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응축성장을 이용한 PM2.5 초미세먼지의 무필터 제거

Filterless Removal of PM2.5 Dusts by Condensational Growth

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. B. B, v.41 no.4 = no.379, 2017년, pp.221 - 228  

표주원 (부산대학교 기계공학부) ,  이동근 (부산대학교 기계공학부)

초록
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본 연구에서는 부엌이나 밀폐 작업장과 같이 PM2.5 초미세먼지가 고농도로 발생하는 장소에 적용 가능한 무필터 초미세먼지 정화기술을 제안하고자 한다. 이런 장소에서는 기존 필터기반의 공기정화기는 높은 필터교체비용으로 인해 적용이 불가능하여 작업자가 고농도 PM2.5 초미세먼지에 직접 노출되는 심각한 문제가 있다. 입자가 수 마이크론의 크기로 성장하면 증가한 관성으로 쉽게 제거가능하기 때문에 본 연구에서는 초미세먼지의 응축성장에 집중하였다. 물분무를 이용하는 공기포화기, 수증기를 응축시켜 입자를 성장시키는 응축기, 멀티임팩터 제거기로 구성된 시제품을 개발하였고 낮은 유량의 랩스케일 실험에서 실제 공기청정기 유량 조건에서 그 성능을 검증하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

We proposed a novel method to remove PM2.5 dusts without HEPA filters aiming at applications in kitchens or enclosed work spaces generating PM2.5 at high concentrations. Many workers are exposed to PM2.5 owing to lack of air purification because the high replacement costs of HEPA filters make their ...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 연구에서는 물을 용매로 초미세먼지를 충분히 응축 성장시키면 증가한 관성으로 인해 기존의 관성충돌장치(7) 정도로도 쉽게 제거가 가능하다는 사실에 주목하였다. 나노입자의 응축성장에 대한 사전 연구수준을 살펴보면 다음과 같다.
  • 본 연구에서는 초미세입자의 수증기 응축성장과 관성충돌을 이용하여 고농도 초미세입자의 무필터 제거법을 제안하고 높은 효율로 제거가능함을 실증 하였다.
  • 이에 본 연구에서는 실제 공기청정기 조건인 3,000~5,500 lpm의 고유량 환경에서 물을 응축용매로 고농도의 초미세입자를 수 마이크로미터까지 성장 및 제거 가능한 공기청정기 개발을 목표로 하였다. 먼저 랩-스케일의 저유량 조건에서 수십 나노미터 크기의 금속, 유기, 무기 나노입자를 수 마이크로미터까지 성장할 수 있는 최소 냉각조건을 실험적으로 확인하였다.
  • 저농도/저유량 조건의 실험결과를 바탕으로 온도차가 10℃ 이상 확보될 경우, 실제 공기 정화 장치의 대유량 운전 조건에서도 초미세입자가 잘 성장하는지 확인하였다. 2장에서 서술한 대로 대유량실험에서는 물 분무노즐을 이용한 포화기를 사용하였으며, 이때 확인된 30℃의 포화 습공기와 초미세입자를 3,000 lpm의 유량으로 응축기로 공급하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
초미세먼지의 특징은 무엇인가? 5 μm 이하의 초미세먼지는 폐포나 혈관을 침투하여 심장마비, 천식, 기관지염, 폐렴, 폐암 등 각종 건강질환을 유발한다.(1) 초미세먼지는 PM10 영역의 미세먼지에 비해 훨씬 큰 수 농도와 표면적을 가지지만 그 질량은 미미하기 때문에 중량법 기반의 예보에서는 그 위험 정도를 반영하지 못한다. 특히, 각종 연소과정에서 발생하는 초미세먼지는 금속 및 유기성분을 포함하여 1 cc에 수천만 개까지 고농도로 생성되고(2,3) 이차적으로 변화와 성장을 거쳐 그 유해성이 더욱 커진다.
미세먼지를 크기 별로 분류하면 무엇이 있는가? 미세먼지 문제가 나날이 심각해지고 사회적 부담 비용도 커지는 상황에서 실내외 미세먼지에 대한 관심이 급증하고 있다. 미세먼지를 크기 별로 분류할 때 PM10으로 구분되는 10 μm 이하의 미세먼지는 호흡기에 걸려 객담으로 배출되는 등 비교적 제거가 쉽지만, PM2.5 즉, 2.5 μm 이하의 초미세먼지는 폐포나 혈관을 침투하여 심장마비, 천식, 기관지염, 폐렴, 폐암 등 각종 건강질환을 유발한다.(1) 초미세먼지는 PM10 영역의 미세먼지에 비해 훨씬 큰 수 농도와 표면적을 가지지만 그 질량은 미미하기 때문에 중량법 기반의 예보에서는 그 위험 정도를 반영하지 못한다.
고농도로 초미세먼지를 발생시키는 밀폐공간에서 정화과정이 없이 환기하는 이유는 무엇인가? (4) 특히, 요리를 하는 주방(5)이나 용접 작업장(6) 등 고농도로 초미세먼지를 발생시키는 밀폐공간의 경우에는, 정화과정 없이 환기를 통한 배출에 그쳐 작업자가 고농도 초미세먼지에 직접적으로 노출되고 있는 실정이다. 왜냐하면 이러한 고농도 조건에서는 필터교체주기가 지나치게 짧아지기 때문에 경제적인 측면에서 필터식 공기청정기 적용이 불가능하기 때문이다. 따라서 다양한 종류의 고농도 초미세먼지 배출환경에 적용이 가능하며 HEPA급 필터없이 초미세먼지 정화가 가능한 무필터형 공기정화장치 개발이 작업자의 건강보건을 위해 시급히 요구된다.
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참고문헌 (15)

  1. Maynard, A. D. and Kuempel, E. D., 2005, "Airborne Nanostructured Particles and Occupational Health," Journal of Nanoparticle Research, Vol. 7, No. 6, pp. 587-614. 

  2. Sippula, O., Hokkinen, J., Puustinen, H., Yli-Pirila, P. and Jokiniemi, J., 2009, "Comparison of Particle Emissions from Small Heavy Fuel Oil and Wood-fired Boilers," Atmospheric Environment, Vol. 43, No. 32, pp. 4855-4864. 

  3. Johansson, L. S., Tullin, C., Leckner, B. and Sjovall, P., 2003, "Particle Emissions from Biomass Combustion in Small Combustors," Biomass and Bioenergy, Vol. 25, No. 4, pp. 435-446. 

  4. Fisk, W. J., Faulkner, D., Palonen, J. and Seppanen, O., 2002, "Performance and Costs of Particle Air Filtration Technologies," Indoor Air, Vol. 12, No. 4, pp. 223-234. 

  5. Wallace, L. A., Emmerich, S. J. and Howard-Reed, C., 2004, "Source Strengths of Ultrafine and Fine Particles Due to Cooking with a Gas Stove," Environmental Science and Technology, Vol. 38, No. 8, pp. 2304-2311. 

  6. Brand, P., Lenz, K., Reisgen, U. and Kraus, T., 2012, "Number Size Distribution of Fine and Ultrafine Fume Particles From Various Welding Processes," Annals of Occupational Hygiene, Vol. 57, No. 3, pp. 305-313. 

  7. Marple, V. A. and Willeke, K., 1976, "Impactor Design," Atmospheric Environment, Vol. 10, No. 10, pp. 891-896. 

  8. Stolzenburg, M. R. and McMurry, P. H., 1991, "An Ultrafine Aerosol Condensation Nucleus Counter," Aerosol Science and Technology, Vol. 14, No. 1, pp. 48-65. 

  9. Orsini, D. A., Ma, Y., Sullivan, A., Sierau, B., Baumann, K. and Weber, R. J., 2003, "Refinements to the Particle-into-liquid Sampler (PILS) for Ground and Airborne Measurements of Water Soluble Aerosol Composition," Atmospheric Environment, Vol. 37, No. 9-10, pp. 1243-1259. 

  10. Demokritou, P., Gupta, T. and Koutrakis, P., 2002, "A High Volume Apparatus for the Condensational Growth of Ultrafine Particles for Inhalation Toxicological Studies," Aerosol Science and Technology, Vol. 36, No. 11, pp. 1061-1072. 

  11. Lee, D., Park, K. and Zachariah, M. R., 2005, "Determination of the Size Distribution of Polydisperse Nanoparticles with Single-Particle Mass Spectrometry: The Role of Ion Kinetic Energy," Aerosol Science and Technology, Vol. 39, No. 2, pp. 162-169. 

  12. Hinds, W. C., 1999, Aerosol technology: properties, behavior, and measurement of airborne particles, John Wiley & Sons, 2nd ed., Los Angeles. 

  13. Kousaka, Y., Niida, T., Okuyama, K. and Tanaka, H., 1982, "Development of a Mixing Type Condensation Nucleus Counter," Journal of Aerosol Science, Vol. 13, No. 3, pp. 231-240. 

  14. Munday, J. T. and Bagster, D. F., 1977, "A New Ejector Theory Applied to Steam Jet Refrigeration," Industrial and Engineering Chemistry Process Design and Development, Vol. 16, pp. 442-449. 

  15. Lee, K. S., Cho, S.-W. and Lee, D., 2008, "Development and Experimental Evaluation of Aerodynamic Lens as an Aerosol Inlet of Single Particle Mass Spectrometry," Journal of Aerosol Science, Vol. 39, No. 4, pp. 287-304. 

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