자동차 배출가스 오염물질 종류와 대기오염

자동차 배출가스 성분

  자동차 연료인 휘발유나 경유 등 석유계 물질은 완전연소한다면 산소와 결합하여 수증기(H 2 O)와 이산화탄소(CO 2 )만 생성합니다. 그러나 실제로 완전 연소되지는 않습니다. 불완전 연소하면 수증기나 이산화탄소가 아닌 유해물질이 형성되어 배기가스에 섞여 나옵니다. 중간 속도로 가솔린 기관을 운전할 때, 질소(70%), 이산화탄소(18%), 수증기(8.2%), 유해물질(1%) 정도로 배기가스가 이루어집니다.

유해가스 물질의 구성

• 일산화탄소(CO)
• 탄화수소(HC)
• 질소산화물(NOx)
• 디젤의 경우 매연, PM(Particulate Matters) 추가

 

 

일산화탄소(CO)

무색, 무취의 유독가스인 일산화탄소(CO)는 공기 부족상태에서 연소될 때 발생됩니다. 즉 혼합비(=연료/공기)가 높을수록 CO는 증가합니다. 그러나 공기 과잉일지라도 공기와 연료가 잘 혼합되지 않으면 CO가 생성됩니다. CO는 인체 흡입시 혈액 중의 헤모글로빈(Hb)과 결합하여 혈액의 산소운반작용을 방해합니다. CO가 0.3%(체적비) 이상 함유된 공기를 30분 이상 호흡하면 목숨도 잃을 수 있습니다.

 

탄화수소(HC)

탄화수소(HC)란 탄소(C)와 수소(H)로 조성된 화합물을 말합니다. HC는 배기가스뿐만 아니라 블로바이 가스나 증발가스 중에도 포함되어 있습니다. 불완전 연소로 형성된 배기가스 중 탄화수소는 그 형태가 다양합니다. 불완전 연소로 인한 HC는 CO와 마찬가지로 공기가 부족한 상태이거나 희박한 상태에서 연소가 진행될 때 주로 발생합니다. 또 연소실 표면 근처와 같이 충분히 고온인화염이 전달되지 않는 구석진 곳에서도 발생합니다. HC는 호흡기계통과 눈을 심하게 자극하고, 암을 유발하거나 악취의 원인이 되기도 합니다.

 

질산화산소(NOx)

일산화질소(NO), 이산화질소(NO 2 ), 일산화이질소(N 2 O) 등 여러 가지 질소산화물을 말하며, NOx로 표기합니다. NOx는 연소실의 온도와 압력이 높고, 동시에 공기가 과잉 상태일 때 주로 생성됩니다. 그 중 90~98%를 차지하는 NO는 무색, 무미, 무취인 물질로서, 대기 중에서 서서히 산화되어 대부분 NO 2 로 변환됩니다. NO 2 는 적갈색이며, 독성이 있고 자극적인 냄새가 납니다. 특히 호흡을 통해 점막분비물에 흡착되면, 산화성이 강한 질산으로 바뀐다. 이렇게 생성된 질산은 호흡기 질환(기관지염, 폐기종 등)을 유발하고 폐에 수종이나 염증을 유발할 수도 있으며, 눈에 자극을 주는 물질입니다. NOx는 이외에도 오존의 생성, 광화학 스모그 발생, 수목의 고사에 영향을 미치는 것으로 알려져 있습니다.

 

입자상 고형물질(Particulate Matters, PM)

가솔린기관은 디젤기관에 비해 입자상 고형물질(PM)이 무시해도 좋을 만큼 적게 생성됩니다(디젤기관의 1/20~1/200 수준). 자동차용 디젤연료는 공기가 부족한 상태에서 연소되면 순식간에 고형의 탄소핵이 생성됩니다. 이 탄소핵은 수소/탄소의 원자수 비가 약 0.1 정도로서, 직경 0.02~0.03㎛의 입자 수백 개가 뭉쳐진 고형 미립자(평균 입경 0.1~0.3㎛)입니다. 이는 머리카락지름(100㎛)의 1/300~1/1000 크기입니다.

 

자동차로 인한 대기오염

자동차 배출가스 1차 오염물질

자동차에서 직접 방출되는 형태인 1차 오염물질 중 대표적인 것은 NO2입니다. 수도권 지역에서는 자동차 등 이동오염원이 방출하는 NO 2 *가 2015년 75.1%를 차지하여 비중이 큽니다.

 

자동차 배출가스 2차 오염물질

자동차 배출가스에 들어 있는 1차 오염물질은 대기 중에서 화학반응에 의해 2차 오염물질을 생성하며, 그 대표적인 것은 미세먼지와 오존입니다.

 

■ 미세먼지

상당량의 미세먼지(PM 2.5 )*는 질소산화물(NOx), 휘발성유기화합물(VOCs), 암모니아(NH 3 ) 등의 가스상 전구물질이 특정조건에서 화학반응을 일으켜 2차적으로 생성됩니다. 자동차 배기가스는 반응성이 강한 물질과 화학 반응으로 2차 유기물 입자(Secondary Organic Particles)가 되기도 합니다.

각종 불완전 연소과정에서 발생한 질소산화물(NO, NO2 )은 O3 와 반응해 NO3 가 되고, NO 3 는 물과 반응하여 HNO3 를 생성합니다. HNO3 는 대기 중에 NH 3 등과 반응하여 질산암모늄(NH4NO3, Ammonium Nitrate) 등 미세먼지를 구성하는 물질이 됩니다.

 

자동차 배기가스 이외에 화석연료의 연소 과정에서 발생하는 황산화물(SO2)은 물과 직접 반응하여 아황산(H2SO3)을 생성하고 아황산은 급격히 산화하여 황산(H2SO4 )이 됩니다. 황산(H2SO4)은 암모니아와 복합적인 반응을 거쳐 황산암모늄((NH4)2SO4, Ammonium Sulfates)과 같은 미세먼지 입자를 생성합니다.

 

■ 오존

전체 오존(O 3 )의 약 90%는 지상 20~40km 사이의 성층권에 존재하면서 태양광선 중 생명체에 해로운 자외선을 흡수하여 지상의 생물들을 보호하는 ‘좋은오존’입니다. 반면, 나머지 10%는 지상 10km 이내의 대류권에 존재하여 지표 오존이라고도 하는데 호흡기나 눈을 자극하는 ‘나쁜 오존’이라 할 수 있습니다.

 

지표 오존은 가정, 자동차, 사업장 등에서 대기중으로 직접 배출되는 오염물질이 아니라, 질소산화물(NOx), 탄화수소(HC), 메탄(CH 4 ), 일산화탄소(CO) 등과 같은 대기오염물질들이 햇빛에 의해 광화학 반응을 일으켜 생성되는 2차 오염물질입니다. 특히, 질소산화물(NO, NO 2 )과 휘발성유기화합물(VOCs)이 오존의주요한 원인물질입니다.

 

대기 중에 벤젠(C6H6 ), 톨루엔(C6H5CH3) 등 휘발성유기화합물이 없이 질소산화물만이 존재하는 경우라면 먼저 일산화질소(NO)가 이산화질소(NO 2 )로 산화되고, 이산화질소가 햇빛(자외선 중의 장파와 가시광선 중의 단파에너지, hν*)에 의해 산소원자(O)와 NO로 광분해됩니다. 그리고 산소원자는 대기 중의 산소분자(O2)와 반응하여 오존(O3)을 만들며, 이 오존은 다시 NO를 NO 2 로 산화시키는데 소비됩니다. 따라서 휘발성유기화합물이 없는 대기중에서는 오존의생성과 소멸이 균형을 이루어 오존농도가 증가없이 일정하게 유지됩니다.

그러나 휘발성유기화합물(VOCs)이 존재하면 산소원자(O)와 휘발성유기화합물의 반응으로 과산화기(RO2 , R은 유기물을 나타냄)가 생성되는데, 이 과산화기가 오존 대신에 NO를 NO 2 로 산화시키는 역할을 합니다. 그 결과 오존이 덜 소모되어 대기중의 오존농도가 증가합니다. 이와 같은 이유로 햇빛이 강한 하절기의 낮 시간대에 오존 주의보가 자주 발령되는 것입니다.

 

 

 

 

수도권 대기오염도

서울의 경우 미세먼지 농도는 2001년 71㎍/㎥에서 2017년 44㎍/㎥으로 상당히 개선되었으나, 이산화질소의 농도는 2001년 37ppb*에서 2017년 30ppb로 개선이 미흡한 상황입니다.

* ppb(Parts Per Billion) : 10억 분의 1(=10 -9 )

 

서울의 대기오염도를 세계 주요 도시와 비교하면 여전히 높은 수준이다. 2017년기준으로 서울의 미세먼지(PM 10 )* 농도는 일본 동경 보다 2.6배 높고, 프랑스 파리와 영국 런던 보다 각각 2.1배, 2.6배 높았습니다.

* 미세먼지(PM 10 ) : 지름 10㎛ 이하의 입자물질로 호흡기 질병이나 폐기능 저하의 원인이 됨

 

이산화질소(NO 2 ) 농도는 동경 보다 1.9배, 프랑스 파리와 영국 런던 보다는 1.5배높은 수준입니다.

 

 

수도권 대기개선 특별대책이 시행된 2005년 이후 수도권 지역의 오존 주의보(120ppb 이상/시간) 발령 횟수는 크게 개선되었으나 2012년 이후 또다시 급증추세를 보이고 있습니다. 이는 자동차의 급증에 따른 이산화질소, 오존 등 2차 오염물질의 증가 때문으로 풀이됩니다.