[공학저널 전찬민 기자] 미세먼지, 특히 초미세먼지로 불리는 PM2.5는 전체의 약 3/4정도가 대기상의 질소산화물, 황산화물, 암모니아 등 전구물질의 광화학작용에 의해서 2차적으로 생성된다. 생성된 초미세먼지는 분해하기가 매우 어려워 일반적으로 집진이나 필터에 의해서 제거할 수밖에 없는 실정이다.
실내는 한정된 공간이다 보니 여러 가지 장치에 의해서 미세먼지를 제거할 수 있다. 하지만 실외의 경우에는 미세먼지 제거가 거의 불가능하기 때문에 제한된 영역 또는 일정 공간에 대해서만 기계적인 방법이 적용된다.
광촉매는 특정파장대의 UV-A를 에너지 공급원으로 촉매작용을 통해서 질소산화물을 비롯한 전구물질을 극미량의 질산염 형태로 변화·배출하는 작용을 하며, 이때 필요한 UV-A는 태양광이 가장 강력한 공급원이기 때문에 야외에서 가장 극적인 효과를 기대할 수 있다.
풍부한 광원인 태양광을 이용하는 실외에 광촉매를 적용하게 되면 대기 중의 전구물질을 미세먼지화되기 전에 포집해 대기질 악화를 미연에 방지하는 효과를 가지고 있다. 특히, 시멘트에 다량 함유돼 있는 칼슘은 질산칼슘 등의 형태로 콘크리트표면에 부착돼 있도록 도와주는 작용을 해 광촉매를 콘크리트에 적용하였을 때 가장 효과적인 전구물질 제거할 수 있는 역할을 한다.
하지만 광촉매는 품질도 천차만별이고 가격도 편차가 심한 소재로써 경제성이 매우 중요시되는 건설자재로 사용하기에는 경제성에서 큰 제약을 따랐다. 경제적이면서 성능은 기존의 우수한 제품에 필적할 수준이 돼야 건설자재로서 널리 적용되고 미세먼지저감에 기여할 수 있는 것이다.
또한 UV-A에 반응하는 광촉매를 가장 효과적으로 사용하기 위해서는 태양광이 조사돼야 하기 때문에 광조건이 제약적인 흐린 날씨일 때나 실내와 지하에서는 인공광원을 사용해야 했다. 물론 인공광원에 적합하도록 가시광반을 광촉매를 적용할 수도 있지만 이 또한 경제성과 효율성 측면에서 매우 불리해 제한적으로 적용되고 있다. 원하는 파장대를 만들어 적절한 범위에 걸쳐서 넓게 촉매작용이 가능하도록 하는 경제적이고 효율적인 인공광원의 개발 또한 필요한 시점이다.
이에 따라 하수슬러지로부터 생산되는 저가의 광촉매를 이용해 전구물질 제거효과를 극대화할 수 있는 기술을 시설물별로 개발해 도시의 초미세먼지 발생을 저감하는 목적으로 ‘저비용 고성능 광촉매를 활용한 미세먼지 저감 건설기술 개발’ 연구가 지난 2018년 시작을 알렸다.
정부의 미세먼지 저감대책은 디젤차량의 운행제한 등 배출원의 운용에 제한을 두는 경우와 같이 국민의 협조와 희생을 요구하는 네거티브정책이지만 도심 인프라에 이러한 기술을 적용하는 경우는 국가의 주도에 의해서 시행되는 포지티브정책이라는 점에서 큰 의미를 가지고 있다. 특히, 도시 하수 또는 폐수로부터 도심의 공기를 맑게 하는 물질을 생산하고 이를 도시에 적용하는 기술 순환 사례로 기대를 모으고 있다.
이번 연구에서는 일정수준 이상의 성능을 확보하고 있는 기존 광촉매와 동등한 수준의 성능을 갖추면서도 가격적으로는 기존에 비해 1/8이하인 광촉매 원료 생산기술을 확보했고, 이를 각종 도로인프라시설과 건축물에 적용할 수 있는 건설기술을 개발했다. 인공광원의 경우에는 유럽에서 기존에 널리 사용했던 메탈램프와 같이 발열량이 커서 내구수명이 작고 비경제적인 광원을 대체하기 위해 LED광원을 적용하고 효과적이면서 경제적인 인공광원을 개발해 지하시설물과 터널 등에 적용할 수 있도록 했다.
연구개발에서 대상으로 하는 시설은 콘크리트포장, 아파트외벽, 보도, 차도, 방음벽, 터널, 지하시설, 야외소공원용 Hot spot, 도로변용 스마트청정기, 유기도료, 무기도료, 투광콘크리트활용 조형물 등이 있다. 이러한 시설에 적용하기 위한 경제적이면 고성능의 GST 광촉매 생산기술과 각종 광촉매 제품의 성능평가 인증체계 구축을 위한 연구도 동시에 진행됐다.
한국건설기술연구원 구조연구본부 곽종원 선임연구위원(사진)은 “정부에서는 2016년 8월 선정, 발표한 ‘9대 국가전략프로젝트’에 미세먼지 대책을 포함해 권역별로 2019년까지 전국 미세먼지 입체 관측망을 구축할 계획을 세웠다”며 “이에 따라 화석연료에 의한 미세먼지 원인물질인 질소산화물과 황산화물의 저감에 광촉매 적용 기술이 크게 기여할 것으로 기대된다”고 말했다.
그는 이어 “국내의 생산기반이 미약한 산화티탄 제조 공정에 있어서 획기적인 전환점이 될 것”이라며 “기존의 높은 가격이 책정돼 건설현장에 사용이 어려웠던 광촉매의 시장 확장에 기여할 것으로 기대된다”고 덧붙였다.
미세먼지 전구물질인 질소산화물과 황산화물의 경우, 광촉매 물질과 자외선과 가시광선의 반응에 의해 분해되며 이로 인해 실내실험에서 오염물질의 농도가 70%까지 저감이 가능한 것으로 확인됐다. 미세 먼지(PM10) 농도가 10㎍/m3 증가할 때마다 만성폐쇄성폐질환으로 인한 입원율은 2.7%, 사망률은 1.1% 증가하기 때문에 청정한 대기질 확보를 통한 국제적 책무와 국민 건강 보호와 쾌적한 삶을 제공할 수 있게 된다.
또한 대기오염으로 인한 사회적인 비용이 연간 11조 8천억 원 이상이 발생하고 있고, 이 중에서 질소산화물에 의한 영향이 약 5조 9천억 원에 달하고 있는 상황에서 기술적용의 경제적 효과는 약 6조원으로 예측되고 있다.
고성능의 광촉매 소재를 저렴한 가격에 시장에 공급함으로써 광촉매의 효과를 활용한 다양한 응용 제품의 생산에 기여할 것으로 예상되고 있다. 이와 더불어 광촉매 건축자재의 개발과 표준과 인증기술이 개발될 경우, 광촉매 건축자재는 2030년 8000억 원, 공기조화기기 시장은 7000억 원 규모의 시장 창출도 기대할 부분이다.
곽 선임연구위원은 “광촉매를 활용한 미세먼지 저감 건설기술을 실용화하기 위해서는 현재 진행 중인 종합 시범사업을 성공적으로 마무리해 실용화 가능성과 실제 유효성을 확인할 예정에 있다”며 “이러한 연구가 완료가 되고나면 각 요소기술과 대상시설물 별 참여기업을 중심으로 기술이전과 사업화가 진행될 예정에 있으며 한국건설기술연구원은 추가 보완기술의 개발과 관련기관에 기술설명과 사업발굴을 위해 노력할 예정”이라고 말했다.
