[대기오염] Lecture 12. 유해대기오염물질 - 잔류성유기오염물질

잔류성유기오염물질 모니터링과 모델링은 제 주전공 분야라서 설명하자면 끝이 없습니다. 그러나 대기오염 개론 관점에서 쉬운 내용만 설명하고자 합니다. 

 

잔류성유기오염물질은 영어로 Persistent organic pollutants (POPs)입니다. 줄여서 '팝스'라고 발음합니다. 다이옥신이 대표적인 물질로서 다음 그림과 같이 독성, 잔류, 생축적, 다매체 거동, 장거리 이동의 특성을 갖는 유기화합물질을 의미합니다. POPs는 스톡홀름협약(http://chm.pops.int)에 의해 전 세계적으로 규제되고 있습니다. 우리나라도 이 협약에 가입되어 있고, 환경부를 비롯한 여러 다부처에서 관련 업무를 수행하고 있습니다.  

 

POPs는 크게 유기염소계농약류, 산업용 화학물질, 부산물로 구분됩니다. 스톡홀름 협약이 시작될 때는 12개 물질이 규제대상이었는데 계속 물질이 늘어나고 있습니다. 유기염소계농약류는 영어로 줄여서 OCPs라고 합니다. 대표적인 물질이 DDT와 같은 농약입니다. 산업용 화학물질에는 폴리염화비페닐(PCBs), 브롬화계 난연제, 과불화화합물 등이 있습니다. 부산물에는 다이옥신 등이 포함되어 있습니다. 도시쓰레기 소각로 등에서 비의도적으로 불완전연소에 의해 배출되는 물질이 포함됩니다. HCB는 농약으로 사용되기도 하고 부산물로 배출되기도 하고, PCBs와 PCNs은 산업용으로 생산되기도 하고 부산물로 배출되기도 합니다.

 

초기 규제대상 12종의 화학구조입니다. 벤젠고리 등에 염소가 많이 치환된 구조를 보입니다.  

 

2009년에 추가된 9종의 신규 POPs입니다. 염소계 물질도 있지만, 브롬화계 난연제와 과불화화합물도 있습니다. 이를 종합하면 할로겐족 원소가 많으면 나쁜(?) 물질일 가능성이 높습니다. 

 

그 이후에 추가된 물질 구조식입니다. 역시, 염소와 브롬이 치환된 물질들입니다.

 

스톡홀릅 협약에서 신규 규제대상물질이 계속 제안되고 있고 네버엔딩 스토리가 되고 있습니다.

 

대부분의 POPs는 주로 대기로 배출되어 다매체 거동을 거치는데, PFOS와 같은 과불화화합물은 비극성 탄소 사슬(non-polar carbon chain)과 극성 치환기(polar head)를 함께 가지고 있어서 주로 하폐수처리장을 통해서 하천으로 유입되고, 물뿐만 아니라 다양한 환경매체에 축적되기도 합니다. 요즘 가장 인기있는 연구대상 물질입니다.

 

우리 연구실에서 2017년에 게재한 논문입니다.  https://doi.org/10.1016/j.envpol.2016.09.063

 

환경거동 차원에서 제게 크게 관심있는 물질이 아니라서 이 연구 이후에는 과불화화합물 연구를 별로 안 했는데, 지금 우리나라를 포함해서 전 세계적으로 관련 연구가 대세가 될 줄 몰랐습니다.

제게는 여전히 "재미없는" 물질이지만, 우리 연구실 학생들은 관심을 갖고 있어서 표준물질(시약) 다시 구입해서 다매체 시료 분석 예정입니다.   

 

2019년에는 이 물질에 관한 헐리우드 영화까지 개봉했습니다. 

 

DARK WATERS - Official Trailer [HD] - In Select Theaters November 22

 

 

POPs는 대기뿐만 아니라 모든 환경매체에 분포합니다. 아래 그림과 같이 과불화화합물을 제외한 대부분의 물질은 대기로 먼저 배출되 이후에 기체/입자 분배, 장거리 이동, 대기 침적, 토양 오염, 토사 유출로 인한 담수와 해수 오염, 퇴적, 대기-지표 기체교환 등을 거칩니다. 이렇게 복잡한 환경거동을 거치므로 모니터링(측정분석)만으로는 한계가 있어서, 다매체 모델이 필요합니다. 보통 연소기원 물질은 겨울에 농도가 높고(화석연료에서 배출되는 경우가 많으므로), 상업용 제품은 여름에 농도가 높습니다(여름 기온 상승으로 지표 환경매체에서 휘발 증가). 또한, POPs는 반휘발성물질(SVOCs)이라서  대기에서는 기체와 입자로 분배되는데, HCB와 같이 휘발성이 높은 물질은 주로 기체에, 다이옥신과 같이 분자량이 크고 휘발성이 약한 물질은 주로 미세먼지에 흡착된 상태로 대기 중에 분포합니다. 

이 그림은 제가 캐나다에서 박사 연구원으로 있을 때 만든 그림인데, 아직까지  많이 사용합니다.

 

아래 그림은 POPs가 전 지구적으로 어떻게 장거리 이동을 거치는지 설명하는 그림입니다.

포닥 지도 교수님이신 Wania 교수님의 그림을 일부 수정한 그림입니다.

 

POPs는 주로 중위도에서 배출되는데 극지나 고산지대로 이동하면서 저온 응축(cold condensation/trapping)되면서 지표 매체에 축적됩니다. 한편, 저위도에서 고위도로 이동하면서 분자량이 큰 물질은 주로 배출원 주변에 남고, 가벼운 물질이 더 많이 이동하게 되는데 배출원으로부터 거리가 멀어질수록 가벼운 물질의 비율이 높아집니다. 이것을 global fractionation 또는 global distillation이라고 합니다. 원유를 끓는점에 따라서 아스팔트, 중유, 가솔린 등으로 나누는 증류와 같은 원리입니다. 또한, POPs는 대기로 휘발되었다가 침적되었다가 기온이 증가하면 다시 휘발되는 과정을 거치는데 마치 메뚜기가 뛰는 것 같다고 해서 grass hopping이라고 합니다.  

 

POPs에 관한 가장 유명한 책이 레이첼 카슨(Rachel Carson - Wikipedia)의 침묵의 봄입니다. 제가 UNIST 소식지에 기고한 글을 참고하세요.  

https://news.unist.ac.kr/kor/unist-magazine-2017-summer_our-idol-scientists/

화학물질 위험 경고한 환경과학자

 

다음은 2005년에 포항공대 신문에 기고한 글과 2014년에 환경부 인증 받은 기사입니다. 

다양한 환경매체와 다수지점에서의 장기 모니터링 필요 - 포항공대신문

울산과기대 '잔류성 유기오염물질 측정기관'에 지정 | 연합뉴스

 

수업시간에는 다이옥신 구조와 독성 등에 대해서도 다루었는데, 너무 상세한 내용이고 다이옥신 연구에 대해 소개하는데도 몇 시간이 걸리기 때문에 생략합니다. 관심있는 학생들은 예전에 올린 포스트에서 전문서적을 다운받을 수 있습니다.

 

환경기술전문서 "다이옥신 관리기술" 소개