광촉매 제품의 NO_x 저감 성능 현장 평가 사례 고찰

광촉매 기술은 환경, 에너지 측면에서 대표적인 미래기술로 기술적 발전에 따라 수요가 급증하고 있다. 현재 광촉매 기술은 화장품, 햇빛 차단 크림 등 생활제품과 코팅, 프린트 잉크, 플라스틱, 포장재 등 산업제품 그리고 자연 세척 유리, 항박테리아 처리, 공기정화, 하수처리 등 화학제품 등에서 활용되고 있다. 특히 대표적인 광촉매 재료인 이산화티타늄 (TiO₂)은 유해물질을 산화 분해하는 기능을 이용하여 환경정화 (환경오염을 제거, 항균, 탈취)를 위해 활용되거나, 초친수성 기능을 응용하여 셀프클리닝 효과가 있는 유리와 타일, 청소기, 공기청정기, 냉장고, 도로 포장, 커튼, 벽지 등 다양한 제품에 적용되고 있다.

대기 중 오염물질 분해를 위해 대기정화를 목적으로 광촉매 제품은 도로 및 도로시설물, 건축 외장형 자재에 활발하게 적용되고 있으며, 도로의 경우 광촉매 콘크리트 포장, 광촉매 코팅제 적용기술이 활용되고, 도로시설물의 경우 광촉매 보도블록, 광촉매 방음 및 흡읍판, 지하 및 터널 구조물에 대한 광촉매 적용 기술 등이 활용된다. 건축 외장형 자재의 경우 광촉매 본래의 기능인 방오 효과 등을 포함하여 광촉매 페인트, 건물 외장의 광촉매 코팅 기술 등에 적용 및 활용되고 있다.

도로 및 도로시설물에 광촉매 소재를 적용하기 위한 연구는 이탈리아 (Bocci et al., 2016; Guerrini, 2012; Active, 2009), 벨기에 (Gallus et al., 2015; Boonen and Beeldens, 2014; Beeldens, 2008), 미국 (Hassan et al., 2013; Sikkema, 2013) 등을 중심으로 1990년대부터 활발하게 진행되었다.

이탈리아 Bergamo의 Borgo Palazzo 거리에 약 500 m 길이, 7,000 m²의 규모로 광촉매 도로를 포장하였으며, 일반 도로와 비교하였을 때 광촉매 도로 포장 지점에서 NO_x 농도가 20~30% 감소하는 것으로 보고된 바 있다 (Active, 2009).

프랑스에서는 Vanves의 Rue Jean Bleuzen 거리에 300 m 길이로 일반 콘크리트 위에 광촉매 콘크리트를 포장하였고, 거리 옆 통행 보도에는 광촉매 보도블록을 총 6,000 m² 면적으로 포장하였다. 그 결과 NO_x 농도가 기존과 비교하여 20% 이상 감소하였다 (Active, 2009).

지하 및 터널의 오염물질 저감을 위하여 벨기에 Brussel의 Leopold II 터널의 벽과 천장 (길이 160 m, 총면적 약 2,700 m²)에 광촉매 코팅 작업을 진행하였으나, 광촉매 작용으로 인한 터널 내부 NO_x 농도는 뚜렷한 감소를 나타내지 않았다 (Gallus et al., 2015). 이탈리아에서는 로마 터널 9,000 m² 면적을 대상으로 광촉매를 적용한 페인트 공사를 시행하였고, 터널 중앙에서의 NO_x 저감효율은 약 23%였다 (Guerrini, 2012). 이외 광촉매 제품 현장 적용 사례를 표 1에 정리하였다.

Table 1.

Application cases of photocatalytic product in field.

현재 현장 적용된 광촉매 제품에 대한 NO_x 제거 성능 평가 방법은 규격화나 표준화가 이루어지지 않아 다양한 방법으로 평가가 이루어지고 있다. 광촉매의 NO_x 제거 성능 평가를 위한 방법은 현장 직접 평가 방법, 현장 간접 평가 방법, 실험실 평가 방법으로 크게 총 세 가지로 분류할 수 있다. (1) 현장 직접 평가 방법의 경우 측정 및 분석기를 이용하여 현장에서 직접 NO_x 저감효율을 측정하는 방법을 의미하고, (2) 현장 간접 평가 방법의 경우 현장에서 채취한 시험편 및 시료의 표면 성분 분석이나 질산염 측정 등을 통하여 간접적으로 NO_x 저감량을 평가하는 방법이다. (3) 실험실 평가의 경우 특정 규격에 의거하여 광 반응기 (챔버)와 일정 크기의 광촉매 제품 시험편을 이용한 제거효율 및 성능 평가가 이루어진다. 현장 적용 광촉매 제품의 NO_x 저감효율을 직접, 간접, 실험실 방법을 통해 평가한 사례와 연구내용을 순차적으로 정리하였다.

벨기에 Antwerp 지역의 연구에서는 NO_x 농도 측정기를 이용하여 주차구역 현장에서 대기 중 NO_x 농도를 측정하여 광촉매 제품의 NO_x 저감 성능을 평가하였다 (Beeldens, 2008). 2004~2005년 벨기에 Antwerp 지역의 주차구역 (parking lane)에 광촉매 보도블록 (paving blocks) 포장이 이루어졌다. 광촉매 보도블록의 규모는 총 10,000 m²였으며, 보도블록은 상단부에 광촉매 재료인 아나타제 (Anatase)형 TiO₂ 혼합콘크리트가 5~6 mm 두께를 형성하고 있었다. 도로 총 폭은 60 m, 광촉매 보도블록 포장 구역은 2×4.5 m였다. 광촉매 보도블록과 일반 보도블록 간의 농도 비교를 위해 2006년 6월 9일, 3개 지점에서 각각 현장 측정이 이루어졌다. 3개 지점 중 두 지점은 광촉매 보도블록, 다른 한 지점은 비교 대상으로 일반 콘크리트 포장 블록으로 이루어졌다. 현장 측정은 지점당 1시간에 걸쳐 이루어졌으며, 도로 표면 5 cm 위에서 NO_x 농도를 측정하였다. 시간당 차량 대수, 온습도, 조도를 포함한 각 지점의 세부 조건과 현장 측정 결과는 표 2와 같다. 1시간에 걸쳐 광촉매 보도블록의 표면 위 5 cm 떨어진 곳에서 대기 중 NO_x 농도를 측정한 결과, 광촉매 보도블록 두 지점은 각각 약 0~0.05 ppm, 0.01~0.14 ppm의 농도 수준을 나타냈고, 일반 보도블록은 약 0.01~0.08 ppm의 농도 수준을 나타냈다. 일반 보도블록에서의 NO_x 농도가 대체적으로 광촉매 보도블록보다 높았으나, (c) 광촉매 보도블록에서 0.14 ppm의 피크 값을 기록하는 시간대가 존재했다. 또한, (c) 광촉매 보도블록 상대습도 조건이 (a) 광촉매 보도블록보다 낮음에도 불구하고 더 높은 NO_x 농도를 기록했다. 현장 측정이 1시간이라는 짧은 시간에 이루어졌고, 각 측정 지점마다 온습도, 조도, 차량 대수를 포함한 여러 변수들의 영향이 있었기 때문에 정확한 NO_x 저감률을 평가하기에는 한계가 있었다.

Table 2.

Parameters of the measurement and NOx concentration of Antwerp (Beeldens, 2008).

벨기에의 Brussel 지역에서는 터널 내부에서 광촉매 코팅 적용 전, 후에 따른 NO_x 저감효율을 평가하였다 (Gallus et al., 2015). 2011년 6월~2013년 1월 벨기에 Brussel 지역 Leopold II 터널의 벽과 천장 (길이 160 m, 총면적 약 2,700 m²)에 두 종류의 다른 광촉매 시멘트 물질을 적용하였다. 2011년 70 m 구간의 벽과 천장에 광촉매 활성 모르타르를 코팅한 데 이어 2013년 1월에는 160 m (총면적 약 2,700 m²)까지 그 구간을 확장했다. 광촉매 반응은 자외선 (UV, Ultraviolet rays, 파장 315~420 nm) 조명으로 조사해 활성화하였다. 광촉매 코팅에 따른 NO_x 저감효율은 (1) 광촉매 코팅 전후 모니터링 (표 3), (2) 상향 (upwind)/하향 (downwind) 지점에서 모니터링 (표 4), (3) 하향 지점에서 자외선 조명 가동/비가동 시 모니터링 (표 5) 등 총 세 부분으로 나누어 평가되었다. 오염물질 수준은 이산화탄소 (CO₂) 대비 오염물질의 농도로 나타내어 평가되었다 (오염물질/CO₂). 측정은 총 3회에 걸쳐 이루어졌다 (2011년 6월, 2011년 9월, 2013년 1월). 가스상 물질 측정 지점은 측정1 지점 (상향방향)과 측정2 지점 (하향방향) 두 군데이며, 2011년 6월과 9월에 천장 아래 각 33 cm, 20 cm 위치에서, 2013년 1월에는 천장 아래 각 34 cm, 44 cm 위치에서 측정되었다. 오염물질 농도 측정을 위한 샘플링 라인은 길이 7 m, 내경은 0.95 cm이며 PTFE (Polytetrafluoroethylene) 소재로 만들어졌다. 샘플링 라인은 제어실 (control room)에서 여러 갈래의 유리관으로 연결되며 유리관에는 펌프가 연결된다. 2011년 현장 측정에서는 광촉매 적용 후 뚜렷한 NO_x 저감 효과를 확인할 수 없었다. 연구자들은 몇 가지 문제점을 지적하였는데, 첫 번째로 기존 광촉매 적용 구간을 90 m로 계획했지만 70 m 길이의 터널 구간에서만 코팅이 적용되었다. 두 번째로 조도는 기존에 자외선-A (UV-A) 광원으로 1.6 W/m²의 세기로 조사할 예정이었지만 실제로는 0.6 W/m² 수준이었다. 따라서 2013년에는 터널의 광촉매 코팅 적용 구간 길이를 70 m에서 160 m로 늘리고, 광원의 세기도 더 높여 4 W/m²를 목표로 하였다. 또한 기존 제품 (TX)보다 활성화가 더 잘 일어나는 코팅 제품 (TX­Boosted)을 사용하였다. 주요 모니터링 결과는 다음과 같다. 광촉매 코팅 전 본래의 터널 오염물질 농도와 코팅한 이후의 NO_x/CO₂ 비율을 비교하였다. 세 경우에서 (a) 코팅 전, (b) 70 m 구간 광촉매 코팅 후, (c) 160 m 구간 광촉매 코팅 후 NO_x/CO₂의 비율은 거의 비슷했으며 광촉매 작용에 따른 유의미한 농도 변화는 나타나지 않았다.

Table 3.

Average NOx/CO2 ratio for all three campaigns (Gallus et al., 2015).

Table 4.

Average NOx/CO2 ratio from both sites for the two campaigns with photocatalytically active tunnel surfaces and with lamps on (Gallus et al., 2015).

Table 5.

Average NOx/CO2 ratio at the downwind site 2 with lamps on or off for the campaign in January 2013 (Gallus et al., 2015).

광촉매 활성화에 따른 오염물질 저감 효과를 알아보기 위해, 자외선 조명을 켰을 때의 측정1 지점 (상향방향)과 측정2 지점 (하향방향)의 측정 결과를 비교하였다. 두 지점에서 NO_x/CO₂ 비율을 확인한 결과 측정 지점에 따른 유의미한 농도 차이는 나타나지 않았으며, 측정2 지점 (하향방향)에서 2011년 3.14±0.07이었던 값이 3.10±0.05로 약간 감소하는 경향을 보였지만, 감소량이 매우 적은 수준이었다.

2013년 측정2 지점 (하향방향)에서 자외선 조명 꺼짐 (광촉매 비활성화)과 켜짐 (광촉매 활성화)에 따라 오염물질 농도를 측정하였다. 2013년 측정에서는 터널 구간이 길고, 자외선 강도도 높게 하여 광촉매 효과가 가장 잘 나타날 것으로 예상되었다. 따라서 이번 측정에서는 풍속 세기도 함께 고려하였다. 광촉매 활성 및 비활성 조건과 풍속에 따른 NO_x/CO₂ 비율을 비교했을 때, 풍속 세기가 강하고 (>2 m/sec) 자외선 조명이 켜진 경우 NO_x/CO₂ 비율이 가장 낮았다.

이 결과를 두고 연구자들은 다음과 같은 원인들을 분석했다. (1) 광촉매 코팅에 따른 광촉매 활성화 작용이 터널 구간 내 오염물질 농도에 미치는 영향을 알아본 결과 뚜렷한 감소 효과를 나타내지 않았으며, NO_x의 감소는 약 2% 미만이었다. 이는 Leopold 2 터널 내부에서 심각한 광촉매 비활성화가 관찰되었는데 그 이유로는 조명 세기, 터널 내 오염, 상대습도, 바람 세기 등을 이유로 설명했다. (2) 조명 측면에서 자외선 조명이 2 W/m²로 목표 세기인 4 W/m²보다 낮았고, 오염된 터널 환경 내에서 적절한 광촉매 반응의 활성화가 이루어지기에는 너무 낮은 수준이었다. 풍속 측면에서는 터널 내부의 풍속이 강했기 때문에 (최대 3 m/s) 오염물질을 터널 벽 혹은 천장에 흡착시키는 과정에 어려움이 있었다. 습도 측면에서는 2013년 1월 터널 내부는 춥고 습한 상태였고, 상대습도는 70~90%에 달해 광촉매의 활성화가 이루어지기 어려웠다. (3) 이들 변수의 문제점이 복합적으로 작용하여 Leopold 2 터널 내부의 광촉매 반응이 활발하게 이루어지지 않았고, 이론적 감소 기대치에 비해 1/10 수준이었다.

프랑스 Guerville 지역에서는 건축재료의 광촉매 성능을 평가하기 위하여 인공 거리를 조성하여 실제 환경 모사 조건에서 광촉매 저감효율을 평가하는 연구를 진행하였다 (Maggos et al., 2008). 컨테이너로 만든 4개의 연속 평행 건물을 사용하여 1 : 5의 크기로 3개의 협곡 거리를 세웠다. TiO₂ 함유 혼합 모르타르 패널을 20 m 인공벽에 설치하고, 다른 쪽에는 TiO₂가 함유되어 있지 않은 동일한 재질의 패널을 설치하였다. 현장에 모니터링 시스템을 구축하고 해당 조건에서 광촉매 재료에 따른 NO_x 제거 효율은 각 사이트에서의 NO_x 농도 차이로 평가하였다. 길이 19.2 m, 직경 50 mm의 폐쇄형, 천공 파이프 분배기에 연결된 가스 배출원이 협곡을 따라 중앙에 설치되었으며, 가스 배출의 균일한 분포를 위해 구멍의 수와 직경을 선택 (구멍 14개, 직경 5 mm)하였고, 가스 조성 및 속도 측정을 위해 파이프 앞부분과 가운데에 직경 12 mm의 구멍 2개를 뚫었다. 휴대용 가스 분석기로 파이프 중간 구멍에서 NO_x, SO₂, CO, CO₂를 측정하고 휴대용 가스크로마토그래피로 벤젠 및 총휘발성유기화합물 (TVOC, Total Volatile Organic Compounds)을 측정하였다. 양쪽 협곡 중심부에서 NO_x 농도를 연속적으로 측정하였고, 배경 농도는 컨테이너 상부에서 측정하였으며, 풍향 (WD), 풍속 (WS), 온도 (T), 상대습도 (RH), 태양광 강도 등 기상 변수도 측정하였다. 측정 기간은 2004년 7월 9일~9월 3일 (TiO₂ 협곡: 7월 9일~8월 23일, 기준 협곡: 8월 23일~9월 3일), 동일 조건 형성을 위해 2차 측정 기간에는 북쪽 건물을 남쪽으로 이동시켜 형상을 변경하였다. NO_x 농도 측정 결과는 다음과 같다. 각 측정 지점에서 NO_x 농도에 영향을 미치는 풍속은 벽의 방향과 풍향 (wind direction)에 따라 차이가 나타났다. 바람 권역 (wind sector)과 NO_x 농도 영향 관계를 확인한 결과, 두 변수 간에 유의미한 상관관계가 나타나지 않았다. 동일 권역에서 오른쪽 벽에서의 NO_x 농도와 풍속이 음 (-)의 상관관계를 보였으나 왼쪽 벽의 NO_x에는 영향을 미치지 않은 것으로 확인되어 권역의 차이가 NO_x 농도에 유의미한 영향을 미치지는 않는 것으로 분석되었다. 이러한 결과를 바탕으로 NO_x 저감효율의 차이는 오염원 배출량, 풍향, 벽 방향의 차이에 기인한 것으로 판단하였다.

벨기에 Wijnegem 지역의 연구에서는 이동형 광 반응기를 이용하여 대기 중 NO_x 농도를 측정하여 광촉매 제품의 NO_x 저감 성능을 평가하였다 (Boonen and Beeldens, 2014). 2011년 3월 15~18일 광촉매 도로 포장을 시행하였고, 이동형 광 반응기를 이용하여 도로 포장 표면에 NO_x 저감효율을 평가하였다. 광촉매 도로 포장이 진행된 서로 다른 세 지점 ((a) point 1, (b) point 2, (c) point 3)을 대상으로 시간의 경과에 따른 NO_x 농도를 측정하여 광촉매 콘크리트 포장의 특성 평가가 가능하도록 했다. 이동형 광 반응기는 plexiglas frame으로 구성되어 있으며, 콘크리트 포장 표면을 자외선 투과가 가능한 반응기로 덮어 즉각적으로 효율을 측정하는 방식이었다. 이동형 광 반응기의 조건은 NO 1 ppm, 상대습도 50%, 가스 유량 3 L/min 조건으로 설정하였고, 표면적은 700×300 mm²이며 광원으로는 가변의 햇빛이 사용된다. 표 6의 (a) point 1, (b) point 2는 광촉매 콘크리트 포장 5개월 후의 NO_x 농도 변화 측정 결과이다. (a) point 1의 경우 상대습도가 50.8%일 때 NO_x 저감률이 25%, 상대습도가 48%일 때 NO_x 저감률이 28%로, 상대습도가 낮은 경우에서 NO_x 저감률이 더 높게 나타났지만, (b) point 2의 경우는 두 번의 측정치 중, 상대습도가 낮을 때 NO_x 저감률이 더 낮게 나타났다. (c) point 3에서는 10 W/m²의 자외선 조명과 자연광에서의 NO_x 농도 비교 결과를 확인할 수 있다. 비교 결과 자외선 조명보다 자연광 조사 시 NO_x 저감효율이 다소 높게 측정되었다. 이는 TiO₂가 가시광 영역에서도 활성이 있거나 짧은 자외선 파장대 (UV-B, UV-C)에서 활성화되었기 때문으로 판단할 수 있다. 이 연구를 통해 상대습도, 광원의 종류, 광원의 세기 등이 광촉매 활성에 영향을 미치는 주요 인자이며 콘크리트 혼합 제품인 양생제 (Curing compound)의 사용 여부에 따라서도 광촉매 활성이 달라지는 것을 확인할 수 있다.

Table 6.

Parameters of the measurement and NOx reduction of Wijnegem (Boonen and Beeldens, 2014).

미국 Louisiana 지역의 연구에서는 직접측정법과 간접측정법으로 광촉매 콘크리트 포장 후의 NO_x 저감효율을 평가하였다 (Hassan et al., 2013). 2010년 12월 20일 미국 Louisiana State University 캠퍼스 내부 콘크리트에 광촉매 스프레이 코팅 작업을 진행하였다. 직접측정법으로 NO_x 농도를 확인하기 위해 파이프를 광촉매 스프레이 코팅 부분에 위치시킨 후 그 농도를 측정하였다. NO_x 농도 측정을 위한 분석기는 포장 도로 중간 차로의 스테인리스강 (stainless steel) 천공 파이프에 연결되어 광촉매 포장 부분의 농도를 측정하였다. 직접측정법으로 NO 농도를 확인한 결과, TiO₂ 적용 전과 후로 나누어 약 8일간 측정 데이터를 비교하였으며 그 결과는 표 7에 나타냈다. 그 결과, TiO₂로 표면 코팅을 적용한 후 즉각적으로 NO 농도가 감소하는 것을 확인할 수 있다. 또한 풍속, 차량 형태, 습도, 온도 등 현장의 다양한 변수에 영향을 받아 요일별 측정 결과값의 편차가 크게 나타났다.

Table 7.

Parameters of the measurement and NOx reduction of Louisiana (Hassan et al., 2013).

미국 Missouri주의 연구에서는 광촉매 도로 포장이 이루어진 고속도로의 방음벽에 passive sampler를 설치하여 NO_x의 농도 변화를 확인했다 (Sikkema, 2013). Missouri주 Chesterfield에 위치한 길이 1,500 ft (약 457 m), 너비 38 ft (약 11 m)의 고속도로 면적 57,000 ft2 (약 5,300 m²)에 광촉매 도로를 포장하였다. 측풍 (cross wind) 영향에 따른 NO_x 희석을 완화하기 위하여 벽면에 방음벽을 설치하였고, 방음벽에 수동 채취기 (passive sampler)를 부착하였다. NO 및 NO_x 배경 농도 모니터링을 위한 수동 채취기는 대기 중 오염물질이 샘플러 본체 내의 종이 디스크에 흡착되고 산화제 및 TEA (triethanolamine)로 코팅되어 있는 디스크는 NO_x 를 포집한다. 이후 물에 용해시켜 아질산염 (NO₂^-)을 분석하였다. 측정 위치 (높이)에 따른 NO_x 저감 효과를 알아보기 위하여, 12 inch (약 30 cm) 위에 3개, 40 inch (약 100 cm) 위에 3개의 샘플러를 설치하였다. 약 30 cm 높이에서의 NO_x 및 NO 평균 농도 결과값을 보면 (표 8), #1를 제외한 #2~#6에서 모두 광촉매 포장 지역의 NO_x 농도값이 더 높게 측정되었으며, NO 농도의 경우에도 #1, #5를 제외한 나머지의 경우에 광촉매 포장 지역에서 고농도 현상을 보였다. 약 100 cm 높이에서의 NO_x 평균 농도 (표 9)는 #2, #4에서 광촉매 포장 지역의 농도가 비포장 지역에 비해 높게 나타났으며, NO의 평균 농도는 #2, #3의 경우에 광촉매 포장 지역의 농도가 비포장 지역에 비해 높게 나타났다. 약 30 cm, 약 100 cm 높이에서의 전체 평균 NO_x 농도는 각각 23.3 ppb, 27.3 ppb로 측정 위치에 따른 농도 차이는 크게 나지 않는 수준이었다

Table 8.

NOx concentration of passive samplers in photocatalytic and control test sections (above 30 cm) (Sikkema, 2013).

Table 9.

NOx concentration of passive samplers in photocatalytic and control test sections (above 100 cm) (Sikkema, 2013).

미국 Louisiana 지역의 연구에서는 광 분해 과정에서 생성된 부산물을 측정하여 간접적으로 평가하는 방법을 적용하여 도로 표면의 질산염 농도를 분석하였다 (Hassan et al., 2013). 질산염의 농도는 총 6개 지점에서 측정하였으며 코팅 위치 3곳, 코팅되지 않은 위치 3곳으로 지정하였다. 포장 표면에 축적된 질산염은 탈 이온수 (DI)에 용해시켜 측정하였다. 질산염 채취 (sampling)를 위해 100×150 mm 직사각형 목재 장치의 밀봉된 개구부에 40 m의 탈 이온수를 붓고 5분 후 주사기를 통해 용액을 수집한 후 폴리에틸렌 병의 0.45 μm 필터를 통해 여과하였다. 7일간의 간접측정을 통해 측정된 질산염 농도와 계산식을 통한 NO 농도 환산 결과는 표 10과 같다. TiO₂ 코팅처리 구역에서의 NO 저감 효과를 뚜렷하게 확인할 수 있다. 광촉매 반응은 처음 4일간 매우 활성화된 후 NO_x의 분해 속도가 약간 감소하는 것으로 나타났다. 이는 광촉매 표면에 질산염이 축적되어 활성 부위가 감소하였기 때문인 것으로 판단된다.

Table 10.

Nitrate concentration (mg/L) of treated/untreated section and NO removed concentration (Hassan et al., 2013).

V_contaminant: Volume of contaminat (L)
Mass_contaminant : Mass of contaminant (g), (mol → g)
T_air, P_air: Temperature (K) and Pressure (kPa) of air

독일 Aachen 지역의 연구에서는 광촉매의 NO_x 성능을 평가하는 규격인 ISO (International Standard Organization) 22197-1 시험법에 따라 광 반응기를 이용, 내구성 평가를 위한 실험장치를 이용하여 광촉매 아스팔트의 NO_x 저감 성능을 평가했다 (Wang et al., 2017). 입자 크기가 15 nm이고 표면적은 90 m²/g인 아나타제형 TiO₂ 입자가 포함된 골재를 표면 코팅 방법과 필링 방법 등 두 가지 서로 다른 공정을 통하여 준비했다. 코팅 방법은 골재 표면에 TiO₂를 코팅하는 방법으로, 드럼통에서 골재, 시멘트, 물 그리고 4 M% TiO₂가 함께 회전하면서 골재 표면이 TiO₂로 코팅되는 과정을 거쳤다. 필링 방법은 골재 기공에 TiO₂가 침투되어 채워지는 방법으로, 기공 비율이 약 25%인 다공성 현무암이 사용되었다. 코팅 방법과 필링 방법을 통하여 준비된 TiO₂ 변형 골재를 도로 위의 에폭시에 결합하였으며 결합 과정에서 포장 기계와 롤러를 사용하였다. 아스팔트 도로 표면은 우선 에폭시 레진으로 코팅한 후, 2~5 mm 크기의 TiO₂ 변형 골재를 그 위에 도포하였다. 도로에 적용되는 광촉매 골재이기 때문에 타이어 아래에서 견디는 내구성 평가가 필요하며, 내구성 평가는 실험실 내 내구성 평가 실험 장치를 이용하여 진행되었다. 실험에 사용되는 타이어는 직경이 225 mm였으며 시험편 위에 타이어가 하중을 가하며 지나가는 방식으로 실험이 진행되었다. 타이어에 가해지는 압력은 0.2 MPa이고, 무게는 200 kg이었다. 실험은 총 300분간 진행되었다. 내구성 평가 전, 후의 NO_x 저감효율 평가는 ISO 22197-1 규격의 광 반응기를 이용하여 진행되었다. 실험 결과를 살펴보면 내구성 평가 실험 전, 코팅 방법과 필링 방법 두 경우 모두 약 40% 수준의 저감효율을 나타냈다. 그러나 내구성 평가 실험 후, 저감효율이 급격히 낮아져 코팅 방법에서 약 10%, 필링 방법에서 약 15% 수준의 저감효율을 나타냈다.

이탈리아 Loreto 지역의 연구에서는 Italian standard 11247 방법에서 사용되는 광 반응기와 시험편을 이용하여 고속도로에 적용된 광촉매 제품의 NO_x 저감 성능을 평가했다 (Bocci et al., 2016). 광촉매 제품이 적용된 도로 표면 상단층은 다공성 아스팔트 콘크리트로 Bitumen이 4.8% 함유되어 있다. 광촉매 제품은 총 두 가지 방식으로 적용되었는데, 첫 번째는 서로 다른 제품 A, B를 사용하여 TiO₂가 함유된 이멀전 형태의 스프레이를 분사하는 방식이고 두 번째 방식은 또 다른 제품 C를 사용하여 TiO₂가 함유된 시멘트 모르타르를 붓는 방식이다. 실험 기간 중 도로를 통과한 차량 대수를 세었으며, 그 결과 하루에 통행하는 차량 대수는 약 19,300대였다. 그 외 측정 기간 사이의 기상 조건은 표 11과 같다. 광촉매 제품의 저감효율 평가는 제품 적용 1, 17, 46, 88, 218, 527일 후에 각각 진행되었으며, NO_x 저감 성능을 평가하는 Italian stand ard 11247 방법에서 사용되는 유리챔버로 구성된 광 반응기를 활용하였고, 시험편은 반응기 바닥 쪽에 위치한다. 실험조건으로 반응기 내부에 노출된 표면적이 69.4 cm², 자외선 램프의 파장은 300~400 nm, 평균 조도는 25±1 W/m²이다. 암조건에서 일정한 농도인 C0를 측정하고, 광조사 조건에서의 농도인 C1을 기록한다. C0과 C1의 차이를 이용하여 NO 저감률을 구하고, 오염물질 농도와 조도에서 일정한 α 상수값인 10.4 mg/m²h을 이용하여 시간당, 표면당 NO 저감량을 구하였다.

Table 11.

Parameters of the measurement of Loreto (Wang et al., 2017).

현장 측정 결과는 표 12에서 확인할 수 있다. 광촉매 적용 1일 후에는 이멀전 형태의 스프레이 분사 방식인 제품 A와 제품 B를 사용한 경우 저감률이 40% 가까이 되었으며, 시멘트 모르타르 적용 방식인 제품 C는 저감률이 25% 정도였다.

Table 12.

NOx removal efficiency of Loreto (Wang et al., 2017).