[국토일보=선병규 기자] 문재인 정부의 역점 환경정책인 ‘미세먼지 대응 환경기술개발(R&D)’이 신속하게 이뤄지고 있다.
한국환경산업기술원(원장 남광희) 환경기술개발단은 19일 오후 2시부터 ‘미세먼지 대응 환경기술개발’ 세미나를 서울 이화여대 ECC단지에서 개최, 주목을 끌었다.
2017대한환경공학회 전문가그룹 학술대회와 연계해 열리는 이번 세미나는 갈수록 심각해지는 미세먼지 해결을 위한 측정-저감-관리 등 최신 환경R&D 기술이 소개된다.
이날 소개된 미세먼지 대응 기술은 ▲실시간 측정장치 활용한 도심의 초미세먼지와 블랙카본 농도 평가 김성렬 교수(순천향대학교) ▲PM, NOX 저감 시스템 및 핵심요소기술개발 우영민 박사(한국에너지기술연구원) ▲설치면적 최소화를 위한 보급형 백필터 집진장치 개발 박현설 박사(한국에너지기술연구원) ▲환경 에어로졸 모니터링을 위한 광학기반 비접촉 흡수 측정 장치 이정훈 교수(한국기술교육대학교) ▲실내외 초미세먼지 실시간 모니터링 진단기술 황정호 교수(연세대학교) ▲온실가스 및 대기오염물질 통합관리 의사결정 지원 시스템 개발 우정헌 교수(건국대학교) 등 6개 기술이 주제 발표됐다.
주제발표 요약
▲실시간 측정장치 활용한 도심의 초미세먼지(PM2.5)와 블랙카본(BC) 농도 평가
세계보건기구에 의하면, 블랙카본은 연소관련 대기오염물질의 대표적 지표물질인 동시에 지구온난화 유발물질로 간주되고 있다. 또한 블랙카본은 연소관련 이동오염원의 건강영향평가에는 일반미세먼지보다 더 우수한 지표물질로 간주되고 있다. 본 연구는 휴대용 실시간 측정장치를 활용하여, 도심 디젤관련 배출원으로 간주되는 hotspot 장소에서 초미세먼지(PM2.5)와 블랙카본(BC)의 실시간 농도를 동시에 측정하고, 시공간적 연관성 평가를 목적으로 하였다. 연구를 위해 초미세먼지 실시간 측정기인 SidePak AM510 personal Aerosol Monitor(TSI Inc., St. Paul, MN), 단파장 블랙카본 측정장치인, SCAB(SCH_SCINCO, South Korea)와 AE51(Aethlabs, San Francisco, CA) 활용하였다. 측정은 2016년 5월에서 6월 사이 진행되었으며, 블랙카본의 단위농도 증가에 따른 초미세먼지 농도 변화에 대한 패턴은 주중과 주말이 달랐으며, 주중의 아침, 점심, 저녁; 주말의 아침, 점심, 저녁 시간대의 블랙카본의 초미세먼지 농도 연계성 패턴은 다르게 나타났다. 블랙카본 실시간 측정장치는, 대기관리 또는 환경보건적 정책 수행의 관점에서, 디젤엔진 배출물질 관리와 배출원 구분, 민감집단 건강보호를 위한 마이크로 모니터링 측정망 구축을 위해서는 반드시 필요한 요소로 판단된다.
▲PM, NOX 저감 시스템 및 핵심요소기술개발
Euro5 규제 이전단계에서 생산된 자동차의 경우 매연여과장치를 부착하고 있지 않으며, 심지어 엔진이 노후화 되며 매우 높은 입자상물질을 배출하고 있는 것으로 알려져 있다. 따라서 미세먼지 저감을 위해서는 매연여과장치의 부착과 함께, 동 장치의 재생(Regeneration)을 위한 추가적인 기술개발이 필요하다. 매연여과장치가 장착되어 생산되는 제작차와 달리, 연료 후분사를 통한 강제재생이 불가능하므로 배기가스온도에 의한 자연재생에만 의존해야 한다. 특히, 저속운행 위주의 운행패턴을 갖는다면, 매연여과장치의 막힘이 발생할 수 있으며, 낮은 재생평형온도를 가지는 매연여과장치를 제작차에 적용할 경우, 재생을 위한 연료 후분사 빈도를 낮춤으로써 차량 전체의 연료소모량을 낮추는 효과 또한 기대할 수 있다. 본 연구에서는 5기통 2.7리터 승용 디젤엔진에서 후처리장치 내 유입되는 배기가스의 균일도를 높여주기 위한 Mixer에 대한 성능검증 및 디젤산화촉매(Diesel Oxidation Catalyst)와 매연저감장치의 특성이 재생평형온도에 미치는 영향과 배기가스 저감 특성에 관하여 연구하였다. 연구결과 Mixer를 설치할 경우, DPF로 유입되는 입자상물질의 균일도가 높아져 더 넓은 면적에서 입자상물질의 재생이 발생하는 것으로 추정되며, 그 결과로써 재생평형온도가 감소하는 특성 및 배압증가에 의한 연료소모율 변화는 차이가 없는 것으로 확인되었다.
▲설치면적 최소화를 위한 보급형 백필터 집진장치 개발
백필터 집진장치는 먼지를 배출하는 다양한 산업공정의 집진설비로서 적용되어 왔으며, 전기집진기에 비해 시설비용이 낮고 여과기작에 의해 집진이 이루어지기 때문에 처리가스의 조건에 관계없이 안정적이고 높은 집진성능을 유지 가능하다는 장점이 있다. 백필터 집진기는 여과과정과 탈진과정을 반복하면서 운전되는데, 탈진방식은 충격기류(pulse-jet) 방식으로 압축공기를 0.1~0.3초의 짧은시간내에 순간적으로 백필터 내부로 분사하여 필터를 팽창시킴으로서 필터표면의 먼지를 털어낸다. 백필터 집진기에서 탈진이 정상적으로 이루어지지 않는다면 필터가 막히고 압력손실이 증가하여 운전을 중단하고 필터를 교체해야 되기 때문에 집진기의 운전측면에서는 탈진효율이 높고 안정적인 탈진이 이루어지는 것이 가장 중요하다. 본 연구에서는 복합재생방식이라는 새로운 백필터 탈진기술을 활용하여 길이가 15m인 백필터까지 안정적인 탈진 및 운전이 가능하며 동시에 먼지배출농도를 기존 대비 1/5~1/10이하로 낮춘 백필터 집진장치를 개발하였다. 기존 탈진방식의 길이 3m 필터와 본 연구의 복합재생방식의 길이 10m 필터를 적용한 처리가스 용량 300,000m3/hr 백필터 집진장치를 각각 설계하여 설치면적과 시설비용을 비교평가한 결과, 본 연구에서 개발된 복합재생 10m 백필터의 경우 기존 3m 백필터와 대비하여 설치면적이 60% 감소하였으며, 시설비용은 30% 절감된다는 것이 확인되었다.
▲환경 에어로졸 모니터링을 위한 광학기반 비접촉 흡수 측정 장치
대기환경 오염물질중 하나인 블랙카본(Black Carbon, BC)은 화석연료의 불완전연소에 의해 발생하며 가시거리에 영향을 줄 뿐만 아니라 태양광을 흡수하여 기후 변화에도 영향을 주는 것으로 알려져 있다. 주로 도로 및 비도로 이동수단에 사용되는 열기관, 공장 굴뚝, 산불 등의 농림 분야에서 발생하여 대기중에 분산되어 다른 유기물, 황산화물 등과 함께 혼합되기도 하여 대기 중에서 매우 복잡한 거동을 보인다(Bond et la., 2013). 기존에는 필터에 접촉시켜 포집하는 과정을 거쳐 블랙카본을 측정하는 기술이 사용되어 왔다. 하지만 이러한 필터 기반 방법은 필터가 수분이 함유되었을 때 변색되는 현상으로 인해 실제 포집되는 양을 정량화하기에는 한계가 있다. 그럼에도 불구하고, 방법의 단순성으로 인해 간단하게 적용될 수 있어 널리 사용되어온 방법이기도 하다. 필터 기반 방법은 실제 존재하는 블랙카본량을 과대 왜곡시키는 결과를 유발해왔다. 이러한 문제점을 극복하고자 필터에 포집하지 않고 직접 블랙카본 등의 흡수 에어로졸을 검출할 수 있는 기술을 개발하고자 한다. 이를 위해 광열 기법을 도입하였고, 광열 기법중 편광 기반 간섭법을 활용하였다. 광열간섭법을 이용하여 측정된 결과를 토대로 대기환경 측정 분야의 신기술을 확보하고자 한다.
▲실내외 초미세먼지 실시간 모니터링 진단기술 개발
초미세먼지는 머리카락 두께보다도 훨씬 작은 미세한 입자로써 흡입 시 코 혹은 기관지 등에 걸러지지 않고 폐포 깊숙이 도달하여 암 발병, 호흡기, 심혈관 질환뿐만 아니라 뇌까지 전달되어 우울증, 침해 등의 뇌질환 유발 가능성 등 인체에 심각한 영향을 미치고 있으며, 이와 같은 미세입자물질을 효율적으로 규제 및 저감하기 위해서는 실시간으로 대기 및 실내 공간에 존재하는 모든 입자 크기의 입자상 물질을 모니터링 할 수 있는 기술이 필요한 상황이다. 현재 초미세먼지 연구 분야에서 널리 사용되고 있는 SMPS(Scanning Mobility Particle Sizer)는 전기적 이동으로 입자를 분류한 뒤 입자를 성장시켜 레이저를 이용하여 측정하는 방식이나 높은 가격과 큰 부피, 수 분 대의 느린 응답시간, 그리고 1㎛ 이상의 입자를 측정할 수 없다는 단점을 가지고 있다. 본 학술대회에서는 ‘실내외 초미세먼지 실시간 모니터링 진단기술 개발’ 연구과제에서 목표로 제시되었던 전기식 다단 임팩터 개발에 대해 소개할 예정이다. 실내외 공기중에 있는 입자를 전기적으로 하전시키고 하전된 입자들을 임팩터 각단에서 크기별로 포집하게 된다. 임팩터 각단에서는 하전된 입자로부터 흐르는 전류를 미세전류 증폭회로가 설계된 전류계에서 측정하여 입자 농도로 환산하게 된다. 다단 임팩터와 전류신호측정 시스템을 통해 미세입자들을 크기별로 실시간으로 측정할 수 있게 되는 것이다. 또한 무선 통신 시스템이 적용되어 넓은 영역에서 원격 조정이 가능하며, Cloud server를 통해 인터넷이나 스마트폰 등으로 어디서든 미세먼지 농도를 확인할 수 있다. 추가적으로 고오염 상황 등에서 경보가 가능한 알고리즘을 적용하여 미세먼지에 빠르게 대처할 수 있는 측정 장비를 개발하는 연구이다.
▲온실가스 및 대기오염물질 통합관리 의사결정 지원 시스템 개발
지속가능한 개발과 저탄소 사회를 달성하기 위해서는 대기오염과 기후변화 정책을 통합 관리해야 하고, 이를 통해 비용 절감효과와 기타 여러 가지 부수적인 이익을 기대할 수 있어 대기오염과 온실가스 문제를 동시에 고려하는 정책을 수립하는 것이 효과적인 것으로 알려져 있다. 이를 위하여 우리나라 자료에 기반한 최신 온실가스-대기오염물질 통합 관리 의사결정 시스템(GUIDE : GHGs and Air pollutants Unified Information Design System for Environment)을 개발중이며, 개발대상 구성요소로는 1) 의사결정의 역할을 담당하는 비용-편익 모형에 현실적인 정보를 효율적으로 제공하기 위한 통합배출인벤토리 정보구축과 다양한 배출시나리오 과학적, 효율적으로 대응할 수 있는 정책지원 이동모델링 시스템을 개발하는 것과, 2) 온실가스와 대기오염물질 배출통합관리 의사결정을 위한 비용-편익분석모형을 개발하는 것, 그리고 3) 모든 연구 결과물을 통합하여 서비스 할 수 있는 의사 결정지원시스템 플랫폼을 개발이 포함된다. 본 학술대회에서는 GUIDE의 구체적인 개발 방향과 추진전략 및 최종 기대되는 활용성에 대한 발표와 함께, 기존의 통합관리 모형을 활용한 대기오염 정책 평가 및 미세먼지 관리방안 연구 사례를 소개할 예정이다.
