한국에너지기술연구원(원장 김종남)은 물의 정전분무를 이용한 고효율의 공기청정 기술을 개발하고 실증 연구를 성공리에 마쳤다고 4일 밝혔다. 정전분무는 노즐을 통과하는 액체에 양·음 고전압을 공급해 수십 마이크로미터(㎛) 크기 미세 액적(물 덩어리)을 만드는 기술이다.
최종원 EMS연구실 책임연구원팀은 정전부무로 초미세먼지, 부유세균 및 휘발성 유기화합물을 동시에 저감할 수 있는 차세대 공기청정 기술을 개발하고, 서울교통공사 5호선 장한평 역사 내에서 성공리에 실증 연구를 마쳤다.
지하철 역사 내 미세먼지 농도는 대기 측정 농도보다 1.5∼5배 높다. 보다 효율적인 미세먼지 저감 대책이 필요하다. 불특정 다수 이용객들의 바이러스, 세균 등 노출 대응방안도 필요한 시점이다.
보통 주사기 바늘로 물을 천천히 흐르게 하면 물이 표면장력에 의해 방울로 떨어지게 된다. 하지만 바늘에 고전압을 인가하면 물 분자 사이 전기적 척력에 의해 수백만 개 이상 작은 액적이 서로 밀어내며 분사된다. 이것이 정전분무다. 이는 공기질을 관리하는데 다양한 효과를 발휘한다.
액적은 표면에 높은 밀도로 전자가 하전돼 주변 다수 미세먼지들을 끌어와 응집시킨다. 기존물을 이용한 공기청정 기술과 달리 더 높은 효율로 미세먼지를 포집한다. 연구진은 이 원리를 이용한 정전분무 사이클론을 보령화력발전소 굴뚝 설비에 적용, 높은 집진 효율을 확인한 바 있다.
정전분무는 살균도 가능하게 한다. 물은 5~20㎛ 크기가 되면 액적 표면이 자발적으로 수소 이온과 수산화 이온으로 나뉘는데, 높은 전기장 환경에서 표면 수산화 이온이 수산화 라디컬로 변한다. 2개의 수산화 라디컬이 결합하면 소독약 성분인 과산화수소로 변한다. 또 노즐 주위를 지나는 공기 중 일부 산소 분자는 전기장을 지나면서 코로나 방전에 의해 오존으로 산화되고, 물 액적에 용해돼 강력한 산화력·살균력을 지닌 오존수가 된다. 이렇게 생성된 과산화수소수와 오존수는 실내 공기 중 세균, 바이러스, 악취를 제거할 수 있다. 새집증후군을 일으키는 톨루엔, 아세트알데히드 등 휘발성 유기화합물도 이산화탄소와 물로 분해할 수 있다.
연구진은 이런 원리를 이용해 공기청정기를 개발, 지하철 플랫폼에서 동시 저감 기술 검증까지 마쳤다.
지하철 플랫폼의 경우 역사로 진입하는 열차 바퀴 및 철로 마모로 발생된 초미세 철 입자도 있다. 연구진은 이런 지하철 역사 특수 환경을 고려해 미세먼지 물성 특성에 따른 맞춤형 집진 기술을 적용했다. 다수의 구리 코일을 공기청정기 입구에 배치해 코일 주변에 유도 자기장을 발생시켜 1차적으로 철 미세입자를 포집했으며, 2차적으로 고하전 물 액적에 의해 철 입자를 제외한 미세먼지를 포집했다.
PM2.5에 해당하는 초미세먼지는 최대 98%까지 제거할 수 있었으며, 30CMM(m3/min) 규모 처리 능력이 있는 정전분무 공기청정기 2대를 연속 가동했을 때 역사의 플랫폼 공간 중 약 80평에 해당하는 면적의 미세먼지 농도를 최대 40%까지 감소시킬 수 있었다. 스크린 도어, 계단 등을 통해 외부로부터 끊임없이 미세먼지가 유입되는 반 밀폐된 구조의 지하철 플랫폼을 고려했을 때 이 수치는 상당히 높다. 정전분무 시 생성되는 과산화수소수 및 오존수에 의해 총 부유세균은 99.9% 이상, 총 휘발성 유기화합물은 96% 이상 저감시키는 것을 확인했다.
배출되는 공기 내 오존 농도는 법적 규제치인 0.05ppm에 훨씬 못 미치는 0.015ppm으로 측정됐다.
연구진이 개발한 기술은 필터를 사용하지 않으므로 기존 여과식 공기청정기가 지니는 높은 차압에 따른 팬 소모동력 증가, 주기적인 필터 교체비용 부담을 덜 수 있다. 물 보충 및 저가 물필터 교체가 전부라 경제적으로도 의미가 매우 높다.
최종원 책임연구원은 “기술이 상용화될 경우 불특정 다수가 이용하는 지하철, 어린이집, 학교, 병원, 백화점, 군부대, 종교시설 등과 같은 다중 이용시설의 경제적이고 효과적인 공기질 개선에 큰 도움을 줄 수 있을 것”이라고 말했다.
한편 이번 연구는 연구원 주요사업과 산업통상자원부 한국에너지기술평가원에서 지원하는 에너지기술개발사업의 일환으로 2017년부터 4년간 진행되고 있다.
대전=김영준기자 kyj85@etnews.com
