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경유차 미세먼지 크기, 중국발 황사의 10분의 1

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지난 25일부터 엿새간 미세먼지가 전국을 뒤덮고 있다. 중국발 스모그에다 대기 정체 현상이 겹치면서 공기 질은 터널 속에서 숨 쉬는 것과 맞먹을 정도로 악화됐다.

[궁금한 화요일] 미세먼지 현미경으로 분석해보니


미세먼지는 한국뿐만이 아니라 세계적인 걱정거리다. 가까운 중국을 비롯해 미국, 유럽도 미세먼지에 골머리를 앓고 있다. 국내에서도 미세먼지 저감 방안 중 하나로 경유값 인상안이 논의되고 있다.

미세먼지 저감은 크게 발생 저감과 피해 저감 두 가지로 나뉜다. 경유값 인상안이 미세먼지 발생원을 줄이는 대표적인 발생 저감 정책이다. 과학자들은 미세먼지로 인해 발생하는 피해를 최소화하는 기술을 찾는 피해 저감에 연구를 집중하고 있다. 국내 유일 초미세먼지피해저감사업단을 찾아 미세먼지 구조와 저감 기술을 들여다봤다.

| 광주과기원 저감대책연구사업단
미세먼지 샘플 20여개 현미경 촬영

 
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지난 26일 광주과학기술원(GIST) 삼성환경연구동 1층 미래창조과학부 초미세먼지피해저감사업단 연구실. 가장 먼저 눈을 사로잡은 건 바짝 마른 은행잎과 소나무 가지였다. 주흥수 초미세먼지피해저감사업단 연구교수는 “근처 농촌을 돌며 연구 목적으로 수거해 온 것”이라고 설명했다. 이어 “농촌에서 발생하는 미세먼지 대부분은 은행잎과 소나무 가지가 타는 과정에서 나온다. 생물 연소는 미세먼지 주요 배출원 중 하나”라고 말했다.

실험용 테이블 위 유리병에는 하동화력발전소에서 수거한 무연탄 샘플이 담겨 있었다. 실험실에선 이러한 샘플을 불에 태워 발생하는 미세먼지와 초미세먼지를 포집해 전자현미경으로 촬영한다. 연기를 포집하는 장치는 소형차 절반 크기의 정육면체 금속통이었다.
 
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주 연구교수는 “미세먼지 등 오염물질을 걸러낸 깨끗한 공기로 수거한 샘플을 태워야 이로 인해 발생하는 미세먼지의 종류와 양을 정확히 측정할 수 있다”고 말했다. 연구실에서 직접 확보하기 어려운 차량 배기가스는 광주시 자동차사업소 등에서 포집해 가져온다.

이런 과정을 거쳐 사업단은 2014년부터 올해까지 서로 다른 미세먼지 20여 개를 필름에 담았다. 일종의 미세먼지 ‘지문(指紋)’을 확보한 것이다. 눈으로 분간하기 힘든 미세먼지지만 현미경으로 들여다보면 배출원마다 모양과 크기가 천차만별이다. 일례로 중국발 황사 입자는 4㎛(마이크로미터, 1㎛=1000분의 1㎜) 수준이지만 자동차 배기가스와 농작물 연소 입자는 0.3~0.6㎛로 황사 입자보다 훨씬 작다.

| 차 배기가스는 지렁이 말린 형태
황사 입자는 조약돌처럼 생겨

 
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모양도 다르다. 자동차 배기가스에서 배출되는 미세먼지는 지렁이가 말려 있는 형태다. 이에 비해 중국발 황사 입자는 조약돌 모양이다. 박기홍 초미세먼지피해저감사업단 단장은 “지문 데이터베이스가 있어야 범인을 잡을 수 있는 것처럼 배출원에 따라 서로 다른 미세먼지 분석 데이터가 있어야 배출원 역추적이 가능하다”고 말했다.

사업단이 확보한 미세먼지 데이터는 1차 발생 미세먼지(1차 미세먼지)다. 은행잎이나 석유 연료 등이 타면서 우선적으로 생겨난다. 이와 비교해 2차 발생 미세먼지(2차 미세먼지)에 대한 연구는 지지부진하다.
 
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2차 미세먼지는 1차 미세먼지 발생 과정에서 대기로 나오는 가스들이 화학적 결합을 통해 만들어지는 작은 입자(미세먼지)를 말한다. 대표적인 2차 미세먼지인 황산암모늄은 경유 차에서 뿜어져 나오는 질소산화물(NOx)과 공기 중의 암모니아가 화학적으로 결합해 만들어진다. 마이너스(-) 전기를 띤 질소산화물과 플러스(+) 전기를 띤 암모니아가 공기 중에서 만나 들러붙는 것이다.

주 연구교수는 “황산암모늄은 그나마 발생 과정이 알려진 2차 미세먼지에 속한다”고 말했다. 박 단장은 “벤젠이나 톨루엔 등 휘발성유기화합물(VOCs)은 2차 미세먼지 원인 물질로 꼽히지만 종류가 워낙 많고 다양해 2차 미세먼지 합성 과정이 알려지지 않은 경우가 더 많다”고 말했다.

이런 2차 미세먼지 형성 과정에서 가장 크게 작용하는 건 바로 햇빛이다. “햇빛에 의한 광화학반응은 2차 미세먼지 발생을 촉진하는 것으로 알려져 있지만 국내엔 이런 실험을 할 수 있는 광화학 체임버(chamber)가 없어 관련 연구가 전혀 진행되지 못하고 있다”고 박 단장은 설명했다. 사업단은 광화학 체임버를 갖추고 있는 미국 플로리다대와 함께 2차 미세먼지 발생 과정을 연구하고 있다.

| 재사용 황사마스크 첫 개발
“미세먼지 차단 성능 두 배 향상”


 
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초미세먼지피해저감사업단이 개발한 나노 소재 마스크를 5000배 확대한 사진(위). 5일 동안 물에 담가 놓아도 섬유구조가 변하지 않아 재사용이 가능하다(아래).

◆미세먼지 저감 기술=사업단은 재사용이 가능한 황사마스크를 개발해 시제품 제작도 마쳤다. 약국 등에서 시판되고 있는 황사마스크는 600㎚(나노미터, 10억분의 1m)보다 큰 미세먼지를 거를 수 있지만 사업단이 개발한 마스크는 나노 소재를 사용해 기존의 절반 크기인 300㎚ 미세먼지도 거를 수 있다. 기존 마스크는 정전기로 미세먼지를 걸러 물빨래를 하면 재사용이 불가능했지만 나노 소재로 만든 마스크는 재사용이 가능하다. 주 연구교수는 “미세먼지 대부분을 거를 수 있는 20㎚로 필터 크기를 줄이는 것이 목표다. 이런 기술을 공기청정기 필터에 적용하면 재사용할 수 있는 공기청정기 필터도 만들 수 있다”고 말했다. 현재 쓰이는 공기청정기 필터는 대부분 일회용이다.

사업단은 미세먼지 측정장비 국산화를 위한 기술 개발도 진행 중이다. 대당 수억원을 호가하는 미세먼지 측정장비 대부분은 미국에서 수입했다. 외국도 미세먼지 저감 기술 개발에 적극적이다. 중국은 미세먼지 저감을 위한 인공강우 실험에 적극적이다. 빗물을 활용해 고층빌딩에서 물을 쏘아 미세먼지를 줄이는 아이디어도 등장했다.

미국 환경보호국 사오차이 위 박사는 “고층빌딩에서 한 시간에 몇 분씩이라도 빗물을 분사하면 도심 미세먼지 저감에 큰 효과가 있을 것”이라고 주장했다. 2014년 국제 학술지 환경화학 레터스에 게재된 논문을 통해서다. 이 밖에도 고출력 레이저를 이용해 미세먼지를 분해하는 방법도 아이디어 수준에서 등장하고 있다.
 
㎛(마이크로미터)=100만분의 1m

사람 머리카락의 굵기는 대략 50~70㎛다. 미세먼지는 입자 크기에 따라 분류하는데 지름이 10㎛보다 작으면 ‘PM10’으로 표현한다. PM2.5 이하는 지름이 2.5㎛보다 작은 초미세먼지다. 1㎛는 1000㎚(나노미터)다.

광주=강기헌 기자 emckk@joongang.co.kr
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