송용우
(Yong Woo Song)
1
김성은
(Seong Eun Kim)
1
정용기
(Yong Gi Jung)
2
유재윤
(Jae Yun Yoo)
2
박진철
(Jin Chul Park)
†
-
중앙대학교 대학원 건축공학과 박사과정
(
Ph.D Course, Architectural Engineering, Graduate School, Chung-Ang University, Seoul,
06974, Korea
)
-
중앙대학교 대학원 건축공학과 석사과정
(
Master Course, Architectural Engineering, Graduate School, Chung-Ang University, Seoul,
06974, Korea
)
-
중앙대학교 건축학부 교수
(
Professor, School of Architecture and Building Science, Chung-Ang University, Seoul,
06974, Korea
)
Copyright © 2016, Society of Air-Conditioning and Refrigeration Engineers of Korea
Key words
TiO2(이산화티탄), Photocatalyst(광촉매), NOx(질소산화물), Mock-up test(실물 실험), Duct system(덕트 장비), UV lamp(자외선 램프)
1. 연구배경 및 목적
최근 우리나라는 고농도 (초)미세먼지의 위기에 직면해 있는 상황이다. 미세먼지 중 대부분의 Pm2.5는 황산화물
(SOx), 질소산화물(NOx), 암모니아(NH3), 휘발성 유기화합물(VOCs) 등 전구물질이 대기 중 이온 물질과 반응
하여 생성된다. 국내는 SOx와 NOx가 Pm2.5 전체 중 58%를 차지하고 있으며,(2-3) SOx와 NOx는 자동차 배기가스, 사업장 연소 등에서 대표적으로 발생하여 대기 중으로 배출되기
전에 제거하는 방안이 효과적이다.
대표적 전구물질인 NOx 저감 방안은 대기 중 이온과 반응을 억제하는 화학적 방법이 대표적이며, 그 중 이산화티탄(TiO2) 광촉매를 이용한 방법이
있다. TiO2 광촉매의 경우 자외선과 광화학 반응을 하여 강한 산화력을 갖고 있는 OH 라디칼을 생성하게 되며, 생성된 OH 라디칼이 오염물질을
분해하게 된다.(4) 최근 기술 발전
으로 TiO2 광촉매와 건축자재의 혼합이 가능해졌으며 대표적으로 콘크리트에 시멘트 일부를 TiO2 광촉매로 치환하거나, 페인트 구성에 TiO2 광촉매를
일부 혼합(5-13)하는 방법 있다.
건축자재 이외는 공기청정기와 전열교환기 내부에 설치되는 필터에 TiO2 광촉매를 구슬 타입으로 입자화 하여 도포하여 적용하는 방법(14-16)이 있다.
특히, 밀폐된 실내에 유입 및 발생하는 오염물질의 효과적인 제거 방법은 환기를 통한 다량의 깨끗한 공기를 주입하여 오염물질의 농도를 저감시키는 것이지만,
필터 이외에 TiO2 광촉매 기술 적용과 높은 외부 미세먼지의 한계가 존재하고 있어, 기존 건물 또는 시스템 활용에 어려움이 존재한다.
따라서, 본 연구에서는 건물 내 환기를 통한 오염물질(NOx) 제거를 위해 UV-A 램프와 환기덕트 시스템에 TiO2 광촉매 코팅재를 도포하여 UV-A
광량 변화에 따른 NOx 농도 저감 실험을 하였다. 이와 같은 연구는 향후 광촉매를 활용한 미세먼지 저감 환기 장치의 기초 연구자료로 활용될 것으로
기대한다.
2. 실험 개요 및 방법
2.1 실험 개요
본 연구는 TiO2 광촉매를 덕트 환기 장치 적용을 통해 NOx 저감 성능 평가를 위한 실험으로, 실험용 광촉매 환기 덕트 시스템 축소모형의 개요는
Fig. 1과 같다. 시스템의 크기는 2,300 mm × 1,060 mm로 스테인레 관을 이용하여 제작하였으며, TiO2 광촉매의 반응 구간의 경우 NOx 분해가
반복됨에 따라 세척을 통한 재사용이 가능하도록 부위별 결합과 해체를 할 수 있도록 모듈화시켰다. 모듈 1개 기본 길이는 실험에 적용된 UV-A 램프와
안정기를 합친 길이인 618 mm를 기준으로 설계하였다.
Fig. 1 모듈 중 Type 1은 NOx 측정기 연결 부위로 광촉매 반응 구간 전/후에 설치하며 광촉매 환기덕트 시스템의 NOx 저감 성능을 확인하였다. 내부
기류는 다익송풍기가 결합된 Fan Box를 통해 발생시키며, 300 CMH(cubic meter per hour)까지 조절이 가능하도록 하였다. Fig. 1의 붉은 점선 부분은 광촉매 코팅제를 도포한 구간으로 전체 면적 중 약 10%를 차지한다. 도포된 도료 양은 약 30g을 사용하였다. 본 실험에 사용된
코팅제는 아나타제 계열의 광촉매를 사용하였으며, 에탄올과 물이 혼합되어 있는 액상에 TiO2 광촉매를 혼합하여 제작
되었다. Fig. 2는 제작된 광촉매 환기 덕트 시스템 UV ON/OFF 상태에 따른 설치 사진이다.
광촉매 환기 덕트 시스템 내부 NOx 농도의 일정 수준 유지 및 압력 평행을 위해 측정기 흡입 유량과 같은 유량의 NO 가스를 광촉매 환기 덕트 시스템
내부로 주입하였다. 주입되는 가스 및 측정 장비의 계통 등은 Fig. 3과 같으며, 덕트 내부 가스 유량 및 측정을 위해 배출되는 유량은 Table 1과 같다.
Fig. 1 Photocatalyst ventilation duct system design.
Fig. 2 Photocatalyst ventilation duct system installation photograph (UV lamp ON/OFF).
Fig. 3 Experimental schematic diagram.
Table 1. Flow measurement results
|
Measurement Point
|
Starting Point(from)
|
End Point(to)
|
Flow Rate[SLPM]
|
|
⑤
|
Gas Dilutor
|
Duct System
|
0.62
|
|
⑦
|
Duct System
|
NOx Measuring Instrument
|
0.62
|
|
|
NOx Measuring Instrument
|
Exhaust
|
0.71
|
Table 1과 같이 덕트 시스템에 유입 및 측정기로의 배출 유량을 0.62 SLPM(standard liter per minute)으로 압력의 평행을 이루고자
하였다. 단, 측정 장비에서 측정을 위해 사용되는 Background 공기가 있어 배기되는 유량은 0.71 SLPM으로 측정기에 유입되는 유량에 비해
크게 나타났다.
2.2 실험 방법
광촉매 환기 덕트 시스템의 NOx 저감 실험을 위해 덕트 내부에 UV-A 램프를 설치하였으며, 덕트 시스템 내부의 온도, 습도, NOx 농도는 Table 2와 같으며, 광촉매 NOx 저감 표준 실험 방법인 ISO 22197-1 시험법 조건인 온도 25℃±2.5℃와 습도 50%, NOx 농도 1.00 ppm으로
설정하였다. 실험에 적용된 가스는 NOx 측정을 위해 NO 가스를 주입하였다.
실험은 크게 2가지 조건을 적용하여 실시하였다. 첫 번째 실험은 Table 2에 나타난 ISO 22197-1 조건에 맞추어 NOx 저감 성능을 확인하였다. 두 번째 실험은 덕트 내부 NOx 농도 1.00 ppm을 유지 시킨
후 UV-A 램프 광량 변화를 통해 NOx 농도 저감의 효과 및 추이를 확인하였다.
실험에 사용된 측정 장비는 Table 3에 나타난 것과 같이 NOx 측정 장비와 덕트 내부 유속 측정 장비, 덕트 내부 온습도 측정 장비로 구분될 수 있다. NOx 측정 장비는 Serinus
40 장비를 사용하였으며, 덕트 내부 유속 측정은 KIMO 사의 AMI 310 측정기를 활용하였다. 덕트 내부 온습도의 경우 Testo사의 미니데이터
로거인 174 H를 사용하였다. 측정은 각 실험 조건별 3회 실시하여 오차를 줄이고자 하였다. 각 실험이 종료된 이후 덕트 내부의 잔여 공기는 배기시켜
시작 조건이 동일하게 적용되도록 하였다.
Table 2. Test summary
|
Classification
|
Contents
|
|
Test-gas
|
NO Gas
|
|
UV Lamp
|
UV-A Lamp, 7.5, 10.0, 12.5, 15.0 W/m2
|
|
Measurement Interval
|
1 min
|
|
Measurement Instrument
|
Chemiluminescence Instrument
|
|
System Internal Condition
|
Temperature
|
25℃±2.5℃
|
|
Humidity/Velocity
|
50%/1.0 m/s
|
Table 3. Measurement equipment summary
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|
|
|
Name
|
Testo 174H
|
Name
|
Serinus 40
|
Name
|
AMI 310
|
|
Measurement
|
Temperature, Humidity
|
Range
|
0~20ppm
|
Measurements
|
Velocity
|
|
Range
|
Temperature
|
-20~+70℃
|
Precision
|
0.4 ppb or 0.5%
|
Velocity Precision
& Limit
|
Precision
|
0.1 m/s
|
|
Humidity
|
0~100% RH
|
Sample Flow Rate
|
0.3 SLPM
|
Limit
|
25 m/s
|
3. 실험 결과
3.1 기본 조건(NOx 1.00 ppm, UV-A Lamp 10.0 W/m2) 실험 결과
광촉매 환기 덕트 시스템의 NOx 저감 효과를 확인하기 위하여 ISO 22197-1 시험 조건인 NOx 농도 1.00 ppm과 UV-A 광량 10
W/m2을 적용하여 실험하였다. 실험은 약 25분간 NOx 가스 주입 후 60분간 농도 유지를 확인하였다. 그 후 UV-A 램프 전원을 켜서 NOx 농도
감소를 120분간 확인하였다. 그 후 UV-A 램프 전원을 끄고 30분간 재주입이 이루어지는지 확인하였다. 실험 결과는 Fig. 4, Table 4와 같다.
Fig. 5에 따라 광촉매 환기 덕트 시스템 내부에 실험 시작 후 25분간 NO 가스 주입 후 주입 유량 변경을 통해 덕트 시스템 내부의 NOx 농도 유지 여부를
확인하였다. UV-A 10 W/m2 반응 전 덕트 내부 농도는 Table 4와 같이 NO 1.027 ppm, NO2 0.003 ppm, NOx 1.030 ppm였으며, 120분간 UV-A 반응 후 덕트 내부 농도는 NO 0.019
ppm, NO2 0.033 ppm, NOx 0.052 ppm으로 나타나 NOx 농도의 94.95%가 저감되는 것을 확인하였다.
이를 바탕으로 광촉매 환기 덕트 시스템을 활용할 경우 NOx 저감 효과를 얻을 수 있을 것으로 판단된다. 다만, UV-A 램프의 수명에 따른 광량
저하 및 다양한 램프 환경에서 저감 성능을 확인하기 위하여 UV-A 램프 광량을 다변화시켜 저감 성능을 판단할 필요가 있다.
3.2 조건 변화(UV-A Lamp 광량 7.5, 12.5, 15.0 W/m2) 실험 결과
앞 절에서 실시된 NOx 1.00 ppm, UV-A 광량 10 W/m2 실험 외에 램프 수명 및 유지보수 비용, 처리 오염물질 량 등의 측면에 맞추어 UV-A 광량 변화를 적용하여 다양한 환경에서 광촉매 환기 덕트 시스템의
NOx 저감 성능을 확인하고자 하였다. 실험에 적용된 광량은 기본 조건 광량인 10 W/m2에서 75% 낮춘 7.5 W/m2, 125% 높은 12.5 W/m2, 150% 높은 15.0 W/m2을 적용하였다. 실험의 결과는 Fig. 5와 Table 5로 나타내었으며, UV-A 램프의 반응 구간을 대상으로 저감 곡선을 비교하였다.
Fig. 4 NOx 1.00ppm, UV-A light quantity 10 W/m$^2$ test result.
Table 4. Photocatalyst ventilation duct system concentration maintaining result
|
Classification
|
Reaction Section
|
Concentration
Difference
|
Reduction Rate
|
|
Before Reaction
|
After Reaction
|
|
NO
|
1.027 ppm
|
0.019 ppm
|
-1.008 ppm
|
98.14%
|
|
NO2
|
0.003 ppm
|
0.033 ppm
|
+0.030 ppm
|
-
|
|
NOx
|
1.030 ppm
|
0.052 ppm
|
-0.978 ppm
|
94.95%
|
Fig. 5 UV-A light quantity difference(7.5, 12.5, 15.0 W/m$^2$) test result.
Table 5. UV-A light quantity difference test result
|
Light Quantity
[W/m2]
|
Start Concentration
[ppm]
|
End Concentration
[ppm]
|
Reduction Rate
[%]
|
Lowest Concentration
Reach Time [minute]
|
|
7.5
|
1.016
|
0.055
|
94.58
|
113
|
|
12.5
|
1.020
|
0.031
|
96.96
|
72
|
|
15.0
|
1.019
|
0.020
|
98.03
|
25
|
Fig. 5과
Table 5에 나타난 바와 같이 UV-A 광량이 증가함에 따라 NOx 절감율도 함께 증가하는 것을 확인
하였다. 절감율은 최소 94.58%에서 최대 98.03%까지 저감이 가능한 것으로 나타났으며, 광량의 증가에 따라 최소 농도 도달 시간 역시 급격하게
감소하는 것을 확인하였다.
4. 결 론
본 연구는 미세먼지의 원인 물질 중 가장 많은 비중을 차지하고 있는 NOx의 저감을 위해 공기정화 효과를 갖고 있는 TiO2 광촉매를 덕트 시스템에
결합하여 그 저감 효과를 확인하기 위해 실시한 실험으로 그 결과를 요약하면 다음과 같다.
(1) TiO2 광촉매와 건축 자재 혼합을 통한 연구는 콘크리트 및 시멘트계 재료들 연구가 활발하게 이루어
졌으며, 도로 포장재료 공기정화 성능을 확인하는 연구가 주로 이루어졌다. TiO2 광촉매와 HVAC 시스템 적용 연구의 경우 공기청정기와 결합이 주로
이루어졌으나, 해당 시스템 적용이 어려운 주차장 등 시설에 활용할 수 있는 방안이 필요하다.
(2) TiO2 광촉매 덕트 환기 시스템의 NOx 저감 성능 확인을 위해 축소모형 제작 및 TiO2 광촉매 코팅제를 덕트 내부에 도포하여 측정하였다.
ISO 22197-1 시험법의 농도와 광량, 온․습도 조건을 기준으로 기본 성능을 측정하였으며, 120분간 UV-A와의 반응을 통해 약 95% NOx
저감이 가능한 것으로 확인하였다.
(3) 기본 조건 대비 광량을 75%(7.5 W/m2), 125%(12.5 W/m2), 150%(15.0 W/m2)로 변화시켜 NOx 저감 성능 실험 결과 광량 변화에 따라 저감 성능의 감소와 증가가 비례하는 것으로 확인되었다. UV-A 광량 10 W/m2 이상 UV-A가 조사될 경우 저감 효율이 급격하게 증가하는 것으로 나타났다.
추후 본 연구 결과를 바탕으로 TiO2 광촉매를 건축 설비 시스템 등에 적용할 수 있는 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 사료된다.
후 기
본 연구는 국토교통부/국토교통과학기술진흥원의 지원으로 수행되었음(과제번호 20SCIP-B146254-03).
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