2.1 미세먼지 전구물질 및 산화티탄(TiO2) 광촉매 관련 연구

미세먼지 전구물질에 대한 최근 국내의 선행 연구는 미세먼지 구성요소에 관한 연구와 실내⋅외 오염물질 제거를 위한 공동주택의 환기장치에 대한 연구가 진행되었다.

대표적으로 미세먼지 구성요소에 관한 연구는 실내공기질 관련 연구결과를 바탕으로 실내 공기오염물질의 비중을 분석한 연구⁽⁷⁾와 실외에서 발생되는 1차, 2차 미세먼지의 구성요소 및 비중을 분석한 연구⁽⁹⁾를 통하여 미세먼지 구성요소에 대한 분석 연구가 진행되었다. 그 결과 미세먼지를 구성하는 화학적 조성은 SO4, NO3 등의 화학물질이 약 32%의 비중을 차지하고 있는 것으로 나타났다.

또한 미세먼지 현황을 실내외 미세먼지 측정 후 분석을 통해 공기청정기와 환기장치의 실내 미세먼지 저감 성능을 알아본 연구⁽⁶⁾와 공동주택 환기장치에 공기청정 기능을 추가한 공기청정 환기시스템 제안 및 미세먼지의 구성을 확인한 연구⁽⁶⁾가 진행되었다. 그 결과 공기청정기와 환기장치의 미세먼지 저감 성능은 유사하게 나타났으며, 이를 바탕으로 실제 공동주택에 적용할 예정으로 나타났다.

국내 연구의 경우 미세먼지를 구성하는 물질에 대한 분석이 다양하게 이루어져 있으며, 대표적인 실내 미세먼지 저감 방안으로 공기청정기 및 환기장치의 효과를 확인하는 연구가 진행되고 있는 것을 확인할 수 있었다.

TiO2를 이용한 미세먼지 전구물질 저감 연구의 경우 콘크리트 및 모르타르 등 TiO2 결합이 잘 이루어지는 재료와의 혼합을 통한 연구^(13,14)가 진행되었으며, 실제 TiO2 광촉매가 혼입된 콘크리트 및 모르타르에서 50~80%의 NOx 농도 저감이 발생하는 것으로 나타났다. 다만, 건축자재 중 마감재로 활용할 수 있는 페인트 및 코팅제 등의 연구는 실험실 실험이 주를 이루고 있어 Mock-up 등을 활용한 응용연구는 아직까지 미미한 상황이다.

국외의 경우 TiO2 광촉매를 활성탄이 설치된 공기청정에 적용하여 실내의 공기 정화작용을 확인한 연구⁽¹⁾를 진행하였으며, 그 결과 TiO2만을 혼입한 필터 보다 활성탄과 TiO2가 함께 혼입된 필터가 오염물질(NO, 톨루엔)의 절감 효과가 더 뛰어난 것으로 나타났으며, 실험실에서 TiO2 도료를 이용한 질소(NO)저감 효과를 확인한 연구⁽²⁾ 결과 특정 제품의 배합이 NO 저감에 효과가 있는 것으로 발표되었다. 광촉매의 산화를 통해서 휘발성유기 화합물(VOC)와 포름알데히드 저감을 위한 연구⁽³⁾는 2016년 현재 광촉매 산화반응을 통한 기술의 평가와 향후 전망에 대한 연구를 실시하였다.

더불어 TiO2를 이용한 건축용 모르타르의 작용 효과 분석 연구⁽⁴⁾는 TiO2 코팅제와 모르타르의 자가세척 능력에 대한 비교 연구 결과 코팅제가 자가세척 능력에서 더욱 우수한 성능을 보인 것으로 나타났다.

미세먼지 전구물질 및 TiO2 광촉매 관련 기존 연구를 확인한 결과 국외에서는 최근 관련 연구가 다양한 건축자재를 활용하여 활발하게 이루어지지만, 국내의 경우 해당 연구의 진행이 콘크리트 및 모르타르와 혼입된 방법이 주를 이루고 있어 기타 건축자재를 활용한 연구가 미미한 것으로 나타났다. 따라서 국내 미세먼지 전구물질 환경에 적합한 다양한 TiO2 광촉매 혼입 건축자재 적용방안에 관한 연구가 필요한 상황이다.

2.2 산화티탄(TiO2) 광촉매

본 연구에 활용된 TiO2 광촉매의 효과는 방오, 공기정화, 항균, 탈취, 정수로 크게 5가지로 분류할 수 있다. 해당 분류의 상세 내용은 Table 1과 같다.

광촉매의 5가지 특성 중 첫 번째로 방오성능이다. 방오성능은 TiO2 광촉매의 초친수 작용에 의해 기재 표면에 부착되는 오염물질을 분해하고 제거할 수 있는 특성을 가지고 있으며, 이를 통해 시설물 유지관리가 용이하다. 두 번째 특성으로 공기 중 NOx, SOx 제거효과이다. 이는 미세먼지를 저감할 수 있는 역할을 할 수 있다. 세 번째는 바이러스, 세균, 곰팡이균 등의 살균과 부패 방지이다. 이를 통해 항균효과를 얻을 수 있다. 네 번째는 암모니아, 아세트알데히드, VOCs 등 물질 및 악취를 제거할 수 있는 탈취 효과이다. 다섯 번째로 오/폐수 중에 혼합되어 있는 유해성 화합물을 분해 및 제거할 수 있는 효과가 있다.

본 연구는 대표적인 TiO2 광촉매의 효과인 공기정화(Air cleaning)을 활용하고자 하였으며, TiO2의 산화반응을 통한 NOx 분해는 식⁽¹⁾과 같다.

식⁽¹⁾에 나타난 것과 같이 TiO2가 자외선(UV)으로부터 에너지를 받아 정공과 전자가 발생하며, 공기 중의 H2O와 O2와 반응하여 산화력을 가진 물질(⋅OH, O2-)을 생성시켜 이들의 산화력으로 NOx를 제거하게 된다. 따라서 TiO2 광촉매는 자외선(UV)와의 반응으로 NOx를 제거하므로 TiO2 광촉매와 자외선(UV)의 상관관계가 NOx의 저감 효과에 가장 중요한 요소가 될 것이다.

3.1 Mock-up 개요

본 연구는 TiO2가 혼입된 광촉매 페인트의 질소산화물 저감 성능 평가를 위한 Mock-up 실험으로 Mock-up의 개요는 Fig. 1과 같다. Mock-up은 크기(2,675×2,750×2,860)로 구축되었으며, Fig. 1에 나타난 부분과 같이 한쪽 벽면에 TiO2 광촉매가 혼입된 페인트를 도포하였다. Mock-up 실험 시 외부 자외선의 유입으로 인해 발생할 수 있는 오차를 줄이고자 Mock-up에 설치되어 있는 창호부분은 암막커튼을 설치하여 외부의 빛을 차단 하였다.

Fig. 1 Mock-up plan & picture

Fig. 2 Mock-up test plan

특히, 본 연구에 활용 한 TiO2 광촉매 페인트는 실내 적용이 가능한 수성페인트와 TiO2 광촉매의 혼합으로 만들었으며, 국내 페인트업체 중 하나인 D사의 페인트제품을 구입하여 적용하였다. 즉, TiO2 광촉매 페인트를 실내 마감재 중 하나인 석고보드 위에 도포하였으며, 해당 벽면에 UV 조사를 위한 램프를 설치하였다.

3.2 Mock-up 실험 방법

TiO2 광촉매 혼입 페인트를 활용한 NOx 저감성능을 확인하기 위하여 실내에 UV-A 램프를 설치하였으며, UV-A 램프 및 실내의 조건은 소형 챔버 실험 방법인 ISO22197-1 시험법을 참조하였다. 실험에 사용된 가스는 NOx 측정을 위해 NO가스를 실내에 주입하였으며, 실내 NOx 농도가 2 ppm에 도달 시 가스 주입 종료 후 3시간 동안의 질소산화물 농도 저감을 확인하고자 하였다.

시험의 기본 조건 및 측정 장비는 Fig. 2, Fig. 3 및 Table 2와 같다. Fig. 2에 나타난 것과 같이 측정 장비는 크게 NOx 측정 장비와 실험실 실내 환경 측정을 위한 장비로 구분될 수 있다. NOx 측정 장비는 ecotech사의 Serinus 40장비와 KIMO사의 AMI 310 다기능 환경 측정기를 활용하였다. Mock-up 실험은 UV 램프 ON/ OFF에 따른 NOx 농도 변화를 확인한 실험과 UV 램프의 광량 변화에 따른 NOx 농도 변화를 확인하여 그 추이를 확인하고자 하였다. 실험은 발생할 수 있는 오차를 줄이기 위하여 각 조건에 따라 3회씩 실시하였다. 각 실험 사이 1시간 동안 Mock-up 내부의 환기 및 정리를 실시하여 외부 요인의 영향을 최소화 하였다.

4.1 UV 램프 ON/OFF에 따른 질소산화물(NOx) 농도 변화 결과

TiO2 광촉매 혼입 페인트의 NOx제거 효과를 확인하기 위하여 UV 램프의 ON/OFF 상태에 따른 NOx 농도 변화 실험을 실시하였으며, 그 결과는 Fig. 4~Fig. 6 및 Table 3과 같다. 본 실험에 적용된 UV 광량 값은 Mock-up이 위치하고 있는 지역의 7일 간의 UV 광량 조사 평균 값 인 Table 2에 나타난 0.505 mW/cm2의 값을 램프의 거리 설정을 통하여 적용하였다.

Fig. 3 (a) NOx measurement equipment, (b) Multifunction instrument.

Fig. 4는 UV OFF 상태의 그래프로 3회 실험 결과 모두 시간이 경과함에 따라 일정하게 농도가 저하되는 것으로 확인되었다. Fig. 5는 UV ON 상태의 실험 그래프로 OFF 상태와 달리 농도의 변화가 3회 모두 다르게 나타났다. 농도 저감의 속도는 다르지만, 일정시간 종료 후 모두 일정한 수준으로 감소되는 것으로 확인되었다. 이는 NOx 분자가 실내 공기 유동에 따라 시험 벽면에 접촉하는 부분에서의 차이가 발생된 것으로 판단된다. UV ON/OFF 상태 실험의 평균 농도 변화를 나타낸 Fig. 6을 통하여 UV ON/OFF 상태에 따라 실내의 NOx 농도 변화가 다르게 나타나고 있음을 확인하였으며, Table 4에 나타난 실험 시작, 종료, 농도 차를 바탕으로 UV 램프와 광촉매의 광반응을 통하여 NOx가 약 11.87% 저감된 것으로 확인되었다.

Fig. 4 NOx concentration change in UV lamp off mode.

Fig. 5 NOx concentration change in UV lamp on mode.

Fig. 6 NOx average concentration change according to ON/OFF state of UV lamp graph.

Fig. 4는 UV OFF 상태의 그래프로 3회 실험 결과 모두 시간이 경과함에 따라 일정하게 농도가 저하되는 것으로 확인되었다. Fig. 5는 UV ON 상태의 실험 그래프로 OFF 상태와 달리 농도의 변화가 3회 모두 다르게 나타났다. 농도 저감의 속도는 다르지만, 일정시간 종료 후 모두 일정한 수준으로 감소되는 것으로 확인되었다. 이는 NOx 분자가 실내 공기 유동에 따라 시험 벽면에 접촉하는 부분에서의 차이가 발생된 것으로 판단된다.

UV ON/OFF 상태 실험의 평균 농도 변화를 나타낸 Fig. 6을 통하여 UV ON/OFF 상태에 따라 실내의 NOx 농도 변화가 다르게 나타나고 있음을 확인하였으며, Table 4에 나타난 실험 시작, 종료, 농도 차를 바탕으로 UV 램프와 광촉매의 광반응을 통하여 NOx가 약 11.87% 저감된 것으로 확인되었다.

4.2 UV 램프 광량 변화에 따른 질소산화물(NOx) 농도 변화 결과

앞 절에서 UV 램프 사용(ON)에 따른 TiO2 광촉매 페인트의 NOx 저감 효과를 확인한 후, UV 램프 광량의 크기변화에 따른 NOx 저감 효과를 확인하고자 다음과 같은 실험을 진행하였다.

즉, 광촉매 페인트가 도포된 벽면에 UV 램프 광량크기를 0.25 mW/cm2(기준), 0.5 mW/cm2(2배), 1.0 mW/cm2 (4배), 1.5 mW/cm2(6배)로 증가함에 따른 질소산화물(NOx) 농도를 측정하였다(Table 4, Table 5, Fig. 7, Fig. 8 참조).

Fig. 7 Change of NOx concentration according to lamp light intensity graph.

Fig. 8 NOx reduction and light content change result graph.

UV 광량의 변화에 따라 NOx 농도 변화 측정 결과 광량의 증가에 따른 NOx 농도의 저감현상을 확인하였 으나 광량의 증가(2배, 4배, 6배)에 따라 NOx 농도저감이 비례하진 않는 것으로 나타났다. UV 램프의 광량이 약 0.25 mW/cm2 보다 2배인 0.5 mW/cm2에서 가장 높은 절감율(3회 평균 18.6%)을 나타났다.

실험을 위해 7주일간 측정을 통한 평균값인 0.505 mW/cm2가장 근접한 값인 0.5 mW/cm2에서 가장 높은 효과가 나타나 특별한 UV 적용 방안 없이 일상에서 적용이 가능할 것으로 예측된다.

또한, 앞 절의 실험과 마찬가지로 광촉매 페인트에서 UV 램프가동시(ON)에 램프비가동시(OFF) 보다 질소 산화물(NOx) 농도를 15.44%~18.60%까지 줄일 수 있음을 확인하였다.