| 연구개발개요 |
- 최근 급증하고 있는 미세먼지 오염 문제는 시정거리를 감소시키고, 호흡기 질환을 유발하는 등 생활 불편함과 건강 피해를 직접적으로 초래하여 그 중요성이 급부상.- 세계보건기구(WHO)는 미세먼지(PM10, PM2.5)에 대한 대기질 가이드라인을 1987년부터 제시해 왔고, 2013년에는 세계보건기구 산하의 국제암연구소(IARC, International Agency for Research on Cancer)에서 미세먼지를 사람에게 발암이 확인된 1군 발암물질(Group 1)로 지정.- 현행 방식으로는 발생원에 대한 정책적 접근으로 규제 및 기준 강화등의 방식 이외에 뚜렷한 대책을 도입하기 어려우며, 특히 건설 공사장의 경우 제거 억제를 위한 기술 자체가 부재.- 기존 물분사 방식으로 이러한 공사장 비산먼지를 제거 하고자 하는 기술적 시도들이 있었지만, 분사유량 대비 효율이 매우 떨어지고, 동력소모가 많으며 환경적 영향성으로 인하여 현장 적용이 쉽지 않은 상태임.- 기존 물분사 시스템의 먼지 제거 효율이 떨어지는 이유는 분사되는 물 액적의 크기가 먼지 입자의 크기보다 커서, 분사후 부유를 위해 더욱 많은 관성력을 필요로 하게 되고 큰 관성력은 입자 주변에 과도한 유동 경계층을 발달시켜 미세먼지 입자와의 결합 확률을 떨어뜨림.- 이러한 원리는 강우 이후에도 초미세먼지등의 개선률이 변화를 보이지 않는 현상으로도 확인되고 있음.- 따라서 물입자 분사를 통해 미세먼지 등을 억제？제거 하기 위해서는 액적의 크기를 미세먼지 수준으로 감소시키는 기술의 개발이 필요함.
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| 연구내용 및 범위 |
○ 테코랩 주식회사- 이 기술의 핵심요건은 분사되는 물 입자 크기에 달려 있음. 물 입자의 크기가 클 경우 먼지와 결합하거나 부유하기 이전에 자중으로 인하여 추락하는 경우가 생기거나 양력효과로 인하여 미세먼지가 공기의 흐름을 따라서 부유할 수 있고, 이를 방지하기 위해서는 particle size를 줄여야 함. 반면에 particle size가 너무 작을 경우 nozzle 분사시 커버하는 범위가 좁아짐. 이를 해결하기 위해서는 분사되는 물 입자의 최적 크기를 선정하여 최소한의 물 사용으로 미세먼지를 제거해야 함.- 고압발생펌프는 피스톤 펌프를 사용하여 Nozzle array로 압송함. 액적의 크기를 결정짓는 것은 노즐 통과 전후의 등엔탈비 과정이고 이에 따른 고압 피스톤 펌프를 설계함.- Nozzle array는 Elector-magnetic field의 영향을 받은 물 입자를 50㎛ 이하의 크기로 골고루 분사가 가능하도록 노즐의 형상, 사이즈, 수량 등을 결정함.- 2차년도에는 EMF장치 연결 표면장력 완화 고압발생펌프, Controller, Nozzle array로 구성되는 미세먼지 제거 장치의 시작품을 제작함. - 장치 사양에 맞는 EMF 장치 모듈을 일체화하여 일체화 제어 시스템으로 액적 사이즈를 제어할 수 있도록 함. - 고압 발생 펌프는 피스톤 스트로크 행정 타입의 방식으로 고압으로 분사가 가능하도록 제작하고, 기존 펌프의 성능 및 제어방식 개선을 통해 연구 목표에 따른 성능 확보를 함.- Controller는 유량 제어와 분사 방향 등을 제어하며, 압력 및 유량 상태를 모니터링하여 상태 피드백을 통해 장비 사용자가 제어 가능하도록 함.- Nozzle array는 1차년도에 선정된 특수 노즐을 대기 중에 골고루 분사가 가능하도록 고압발생펌프의 고압 배관과 결합하여 설치함.- 미세먼지 제거 장치 개선 및 현장 실험○ (사)한국콘크리트학회- 대기 확산 모델은 대기오염원에서 발생되는 오염물질이 주변 지역에 미치는 영향을 정량적으로 평가하는데 사용되고, 현장 측정의 한계성과 저감대책 수립의 구제적인 근거로 활용하기 위해 필요함.- Gaussian Plume Model은 배출된 오염물질의 농도분포가 Gaussian distribution을 이룬다고 가정하고, 배출량과 기상조건이 시간에 따라 변하지 않는 Steady state로 가정하여 화학 반응을 고려하지 못하는 단점이 있으나 계산과정이 비교적 단순하고 입력 자료도 비교적 간단하여 환경영향평가 등의 실용적인 목적에 많이 이용됨. 정확도를 좌우하는 중요한 요소는 plume의 수평확산폭 및 연직확산폭으로서 주로 대기안정도와 풍하거리의 함수이고 대기안정도는 PSC를 이용함.- 하지만 확산폭 산정에 사용된 방법(Pasquill-Gifford)은 매우 평탄한 지역에서 실시한 것으로 우리나와 같은 평탄지가 많이 없고 복잡한 지형을 대상으로 모델링 하는 경우에는 오차가 클 수 있음. 또한 PSC의 문제점으로는 일사강도가 주관적이고 안정도가 A~F로 불연속적이며 지표면에서의 상태이므로 특히 아침, 저녁 시간대에는 높은 굴뚝에서의 안정도와 차이가 나고, 지표면의 상태(거칠기, 지표면 성질, 도시열섬 등) 고려가 불가능함.- Gaussian Plume Model의 이러한 문제점들을 개선한 분사·확산 모델을 개발하여 미세먼지의 흐름 및 확산을 예측하며, 이를 바탕으로 개발된 CFD 모델을 해석하여 장비 설계에 결과를 반영함.- 1차년도에 개발한 공사장 Wind Model을 바탕으로 CFD 해석을 통해 미세먼지 확산에 대한 표준조건을 확보함. 이를 바탕으로 풍동실험을 진행하여 개발된 대기 환경 평가 모델 검증.- 설치 위치에 따라 환경적 영향으로 인한 효율의 변동이 생기므로 개발 장치의 설치 위치 및 영향 판단.- 풍환경 모니터링을 위한 Wind Observer 계측 위치, 수량 등을 산정하기 위한 CFD 해석을 진행.- Test-Bed 선정지에 대해 주요 미세먼지 발생 구간을 분석하고, 대기 온도 및 풍환경 분석 등을 통하여 주요 미세먼지 예상 구간을 설정하여 발생 패턴 등을 분석하여, 물 분사 입자의 사이즈에 따른 확산거리 등 분석- 풍환경 모니터링을 통하여 대기의 온도, 습도, 풍향, 풍속 등의 정보를 획득하여 환경모델링에 적용하여 미세먼지의 이동경로 등을 예측하여 “미세먼지 제거를 위한 미세먼지 제거 장치”의 설치 위치 및 설치 후 분사각도 및 회전분사 등을 조정하여 미세먼지 제거에 효율성을 높임.
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