환경자료실

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5. 질소산화물가. 성상

(1) 특성

  질소산화물에는 안정한 N₂O, NO, N₂O₃, NO₂, N₂O₅ 등과 불안정한 NO₃가 존재하며, 대기환경에서 문제가 될 만큼 존재하는 것들은 NO 및 NO₂로, 통상 이들 물질을 대기오염 측면에서 질소산화물(NOx)이라 한다.

(가) NO : 물과 황산에 약간 용해되는 자극성 냄새의 무색 기체로써 대기중에 높은 농도로 배출될 경우 갈색을 띤다.

(나) NO₂ : 알카리 및 클로로포름에 용해되는 자극성 냄새의 적갈색 기체이다.

(2) 성상

(가) NO : 분자량 : 30, 비중 : 1.34, 녹는 점 : -163.6℃, 끓는 점 : -151.8℃

(나) NO₂ : 분자량 : 46.01, 비중 : 1.58, 녹는 점 : -9.3℃, 끓는 점 : 21.3℃

나. 생성 및 소멸

(1) 생성

(가) 자연적 : 토양중의 세균에 의해 주로 생성된다.

- 대기중에서 자연적 원인에 의한 농도는 아주 저농도로 문제되지 않는다.

(나) 인위적 : 화학물질 제조공정, 질산에 의한 금속 등 처리공정, 화석연료를 사용하는 내연 기관 및 연소시설 등이다.

1) 내연기관이나 연소시설에 공급된 공기중의 질소가 고온에서 산화하여 NO가 되고 대기 중으로 배출되어 NO₂로 산화된다.

2) NO 평형농도는 527℃에서 2ppm, 1,538℃에서 37,000ppm, 2,200℃에서 25,000ppm 이다.

(2) 소멸

(가) 소멸기전 : 질소산화물은 자연계에서 질소순환과정을 통해 생성되기도 하고 다른 물질로 전환되기도 함. 즉 대기중의 N₂ 고정에 의해 생성되는 NO₂는 다시 수화되어 질산이 되고, 또한 질산염으로써 지표에 침강하여 유기물의 성장에 필요한 비료가 된다.

(나) 배경농도 : 질소 순환계를 통한 질소산화물의 평균 배경농도는 NO가 0.5ppb, NO₂가 1ppb정도이다.

다. 독성 영향

(1) 급·만성 독성

(가) 질소산화물은 식물보다 사람이 피해를 받기 쉽고, NO₂는 NO보다 독성이 5∼10배 정도 강하나 도시 대기 중에 존재하는 정도의 저농도에서는 폐기능과 생리반응에 거의 영향을 주지 않으나 고농도에서는 점막을 심하게 자극하고 메타헤모글로빈을 형성, 기도와 폐에 영향을 준다.

(나) 일반적으로 NO나 NO₂는 단독으로 존재하기보다는 두 물질이 함께 존재하는 경우가 대부분으로, 두 물질이 고농도일 경우는 눈과 호흡기 등에 자극을 주어 기침, 인두통, 현기증, 두통, 구토 등이 나타난다.

(다) 노출량이 많을 경우 호흡촉진, 부정맥, 불안감이 나타나고 심하면 폐수종, 혈압상승 등이 나타나 의식을 잃게 되며, 저농도에 장기간 노출되는 경우에도 만성중독으로 기관지염, 폐기종, 위장병, 불면증 등을 일으키며 혈당의 감소 또는 헤모글로빈의 증가 등을 가져온다.

※ 로스앤젤레스 스모그

(라) 주로 자동차로부터 배출되는 질소산화물과 탄화수소가 햇빛과 반응하여 생성되는 광화학스모그가 주된 원인물질로

(마) 이 지역은 지리적으로 서쪽이 태평양에 접해 있는 분지로서 연간 평균풍속이 2.8m/초이며북태평양 동부에 반영구적으로 존재하는 고기압의 동쪽 끝에 위치하고 있기 때문에 여름과 겨울에는 항상 침강성 역전층이 형성되므로 도시에서 발생한 오염물질이 상공으로 확산되지 못하고 축적되어 있으면서 강한 햇빛에 의해 광화학반응을 일으켜 스모그를 생성시킨다.

(바) 1940년, 미국 로스앤젤레스 지역에서 처음 발생하여 식물에 피해를 주었고, 1950년경에는 사람에게도 큰 피해를 준 대기오염사건으로

(사) 1954년부터 이곳 대부분의 시민이 눈, 코, 기도, 폐 등의 점막에 지속적이고 반복적인 자극과 일상생활에 있어서 불쾌감을 호소하였으며, 가축 및 농작물에 피해를 주었고, 고무제품의 노화등 재산상의 피해도 크게 나타났다.

(아) 1955년에는 대기 중 오존농도가 0.5ppm을 기록하였으며,

(자) 1979년 가을에는 주민의 83%가 육체적으로 불쾌하거나 건강에 대한 불안을 호소하였으며, 조사에 의하면 주민 57%는 눈에 통증과 자극을 느꼈고, 4명 중 1명은 두통, 호흡기 자극, 인후염 등을 호소하였다.

(2) 인체 노출량 관계

(가) 질소산화물은 물에 녹지 않기 때문에 상기도를 통하여 호흡기의 심부에 도달해 폐점막을 해치고 폐조직에 염증을 일으켜 병원균에 대한 저항성을 약화시키며, 장기 및 조혈조직에도 영향을 미친다.

(나) 질소산화물이 인체에 미치는 영향은 농도 및 노출시간과 밀접한 관계를 가진다.

라. 규제법규 및 각종 기준

(1) 환경기준

  질소산화물(NO₂로서)은 환경정책기본법 시행령 제 3조에 환경기준 항목으로 설정되어 있으며, 우리나라의 이산화질소 환경기준은 표 3.5.1에서 보는 바와 같이 여타 국가와 대동소이하다.

표 3.5.1 주요 국가별 질소산화물 환경기준
 

(2) 배출허용기준

(가) 우리나라

1) 질소산화물은 대기환경보전법 제9조와 관련하여 시설 및 단계별로 배출허용기준을 정함

2) 시설별 기준은 '98년까지는 기체연료를 사용하는 발전용 내연기관만이 1,200ppm에서 500 ppm으로 강화된 것을 제외하고는 200∼1,400ppm으로 설정되어 있으며, '99년부터는 200∼950ppm을 준수하도록 예시하고 있으나 시설별 세분류가 되어있지 않아 효율적인 관리가 어려운 실정으로 2003년 배출기준에는 시설을 세분화하고 배출농도를 강화함으로서 배출량을 억제할 수 있도록 추진하고 있다.

3) 일부 배출시설에 대한 질소산화물 배출허용기준은 표 3.5.2와 같다.

표 3.5.2 일부 배출시설의 질소산화물 배출허용기준
 

4) 노동위생상 허용한도는 시간가중 평균치(TWA)로 NO는 25ppm, NO₂는 3ppm이다.

(나) 선진국

미국, EC, 일본 등의 NOx 배출 규제치는 표 3.5.3과 같다.

표 3.5.3 미국·EC·일본의 배출규제치
 

1 : 1995. 1. 1부터 적용, 주2) 2000. 1. 1부터 적용

1) 일본

가) '73년도에 배출허용기준을 설정한 이후 5차례에 걸쳐 농도규제치를 강화하였으며, 동 경등 3개 지역에 대해서는 총량규제를 실시하고 있다.

나) 이러한 규제의 강화로 2단연소법, 배가스재순환법, 저NOx버너 등의 보급이 일반화되 어 가고 있으며, '92년도까지 설치된 배연탈질시설의 대수는 총 715기에 이른다.

2) 미국

가) 화력발전에 의한 질소산화물 배출 기여율이 33%에 상당하며,

나) '90년도에 개정된 대기청정법에서 이들 화력발전시설에 대한 배출규제를 강화하여 저 NOx버너의 채용으로 저감시킬 수 있는 수준인 연간 질소산화물 배출량 200만톤 삭 감을 2000년까지 달성할 계획이다.

마. 오염현황

(1) 이산화질소 배출량

  우리나라의 연간 이산화질소 배출량은 청정연료의 공급확대 및 저공해 자동차의 보급 등에 따른 정책효과의 시점에 따라 큰 변동을 보이고 있다.

(가) 즉 저공해 자동차의 보급으로 이산화질소의 배출량은 '89년을 피크로 하여 점차 감소하다 '90년대 초부터 자동차의 급속한 증가로 다시 증가하는 추세를 보이고 있다.

(나) '97년 이산화질소 총배출량은 1,278천톤으로 부문별 발생량을 보면 수송 48%, 산업 30%, 발전 16%, 난방 6%로 수송부문에서의 배출비율이 가장 크게 나타나고 있다.

그림 3.5.1 부문별 이산화질소 배출량

표 3.5.4 국내 1-3종 배출시설의 NOx 배출량 순위 (ton/yr)
 

(2) 도시별 이산화질소 연평균 농도

(가) 그림은 주요 도시의 환경중 이산화질소의 연평균 농도를 보인 것으로 서울의 경우 선진 국 도시와 대등소이한 30ppb 내외를 보이고 있다.

(나) 장기기준(1년 평균)을 초과하는 사례는 없으나 반포 측정소의 경우 24시간 평균농도의 99%에 해당하는 고농도가 기준을 초과하는 등 단기 기준을 초과하는 사례는 '95년 이후 꾸준히 증가하고 있다.

(다) 자동차 등의 증가로 인해 질소산화물 배출량도 증가하는 추세이며 서울, 부산, 대구 등이 고농도로 나타나고 있다.

표 3.5.5 이산화질소 단기기준 초과현황
 

그림 3.5.2. 7대도시의 10년간 이산화질소농도 변화추이

바. 문제점

(1) 자체적으로 독성을 갖고 있을 뿐만 아니라 대기중에서 산성비를 유발하고, 광화학 반응을 일으켜 2차 오염물질인 오존 및 PAN과 같은 광화학산화물을 발생시킨다.

(2) 저감 대책에 있어서도 연소시의 연료중 질소 성분보다는 연소공기 중의 질소에 의한 발생이 대부분이므로 연료의 개선으로는 질소산화물 저감대책이 어렵다.

(3) 따라서 연소시설의 개선 및 탈질기술에 크게 의존해야 하나 국내에서는 이러한 대책이 경제적, 기술적 이유 때문에 아직 널리 보급되지 않고 있다.

사. 대책

(1) 질소산화물 저감정책은 자동차 등 이동오염원에 대한 오염저감을 역점으로 추진해야 한다.

(2) 점오염원의 질소산화물의 저감방법으로는 발생원으로부터 NOx의 배출을 억제하는 방법과 배출가스중의 NOx를 제거하는 방법을 들 수 있음. 이에 따라 2003년 이후 배출기준을 강화함으로서 방지시설의 설치를 유도할 계획이다.

(3) 공장과 같은 고정발생원과 자동차와 같은 이동발생원에 대해서는 서로 다른 대책을 강구해야한다.

(가) 고정발생원에 대한 배출억제책으로 저질소 연료의 사용과 저NOx 버너, 다단연소법, 배가스재순환법 등과 같은 연소개선책이 필요

(나) 배가스처리측면에서는 선택적 촉매환원법(SCR)과 선택적 비촉매환원법(SNCR) 등이 적용되고 있으며, 최근에는 플라즈마나 전자빔을 이용한 처리방식도 연구

참고문헌  

1. 국립환경연구원, (1998), 대기오염물질 배출량.

2. 김희강외, (1993), 대기오염개론, 동화기술.

3. 환경부, (1995), 대기오염측정종합자료집.

4. John Quarles etc., (1990), The New Clean Air Act, Morgan, Lewis & Bockius.

5. OECD, (1995), OECD Environmental Data.

6. Leighton S. Cochran, (1992), Selected International Receptor-Based Air Quality Standards, Air & Waste Management Association Vol 42, No. 12.

7. 環境廳, (平成 6年), 環境白書.

8. 環境保全對策硏究會, (平成 5年), 大氣汚染對策の 基礎知識.

작성자 : 대기공학과 연구관 홍지형(공학박사)