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Korean Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering

Korean Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering

ISO Journal TitleKorean J. Air-Cond. Refrig. Eng.
  • Open Access, Monthly
Open Access Monthly
  • ISSN : 1229-6422 (Print)
  • ISSN : 2465-7611 (Online)

  1. 서울주택도시공사 SH도시연구원 책임연구원/중앙대학교 일반대학원 건축공학과 박사과정 ( Senior Researcher, Urban Research Center, Seoul Housing & Communities Corporation/Ph.D Course, Graduate School, Architecture and Building Science, Chung-Ang University, Seoul, 06974, Korea, South Korea )
  2. 서울주택도시공사 SH도시연구원 연구실장 ( Head of Research Division, Urban Research Center, Seoul Housing & Communities Corporation, Seoul, 06336, South Korea )
  3. 중앙대학교 건축학부 교수 ( Professor, School of Architecture and Building Science, Chung-Ang Univ., Seoul, 06974, South Korea )



Photocatalyst exterior material(광촉매 외장 도료), Nitrogen oxide(질소산화물), Particulate matter(미세먼지), Field test monitoring(현장실측모니터링)

1. 서 론

최근 사람의 건강을 위협하고 있는 미세먼지는 그 농도가 10 μg/m3 증가하면 전체 질병의 사망율이 4% 증가하고, 심혈관계 질명의 사망율은 6%, 폐암으로 인한 사망율은 8% 증가시키는 주요 대기오염물질이다.(1) 직경 2.5 μm 이하의 초미세먼지(particulate matter under 2.5 μm in diameter [이하, PM2.5])는 폐포까지 침투하여 혈관을 통해 전신으로 이동 가능하며 최근 PM2.5에 장기간 노출된 경우 심근경색, 뇌졸중, 부정맥과 심부전 악화 등을 발생할 수 있다는 연구결과가 발표(2)된 바도 있다. 그러나 2017년과 2018년 국내 초미세먼지 주의보 및 경보 발령 일수는 43일에서 71일로 증가(3)하고 있어 PM2.5를 효과적으로 저감하기 위한 근본적인 대책 마련이 필요한 실정이다.

PM2.5의 가스상 발생원은 자동차, 발전소, 건설기계 등에서 배출된 질소산화물(nitrogen oxide[NOx]), 황산화물(sulfur oxide[SOx]), 휘발성유기화합물(volatile organic compounds[VOCs]), 암모니아(NH3)와 같은 물질이며,(4) 해당 물질들이 대기 중에서 서로 화학반응을 일으켜 PM2.5가 생성된다. PM2.5의 다양한 전구물질 중 NOx는 그 자체로 만성 기관지염과 폐렴, 폐수종 등을 유발하여 인체에 부정적인 영향을 미칠 뿐만 아니라, 성층권의 오존층을 파괴하여 기후변화를 촉진시키기는 물질이다. 2020년 환경부는 대기오염물질 배출시설에 대한 배출기준을 강화하는 ‘대기환경보전법 시행규칙 개정안(5)을 발표하였고, NOx의 배출허용기준을 기존 20~530 ppm에서 10~250 ppm으로 28% 강화하였다. 따라서 대기오염물질인 NOx를 저감하면 초미세먼지의 발생을 원천적으로 방지할 수 있어 NOx를 효과적으로 제거할 수 있는 기술이 요구된다.

광촉매는 촉매의 한 종류로 빛을 에너지원으로 촉매반응(산화․환원반응)을 촉진시켜 NOx를 분해할 수 있어 건설산업에서 광촉매 기술을 활용하려는 시도가 지속적으로 진행되고 있다. 대표적인 광촉매 물질인 이산화티타늄(titanium dioxide[TiO2])은 빛과 반응하여 전자(e-)와 정공(h+)이 생긴다. 전자는 TiO2 표면의 산소(O2)와 반응해서 슈퍼옥사이드 음이온(O2-)을 생성하고, 정공은 대기 중 존재하는 수분과 반응하여 하이드록실 라디칼(․OH)을 생성한다. 생성된 하이드록실 라디칼은 NOx와 같은 유기물질들을 산화하여 수분과 이산화탄소로 분해한다. TiO2의 NOx 분해 성능은 실험실 조건에서 입증되어, 최근 재료 제조업체, 연구 센터 및 공공 기관을 대상으로 실제 건축물에 광촉매 기술 적용이 추진되고 있다. 하지만 실제 건물 외장재에 적용된 TiO2와 같은 광촉매 기술의 NOx 분해성능을 정량적으로 분석할 수 있는 국제 규격의 측정방법이 부재하여 그 성능을 분석한 사례가 미흡한부족한 실정이다.

따라서 본 연구의 목적은 실제 건축물 외장재에 적용된 코팅제, 페인트, 숏크리트와 같은 다양한 광촉매 자재를 대상으로 미세먼지의 전구물질인 NOx 저감 성능을 분석하는 것이다. 먼저 광촉매 코팅제, 광촉매 페인트, 광촉매 숏크리트에 대한 현장 평가를 실시하기 전 실험실 환경에서의 예비실험을 통해 ISO-22971-1 시험방법을 참고한 광촉매 기술의 NO 저감 성능을 분석하는 방법을 수립하였다. 또한 ISO-22971-1 시험방법을 착안하여 서울시 소재 건물의 외장재에 적용된 광촉매 코팅제, 광촉매 페인트, 광촉매 숏크리트에 대한 NO 저감 성능을 평가하였다. 본 연구에서는 일산화질소(nitric oxide[NO])와 이산화질소(nitric dioxide[NO2]) 중 NO를 대상으로 NOx 저감 성능 평가에 대한 연구 범위를 설정하였다. Fig. 1은 본 연구의 절차를 나타낸다.

2. 선행연구 고찰

광촉매를 이용하여 미세먼지 저감을 이루려는 연구는 활발히 진행되고 있다. 특히 나노 테크놀로지를 활용한 TiO2 광촉매는 오염물질을 제거하는 수단으로 활용하고 있다.(6) TiO2 결정구조는 크게 Anatase, Rutile, Brookit로 3가지로 구분되며, Rutile과 Brookit 구조에 비해 오염물질에 대한 광분해 성능이 가장 우수한 Anatase 결정 구조의 TiO2가 주로 사용된다.(7)

TiO2를 이용한 미세먼지 저감 연구는 국내의 경우 주로 모르타르나 콘크리트의 재료 혼합을 통해 NOx를 저감하는 연구를 진행하였다. 광촉매 분말을 사용한 시멘트 모르타르의 NOx 제거 성능은 4시간 경과 후에는 80% 이상의 제거율을 보였으며, 태양광, 자외선 램프, 형광등의 광원에 따른 NOx 제거율에서는 태양광이 가장 높게 나타났다.(8) TiO2 치환배합 콘크리트 보다 표면에 표면침투제와 혼합하여 스프레이 방식으로 살포한 경우 콘크리트에서 NOx의 제거 성능이 2배 더 높게 나타는 경향을 보여 도로구조물 중 차량으로 인해 마모가 안 되는 중앙분리대나 측구에 광촉매 코팅 방식도 유용할 것으로 판단하였다.(9) 개발한 광촉매 페인트의 NOx 농도 저감여부를 확인하고자 Mock-up 실험실의 벽면에 광촉매 페인트를 도포한 후 UV lamp를 통해 NOx의 농도 변화를 분석하였다. 약 11.87%의 NOx의 농도가 감소하였고, UV 광량이 증가할수록 NOx의 농도가 비례하여 감소하지는 않은 것으로 분석되었다.(10)

Fig. 1 Proposed NO removal performance analysis method.
../../Resources/sarek/KJACR.2020.32.12.585/fig1.png

외국의 경우에도 광촉매 재료를 활용하여 건물 외벽 및 도로에 적용하여 미세먼지 저감 효과에 관한 연구를 하였다.(11) 촉매를 적용한 콘크리트 도로(길이 150 m)와 일반 콘크리트 도로(길이 100 m)에서 26일 동안 NOx의 농도를 살펴보니 평균적으로 19% 낮은 농도 분포를 나타냈으며, 습도도 낮고 UV 광량도 높은 맑은 날씨에서는 약 45%까지 감소하는 것으로 나타났다.(12) 실제 도로를 재포장할 때 약 12,000 ㎡에 광촉매 콘크리트 블록을 설치하여 2차례(11월과 1월)에 걸쳐 각각 2주 동안 지속해서 오염농도를 측정하였고, 아스팔트 도로에 비해 광촉매 블록 도로가 오염농도가 낮은 것으로 관찰되었다.(13) 또한 광촉매 제품이 실험실과 달리 현장에서 적용하여 대기오염이 저감되려면, UV 광량이 10 W/㎡의 높은 수준을 유지하고, 상대습도도 60% 이하, 기류속도도 2 m/s 이하인 환경에서의 활용이 적절하다고 보고되었다. 수치해석 모델을 통해 광촉매 코팅을 도로에 적용한 것으로 모델링하여 분석한 결과, NO 제거 성능은 3.70%, NO2은 4.31%가 감소하였으며, UV 광량이 10 W/㎡ 에서 40 W/㎡인 경우에는 NO 1.35%에서 3.70%, 상대습도가 10%에서 90%인 경우에는 NO 5.11%에서 2.54%로 감소하는 것으로 해석되었다.

광촉매제를 이용한 대기오염물질인 NOx 저감 성능은 선행 연구를 통해 검증된 바 있다. 선행 연구는 주로 광촉매제 시편을 제작하여 실험실 환경에서 NOx 저감량을 측정하는 방식으로 진행되었다. 하지만 외부 환경에서 광촉매재의 NOx 저감 성능을 분석하고 현장 적용성을 평가한 국내 연구는 거의 전무하다. 해외 연구의 경우, 도로 포장재를 대상으로 한 광촉매 현장 시험 이외 건축물의 외장재로써 일반적으로 사용되는 코팅제, 페인트, 숏크리트 등에 대한 NOx 저감 성능의 현장 시험 연구는 여전히 진행된 바 없다. 이에 본 연구는 실험실 환경이 아닌 실제 외부 환경에서의 광촉매 코팅제, 페인트, 숏크리트에 대한 NOx 저감 성능을 분석하여 현장 적용성을 평가하고자 한다.

3. NO 제거량 분석 방법

3.1 예비시험

현장적용 실험에 앞서서 실험실에서 광촉매가 적용된 코팅제, 페인트, 숏크리트의 NO 제거량을 측정하는 예비시험을 실시하였으며, 자세한 내용은 다음과 같다. 광촉매 제품 시편에 대한 NO 제거 성능 수준을 정량적으로 확인하기 위해서, ISO 22197-1(Test method for air-purification performance of semiconducting photocatalytic materials-Part 1 : Removal of nitric oxide)에 의한 방법으로 예비시험을 실시하였다. NO 주입량은 5시간 기준으로 37.8 μmol에서 38.6 μmol이며 숏크리트 측정 시 1시간 기준으로 8.61 μmol이다. Fig. 2는 NO 제거량 분석기이며, UV lamp를 이용하여 UV 광량(Ultraviolet light irradiance)을 10 W/㎡로 일정하게 유지하였다. 광촉매 코팅과 페인트에 의해 NO제거 성능은 5시간을 측정하였고, 숏크리트는 1시간을 측정하였다.

Fig. 2 Apparatus meeting ISO 22197-1 specifications used to measure NO removal(UV lamp : SANKYO DENKI [blacklight blue], 352 nm; 10 W NOx analyzer : ECOTECH, Serinus 40, NOx).
../../Resources/sarek/KJACR.2020.32.12.585/fig2.png

Fig. 3 Photo-reactor for field test.
../../Resources/sarek/KJACR.2020.32.12.585/fig3.png

ISO 22197-1의 실험 방법에서는 UV 광량이 10 W/㎡이나, 실제 외부에서 UV 광량 분포를 확인하기 위해서 측정하였다. 즉, 실험실에서는 광촉매 작용을 위한 UV 광량이 일정하나, 대상 현장에서는 UV 광량이 다양하여 광촉매가 도포된 벽면인 수직면에서의 실제 UV 광량의 수준을 확인하기 위한 목적이다. 광촉매가 도포되는 표면은 반응기가 부착하는 벽면이므로, 겨울철 맑은 날을 기준으로 남측 벽면과 동측벽면, 바닥면의 UV 광량을 측정하였다. 예비시험을 통해 현장에서 NO 주입량의 결정을 확인하기 위해 동측 벽면에서 NO 제거량을 측정하였다. Fig. 3과 같이 현장 측정을 위한 자체 제작한 반응기(L : 300 mm, W : 50 mm)를 이용하였으며 이는 ISO-22197-1의 시험법에서의 반응기의 3배 크기이다. 자외선 통과가 쉽도록 투명창의 재질은 석영으로 제작하였다. 3 ppm으로 NO 주입량을 결정하여 실제 옥상 바닥에 반응기를 설치하였고, 현장실험에서 사용하기로 결정한 NO 주입량이 적정한지를 확인하기 위한 예비실험으로 NO 제거량을 측정하였다. UV 광량이 높은 정오부터 약 3시간동안 측정하였다.

3.2 현장적용 실험

Fig. 4는 대상건물의 시공 장면이다. A건물의 남측 벽면 전체에 프라이머를 바른 후 광촉매 코팅제를 롤러 작업으로 시공하였으며, 코팅 면적은 297 ㎡이다. B건물은 동측 벽면에 광촉매 페인트를 붓칠과 스프레이 방법 으로 시공하였으며 도포 면적은 889 ㎡이다. C건물의 동측면 2층까지인 약 61 ㎡ 부위에 광촉매 숏크리트로 시공하였다. 예비시험 방법과 동일하게 반응기를 각 건물의 광촉매 재료의 도포한 부위에 설치하여 NO 투입량과 제거량을 5시간 이상 측정하였다. 측정당시 UV 광량도 동일하게 측정하였다. Fig. 5는 현장실험에서 반응기와 UV 광량을 측정하고 있는 장면이다. 미세먼지 원인물질인 질소산화물의 저감효과 성능기준은 국내에는 없으나, 일본광촉매협회(Photocatalysis Industry Association of Japan)에서 광촉매 제품에 대한 성능 기준은 NO 제거량이 0.5 μmol 이상을 평가기준으로 하였다.(13) 본 연구에서는 3개의 광촉매 제품별 NO 제거량의 상대적 평가와 일본 광촉매협회의 광촉매 제품 인정 최소 기준에 근거하여 평가하였다.

Fig. 4 Buildings for field assessment of photocatalytic materials.
../../Resources/sarek/KJACR.2020.32.12.585/fig4.png

Fig. 5 Installed photoreactor and UV radiometer on the rooftop.
../../Resources/sarek/KJACR.2020.32.12.585/fig5.png

4. NO 제거량 분석 실험 결과

4.1 예비시험 결과

Table 1은 광촉매 제품에 대한 NO 제거량을 나타내었다. 5시간 측정한 광촉매 코팅은 7.29 μmol, 광촉매 페인트는 5.76 μmol이 제거되는 것을 알 수 있으며, 숏크리트는 1시간 측정 제거량이 11.28 μmol로 나타났다. 1시간 측정임에도 숏크리트의 NO 제거 성능 수준이 높게 나타났다. Fig. 6(a)는 오전 9시부터 오후 4시까지 남측면, 동측면, 바닥면에서의 UV 광량을 측정한 결과이다. 남측면 초기에는 일부 측벽에 의해 일조가 가려져서 UV 광량이 낮게 나타나는 것을 알 수 있다. 동측면에는 오전에도 UV 광량이 약 6 W/㎡ 수준이었으며 12시 이후에는 산란 빛으로 점점 낮아지는 것을 확인할 수 있고, 오후 3시 이후에는 남측면과 비슷한 수준의 UV 광량임을 확인하였다. 바닥면에서 UV 광량이 일사량에 의해 높게 나타나는 것을 알 수 있으며, 광촉매를 활용한 건물 외장재는 수평으로 설치되는 재료가 UV 광량을 높게 받을 수 있는 것으로 나타났다. 실험실 조건에서는 10 W/㎡의 일정한 UV 광량의 조건이지만, 현장에서는 향에 따라 UV 광량이 시시각각 변하게 된다. 아울러 외장재에 적용할 경우 부위별 일조시간을 고려해야 한다.

Table 1. Pre-test results of photocatalytic materials

Materials

NO injection rate (μmol)

NO removal rate (μmol/150 ㎠)

measuring time

(h)

UV irradiation

(W/㎡)

Photocatalytic coating

38.57

7.29

5

10

Photocatalytic paint

37.78

5.76

5

10

Photocatalytic shotcrete

8.61

11.28

1

10

Fig. 6 Expermental results.
../../Resources/sarek/KJACR.2020.32.12.585/fig6.png

Fig. 7 Result of the pre-test.
../../Resources/sarek/KJACR.2020.32.12.585/fig7.png

Fig. 6(b)는 동측 벽면에 설치한 반응기를 통해 1시간동안 NO 제거량을 측정한 그래프이다. 이때 측정한 UV 광량은 약 4 W/㎡로 낮은 UV 광량의 분포였으나, NO 제거량은 약 0.6 ppmv로 나타났다. UV 광량 측정 결과를 고려할 때 현장에서 NO는 3 ppm의 농도를 주입하는 것으로 결정하였다. NO 3ppm 주입량을 통해 바닥면에 적용한 광촉매 코팅의 NO 제거량은 Fig. 7과 같다. UV 광량이 가장 높은 정오에 약 23 W/㎡ 였으며 이때 NO 제거량은 약 2 ppmv로 나타났다. Fig. 6(a)에서의 바닥면의 UV 광량의 그래프와 유사하게 NO 제거량도 감소하는 패턴을 나타냈다. UV 광량의 반응에 민감한 것을 알 수 있다.

4.2 현장실험 결과

3개의 제품을 각각의 현장에 설치하여 측정하였으며 그 결과는 Table 2와 같다. 각 건물마다 2회씩 측정하였으나 광촉매 코팅을 적용한 A건물의 경우 2, 3차 측정 시 우천과 한파로 인해 NO 제거량이 나타나지 않아서 결과값에서 제외하였다. NO 주입량은 95.84 μmol에서 118.97 μmol이며, NO 제거량은 광촉매 코팅을 적용한 A건물은 11.06 μmol/150㎠, 광촉매 페인트를 도포한 B건물은 맑은 날에 10.03 μmol/150 ㎠, 흐린날은 4.87 μmol/150㎠로 나타났다. 광촉매 숏크리트를 설치한 C건물에는 맑은 날에 6.78 μmol/150 ㎠, 흐린날에 2.62 μmol/ 150㎠로 나타났다. 3개의 건물 모두 맑은 날 측정한 NO 제거량이 2배 이상 높게 나타나는 것을 알 수 있다. ISO 시험 반응기 크기인 50 ㎠로 환산한 NO 제거량을 살펴보면 C건물의 광촉매 숏크리트로 적용한 NO제거량이 0.87 μmol/50 ㎠로 가장 낮은 분포를 나타내나 일본광촉매협회의 성능 기준인 0.5 μmol보다 높게 나타나는 것을 알 수 있다. C건물의 경우에는 일정시간 그늘이 형성되어 A, B건물에 비해 UV 광량을 적게 받는 것으로 확인 되었다. 예비시험에서는 광촉매 숏크리트의 NO 제거 성능이 가장 높았으나, 현장측정에서는 가장 낮게 나타났다. 따라서 기상조건의 영향을 많이 받으므로 광촉매 제품을 건설 외장재 적용 시에 건물의 향과 주변 건물 등의 조건을 고려할 필요가 있다. 실험실에서 측정한 예비시험 결과 인 Table 1과 현장 적용 실험 결과인 Table 2를 비교하면, A건물과 B건물은 실험실에서 측정한 결과보다 현장에서 측정한 NO 제거량이 높게 나타났고, C건물은 예비시험 결과보다 낮은 NO 제거량이 나타났다. 이는 UV 광량이 예비시험 시 10 W/㎡이었으나, C건물 현장 측정시 UV 광량이 10 W/㎡ 이하인 조건에서 측정한 결과라 판단된다.

Table 2. Results of NO removal performance by Photocatalytic materials

Materials

NO injection rate (μmol)

NO removal rate

(μmol/150 ㎠)

NO removal rate (μmol/50 ㎠)

UV irradiation (W/㎡)

measuring date

(weather)

A building :

Photocatalytic coating

118.97

11.06

3.68

2~13

Oct. 25, 2018(sunny)

B building : Photocatalytic paint

1st

107.82

10.03

3.34

6~14

Nov 14, 2018(sunny)

2nd

122.79

4.87

1.62

2~16

Dec 5, 2018(cloudy)

C building : Photocatalytic shotcrete

1st

95.84

6.78

2.26

1

Nov 13, 2018(sunny)

2nd

114.52

2.62

0.87

2~9

Dec 6, 2018(cloudy)

5. 결 론

본 연구는 실제 현장인 건물외부에 광촉매 코팅제, 광촉매 페인트, 광촉매 숏크리트를 적용함으로써 미세먼지의 원인물질인 NOx의 저감효과를 정량적으로 분석하였다. NOx 저감을 확인하기 위해 실험실 환경에서 ISO 22197-1에 의거하여 예비시험을 실시한 후, 실제 건물을 대상으로 현장실험을 측정 및 분석하였다. 예비시험을 통해 NO 저감량은 광촉매 코팅재 7.29 μmol/150 ㎠, 광촉매 페인트 5.76 μmol/150 ㎠, 숏크리트 11.28 μmol/150 ㎠로 나타났으며 이는 일본광촉매협회에서 정한 평가 기준인 1.5 μmol/150 ㎠ 이상인 것을 참고할 때 광촉매 외장재료 3개의 제품 모두 NO 제거성능이 기준치 이상임을 확인하였다. 실험실 측정과 현장실험의 실험 조건을 최대한 동일하게 설정하기 위해 UV 광량과 해당 광량에 대한 NO 주입량이라는 변수를 분석하였고, 현장 실험을 위한 광촉매 반응기를 자체 제작하였다. 현장의 UV 광량을 측정하고 이를 고려한 NO 주입량을 3 ppm으로 결정하였다. 현장 실험 결과, NO 제거량은 광촉매 코팅을 적용한 A건물은 11.06 μmol/150 ㎠, 광촉매 페인트를 도포한 B건물은 맑은 날에 10.03 μmol/150 ㎠, 흐린 날은 4.87 μmol/150 ㎠로 나타났다. 광촉매 숏크리트를 설치한 C건물에는 맑은 날에 6.78 μmol/150 ㎠, 흐린 날에 2.62 μmol/150 ㎠로 나타났다. 3개의 건물 모두 맑은 날 측정한 NO 제거량이 2배 이상 높게 나타났다. 실험실에서 측정한 예비시험의 NO 제거 성능에 비해 현장에서 측정한 NO 제거 성능이 높았고, A, B건물이 C건물에 비해 NO 제거 성능이 높게 나타났다. 이는 예비시험을 실시한 실험시 조건보다 UV 광량이 다소 높은 것에 기인한 것으로 판단된다. 광촉매 기술을 활용한 외장재를 실제 건물의 적용 시 주변건물과 환경조건을 고려하여 일조에 유리하게 외장재를 적용하여야 NO 저감을 극대화할 수 있다. 본 연구를 통해 실험실 조건에서 실시했던 ISO-22197-1 NO 제거 성능시험방법을 착안하여 실제 자연광 상태의 대기조건 하에서 건물에 적용해봄으로써, 실험실과 자연상태의 NO 제거성능을 비교하고 정량적으로 확인할 수 있었다. 향후 다양한 환경 조건의 실제 건물들에 적용하여 실험 결과의 객관성을 확보할 수 있는 연구를 수행할 계획이다.

후 기

본 연구는 국토교통부 건설기술연구사업의 연구비지원(과제번호 : 20SCIP-B146966-03)에 의해 수행되었습니다.

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