UPDATED. 2018-11-20 17:54 (화)
미세먼지 원인물질 저감기술 연구 이현주 KIST 책임연구원
미세먼지 원인물질 저감기술 연구 이현주 KIST 책임연구원
  • 강민경 기자
  • 승인 2018.05.02 10:49
  • 댓글 0
이 기사를 공유합니다

"미세먼지 걸러내 ‘청정 대한민국’ 만든다"
이현주 KIST 청정에너지연구센터 책임연구원.이현주
이현주 KIST 청정에너지연구센터 책임연구원.<이현주>

[인사이트코리아=강민경 기자] ‘미세먼지 포비아’가 대한민국을 덮치고 있다. 미세먼지는 눈으로 확인하기 어려운 ‘초미세립자’가 특성이지만 대기를 뒤덮어 하늘이 뿌옇게 변한 정도를 보면 그 심각성은 공포로 다가온다.

올해 들어 미세먼지 ‘나쁨’ 수준이 2~3일에 한번 꼴로 나타나며, 숨조차 마음껏 쉬지 못하는 지경에 놓였다. 미세먼지로 인한 대응책은 정부부터 지방자치단체 그리고 국민 개개인에 이르기까지 다양한 방법으로 강구되고 있다.

그러나 속 시원한 해법을 찾기는 여간 힘들지 않다. 지난해 9월부터 정부는 미세먼지 대응역량 재고, 저감대책 추진, 국제협력, 인체위해성 관리 등을 골자로 하는 ‘미세먼지 종합 대책’을 발표했다.

이를 토대로 지자체에서도 차량 2부제 등을 비롯해 다양한 방안을 시행하고 있지만 국민은 미세먼지 저감 효과를 체감하지 못하고 있다. 개개인이 취할 수 있는 대응책이라고는 미세먼지 주의보가 뜨는 날 외출을 자제하거나 보건용 마스크와 공기청정기 등을 구비하는 것에 그친다.

일각에서는 미세먼지 때문에 직장을 그만두고 이민을 고려하고 있다는 얘기까지 나온다. 실제로 이민을 감행했다는 얘기가 온라인을 통해 전해지고 있다. 특히 어린아이를 두고 있는 30대, 40대 부모들에게 심각성은 더 크다. ‘환경 이민’이 현실화하고 있는 셈이다.

전문가들은 “경제활동의 주축인 30대, 40대가 미세먼지 공포에 불만을 느끼고 내 나라, 내 터전을 떠나는 현상은 결국 국가 경쟁력의 약화를 초래할 수밖에 없다”고 지적한다.

"미세먼지 원인물질 '이산화황' 선택적 추출해 '재활용'"

미세먼지는 산업화 부작용으로 나타나는 환경의 역습이다. 우리나라의 경우 직접적인 미세먼지 발생량보다 화력발전 등에 의한 2차 생성이 더 큰 문제로 지적되며 최근 몇 년간 미세먼지의 원인으로 ‘발전소 배출가스’가 지목되고 있다.

미세먼지의 성분 역시 공장 굴뚝이나 자동차에서 배출되는 황화합물과 질소화합물 등이 절반을 넘는 비중을 차지한다. 이산화황(SO₂)은 미세먼지로 전환될 수 있는 대표적인 2차 생성 원인 물질로 정부가 강력하게 규제하고 있는 물질이다. 

이현주 한국과학기술연구원(KIST) 책임연구원이 개발한 ‘미세먼지 원인물질 저감기술’은 이러한 이산화황을 선택적으로 추출해 대기로 유입되는 것을 막을 뿐만 아니라 이산화황을 황산이나 비료로 재가공 할 수 있는 특징을 지닌다. 미세먼지의 원인 물질을 실생활에 필요한 물질로 재활용하자는 역발상에서 시작됐다.

해당 기술은 ‘가역흡수제’라는 촉매를 사용해 이산화황을 모으는 방식으로 대형 장치가 필요하지 않아 설치 과정 및 실행 절차가 보다 간편해진다는 장점이 있다. 현재 KIST 국가전략프로젝트 미세먼지사업단에서 해당 기술에 대한 협력연구를 강화하고 있다.

한림원이 선정한 ‘미세먼지 원인물질 저감기술’은 어떤 기술입니까.
“해당 기술은 미세먼지 발생의 원인이 되는 이산화황을 분리·회수한 후 이것을 폐기하지 않고 실생활에 쓰이는 용도로 재활용할 수 있는 기술입니다. 발전소에서 배출되는 가스에서 순수한 이산화황을 추출해 황산을 비롯한 비료, 섬유, 식품 보존제 등으로 재가공 할 수 있어 자원화가 가능하다는 것이 장점입니다.”

지금까지는 거르는 장치 없이 이산화황이 대기 중으로 배출되는 시스템이었나요?
“그건 아닙니다. 앞서 말씀드린 기술을 학계에서는 ‘탈황기술’이라고 하는데, 이 기술은 과거 1950년대와 1960년대에 활발히 개발됐습니다. 현재 국내 및 해외 발전소나 제철소에서는 이 탈황기술을 대부분 사용하고 있습니다. 특히 우리나라의 경우 발전소에서 나오는 배기가스에서 황 성분이 80ppm을 넘지 못하게 규제를 하고 있기 때문에 발전소 자체에서도 신경을 써야 하는 부분이죠.”

그렇다면 기존에 사용되던 탈황기술과는 어떠한 차이점이 있나요?
“기존의 탈황기술은 이산화황에 칼슘제 화합물을 섞어서 석고로 만드는 방식인데요. 이 기술의 문제점은 우리나라뿐만 아니라 전 세계적으로 발생되는 이산화황의 양이 엄청나기 때문에 석고로 바꿔도 이 석고들을 다 사용하질 못한다는 겁니다. 결국 재 가공된 석고들을 다시 폐기처분하는 형국인 거죠. 그래서 최근 연구 동향은 순수한 이산화황만을 회수해 자원화 효율성을 높이자는 것이고 제 연구도 그러한 포커스에서 시작됐습니다.”

‘이산화황’이라는 것은 어떤 특성을 지닌 물질인가요?
“석탄이나 석유 안에는 탄소화합물과 황화합물이 상당히 많이 포함돼있는데요. 우리가 석탄이나 석유를 태워서 사용을 하잖아요. 그러면 그 안에 있는 탄소화합물은 이산화탄소로 전환이 되고, 황화합물은 이산화황으로 전환됩니다. 그런데 이산화황이 대기 중에 그대로 방출되면 삼산화황이 되고, 삼산화황이 물과 만나면 황산이 됩니다. 예전에 논란이 됐던 산성비도 이러한 황화합물에서 비롯된 것입니다. 인체와 환경에 유해한 물질이죠.”

어떤 원리로 기술이 작용되는 건가요?
“총 2개의 탑에서 단계를 거치게 되는데요. 1단계에서는 저온 상태에 있는 흡수액이 발전소에서 배출되는 여러 가지 가스 성분 중에 이산화황을 선택적으로 잡고, 2단계에서는 고온으로 가열해 이들을 탈거시키는 겁니다. 관건은 낮은 온도에서 이산화황을 잘 잡고 온도가 높아지면 이산화황을 잘 놓아주는 그런 흡수액을 개발하는 것이죠. 이러한 성질의 흡수액을 ‘가역흡수제’라고 부릅니다. 이 흡수액을 이용하면 추출 당시에는 농도가 낮았던 이산화황을 고농도로 수집·응집할 수도 있습니다. 또 사용됐던 흡수액은 다시 1단계 탑으로 옮겨 반영구적으로 사용할 수 있습니다.”

미세먼지 저감을 위한 선택적 이산화황 흡수제 및 자원화 기술 개발원리.이현주
미세먼지 저감을 위한 선택적 이산화황 흡수제 및 자원화 기술 개발원리.<이현주>

핵심은 ‘흡수액’에 있는 것 같은데요. 이 흡수액은 어떤 성분을 기반으로 만들어지나요?
“‘아민화합물’이라고 하는 염기성 성분을 기반으로 만들어집니다. 사실 염기성 화합물은 굉장히 흔합니다. 하지만 우리가 일반적으로 알고 있는 염기화합물들은 굉장히 강한 염기성을 띄고 있어 이산화황과 반응을 하고 나면 분리가 되지 않습니다. 화학적으로 강한 산성과 강한 염기가 만나면 이 둘은 떨어지지 않는 특징이 있는데, 이산화황이 강한 산성 성분이기 때문에 염기성이 강한 기존의 염기화합물을 만나면 분리가 되지 않는 겁니다. 과거 개발돼 지금까지 사용되는 탈황기술은 칼슘을 비롯한 강한 염기로 이산화황을 다 잡아서 폐기하는 것에 그쳤거든요. 이제는 적당한 세기의 염기적 특성을 가진 가역흡수제을 만들어야만 하죠. 너무 약하면 이산화황을 잡지 못하고 너무 강하면 떨어지질 않으니 말입니다. 결국 이산화황과 잘 붙었다가 또 잘 떨어질 수 있게 하는 흡수액 성질의 구조 개선을 통해 개발하는 것이 이 기술의 핵심입니다.”

그러한 흡수액을 사용하면 2단계만으로도 이산화황을 추출할 수 있는 거군요.
“그렇습니다. 과거부터 현재에 이르기까지 발전소 탈황은 칼슘 카보네이트나 칼슘 옥사이드를 중심으로 이뤄지고 있어요. 이것을 이산화황과 결합시키면 하얀색의 고체 입자가 되는데요. 이 고체 입자가 물에 녹질 않아 물과 섞는 개념으로 분산시켜야 하고, 이산화황 회수 이후에도 한 번 더 산화시키는 등의 과정을 추가로 거쳐야 합니다. 이렇게 물에 분산시켜 사용하게 되면 절차도 복잡하고, 액체와 고체와의 결합이라 반응 속도도 현저히 낮을뿐더러 폐수도 대량으로 발생하게 됩니다. 또 설비 공정에서 가장 골칫거리인 것이 바로 고체를 핸들링 하는 겁니다. 액체의 경우에는 파이프라인을 통해 이동이나 제어가 간편한 반면, 고체 입자들은 파이프에 걸리거나 쌓인 잔해물들이 파이프를 막기도 하기 때문입니다. 하지만 제가 개발한 기술은 이러한 단점들을 보완할 수 있는 장점이 있습니다.”

산업계의 반응은 어떤가요?
“사실 크게 반기는 분위기는 아닙니다. 현재 산업계에서는 앞서 설명한 다소 복잡한 탈황기술을 실행하기 위해 엄청나게 큰 규모의 설비를 만들어 여러 단계의 복잡한 공정을 거치고 있습니다. 이미 이러한 장치들을 다 만들어놓은 상황에서 기업들이 새로운 기술에 투자를 하려면 상당한 부담이 따를 겁니다. 하지만 반응 속도나 폐기물 처리 등에 대한 금전적인 부분에 대해서 이 기술이 미래에 보다 유용하게 활용될 것이라는 것을 강조하고 싶습니다.”

기업을 비롯한 산업계에서 해당 기술이 실용화되기 위해서는 ‘가격’이 얼마나 합리적인가도 중요할 것 같습니다.
“그렇습니다. 무엇보다 중요한 것은 기술의 핵심인 흡수액의 가격이 저렴해야 한다는 겁니다. 왜냐하면 이산화황이 황산으로 재활용될 가능성이 제일 높은데, 황산 가격이 저렴하거든요. 그럼 당연히 흡수액의 가격이 그보다 저렴해야 발전소나 제철소에서 사용할 가치가 있게 되는 거죠. 뿐만 아니라 흡수액의 구조가 안정적이어야 반영구적으로 사용 가능할 것입니다. 이산화황을 흡수하고 뱉는 과정이 계속 반복돼야 하는 시스템이기 때문에 굉장히 안전해야 하고 가격도 저렴해야 한다는 과제가 있습니다. 이를 위해 저도 최선을 다해 연구하고 있습니다.”

회수한 이산화황을 황산 등으로 재활용할 수 있다고 하셨는데 황산 시장은 어느 정도 규모인가요?
“국내 황산 시장은 연간 450만 톤 규모로 사실 황산이 우리 사회에서 굉장히 많이 사용되고 있는 물질입니다. ‘한 나라의 과학 기술 발전을 살펴보려면 그 나라의 황산 생산량을 본다’는 말도 있습니다. 우리가 황산이라고 하면 보통 굉장히 올드한 느낌을 갖게 되는데 실상은 그렇지가 않습니다. 황산은 대표적으로 반도체 세정에 사용되는 등 최첨단 과학에 아주 요긴하게 활용되고 있습니다.”

현재 우리나라의 미세먼지원인이 중국발로 지목되고 있는데 중국에는 탈황 설비가 마련되어있지 않나요?
“제가 알기로는 중국 내에도 법규상 이러한 탈황 설비들이 기본적으로 구축돼 있습니다. 그러나 문제는 해당 설비를 작동시키는 것이 결국에는 금전적인 부분과 직결된다는 겁니다. 돈과 인력 등에 연관되기 때문에 회사 자체 시스템에 맡겨서는 해결할 수 없고, 이러한 설비를 제대로 가동하는지를 정부와 지자체에서 제대로 감시를 하는 게 중요합니다. 배출 가스 수치가 규정 수치 내에 해당하는지 등을 수시로 모니터링 해야 하는 이유입니다. 이것은 비단 중국뿐만이 아니라 우리나라도 마찬가지입니다.”

국내 자체 오염도 심각한 수준인가요? 
“우리나라 국민과 언론은 미세먼지를 말할 때 중국 탓을 많이 합니다. 물론 중국의 영향이 없다는 것은 아닙니다. 미세먼지의 절반 이상은 중국의 영향을 받지만, 국내에서 자체 발생되는 배출 가스도 상당한 악영향을 끼치고 있습니다. 실제로 국내 발전소 및 제철소 대부분은 탈황 설비가 마련돼 있음에도 불구하고, 화력발전소가 많이 들어서 있는 서해안 쪽 미세먼지 농도는 다른 곳과 비교했을 때 엄청나게 높습니다. 이를 두고 학계와 관련 업계에서는 현재 시행되는 탈황 설비 효과가 부족하거나 탈황 설비는 갖춰져 있지만 발전소 및 기업이 작동을 제대로 하지 않는 경우를 염두에 두고 있습니다. 과거 일각에서 정부가 제시한 배출가스 농도 규정 자체가 느슨하게 잡혔기 때문이라는 의견이 나옴에 따라 현재 정부도 배출 가스 관련 환경 기준을 점차 강화하고 있습니다.”

해당 기술이 개발되면 국내 도입뿐만 아니라 해외 수출도 가능할 것 같습니다.
“그렇게 생각하고 있습니다. 일단 최근 자주 언급되는 중국의 경우만 해도 그렇고요. 세계적으로 석유 매장량보다 석탄 매장량이 많습니다. 그런데 석유보다 이 석탄에 황 성분이 훨씬 많아요. 그래서 황을 효과적으로 처리할 수 있는 기술이 점점 필요할 것이기 때문에 전 세계적으로도 필요한 기술이 될 것이라고 생각합니다. 물론 해외에서도 탈황기술과 관련된 연구가 계속 이어지고 있지만 굉장히 복잡한 구조를 논문으로 발표하는 경향이 짙습니다. 실제로 적용할 수 있는지를 중점적으로 살펴보면 기술 공정 자체에서 하이 테크닉을 요하기 때문에 가격 측면에서도 상당한 결함이 있습니다. 때문에 실용성이 보다 특화된 기술이 세계 시장에서도 경쟁력을 높일 수 있을 것이라고 생각합니다.”

이현주 연구원이 학생들과 연구를 하고 있다.이현주
이현주 연구원이 학생들과 연구를 하고 있다.<이현주>

현재 해당 기술 연구는 어느 단계에 접어들었나요?
“제가 논문을 쓴 것을 바탕으로 KIST 미세먼지사업단에서 연구를 활발히 진행 중에 있습니다. 현재 실험실 내에서 테스트를 하고 있습니다. 일단 제가 흡수액을 중심으로 개발을 하면, 이후 전반적인 순환을 테스트하기 위한 설비·공정·제어 등 단계에서는 같은 팀에 있는 화학공학 전문가들과 협업을 통해 완료할 계획입니다.”

연구를 하면서 애로사항은 없나요?
“연구기간이 너무 짧은 것이 다소 안타깝습니다. 1년 차, 2년 차, 3년 차 등으로 연구계획이 구성돼 있는데요. 이번 달이면 1년 차가 막 끝나는데 개월 수로 보자면 사실 8개월에 지나지 않습니다. 2년 차는 9개월이고요. 짧은 기간 안에 연구를 마무리한다는 것이 좀 부담스럽기도 합니다. 국민적인 관심이 커서 그렇지 않을까 짐작이 돼 최선을 다하는 것 외엔 방법이 없다고 여기고 노력하고 있습니다.” 

짧은 연구기간에 성과를 도출하기 위해 많이 바쁘겠지만, 무엇보다 사명감을 가지고 연구에 임하고 계실 것 같습니다.
“그렇습니다. KIST는 연구자 본인이 관심 있어 하는 연구보다는 우리나라의 미래를 보고 국가와 사회가 필요로 하는 기술을 연구하는 기관입니다. 지금은 인기가 없거나 혹은 금세 연구 결과가 나오지 않을지라도 그러한 것들을 지속적으로 연구하고 관심을 갖는 것이 KIST 연구원에게 주어진 미션 중 하나입니다. 이러한 마음가짐을 바탕으로 현재 저는 이 기술을 실용화 연구단계까지 진행될 수 있게, 그래서 빠른 시간 내에 이 기술이 실생활에 사용될 수 있게 테스트하는 연구에 힘쓰고 있습니다.”

어떤 연구철학을 갖고 계신지 궁금합니다.
“먼 미래를 위해 우리 아래 세대들을 위한 기술을 꾸준히 개발하고 싶습니다. 우리 후손들도 잘 살 수 있는 그런 기술 말입니다. ‘지속 가능한 사회’를 위해서는 에너지와 환경 문제가 굉장히 중요하죠. 그런데 여태껏 우리가 해왔던 것처럼 지금 당장 돈이 안 된다는 이유로 그것을 외면해버리면 결국 미래에 더 큰 사회적 문제로 돌아오게 될 것입니다. 지금 유행하는 연구들만 좇다 보면 분명히 한계가 있을 거예요. 기술이란 것은 오랫동안 축적된 연구를 통해 빛을 발하니까요. 거기에 제 욕심을 조금 보태자면 최대한 빠른 기간 내에 연구를 완료해 실용화하고 싶기도 합니다. 열심히 연구해서 50년 후쯤에 사용될 기술들을 20년 후 혹은 10년 후에 실용화시킬 수 있게요.”

해당 연구가 원활히 진행되기 위해 추진되거나 뒷받침되었으면 하는 것이 있나요?
“사실 과학 기술이 대규모 사업 혹은 산업에 상용화된다는 것은 로또 당첨만큼이나 어려운 일입니다. 그러한 국내 사례는 손에 꼽을 정도입니다. 기술의 상용화가 이뤄진다는 것은 해당 기술의 학술적 가치뿐만 아니라 정치적, 사회적 균형이 다 맞아떨어졌을 때 가능한 것이거든요. 사실 금전적으로 가장 효율성 높은 방법은 만들어진 기술을 사 오는 것이지만, 기업 경영을 하시는 분들이 국가의 미래를 장기적인 관점에서 고려하여 다각도에서 생각해주셨으면 합니다. 지금 당장 완벽한 기술을 추구하기보다 기술의 ‘성장성’을 염두에 두고 투자 등을 생각했으면 좋겠습니다. 지금 완벽한 기술도 과거 몇 십 년 동안 축적된 연구에서 비롯된 거니까요. 정부 지원으로 학문적인 성과를 낼 수는 있지만 기술의 상용화나 실용화 부분의 해결은 기업의 투자와 리드로 달성되는 것이거든요. 물론 이윤 추구가 기업의 가장 큰 목적이라는 것을 알고 있지만, 사회 혹은 환경적인 문제와 관련된 이슈에서는 사회 환원의 차원에서 조금 더 열린 마음으로 고려해주시면 산학연이 상생할 수 있는 길이 열릴 수 있을 것이라고 생각합니다.”


이현주 연구원은?

1992년 서강대학교 화학과 학사

1994년 서강대학교 화학과 석사

1994년 KIST 입사

2003년 서강대학교 화학과 박사

2005년 일본 요코하마국립대 Post-doc

2011년 KIST 청정에너지연구센터 책임연구원

2013년 University of Science&Technology(UST) KIST School 에너지환경융합학과 전공책임교수


댓글삭제
삭제한 댓글은 다시 복구할 수 없습니다.
그래도 삭제하시겠습니까?
댓글 0
댓글쓰기
계정을 선택하시면 로그인·계정인증을 통해
댓글을 남기실 수 있습니다.