실내공기 오염물질 제거

왜 배우는가: 실내공기 오염물질 제거는 다중이용시설과 공동주택의 실내공기질을 관리하는 설비 설계의 출발점이다. 가스·분진·세균은 제거 원리가 서로 달라 구분해 답해야 하며, 이 구분이 1교시 용어형과 2~4교시 논술형에서 반복해 출제된다.

출제 이력: 제133회 1교시 8번, 제129회 1교시 5번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄 정의: 실내공기 오염물질 제거는 실내공간의 가스·분진·미생물을 여과, 흡착, 집진, 살균 등의 원리로 없애거나 줄여 실내공기질을 유지하는 기술이다.

핵심 키워드

• 공기정화설비
• 흡착(Adsorption)
• 여과 집진
• 전기집진
• HEPA 필터
• 자외선 살균
• 환기설비
• 실내공기질 유지기준

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면, 실내 공기에 떠다니는 것을 걸러내거나 붙잡거나 죽이는 것이다. 공기 속 오염물질은 크게 가스, 떠다니는 입자(분진), 살아 있는 미생물로 나뉜다. 각각 크기와 성질이 달라 제거 방법도 다르다.

정식 정의는 다음과 같다. 「실내공기질 관리법」은 오염물질을 실내공간 공기오염의 원인이 되는 가스와 떠다니는 입자상물질 등으로 정하고(제2조제3호), 공기정화설비는 실내공간의 오염물질을 없애거나 줄이는 설비로서 환기설비 안에 설치되거나 따로 설치된 것이라고 정의한다(제2조제5호). 즉 제거 설비는 환기설비의 내부 구성이거나 독립 설비일 수 있다.

핵심 용어 풀이

• 흡착(Adsorption): 가스 분자가 활성탄 같은 다공성 고체 표면에 붙는 현상이다. 흡착은 흡수(absorption)와 다르다. 흡착은 표면에 붙는 것이고, 흡수는 물질 속으로 들어가는 것이다.
• 물리적 흡착: 반 데르 발스 힘 같은 약한 인력으로 붙는 흡착이다. 가역적이어서 가열이나 감압으로 떨어질 수 있다.
• 화학적 흡착: 표면과 화학 결합을 이루는 흡착이다. 결합력이 강해 비가역적이다.
• 여과(Filtration): 섬유나 다공성 매체에 입자를 걸러 포집하는 방식이다. 입자 크기와 매체 간격에 따라 효율이 달라진다.
• 집진(Dust collection): 분진을 기체에서 분리하는 과정 전체를 말한다. 여과, 전기집진, 관성·원심력 방식이 여기에 속한다.
• 살균(Sterilization): 미생물을 죽이거나 증식하지 못하게 만드는 처리다.

3. 등장 배경과 필요성

현대인은 실내에서 하루의 대부분을 보낸다. 건물의 기밀성이 높아지면서 환기량이 줄었고, 실내에서 발생하는 오염물질이 쌓이기 쉬워졌다. 이에 따라 실내공기 관리가 건축설비의 독립된 과제가 되었다.

국내에서는 「실내공기질 관리법」이 다중이용시설과 공동주택의 실내공기질 유지기준을 정하고 관리한다. 법은 환기설비와 공기정화설비를 구분해 규정하여, 설계자가 환기와 정화를 함께 고려하도록 한다.

세균과 바이러스에 대한 관심도 커졌다. 미생물은 습도와 환기 상태에 따라 번식하므로, 외기 유입 제한, 습도 관리, 필터 설치, 오염원 제거를 함께 써야 한다. 이 네 가지 전략은 제거 설비 설계의 기본 틀이 된다.

흡착제로 쓰이는 활성탄은 오래전부터 방독면과 실내 공기 정화에 쓰였다. 흡착은 가스 오염물질 제거의 대표적 방법으로 자리 잡았다.

4. 구성요소·원리·절차

실내공기 오염물질 제거는 오염물질의 상태에 따라 방법이 나뉜다. 가스상 물질은 활성탄 흡착으로, 분진은 여과와 전기집진으로, 세균류는 HEPA 여과와 자외선 살균으로 제거한다. 이 장치들은 환기설비 안에 내장되거나 별도로 설치되는 공기정화설비로 구성된다.

흡착은 가역적인 물리흡착과 비가역적인 화학흡착으로 나뉜다. 물리흡착은 반데르발스 힘 같은 인력으로 일어나고, 화학흡착은 표면과 결합하여 일어난다. 활성탄은 다공성 탄소로 표면적이 넓어 가스 분자를 많이 붙잡는다. 그러나 큰 입자는 잡지 못하므로 분진 제거용 필터와 함께 쓰는 것이 일반적이다.

여과 집진은 관성 충돌, 차단, 확산, 정전 포집 작용으로 입자를 잡는다. 전기집진은 코로나 방전으로 입자를 하전시킨 뒤 집진극에 끌어당겨 포집한다. 전기집진기의 집진 효율은 Deutsch식으로 대략 계산한다.

$\eta = 1-\exp\left(-\frac{wA}{Q}\right)$

여기서 η는 집진 효율(무차원), w는 입자 이동속도(m/s), A는 집진극 면적(㎡), Q는 처리 풍량(㎥/s)이다. 예를 들어 w=0.1m/s, A=200㎡, Q=10㎥/s이면 wA/Q=2이므로 η=1−e⁻²≈0.865, 즉 약 86.5%이다. 결과는 일반적인 전기집진기 효율 범위 안에 있어 상식적이다.

실내공기 오염물질 제거의 절차는 다음과 같다.

• 발생원 차단과 환기로 오염물질 발생량을 먼저 줄인다.
• 외기 도입 시 프리필터로 대형 분진을 포집한다.
• 전기집진 또는 HEPA 여과로 미세 분진과 세균을 제거한다.
• 활성탄 필터로 가스상 물질과 냄새를 흡착한다.
• UV-C 또는 광촉매로 세균을 비활성화하는 보조 처리를 한다.
• 필터 차압과 흡착제 포화 상태를 주기적으로 점검하고 교체한다.

가스는 흡착, 분진은 여과·집진, 세균은 여과·살균으로 나눠 답한다

5. 관련 법령·기준·표준

「실내공기질 관리법」 제2조는 오염물질을 실내공간의 공기오염 원인이 되는 가스와 떠다니는 입자상물질로 정의한다. 같은 조에서 공기정화설비는 실내공간의 오염물질을 없애거나 줄이는 설비로, 환기설비 안에 설치되거나 환기설비와 따로 설치된 것을 말한다. 「실내공기질 관리법 시행규칙」 제7조의5는 집진·탈취 기기(집진부와 송풍기 내장), 환기설비 안의 공기여과기 또는 집진기를 공기정화설비로 규정한다. 입자형·가스형 오염물질을 여과하거나 제거하는 기능이 핵심이다.

대중교통차량의 실내공기질 측정 기준은 다음과 같다. 초미세먼지(PM-2.5)와 이산화탄소를 측정하며, 측정 결과는 측정일부터 30일 이내에 보고하거나 실내공기질관리종합정보망에 입력한다. 측정 결과는 10년간 보존한다.