2016-112 호 (2016.11.28.) 미세먼지관리기술동향 - 1 -
미세먼지관리기술동향 한국생산기술연구원여국현연구원 Ⅰ. 개요 1. 미세먼지관리기술의중요성 가. 기술개발의중요성 대한민국은지난 40 년간계속성장발전해왔다. 성장은변화를뜻하며발전이되는것을말한다. 특히기본자원이없는우리나라와같은현실에서는더많은제조산업의발전과성장이없이는국가의발전은요원한것이사실이다. 결국산업의발전은에너지사용량이늘어나고산업교통량과함께관련환경의오염도함께동반증가하게된다. 환경변화는우리의삶에생각보다큰영향을미친다. 눈으로보이지않는다고하더라도여러가지환경적요소들은우리의삶을서서히변화시키고있다. 이에따라환경오염등을걱정하는우려섞인목소리도나오고있다. 요즘에는계절과관계없이한반도전역에서고농도미세먼지발생이빈번해짐에따라국민건강에대한우려가커지고있다. 작년도세계경제포럼에서우리나라의미세먼지환경지수가전체 178 개조사국중 171 위를차지할정도로우리나라국민의미세먼지에대한노출위험성이높은것으로나타났다. 2009 년국립환경과학원과인하대연구팀이연구한결과, 서울의미세먼지 (PM10) 농도가 10 μg / m3증가할때마다 65 살이상노인등대기오염에민감한집단의사망률은 0.4% 씩증가하는것으로파악되었다. 서울의미세먼지농도는경제협력개발기구 (OECD) 주요도시의평균에비해 2 배가량높은것으로나타났으며미세먼지, 특히초미세먼지에대한개인적 국가적차원의준비가시급하다는지적이나온다. 나. 미세먼지정의 미세먼지 (PM 10) 는입자의크기가 10μm이하인먼지를말한다. 1mm 안에 100개가들어갈정도로작은먼지알갱이로, 크기가너무작아눈에보이지않고코나기관지에서걸러지지도않는다. 나아가입자의크기가 2.5μm이하인먼지를초미세먼지 (PM 2.5) 라고 - 2 -
한다. 미세먼지의발생원은인위적요인과자연적요인으로나뉜다. 인위적요인에는고정발생원과이동발생원이있는데고정발생원은난방, 산업, 발전등이있으며이동발생원은자동차매연및타이어마모, 건설기계의매연등이있다. 또한공사장비산먼지, 노천소각등도인위적요인에포함된다. 자연적요인에는안개, 화재, 황사, 화산폭발, 토양풍식등이있으며기타요인으로는 2차반응에의한황산염및질산염의생성이있다. 대기오염물질은일단배출되면인위적으로제거하는과정이용이하지않을뿐만아니라인체, 자연생태계및재산상에다방면으로피해를주는특성을가지고있다. 다. 미세먼지의건강영향 < 그림 1> 미세먼지가인체에미치는영향 오늘날건강결정요인을설명하는데있어환경적요인의중요성이강조된다. 특히대기환경의오염은환경성질환의발생과악화모두에영향을주게되며, 미세먼지등대기환경오염인자는호흡기질환의양상뿐만아니라국민들의삶의질, 생활패턴의변화를불러오게된다. 미세먼지는직경이큰먼지와달리코점막을통해걸러지지않고폐포까지직접침투하여기관지염, 천식등의호흡기질환의원인이되며인체의면역기능을악화시킨다. 실제많은연구결과에따르면미세먼지농도와조기사망률이상관관계에있는것으로조사되었으며이러한이유로세계보건기구 (WHO) 에서는 `13 년 10 월미세먼지를 1 급발암물질로지정했다. 특히초미세먼지는폐포흡착률이 - 3 -
미세먼지보다높고단위무게당표면적이넓어중금속등의유해물질이입자에더많이부착될수있어인체에더욱해로운것으로보고되고있다. 미세먼지에의한건강영향은호흡기질환 ( 폐암, 급성하기도폐질환, 만성폐쇄성질환 ) 과심혈관계질환 ( 뇌졸중, 허혈성심질환 ) 으로크게구별된다. 건강영향의정도는먼지의크기 ( 지름 ), 하루중활동양상, 노출대상의취약성등다양한요인에따라달라질수있다. 라. 미세먼지관리기술 1) 필터 필터는기상이나액상중의작은고형물을제거하기위한여과체를의미한다. 필터는분진이함유된배출가스를나란히설치된여러개의필터에통과시키고분진을집진시키는장치이다. 미세먼지를제어하기위해주로사용하는섬유필터는연소가스로부터입자상오염물질을분리하는, 가장잘알려진도구이다. 필터에있어서단일섬유의포집원리는 < 그림 2> 에요약한바와같이 (a) 관성, (b) 차단, (c) 확산, (d) 중력에의한메카니즘이있다. < 그림 2> 필터의포집원리 이렇게단일필터섬유자체도약간의분진을포집하지만, 직물위에빠르게쌓인 먼지층이포집체로서더욱중요한역할을한다. 미세먼지는먼지입자층에의해더욱 효율적으로포집된다. 필터는필터섬유의종류, 필터형태, 집진기내의필터배치방법, - 4 -
처리가스가필터로유입되는방법등에따라여러가지형태가있다. 필터에의한미세먼지처리는집진효율이높고, 필터의형태를인위적으로조작할수있기때문에여러가지형태의분집을포집할수있으며, 설계규모에따라다양한용량을처리할수있다는장점이있다. 또한다양한압력저항의조건에서운전할수있으며, 다른집진방식에비하여가격이저렴하다는장점을가지고있다. 2) 스크러버 오염물질을습식공정으로제거하는장치를뜻하며 ' 세정집진기 ' 라고도칭한다. 스크러버의원리는세정액 ( 일반적으로물 ) 과직접적인접촉에의해충돌과차단, 응축의원리로먼지입자를제거한다. 이는자연계에서이루어지는습식침강 (Wet deposition) 의원리인 wash out 현상을기계화시킨것으로액체의물성에따라미세먼지뿐만아니라가스상오염물질을동시에처리할수있다. 스크러버의규격은사용되는액체와의접촉표면적, 세정에필요한에너지공급방법, 액체의순환속도, 액체의종류, 스크러버의형태등에따라다양하게구분하고있다. 스크러버의경우가연성, 폭발성먼지를안정적으로처리할수있으며, 제거가능한입자의크기는 1 μm 이상이다. 단일장치에서미세먼지와가스를동시에처리하기위하여배출가스의화학적특성에준하여산또는알칼리성세정액을사용할수있다. 연소공정에서발생하는고온가스를냉각시키는효과가있고, 그로인하여집진효율의변화를가져올수있다. 3) 전기집진기 전기집진기는미세먼지입자의정전기력이용한집진장치로유입공기의이온화, 오염물질의대전, 이동, 오염물포집, 부착물제거및청정가스배출의과정으로구성된다. 미세먼지는우선적으로 10,000 V 이상의강한코로나방전을통해서양극으로하전되고, 이후 3,000~8,000V 의직류전압을가진음극전극판에부착됨으로써배출가스흐름으로부터분리된다. 집진전극판에부착된먼지입자는물리적충격을통하여떨어뜨리거나액상으로세정하여제거하게된다. 이러한전기집진기는공기청정기등함진농도가비교적낮은경우에사용되고있으며, 포집력이다른장치와달리전체가스에적용되는것이아니라집진되는먼지입자에게만적용된다. 따라서전기집진기는매우낮은압력손실을가지게된다. - 5 -
Ⅱ. 동향분석 1. 국내연구개발동향 가. 하이필터 (HI-FILTER) 시스템 하이필터시스템은전기집진기술과여과집진기술을융합해초미세먼지제거효율을 99.9% 까지끌어올린집진설비로, 세계최고수준성능을자랑한다. 음이온을이용하는전기집진기는대용량배출가스를빠른유속으로처리하는장점을지녔지만분진제거효율은 90% 안팎이다. 특히초미세먼지는대부분그대로배출되는단점이있다. 필터를이용하는여과집진기는분진제거효율이 99% 에달하지만, 빠른유속을구현하지못해발전소같은대형연소시설에선적용하기어렵다. 하이필터시스템은바로이둘의장점만취해일체형으로만든신개념하이브리드형설비로초미세먼지를많이발생시키는석탄화력발전소나지역열공급시설등대규모연소사업장에적용하려고현재충남서천화력발전소에서성능을검증하는실증 ( 實證 ) 가동을진행중으로, 안정적인운전성능을보이고있다. 하이필더시스템은국내외화력발전소에본격적으로납품할계획이며중국내합작회사설립및 92 억원설비수출등해외진출을활발히추진중에있다. 하이필터시스템은스위스국제발명전시회에서금상을공동수상하는등세계적수준의초미세먼지집진효율을구현했다는평가를받는다. 나. 무필터제거장치 EPA 필터는예전에는유리섬유를, 지금은세라믹섬유나금속섬유등을불규칙적으로배열해만든다. 효능은직경 0.3 μm이하물질을 99.97% 까지잡아내는것으로전해진다. 그러나평균 40 만원대인공기청정기에 10 만원가량인 HEPA 필터를매년 1 번이상교체해야하는부담이있다. 그래서아예필터없이 PM 2.5 를제거할수있는기술이연구되고있다. 미래창조과학부의사회문제해결형연구사업인 ' 초미세먼지피해저감사업단 ' 에서는물과관성의법칙을이용한 무 ( 無 ) 필터 초미세먼지정화장치를연구한다. 이방식은물을이용해초미세먼지입자를키운뒤 ( 응축성장 ) 관성충돌 을통해제거판에집진하는것이다. 관성충돌은매개체흐름에따라움직이는입자가관성때문에곡선의유선을쫓아가지못하고매개체표면에서벗어나는것을말한다. 질량이큰물체는빠른속도로코너를돌면밖으로나가기쉬운 - 6 -
것과같은원리이다. 초미세먼지의경우매개체흐름에상관없이불규칙하게움직이는 ' 브라운운동 ' 을하기때문에관성충돌제거방식이불가능한데, 입자를키워이방식을적용하는것이다. 아울러지금처럼초미세먼지전체농도만파악하는게아니라세부화학성분까지알수있는기술개발에몰두하고있다. 이렇게되면해당일의초미세먼지가신체에어떠한유해성을갖는지더욱구체적으로예보할수있게된다. 다. 지하철대용량공기정화기술 한국철도기술연구원과 애니텍은각종미세먼지와오염물질로부터호흡기건강을지키는 지하철대용량공기정화기술 로환경부신기술을획득했다. 지하공간을달리며, 수많은사람이이용하고있는지하철은환기가쉽지않은공간으로개발된지하철대용량공기정화장치를통해지하철을이용하는시민들의건강을지킬수있게됐다. 표면적이넓은다공성지지체와알칼리물질로만든흡착소재를활용해지하철내부의이산화탄소와미세먼지등대용량의공기를정화시키는세계최초지하철용공기정화장치이다. 전동차천장에매립설치되며, 내장된송풍팬을시간당약 2~3 회가동시켜객실공기를깨끗이정화시킨다. 또한, 실내이산화탄소농도를스스로감지해이산화탄소가기준농도이상이되면흡착시스템이자동으로가동된다. 내장된공기정화용필터는 6 개월에한번씩교체한다. 지하철객실내주요오염원인이산화탄소와미세먼지를동시에저감시키는기술로지하철차량의고유진동에견딜수있는고강도흡착소재를성공적으로적용했다는데의미가있다. 지하철미세먼지저감에따른건강편익은연간약 3,832 억원수준이며, 지난 2013 년개발을완료해서울지하철 2 호선과 5 호선객실에설치하여안전성과성능을인정받았다. < 그림 3> 서울지하철객실에적용된공기정화기술 - 7 -
라. 탄소섬유를이용한공기정화기술 탄소섬유를이용한공기정화기술은 5-10 μm급의극미세마이크로탄소섬유방전극을이용하여낮은인가전압에서도방전을효율적으로일으켜오존 (O3) 과같은유해물질을수 ppb 이하수준의극미량으로줄이면서도실내오염초미세먼지를고효율로하전시키고, 고강도의전기장이형성된수막형집진판을사용하여필터를사용하지않으면서도초미세먼지를효율적으로제거할수있는실내용습식정전공기정화기술이다. 또한, 집진판에포집된먼지는포집되자마자수막과함께하단부의수조로이동하여저장되므로항상깨끗한집진판을유지할수있어집진판오염문제를해결할수있고수막집진판에서의자연가습을통해공기청정뿐만아니라가습기능까지부가할수있는기술이다. 중국발초미세먼지오염농도증가에따라실내용공기정화장치시장은계속해서성장할것으로예상됨에따라오존발생량의국내기준치인 50 ppb 에비해현저히낮은 1~2 ppb 수준을유지하면서도 0.3 μm 크기의초미세입자를 95% 이상처리할수있어최근이슈가되고있는 PM2.5 초미세먼지에대응가능하다. 이러한탄소섬유를이용한공기정화기술은초미세입자오염저감및실내공기질향상을위한능동형공기정화장치, 대형건물의주차장, 지하상가, 공항등을비롯한다중이용시설의오염물질초미세입자저감설비, 실내공간의능동적환기시스템의전처리장치등으로활용이가능하다. 2. 해외연구개발동향 가. 중국난징시미세먼지는연료연소, 발전, 금속제련, 석유, 화학공업, 방직날염등여러공업공정과정과난방, 음식조리과정중의석탄및액체연료등의배출연기, 먼지가고정적인원인으로유동적인원인으로는운행중인교통수단배기가스등이있다. 중국환경보호부 ( 환보부 ) 는지난 3 월미세먼지퇴치를위해 1 조 7000 억위안 ( 약 280 조원 ) 을투입하기로발표했으며이중중국정부의미세먼지대책중핵심이전기차보급으로 2015 년 50 만대, 2020 년 500 만대라는전기차목표보급대수까지밝혔다. 자동차에서배출되는일산화탄소는 PM2.5 을야기시키는주요원인중하나로써. 호텔, 상점, 공원, 사무공간, 사회구역, 병원의주변과주차장등정상적인차량운행에영향을미치지않는곳에서는 3 분간시동을꺼야한다. 또한오염물배출기업의경우최대몇 - 8 -
십만의벌금을부과하는것은철저히문제를해결하지못함에따라단전, 단수의규정을포함시켰다. 심각한대기오염시에는조기경보시스템을실행하고빨강 주황 노랑 녹색 4 가지단계로나눈다. 초 중학교와유치원은수업을중지하고, 버스운행을제한하는등의조치를취함으로서미세먼지에대처하고있다. 나. 독일베를린 독일의수도베를린시는인구약 350 만, 행정면적 891k m2규모의대도시로제 2 차세계대전이후빠른산업화를거치면서대기오염문제에직면하였으나 2000 년대중반이후본격적인미세먼지관리정책을추진하면서문제해결에획기적인성과를거두었다. 베를린시는미세먼지저감을위해미세먼지발생원에대한면밀한검토와함께시나리오에토대한미세먼지저감모델을개발하여장기저감목표를설정하였다. 이와동시에미세먼지피해를실질적으로예방하기위해베를린시미세먼지기준을능동적으로강화하는노력을보였다. 미세먼지가주요발생하는도심일부지역을 2007 년 움벨트존 으로지정 고시하고차량의미세먼지처리성능에따라 빨간 ', 노란 ', 초록 ' 인증표를발급하고이를손쉽게인식할수있도록인증표를차량전면에부착하도록의무화했다. 또한움벨트존 (Umweltzone) 경계지역에는진입허용인증표를표시하고미세먼지기준초과배출차량은진입을제한했다. 그결과, 베를린시내에기준초과미세먼지노선이 55% 정도감소하였으며, 기준초과미세먼지노출인구또한 57% 정도감소하는성과를얻었다. 또한미세먼지저감노력을통해본래의성과뿐만아니라도로소음저감및교통안전도향상이라는부차적성과도얻을수있었다. Ⅲ. 향후전망 1. 미세먼지관리기술의개발전망 환경오염과같은외부환경의변화는국민건강보호의측면에서단순히우려의수준이아니라이미환경성질환의증가와질병부담증가와같은부정적인현상을야기하고있다. 따라서국내외에서발생하는미세먼지의정확한발생원인을찾아다각도로오염원을차단하기위한노력이필요하다. 국가에서는원천적으로대기오염의원인을차단하고감소시키기위해서는공해물질이적게유발시키는대체연료나장치 ( 저공해 - 9 -
버스나저공해또는무공해자동차등 ) 들을적극개발, 장려해야한다. 정책의효과적운영측면을위하여지역마다상이한미세먼지의주요발생원인을밝혀내어이를중점적으로저감하려는지역맞춤형관리필요하며장기저감목표를설정하고이를달성하기위해관련계획반영, 허용기준조정등다양한저감방안을최적으로조합해야한다. 중앙정부와의긴밀한협력관계유지를통한지자체정책의실행력강화해야하며미세먼지가시민의건강에직접적인피해를입히는유해물질이기때문에보다정확한상시경보및예보체계를구축해조밀한측정망을갖추어야할것이다, 미세먼지에대한대중의관심이증대되면서정부차원에서보다작은먼지, 미세먼지, 초미세먼지를제어할수있는기술을지속적으로연구하고, 개발해나가야할것이다. 또한도시숲, 옥상녹화등도시녹화사업은도시민의정서적휴양기능을제공할뿐만아니라미세먼지저감에도크게기여하기때문에도시인구과밀현상을저지하고, 도시의녹지공간을충분히확보해야한다. < 참고문헌 > 1. 호흡기건강을지키는철도연지하철공기정화기술, 한국철도기술연구원, 2015. 2. 이창흡, 산업도시창원의초미세먼지 (PM2.5) 의중금속조성과위해성평가연구, 울산대학교대학원, 2014 3. 미세먼지관리기준과발생원별관리방안, 한국대기환경학회지, 2013 4. 미세먼지로부터시민건강지키자, 대구경북연구원, 2014 5. 탄소섬유를이용한공기정화기술, 미래기술마당, 2014. - 10 -