1. 서 론

전 세계 플라스틱 생산량은 1950년 150만 톤을 시작으로 매년 생산량이 급증하여 2020년 3억 6천 700만 톤까지 증가하였다. 현재 생산되고 있는 플라스틱의 종류는 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 폴리염화비닐(PVC), 폴리스티렌(PS), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 등이 있으며, 이 중 PE와 PP는 합성섬유, 용기 등 다양한 용도로 사용되고 있어 전체 플라스틱 생산량의 절반가량을 차지하고 있다^[1-3]. 플라스틱은 생산, 사용, 폐기 단계에서 분쇄, 풍화, 열화 등의 과정을 거치면서 마이크로 크기의 작은 입자로 분해되는데, 이를 미세 플라스틱이라 한다. 초기에는 미세 플라스틱의 크기를 mm에서 sub-mm 정도의 크기로 현미경을 통해 관찰 가능한 크기로 정의하였지만, 2009년 미국 해양대기청(National Oceanic and Atmospheric Administration: NOAA)에서 5mm 이하 크기의 플라스틱 입자를 미세 플라스틱으로 제안하였다. 또한, 미세 플라스틱과 관련된 많은 연구에서는 330μm 이하의 샘플링이 가능한 입자를 미세 플라스틱 입자로 규정하고 있다^{[4, 5]}.

지금까지 미세 플라스틱에 관련된 연구는 미세 플라스틱의 분포 현황, 발생원 추적 등이 있으며, 주로 해양 환경에서 한정되어 수행되었다. 그러나 최근 연구에서는 도심, 가정집 및 사무실 내 뿐만 아니라 도심과 떨어져 있는 산간 지역에서도 대기 중에서 미세 플라스틱이 검출되었다는 연구 결과가 있어 이와 관련된 연구가 필요하다^[6-8]. 대기 중에서 부유하는 미세 플라스틱은 주로 호흡기를 통해 인체에 유입되어 천식, 섬유성 결절, 기관지염, 폐렴, 폐암 등의 질병을 유발하는 것으로 보고되고 있다^{[9, 10]}. 이러한 문제점을 해결하기 위해 대기 중 미세, 초미세먼지를 제거하기 위한 기술이 필요하며, 필터 여과, 전기영동, 원심력, 촉매, 세정액 등이 사용되고 있다. 특히 전기영동을 이용한 집진과 관련된 연구는 주로 미세, 초미세먼지 제거에 집중되어 있으며, 입자 크기도 sub-micro에서 nano 크기로 한정되어 있다^[11]. 그러나 먼지와 플라스틱 입자는 재질, 크기 등 물성적으로 상이한 개체이므로 대기 중 부유하는 미세 플라스틱 입자에 대한 집진 연구가 필요한 실정이다.

따라서 본 연구에서는 대기 중 부유하는 미세 플라스틱 입자를 전기영동을 이용하여 집진하기 위한 기초 연구로써 PE 입자와 정·부방전 집진 장치를 사용하여 입자 크기별 집진 효율을 실험적으로 연구하였다.

2. 실험장치 및 실험방법

Fig. 1은 미세 플라스틱 입자 집진 장치의 개략도와 실제 실험 장치의 구성을 나타낸 것이다. 실험 입자의 크기가 비교적 크기 때문에 전극 구조는 넓은 방전 공간을 형성하고 집진 효율을 올리기 위해 선대 평판(Wire-to-Plate) 구조를 2단 직렬로 구성하였다. 선 전극과 평판 전극의 간격은 25mm, 1단과 2단 사이의 간격은 35mm로 설정하였다. 선 전극은 직경 0.2mmΦ, 길이 120mm 스테인리스 재질의 전극을 사용하였고, 1단 당 5개의 선 전극을 15mm 간격으로 설치하였다. 평판 전극은 125mm×195mm, 두께 2T의 스테인리스 재질의 전극을 사용하였다.

정·부방전의 전압-전류 특성 실험을 통해 미세 플라스틱 입자의 집진에 효과적인 방전 방법을 선정하였다. 전압-전류 특성 실험에 사용된 고전압 전원장치는 양전압 발생장치(25A24-P30, Ultravolt)와 음전압 발생장치(25A24-N30, Ultravolt)를 사용하였으며, 평판 전극을 접지로 하고 선 전극에 양전압과 음전압을 인가하여 정·부방전을 발생시켰다. 인가전압을 0∼20kV까지 1kV 단위로 증가시키며 측정 저항(1kΩ)과 디지털 멀티미터(8808A, FLUKE)를 이용하여 전류를 측정하였다. 집진 특성 실험에서는 전압-전류 특성 실험의 결과를 토대로 음전압 발생장치를 사용하였으며, 12∼20kV까지 2kV 단위로 증가시키며 정밀 전자저울(XB 200A, Precisa)을 이용하여 집진 된 입자의 무게를 측정하였다. 실험에 사용된 PE 입자의 물리적, 전기적 특성은 Table 1에 나타내었다. 입자는 고압 분사장치를 이용하여 1Bar의 압력으로 5초간 장치 내부로 분사하였다.

모든 실험은 온·습도를 제어가 가능하고, 입자의 유동에 영향을 미치지 않도록 외부 바람을 차단할 수 있는 실험챔버 내의 공기(24±2℃, 30±2% RH) 중에서 실시하였다.

3. 실험결과 및 고찰

Fig. 2는 선대 평판 전극에 정극성 및 부극성 전압을 인가하였을 때의 전류-전압 특성을 나타낸 것이다. 전압의 극성에 관계없이 약 12kV 부근에서 코로나 방전이 개시되었으며, 이후 급격하게 전류가 증가하는 현상을 나타내었다. 정극성 방전의 경우 20kV에서 선 전극과 평판 전극 사이에서 절연파괴가 발생하였으며, 부방전의 경우 절연파괴 없이 안정적으로 22kV까지 인가할 수 있었다. 22kV 이상의 전압에서는 전원장치의 용량을 초과하는 전류 때문에 출력 전압 강하가 발생하여 인가하지 못하였다. 일반적으로 전기영동을 이용한 집진에서 부방전을 사용하는데, 이는 부방전이 이온의 생성량이 많고 정방전과 달리 스트리머의 발생없이 안정적인 전류가 발생하고 높은 절연파괴전압을 가지는 특성 때문이다. 그리고 정방전에서 스트리머가 발생할 경우 집진 전극에 집진된 입자가 스트리머에 의한 충격 때문에 떨어져나갈 수 있다. 따라서 본 연구에서도 이와 같은 결과를 바탕으로 집진 실험은 부방전을 사용하였다. 유전체 입자의 하전과 관련된 분석을 수행할 때 아래와 같은 세 가지 가정이 필요하다.

1) 유전체 입자는 구 형태이며 재질이 균일하다.

2) 입자는 평등 전계 내에서 분극 및 하전된다.

3) 전하는 하전 과정에서 입자 표면에 균일하게 분포한다.

첫 번째 가정은 등가 직경으로써 공기역학에서 널리 사용되는 가정이다. 입자의 크기가 마이크로 단위이며, 재질도 PE로 균일하기 때문에 가정에 문제는 없다고 판단된다. 두 번째 가정의 적용 여부를 판단하기 위해 실험장치의 전계 분포를 Fig. 3과 같이 시뮬레이션 하였다. 전계가 집중되는 선 전극 주위를 제외한 대부분의 방전 공간에서 전계 분포는 대체로 균일하다고 볼 수 있다.

qs : 입자의 전하량[C], εr : 입자의 비유전율,

ε0 : 공기의 유전율(8.85×10$^{-12}$[F/m]),

d : 입자 지름[m], E0 : 방전 공간 내 전계 세기[V/m]

세 번째 가정은 첫 번째 가정과 함께 가우스 법칙을 이용하여 입자와 입자 부근의 전계 분석을 위해 필요하다. 위의 세 가지 가정을 통해 유전체 입자의 최대 전하량을 아래의 식 (1)과 같이 나타낼 수 있다^[12].

방전 공간 내에서 유전체 입자가 가질 수 있는 최대 전하량은 인가전압에 의한 전계 세기와 입자 지름의 제곱에 비례한다. 이를 통해 인가전압이 높을수록, 입자의 크기가 클수록 입자가 더 많은 전하량으로 하전되어 집진 효율이 높을 것으로 예상할 수 있다.

Fig. 4는 인가전압에 따른 PE 입자의 크기별 효율 특성을 나타낸 그래프이다. 대체로 전압이 증가하면서 코로나 전류의 증가로 인해 이온 생성량이 증가하여 집진 효율이 높아졌다. 집진 효율은 아래의 식 (2)를 사용하여 계산하였다.

η : 집진 효율[%], mi : 투입 입자 무게[g],

md : 집진된 입자 무게[g]

인가전압이 증가하면서 모든 입자가 집진 효율이 증가하는 경향을 보이지만 입자의 크기에 따른 집진 효율에는 차이가 있는 것으로 나타났다. 코로나가 개시되기 시작하는 전압인 12kV와 이온풍이 강하게 발생하는 20kV에서는 입자 크기에 따른 특성이 보이지 않지만, 안정적인 코로나 방전이 발생하는 14∼18kV 구간에서는 30, 100mesh 입자가 50, 70mesh 입자보다 높은 집진 효율을 나타내었다. 가장 크기가 작은 100mesh 입자의 경우 20kV에서 약 98.7%로 가장 높은 집진 효율을 나타내었다.

다른 입자와 비교하여 30mesh 입자의 경우 인가전압에 따른 집진 효율의 변화가 큰 것을 알 수 있다. 인가전압이 낮을 경우 식 (2)에서 입자 당 하전량이 낮을 뿐 아니라 입자의 총량이 적기 때문에 가장 낮은 효율을 가진다. 그러나 인가전압이 증가함에 따라 입자 당 하전량이 증가하면서 집진 효율이 급격히 증가하였다. 그러나 20kV에서 집진 효율이 감소하였는데, 이는 코로나 전극에서 집진 전극 방향으로 발생한 강한 이온풍으로 인해 형성된 난류의 영향으로 집진되었던 입자가 재비산했기 때문으로 판단된다.

Fig. 5는 PE 입자의 크기에 따른 집진 효율을 인가전압별로 나타낸 그림이다. Fig. 4에서 설명한 바와 같이 인가전압이 12kV와 20kV일 때를 제외하면 30, 100mesh의 집진 효율이 높고 50, 70mesh의 집진 효율이 낮기 때문에 ‘U’ 형태를 나타낸다. 30mesh가 50mesh보다 효율이 높은 것은 위의 식 (1)에서 동일한 전계 세기에서 두 입자의 크기 차이가 약 2배이기 때문에 입자가 가지는 최대 하전량이 4배 차이가 나게 된다. 이러한 하전량의 차이는 집진 전극으로 입자를 끌어당기는 쿨롱힘이 커지게 되어 30mesh의 집진 효율이 더 높게 나온 것으로 판단된다.

동일한 무게 조건에서 입자 크기가 작아지면 입자의 총량이 증가한다. 입자의 총량이 많아지면 입자와 전하간 충돌이 증가하여 입자가 최대 하전량을 가질 수 있는 확률이 증가한다. 입자의 총량은 투입 질량과 입자의 밀도 그리고 입자의 부피를 이용하여 아래의 식 (3)을 이용하여 계산할 수 있다. 따라서 50, 70, 100mesh에서 입자 크기가 작아짐에도 불구하고 집진 효율이 증가하는 것으로 사료된다.

N : 입자의 총량[개], ρp : 입자의 밀도[g/㎤],

Vp : 입자의 부피[㎤]

4. 결 론

본 연구는 대기 중 부유하는 미세 플라스틱을 전기영동을 이용하여 집진하기 위한 기초 연구로써 PE 입자를 대상으로 입자 크기별, 인가전압별 집진 효율을 측정하는 실험을 수행하였으며, 다음과 같은 결과를 얻을 수 있었다.

정방전과 부방전 모두 12kV에서 코로나 방전이 발생하였으나 정방전의 경우 인가전압이 증가하면서 스트리머가 발생하면서 20kV에서 아크가 발생하였다. 스트리머가 발생할 경우 집진 전극에 부착된 입자가 재비산 할 수 있다. 그러나 부방전의 경우 스트리머의 발생 없이 안정적인 코로나 방전이 유지되고 동일한 인가전압에서 정방전보다 높은 전류와 절연파괴 전압을 가지는 것으로 나타났다. 따라서 미세 플라스틱 집진에 부방전을 이용하는 것이 효과적인 것으로 판단하였다.

모든 실험 입자 크기에서 인가전압이 증가하면 집진 효율도 함께 증가하였다. 가장 높은 집진 효율을 가지는 입자 크기는 100mesh, 인가전압은 20kV이며 약 98.7%의 집진 효율을 나타내었다. 코로나 방전이 안정적으로 발생하는 14∼18kV에서 입자 크기별 집진 효율은 30, 100mesh가 50, 70mesh보다 높아서 ‘U’자형 특성이 나타났다. 이는 50mesh보다 크기가 큰 30mesh는 입자 하나가 가질 수 있는 하전량이 많아 쿨롱힘을 강하게 받고, 50mesh보다 크기가 작은 70, 100mesh는 입자의 총량이 많아져 방전 공간에서 전자나 이온과 충돌하는 확률이 높기 때문으로 판단된다.

본 연구의 결과는 대기 중 부유하는 미세 플라스틱을 전기영동을 이용하여 집진하는 연구의 기초 자료로써 활용될 수 있을 것이다.

향후 연구에서는 미세 플라스틱 입자의 전기영동을 극대화하여 집진 효율을 향상시키기 위한 최적 조건을 찾기 위해 더 많은 종류의 입자 크기와 재질, 분사 압력, 입자의 양, 전원 종류, 전극 구조 등에 따른 집진 효율 연구를 수행할 예정이다.