제올라이트가 면 마스크 성능 2배 높일 수 있다


경북대 정성화 교수, 제올라이트 코팅한 미세먼지 필터 기술개발

제올라이트와 다양한 미세먼지 간의 상호작용을 보여 주는 개념도(가운데) 다공성 물질인 제올라이트의 하나의 구조. 이러한 결정구조를 포저사이트(faujasite)라 한다.(바깥) 검은색으로 표기된 지그재그 모양은 제올라이트 구조의 가장 안쪽의 12각형 고리 구조를 나타낸다. 12개의 알루미늄 혹은 실리콘 및 산소로 이뤄졌다. 알루미늄 주위에는 항상 양이온(여기서는 Na+)이 존재하며 나트륨 이온(Na+)과 알루미늄 이온(Al-)의 전하 분리가 발생한다. 이들이 다양한 미세먼지(12각형 고리 밖에 표기됨)와 정전기적 인력으로 서로 상호작용, 제거되는 것이다. [경북대학교 정성화 교수 제공]

[아이뉴스24 최상국 기자] 면(綿)이나 폴리에스터 같은 섬유에 제올라이트를 코팅하면 섬유의 미세먼지 제거효율을 2배 이상 높일 수 있다는 연구결과가 나왔다.

22일 한국연구재단(이사장 노정혜)은 정성화 교수(경북대학교 화학과) 연구팀이 제올라이트를 섬유에 소량 도입, 섬유의 미세먼지 제거효율을 2배 이상으로 높일 수 있는 필터제조 기반기술을 개발했다고 소개했다.

제올라이트는 실리콘, 알루미늄, 산소를 주요 성분으로 가진 다공성 광물질로 촉매와 흡착제, 세제 및 동물사료 등에 쓰인다. 천연 제올라이트 외에 합성 제올라이트도 많이 생산, 유통되고 있다. 비교적 무해하면서 쉽게 구할 수 있다는 장점이 있다.

기존에도 다공성 물질을 도입한 필터의 성능개선 연구가 있었으나 제올라이트를 적용한 예는 없었다.

연구팀은 미세먼지 표면의 전하를 띠는 성분이 전하분리(양전하와 음전하로 분리되는 성질. 전하분리가 잘 되면 전하를 띠는 또 다른 물질과 정전기적 상호인력으로 서로 쉽게 붙을 수 있다) 효과가 큰 제올라이트와 정전기적 상호작용을 할 것으로 기대하고 연구를 진행했다. 특히 제올라이트는 특유의 다공성 구조로 넓은 표면적을 지녀 반응성도 뛰어날 것으로 예상했다.

실제 제올라이트가 코팅된 섬유(3 x 3 cm) 필터에 초미세먼지 300 ppm 이상, 미세먼지 700 ppm 이상의 심한 오염 공기를 통과시켰을 때 12 시간 이상 안정적으로 80% 이상의 미세먼지들을 제거하는 것을 확인했다. 순수 면의 경우 초미세먼지 제거율이 35% 수준이나 소량의 제올 라이트를 도입하자 제거율이 80% 이상으로 크게 향상된 것이다.

반면 착용감에 영향을 주는 압력강하 증가는 무시할 만한 수준으로 나타났다. 압력강하는 호흡 등으로 공기가 필터를 통과할 때 필터의 앞과 뒷면에서의 압력차이를 말한다. 클수록 호흡하기가 곤란하고 착용감이 좋지 못하다. 실험 결과 제올라이트 코팅 필터의 경우 압력강하는 27Pa에서 37Pa로 소폭 증가했고 12시간 후에도 38Pa로 나타났다. 38Pa의 압력 강하는 시판되는 KF80 마스크의 175Pa 대비 22% 수준이다.

연구팀은 "제올라이트는 쉽게 구할 수 있고 무해하면서 미세먼지 제거효율과 착용감을 개선할 수 있어, 착용감이 우수한 안면 마스크나 공기흐름 저항이 낮은 산업용 필터 개발에 실마리가 될 것"으로 기대했다. 쉽게 구할 수 있는 소재를 활용해 ‘필터 대란’을 방지하고, 사용 후 분해가 쉬운 소재를 적용해 폐기량을 줄일 수 있다는 설명이다.

연구팀은 미세먼지 제거율과 압력강하 모두를 고려한 필터의 품질이 3배 이상 향상되는 것을 확인함에 따라 필터 최적화와 실제 조건에서의 현장테스트 등 후속연구를 계속할 계획이라고 밝혔다.

이 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 중견연구지원 사업으로 수행됐으며, 영국 왕립화학회가 발간하는 재료화학 분야 국제학술지인 저널 오브 머티리얼즈 케미스트리 A(J. Materials Chemistry A) 9월 21일자 겉표지 논문으로 게재됐다.

저널 오브 머티리얼즈 케미스트리 A의 2020년 35호 겉표지 그림. 왼쪽과 같이 높은 농도의 미세먼지가 존재하는 대기도 가운데의 제올라이트를 통과하면 오른쪽처럼 깨끗한 대기가 될 수 있다는 개념. [영국 왕립화학회]

◇논문명: Effective removal of particulate matter from air by using zeolite-coated filters

◇저자: 정성화 교수(교신저자/경북대학교), 유동규 박사과정 (제1저자/경북대학교), 우호철 석사과정(제2저자/경북대학교)

최상국기자 skchoi@inews24.com





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