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한국의 대기환경 3
등록자 엄명도 작성일자 2010-12-10 오후 4:25:36


우리나라 공기질의 변화

자동차에 사용하는 연료는 산유국에서 가져온 화석연료(원유 : Crude Oil)를 정유공장에서 고열로 증류할 때 비중이 가벼운 LPG(Liquefied Petrolum Gas), 휘발유, 등유(석유), 경유, 벙커C유, 콜타르 순으로 뽑아낸다. 이중 자동차연료로 사용하는 것은 LPG, 휘발유(Gasoline) 및 경유(Diesel)다.

이외에도 지층이 천연가스 지대에서 가스 상태로 분출하는 천연가스(Natural Gas)가 있고 기타 수소, 메탄올 등이 있다. 엄밀히 나누자면 오토사이클과 사바테사이클로 나누지만 일반적으로 이러한 연료를 사용해 동력을 발생시키는 엔진은 가솔린 엔진, 디젤 엔진으로 구분된다.

엔진의 배기가스는 95% 이상이 배기관을 통해 배출되는 가스로 다음 성분과 같다. 오늘날 우리가 사용하는 화석연료의 대부분은 여러 종류의 탄화수소로 이루어진 혼합물이다. 완전연소가 이루어지기 위해서는 이 탄화수소들이 산소와 결합해 수증기(Water Vapor)와 이산화탄소(CO₂ : Carbondioxide)만을 생성시켜야 한다.

그러나 현재의 기술수준으로는 기관 작동상태가 최적연소라 할지라도 혼합기를 완전 연소시킬 수 없기 때문에 배기가스 중에는 유해물질이 포함될 수밖에 없다. 중부하 중속으로 가솔린 엔진이 작동될 때 배기가스 대부분은 질소(71%), 탄산가스(18.1%), 수증기(9.2%)이고 유해물질은 총 배기가스의 약 1% 정도가 된다. 이 1%가 포함하고 있는 유해물질은 주로 일산화탄소(Carbonmonoxide : CO), 탄화수소(Hydrocarbon : HC), 질소산화물(Oxides of Nitrogen : NOx), 매연(입자상물질 포함) 등이며 성분별 특성은 다음과 같다.

1) 일산화탄소
일산화탄소는 무색, 무미, 무취의 유독성 가스로 인체에 들어오면 혈액 중 헤모글로빈(Hb)과 결합, 혈액의 산소 운반작용을 방해한다. 일산화탄소는 혈액과의 친화력이 산소의 약 300배 이상이다. 따라서 인체는 산소의 결핍으로 두통, 현기증 등의 중독현상을 일으키며 심한 경우에는 목숨을 잃게 된다. 배기가스 유해물질 중 일산화탄소가 차지하는 비율은 매우 높다.

일산화탄소는 공기부족상태(λ쨦1)에서 연소가 진행될 때 발생한다. 즉 혼합기가 농후하면 농후할수록 일산화탄소의 발생량은 증가한다. 그러나 공기 과잉상태(λ쨧1)일지라도 공기와 연료가 잘 혼합되지 않은 상태에서 연소가 진행되면 일산화탄소가 생성된다.



표_1 주요국의 대기환경기준 비교(자료:정용일,자동차와 환경)

2) 탄화수소
탄화수소란 탄소(Carbon : C)와 수소(Hydrogen : H)로 조성된 화합물을 총칭한다. 탄화수소(HC)는 배기가스 뿐 아니라 블로바이 가스, 증발가스 중에도 포함됐다. 미연 탄화수소는 일산화탄소와 마찬가지로 공기부족 상태에서 연소가 진행될 때 주로 발생된다. 그러나 연소실 표면 가까이 화염이 전달되지 않는 경계면에서도 발생한다.

탄화수소는 질소산화물(NOx)과 함께 광화학반응에 의해 스모그(Smog)를 일으키며 오존농도를 증가시키는 것으로 알려졌다.

3) 질소산화물
질소산화물은 NO, NO₂, N₂O 등 여러 가지 질소산화물을 총칭하며 NOx로 표시한다. 질소산화물은 유독성으로 연소실 온도와 압력이 높고 동시에 공기 과잉상태일 때 주로 발생한다. 질소산화물중 NO는 대기 중에서 서서히 산화돼 NO로 되기 쉬우며 NO₂는 자극적인 냄새가 나며 또 광화학 스모그의 주원인이 되기도 한다.

자동차에서 배출되는 각종 대기오염물질은 CO, HC, NOx, PM과 같은 배출허용기준에 의해 규제하고 있는 오염물질 뿐 아니라 벤젠, 1, 3-부타디엔, 포름알데히드, 다환방향족탄화수소류(PAHs), 다이옥신 등 많은 종류의 미규제 물질을 배출하고 있으므로 인체에 미치는 영향도 매우 복잡하다.

◆ 대기환경기준
일반적으로 대기환경기준은 국가에서 정한 기본적인 대기질의 수준을 인체의 영향정도를 기준으로 정하고 있다. 우리나라의 대기환경기준을 미국, 일본 환경기준 및 WHO 권고기준과 비교해 보면 표_1과 같다.

우리나라 주요도시의 대기오염 현황
1) 미세먼지
우리나라에서 발생하는 미세먼지는 다양하다. 도로변의 비산먼지, 자동차에서 배출되는 미세먼지(매연), 중국에서 날아오는 황사 등 다양하다. 미세먼지는 입자의 크기에 따라서 구분할 수 있다. 즉 중력에 의해 자연적으로 낙하하는 먼지를 강하분진이라 하며 공기 중 떠돌아다니는 입자의 직경이 10㎛이하의 먼지를 부유분진이라 한다.



그림_1 미세먼지 연도별 변화(환경부)




그리고 인체의 폐 속에 흡입될 수 있는 입자 직경 10㎛ 이하인 먼지를 말하는데 입자 직경 2.5㎛ 이하의 아주 미세한 먼지를 PM2.5라 하며 현재 환경기준으로 정해져 있다. PM2.5는 폐포 깊숙이 숨을 쉴 때 들어와서 장시간 노출되면 폐포에 달라붙어 폐암의 원인이 되고 있다. 특히 디젤 미세먼지는 담배와 유사하게 인체에 해로운 물질이다. 이러한 위해성을 감안, 환경부에서는 1990년부터 서울을 비롯한 대도시에 난방 등 보일러 연료로 도시가스를 사용하도록 해 많은 개선이 있었다.

2) 오존(O₃)
오존은 성층권에 존재해 태양광선의 강한 자외선을 흡수한 후 280㎚ 이상의 파장을 대류권으로 보내 지구상 생태계에 자외선 피해를 막아주는 유익한 물질이기도 하며 지표면에 존재해 대기오염을 일으키는 유해물질이기도하다. 대기 중에 존재하는 오존은 질소산화물과 탄화수소가 태양광선에 의해 광화학반응을 일으켜 생성되는 오염물질로서 대표적인 2차오염물질이다.
 
엔진에서 배출되는 질소산화물은 대부분 일산화질소(NO)이며 이는 대기 중으로 배출되며 바로 이산화질소(NO₂)로 산화된다. 대기 중에서 이산화질소(NO₂)는 맑은 햇빛에서 광화학반응 일으켜 오존을 생성한다. 오존농도는 오염물질 배출량 이외에 기온, 강수량, 오염물질 확산정도, 대기안정도 등 기상요인에 의해  영향을 받기도 한다.



그림_2 오존의 연도별 변화


3) 이산화질소
앞에서 설명한 바와 같이 이산화질소(NO₂)는 연료의 연소에 의해서 생성되며 기타 소량 생성되는 자연적인 배출원은 토양과 수중 미생물의 작용과 번개 등을 들 수 있다. 이산화질소는 오존에 의해 산화돼 질산을 생성함으로서 대기 중에 미세먼지의 농도를 증가시키고 아황산가스(SO₂)와 함께 산성비를 내리게 한다.



그림_3 이산화질소의 연도별 변화



4) 아황산가스
아황산가스는 주로 자동차 연료에 포함되어 있는 황성분이 연소되면서 배출, 이산화황이 되며 일반적으로 아황산가스로 알려지고 있다. 지금은 보일러에 사용하는 벙커C유를 비롯해 자동차 연료 규제 등이 강화돼 현재 황성분이 소량(15ppm) 함유됐다.

1990년 이전에는 연료에 황성분이 다량 함유돼 배기가스에서 나오는 아황산가스는 대기 중 광화학반응을 일으켜 황산미스트를 생성, 인체 호흡기 질환을 유발할 뿐만 아니라 전선 등을 부식시켜 끊어지게 하는 사례가 종종 있었다.


그림_4 이산화황 농도의 연도별 변화


5) 일산화탄소(CO)
일산화탄소는 연료의 불완전연소에 의해 생성되는 오염물질로 주요 배출원은 자동차, 폐기물소각, 제철소, 가정용 난방 및 산업장의 연소시설을 들 수 있다. 우리나라의 일산화탄소의 주요 배출원은 가정용 연료인 연탄이었으나 1990년대에 들어 가정용 난방 및 취사연료가 연탄에서 도시가스로 전환됨에 따라 배출량이 대폭 줄어들었고 지금은 자동차를 포함한 이동배출원 기여율이 90% 이상을 차지하고 있다.

그림_1~5를 보면 공통적으로 대기오염이 연도별로 많이 줄어드는 것을 볼 수 있다. 정부의 큰 대책으로는 1990년부터 대도시 난방 등 산업연료를 벙커C유에서 도시가스(천연가스)로 전환해 오염도를 낮췄으며 천연가스 버스 보급, 매연후처리장치 보급 등 저공해자동차 기술 도입도 한몫을 차지했다.
 
대기오염도의 변화가 적은 이산화질소(질소산화물)는 유로4 이전 자동차에서는 저감기술이 부족했고 또 다른 이유는 대도시 자동차 대수가 날로 증가해 결국 수평유지나 오히려 약간 증가하는 추세다. 따라서 저공해 자동차의 기술 보급도 중요하지만 대도시 집중화를 분산시키는 것이 가장 시급한 일이며 장기적으로 화석연료를 줄이고 대체에너지나 친환경에너지 사용을 늘려나가면 줄어들 것으로 생각된다. 


그림_5 이산화황 농도의 연도별 변화

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