미세먼지, 화학기술로 없앤다! [우리가 몰랐던 과학 이야기] (285)

신종 코로나바이러스 감염증(코로나19)가 엔데믹에 접어들면서 실외에서는 마스크를 쓰지 않아도 되지만, 여전히 마음 편히 벗을 수 없는 게 현실입니다. 겨울철부터 기승을 부린 미세먼지 영향 탓이기도 한데요. 지난겨울은 전보다 미세먼지 농도가 더 나빠졌다고 합니다.

봄보다 먼저 찾아온 미세먼지는 우리 몸에 들어와 천식과 폐 질환의 원인이 되며, 면역세포의 작용으로 염증을 일으키는 원인이기도 합니다. 세계보건기구(WHO)가 미세먼지를 1군 발암물질로 분류할 만큼 위협적입니다.

이로 인해 미세먼지를 제거할 수 있는 다양한 기술이 개발되고 있는데요. 오늘은 화학기술로 미세먼지를 없애는 방법에 대해 알아보겠습니다.

◆미세먼지는 어떻게 생길까?

1차 미세먼지 발생원. 출처=환경부

환경부에 따르면 미세먼지는 발생과정에 따라 1차와 2차로 나눌 수 있습니다.

1차 미세먼지는 배기가스와 공장, 건설 현장 등에서 고체 상태로 배출되며, 그 종류로는 이산화황(SO2)과 납(Pb), 일산화탄소(CO), 금속 성분, 미세먼지 성분의 토양 등이 있습니다.

2차 미세먼지 발생원, 출처=환경부

2차 미세먼지는 화석 연료나 자동차 배기가스, 공장 제조공정 중에서 발생한 황산화물(Sox)과 질소산화물(NOx), 암모니아(NH3), 휘발성 유기화합물(VOCs) 등이 대기 중에서 화학반응을 일으켜 발생합니다.

그 종류로는 오존(O3)과 이산화질소(NO2), 황산염, 질산염 등이 있으며, 우리나라 미세먼지 발생량 중 70%를 차지하고 있습니다.

◆미세먼지 구성 성분

미세먼지 구성 성분. 출처=환경부

미세먼지는 황산염과 질산염 등 이온 성분과 금속 및 탄소로 이루어진 화합물로 구성됩니다. 머리카락 굵기 30분의 1정도 크기인 초미세먼지는 호흡할 때 기도에서 걸러지지 않고 폐까지 침투하는 탓에 호흡기 질환의 원인이 됩니다.

특히 초미세먼지 중 2/3 이상이 황산화물과 질소산화물, 암모니아, 휘발성 유기화합물 등이 대기 중 특정 조건에서 반응해 생긴 2차 미세먼지로, 이를 억제하는 방안에 대한 연구도 진행되고 있습니다.

◆미세먼지 저감 기술 종류

미세먼지 저감 기술은 크게 1차를 제거하는 집진 기술과 2차 전구물질(다른 화합물을 생성하는 화학반응에 참여하는 화합물)을 제거하는 질소산화물(NOx) 저감 기술, 황산화물(SOx) 저감 기술로 구분할 수 있습니다.

집진 기술에는 원심력·여과·전기 집진기, 습식 세정장치 등이 있으며, 질소산화물(NOx) 저감 기술로는 대표적으로 촉매 기술이 있습니다. 오늘은 촉매 기술에 대해 좀 더 자세히 다뤄보겠습니다.

◆질소산화물(NOx) 저감 기술

질소산화물 저감 기술에는 대표적으로 선택적 촉매 환원 기술(SCR·Selective Catalytic Reduction)과 선택적 비촉매 환원 기술(SNCR·Selective Non-Catalytic Reduction)이 있습니다. SNCR 기술은 암모니아 또는 요소수를 직접 주입해 질소산화물을 질소와 물로 분해하는 방법이지만 저감 효율이 40~60%에 그쳐 상대적으로 낮습니다.

SCR 기술은 촉매에 환원제(요소수)를 분사해 질소산화물을 질소와 물로 환원시키는 방법으로, 저감 효율이 80~90%로 높습니다. 하지만 설비 부식을 일으키거나 성능을 저하하는 등의 문제가 발생해 이를 보완하는 기술이 지속해서 개발되고 있는데요. 최근 한국과학기술연구원(KIST)에서 저온에서도 고효율을 유지하면서도 황 성분에 대한 내구성도 강한 새로운 질소산화물 제거 기술을 개발해 주목받고 있습니다.

◆미세먼지 분해하는 광촉매 기술

화력 발전과 석유화학 공장 등에서 나오는 질소산화물을 광촉매로 분해하는 기술이 있습니다. 대표적인 광촉매 물질인 이산화티타늄(Tio2)은 빛과 반응하면 전자(e-)와 정공(h+)이 발생하는데, 전자는 산소와 반응해 슈퍼옥사이드 음이온을 생성하고 정공은 대기 중에 존재하는 수분과 반응해 하이드록실 라디칼(-OH)을 만들어냅니다. 이렇게 만들어진 하이드록실 라디칼은 질소산화물과 같은 유기물질을 산화해 수분과 이산화탄소로 분해합니다.

최근 서울시를 비롯한 충남 천안시, 경기 광명시 등이 도로포장에 광촉매 기술을 적용했으며, 미세먼지 저감 효과가 검증되면 그 범위는 점차 늘어날 것으로 보입니다.

◆생활 속 미세먼지 줄이기

미세먼지를 줄이려면 우리 자신도 노력해야 합니다. 가까운 곳은 걷거나 대중교통을 활용하는 것도 방법이고, 친환경 자동차를 구매할 수도 있습니다. 집에서 불필요한 에너지 사용은 줄이고, 쓰레기 배출량을 줄이는 것도 도움이 됩니다.

미세먼지 줄이기는 날씨나 건강만의 문제가 아닙니다. 지구 환경에 위협이 되는 온실가스, 기후변화와 연결되어 있기 때문입니다. 미세먼지 저감을 위해 생활 속에서 실천하는 우리의 작은 움직임이 큰 변화를 만들어낼 수 있을 거라 믿습니다.

한화솔루션 블로거