[과학] '미세먼지 줄여 국민 불안감 해소'...출연연 미세먼지 저감 기술

탈질 폐촉매 융용로 전경.

"오늘 미세먼지 좋아? 나빠?"

최근 국민들 사이에서 단골 대화주제가 되어버릴 정도로 미세먼지에 대한 국민적 관심이 높다.

미세먼지는 여러 가지 복합한 성분을 가진 대기 중 부유 물질이다. 미세먼지의 노출은 호흡기 및 심혈관계 질환의 발생과 관련이 있으며 사망률도 증가시키는 것으로 보고되고 있다. 특히 크기가 10마이크로미터 이하의 작은 먼지 입자들은 폐와 혈중으로 유입될 수 있기 때문에 큰 위협이 된다. 미세먼지에 대한 국민적 불안감이 커지는 이유다. 이 같은 상황에 정부출연연구기관은 다양한 기술 개발을 통해 미세먼지 저감에 힘쓰고 있다. 화력발전소 초미세먼지 저감 기술부터 미세먼지 줄이는 탈질 폐촉매 재활용 기술까지 출연연의 미세먼지 저감기술을 알아본다.

두산중공업에 설치된 고효율 정전 습분제거기.

▲화력발전소 '초미세먼지' 10분의 1로 줄이는 EME 기술

국내에서 화력발전소에서 나오는 미세먼지 총량을 배출 규제기준의 10분의 1 정도로 줄일 수 있는 기술이 개발됐다.

8일 한국기계연구원에 따르면 기계연은 두산중공업과 함께 화력발전소의 탈황장치 최종단에서 배출되는 미세먼지를 입방미터당 0.5㎎ 이하까지 제거하는 EME(Electrostatic Mist Eliminator·고효율 정전 습분제거기)를 개발하고 실증에 착수했다.

화력발전소 굴뚝 전단의 탈황설비에 기존 장비보다 간편하고 경제적으로 설치할 수 있으며 미세먼지는 물론 하얗게 발생하는 습분 연기 제거 효율도 10배 이상 향상 시켰다.

기계연 환경시스템연구본부 환경기계연구실 김용진 책임연구원 연구팀은 ME(Mist Eliminator.습분제거기)에 고유속용 강체방전극과 전기집진 방식을 조합한 EME 방식으로 오염물질 제거 효율을 10배 이상 향상 시켰다. 오염물질 입자에 전기를 걸어주고 한 곳으로 모이게 해 제거하는 원리다.

이번에 새로 개발된 EME 방식을 적용하면 FGD(Flue Gas Desulfurization. 탈황설비) 상부의 ME를 EME 방식으로 교체하는 것만으로 미세먼지 배출농도를 0.5㎎ 이하까지 줄일 수 있는 최초의 기술이다.

기계연은 두산중공업과 함께 국내 석탄화력발전소에 적용 할 수 있는 실물 크기 모듈의 파일럿 EME를 창원공장에 설치해 성공적으로 실험을 완료했다. 아울러 500㎿급 EME 상용화 설계를 완료해 주요 발전사와 함께 가동된 지 오래된 석탄화력발전소를 위주로 실증에 착수했다.

기계연 김용진 책임연구원은 "개발된 EME는 기존의 수에서 수십 ㎎ 이상의 석탄화력 발전소 미세먼지 배출농도를 LNG 가스 발전소 배출 수준으로 청정하게 하는 세계적인 환경장치 기술"이라며 "대용량 발전소 환경개선은 물론 중소 일반 산업용 미세먼지 저감장치로도 활용하여 국내 미세먼지 저감에 기여할 수 있기를 기대한다"고 말했다.

미세먼지 심각성 및 기능성 나노 섬유 기반 초미세먼지 (PM2.5) 필터 제조 모식도.

▲'미세먼지 25% 더…' 국내 연구진, 초미세먼지 필터 개발

국내 연구진이 공기청정 장비의 전력 소모량, 소음, 진동을 획기적으로 낮추는 초미세먼지 필터를 개발했다.

한국생명공학연구원은 스마트IT융합시스템연구단, 전남대 고분자융합소재공학부와 함께 고성능 기능성 나노섬유 기반 초미세먼지 필터를 개발했다.

기존 상용 필터는 섬유를 기반으로 초미세먼지, 미세먼지를 필터링하는 방식이다. 공기가 필터를 통과하는 과정에서 높은 '압력 손실'이 발생해 여러 가지 문제를 야기한다. 압력 손실은 입구와 출구의 압력차가 커 유량이 적어지는 현상이다. 필터를 얇게 만들면 압력 손실을 낮출 수 있지만, 필터의 성능이 급감하게 된다. 그동안은 펜 속도를 높여 억지로 유량을 늘리는 방법을 써 전력 소모량이 많고, 소음·진동이 심했다.

연구팀은 필터의 두께를 줄이면서 필터 자체의 성능을 높이는 방법을 택했다. 전기방사한 고분자 나노 섬유 소재에 '반응성 이온 식각 공정 기술(RIE)'를 적용, 성능 문제와 압력 손실 문제를 모두 해결했다. RIE는 플라즈마 상태의 가스를 기판에 충돌시켜 표면을 깎는 기술이다. 여기에 산소 가스로 필터 표면에 먼지가 더 잘 붙도록 화학 표면 처리를 더했다. 특정 분자의 모양·성질을 예측하는 '밀도범함수이론'으로 필터 표면과 초미세먼지의 상호작용을 계산해 최적화된 표면을 구현하는 방법도 적용했다.

연구팀은 이 필터를 다양한 공기청정 분야에 쓸 수 있다고 설명했다. 차량용 공기청정기, 스마트 마스크, 윈도우 필터에 활용할 수 있다. 고효율 이차전지필터, 특수 의료용 섬유 소재를 비롯해 다른 분야 기반 기술로 기술 적용폭을 넓히는 것도 가능하다.

생명연 관계자는 "이전보다 성능과 효율을 높인 새로운 필터 제작 가능성을 제시했다"면서 "벤처기업인 쉐마를 통해 초미세먼지 대응 제품 개발도 진행하고 있다"고 말했다.

미세먼지 줄이고 희유금속 회수 '두마리 토끼'...국내 연구진 '탈질 폐촉매 재활용 기술' 개발

미세먼지 저감 기술도 중요하지만 미세먼지 발생을 최소화 할 수 있는 기술 개발 또한 중요해지고 있다. 이에 국내 연구진이 석탄화력발전소 등 대형 연소설비에서 나오는 유해물질을 제거하는 데 쓰이는 '탈질촉매'를 버리지 않고 재활용할 수 있는 상용화 기술을 확보했다. 탈질촉매에 포함된 고부가가치 희유금속을 회수해 재활용하고 2차 오염물질 발생을 최소화할 수 있어 매립비용 절감과 미세먼지 감소에 기여할 것으로 기대된다.

한국지질자원연구원 유용자원재활용기술개발사업단(단장 조봉규)은 탈질 폐촉매에서 유가금속을 회수하고, 2차 폐기물의 발생을 줄일 수 있는 '탈질 폐촉매 재활용 기술'을 개발하고, 충남 당진에 연간 3000톤 규모의 재활용 설비를 구축했다.

탈질촉매는 미세먼지 원인으로 알려진 '질소산화물'를 제거하는 데 사용하며, 수명이 다하면 폐기돼 매립한다. 땅에 묻는 과정에서 2차 오염이 발생하고, 함유된 고부가가치 희유금속이 그대로 버려진다.

연구단이 개발한 기술은 탈질 폐촉매에 있는 텅스텐, 바나듐, 타이타늄 등 유가금속을 걸러낸 후 분리정제 공정을 거쳐 고순도 금속화합물로 회수한다. 고순도화를 통해 발생되는 탈질 폐촉매의 90% 이상을 재활용할 수 있고, 확보된 유가금속은 다시 탈질촉매 원료나 다른 초경합금 등으로 쓸 수 있다.

2017년 기준 탈질 폐촉매는 연간 2만톤 발생하고, 이중 1만톤을 재활용할 경우 연간 7500만톤의 타이타늄, 800톤의 텅스텐, 100톤의 바나듐 화합물을 회수할 수 있다고 연구팀은 설명했다.

지질자원연은 기술 상용화를 위해 한내포티(대표 오영복)와 당진 석문산업단지에 연간 3000톤 규모의 폐촉매 재활용 공장을 착공했다.

조봉규 재활용사업단장은 "미세먼지에 대한 관심이 커진 상황에서 단순 매립하던 탈질 폐촉매를 친환경적으로 재활용할 수 있는 계기를 마련했다는 데 의미가 있다"며 "우리가 세계에서 처음으로 상용화에 성공했기 때문에 앞으로 해외에 기술 수출도 할 수 있을 것"이라고 말했다. 김성현 기자