환경공학자는 ‘지구를 치료하는 의사’로 불린다. 정확히 말하자면 인간의 안전과 건강, 그리고 복지를 증진시키기 위하여 우리 주변의 생활환경 및 자연환경의 질을 개선하고 보존하는 공학의 한 분야다. 환경은 우리 주변의 무수히 많은 존재들로 구성돼 있고, 그 만큼 환경공학의 분야도 다양하고 폭이 넓다.
우리가 공통적으로 가장 자주 마주치는 환경이 어디가 있을까? 그 중 하나로 지하철을 들 수 있을 것이다. 통학할 때와 먼 거리를 이동할 때 우리의 발이 되는 지하철인 만큼, 그 환경이 사람들의 건강에 아무 해가 없도록 환경공학적 측면에서 관리해야 한다. 현재 우리대학 환경공학과의 김조천 교수님과 대기오염제어공학실험실의 대학원생, 연구원들은 서울메트로(1~4호선)와 ‘지하철 공기질 개선사업단’을 꾸려 지하철의 공기 상태 관리와 환기에 많은 노력을 기울이고 있다.
지하철에서 만나는 환경공학…400억에 달하던 비용을 250억으로
현재 지하철에서 가장 문제가 되고 있는 것은 미세먼지(10μm 미만, 특히 2.5μm 미만의 물질), 유해 휘발성 유기화합물, 이산화질소(NO2)다. 이 각각 오염물의 특성에 맞게 따로 필터를 만들어야 한다. 첫째로, 정전기가 흐르면 그 쪽으로 미세먼지가 붙는 성질을 이용해, 정전기 필터를 만들어 미세먼지를 제거한다. 둘째로 유해 휘발성 유기화합물(VOCs, Volatile Organic Compounds)과 이산화질소(NO2)가 문제다. 이들은 화학적인 유해물질로 폐암을 일으키는 등 건강에 치명적인 영향을 미친다. 특히 VOCs의 경우 세계 각국에서 공통적으로 문제가 되고 있다. 이 물질들은 활성화된 탄소(활성탄)로 구성된 필터를 만들어 제거한다. 반응성이 높은 활성탄이 불안정한 화학물질들과 합쳐지면서 이를 제거하는 것이다.
대개 3가지의 서로 다른 필터링장치를 동시에 설치한다. 그리고 시간이 갈수록 오염물질이 누적되면서 필터를 갈아줘야 한다. 그런데, 기존에는 이 세 개를 한 환기구에 기계적으로 고정시켜서 움직이지 못하게 돼 있다. 이 때문에 환기구를 통해 위에서 내려오는 공기 압력에 필터가 영향을 받고, 빨리 손상되는 문제가 있었다.
김조천 교수님과 연구원들은 이 압력으로 인한 손상을 완화하는 공학 기술을 개발했다. ‘인공지능형 공기질 제어 및 관리 시스템’이라 불리는 이 기술은, 필터를 외부 공기 유입부에 센서를 달아 미세먼지, VOCs, NO2의 실내기준농도를 측정하도록 한다. 그리고 세 가지 오염물질 중 공기 중에 많은 물질에 해당하는 필터를 제외한 다른 필터가 기울어지게 한다. 이렇게 하면 환기구 공간을 크게 확보해 주며, 압력으로 인한 필터의 손상을 줄이고 장기적으로는 수명을 연장해 준다. 김조천 교수님은 “이 기술로 서울메트로는 기존에 환기에 사용하던 비용을 400억~500억원에서 250억까지 줄였다”고 설명했다.
이 기술은 현재 국내특허를 등록 받았고, 국제 특허출원의 한 방식인 PCT(Patent Cooperation Treaty(특허협력조약)) 출원에서 우수한 결과를 판정받은 상태다. 김조천 교수님은 “곧 미국 등지에서 국제특허를 출원받을 것”이라고 말했다.
이 기술은 지하철 이외에도 지하상가, 버스터미널, 대형 건물, 영화관 등의 공조시설(냉난방포함)에 적용할 수 있으며, 여러 필터를 사용해야 하는 일반 산업시설에도 모두 적용할 수 있다. 우리대학 캠퍼스에도 도서관 및 대형 건물의 공조시설에 이 방법을 적용할 수 있다는 의미다.
이렇듯 대기오염 제어에 높은 성과를 올리고 있는 김조천 교수님, 대기오염에 대한 다른 소소한 질문도 함께 들어보았다.
Q. 현재 우리나라 지하철의 공기상태의 전반적인 질을 평가해주신다면?
현재 지하철의 공기상태는 각 호선마다 차이가 많이 납니다. 물론 오래된 역사일수록 공기 질이 나쁜 경향이 있습니다만, 보다 더 중요한 것은 지하철 관리자의 환기 팬 운영 실태에 있다고 봅니다. 최근에 지어진 지하철이라도 환기를 하지 않으면 공기의 질은 나빠질 수밖에 없습니다.
Q. 우리대학 서울캠퍼스의 공기 상태를 평가해 주신다면?
제 연구실에서는 해마다 일감호 주변의 공기상태를 학부 2학년 학생들과 함께 측정합니다. 다행히 서울의 타 지역에 비해 크게 나쁘지 않습니다. 산이 있고 호수가 있는 것이 그 원인이 아닌가 생각합니다. 요즘에는 1년마다 한 번 환경부 산하 한국환경공단에서 직접 대기측정망을 갖춘 차량을 가져와, 1주일 정도 우리대학 캠퍼스의 공기 질을 측정합니다.
Q. 특정 호선마다 나타나는 특유의 냄새가 있다고 합니다. 원인은 무엇이며 해결책이 있다면?
원인은 첫 질문과 같이, 역사가 지어진 시기와 관리에 있습니다. 해결책은 환기를 잘하거나 향내 나는 것을 사용하는 마스킹, 활성탄과 같은 필터를 쓰는 흡착기술을 사용하는 것이 있습니다.
Q. 예전에 다른 대도시의 지하철에서 사고가 났을 때, 화재보다는 유독가스로 많은 사람이 죽었습니다. 현재 수도권지하철에서 유독가스의 환기 실태는 어떤지, 어떻게 노력해야 하는지 설명한다면?
그렇습니다. 유독가스 및 산소의 부족이 가장 큰 문제가 될 것입니다. 현재 지하철의 일부 구간이 환기팬이 없는 까닭에 화재가 났을 때 발생하는 유독가스에 무방비한 상태입니다. 만일 화재나 화생방 테러라도 일어난다면 큰 문제가 될 것입니다. 그래서 이러한 문제를 해결하기 위하여 저는 현재 서울지하철 당국 및 서울시 관계자와도 긴밀히 논의를 진행하고 있습니다.
김조천 교수
공과대학
토목ㆍ환경공학과군
환경공학과 학과장
일반대학원 신기술융합학과 교수
캡션
1 우리대학 환경공학과 대기오염제어공학실험실에 비치된 실험기기들.
2(사진교체) 인공지능형 공기질 제어 및 관리 시스템. 3호선 대청역의 공기 질 상태를 점검하는 컴퓨터 화면이다.
3 지하철 1호선에 설치된 환기기구. 김조천 교수님의 연구실에서 설치했다.
4 지하철 공기질 개선사업단에서 우리대학 대기오염제어공학실험실 연구원들은 효율적인 환기 방법과 오염물질 제거를 위해 약 5년간 연구를 이어왔다.