[대기오염] Lecture 3. Behavior of gases

지구에 중력은 있지만 태양열이 없다면 대기를 구성하는 기체 분자들은 지표에만 존재하게 됩니다. 중력이 없고 태양열만 있다면 기체 분자는 우주 공간으로 사라지게 됩니다. 실제로는 중력과 태양열이 존재하므로 기체 분자가 대기층을 이루고 있습니다.

 

아래 표는 대기를 구성하는 주요 기체 성분 목록입니다. 

질소 78%와 산소 21%가 대부분입니다. 연소나 열공정에서는 대기 중의 질소와 산소가 반응해서 질산화물( NOx )이 생성됩니다. 화석연료를 태우지 않아도 온도가 높아지면 NOx가 생성될 수 있습니다. 반면에 황산화물(SOx)은 화석연료 연소에 의해 주로 배출되는데, 황이 석탄과 석유에 많기 때문입니다. 그래서 화석연료만 잘 관리하면 SOx 생성을 억제하기 쉽지만, NOx 생성을 줄이기는 상당히 어렵습니다. 환경규제를 심하게 하면 SO2 농도를 급격히 줄일 수 있지만, NO2 농도를 줄이기는 쉽지 않은 근본적인 이유가 지구 대기 조성에 있습니다. 

 

고등학교 화학에 나오는 기본 식입니다. 대기 중 기체상 오염물질의 부피, 질량, 농도 등은 이상기체 방정식을 이용해서 계산합니다. 

 

지구과학이나 환경공학(특히, 대기환경기사) 시험에 단골로 나오는 농도 환산 문제입니다. 부피 농도와 질량 농도를 환산해야 하는데 기본적으로 이상기체 방정식을 사용하면 됩니다. 기사시험을 위해서는 환산식을 그냥 외우는 것이 편한데, 저는 학생들에게 식을 외우지 말라고 합니다. 아래 문제를 숫자도 안 바꾸고 출제해도 꼭 틀리는 학생들이 있습니다. 

 

기체상 물질은 부피 농도(ppb, ppm)를 사용하고, 입자상 물질은 질량 농도(mg/m3)를 사용하는 경우가 많은데, 제 연구실에서는 질량 농도를 선호합니다.

 

대기오염물질 부피농도 대신 질량농도를 주로 사용하는 이유

 

대기 농도를 나타낼 때 표준상태(0 °C 도, 1기압)로 환산 부피를 사용하는 경우가 많습니다. 온도와 압력에 따라 공기 부피가 달라지므로 이를 보정해서 직접적으로 농도를 비교하기 위함입니다. 예를 들어, 여러 배출구가 있을 때 배출가스 온도 차이가 크면 부피 변화가 심합니다. 

Nm3 (Normal Cubic Meter)와 Sm3 (Standard Cubic Meter)는  모두 같은 표현입니다. 그런데 표준상태 온도를  0, 20, 25 °C 등으로 상황에 따라 다르게 정의하는 경우가 있으므로 주의해야 합니다. 국내 대기오염공정시험방법에서 표준온도는 0 °C이며, 농도는 따로 규정이 없으면 ng/Sm3로 표시합니다. 국내 모 교과서에 Nm3는 25 °C, Sm3는 0 °C 조건이라고 언급하기도 했습니다. 즉, 문헌마다 제각각이므로 확실히 정의하는 것이 좋습니다.

반면, Am3 (Actual Cubic Meter)는 실제 기온과 기압 상태에서 측정한 부피를 의미합니다. 예전 대기환경기사 책에는 m3는 따로 표시가 없으면 Sm3를 의미한다고 되어 있지만, 일반적으로 환경대기 농도를 보고하는 논문에서 m3는 Am3를 의미하는 경우가 많습니다. 

 

대기에는 기체뿐만 아니라 에어로졸(미세먼지)이 있는데 크기를 비교하는 그림과 표입니다. 미세먼지(fine aerosol)와 빗방울 크기 차이가 엄청납니다. 그래서 비가 오면서 미세먼지가 빗방물에 붙어서 지표면으로 쉽게 제거됩니다. 이를 습식침적이라고 합니다. 기체 분자는 너무 작아서 보이지도 않습니다. 

 

아래 그림도 참고하세요.