1. 서 론
지하철은 신속하며 편리한 대중교통으로서 전 세 계 주요 도시의 중요한 운송수단으로서 자리매김하 였고 이용 승객이 지속적으로 증가하는 추세이다(Juraeva et al., 2016;Shakya et al., 2020). 대다수의 시민들이 지 하철에서 많은 시간을 소비함에 따라 지하철 실내 오 염물질에 노출되고 있고, 이에 따라 지하철의 실내공 기질에 대한 관심이 높아지고 있다(Kim et al., 2015;Martins et al., 2015a;Han et al., 2016). 2019년 기준 서울시 지하철 이용객 수는 하루 평균 740여만명으로 계속해서 증가하고 있으며, 이에 따라 지하철과 관련 된 지하 생활환경의 실내공기질의 중요성이 대두되 고 있다. 우리나라는 실내공기질을 관리함으로써 국 민의 건강을 보호하고 환경상의 위해를 저감하기 위 하여 지하철 내 입자상 물질(Particulate Matter: PM) 기 준을 정하여 관리하고 있다(ME, 2020). 지하철 미세 먼지는 주로 열차 운행에 따른 레일, 휠, 브레이크 패 드 및 팬터그래프의 마모에 의하여 생성되며 대부분 의 PM은 터널에서 발생되는 것으로 보고되고 있다 (Moreno et al., 2015;Martins et al., 2016;Wang et al., 2016). 또한 터널의 구조 및 승강장 위치에 따라 열 차풍이 다르게 생성되며 그 결과 지하철 PM의 농도 가 다르게 분포된다(Martins et al., 2015b). 지하철 PM 은 지하 공간의 폐쇄적인 특성과 차별적인 배출원에 의하여 Ca, Al, Mg, Mn, Zn, Cu, Cr, Ni, Pb, Hg 등 많 은 금속화합물로 구성되어 있으며 그 중 Fe가 가장 풍 부한 종으로 보고되고 있다(Aarnio et al., 2005, Jung et al., 2010;Qiao et al., 2015). Fe는 생체 내 활성 산소종 (Reactive oxygen species) 생성을 증가시켜 유전 독성 을 유발시킬 수 있다(Huang et al., 2015). 게다가, 지하 철에서 발생되는 PM의 유전독성은 도시 내 도로에서 측정된 PM보다 8배 높으며 폐 세포에 산화 스트레스 를 유발할 가능성이 4배 높은 것으로 보고되고 있다 (Wang et al., 2016). 이에 우리나라의 경우 주행 및 브 레이킹에 의해 발생되는 철 성분 PM으로부터 지하철 이용객들의 건강 영향을 최소화하기 위하여 지하철 역사 내에 스크린 도어(Platform Screen Door: PSD)를 설치하여 운영하고 있고, 이는 승강장 내 PM 농도를 줄이는데 효과가 있는 것으로 보고되고 있다(Kim et al., 2012). 그러나, 이에 반하여 승강장으로 PM의 유 입을 차단하는 역할을 지닌 PSD의 운영으로 인하여 지하철 열차 내부의 PM 농도를 증가된 것으로 일부 연구는 보고하고 있다(Son et al., 2014a;Son et al., 2014b). 또한 천장까지 막혀 있지 않은 PSD가 설치되 어 있는 승강장의 경우, 틈을 통해 더 자기력이 강하 고 미세한 PM이 유입될 가능성이 있다(Cui et al., 2016). 국내에서는 미세먼지 저감 및 관리에 관한 특 별법을 근거로 지난 2007년부터 관계부처 협동 지하 역사 공기질 개선 5개년 대책을 시행하고 있다. 3차 공 기질 개선대책('18~’22)은 특히 터널 PM 농도의 증가 와 더불어 터널 공기의 외부 유출에 대한 시민의 불 안을 해소하기 위하여 지하역사 미세먼지 농도 저감 및 관리에 집중하고 있다(ME. 2018). 이에 따라, 터널 및 승강장의 PM을 직접적으로 제거할 수 있는 기술 에 대한 연구 및 개발이 시급히 요구되고 있는 실정 이다. 본 연구진에 의하여 수행된 선행 연구의 결과 에 따르면 흡입 가능한 25 μm 이하 크기의 지하철 PM 의 상당량이 자성체로 보고됐으며 자석을 이용하여 지하철 역사 내 PM 농도를 제거할 수 있음을 확인하 였다(Jung et al., 2012;Son et al., 2014b). 그리고 자성 필터를 이용한 지하철 PM 제거 시, 필터의 형태, 자기 장 세기 및 PM의 크기가 제거효율의 변수로 작용하 는 것으로 알려져 있다(Huang et al., 2015). 현재 지하 철 내 실내 공기 오염물질 제거는 대부분 기계적 환 기 시스템에 의존하고 있다(Jo et al., 2021). 또한 많은 선행연구들이 자력을 이용하여 지하철 내 PM의 집진 가능성을 입증했음에도 불구하고 실제 지하 환경 역 사에 적용하여 수행된 연구는 미비한 실정이다(Son et al., 2014b;Huang et al., 2015). 따라서 본 연구에서 는 지하철 승강장 PM 분포 특성을 파악하고 자체 개 발한 하이브리드 필터 시스템을 활용하여 유속 및 필 터의 종류에 따른 PM 제거효율을 확인하고자 연구를 수행하였다.
2. 연구 방법
2.1 하이브리드 필터 시스템
본 연구진에 의하여 자체 개발된 하이브리드 필터 시스템은 2단 필터 장착층을 가지는 두 개의 서랍 탈 착 방식으로 구성되어 있다. 블로어 팬에 의해 공기 의 유입 및 유출이 가능하며 풍량 조절은 조그다이얼 방식으로 구현되어 가용 가능한 임의적 수치(조그다 이얼 10~40)로 구동이 가능하다. 흡입부는 125~170 cm 로 사람의 평균 높이에 위치하고 있으며 흡입공기는 필터를 거쳐 수직으로 대칭된 배출부로 이동하게 된 다(Fig. 1-(1)). 서랍 안에 장착되는 필터는 그물망 자 석(Magnet) 필터와 자석이 결합된 캐스케이드(Cascade) 필터 두 종류이다. 자석 필터는 Fig. 1-(2)와 같이 한 세 트당 5개의 자석으로 상/하단 그물망이 부착되어 서 랍장에 9개 세트가 장착된다. 캐스케이드 필터는 공 기가 지나는 유로가 작아지도록 자력 집진단이 겹겹 이 쌓여있는 형태를 지니며 한 세트에 24개의 자석이 구성되어 서랍장에 4개의 세트가 장착된다(Fig. 1-(3)). 하이브리드 필터 시스템은 두 개의 서랍 내 필터 구 성방식에 따라 Magnet-Magnet (MM) 필터와 Magnet- Cascade (MC) 필터로 구분된다. 하이브리드 필터 시 스템 가동에 의한 MM 필터의 선속도는 2.4 m/s (조그 다이얼 수치 20), 4 m/s (30), 5.4 m/s (40)이며 MC 필 터의 선속도는 6.4 m/s (20), 8.4 m/s (30), 13.8 m/s (40)이다. 하이브리드 필터 시스템의 세부적인 구성 사항 및 필터 구성에 따른 선속도 산정 사항에 대한 자세한 내용은 선행연구에 보고되었다(Son et al., 2019).
2.2 장소 선정 및 연구 기간
본 연구는 서울시 지하철 J역 상행선 승강장에서 진 행되었다. 1974년에 개통된 J역은 역사 내 총 4개의 탑 형 환기구에 기계적 환기 장치가 설치되어 운영되고 있다. 지하 2층에 위치하는 승강장은 사고방지, 에너 지 효율성 증대, 공기질 개선을 위하여 PSD가 설치되 어 있으며 2면 2선의 상대식 승강장으로 구성되어 있 다. J역 하루 평균 승하차 인원수는 2019년 기준 약 41,300명으로 지하철 운행은 아침 5시부터 새벽 1시 까지 약 3 분 ~13분 간격으로 운행된다. 본 실험에 앞 서서 PM 측정 장치 간 신뢰성 확보를 위하여 지하철 승강장의 동일 환경조건에서 2일간 기기간의 보정 작 업을 수행하였고, 이 후 승강장 가장자리에서 하이브 리드 필터 시스템 가동하여 하이브리드 필터 시스템 전후의 PM 농도를 실시간으로 측정하였다. 측정은 2015.11.11 (금) 20시부터 2015.11.14 (월) 20시까지 주 중 및 주말을 포함한 총 3일 동안 진행되었다.
2.3 PM 농도 측정 및 데이터 산정
지하철 환경 내 대부분의 PM은 10 μm 이하의 매우 작은 입경으로서, 이용객들의 직간접적인 흡입 독성 의 위해성을 알기 위해서는 개수 농도의 파악 등이 중 요하다. 따라서, 입자의 개수 농도를 측정하기 위해서 두 대의 입자계수기(Dust monitor (GRIMM 1.108, GRIMM, Germany))를 사용하였다. 측정 유속은 1.2 L/ min으로 6초 간격으로 입자의 개수 농도를 측정하였 다. 이와 더불어, PM의 질량 농도를 측정하기 위하여 β-ray 흡수 방법을 이용한 Particulate Monitor (KN- 610, KNTECH, Korea) 두대가 사용되었다. 이 때, Particulate Monitor의 유량은 16.7 L/min였고, 한시간 간격으로 데이터를 측정하였다. PM 농도 측정에 사 용된 입자계수기 및 베타선 측정장비의 자세한 기본 사양은 Table 1에 제시하였다. 입자계수기 및 β-ray 측 정장비들을 케이지 내에 보관하여 하이브리드 필터 시스템 처리 전단과 후단에서 운용하며 각각의 수농 도 및 질량농도를 산출하였다. 이 때, 일반적으로 동 일한 장비 간에도 기기의 특성 등으로 인하여 오차가 존재하기 때문에 동일 측정 장비간 교정을 통하여 측 정된 데이터의 신뢰성 확보에 대한 실험을 우선적으 로 수행하였다. 이를 위해 각 두 대의 입자계수기 및 베타선 측정장비를 활용하여 2일간 현장에서 PM10 농 도를 측정하였고, 이를 활용하여 선형회귀분석을 수 행하여 장비 간의 보정 개수를 산정하였다.
2.4 포집 PM 구성성분 분석
자성필터에 의해 포집된 PM의 성분분석을 위해 Scanning Electron Microscopy/Energy Dispersive Xray Spectrometry (SEM/EDX) 분석을 실시하였다. 입자 분석에 이용한 기기는 JSM-6390 (JOEL, USA) 주사 현 미경으로 133 eV 분해능을 지닌 EDX 검출기가 장착 되어 있다. 이 때, 모든 포집 입자 시료는 10 kV 가속 전압을 이용하여 0.5 nA 전류에서 분석이 진행되었 다. 시료는 MM 필터의 각 첫 번째 및 두 번째 서랍의 필터에서 포집한 입자(Sample #1, #2)와 MC 필터의 상 단, 중단, 하단에서 포집한 입자(Sample #3, #4, #5)로 구분하였다. 입자 분석은 모든 필터에서 포집한 251 개의 입자를 기준으로 구성 성분별 백분율로 구별하 여 수행하였다.
3. 결과 및 고찰
3.1 지하철 승강장 PM 분포 특성
하이브리드 필터 시스템의 제거효율을 평가하기에 앞서 지하철 승강장 내의 PM의 분포 특성을 파악하 기 위하여 J역 승강장에서 72시간 동안 PM의 수농도 및 질량 농도를 측정하였다. 그 결과 PM10의 평균 수 농도는 2.8e+6 #/L이며 주중 수농도는 약 3.1e+6 #/L로 주말에 비해 약 19.4% 높았다. β-ray 측정장비에 의한 질량 농도의 경우, 주중 평균 PM10 농도는 126 μg/m3 로 주말 평균 PM10 농도(113 μg/m3)에 비해 약 10.4% 높은 값을 갖는 것으로 확인되었다(Table 2). 또한 열 차를 가동하지 않은 시간과 비교하여 열차 가동 시 수 농도는 약 4.4배, 질량농도는 5.8배로 증가하는 것으 로 나타났다. 이는 선행 연구의 결과(Jo et al., 2021)와 마찬가지로 지하철 역사 내 PM 농도는 열차의 운행 여부가 지배적인 영향을 미친다는 것을 의미한다. 지 하철 역사내 대다수의 PM의 크기는 1 μm 이하라고 알려져 있는데(Midander et al., 2012), 본 연구에서 수 농도를 확인해 본 결과, PM10 및 PM1의 총 입자의 개 수 차이가 약 3% 내외로 크지 않다는 것을 확인할 수 있었다(Fig. 2). 따라서, 본 연구의 결과를 바탕으로 지 하철 승강장 미세먼지의 근본적인 저감을 위해서는 PM1 이하의 크기 수준에서 연구가 진행되어야 할 것 으로 판단된다.
3.2 하이브리드 필터 시스템 평가
본 연구진에 의해서 수행된 선행 연구에서 하이브 리드 필터 시스템의 PM10 최대 제거효율은 Magnet- Magnet (MM) 필터, Magnet-Cascade (MC) 필터가 각 각 34.1% 및 47.2%로 나타났다(Son et al., 2019). 이는 자력만을 이용하여 승강장 PM을 제거하기 보다는 관 성력을 함께 이용한 다단 임팩터 방식이 결합된 MC 필터에서 상대적으로 높은 제거효율을 갖는다는 것 을 의미한다. 하지만 기존의 연구는 PM10만을 대상으 로 연구가 진행되었으며 질량농도만을 평가하였기에 그 한계점이 있다. 이와 더불어, 자력에 의한 집진은 주로 입자에 가해지는 자기 인력과 항력에 따라 달라 진다(Huang et al., 2015). 작은 입경 크기로 구성되어 있는 지하철 환경 PM은 작은 자기 모멘트를 갖기 때 문에 집진 효율이 낮아질 것으로 판단된다. 따라서 본 연구에서 개발된 장비의 현장 적용성을 입증하기 위 하여 PM 입경 크기에 따른 수농도 측면에서의 연구 가 함께 이루어졌다.
3.2.1 입자계수기 및 β-ray 측정장비 신뢰성 분석
신뢰성 있는 하이브리드 필터 시스템의 지하철 승 강장 PM 저감 효과를 평가를 위하여 연구에 사용될 입자계수기 및 β-ray 측정장비들 간의 보정을 위하여 선형회귀분석을 우선적으로 실시하였다. 그 결과 입 자계수기 간의 선형회귀 분석식은(P-Counter #2)=0.879 (P-Counter #1)-224,028이며 R2 값이 0.9956으로 매우 높은 직선성을 나타내는 것을 확인하였다. β-ray 측정 장비의 경우, 보정식은(β-ray #2)=1.19788 (β-ray #1)- 0.0183으로 산출되었고 R2 값은 입자계수기보다는 낮 지만 0.9161로 높은 직선성을 보였다(Fig. 3). 여기서 구해진 장비간 보정식을 활용하여 측정 데이터의 보 정을 통하여 연구를 진행하였다.
3.2.2 하이브리드 필터 시스템을 이용한 승강장 내 PM 제거
Fig. 4는 하이브리드 필터 시스템의 가동에 따른 72 시간 동안 PM10의 질량 및 수농도의 변화를 나타내고 있다. 하이브리드 필터 시스템 가동 간 수농도 기준 으로 MM 필터는 모든 풍량 조건에서 제거가 되지 않 고 오히려 농도가 증가되는 결과를 보였으나 MC 필 터는 일부 시간을 제외하고 수농도가 감소하는 것으 로 나타났다. 또한 질량 농도 측면에서도 MC 필터에 서 PM10 농도의 확연한 감소 경향을 볼 수 있었다. PM10 의 총 수농도는 수십만개 수준으로 PM 입경별 제거 효율을 Table 3에 나타내었다. 모든 필터 및 유속에서 가장 큰 입자 구간인 7.5~10 μm가 가장 높은 제거효 율을 보였으며 MC 필터는 모든 유속 조건에서 90% 이상 제거되는 것으로 나타났다. 수농도 측면에서 MM 필터는 1 μm 이하 입자 영역대 PM의 제거효율이 MM_20에서 0.8~1 μm 구간 최대 23.5%로 매우 낮거나 효율이 없었다. 이와 비교하여 MC 필터는 0.8~1 μm 입경 크기에서 최대 효율 30.5%을 보였으며 0.4~0.5 μm 입경 크기에서 최소 효율은 9.8%로 1 μm 이하 모든 입 경에서 제거됨을 확인하였다. 이를 통하여 MC 필터 가 MM 필터에 비해 매우 작은 크기의 PM 제거에 보 다 적합한 것으로 나타났다. 자성 PM을 보다 효율적 으로 제거하기 위해서는 필터에 형성된 자기장 분포 가 매우 중요하다고 알려져 있다(Huang et al., 2015). MC 필터는 좁아진 유로로 인해 관성 집진 효과와 함 께 유체가 지나는 유로의 증가로 다단 자석에 의한 자 기장 면적이 증대되어 자성 PM 집진 성능을 극대화 시킬 수 있었던 것으로 판단된다.
3.2.3 집진 필터별 제거효율 비교
지하철 승강장 PM의 대부분은 입경이 매우 작은 PM 으로 구성되어 있으며, 입경이 작은 PM은 제거가 어 렵다고 도출된 Table 3의 결과에 따라 하이브리드 필 터 시스템에 대한 효율적인 성능 평가를 위하여 전체 수농도 및 질량농도의 비교 분석을 수행하였다. 크기 가 매우 작은 1 μm 이하 PM 제거에 효율을 보였던 MC 필터를 기준으로 유속 증가에 따른 수농도 및 질량농 도를 비교해 보았을 때 유속이 증가할수록 제거효율 이 향상되는 것을 확인할 수 있었다(Fig. 5). 조그다이 얼 수치 20, 30, 40 (6.4, 8.4, 13.7 m/s)에서 PM10 기준 수농도 제거효율은 각각 8.2, 9.1, 14.5%를 보였으며, 질 량농도 제거효율(각 30.3, 43.3, 48.3%)과 비교하여 매 우 낮은 수준인 것을 확인할 수 있었다. 이는 사용된 하이브리드 필터 시스템이 수농도에서 높은 분율을 차지하는 PM1 이하의 매우 작은 PM을 포획하기에 현 재 많은 제한이 따르지만, 흡입 유속을 높여 제거효 율 향상을 도모할 수 있다는 것을 시사한다. 게다가 본 연구는 넓은 승강장을 기준으로 한대의 하이브리 드 필터 시스템으로 진행한 제한된 실험이었다. 지하 역사 환경에 따라 PM의 농도 뿐만 아니라 입자의 크 기가 다르게 분포된다(Tu and Olofsson, 2021). 따라서 향후 보다 명확한 제거효율을 평가하기 위해서는 열 차의 운행수, 이용객 및 역사 조건 등에 따른 집진 부 하를 계산 해야하며 시스템의 구조적 변경 및 응용기 술 접목을 통한 효율 극대화 방안에 대한 연구가 추 가적으로 필요하다.
3.3 포집 미세입자의 성분 분석
Table 4는 MM필터 및 MC필터 종류 및 위치에 따라 포집된 입자들을 구성하는 주요 화학종에 따른 백분 율을 나타내고 있다. 이 때, 주요 화학종은 입자에 존 재하는 원소가 10% 이상일 때로 간주하였다(Jung et al., 2010). 그 결과, 레일, 휠, 브레이크 패드 및 팬터그 래프 마모에 의해 생성되는 Fe, Si, Ca, Ba, S 등이 자석 필터에 포집된 PM의 주요종으로 이들은 대부분 산화 된 형태로 존재하였다(Fig. 6). 그리고 일부 미량 원소 로 Na, Mg, Cl, Cu, Ti 성분이 추가적으로 존재하는 것 을 발견하였다. 여기서 Na, Mg, Cl은 외기에서 유입되 는 화학종이며 Cu는 지하철 전차의 전기를 공급하는 전선의 마모에 의해 생성된 것으로 판단된다. 또한 Ti 는 도료 부식으로부터 기인된 것으로 유추된다(Jung et al., 2010;Jung et al., 2012;Kang et al., 2008). MM 필터와 MC 필터 간의 차이 및 MC필터의 층별 포집 입자의 주요종은 큰 차이를 나타내지 않았지만 포집 된 모든 미세입자는 Fe를 포함하고 있는 것을 알 수 있었고, 이는 하이브리드 필터 시스템이 주로 자력을 이용하여 지하철 승강장 내의 PM을 포집 했다는 것 을 의미한다.
4. 결 론
본 연구에서는 자체 개발된 두 종류의 하이브리드 필터 시스템을 이용하여 승강장 내 PM의 제거효율을 다양한 측면에서 비교 평가하였고, 그 필터에 포집된 미세먼지의 주요 성분을 분석하였다. 수농도 측면에 서 1 μm 이하 크기의 PM은 MC 필터에서 0.8~1 μm 입 자 구간 최대 30.5% 제거 되었고 자력만 이용한 MM 필터와 비교하였을 때 상대적으로 높은 제거효율을 얻을 수 있었다. 그리고 MC 필터의 PM10 기준 질량농 도 및 수농도 제거효율은 각각 최대 48.3%, 14.5%로 나 타났다. 또한 MC 필터를 사용한 모든 유속 조건에서, 비교적 큰 7.5~10 μm 입경 크기를 지닌 PM에 대하여 90% 이상의 수농도 제거효율을 보이며 최대 97%까지 제거효율이 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 포집된 PM의 주요성분을 분석한 결과, 필터에 포집된 PM은 대부분 Fe 함유한 PM으로 나타났고, 이는 인체에 더 많은 영향을 줄 수 있는 자성을 띄는 입자들이 더 쉽 게 포집 되었다는 것을 의미한다. 본 연구는 하이브 리드 필터를 이용한 현장 초기실험으로 자기장 설계 및 집진 시스템 부하 등을 고려하지 않은 한계가 있 으나 지하철 내에서 발생되는 미세먼지를 제거하기 위한 기술로서의 적용 가능성을 확인했으며, 본 연구 결과는 지하철 환경 미세먼지 제거기술의 개발을 위 한 기초 자료로 활용될 수 있을 것이다.
