국내 대기 환경 기준

Part 3. 가스상 오염물질

1. 탄소 화합물 2. 질소 화합물 3. 황 화합물 4. 할로겐 화합물 5. 반응메커니즘 6. 광화학 오염 7. 체류시간

8. 가스상물질 처리방법

목차

국내 대기 환경 기준

항 목 기 준 측 정 방 법

아 황 산 가 스 (SO₂)

․ 연간평균치 0.02ppm이하

․

․

자외선 형광법

(Pulse U.V. Fluorescence Method)

일 산 화 탄 소 (CO)

․

․

비분산 적외선 분석법

(Non-Dispersive Infrared Method)

이 산 화 질 소 (NO₂)

‧

‧

‧

화학 발광법

(Chemiluminescent Method)

미 세 먼 지 (PM-10)

․

․

베타선 흡수법

(β-Ray Absorption Method) 미 세 먼 지

(PM-2.5)

․

․

중량농도법 또는

이에 준수하는 자동측정법 오 존

(O₃)

․

․ 1시간평균치 0.1ppm이하

자외선 광도법

(U.V.Photometric Method) 벤 젠

(Benzene)

․

(Gas Chromatograghphy) 납

(Pb)

․

(Atomic Absorption Spectrophotometry)

탄소 화합물

1) 이산화 탄소 (CO₂)

- 자연적 배출량 > 인위적 배출량 (표4-1)

- 지구 온난화 현상 발생 가능한 온실가스로 다른 온실가스에 비해 꾸준한 농도 증가와 더불어 대기 중의 농도가 높고 체류시간이 길다. (그림4-1)

- 봄 · 여름 → 광합성량 증가 → 농도 감소, 가을 · 겨울 → 광합성량 감소 → 농도 증가

2) 일산화 탄소 (CO)

- 직접적 유입 : 산불, 들불, 불완전연소과정, 식물이나 해양 (표4-2) - 인위적 배출량 = 60 %

- 청정 대기 CO농도 = 약 0.1 ppm, 도심 대기 CO농도 = 1~10 ppm

- 북반구 중위도 지역에서 가장 높은 농도 → 인위적인 CO의 유입이 가장 두드러짐 → 발생원이 많음

- 수산기(OH·)에 의한 산화 · 전환 : 𝐶𝑂 + 𝑂𝐻 ∙ → 𝐶𝑂₂ + 𝐻

탄소 화합물

3) 메탄 (CH₄)

- 탄화수소 중 가장 높은 농도이며 1.7 ppm으로 균일하게 분포

- 대기 중에서 비교적 안정하지만 체류시간은 짧다 → CO₂ 처럼 장기적 지구환경 변화에 영향

- 수산기(OH·)에 의해 산화 제거 및 CO₂로 변환 : 𝐶𝐻₄ + 𝑂𝐻 ∙ → 𝐶𝐻₃ + 𝐻₂𝑂 - 주요 발생원 : 채탄시설, 산불, 들불, 가축류 배설, 곡류생산 경작지 (표4-3)

4) 비메탄계 탄화수소화합물 (Non-methane Hydroarbon ; NMHC)

- 메탄을 제외한 모든 탄화수소의 총칭으로 화학적 반응성이 크며 보건 · 환경학적 유해 물질을 다량 포함

- 주로 도시지역이나 산업단지 인근에서 국지적, 지역적 규모로 광화학적 오존 (O₃) 형성에 기여

- 산성비 발생을 촉진하며 대기 중 입자상 물질의 농도 증가 역할로 가시도를 감소 - NMHC가 대기오염에 기여하는 역할은 매우 중요하지만 그 종류가 다양하고 농도가 낮아 측정이 어려움

- 자연적 발생 : 이소프렌(isoprene), 테르펜(terpene) 계통 화합물이 대표 - 인위적 발생 : 알케인(alkane), 알켄(alkene), 방향족화합물 등

유기물질의 종류와 특성

4) 유기화학물질 명명법에 대한 배경지식 (i)

유기물질의 종류와 특성

4) 유기화학물질 명명법에 대한 배경지식 (ii)

탄소 화합물

5) 휘발성유기화합물 (Volatile Organic Pollutants; VOC)

- 탄화수소 (Hydrocarbon)뿐만 아니라 할로겐화합물 등을 모두 포함하는 물질 그룹 - VOC는 상온상압에서 증기상으로 존재

- 대기환경보전법상 35 종의 특정대기유해물질 중에 13 종이 포함됨 - 인위적인 VOC 발생원은 유기용제 사용, 자동차 배출가스 등 임

- 2010년부터 benzene 대기환경기준 발효 (연간평균치 5 ㎍/m³ 이하) - Benzene, 1,3-butadiene 등은 비역치 독성, 발암성물질 임

- 지표면 오존전구물질 (올레핀계 화합물 등) - 성층권 오존층 파괴물질 (Freon류 등)

- 지구 온난화 물질 (메탄 등)

Benzene

(C₆H₆, MW: 78.1, *1)

* IARC 발암등급

1,3-Butadiene

C C C H C

H H H H

H

질소 화합물

1) 질소산화물 (NOx = NO + NO₂)

- 발생원에서 NO의 형태로 배출되므로 그 근처에서는 NO/NO₂의 비가 크지만 멀어질수록 그 비가 감소

- 자연적 발생량 < 인위적 발생량

- 화석연료 사용 시 고온에 의한 열성 NOx (Thermal NOx)가 주로 발생

- 자연적 발생원 : 화전활동에 의한 산불 및 들불에서의 연소는 온도가 낮아 식물에 포함된 미량의 NH₃, HCN, CH₃CN 등 질소가 산화되어 발생, 이외에도 번개, 토양, 대기 중 암모니아 산화에 의해 발생 (표4-5)

- 화학적 반응성이 높음 → NOx + NMHC → 광화학오염 발생 - 주로 대기 중 산화작용으로 제거, 일부 건조침적에 의해 제거

2) 반응성 질소 화합물 (NOy = NOx + NOx의 연속적 반응에 의해 생성된 반응산물) - NOx, HNO₃, HNO₂, N₂O₅, HNO₄, PAN(Peroxyacetylnitrate), 기타 유기질산염, 환원성 유기화합물 포함

⇒ 이 화합물들은 NOx가 HNO₃로 최종적으로 산화되는 과정에서 발생하는 중간적인 화합물의 성격을 띤다.

질소 화합물

- PAN (Peroxyacetylnitrate ; CH₃(CO)O₂NO₂)

: 오존과 함께 광화학오염의 대표적인 화합물이며, 오존과 같이 산화력이 크기 때문에 위해성이 높다. 그러나 거의 자연적 발생원에 의존하지 않기 때문에 광화학 오염의 지표로 이용된다.

: 일상적인 대기 온도에서 쉽게 열분해, NO₂ 임시저장소 역할

⇒ 𝐶𝐻₃ 𝐶𝑂 𝑂₂ + 𝑁𝑂₂ ↔ 𝐶𝐻₃(𝐶𝑂)𝑂₂𝑁𝑂₂

- N₂O

: 대류권에서 안정하여 NOy에 포함되지 않지만 지구온난화를 일으키는 중요한 성분 중의 하나

: 성층권으로 유입되어 광분해되거나 O(1D)와 반응하여 NO 생성 → 성층권에서 생성되는 NOx의 중요 발생원

3) 환원성 질소화합물 - NH₃

: 환원성 질소화합물의 대표 물질로 NOy에 포함되지 않지만, 대기 중 수산기(OH·)에 의해 산화되면서 NOx 생성에 기여 및 NOx 제거 역할

: 대기에서 산성성분을 중화시킬 수 있는 유일한 염기성 기체

: 주로 가축과 토양을 통하여 대기 중으로 유입, 일부 고체 연료의 연소과정에서도 발생

황 화합물

- 산화되어 황산염 형태로 변환되면 산성비 등 대기 중의 산성도를 높이는 가장 중요한 요인으로 작용한다.

- 황산은 주로 입자상 물질로 존재하기 때문에 대기 중 입자상 물질의 농도를 증가시켜 가시도를 감소시키는 역할을 한다.

- 황화합물은 산화상태가 클수록 용해성이 증가하고 증기압이 작아진다.

1) 이산화황 (SO₂)

- 인간의 활동과 관련된 황화합물 중 절반이상을 차지하는 형태로 대부분 화석연료의 사용에 의한 것이며 일부 제련, 제철활동에 의해서도 발생된다.

(자연적 발생 : 화산활동, 산불 등)

- 산업활동의 증가와 함께 증가되며 SO₂ 증가 경향은 CO₂의 형태와 매우 유사하다.

(그림4-5)

- 대기 중으로 유입된 SO₂는 물에 매우 잘 녹고 반응성이 크기 때문에 입자상 물질의 표면이나 물방울에 흡착된 후 대부분 황산염으로 산화 및 제거된다.

- 청정대기 농도 → 수십 ppt , 대도시 지역 농도 → 수십 ppb , 공장 굴뚝이나 화산 연기 속 농도 → ppm

황 화합물

2) 황화수소 (H₂S)

- 무산소 상태에서 미생물의 호흡과정과 화산활동에 의해 주로 발생

- 해양 퇴적층의 경우 다량의 H₂S를 배출하지만 배출된 대부분의 H₂S가 대기로 유입 되기 전에 해수 중에서 산화되기 때문에 실질적 기여는 미미하다.

- 대기 중의 H₂S는 대부분 수산기(OH·)에 의해 산화 제거 → 그 결과 SO₂ 생성

3) 카르보닐황 (OCS)

- 대류권에서 매우 안정 → 성층권으로 서서히 유입 → 광분해반응

- 반응성이 작아 청정대기대류권에서 가장 높은 농도를 나타내는 황화합물로(500ppt) 거의 일정한 농도 유지

황 화합물

4) 중메틸황 (DMS)

- 주로 자연적 발생원으로부터 배출

(해양 대기 → 100 ppt, 부영양화된 연안지역 → 수 ppb, 육상 → 20 ppt 이하) - 자연적 발생원 : 주로 해양의 부유성 식물, 호기성 유기토양이나 일부 육상식물 - 인위적 발생원 : 제지, 펄프공장 등

- 산화 과정

: DMS는 OH에 의해 매우 빠르게 산화되는데, 중간산물로 SO₂나 MSA (Methane sulfonic acid ; CH₃SO₃H)를 형성하고 최종적으로 SO₂^2-로 산화된다.

⇒ 𝐶𝐻₃𝑆𝐶𝐻₂ + 𝑂𝐻 → 𝑆𝑂₂ 또는 𝑀𝑆𝐴 → 𝑆𝑂₄²⁻ (4 · 30)

- 해양에서 대량으로 유입되는 DMS가 산화될 때 생성되는 중간산물 SO₂나 MSA는 입자상 물질이므로 대기 중에서 응결핵으로 작용해 구름의 형성을 촉진한다.

⇒ 구름의 증가는 복사에너지의 수지에 영향을 줄 수 있으며 이는 전지구적인 기상변화요인으로 작용할 수 있다.