산업 미세먼지, 마이크로버블로 잡는다. - 생기원, ㈜한국이엔지와 물속에서 미세먼지·원인물질 동시 제거하는 ‘마이크로버블시스템’ 공동 개발 - 실증 테스트에서 먼지 99.9%, 황산화물 99%, 질소산화물 91.9%, 저감 성과

□ 미세먼지는 대기 중에 직접 배출되기도 하지만, 질소산화물(NOx)이나 황산화물(SOx)과 같은 원인물질들에 의한 2차 생성량이 전체 배출량 중 약 72%로 더 높은 비중을 차지한다.

  ㅇ 이러한 원인물질들은 주로 산업활동 과정에서 발생되는 배기가스에 다량 포함되어 있는데, 정부는 올해 1월부터 먼지, 황산화물, 질소산화물 배출허용 기준을 기존보다 각각 33%, 32%, 28% 가량 높여 규제를 강화했다.

  ㅇ 산업계에서는 이에 대응하기 위해 원인물질별 저감 설비를 각각 설치하고 많은 에너지를 들여 가동하고 있지만, 규제가 강해질수록 그 부담이 가중돼 경영에 어려움을 겪고 있다.

□ 한국생산기술연구원(원장 이낙규, 이하 생기원)이 중소기업 ㈜한국이엔지와 함께 배기가스를 물속에서 기포 형태로 전환해 먼지와 원인물질들을 동시 제거할 수 있는 ‘마이크로버블시스템’을 공동 개발했다.

  ㅇ 원인물질을 제거하는 기존 상용화 기술로는 가스를 촉매에 통과시켜 질소산화물을 저감하는 ‘선택적촉매환원법(SCR)'과 석회와 반응시켜 황산화물을 저감하는 ’습식석회석고법(WFGD)’이 대표적이다.    * SCR : Selective Catalytic Reduction, WFGD : Wet Flue Gas Desulfurization

  ㅇ 두 기술 모두 설비 규모가 크고 고가의 촉매와 석회석을 주기적으로 교체해야 하는데다 처리 과정에서 폐기물이 대량 발생한다는 단점이 있다. 또한 공정도 서로 상이해 하나의 설비에서 질소산화물과 황산화물을 동시에 제거할 수도 없다.

□ 생기원 친환경재료공정연구그룹 조형태, 송호준, 김정환 박사가 이끄는 연구팀은 새로운 대안으로 마이크로버블 기술의 가능성에 집중했다.

  ㅇ ‘마이크로버블 기술’이란 가스를 물속에 녹여 탄산방울보다 작은 마이크로미터(㎛·100만 분의 1m) 크기의 기포 형태로 만드는 것으로, 기포가 작을수록 가스와 물이 닿는 표면적이 넓어져 반응성이 증가하고 정전기적 인력도 크게 작용해 먼지와 유해물질들을 흡착하는 효과가 뛰어나다.

  ㅇ 일반적으로 마이크로버블은 고온·고압의 가스를 물속에 강한 압력으로 밀어 넣어 기포를 만드는 ‘압송’ 방식을 통해 만들어진다.

  ㅇ 하지만 황산화물·질소산화물이 포함된 부식성 가스는 압송에 필요한 압축기를 빠르게 손상시켜 그동안 상용화에 어려움을 겪었다.

□ 연구팀은 이를 극복할 방법으로 ㈜한국이엔지가 독자 개발해 2008년 환경부 신기술 인증을 받은 마이크로버블 제조설비에 주목했다.

  ㅇ 이 설비는 압송 방식과 반대로, 배출구에 위치한 송풍기를 통해 가스를 흡입하면서 물과의 충돌을 일으켜 기포를 만드는 ‘흡송’ 방식을 사용한다.

  ㅇ 흡송 방식은 압송 대비 요구 압력이 약 5% 수준이라 에너지 효율이 높고 배기가스 가열 공정이 필요하지 않아 부식 우려도 적다.

□ 연구팀은 2019년 11월부터 ㈜한국이엔지와의 공동 연구를 진행해 노하우 수준에 머물렀던 설비의 마이크로버블 생성 효과를 과학적으로 규명하고 이를 발전시켜 미세먼지 저감용 시스템을 개발해냈다.

  ㅇ 우선 연구팀은 고성능 카메라와 영상분석 인공지능(AI)을 활용해 마이크로버블 생성 정도를 측정, 해당 설비가 10~50㎛ 크기의 기포를 균일하게 만든다는 사실을 검증했다.

  ㅇ 다음으로 ‘전산유체역학 소프트웨어*’를 기반으로 시스템 유동해석 모델을 개발해 물 높이, 유량, 버블 크기 등의 이상적인 운전조건을 도출했다.    * 유체의 동적인 움직임을 컴퓨터를 이용해 해석하고 계산해내는 소프트웨어

  ㅇ 아울러 원인물질 동시 제거를 위한 최적 첨가제들을 선정하고 그 조성비에 따른 저감 성능을 실험해 효과를 극대화했다.

□ 이를 토대로, 연구팀과 ㈜한국이엔지는 분당 10,000ℓ(10Nm3)의 배기가스를 물속에 통과시켜 PM 10 수준의 미세먼지와 질소산화물, 황산화물을 동시 저감할 수 있는 마이크로버블시스템 시제품을 최종 개발해냈다.

  ㅇ 개발된 시제품은 올해 4월 울산의 제지업체 ‘무림P&P㈜’에 설치됐고, 첫 실증 테스트에서 먼지 99.9%, 황산화물 99%, 질소산화물 91.9%를 저감하는 성과를 냈다.

□ 조형태 박사는 “㈜한국이엔지가 보유한 마이크로버블 원천기술을 생기원이 미세먼지 저감에 활용할 수 있도록 기술지원해 만든 성과”라며, “향후 이산화탄소를 비롯한 온실가스와 공장 악취를 유발하는 휘발성유기화합물 저감에도 활용할 수 있도록 후속 공동연구를 진행할 계획”이라고 말했다.