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ISSN : 2288-9167(Print)
ISSN : 2288-923X(Online)
Journal of Odor and Indoor Environment Vol.16 No.4 pp.364-368
DOI : https://doi.org/10.15250/joie.2017.16.4.364

Radon reduction efficiency of the air cleaner equipped with a Korea carbon filter

Dong Wook Cha1,2, Seon Hong Kim1,2, Seung Yeon Cho1,2*
1Department of Environmental Engineering, Yonsei University
2Yonsei University Natural Radioactivity Environmental Health Center, The Ministry of Environment
Corresponding author : +82-33-760-5007sy.cho@yonsei.ac.kr
20171113 20171212 20171221

Abstract

This study was carried out considering that activated carbon physically adsorbs radon. Among the air cleaners equipped with activated carbon filter, eight air cleaners sold in Korea were selected and the radon reduction rate experiment was conducted. The instrument used an ionization chamber type instrument with a sensitivity of 3 CPM. The experiment was carried out by excluding the natural rate of reduction of radon in order to accurately grasp the radon reduction rate of activated carbon filter. Of the eight air purifiers, only three showed a reduction rate of more than 30%, while the remaining five air purifiers showed a reduction rate of less than 20%. This does not seem to be much different from the natural reduction rate. In addition, since it is not adsorbed by radon alone due to the nature of activated carbon, it is expected that the reduction rate will be lower in a real life environment.


국내 활성탄 필터가 장착된 공기청정기의 라돈(Rn-222)저감효율 평가

차 동욱1,2, 김 선홍1,2, 조 승연1,2*
1연세대학교 환경공학과
2연세대학교 자연방사능 환경보건센터

초록


    © Korean Society of Odor Research and Engineering & Korean Society for Indoor Environment. All rights reserved.

    1.서 론

    세계보건기구는 해마다 240만 명이 공기 오염으로 사망하고, 이 중에서 실내공기 오염으로 인한 사망은 150만 명으로 보고 하였으며(WHO, 2009), 한국 국립 환경과학원의 연구에 따르면 한국인은 1일 평균 실내 에 머무르는 시간이 20시간을 초과한다고 보고하고 있 다(NIER, 2009). 이러한 수치는 현대인들이 머무르고 있는 공간의 실내공기질이 매우 중요하다는 것을 보여 준다.

    한국은 매해 외부의 미세먼지 및 중국발 황사의 내 부 출입을 막기 위해 자연적인 환기를 기피한다. 이렇 게 건물을 밀폐함으로써 실내공기 오염물질이 증가하 는 것은 불가피한 현실이다. 이러한 오염물질들이 증가 하게 되면서 빌딩증후군(Sick Building Syndrome) 현 상이 발생한다. 빌딩증후군은 산소부족, 공기오염 등으 로 두통, 현기증, 집중력 감퇴 등의 증세와 긴관기염· 천식 같은 질환이 일어난다(Redlich al, 1997.). 이에 따 라 특히 봄철에는 공기청정기 구매가 급증하는데, 이는 시중에 유통되는 공기청정기들은 다양한 필터를 사용 하여 미세먼지, 악취, 폼알데히드, VOC 등의 실내 공 기오염물질을 저감 하고, 공간 내 빌딩증후군을 억제하 는데 도움이 된다고 알려져 있기 때문이다. 이렇듯 실 내공기 정화를 위해 사용하는 공기청정기의 사용이 증 가함에 따라, 공기청정기의 오염물질 저감에 대한 다양 한 평가기준이 설정되었다. 하지만 건물 자체로부터 기 인하는 라돈에 대한 국가적인 평가방법은 아직까지 존 재하지 않는다. 라돈은 우라늄(U-238)이 방사능 붕괴 과정을 통해서 나오는 라듐(Ra-222)의 알파 붕괴시 자 연생성 되는 가스상 물질로 기준치 이상의 라돈을 지 속적으로 흡입했을 경우 폐암을 유발한다고 알려져 있 다. 라돈은 전 세계적으로 폐암의 3~14%를 유발하며 (WHO, 2009), 무색, 무미, 무취의 불활성 기체이고, 일 반적으로 건물의 균열이나 구멍을 통해 실내로 유입되 거나 지하수를 통해 유입된다. 많은 사람들이 폼알데히 드, VOC 등 오염물질에 대한 인식은 있지만 라돈에 대 한 인식은 부족하여, 이에 대비하지 않고 있는 실정이 다. 건물을 건축하는데 사용되는 석고보드, 콘트리트 등 과 같은 건축자재는 토양이나 암석에서 비롯되고, 라돈 함량이 높은 지역의 토양, 암석을 사용하여 제작되었다 면, 실내에 기여하는 라돈농도가 높을 것으로 예상된다.

    라돈에 대한 위해성을 인지한 선진국들은 오래전부 터 라돈을 저감하는 방법을 연구해왔으며, 그에 상응하 는 다양한 법적 규제가 존재한다. 미국의 경우는 주택 을 거래할 때 라돈농도 조사가 의무화 되어있고(EPA, 2012), 체코의 경우는 건축자재의 라듐함량을 규제하면 서 건물이 건설되었을 때 원천적으로 라돈이 방출되는 것을 막고 있다(Hûlka et al., 2008). 하지만 국내에는 각 부처별로 설정된 관리법을 통해 실내라돈을 측정하 고 있으며, 기준치인 148 Bq/m3를 권고하고 있다.

    국내에서는 건축자재에서 발생하는 라돈을 저감하기 위해 활성탄가루 및 보드를 사용하여 건축자재를 완전 히 둘러싼 상태에서 건축자재에서 방출되는 라돈의 양 을 비교 했을 때 7080% 이상 감소율을 보인 연구가 진행되었다(Cho and Lee, 2011). 이와 같이 활성탄의 물리흡착 통한 라돈저감 방법으로 공기청정기의 활성 탄 필터를 통해 라돈을 저감할 수 있다는 연구(Yasuoka et al., 2009)를 인용하여 본 연구에서는 활성탄 필터가 들어가 있는 공기청정기를 대상으로 실내라돈 저감률을 비교하였다.

    2.실험방법

    2.1.실험용 공기청정기 수집

    본 연구에서는 국내에서 판매되고 있는 공기청정기 중 입상 활성탄 필터가 들어있는 공기청정기 8개를 임 의로 선정하여 비교하였다. 또한, 상용된 제품을 구매 함으로서, 필터 활성탄의 종류, 공기청정기의 성능을 직접적으로 확인하기에 어려움이 있었다.

    2.2.실험 조건

    공기청정기 내 활성탄필터의 라돈 저감률을 평가하 기 위하여 감도 3 cpm, 측정범위 1.85~3699.63 Bq/m3, 오차범위 10%의 실시간 라돈계측기(FRD-1600 FTLAB Co. KOREA)를 사용하여 상시 모니터링 하였다. 공간 조건은 실내의 공기유동 및 온습도 등의 환경적 인자 를 고려하여 평가 가능한 8 m3 스테인레스 재질의 고 밀폐도를 갖는 챔버를 사용 하였으며, 실험은 20~22°C 의 온도범위에서 진행하였다. 챔버 내 라돈농도를 조절 하기 위한 선원은 <500 kBq의 activity를 갖는 2000A (PYLON Co., Canada)를 사용했다.

    2.3.실험방법

    공기청정기를 챔버에 위치한 후 활성탄 필터가 라돈 을 사전에 흡착할 수 있는 부분을 방지하기 위하여 공 기청정기를 밀폐시켰다. 챔버 안의 라돈선원을 열어 370~550 Bq/m3까지 농도를 조성하였고, 이때 라돈농도 는 해외기관 및 한국 산업기술시험원(KTL)에서 라돈 계측기 정확도 테스트를 진행할 때 적용하는 농도이다. 실시간 라돈측정기를 통해 농도를 10분 단위로 확인하 고 한시간당 평균농도를 사용하여 결론을 도출하였다. 이후 라돈농도가 370~550 Bq/m3 되었을 때 공기 청정 기를 가동하여 24시간 동안의 라돈 저감률을 확인하고, 24시간 중의 공기청정기 필터의 최대 라돈 저감률을 계산한다.

    Fig. 1과 같이 중앙에 라돈선원과 라돈계측기를 위치 시키고, 챔버 내부의 라돈농도가 목표농도에 도달하였 을 때 공기청정기를 개방 후 가동시켜 실험을 진행하 였다.

    3.결과 및 고찰

    3.1.필터 구조 및 자연저감률

    총 8개의 공기청정기는 프리필터, 활성탄필터, 헤파 필터 순으로 장착되었으며, 그 중 7개의 공기청정기는 사각필터의 구조를 이루었고, 한 개의 공기청정기는 원 통형필터를 사용하였다.

    필터자체의 라돈저감률을 도출하기 위해 라돈의 자 연저감률을 계산하였고, 라돈선원을 이용하여 실제측 정값과 비교하였다. 자연저감율, P (t)는 반감기계산식 인 식 (1)을 사용하여 계산하였다. 이 때, P0는 초기라 돈농도 값이고, r은 붕괴상수, t는 측정시간을 나타낸다.

    Fig. 2는 48시간 동안 자연저감률 계산식과 측정값을 비교한 그래프이다. 두 그래프가 비슷한 추세를 보이며, 활성탄 필터의 라돈저감률을 계산할 때 오차율이 크게 벗어나지 않음을 알 수 있다.

    P ( t ) = P 0 e r t
    (1)

    • P (t) = Natural Decay Rate

    • P0 = Initial Concentration

    • r = Decay Constant

    • t = Time

    공기청정기 내 활성탄필터를 제외한 부분에서의 라 돈저감률을 확인하기 위하여, 헤파필터만을 장착하여 라돈저감률을 확인하였고, 평가결과 8%로 Fig. 3에서 보이는 바와 같이 Fig. 2와 비슷한 추세를 보여, 헤파 필터의 라돈저감 효율은 매우 낮은 것으로 확인되었다.

    3.2.공기청정기별 챔버 내 라돈농도 변화

    8대의 공기청정기를 대상으로 챔버 내 라돈저감률을 평가하였고, 식 (2)를 사용하여 결과를 도출하였다. 이 때, R0는 초기라돈농도, Rt는 나중농도, P (t)는 자연저 감률을 나타낸다.

    F = [ R 0 R t R 0 ] × 100 P ( t )
    (2)

    • F = Filter Reduction Rate

    • R0= Initial Radon Concentration

    • Rt= Later Radon Concentraion

    • P (t) = Natural Decay Rate

    Fig. 4는 8대의 공기청정기를 각각 평가했을 때, 챔 버 내 라돈농도 변화를 보여준다. B, E, F 공기청정기 의 경우, 초기농도보다 평균적으로 30% 이상의 저감 률을 보였고, A, C, D, G, H 공기청정기는 20% 미만 의 저감률을 보였다. F 공기청정기는 활성탄 필터의 최대 라돈저감률이 83.15% 로 총 8개의 공기청정기중 유일하게 80% 이상으로 가장 높은 저감률을 보였으며, E 공기청정기는 최대 라돈저감률이 59.56%로 두 번째 로 높은 저감률을 보였다. 세 번째로는 B의 공기 청정 기가 39.75%의 저감률을 보였다. 이외의 공기청정기들 은 활성탄 필터의 최대저감률이 G 15.12%, D 13.36%, C 10.82%, H 10.57%, A 8.16%, 순으로 B, E, H의 공 기청정기보다 현저하게 낮은 수준을 나타냈다. 각 공기 청정기의 챔버 내 라돈농도변화를 보면 두 가지 양상 을 확인할 수 있었다.

    먼저 B, E, F의 경우, 일정 시간 동안 라돈농도가 급 격하게 줄어들고 이후에는 그래프의 기울기가 크게 줄 어들지 않는 것을 확인 할 수 있다. A, C, D, G, H 의 공기청정기는 초기 농도에서 크게 벗어나지 않으면서 라돈농도가 떨어진다. 활성탄 필터가 존재하고 있음에 도 불구하고 라돈이 흡착되지 않은 것으로 단정 지어 판단 할 수 없지만, 각 공기청정기의 초기농도에서 라 돈 자연 저감률을 비교 했을 때 큰 차이를 보이지 않은 것을 감안한다면, B, E, F 이외의 공기청정기는 라돈 저감률이 현저히 떨어진다고 볼 수 있다.

    3.3.필터 저감률

    위 데이터를 토대로 자연 저감률을 제외한 필터 저감 률만 봤을 때는 Fig. 5와 같은 양상을 확인할 수 있다.

    B, E, F는 높은 저감률을 보였지만, 활성탄필터의 파 과점(breakthrough point)이후 부터는 더 이상의 라돈 흡착이 이루어지지 않고, 자연저감률의 농도변화양상 을 보였다. F, E, B를 제외한 공기청정기는 파과점으로 보이는 지점이 존재하지 않고 20% 이내의 점감효율을 보였다.

    Table 1을 보면 대부분 활성탄의 함량이 높을수록 높은 저감률을 보이는 경향을 나타냈다. 그러나 A 공 기청정기의 경우는 두 번째로 많은 함량의 활성탄 필 터지만, 가장 낮은 저감률을 보였다. 그 이유는 A 공기 청정기 내 활성탄필터는 활성탄이 매우 밀집되어있었 고, 이로 인해 공기가 활성탄필터를 통과하지 못하여 라돈의 흡착률이 낮게 도출된 것으로 보인다. 한편, F 공기청정기는 유일하게 원통형 필터를 사용하는 공기 청정기이며, 가장 많은 활성탄이 들어있었다. 다른 형 태의 공기청정기 필터보다 더 많은 양의 라돈을 흡착 할 수 있는 구조이다. 이렇듯 필터의 구조, 무게, 조밀 성, 풍속 등에 따라 라돈이 흡착되는 양이 다름을 확인 하였다. 활성탄의 BET 값에 따라 라돈을 흡착하는 양 에 대한 연구가 있지만(Lee et al. 2017), 이번 실험은 현재 판매되고 있는 공기청정기를 가지고 진행하였다. 이는 활성탄필터 내 활성탄을 조절하거나 크기에 대한 조절이 불가능 했다. 또한, 필터별 제조회사에서 첨가하 는 활성탄의 종류와 BET를 정확 하게 파악 할 수 없었 고 활성탄에 어떤 전처리가 있었는지 알수 없었던 점에 서 공기청정기의 라돈 저감률을 일반화하기 힘들다. 더 나아가 세분화된 실험이 필요할 것으로 예상된다.

    4.결 론

    공기청정기의 활성탄 필터를 이용한 공간 내 라돈저 감률 실험은 활성탄이 라돈을 물리적으로 잘 흡착하는 특성을 감안하여 진행하였다. 일반적으로 활성탄 함량 이 높은 공기청정기 일수록 보다 많은 라돈을 흡착할 것으로 예상하였으나, 의외의 결과가 나오기도 하였다. 이러한 이유는 공기청정기별 풍량, 크기, 활성탄의 종 류, 함량, 특성 등 보다 다양한 요소에 따라 라돈저감 률의 차이로 인한 결과로 분석된다. 본 연구에서는 공 간 내 라돈농도를 일정하게 유지하여 실험을 진행하였 지만, 일반적인 생활환경에서는 라돈이 일정한 농도로 유지되지 않고 건물하부 및 건축자재로부터 지속적으 로 방출되며, 온습도, 기상 등 환경요소의 영향으로 변 화한다. 이러한 점에서 공기청정기의 라돈저감률은 일 시적인 효과는 존재할 것으로 예상된다. 다만 타 실내 공기오염물질 및 수분 등이 공존하는 일반 생활환경에 서는 활성탄의 흡착능이 단시간에 감소할 수 있기 때 문에, 라돈 저감효과가 더 떨어질 수 있을 것으로 예상 된다. 보다 다양한 방법으로 추가적인 실험이 필요할 것으로 예상된다.

    Figure

    JOIE-16-364_F1.gif

    Experimental setup.

    JOIE-16-364_F2.gif

    Comparison of calculated and measured natural radon decay rate.

    JOIE-16-364_F3.gif

    Comparison of natural radon decay curve and radon reduction rate of HEPA filter.

    JOIE-16-364_F4.gif

    Radon reduction rate of air cleaner.

    JOIE-16-364_F5.gif

    Radon reduction rate of carbon filter.

    Table

    Maximum removal rate of filter, breakpoint time and activated carbon weight

    Reference

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