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Mobile Laboratory를 이용한 도로상 대기오염 모니터링

페이지 정보

글 : 채영석(webmaster@global-autonews.com)
승인 2013-05-01 17:35:43

본문

1. 서론
도시지역의 국소 고농도 대기질을 개선하여 건강 복지를 실현하기 위해서는 주요한 대기오염물질 배출원이 대기질에 미치는 영향 및 기여도를 평가해야 한다. 하지만 다양한 배출원에서 발생되어 대기 중에서 이동/확산/희석/변환/반응 현상들을 거치고 나면 특정 배출원의 기여도를 추정하기가 쉽지 않게 된다. 그래서 배출원 근접지역에서 대기오염물질의 농도를 상세히 측정하여 대기오염물질의 배출/이동/희석 등의 현상을 규명하는 연구가 필요하다.

글 / 이승복 (한국과학기술연구원)
출처 / 한국자동차공학회 오토저널 2013년 3월호

자동차의 경우 배출원 근접지역이 바로 도로이다. 또한 교통 혼잡 및 정체 현상이 빈번하게 발생되는 도시곳곳의 도로들을 가득 채우고 있는 자동차 실내의 운전자 및 도로변 보행자들에게 노출되는 상한치가 바로 도로상 대기오염도이다. 최근 세계보건기구(WHO)는 경유자동차 배출가스를 1급 발암 유발물질로 지정하여 건강 위해성 측면에서 자동차 배출가스의 중요성을 시사하였다.

이와 같은 필요성에 따라 넓은 지역의 도로상 대기오염도를 빠르게 모니터링하기 위해서는 이동형 대기오염 모니터링 시스템, 즉 Mobile Laboratory가 필요하며, 실측 자료를 이용하여 대기오염도의 공간분포인 오염지도를 작성하면 인체 노출 및 건강 위해성 평가 연구에 활용할 수 있다. 본 고에서는 Mobile Laboratory를 이용한 대기오염 모니터링에 관한 국내외 연구 동향을 소개하고자 한다.

2. 해외 연구 동향
1990년대말부터 MEL(Mobile Emission Laboratory)이라고 불리는 이동형 자동차 배출가스 측정 시스템이 개발되어 자동차 배출 연구에 활용되었다. 원래 MEL은 대형 트럭의 트레일러에 실시간 에어로졸 측정기, 가스 분석기, Off-line 화학분석용 포집장치 등을 탑재하여 자체 배출가스를 측정하는 시스템이지만, 도로상 대기오염 현상의 실측 연구에도 활용되었다. 트레일러를 부착할 수 없는 차량의 배기관에서 배출 특성을 연구하기 위해 MEL을 소형화시킨 것이 PEMS(Portbale Emission Measurement System)라고 할 수 있고, 자체 배출가스가 아닌 다른 차량 및 기타 배출원에 의한 대기질 영향을 연구하는 전용으로 개발된 것이 Mobile Laboratory라고 할 수 있다. 사실 Mobile Laboratory는 대기환경 연구에만 국한되어 사용되는 용어는 아니며, 이동형 실험실이라는 통상의 의미를 지니고, 선진국의 경우 생화학 테러에 대비하여 이동형 실험실을 운영하고 있다.

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대기환경 관련 Mobile Laboratory의 주요 연구분야는 도로 인접 지역의 국소 고농도 오염 및 이동현상 규명, 운전자/보행자의 배출가스 노출 오염도의 공간분포에 관한 연구 등이다.

이 분야의 선도적인 연구 기관은 미국의 경우 University of Minnesota<그림 1>, US EPA,University of Southern California(USC) 등이며, 유럽의 경우 Helsinki Polytechnic<그림 2>, Paul Scherrer Institute 등이 있다. 최근 중국에서도 미국과 공동연구를 통해 Mobile Laboratory를 이용해 2008년 베이징 올림픽의 교통통제정책에 의한 대기질 개선효과를 평가하였다.

연구 사례를 들면, 미국 California Air Resource Board는 전기자동차에 구축한 Mobile Laboratory로 고속도로를 주행하면서 측정한 극미 세입자(직경이 100nm 이하인 입자, Ultrafine Particles, UFP)의 개수농도 최고값이 8×105개/cm3로, 청정지역인 해안가보다 10배 이상 높았음을 보고하였다<그림 3>.

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미국 EPA는 도로변의 방음벽이나 나무들이 자동차에서 배출된 대기오염물질의 이동현상에 미치는 영향을 살펴보기 위하여 Mobile Laboratory를 이용하여 도로의 직각 방향으로 주행하면서 나노입자의 수 농도를 측정하여, <그림 4>와 같이 방음벽과 나무들이 모두 있는 경우 나노입자의 농도 저감이 훨씬 뚜렷함을 보고하였다.

<그림 4>에서도 도로 이격거리에 따라 오염도가 감소하는 일반적인 이동/확산 현상을 볼 수 있는데, 이러한 대기오염 특징에 기초하여 미국 캘리포니아주에서는 자동차에서 배출되는 오염물질로부터 학생들의 건강을 보호하기 위하여 고속도로에서 500ft(약 168m) 이내에는 새로운 학교를 신설하지 못하게 제한하는 규정을 2004년부터 시행하고 있다.

3. 국내 연구 동향
국내의 경우 서울, 인천, 경기도, 부산 등과 같은 지방자치단체에서 대기오염 이동측정차량을 운영하여 대기오염 자동측정망이 없는 지역, 대기오염 우심지역, 지역주민의 요청지점 등에서 이동측정차량을 정차해 놓고 일반 대기질 측정항목(PM10, CO, SO2, NO2, O2), 중금속 및 휘발성 유기화합물 등을 측정하고 있으나, 자동차 오염 연구에 적합한 항목들(예 : 검댕, 극미세입자 크기분포 등)이 빠져있고, 주행하면서 측정하는 기능이 없다는 한계가 있다. 주행모드 측정이 가능한 Mobile Laboratory를 활용한 국내 연구는 1990년대 초에 서울시 주요 터널내 기체상 오염물질의 농도 분포에 관한 것을 제외하고는 2000년 중반까지 찾아보기 힘들다. 2000년 중반부터 주행 중 도로 재비산 먼지의 발생 특성을 연구하기 위한 Mobile Laboratory가 인하대 환경공학과 연구팀에 의해 개발되었다. 한편, 승용차 보조석 및 뒷좌석에 실시간 검댕 농도 측정기와 연속 가스 분석기를 고정시키고 주행 중 운전자 노출 오염도를 측정하는 방법도 시도되었다.

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국내에서 Mobile Laboratory를 이용한 대기오염 모니터링 연구의 획기적인 발전의 계기는 2009년에 환경부 무∙저공해자동차사업단의 지원으로 한국과학기술연구원, 한국기계연구원, 연세대학교가 공동으로 다기능(대기질 측정/자동차 추적/동물 노출평가) Mobile Laboratory를 개발하였던 점이다<그림 5>. 이 다기능 Mobile Laboratory에 탑재한 측정장비 및 부대설비는 <표 1>과 같다.

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Mobile Laboratory의 핵심 기술은 연구목적에 적합한 실시간 측정장비의 사양 결정, 입자상 물질의 등속흡입조건에 가까운 통합 흡입구의 설계 및 측정장비의 샘플링 유량 차이에 따른 영향을 줄일 수 있는 적절한 유량 분배기의 설계, 그리고 진동에 의한 영향을 최소화하며 위치정보, 기상정보를 포함한 다양한 측정자료들의 동기화 및 통합 관리 기술이다. 주행 측정을 통해 도로상 대기오염도의 공간분포를 상세히 조사하려면 수 초 이내의 시간 해상도를 가지는 장비를 구비해야 한다.

터널과 같이 GPS 신호를 받을 수 없는 공간에서 주행정보를 획득하려면 OBD 센서를 추가로 탑재할 필요가 있다. 주행측정의 가장 큰 한계는 밧데리의 사용시간인데, 이것을 보완하기 위해 외국에서는 보조얼터네이터를 엔진룸에 추가로 설치하기도 한다.

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Mobile Laboratory 차량의 자체 배출가스에 의한 영향을 배제하기 위하여 국외에서는 전기자동차를 이용하기도 하는데, 비용적인 측면에서 국내에서는 아직 시도되지 않고 있으며, 경유자동차를 이용하는 경우 배출저감장치인 DPF를 장착하기도 하였다. <그림 6>은 Mobile Laboratory를 이용하여 서울시 노원구 태릉입구역(Location 3)에서 출발하여 동일로를 약 6.3km 주행하였을 때 Mobile Laboratory의 차속과 5nm 이상인 입자의 총 개수농도를 나타낸 결과이다. 도시지역 배경농도에 해당하는 10,000개/cm3의 10배가 넘는 국소 고농도가 도로상에서 빈번히 관찰되었는데, 차량이 정지했다가 출발하는 시점과 일치하는 경우가 많았다. 이는 운전자 및 도로변 보행자들에게 자동차에서 배출된 미세입자들의 노출이 심각할 수 있음을 의미한다.

4. 결론
Mobile Laboratory는 환경부 또는 지방자치단체의 기존 자동차 환경정책 평가 및 새로운 정책 수립에 필요한 도로상 대기오염지도를 작성하는데 활용할 수 있으며<그림 7>, Mobile Laboratory의 실측 자료는 토지이용 정책 및 교통량 관리 정책 수립을 위한 기초자료로 이용될 수 있다.

Mobile Laboratory의 활용분야는 자동차뿐만 아니라 산업단지 등과 같은 특정 오염원에 의한 대기질 영향 및 유독가스의 누출사고 감시 및 확산 경로 추적 등과 같이 매우 다양하다. 향후 연구용이 아닌 각 지방자치단체들의 대기질 관리의 도구로 활용될 수 있는 진보된 Mobile Laboratory가 개발될 것으로 예상된다.
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