대기 오염의 화학 | 대기오염 - 1부

대기 오염 물질의 종류 및 발생원

인간의 활동에 의해 발생하는 주요 오염 물질로는 이산화탄소, 유황산화물, 질소산화물, 탄화수소 등과 같은 가스상 물질과 먼지, 연기, 석면분진, 금속증기 등과 같은 입자성 물질이다. 그리고 이들 오염 물질이 태양광선에 의한 광화학적 및 화학적 반응의 결과로 생긴 광화학적 산화성 물질도 있다. 또 납, 카드뮴, 수은, 니켈 등의 유해한 중금속류도 대기오염 미립자속에 포함되어 있다. [표 2]에서 주요 대기 오염 물질과 각 오염 물질의 발생원을 나타내었다. 이 밖에도 자연적으로 또는 인간의 활동을 통하여 무수한 유해 오염 물질이 대기에 방출되고 있다.

 

 

오염 물질은 이의 종류에 따라 환경이나 인체에 미치는 영향의 정도가 매우 다르다. 자연상태에서 발생하는 오염물질은 한곳에 집중되어 있지 않고 전 지구상에 분포되어 있다.

 

그러나 인간에 의해 배출되는 오염물질은 특정 지역 또는 특정 생태계에 집중되기 때문에 그 지역 생태계를 파괴할 뿐만 아니라 그 속에 사는 인간에게 치명적인 급성 또는 만성적인 건강 장애를 유발한다. 더구나 오늘날의 고도 산업사회는 엄청난 양의 오염 물질을 대기 중에 방출하고 있으며 이는 전 지구 생태계를 교란하고 있기 때문에 인간은 이 오염 물질로부터 더 이상 피할 곳이 없다.

 

 

대기 오염의 현상

대기 오염물질(air pollutant)이란 다음과 같이 대기의 질을 떨어뜨리는 물질이다. 첫째로 자연은 화산폭발에 의해 화산재, 수은 증기, 염화수소, 플로르화수소, 황화수소 등으로 대기를 대규모로 오염시킨다. 둘째로 침엽수와 같은 식물의 부패에 의해 반응성이 크고 악취가 나는 유기 화합물로 대기를 오염시킨다. 셋째로 초목의 부패, 초식동물 심지어 개미마저도 메탄가스를 대기 중에 방출하고 있다. 네째로 동물 사체나 다양한 단백질 물질이 썩어 일산화이질소(N₂O)가 대기 중에 배출되고 있다. 다섯째로 인구밀집지역에서는 자동차에서, 공업지역에서는 발전소, 금속제련공정, 석유정제 등의 공장에서 대기 중에 유해한 화학물질을 대량으로 배출시키고 있다. 대기오염물질들은 사람의 경우 재채기나 눈에 충혈을 일으키는 증세로부터 심하면 치명적 상태를 유발시킬 수 있다. 심지어는 역사적인 기념물들까지 망친다.

 

① 입자 오염 물질

오염물질은 우리가 육안으로 식별 가능한 먼지로부터 유리된 분자나 이온 또는 원자의 상태에 이르기까지 다양한 입자 크기로 존재한다. 때때로 오염물질들은 그들이 가진 극성에 의해 미세한 물방울에 흡수되어 에어로졸(aerosol)을 형성하거나 좀 더 큰 입자에 흡착되어 미립자(particle)를 형성한다. 금속산화물과 진흙 입자, 먼지, 화력발전기나 소각로에서 나오는 회분, 탄소원자 또는 작은 금속 입자 등의 다양한 성분들이 에어로졸이나 미립자 내에 고체로 존재한다.

 

에어로졸은 그 지름의 크기가 1～10,000nm 사이이고 이 중에 원자, 이온 또는 작은 분자들을 포함하고 있을 수도 있다. 에어로졸 입자는 대기 중에서 장시간 떠다닐 수 있을 정도로 아주 미세하다. 우리가 호흡할 때 이러한 입자를 마심으로써 호흡기 질환을 유발할 수 있다. 또한 이러한 입자는 돌연변이 유발 물질이나 발암물질을 내포하고 있을 수도 있다. 연기, 먼지, 구름, 안개, 김서림, 스프레이 등이 전형적인 에어로졸들이다.

 

얇은 수막으로 둘러싸인 액체 에어로졸이나 입자는 대기 오염물질을 흡수(absorb) 할 수 있고, 이 수막안에서 화학반응도 일어날 수 있다. 즉 에어로졸의 수막안에서 암모니아는 농축되어 수산화 암모늄(NH4OH)이 되고, 이산화황은 물과 반응하여 아황산(H₂SO₃)이 되며, 산화질소(NO)는 아질산(HNO₂)을 생성하는 등의 많은 반응들이 가능하다.

 

대부분의 에어로졸은 볼 수 있을 정도로 큰 미립자들이다. 지름이 2㎛ 이하인 입자들은 로스엔젤레스나 뉴욕과 같이 인구밀도가 높은 도시에서 흔히 볼 수 있는 시계불량의 주된 원인 물질이다. 미립자나 에어로졸은 중력에 의해서 또는 비나 눈에 의해서 자연적으로 대기로부터 제거된다. 그리고 공업적으로 방출되는 미립자나 에어로졸은 여과, 원심분리, 분무 또는 정전기적 집전 등의 다양한 물리적 방법에 의하여 대기 중으로 확산되는 것을 막을 수 있다.

 

② Smog

대기오염사건을 연구하는 Harold de Voeux 박사는 1911년에 연기입자성 물질과 안개(에어로졸) 그리고 유해 화학물질들의 혼합물을 스모그(smog)라 불렀다. de Voeux가 확인한 스모그는 주로 석탄과 석유의 연소에 의하여 발생되었으며, 이 중에는 부분적으로 산화된 유기화합물, 먼지, 연기, 그을음이 섞인 이산화황 등이 포함되어 있었다. 이것은 모두 산업형 스모그로 발전소나 산업시설이 있는 많은 도시에서 흔히 발생되는 현상이다. 공해 방지시설이 잘 된 미국에서는 이러한 공장 스모그가 갈수록 줄어들고 있지만 세계의 많은 도시에서는 여전히 심각한 문제로 남아 있다. 특히 이산화황(SO₂)은 공장에서 발생되는 스모그나 산성비의 중요한 원인 물질이다. 이 오염물질은 황이나 황을 포함하는 화합물이 공기 중에서 연소될 때 생겨난다.

 

 

미국에서 생산되는 대부분의 석탄에는 황화철 광석의 형태로 황이 1～4% 정도 포함되어 있다. 석탄이 탈 때 황화철은 다음과 같이 연소된다.

 

 

대기 중에 있는 대부분의 SO₂는 산소원자, 산소분자 그리고 히드록실 라디칼과 반응하여 삼산화황(SO₃)으로 변한다.

 

 

이 SO₃는 물과 강한 친화력을 가지고 있어서 수분으로 된 에어로졸 입자 속에서는 황산을 생성한다.

 

 

이산화황은 식물과 동물에게 생리학적으로 나쁜 영향을 미친다. 기관지염이나 천식과 같은 만성적인 호흡기질환이 있는 사람에게는 SO₂가 더욱 더 민감한 영향을 주며, 산업 스모그가 발생함으로써 수많은 사상자들이 생긴 것도 이 물질 때문이다. 따라서 이러한 위험을 줄이기 위하여 SO₂를 배출하는 모든 공장들은 반드시 배출가스 속의 SO₂를 제거시킬 수 있는 장치를 설치해야 한다.

 

③ 도시의 대기 오염

스모그의 또 다른 오염 형태는 오존과 질소산화물(NOx)과 같은 강한 산화제를 포함하는 화학적 산화형이다. 이것은 스모그를 야기시키는 첫 단계의 반응에서 햇빛이 중요한 역할을 하기 때문에 광화학 스모그(photochemical smog)로 알려져 있다. 광화학 스모그의 또 다른 이름은 도시의 내부나 주위에서 형성되기 때문에 도시 스모그라고도 불린다.

 

광화학 스모그는 햇빛이 강하고 자동차가 많아서 많은 양의 오염 물질들이 대기 중으로 배출되는 도시에서 전형적으로 나타난다. 이러한 형태의 스모그에는 보통 유리 이산화황은 포함되어 있지 않지만 상당히 많은 양의 산화질소, 오존, 과산화 유기물 그리고 다양하고 복잡한 탄화수소 등이 포함되어 있다. 이러한 물질들의 농도는 아침 시간대에 높아지기 시작하여 낮 동안에는 최대로 분포되어 있고 저녁시간대부터 서서히 감소되기 시작한다.

 

도시의 대기는 격렬한 화학반응이 진행되는 커다란 막자사발과 같다. 광화학 스모그를 야기시키는 화학반응을 규명하기 위한 연구는 1951년부터 계속되어 왔었다. 그 결과 광화학적 반응이 스모그를 만드는 중요한 과정이며 또 에어로졸은 일차오염물질들을 다른 오염물질로 바꾸는데 중요한 역할을 하고 있음을 확인하였다. 이러한 화학반응에 의해 생성된 새로운 오염물질을 2차 오염물질(secondary pollution)이라 한다. 특히 빛 스펙트럼 중 자외선(UV) 영역의 광자가 광화학 스모그의 형성에 밀접한 관계가 있음을 알게 되었다.

 

광화학 스모그에서 일차 오염물질이 이차 오염물질로 전환되는 반응의 개요는 이산화질소의 광분해로부터 시작된다고 알려져 있다(반응1). 반응1에서 생성된 대단히 반응성이 큰 산소원자는 산소분자와 반응하여 오존(O₃)을 형성한다(반응2). 이것은 다시 일산화 질소와 반응하여 원래의 반응물인 이산화질소를 만드는 반응에 의해 소모된다(반응3).

 

 

이 세가지 반응의 알짜 효과는 복잡한 화학 변화 없이 일어나는 에너지의 흡수 반응이다. 만약 이러한 화학반응만 일어나면 스모그와 같은 문제는 걱정할 필요가 없을 것이다. 그러나 불행히도 반응성이 큰 오존 분자나 산소원자의 약간은 대기 중에서 다른 화학종들과 반응을 계속함으로써 스모그의 형성을 유발시킨다.

 

도시 환경 속의 공기에는 자동차 배기 가스나 주유소의 주유과정에서 누출된 연소되지 않은 탄화수소가 포함되어 있다. 위의 반응 1에서 생긴 산소원자가 반응성이 있는 이러한 탄화수소 화합물 및 방향족 화합물들과 반응하여 다른 자유라디칼을 형성한다. 이러한 라디칼들은 차례로 반응하여 다른 라디칼이나 포름알데히드와 같은 이차 오염물질을 만든다. 질소산화물 약 0.2㏙과 반응성이 높은 불포화탄화수소 1㏙ 정도로도 이러한 라디칼 반응을 개시하는 데 충분하다. 또 반응3의 경우 야간에는 아래와 같은 반응에 의해 다른 종류의 산화물인 삼산화질소 라디칼 즉 NO₃․가 생성된다.

 

 

햇빛 아래에선 삼산화질소 라디칼은 바로 광분해되지만 광양자가 없으면 축적되어 이산화질소와 반응하여 N₂O₅를 만들고 N₂O₅는 물과 반응하여 질산이 된다.

 

 

이산화질소는 에어로졸 형성과정에 관여하여 도시나 공업지역의 뿌연 대기를 형성하는 일차적인 원인물질이다. 이산화질소의 수명은 대기중에서 약 3일 정도인데, 이것은 다음과 같은 화학반응에 의하여 산이나 염을 생성한 다음 없어진다. 이산화질소는 에어로졸 입자내의 수분과 반응하여 질산과 아질산이 된다.

 

 

그리고 이산화질소와 산소는 질산을 생성한다.

 

 

또 이산화질소로부터 생성된 질산은 대기 중의 암모니아 혹은 금속 입자와 반응하여 질산염이나 아질산염을 만든다.

 

 

위의 화학반응에 의하여 생성된 산이나 염들은 결국 에어로졸이 되어 공기 중에 부유하다가 가라앉거나 빗방울에 용해된다. 연구실 규모의 실험결과 25～250㏙의 NO₂는 식물 성장을 억제하거나 낙엽을 유발시킨다. 토마토나 콩과 같은 실생 식물은 0.3～0.5㏙의 NO₂가 10～20일간 연속적으로 지속되면 성장이 억제되었다.

 

이산화질소는 3㏙의 농도로 1시간이면 우리 몸의 기관지 수축을 유발시키고, 150～220㏙의 높은 농도에 잠시 노출되면 우리 폐에 작용하여 치명적인 결과를 가져온다. NO₂에 노출된 경우에도 곁으로는 아무런 해가 없는 듯 보이다가도 며칠 후에 사망할 수도 있다.

 

④ 오존과 대기 오염

오존은 3개의 산소원자가 결합된 O3의 분자식을 가진 산소의 동소체이다. 오존은 0.2㏙ 정도만 되어도 느낄 수 있는 자극적인 냄새를 가진다. 전기 제품의 스파크에 의해 발생된 오존이나 번개에 의해 발생된 오존이 폭풍우 뒤에 빗물에 녹아 내릴 때 우리는 종종 오존의 냄새를 맡을 수 있다. 오존은 이로운 오존과 해로운 오존이 있다. 해로운 오존이란 우리가 숨쉬는 대기 중에 존재하는 오존이고, 이로운 오존이란 성층권에 존재하는 것으로서 인체에 해로운 자외선을 흡수하는 방호막을 형성한다. 대기 중에서 오존을 발생시키는 유일한 화학반응은 산소분자와 산소원자가 반응하는 것이다.

 

 

위 반응에서 M은 질소나 산소와 같은 제3의 분자로서 반응에너지의 일부를 제거하여 오존이 즉시 분해되는 것을 막아준다. 고지대에서는 산소분자에 높은 에너지의 자외선 광양자가 공격하여 산소원자를 생성한다. 이러한 높은 에너지의 광양자 대부분은 낮은 지역의 대기에 이르기 전에 오존층에 흡수되어서 낮은 지역의 대기 중에는 주로 300㎚ 이상인 낮은 에너지를 갖는 광양자만이 존재하게 된다. 이러한 낮은 에너지의 광양자도 이산화질소와 반응하기에는 충분한 에너지를 갖고 있다. 따라서 만약 자동차 배기나 다른 고온 연소 등에 의해 생성된 이산화질소가 낮은 대기 중에 존재한다면 많은 양의 산소 원자가 만들어질 수 있다.

 

 

오존 역시 320nm보다 짧은 파장의 광양자에 의해 광분해되어 산소 원자를 발생시킨다. 이 산소원자는 물과 반응하여 히드록시 라디칼(OH․)을 만드는데 이 라디칼 역시 대기 중에서 일어나는 여러 화학 반응의 중요한 원인 물질이다.

 

낮 동안에 히드록시 라디칼이 다량 생성되면 이것은 이산화질소와 반응하여 질산이 된다.

 

 

오존은 이차 오염물질로서 가장 제거하기 힘든 공해물질이다. 높은 양의 오존은 일차적으로 승용차, 트럭, 버스 등에서 배출되는 과량의 질소산화물과 연관이 있다. 사람은 약 0.12ppm 정도의 오존 농도에 노출되면 숨을 내쉬는 공기의 양이 저하된다. 현재 많은 도시지역의 오존 농도는 장차 호흡에 장애를 줄 수도 있는 심각한 상태에 놓여 있다.

 

⑤ 탄화수소와 대기 오염

대기 중에 존재하는 탄화수소의 농도는 자연적 발생 또는 인간 활동에 의해서 달라진다. Isoprene과 α-pinene은 침엽수와 낙엽수에 의하여 다량 배출된다. 그리고 메탄가스는 척추동물, 흰개미, 개미 그리고 죽은 동식물을 부식시키는 박테리아 등에 의하여 배출된다. 또 공업용매의 사용, 석유정제 및 공급 그리고 불연소된 가솔린과 디젤연료의 성분 등 인간 활동에 의한 것이 대기 중에 존재하는 탄화수소의 농도에 원인이 된다.

 

오존으로부터 간접적으로 생성된 히드록시 라디칼(OH․)은 대기 중의 탄화수소를 산화시키는 데 도움을 준다. 탄화수소를 RH의 일반식으로 놓으면 대기 중의 산소가 산화제로 작용하는 첫 단계는 아래와 같다.

 

 

두 번째 반응은 산화질소가 참여하여 알데히드와 케톤 그리고 과산화수소 라디칼(HO2․)을 생성한다.

 

 

세 번째 단계는 NO₂ 라디칼의 광분해반응이고 오존이 곧바로 생성된다.

 

 

알짜반응식을 얻기 위해 위 모든 단계를 합하면 대기 중의 탄화수소가 어떻게 공기 중의 산소에 의해 산화되어 오존이 생성되는가를 볼 수 있다.

 

과산화수소 라디칼은 ‧NO와 반응하여 ‧NO₂와 더 많은 양의 히드록시 라디칼을 만들어낼 수 있다.

 

 

가장 간단한 알데히드는 아세트알데히드(CH3CHO)이며 이는 아래와 같이 히드록시 라디칼과 산소가 반응한다.

 

Peroxoaldehyde는 NO₂와 반응하여 peroxyacetylnitrate(PAN)을 생성한다.

 

 

PAN은 NO₂를 안정화시키고 바람에 의해 먼 거리로 이동 확산하게 된다. 결국에는 PAN이 분해되어 NO₂를 방출한다. 이러한 방법에 의해 NO₂ 형태의 도시오염물질은 도시 외곽지역으로 퍼져나가 수목이나 사람의 근육조직, 건물 등에 손상을 입히게 된다.

 

탄화수소는 간단한 알칸, 알켄, 알킨과 같은 것 이외에도 주로 자동차 배기가스에서 나오는 다수의 다핵 방향족 탄화수소(polynuclear aromatic hydrocabons, PAH)들이 있다. 이러한 물질들은 간단한 탄화수소와 마찬가지로 히드록시 라디칼과 산소원자와 반응할 수 있다. 더욱 더 위험한 사실은 이들이 지닌 독성이다. PAH의 일종인 benzo(α)pyrene(BAP)는 발암물질로 알려져 있다. 석탄연기엔 300㏙ 정도의 BAP가 함유되어 있다. 실제 측정에 의하면 100만톤의 석탄이 연소되면 750톤의 BAP가 배출된다. 영국 과학자들의 보고에 의하면 1950년대 런던 거주자들은 매년 200㎎의 BAP를 들이마셨다. 더구나 필터 없는 담배를 매일 두 갑 피우는 골초이면 추가로 매년 150㎎을 더 들이마셨다. 이 분량은 쥐의 암 유발에 필요한 양의 40,000배에 이른다.

 

⑥ 일산화탄소와 대기 오염

일산화탄소(CO)는 대기 중에 가장 많고 광범위하게 존재하는 공해물질이다. 오존처럼, 일산화탄소 역시 가장 통제하기 어려운 오염 물질 중의 하나이다. 차량이 밀집한 도시에서는 일산화탄소가 환경 기준량에 도달하지 않도록 단속하고 있다. 일산화탄소는 탄소 혹은 탄소가 포함된 물질들이 충분치 못한 산소하에서 산화될 때 생성된다.

 

 

1,000gal의 가솔린이 탈 때 2,300Ib의 일산화탄소가 연소가스 중에 존재한다. 자동차 머플러에 장착된 현대적 촉매 변환기에 의해 상당량의 일산화탄소가 이산화탄소로 변하지만 변환되지 않은 CO의 양만으로도 교통량이 과다한 도로 주변에서는 위험한 양이다. 최대 교통량 시간대에는 보통 50㏙의 높은 수치를 나타낸다. 자연적으로 배출되는 일산화탄소의 양은 산업이나 자동차 배기에 의한 배출량보다 최소한 10배는 많다. 매년 방출되는 3.8조 톤의 일산화탄소 중 3조 톤 정도는 지구 표면의 유기물이 부식할 때 생긴다.

 

신비스러운 점은 다른 오염물질과는 달리 일산화탄소의 전 세계적인 양은 일정하다는 점이다. 극성의 일산화탄소는 바로 물에 용해되지만 이산화탄소 형성을 위한 반응은 대단히 천천히 진행된다. 일산화탄소가 어디로 사라지나 하는 것이 현재 대기화학의 흥미로운 연구 과제이기도 하다.

 

 

 

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