. 시제품 설계 및 제작을 완료하고 집진성능을 평가한 결과, 조대입자 제거효율 90%, 모듈 대전효율 90%, 초미세먼지 제거성능 73.8%를 보였다.

참고문헌

건축도시정책정보센터. 2019. 서울시, 공공건축물 ‘미세먼지 제거’광촉매 도료 시범시공, 3월 7일. http://www.aurum.re.kr/

Research/PostView.aspx?mm=1&ss=1&pid=16958#.XO9zCl2weUk (2019년 5월 30일 검색).

경대승, 이경희, 조동길. 2018. 미세먼지 Free Zone 구현을 위한 Passive/Active 통합 모듈형 장치개발. 안양: 국토교통과학기술 진흥원.

길애경. 2019. FEP 융합연구단, 초미세먼지 배출↓ 제거↑ 기술개발, 대덕넷, 1월 3일. http://hellodd.com/?md=news&mt=

view&pid=66487 (2019년 5월 30일 검색).

김명화. 2018. 한승헌 한국건설기술연구원장 “국민 삶의 질이 곧 환경, 환경미디어, 10월 8일. http://www.ecomedia.co.kr/

news/newsview.php?ncode=1065578518922268 (2019년 5월 30일 검색).

김정곤, 경대승, 이성희. 2019. 미세먼지 저감 도시 조성기법 및 사례연구. 대전: LH 토지주택연구원. (2019년 5월 30일 검색).

박수형. 2018. 헤파필터보다 미세먼지 잘 잡는 나노섬유필터 개발, 지디넷. 3월 29일. http://www.zdnet.co.kr/

view/?no=20180329094407 (2019년 5월 30일 검색).

세진전자. 전기집진기의 원리. sejinmax.yesoni.co.kr/html/skill_principle.php (2019년 5월 30일 검색).

오가희. 2017. 초미세먼지 거르며 재사용 가능한 공기청정기 필터 개발, 동아사이언스. 7월 10일. http://dongascience.donga.

com/news/view/18898 (2019년 5월 30일 검색).

이승현. 2015. 필터없이 미세먼지 제거하고 세부 유해물질도 알려준다, 이데일리. 4월 1일. http://www.edaily.co.kr/news/read?

newsId=01210326609331856&mediaCodeNo=257 (2019년 5월 30일 검색).

이정은. 2018. 국민 참여로 미세먼지 저감 기술 개발, 환경일보. 7월 24일. http://www.hkbs.co.kr/news/articleView.

html?idxno=477258 (2019년 5월 30일 검색).