1. 서 론
Particulate matter (PM)는 공기역학적 직경에 따라 일반적으로 미세먼지(PM10: 입경 10 μm 이하)와 초미세먼지(PM2.5: 입경 2.5 μm 이하)로 정의된다. 이러한 PM은 화석연료의 불완전한 연소, 산업시설에 의한 배출 등의 고정오염원과 자동차, 항공기, 선박 등의 이동 오염원과 같은 인간활동에 의해 지속적으로 생성 될 뿐 아니라 자연적으로도 발생되는 것으로 알려져 있다(Huang et al., 2014;Lelieveld et al., 2015). PM은 주로 호흡기를 통해 인체에 침투하며 입자의 직경이 작을수록 그 침투능력이 증가하는 것으로 보고되고 있다(Kim et al., 2015;Trasande and Thurston 2005). 특히 PM2.5는 폐포까지 침착될 수 있으므로 폐 기능의 감소, 기관지염 등과 같은 호흡기 질환을 유발시키며 혈관 기능 장애, 혈전증 등과 같은 심혈관계 증상의 주요 원인 물질로 알려져 있다(Deng et al., 2019;He et al., 2016;Meng et al., 2016;Kim et al., 2013;Löndahl et al., 2006). 이처럼 PM이 인체에 악영향을 미치는 것으로 알려져, 시민들의 불안감은 더욱 증가하고 있다. 이와 같은 문제를 해결하기 위하여 PM을 제거하기 위한 기술에 대한 연구가 활발히 진행되고 있으며, 이들 기술에는 크게 전기 집진, 여과 집진, 원심력 집진, 습식 집진 등이 있다(Teng and Li 2020;Hadijafari et al., 2020;Li et al., 2017;Choi et al., 2017).
대기 중 PM의 구성성분은 그 기원에 따라 다르며, 일반적으로 황산염(Sulfates), 질산염(Nitrates), 암모늄 (ammonium), 소듐(Sodium) 등의 무기이온과 카드뮴 (Cd), 구리(Cu), 니켈(Ni), 납(Pb) 등과 같은 금속이온 등으로 이루어져 있다(Cheung et al., 2011;Lindbom et al., 2006;Hjortenkrans et al., 2006). 따라서 PM은 이러한 구성성분들로 인해 대부분 친수성을 띈다고 알려져 있으며(Liu et al., 2020), 최근 이와 같은 PM의 특성과 대기 중 수분이 응축하는 원리를 이용한 새로운 PM 제거 기술에 대한 연구가 시도되고 있다(Pyo and Lee., 2017;Demokritou et al., 2002). 그러나 아직까지 흡습성 물질을 이용하여 대기 중 수분을 응축시키는 연구는 국내외적으로 수행된 바가 거의 없으며 이와 같은 흡습성 물질을 이용하여 대기 중 수분을 응축시킬 때 PM도 함께 응축되거나 흡습성 물질의 표면에 포집될 수 있고 이러한 과정을 통하여 상대적으로 제거하기 힘든 미세입자를 조대입자로 바꾸어 효율적으로 제거할 수 있을 것이다. 따라서 본 연구는 위와 같은 흡습성 물질을 통한 초미세먼지 제거 기술을 개발하기 위한 기본 연구로서, 대표적인 흡습성 물질인 식물성 글리세린(Vegetable Glycerin, VG)과 프로필렌 글리콜(Propylene glycol, PG)의 실제 대기 중 수분 흡습 효율을 물질의 종류 및 상대습도(40% ~ 80%)에 따라 평가해 보았다.
2. 연구 방법
2.1 흡습성 물질의 선정
본 연구에서는 흡습성 물질의 수분 흡습 효율을 측 정하기 위하여 실생활에서 보편적으로 사용되는 2가지 물질(식물성 글리세린(vegetable glycerin (C3H8O3, VG), meets USP testing specifications, 500 ml)과 프로필렌 글리콜(propylene glycol (C3H8O2, PG), meets USP testing specifications, 500 ml))을 선정하여 Sigma- Aldrich (St. Louis, Mo, USA)에서 구입하여 사용하였다(Fig. 1).
이들 물질은 화장품 및 인공감미료로 널리 사용될 만큼 인체에 무해한 것으로 알려져 있다(Sanchez et al., 1995;Veiga-Santos et al., 2005). 또한 뛰어난 흡습성과 더불어 OH 라디칼을 가지고 있어 항균 효과도 지니고 있으므로(Shin et al., 2007;Kim et al., 2018), 대기 중 PM과 함께 존재하는 박테리아 및 바이러스의 제 거에도 효과가 있을 것으로 기대된다.
2.2 연구 방법
글리세린과 프로필렌 글리콜과 같은 흡습성 물질의 실제 수분 흡습 효율을 측정하기 위하여 Fig. 2와 같이 수분 흡습 효율 측정 시스템을 구축하였으며, 이를 통하여 상대습도의 변화량을 측정하여 수분 흡습 효율을 측정하였다.
수분 흡습 효율 측정시스템의 경우 Zero air generator (GT 30000 plus, YOUNGIN Chromass, Korea)로 건조 공기(dry air)를 생성시켰으며, 생성된 건조 공기는 Mass flow controller (MFC, LTI-1000, Line tech, Korea)를 사용하여 1 L/min의 유량으로 3 L 용량의 tedlar bag (A type sampling bags 3L, Top-trading.Inc, Korea) 내로 공급하였다. 이 때, Impinger를 연결하여 tedlar bag안 의 상대습도를 목적에 맞게 40% ~ 80% 수준으로 조절할 수 있도록 설계하였다. Impinger는 glass 재질이며 상온의 증류수를 충전하여 사용하였다. Tedlar bag 내부에는 흡습성 물질인 글리세린과 프로필렌 글리콜을 각 5 g씩 도포한 weighing dish를 투입한 뒤 밀봉 하여 상대습도의 변화를 측정하였다. 상대습도는 RH meter (Testo 176H1, High precision 4 channel temperature and humidity logger, Testo, Inc, Germany)을 사용하였으며, 온도와 습도를 측정하는 prove의 경우 tedlar bag 내부에 설치하였다. 상대습도의 경우 온도에 따라 민감하게 변화할 수 있으므로 각각의 연구 조건에 따라 동일한 온도를 유지하였으며 각각의 실험 조건당 90분 동안 연속적으로 측정하였다.
3. 결과 및 토의
3.1 tedlar bag 안에서의 상대습도 변화
흡습성 물질의 실제 수분 흡습 효율을 알아보기 전에, 수분 흡습 효율 측정 시스템에서 흡습성 물질에 의한 영향이 아닌 다른 변수가 존재하는지 확인하기 위하여 흡습성 물질이 없는 tedlar bag 안에서의 상대 습도 및 온도의 변화를 우선적으로 측정하였다. 먼저, Zero air generator로 생성한 건조 공기를 MFC를 사용 하여 1 L/min의 유량으로 2분 30초 동안 Impinger에 통과시켜 건조 공기를 습윤 공기로 변화시켰다. 이렇게 생성된 2.5 L의 습윤 공기를 3 L 용량의 빈 tedlar bag 안에 주입하였다. 그 후 90분간 실온에 방치하여 상대 습도의 변화를 관찰하였다. Fig. 3은 글리세린과 프로필렌 글리콜과 같은 흡습성 물질들을 넣지 않은 tedlar bag 안에서의 상대습도 및 온도 변화를 나타낸 그래프이며, 이를 통하여 tedlar bag 안에서 90분 동안 상대 습도 및 상대습도에 영향을 미칠 수 있는 온도는 자연적으로 거의 변화하지 않는 것을 확인하였다.
3.2 흡습성 물질의 종류에 따른 흡습 효율 평가
Fig. 3의 결과를 통하여 tedlar bag의 밀폐 및 내부 영향요인이 없다는 것을 확인 후 흡습성 물질을 tedlar bag에 투입하여 공기 중 수분의 흡습 효율을 평가하였다. 이 때, 흡습성 물질에 따른 수분의 흡습 효율을 확인하기 위하여 Tedlar bag 안에 각각 글리세린(5 g), 프로필렌 글리콜(5 g), 글리세린과 프로필렌 글리콜의 1:1 혼합물(5 g)을 도포한 weighing dish를 투입하여 밀봉한 뒤, 90분 동안 밀봉된 tedlar bag안의 상대습도 변화를 RH meter로 측정하였고, 실험의 신뢰성을 확보하기 위한 통계분석을 위하여 각 물질별로 3번씩 반복실험을 수행하였다.
그 결과 Fig. 4에서 글리세린의 경우 상대습도가 초기 73.5%에서 30%까지 감소되어 상대습도를 기준으로 약 60%의 수분이 흡습된 것으로 나타났다. 이 때, 초기 상대습도의 50% 수준까지 도달하는데 걸린 시간은 평균 40분이었다. 프로필렌 글리콜의 경우 초기 67%에서 16%까지 감소되어 약 76%의 흡습 효율을 나타냈으며 초기 상대습도의 50% 수준에 도달하는 평균 시간은 글리세린의 경우보다 훨씬 짧은 10분이 소요되었다. 이와 같은 결과들을 통해 글리세린 및 프로필렌 글리콜과 같은 흡습성 물질이 실제 대기 중에 포함된 수분을 충분히 흡수하여 응축할 수 있다는 것을 확인하였다. 또한 상대습도의 제거효율만 본다면 프로필렌 글리콜을 단독으로 사용하는 것이 가장 좋으나 글리세린에 비해 프로필렌 글리콜의 가격이 더 비싸며, 점성 또한 떨어지므로 두 물질의 혼합물을 사용하는 것이 효과적일 것이라 판단된다. 따라서 글리세린과 프로필렌 글리콜의 1:1 혼합물의 상대습도 제 거효율을 추가적으로 측정하였다. 그 결과 글리세린 과 프로필렌 글리콜의 혼합물은 상대습도를 초기 68% 에서 22%까지 감소시켜 상대습도 기준 67%의 흡습 효율을 나타냈으며, 초기 상대습도의 50% 수준까지 낮추는데 걸린 시간은 평균 20분이었다.
3.3 습도조건에 따른 제거효율
기상청(Korea Meteorological Administration, KMA) 의 보고에 따르면 일반적으로 우리나라 전국의 평균 상대습도는 59% ~ 75% 범위로 나타나며, 7월 ~ 8월에 78% ~ 79%로 가장 높게 나타나며, 3월 ~ 4월에 59% ~ 60%로 가장 낮게 나타난다. 따라서 3.2의 실험을 통해 흡습성 물질이 공기 중 수분을 응축하는 것을 확인하였으므로, 실제 대기 중 상대습도 조건에 적용하기 위해서 추가적으로 tedlar bag 안의 습도 조건을 60% 와 40% 이하로 조절하여 실험을 진행하였다.
대기 중 상대습도를 재현하기 위해서 tedlar bag 안의 상대습도를 60% 와 40% 이하로 설정했으며 이를 위해 zero air generator로 생성한 건조 공기를 MFC를 사용하여 1 L/min의 유량으로 1분 동안 주입시킨 뒤, Impinger를 통과시켜 생성된 습윤 공기를 1분 30초 동안 tedlar bag 안에 주입하여 상대습도를 60% 이하로 조절하였다. 그리고 이와 유사하게 건조 공기를 1 L/ min의 유량으로 1분 30초 동안 주입시키고, 습윤 공기를 1분 동안 주입하여 tedlar bag 안의 상대습도를 40% 이하로 조절하였다. 이렇게 주입된 2.5 L 공기의 상대습도는 각각 평균 45%, 30% 였으며 이러한 조건에서의 흡습성 물질의 흡습 효율을 측정하였다. 그 결과 60% 이하 조건에서 글리세린의 경우 상대습도가 50%에서 22%로 감소하여 약 54%의 흡습 효율을 나타냈으며, 프로필렌 글리콜의 경우 40%에서 13%로 감소하여 약 67%의 흡습 효율을 나타냈다. 글리세린과 프로필렌 글리콜의 혼합물의 경우 상대습도가 45%에 서 14%로 감소하여 69%의 흡습 효율을 나타냈다(Fig. 5). 또한 40% 이하 조건에서는 글리세린의 경우 상대 습도가 35%에서 21%로 감소하여 약 39%의 흡습 효율을 나타내었으며 프로필렌 글리콜 또한 27%에서 12% 로 감소하여 약 53%의 흡습 효율을 나타내 앞선 결과 들 중에서 가장 낮은 흡습 효율을 나타냈다. 그러나 반대로 글리세린과 프로필렌 글리콜의 혼합물의 경우 30%에서 11%로 감소하여 60% 이하 조건과 비슷한 약 62%의 흡습 효율을 나타냈다(Fig. 6). 이처럼 60% 와 40% 이하조건에서는 앞선 70% ~ 80% 습도 조건의 결과와는 달리, 글리세린과 프로필렌 글리콜 혼합물의 흡습 효율이 각각 69%와 62%로 프로필렌 글리콜의 흡습 효율인 67%와 53% 보다 높게 나타났다. 이와 같은 결과는 흡습성 물질을 실제 대기 중 조건에 적용했을 때, 상대 습도가 상대적으로 낮은 구간에서는 글리세린이나 프로필렌 글리콜의 단일 물질 사용보다 글리세린과 프로필렌 글리콜의 혼합물을 사용하는 것이 가장 높은 흡습 효율을 나타낸다는 것을 의미한다.
4. 결 론
본 연구는 대기 중 수분을 흡수하여 응축할 수 있는 흡습성물질을 이용하여 초미세먼지를 저감하는 새로운 기술을 개발하기 위한 선행 연구로 수행되었다. 이를 위해 흡습성 물질의 흡습 효율을 측정하기 위해서 수분 흡습 효율 측정 시스템을 구축하였다. 또한, 대표적인 흡습성 물질인 식물성 글리세린과 프로필렌 글리콜의 흡습 효율을 측정하여 흡습제의 선정 타당성을 평가하였으며, 추가로 흡습성 물질의 종류와 상대습도의 정도에 따른 흡습 효율을 평가하였다.
그 결과 상대습도 70% ~ 80% 조건에서 글리세린과 프로필렌 글리콜의 흡습 효율은 각각 60%, 76% 로 나타났으며 이를 통해 흡습성 물질이 실제로 대기 중 수 분을 흡수하여 응축시킬 수 있다는 것을 확인하였다. 또한 글리세린보다 프로필렌 글리콜의 흡습 효율이 높으나, 경제성 및 점성과 같은 물성을 고려하여 두 물질의 혼합물을 사용하는 것이 효과적이라 판단되어 글리세린과 프로필렌 글리콜의 혼합물의 흡습 효율을 추가적으로 측정하였다. 그 결과 혼합물의 흡습 효율은 67%로 나타났으며, 흡습 효율은 글리세린(60%) <혼합물(67%) <프로필렌 글리콜(76%) 순으로 높았다. 추가적으로 우리나라의 평균 상대습도의 범위는 59% ~ 75%이며, 봄철에 59% ~ 60%로 가장 낮게 나타나므로 실제 대기 중 상대습도 조건에 적용하기 위해서 추가적으로 습도조건을 60%이하, 40%이하로 조절하여 실험을 진행하였다. 그 결과 60% 이하 조건에서 글리세린과 프로필렌 글리콜의 흡습 효율이 각각 54%, 67%로 나타났으며 혼합물의 흡습 효율은 69%로 나타났다. 또한 40% 이하 조건에서는 글리세린과 프로필렌 글리콜의 흡습 효율이 각각 39%, 53%로 나타났으며 혼합물의 흡습 효율은 62%로 나타났다. 이처럼 실제 대기 중 습도조건으로 조절했을 때에는 앞선 70% ~ 80% 조건에서의 결과와는 반대로 혼합물의 흡습 효율이 가장 높게 나타났으며 이와 같은 결과는 흡습성 물질을 실제 대기 중 조건에 적용했을 때, 글리세린과 프로필렌 글리콜의 단일 사용보다 글리세린과 프로필렌 글리콜의 혼합물을 사용하는 것이 가장 바람직하다는 것을 의미한다. 따라서 본 연구의 이러한 결과들은 흡습성 물질을 이용한 초미세먼지 저감기술 개발을 위한 기초자료로서 활용될 수 있을 것이며, 대 기오염과 같은 사회문제를 해결하는 방법에 대한 다양한 관점을 제공할 수 있을 것으로 판단된다.
