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문제 정의
- 본 연구에서는 기존 분말 또는 입상 활성탄의 문제점을 보완하기 위한 목적으로 판재형 활성탄 필터를 제작하여, 라돈 가스 제거율에 대한 시험 연구를 수행하였다. 활성탄의 라돈 제거효율은 활성탄의 미세기공에 의한 비표면적의 크기에 의존한다.
제안 방법
- 라돈 저감율 성능 시험을 위한 판재형 활성탄 필터는 직경 10cm, 두께 2mm로 제작되었다. 또한 일정한 초기 라돈 가스 농도를 형성시키고, 형성된 라돈 가스 농도를 제작된 판재형 활성탄 필터를 통과시킨 후의 라돈 가스 농도를 측정하였다. 이를 위해 아크릴 챔버(40 x 40 x 40 cm3) 3개와, 라돈 소스, 필터 챔버, 에어 펌프, 유량계, 그리고 2개의 라돈 검출기(FRD-400)를 이용하였으며, 아래 Fig.
- 상기 라돈 제거율 측정 실험의 객관성을 검증하기 위한 방법으로 공인 시험기관인 한국건설생활환경시험연구원(이하 KCL)에 시험 의뢰하였으며, 측정된 챔버(1)과 챔버(2)의 라돈 가스 농도 결과치를 이용하여 판재형 활성탄 필터의 라돈 제거 효율을 자체실험 결과와 비교 검증하였다.
- 상기 모식도와 같이 라돈 소스 챔버에 토양기반의 라돈 소스를 위치시키고, 라돈 측정챔버(1)과 라돈 측정챔버(2)에 라돈 검출기를 위치시켜 백그라운드 농도를 측정하였다. 소스 챔버 내에 라돈 소스를 위치시켜 라돈 가스 농도를 약 48시간 정도 집적시킨 후, 펌프를 이용하여 챔버(1)로 라돈 가스를 유입 시켜 초기 라돈 농도를 약 20 pCi/L로 설정 및 유지시켰다.
- 상기 모식도와 같이 라돈 소스 챔버에 토양기반의 라돈 소스를 위치시키고, 라돈 측정챔버(1)과 라돈 측정챔버(2)에 라돈 검출기를 위치시켜 백그라운드 농도를 측정하였다. 소스 챔버 내에 라돈 소스를 위치시켜 라돈 가스 농도를 약 48시간 정도 집적시킨 후, 펌프를 이용하여 챔버(1)로 라돈 가스를 유입 시켜 초기 라돈 농도를 약 20 pCi/L로 설정 및 유지시켰다.
- 이 후, 에어펌프와 유량계(0.5 L/min 유지)를 이용하여 설정된 챔버(1)의 초기 라돈 가스(약 20 pCi/L)를 판재형 활성탄 필터가 위치한 필터 챔버를 통과시키면서 챔버(2)로 유입시키면서 각 챔버의 라돈 농도를 측정하였다. 측정된 챔버(1)과 챔버(2)의 라돈 농도를 결과치를 이용하여 아래 라돈 제거율 공식으로 두께별 판재형 활성탄 필터의 라돈 제거효율을 산출하였다.
- 실내 라돈 가스 농도는 시간대에 따라 다르게 나타나므로 제작된 판재형 활성탄 필터의 라돈 제거 성능을 정확히 평가하기 위해서는 실험실내 온도 및 습도를 유지시킨 후, 48시간 동안 측정하여 비교적 실험실내 백그라운드 라돈 농도가 낮은 시간대에서 측정하는 것이 바람직하다. 이에 실험실 내의 온도 및 습도를 평형상태로 유지시킨 후, 48시간 동안 총 5번 자연 라돈 농도를 측정하였으며, 그 결과 백그라운드 라돈 농도가 비교적 안정적인 14~20시 사이의 시간대에 실험을 진행하였다.
- 5 L/min 유지)를 이용하여 설정된 챔버(1)의 초기 라돈 가스(약 20 pCi/L)를 판재형 활성탄 필터가 위치한 필터 챔버를 통과시키면서 챔버(2)로 유입시키면서 각 챔버의 라돈 농도를 측정하였다. 측정된 챔버(1)과 챔버(2)의 라돈 농도를 결과치를 이용하여 아래 라돈 제거율 공식으로 두께별 판재형 활성탄 필터의 라돈 제거효율을 산출하였다.
- 1a)에 의거한 실내 공기 중 라돈 연속 측정방법은 고시하고 있다. 하지만 라돈 제거 및 흡착 필터의 라돈 제거율 측정에 관한 국내외 표준 시험 기준 및 방법이 존재하지 않으므로 본 연구에서는 종래의 입상 및 분말 활성탄 필터의 한계점을 해결할 수 있고 취급이 용이한 판재형 활성탄 필터를 설계 및 제작한 후, 자체적인 라돈 제거율 측정 시험 프로토콜을 수립하였으며, 이를 통해 제작된 판재형 활성탄 필터의 라돈 저감율을 시험 평가하였다. 또한 본 연구에서 자체적으로 고안한 라돈 제거율 측정 방법이 추후 표준 시험 방법으로 선정되기에 있어 큰 오류가 없음을 입증하고자 한다.
대상 데이터
- 라돈 저감율 성능 시험을 위한 판재형 활성탄 필터는 직경 10cm, 두께 2mm로 제작되었다. 또한 일정한 초기 라돈 가스 농도를 형성시키고, 형성된 라돈 가스 농도를 제작된 판재형 활성탄 필터를 통과시킨 후의 라돈 가스 농도를 측정하였다.
- 본 연구에서 제작된 2, 4, 6 mm 두께의 판재형 활성탄 필터의 라돈 가스 제거율 측정 실험 결과를 Fig. 1에 나타내었다.
- 본 연구에서 제작된 판재형 활성탄 필터를 무작위로 5개 선정하여 비표면적을 측정한 결과를 Table 1에 나타내었다.
- 또한 일정한 초기 라돈 가스 농도를 형성시키고, 형성된 라돈 가스 농도를 제작된 판재형 활성탄 필터를 통과시킨 후의 라돈 가스 농도를 측정하였다. 이를 위해 아크릴 챔버(40 x 40 x 40 cm3) 3개와, 라돈 소스, 필터 챔버, 에어 펌프, 유량계, 그리고 2개의 라돈 검출기(FRD-400)를 이용하였으며, 아래 Fig. 1과 같이 실험 모식도를 배치하였다.
이론/모형
- 그리고 판재형 활성탄 필터 제작 과정에서 특정 바인더를 주입 후 압착함으로써 휨 등의 변형우려가 있으므로 KS F 2663:2005 규격의 3점 굴곡 method를 이용하여 판재형 활성탄 필터의 휨 파괴하중을 측정 하였다.
- 이에 본 연구에서 제작된 판재형 활성탄 필터 소재와 기존 활성탄들과의 비표면적 비교를 위해 KS A 0094 규격의 BET method를 이용하여 비표면적을 측정하였다.
성능/효과
- 일반적으로 활성탄의 비표면적은 원료와 제조과정에 따라 다소 차이를 보이지만 평균적으로 800~1,500m2/g 정도의 비표면적을 가지고 있다.[5] 본 연구에서 제작한 판재형 활성탄 필터를 무작위로 5개 선정하여 측정한 비표면적은 활성탄 중 비표면적이 상대 적으로 우수한 대나무 활성탄의 비표면적(약 1325 m2/g)[6]과 큰 차이가 나지 않으므로, 본 연구에서 제작한 판재형 활성탄 필터의 유해물질 제거 능력 및 라돈 제거 능력이 상대적으로 우수할 것으로 판 단되었으며, 그 결과 우수한 라돈 가스 제거율을 나타내었다.
- 현재 국내에 라돈 흡착 및 제거 필터를 이용한 실내 공기 중의 라돈 제거율 측정에 관한 표준 시험 방법이나 기준이 존재하지 않는 실정이다. 그리하여 본 연구에서는 자체적인 시험 방법과 기준을 고안하였고, 한국건설생활환경시험연구원의 공인시험성적서를 통해 본 연구의 자체적 시험방법의 객관성을 검증받았다. 또, 본 연구를 통하여 라돈 기체를 효과적으로 흡착 및 제거 가능함과 동시에 기존 분말탄과 입상탄의 단점 및 한계점을 극복할 수 있는 판재형 활성탄을 다양한 모형, 크기로 제작할 수 있는 기술을 확보하였기에 건축자재, 필터 등 다양한 분야에서 적용 가능할 것으로 판단된다.
- 활성탄 필터 두께에 따른 라돈 가스 농도 측정결과, 라돈 측정 챔버(1)의 라돈 가스 농도 감소 비율은 다양한 두께에 대해 유사하게 나타났다. 또한 제작된 판재형 활성탄 필터 두께가 증가할수록 라돈 측정 챔버(2)에서의 라돈 농도 증가 비율은 낮은 것 으로 나타나, 활성탄 필터에서의 라돈 가스 제거효과가 큰 것으로 나타났다. Table 6.
- 실험 결과의 검증을 위한 실시한 한국건설생활환경시험연구원의 2mm 두께 판재형 활성탄 필터에서의 라돈 제거율은 93.4 %로 나타났다.
- 임의의 판재형 활성탄 필터 5개 시료의 비표면적 측정 결과, 평균 1,008.5m2/g 으로 나타났다.
- 판재형 활성탄 필터의 두께별 라돈 제거율 측정을 통하여 라돈 가스 농도가 판재형 활성탄 필터를 통과하면서 급격히 감소하는 결과를 얻을 수 있었으며, 또한 판재형 활성탄 필터의 두께가 두꺼워질수록 라돈 제거율 또한 향상되는 것을 확인할 수 있었다. 이는 라돈 기체가 판재형 활성탄 필터의 두께가 두꺼워질수록 필터 내에서 체류하는 시간이 증가한 영향으로 판단되며, 아울러 필터내 활성 탄 질량비가 높아 미세기공 면적이 크기 때문인 것으로 판단된다.
- 한국건설생활환경시험연구원에 의뢰하여 상기 실험을 반복한 결과, 2mm 두께 판재형 활성탄 필터의 라돈 제거율이 93%가 넘은 것을 확인할 수 있었다.
- 활성탄 필터 두께에 따른 라돈 가스 농도 측정결과, 라돈 측정 챔버(1)의 라돈 가스 농도 감소 비율은 다양한 두께에 대해 유사하게 나타났다. 또한 제작된 판재형 활성탄 필터 두께가 증가할수록 라돈 측정 챔버(2)에서의 라돈 농도 증가 비율은 낮은 것 으로 나타나, 활성탄 필터에서의 라돈 가스 제거효과가 큰 것으로 나타났다.
- 휨 파괴 하중 측정 결과, 본 연구에서 제작한 판재형 활성탄의 휨 파괴 하중은 435N으로 나타났 다. 이는 시중에 판매되고 있는 건축용 석고보드의 휨 파괴 하중(약 140 N)의 3배 정도에 해당하는 것을 확인하였으며 이는 판재형 활성탄 필터의 사용에 따른 변형에 대한 우려가 적을 것이라 사료된다.
후속연구
- 그리하여 본 연구에서는 자체적인 시험 방법과 기준을 고안하였고, 한국건설생활환경시험연구원의 공인시험성적서를 통해 본 연구의 자체적 시험방법의 객관성을 검증받았다. 또, 본 연구를 통하여 라돈 기체를 효과적으로 흡착 및 제거 가능함과 동시에 기존 분말탄과 입상탄의 단점 및 한계점을 극복할 수 있는 판재형 활성탄을 다양한 모형, 크기로 제작할 수 있는 기술을 확보하였기에 건축자재, 필터 등 다양한 분야에서 적용 가능할 것으로 판단된다.
- 하지만 라돈 제거 및 흡착 필터의 라돈 제거율 측정에 관한 국내외 표준 시험 기준 및 방법이 존재하지 않으므로 본 연구에서는 종래의 입상 및 분말 활성탄 필터의 한계점을 해결할 수 있고 취급이 용이한 판재형 활성탄 필터를 설계 및 제작한 후, 자체적인 라돈 제거율 측정 시험 프로토콜을 수립하였으며, 이를 통해 제작된 판재형 활성탄 필터의 라돈 저감율을 시험 평가하였다. 또한 본 연구에서 자체적으로 고안한 라돈 제거율 측정 방법이 추후 표준 시험 방법으로 선정되기에 있어 큰 오류가 없음을 입증하고자 한다.
- 향후, 라돈기체의 필터 내 체류시간 증가 정도에 따른 라돈 농도 감소에 대한 정량적인 평가 및 연구가 필요할 것으로 사료된다.
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