1. 서 론

전 세계 플라스틱 생산량은 1950년 150만 톤을 시작으로 매년 생산량이 급증하여 2021년 3억 9,070만 톤까지 증가하였다. 현재 생산되고 있는 플라스틱은 폴리에틸렌(Polyethylene : PE), 폴리프로필렌(Polypropylene : PP), 폴리염화비닐(Polyvinyl chloride : PVC), 폴리스티렌(Polystyrene : PS), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(Polyethylene terephthalate : PET) 등이 있다. 이 중 전체 플라스틱 생산량의 절반 정도를 차지하는 것이 PE와 PP이다^[1-3]. 미세 플라스틱은 플라스틱의 생산, 사용, 폐기 단계에서 분쇄, 풍화, 열화 등의 과정을 거치면서 생성되는 작은 입자이다. 미세 플라스틱은 크기에 의해 정의되는데, 2009년 미국 해양대기청(National Oceanic and Atmospheric Administration: NOAA)에서 5mm 이하 크기의 플라스틱 입자를 미세 플라스틱으로 제안하였으나, 미세 플라스틱과 관련된 연구에서는 330μm 이하의 입자를 미세 플라스틱 입자로 규정하고 있다^{[4, 5]}.

기존 미세 플라스틱 관련 연구는 주로 미세 플라스틱의 분포 현황, 발생원 추적 등이 있으며, 특히 해양 환경에서 한정되어 수행되었다. 그러나 최근 연구에서는 해양 근처가 아닌 내륙의 도심, 가정집 및 사무실 실내와 산간 지역의 대기 중에서 미세 플라스틱이 검출되었다는 연구가 보고되고 있다^[6-8]. 대기 중에서 부유하는 미세 플라스틱은 주로 호흡기를 통해 인체에 유입되는데, 플라스틱 관련 업종 종사자들에게서 발병된 천식, 섬유성 결절, 기관지염, 폐렴, 폐암 등의 발병 원인으로 미세 플라스틱을 주목하고 있다^{[9, 10]}. 그러나 미세 플라스틱을 포집하는 연구는 주로 해양 미세 플라스틱을 포집하는 연구가 이루어지고 있고, 미세/초미세 먼지와 플라스틱 입자는 물성적으로 상이하기 때문에 대기 중 부유하는 미세 플라스틱 입자에 대한 집진 연구가 필요한 실정이다.

따라서 본 연구에서는 대기 중 부유하는 미세 플라스틱 입자를 전기 집진을 이용하여 포집하기 위한 기초 연구로써 마이크로 사이즈의 PE 입자와 정·부방전 집진 장치를 사용하여 입자 분사 압력별, 전극 간격별 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 기존 미세/초미세 집진 연구에 사용되는 입자의 크기보다 비교적 크기 때문에 전극 구조는 넓은 방전 공간을 형성하고 집진 효율을 올리기 위해 선대 평판(Wire-to-Plate) 구조를 2단 직렬로 구성하였다. 선-평판 전극의 간격(d)은 25, 35, 45mm, 선 전극은 직경 0.2mmΦ, 길이 80mm, 스테인리스 재질의 전극을 사용하였다. 평판 전극은 104mm×100mm, 두께 2T의 스테인리스 재질의 전극을 사용하였다. 전류-전압 특성 실험에 사용된 고전압 전원 장치는 양전압 발생장치(25A24-P30, Ultravolt), 음전압 발생장치(25A24-N30, Ultravolt)를 사용하여 측정 저항(1kΩ)과 디지털 멀티미터(8808A, FLUKE)를 이용하여 전류를 측정하였다. 집진 특성 실험에서는 음전압 발생장치를 사용하였으며, -14∼-24kV까지 2kV 단위로 증가시키며 정밀 전자저울(XB 200A, Precisa)을 이용하여 투입 입자의 무게를 측정하였다. 타겟 입자가 비교적 무겁기 때문에 실험 장치 내부로 고르게 투입시키기 위하여 고압 분사장치를 이용하여 2, 4, 6Bar의 압력으로 5초간 분사하였다. Table 1은 실험에 사용된 미세 플라스틱 입자의 물성 특성이다. 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.

Fig. 1. Schematics and photograph of experimental setup

3. 실험결과 및 고찰

Fig. 2는 선 전극과 평판 전극 간격별로 정극성 및 부극성 전압을 인가하였을 때의 전류(Ic)-전압(VA) 특성을 나타낸 것이다. Ic 데이터는 각 조건별로 3번씩 측정하여 평균값을 데이터로 사용하였다. 코로나 개시 전압은 전극 간격이 멀수록 높으며 정방전의 경우 10∼11kV, 부방전의 경우 –8∼-10kV이다. 모든 거리 조건에서 인가 전압이 증가하면 코로나 개시 전압 이후 코로나 방전 전류가 급격하게 증가하였다. 그리고 인가 전압과 전극간 거리 조건이 동일한 경우 부방전이 정방전보다 코로나 방전 전류가 크게 생성되는 것으로 나타났다. 또한, 동일한 극성과 인가 전압에서 전극간 거리가 멀어짐에 따라 코로나 전류는 감소하였다. 따라서 본 연구에서도 이와 같은 결과를 바탕으로 마이크로 입자의 집진 실험은 부방전을 사용하였다.

Fig. 2. Ic - VA characteristics of corona discharge according to applied voltage and distance

유전체 입자의 하전량은 일반적으로 아래와 같은 세 가지 조건을 가정한다.

1) 입자는 구 형태이며 재질이 균일하다.

2) 입자는 평등 전계 내에서 분극 및 하전된다.

3) 전하는 입자 표면에 균일하게 분포한다.

타겟 입자의 크기가 마이크로 단위로 작고 재질도 PE로 균일하기 때문에 첫 번째 조건을 가정하는 것은 타당하다고 판단된다. 두 번째 가정은 선-평판 구조이긴 하지만 선 전극 부근의 전계를 제외한 대부분의 방전 공간에서는 평등 전계와 유사한 전계 분포를 가지기 때문에 문제가 없다고 판단된다. 세 번째 가정은 입자 주위의 전계 분석을 가우스 법칙을 통해 분석하기 위해 필요한 가정이다. 위의 가정을 통해 유전체 입자의 최대 전하량을 아래의 식 (1)과 같이 나타낼 수 있다^[11].

qs : 입자의 전하량[C], εr : 입자의 비유전율,

ε0 : 공기의 유전율(8.85×10-12[F/m]),

dp : 입자 지름[m], E : 방전 공간 내 전계 세기[V/m]

마이크로 입자가 코로나 방전 공간을 유동할 때 입자의 최대 하전량은 방전 공간의 전계 세기에 비례한다. 이를 통해 인가 전압이 크고 전극 간격이 가까울수록 즉, 방전 전류가 높을수록 입자가 더 많은 전하량으로 하전되어 집진 효율이 높을 것으로 예상할 수 있다. 집진 효율은 아래의 식 (2)를 사용하여 계산하였다.

η : 집진 효율[%], mi : 투입 입자 무게[g],

me : 집진된 입자 무게[g]

Fig. 3은 분사 압력 4bar에서 전극간 거리와 인가전압에 따른 PE 입자의 집진 효율 특성을 나타낸 그래프이다. 일반적으로는 전극 간격이 가까우면 방전 전류가 증가하고 생성되는 식 (1)에 의해 입자의 하전량이 많아지기 때문에 집진 효율이 증가할 것으로 예상할 수 있다. 실제로 전극 간격이 가장 가까운 25mm 일 경우가 최대 효율 91.8%로 가장 높게 측정되었다. 그리고 전극 간격이 가장 먼 45mm에서 35mm보다 전체적으로 높은 집진 효율을 가지는 것으로 나타났다. 이는 동일한 분사 압력에서도 전극 간격이 변하면 기체 유동 공간의 구조가 변하게 되어 생성되는 난류의 양상이 바뀌기 때문으로 사료된다. 집진 장치의 내부 구조와 코로나 방전에 의한 이온풍으로 인해 발생하는 난류는 집진 효율에 큰 영향을 미치게 되는데, 일반적으로 적절한 속도와 형태의 난류는 하전된 입자를 집진 전극에 충돌하게 하여 집진 효율을 높이지만 강한 난류는 집진 전극에 부착된 입자를 재비산시켜 집진 효율을 떨어뜨릴 수도 있다.

Fig. 3. η - VA characteristics of PE particles according to distance between electrodes at 4bar

Fig. 4는 전극간 거리를 25mm로 고정하고 입자 분사 압력과 인가전압에 따른 PE 입자의 집진 효율 특성을 나타낸 그래프이다. 방전공간 내에서 입자의 유동 속도가 빠를 경우 입자가 충분히 하전되지 못해서 집진효율이 낮아질 것으로 예상하였지만 집진 효율은 입자 분사 압력이 높아서 입자의 유동 속도가 빠른 조건 순으로 높게 측정되었다. 이는 25mm 간격 조건의 경우 이온풍이 강하게 생성되는데 분사 압력이 강할 경우 이온풍에 의한 난류 생성이 감소하기 때문으로 볼 수 있다^[12]. 따라서 분사 압력이 강할수록 난류로 인한 입자의 제비산이 감소하면서 집진 효율이 증가된다고 볼 수 있다.

Fig. 4. η - VA characteristics of PE particles according to injection pressure at 25mm

Fig. 5. Tubulent flow simulation according to injection pressure at 25mm

Fig. 5는 전극 간격 25mm 조건에서 분사 압력에 따른 난류의 시뮬레이션을 나타낸 것이다. 해당 시뮬레이션에서는 이온풍에 의한 영향은 포함되지 않았다. 분사 압력이 가장 강한 6bar와 가장 약한 2bar의 난류 분포를 비교해보면 2bar의 경우 집진 전극 부분에서 난류가 더 활발히 생성되는 것을 알 수 있다. 집진 전극 주위에 생성된 활발한 난류에 의해 집진 전극에 부착된 입자가 재비산되어 집진 효율이 감소한 것으로 볼 수 있다. 만약 이온풍의 영향을 더한다면 주 유동이 느린 2bar 조건에서 난류는 더 활발히 생성될 것으로 예상된다.

4. 결 론

본 연구는 채널 내 기체 유동 조건에 따른 대기 중 부유하는 미세 플라스틱의 집진 효율을 파악하기 위한 기초 연구로써 100mesh 크기의 PE 입자를 대상으로 인가전압별, 전극 간격별, 입자 분사압력별 집진 효율을 측정하는 실험을 수행하였으며, 다음과 같은 결과를 얻을 수 있었다.

1. 정방전은 10∼11kV, 부방전은 –8∼-10kV에서 코로나 방전이 발생하였으며 전극 간격이 멀수록 코로나 개시전압은 증가하였다. 부방전의 경우 스트리머의 발생 없이 안정적인 글로우 방전이 유지되고 동일한 인가전압에서 정방전보다 높은 전류를 가지는 것으로 나타났다.

2. 분사 압력이 4bar인 조건에서 전극 간격이 25mm일 때 최대 집진 효율 91.8%로 나타났다. 전극 간격이 35mm 일 때보다 45mm 일 때 집진 효율이 더 높게 나타났는데, 이는 해당 구조 조건에서 주 유동과 이온풍에 의해 생성되는 난류의 영향으로 판단된다.

3. 전극 간격이 25mm인 조건에서 분사 압력이 강할수록 집진 효율이 높게 나타났다. 이는 분사 압력이 강할수록 주 유동 및 이온풍에 의해 생성되는 난류가 약해지기 때문으로 판단된다.

4. 주 유동 시뮬레이션 결과 전극 간격 25mm 조건에서 분사 압력이 6bar일 경우보다 2bar 일 때 집진 전극 주위에서 난류가 활발히 발생하는 것으로 나타났다.

본 연구의 결과는 대기 중 부유하는 미세 플라스틱을 전기집진을 이용하여 포집 및 제거하는 연구의 기초 자료로써 활용될 수 있을 것이다. 향후 연구에서는 미세 플라스틱 입자의 집진 효율을 극대화하기 위해 난류 생성을 최소화 시킬 수 있는 최적의 유동 조건을 찾고 다양한 유동 속도, 장치 구조, 전원 종류 등에 따른 집진 효율 연구를 수행할 예정이다.