SIT서울기술연구원

광촉매의 대기 중 NOx 제거 성능 평가방법 마련

연구책임 : 송민영 기후환경연구실 수석연구원

대기 중 NOx 등 가스상 오염물질을 분해하여 초미세먼지 생성 원인물질을 사전 제거하는 광촉매 기술 주목

2018년 서울시 대기오염물질 농도는 전년도와 비교하여 감소하는 양상을 나타냈다. 미세먼지(PM10) 농도는 전년보다 4㎍/㎥ 감소한 40㎍/㎥, 초미세먼지(PM2.5) 농도는 전년보다 2㎍/㎥ 감소한 23㎍/㎥를 나타냈으며, 이산화질소(NO2)도 전년보다 0.002ppm 감소한 0.028ppm 수준을 나타냈다. 오존(O3)의 경우에는 연평균 농도는 0.023ppm으로 전년보다 감소했지만, 장기적으로는 꾸준히 증가하는 추세를 보였다. 평균 대기질은 개선된 양상으로 나타났지만, PM2.5의 경우 2018년도부터 환경기준이 선진국 수준으로 강화되었고, 인체 위해성이 크기 때문에 초미세먼지 관리를 위한 저감기술과 관리 대책 마련이 필요하다.

미세먼지의 경우 직접적으로 배출되는 1차 배출은 약 30%인 반면에 대기 중 질소산화물(NOx), 황산화물(SO2), 휘발성유기화합물(VOCs) 등 가스상 오염물질이 물리‧화학적 반응으로 2차 생성과정을 통해 만들어지는 간접배출이 약 70%이다. 2차 생성 미세먼지의 경우 질산염, 황산염, 암모늄 등의 유해물질을 많이 포함하고 있어, 이에 대한 관리 및 감축 노력이 필수적이다. 최근 NOx, SOx 등 대기 중 가스상 오염물질을 분해하여 초미세먼지 생성에 영향을 주는 전구체를 사전 제거하고 2차 입자 생성의 억제를 돕는 광촉매 기술이 주목받고 있다.

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서울시는 국내외 광촉매 기술 적용 사례를 참고하여 광촉매를 활용한 미세먼지 저감 시범사업 수행

1967년 일본 도쿄대학의 후지시마(그 당시 대학원생) 교수가 수중에 있는 이산화타이타늄(TiO2) 분말이 빛에 의해 물이 수소-산소로 분해하는 현상을 발견한 이래 오늘날까지 광촉매에 관련한 많은 연구개발이 이루어져 왔다. 그 결과 광촉매는 실생활과 여러 산업 분야에 광범위하게 제품화되어 적용되었고, 특히 유럽과 일본에서는 도로 및 도로시설물, 건축용 내·외장재, 공기조화기기 등 다양한 현장에 적용되었다.

최근 서울시는 광촉매를 활용한 미세먼지 저감 사업을 광촉매 도로포장, 광촉매 보도블럭, 아파트 외벽에 광촉매 도료를 도포하는 시범사업 등을 수행하였으나, 광촉매가 대기 중에서 얼마만큼의 미세먼지를 줄이는지를 검증할 방법이 없어 이에 대한 과학적 정량 평가가 이루어지지 못하고 있는 실정이다.

광촉매 기술산업과 시장의 성장에 따라 광촉매 제품의 질소산화물 제거 성능 검증 요구 증가

국내외 광촉매 소재 시장의 규모는 지속적으로 성장하였으며, 광촉매 제품의 경우 기능별‧산업별 광촉매 응용제품이 상용화되었다. 광촉매 제품의 유통량이 증가함에 따라 광촉매의 NOx 제거 성능에 관심이 높아졌으며, 제품을 생산·수입하는 업계 등에서도 대기 중 오염물질의 저감 성능 검증을 요구하는 사례가 증가하고 있다. 그러나 대기 중 광촉매의 NOx 제거 성능 검증을 위한 기준이 명확하지 않은 상태이다.

광촉매 타일, 공기조화 장치, 필터 같은 제품의 경우 미세먼지를 포함한 대기오염물질을 높은 효율로 제거한다고 하지만 성능평가 방법이 제각각이고 통일되지 않아 정확한 성능을 나타냈다고 판단하기 어려운 경우가 대부분이다. 도로에 광촉매 포장재를 시공한 경우에도 효과 검증을 위해 도로에 흡착된 질소산화물의 농도를 비교 측정한 사례는 있으나, 대기 중 질소산화물의 농도를 측정하여 지상공간에서의 질소산화물 저감 효과 유무는 판단하지 못했다. 현재까지 상용화된 광촉매 제품의 객관적이고 획일화된 평가 방법이 부재한 상황으로 정확한 제거 성능을 평가하는 데는 한계가 존재한다.

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지금까지 알려진 광촉매의 NOx 저감 성능 평가 방법 분석 및 개선 방안 파악

현재 광촉매의 NOx 제거 성능 평가를 위한 방법은 크게 세 가지로 나눌 수 있다. ①실험실 평가 방법 ②현장 직접 평가 방법 ③앞의 두 방법을 혼합한 방법으로, 현장에서 채취한 시험편을 실험실에서 평가하는 방법이다.

실험실 평가의 경우 광반응기(챔버)와 광촉매 제품 시험편을 이용하여 제거 효율 및 성능평가가 이루어진다. 실험이 진행되는 동안 질소산화물 초기농도, 온·습도, 광원 종류 및 강도, 가스 농도 및 유량 등이 일정 수준으로 유지되기 때문에 재현성 있는 결과 도출이 가능하다. 하지만 광촉매 효율의 일부 유리한 조건으로 설정되었기 때문에 오염물질 제거 성능이 과대평가될 수 있고, 다양한 변수가 존재하는 현장의 특성을 반영하지 못하여 실제 유해물질 제거 효율과 내구성의 평가가 어렵다.

현장 직접 평가 방법의 경우 실제 대기 조건이 반영되어 있고, 현장 내구성이 고려된 결과 도출이 가능하다. 그렇지만 현장의 기상 여건, 교통량 등 다양한 외부 영향과 환경적 조건은 변동성이 강해 결과의 신뢰성, 재현성 측면에 문제가 생기게 된다. 따라서 광촉매의 대기 중 NOx 저감 효율의 객관적인 성능 평가 방법 마련을 위해서는 ①광촉매 성능에 영향을 미치는 실제 대기환경 조건을 반영하는 노력과 ②기존 성능평가 반응장치의 검토를 통하여 문제점을 보완하고 개선하는 과정이 필요하다.

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광촉매 제품 적용 현장의 실제 대기환경 조건에 대한 변수 고려 및 추이 확인

광촉매 성능에 영향을 미치는 변수는 대표적으로 이산화질소의 초기농도, 온도, 광원 종류 및 세기, 상대습도, 유량, 유속 등이 존재한다. 기존의 여러 연구 결과에 따르면, 광촉매 제품의 NOx 저감 효율은 대기환경의 다양한 조건(풍속, 풍향, 온도, 상대습도, 이산화질소의 농도 등)에 영향을 많이 받는 것으로 나타났다. 실제 대기환경 조건은 계절, 월, 일, 시간에 따라서 차이가 매우 크기 때문에 광촉매 성능에도 많은 영향을 끼친다. 우리나라의 경우 이산화질소 농도 0.02~0.04ppm, 온도 –4~31℃, 조도 10,000~100,000lx, 상대습도 50~85%, 풍속 1.9~2.8m/s 수준으로 나타났다.

본 연구에서는 실제 광촉매 제품 적용 현장의 대기환경 조건 변수에 따른 변동 추이와 변동 폭을 확인하였다. 광촉매 보도블록, 일반 보도블록, 일반 대기 등 3개 지점에서 대기환경 중 광촉매 활성에 영향을 끼칠 수 있는 변수인 이산화질소 농도, 온도, 습도, 조도, 풍속을 동시에 측정하였고, 5일간 현장 측정을 통해 대기환경 조건 변수의 농도 추이를 확인하였다.

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광촉매의 NOx 저감 효율 평가 적합 반응기 제작과 대기 및 시험 조건에 따른 광촉매 성능평가 비교로 시험 조건 설계

광촉매 성능평가를 위한 규격은 대표적으로 국제표준인 ISO 규격과 지역표준인 CEN 규격, 국가표준인 KS, JIS 등이 있다. 국내의 경우 대부분 ISO 규격을 그대로 적용한 KS 규격으로 광촉매 성능을 평가하고 있다. ISO 규격의 성능평가 시험 조건은 시험편 크기, 자외선 광강도, 온도, 습도, 가스농도, 유량이 고정되어 있으며, 이는 대기환경을 모사하기에 매우 제한적이다. 또한 반응장치의 크기가 작아 실제 광촉매 제품의 경우 가공, 변형을 통하여 시험편으로 사용해야 한다.

따라서 본 연구에서는 유체거동 모델링을 통해 광촉매 제품의 NOx 저감 효율 평가에 적합한 반응기를 설계하여 반응기 내 다양한 대기환경의 시험 조건 모사를 통해 광촉매의 성능을 평가하였다. 먼저 국내외에서 가장 많이 활용되고 있는 ISO 규격의 반응기와 CEN 규격의 반응기로 유체거동 모델링을 수행하여 반응기 내에서 유체의 거동을 평가하였고, 이를 바탕으로 광촉매 제품의 질소산화물 저감 성능 평가를 위한 반응기의 개선점을 도출하고, 실제 대기환경 조건(시험 변수별)에 따라 광촉매의 성능을 평가하였다. 광촉매 활성에 영향을 주는 이산화질소의 초기농도, 온도, 습도, 광원 종류 및 세기, 유량, 반응기 크기 등이 달라짐에 따라 광촉매의 NOx 저감 효율에 많은 영향을 끼치는 것을 확인하였다.

대기 중 환경변수를 고려한 광촉매 제품의 NOx 제거 성능 평가 방법 마련

앞에서 설명한 연구 내용을 바탕으로 최적의 반응기 설계와 대기 조건을 고려한 시험 조건을 마련하였고, 최종적으로 대기 중 환경변수를 고려한 광촉매 제품의 NOx 제거 성능 평가 방법은 다음과 같다.

「광촉매 제품의 질소산화물 제거 성능 측정 방법」 절차서를 마련하였고, 절차서는 광촉매 제품에 질소(NO)가스를 지속적으로 노출시켜 태양광 모사 광원을 조사하였을 때, 광촉매 제품의 질소산화물 제거 성능 측정 시험 방법에 대한 내용을 규정하고 있다. 반응기는 유체거동 모델링을 통해 반응기 내 유속이 균질하고 일정하게 흐를 수 있는 크기로 설계, 제작하였다.

시험 가능 시험편의 크기는 최대 20×20cm이고, 시험 조건은 대기 중 얼마만큼의 질소산화물이 저감되는지 평가하는 데 적합하도록 설계하기 위해 실제 대기환경 조건을 최대한 모사하였다. 광원은 실제 태양광과 가장 유사하다고 알려진 xenon arc lamp를 사용한다. 우리나라 대기환경 조건 분석과 대기환경 및 시험 조건에 따른 광촉매 성능시험 결과를 바탕으로 시험 조건을 도출하였다. 광원의 세기는 반응기에서 적용 가능한 최대 광도인 20W/m2로 설정하였고, 상대습도와 온도는 우리나라 대기환경 수준을 대표 반영할 수 있는 평균 수준인 57%, 15℃, NO 농도는 0.1ppm으로 설정하였으며, 가스 유속은 평가 가능 수준인 1.2m/s로 설정한다. 이들 조건을 종합하여 실제 시험 및 평가 가능 범위 내에서 대기환경 조건을 충분히 반영하여 광촉매 제품의 NOx 제거 성능 평가방법을 마련하였다.