대기오염 및 제어 l대기의 특성 l대기오염물질 l대기오염과 미기상

대기오염 및 제어 l대기의 특성 l대기오염물질 l대기오염과 미기상 l대기오염 방지기술

대기권의 일반적 특성 • 대기권 • 대기전체 질량 : 5. 2 × 1015 ton • 대류권, 성층권, 중간권, 열권 • 대류권이 대기오염의 주관심대상

대기의 특성(1) 대기 : 지구 위에 존재하는 전체 기상부분 (지구상의 공기) 정상적인 건조 공기의 구성 화합물(영문명) 부피/부피 기준 무단위농도 (ppm) 질량농도 (μg/m 3) N 2 (nitrogen) 780, 900 (78. 1 %) 8. 95 x 108 O 2 (oxygen) 209, 400 (20. 9 %) 2. 74 x 108 Ar (argon) 9, 300 (0. 9%) 1. 52 x 107 CO 2 (carbon dioxide) 315 5. 67 x 105 Ne (neon) 18 1. 49 x 104 He (helium) 5. 2 8. 5 x 102 CH 4 (methane) 1. 5 9 x 102 Kr (krypton) 1. 0 3. 43 x 103 N 2 O (nitrous oxide) 0. 5 9. 0 x 102 H 2 (hydrogen) 0. 5 4. 13 x 10 Xe (xenon) 0. 08 4. 29 x 102 O 3 (ozone) 0. 01~0. 2

대기의 특성(2) • 대류권 • 지표에서 10 km 구간 • 전체대기의 70 -80% • 올라갈수록 기온 하강 (복사에너지때문) → 대류현상 발생 • 성층권 • 10 km 에서 50 km 구간 • 올라갈수록 온도 상승 (오존층 때문에) • 비행기의 주항로 (안정된 대기) • 중간권 • 50 -80 km • 높이 올라갈수록 기온 하강 (복사에너지 미도달) • 대류현상이 일어나나 수증기의 부재로 기상현상 없음 • 열권 • 80 -1000 km • 올라갈수록 온도 상승 (태양의 전류와 지구의 전류와의 정전기반응에 의함) • 일교차가 심함

대기오염이란 ? ? ? 실내공기오염과는 구분되는 실외 공기 (ambient air)의 오염 • 대기오염의 정의 : 대기중에 먼지, 유해가스, 악취 등의 바람직하지 못한 오염물질이 인간, 동식 물, 재산 등에 유해한 영향을 미칠 정도로 특정지역에 다량으로 존재하는 현상 대기오염의 범위 범 위 수직거리 시간 규모 해결을 위한 조직 국소영역 굴뚝의 높이 시간 단위 시 도시 수 Km 일 단위 군 혹은 영역 내 군 지역 대류권 월 단위 주, 지방 혹은 국가 대륙 성층권 년 단위 국가 혹은 국제적 지구 대기권 10년 단위 국제적

국소영역- 도시에서의 오염물질의 이동과 확산 대기오염문제의 수평적 규모: 거리 그 자체, 수직적 규모: 인접한 빌딩의 높이, 시간 규모: 교 통량이 한 시간에 여러 요인에 의해 쉽게 변할 수 있으므로 분으로 측정될 수 있다. 교통량의 변화가 없다면 시간규모는 상대적으로 길다.

대기오염물질의 농도표시 • 대기오염물질 • 입자상 오염물질 – 단위부피당 질량 (mg/㎥, ㎍/㎥) • 기상 오염물질 – 부피기준 ppm, ppb 등 • 미국 EPA 권고기준 : 입자상 및 기상 모두 단위부피당 질량 (mg/㎥, ㎍/㎥) 입자상 낙하물 단위면적 시간당 질량 (mg/㎠ day) • 아직까지 기상 오염물질은 부피비 ppm을 많이 사용함 (우리나라 환경기준도) • 대기오염물질 농도의 환산 (ppm ⇔ ㎍/㎥) 공식 ----- (1) 부피 ⇔ 질량 : 밀도 이용, 또는 이상기체 상태방정식과 분자량 이용 ppm (part per million) ppb (part per billion) ppt (part per trillion) : 백만분율, 10 -6 : 십억분율, 10 -9 : 일조분율, 10 -12

대기의 물리적 특성과 온도, 압력, 습도와의 관계 (1) 식에서 기체 1 mol이 차지하는 부피는 기체의 온도와 압력에 따라 변 하므로, 표준 상태(0℃, 1 atm, 22. 4 L/mol)가 아닌 경우 이상기체법칙을 이용하여 해당 조건에서 기체 1 mol이 차지하는 부피를 구해야 한다. 일반 적으로 대기질 관련 법규에서는 25℃, 1 atm을 기준으로 한다. PV = n. RT P : 절대압력 (atm), V : 부피(L), n : 대상 가스의 몰수 (mol) R : 이상기체상수 (0. 082057 [atm·L/(gmole·K)], T : 절대온도 (K) 다른 온도 및 압력에서 기체의 부피를 구하려면 이상기체식으로부터 유 도된 다음식을 사용하면 된다. ------- (2) Pa, Ta는 표준상태의 조건인 1 atm 및 273 K이며, Va는 이상기체 1 mol이 이조건에서 차지하는 부피인 22. 4 L를 말한다. Pb, Tb, Vb는 실제 상태의 값을 의미한다.

대기오염물질의 농도표시 • 예제 1 대도시에서 채취한 공기시료 중 SO 2 농도가 25℃, 1 atm에서 1. 5 ppm 이었다. 이를 ㎍/㎥ 농도로 환산하시오. • 예제 2 어떤 자동차가 25℃, 1 atm일때 CO를 부피로 2% 방출하고 있다. CO온도가 80℃ 일때 ppm농도와 μg/m 3농도를 구하여라(25℃, 1 atm일때 이상기체 1 mol의 부피는 24. 5 L이라고 가정 ).

대기오염물질의 농도표시 • 대기오염물질 농도의 환산 (ppm ⇔ ㎍/㎥) -이상기체법칙이 대기조건하에 성립된다고 가정하면, 0℃, 1 atm(760 mm. Hg)에서 • 공식 예제 1. 어느 지역의 CO 평균농도가 0℃, 1기압 하에서 240 μg/m 3이었다. ppm 농도로 표 시하여라. 예제 2. 표준상태에서 배기가스 내에 존재하는 CO 2의 농도가 0. 035%라면 mg/m 3 농도는 얼 마인가?

대기오염의 역사 산업혁명 (19세기 말 ) • 석탄 및 석유의 연소에 의한 가 스, 매연, 먼지 등의 형태로 발생 • 1848년 대기오염에 대한 법제정 이 최초로 이루어짐 • 1863년 알칼리 오염물들에 대한 대책의 법제도화가 이루어짐 이에 따른 공학적인 노력들도 여러 분야에서 시도됨 석탄의 연소를 촉진하는 급탄장치 (Stoker), 가스의 배출부에서 산성 물질을 제거하는 탈착기(scrubber), 집진시설의 개발 등 제어기술 개발 의 촉진제로 작용 근대초기 (1900 -1950년대) • • • 왕성해진 산업활동의 영향으로 도시의 크기나 공장의 규모가 빠 른 속도로 확장됨과 동시에 대기 오염도 날로 확산 연료의 연소방식에도 다양한 변 화가 일어남 대기오염역사의 큰 획을 긋는 뮤 즈계곡사건(Meuse Valley episode, 벨기에 1930), 도노라 사건 (Donora, 미국 펜실베이니 아주 1948), 포자리카사건(Poza Rica, 멕시코 1950) 천연가스를 공급할 수 있는 파이 프라인망의 구축 증기열차에 대한 수요가 디젤열 차의 개발로 인해 대체

대기오염의 역사 근대말기 (1950 -1980년대) • • 1952년 영국에서 대규모 대기오 염사건 발생 1956년에 공기정화법의 제정을 촉진한 요인으로 작용 대기질관리의 중요성을 부각시 키는 계기 미국의 로스엔젤레스시와 같은 곳에서도 스모그 현상 발생 현대 (1980년대 이후) • • 1980년대를 전후 종합적인 또는 생태학적인 차원에서 문제를 인 식함 온실가스 문제, 오염물질의 장거 리 이동현상, 산성비 등

주요 대기오염사건의 특징과 성격 사건명 발생시기 뮤즈계곡사건 1930. 12 도노라사건 1948. 10 런던사건 로스엔젤레스 사 건 포자리카사건 1952. 10 발생장소(국가) Meuse Valley, Belgium London, UK LA, CA, USA 1946 겨울 Poza Rica, Mexico Yokohama, Japan 보팔사건 1984. 12 SO 4 -mist, F-compounds 배 증가) 가정난방 및 산업시설: SO 2, aerosol 학반응: NOx, PAN, VOCs, SOx, O 3 Tokyo & 요코하마사건 산업시설: SO 2, CO, PM, 60여명의 사망자 (평상시 보다 사망자수 10 -초기 사천명 사망(첫 3주) -추가적으로 팔천명 사망 (그후 2개월간) 자동차배기가스의 광화 -도시민들에게 불쾌감 유발 ) 1950. 11 피해형태 또는 규모 Donora, PA, USA 산업시설: SO 2, SO 4 -mist 18명 사망 + 인구 14, 000명중 43% 피해 1954년 후 (빈번히 발생 배출원 및 주 원인물질 Bopal, India 산업시설: H 2 S 누출 원인 불분명 → 산업 시 설물의 배출로 추정 -가축, 과일, 식물의 생장률 저하 -산업시설물 손상 총인구 22, 000명중 320명 급성 중독 → 22 명 사망 지역주둔 미군 군속 및 가족들의 천식발병 산업시설물의 누출: 살 -시민 20, 000명 이상 응급치료 충제 (methylisocynate) -가축집단 폐사 -사건 당시 당국의 공식발표: Chernovyl, 체르노빌사건 1986. 4 USSR (우크라이 나) 원자력발전소의 시설물 204명 사망 (잠재적 피해자 감안, 수만명 추 파괴: 방사능물질의 누 정) 출 -40만 난민과 900만의 직간접피해 -상당량의 곡물 및 축산물폐기

- 수만- 수십만명 이상의 이주민 후쿠시마 원전 사고 2011. 3. 1 일본 후쿠시 1 마시 쓰나미로 인한 원 발생 자력 발전소의 시 -오염 현재 진행중 (향후 어떤 피 설물 파괴: 방사능 해가 일어날지 정확한 파악이 안 물질의 누출 된 상태)

후쿠시마 현 (일본) 면적: 767. 74 km 2 인구: 294, 171명 이자카 온천(飯坂温泉), 다카유 온 천(高湯温泉), 쓰치유 온천(土湯温泉) 등의 온천이 많고, 또 복숭아, 배, 사과 등 과일의 생산도 많다.

대기오염물질 배출(1) • 오염원 • 자연오염원 - 화산폭발 - 산불 - 해양에서의 해염입자 - 식물의 꽃가루, 탄화수소 배출 - 황사현상 - 유기물의 혐기성 소화 • 인공오염원 - 수송수단 (이동오염원) - 고정오염원에서의 연료연소 : 난방 및 전기생산 시설 - 산업시설 : 화학공장 및 석유정제시설 - 고형폐기물 처리 : 가정 및 산업쓰레기 소각 등 • 인공오염원에서 배출되는 주요 대기오염물질 - 총부유분진 (TSP, total suspended particles) - 황산화물 (SOx, sulfur oxide) - 질소산화물 (NOx, nitrogen oxide) - 탄화수소 (HC, hydrocarbons) - 일산화탄소 (carbon monooxide)

어스 아워(Earth Hour) 운동 • 세계자연보호기금 실행 • 매년 3월 마지막 주 토요일 오후 8시 30분 • 올해 전 세계 불끄기 운동은 모두 150개 나라의 6천여 개 도시가 참여 • 미국의 엠파이어 스테이트 건물 • 일본의 도쿄타워 • 서울의 남산타워 소등이라는 간단한 행위로 환경보전과 에너지 절약 등 탄소배출과 직결되는 모 든 문제에 도움을 줄 수 있다는 이 운동의 의미는 기후변화와 환경 보전과 관련 된 다양한 문제에 상당한 파장을 일으켜 왔음.

대기오염물질 배출(2) • 고정오염원 • 고정된 위치에서 오염물질 배출 • 점오염원 (point source) : 대형공장 및 화력발전소 등 • 면오염원 (area source) : 소규모 점오염원의 밀집지역 (주택단지 및 상업단지 등) • 이동오염원 • 선오염원이라고도 함. • 직선거리로 이동하면서 오염물질 배출 • 자동차, 기차, 배, 항공기 등 운송수단 • 배출량 • 일반적으로, 수송 > 연료연소 > 산업공정 > 고형폐기물 > 기타

대기오염물질 배출(3) • 미국 오염원별 대기오염물질 배출추정량 (단위 : 105 ton) • 우리나라 대기오염물질 배출 추정량 (단위 : 103 ton) 오염원 1994 1997 2000 수 송 2152 2194 2265 산 업 1333 1175 1453 발 전 643 746 698 가정난방 398 249 526 합 계 4526 4365 4942

(지방)환경청별 대기측정망 설치 현황

국내 대기환경기준 자료: 환경정책기본법 항목 기준 측정방법 아황산가스 (SO 2) 연간평균치 0. 02 ppm 이하 24시간평균치 0. 05 ppm 이하 1시간 평균치 0. 15 ppm 이하 자외선형광법 (Pulse U. V. Florescence Method) 일산화탄소(CO) 8시간평균치 9 ppm 이하 1시간평균치 25 ppm이하 비분산적외선분석법 (Non-Dispersive infrared Method) 이산화질소(NO 2) 연간평균치 0. 03 ppm 이하 24시간평균치 0. 06 ppm 이하 1시간평균치 0. 10 ppm이하 화학발광법 (Chemiluminescent Method) 미세먼지(PM 10) 연간평균치 50 μg/m 3 이하 24시간 평균치 100 μg/m 3 이하 베타선흡수법 (β-Ray Absorption Method) 오존(O 3) 8시간평균치 0. 06 ppm이하 1시간평균치 0. 1 ppm 이하 자외선 광도법 (U. V. Photometric Method) 납(Pb) 연간평균치 0. 5μg/m 3 이하 원자흡광광도법 (Atomic Absorption Spectrophotometry) 벤젠(Benzene) 연간평균치 5μg/m 3 이하 가스크로마토그래프법 (Gas Chromatography) - 1시간 평균치는 999천분위수의 값이 그 기준을 초과하여서는 안되고, 8시간 및 24시간 평균치는 99백분위수의 값이 그 기준을 초과하여서는 안된다. 미세먼지는 입자의 크기가 10μm 이하인 먼지를 말한다.

대기오염물질의 분류 • 생성원에 따른 분류 (일차오염물질과 이차오염물질) • 일차오염물질 : 오염원으로부터 대기로 배출될때의 상태 그대로 존재하는 물질 - 먼지, 황산화물, 질소산화물, 탄화수소 • 이차오염물질 : 일차오염물질 등이 대기중에서 광화학 또는 산화반응에 의해 새롭게 생성된 물질 - 오존 : 질소산화물과 탄화수소가 자외선에 의한 광화학반응으로 생성 - PAN (peroxyacetyl nitrate) • 기상 오염물질과 입상오염물질로 • 기상 오염물질 : 기준상태 (25℃, 1 atm에서)에서 기체로 존재하는 오염물질 - 황산화물, 질소산화물, 탄화수소, 휘발성 유기화합물 • 입자상 오염물질 : 매우작은 크기의 액체 및 고체 - 먼지(dust), 연기(smoke), 액적(mist), 비산재(fly ash), 훈연(fume) • 화학조성에 따른 분류 (유기화합물과 무기화합물) • 유기화합물 : 탄화수소, aldehyde, ketone • 무기화합물 : 황산화물, 질소산화물, 탄소산화물(CO와 CO 2)

대기오염이 인체에 미치는 영향 1. 인체 장해별 구분 호흡기 장해: 기관지염, 천식, 기도폐쇄장애, 인후염, 점막자극 눈의 장해: 각막 및 결막의 자극, 눈점막의 자극 정신적 장해: 정신 및 신경의 증상, 알러지성 장애 대사 장해: 혈액학적, 세포학적, 효소학적 변화 2. 인체 피해물질 폐자극성 물질: SO 2, NOx, O 3, NH 3, Cl 2, HCl 질식성 물질: CO, H 2 S, CS 2 폐섬유종 물질: 석영, 철산화물, 석면, 구리 발암성 물질: 6가 크롬, 석면 비소, 니켈, 3 -4 벤조피렌 발열성 물질 : 아연, 망간 폐육아종: 베릴륨 조혈기능 장해물질 : 벤젠, 석탄산, 톨루엔, 크실렌, 나프탈렌 중독성 물질: 납, 수은, 카드뮴, 안티몬, 망간, 베릴륨 유독성 물질: 인, 셀레늄, 황, 비소화합물, 불소화합물

기상 오염물질(1) • 황산화물 (SOx): 이산화황(SO 2), 삼산화황(SO 3), 아황산 (H 2 SO 3), 황산 (H 2 SO 4), 황산염 발생 S + O 2 → SO 2 2 Zn. S + 3 O 2 → 2 Zn. O + 2 SO 2 소멸 SO 2 + ½O 2 + hv → SO 3 SO 2 + 2 H 2 S + M → 3 S + 2 H 2 O 4 Mg. O + 4 SO 2 → 3 Mg. SO 4 + Mg. S (대기 중 산화반응) (금속 제련 과정) (광 산 화) (환 원) (염 생성) • 이산화황 : 대기환경 기준물질, 주로 연소과정중 발생 - 무색의 자극성이 강한 비가연성 기체 - 환원성을 가지며 표백효과를 나타냄 - 수증기에 용해되어 아황산 생성 - 이산화황은 수증기와 반응하여 부식성의 황산 생성 - 산성비의 원인물질 - 1 ppm 이상에서부터 인체에 치명적 영향 (0. 03 ppm부터 영향) - 0. 05 ppm 이상에서 식물에 피해 - 금속 부식, 대리석 건물 손상 등 물질 및 재료 피해

• 삼산화황 : 대기환경 기준물질, 주로 연소과정중 발생 - 상온에서는 자극적인 냄새가 나는 무색의 액체 또는 석면 모양의 결정 - 수증기 또는 안개와 반응하여 황산미스트 발생 - 분진에 흡착 또는 해염입자에 부착되는 경우 황산 에어로솔 발생 - 생성된 황산 에어로솔은 이산화황 단독으로 존재할 때 보다 독성이 강함 - 기관지 및 폐의 점막 등의 인체에 피해를 줌 발생 2 S + 3 O 2 → 2 SO 3 SO 2 + 1/2 O 2 → SO 3 소멸 SO 3 + H 2 O → H 2 SO 4 mist (연소 기관) (대기 중 산화 반응) (수증기와 반응)

SO 2 변화추이 (ppm)

기상 오염물질(2)-NOX • 질소산화물 (NOx: nitrogen oxide) • 자연적 발생 : 미생물에 의한 유기물 분해, 성층권에서의 일산화질소 생성, 양은 많 으나 대기환경에 거의 영향 없음 • 인위적 발생 : 화석연료의 연소, 운송수단 • 일산화질소(NO), 이산화질소(NO 2), N 2 O 3, NO 3 • NOx : 대기오염의 주관심대상, 일산화질소 + 이산화질소 • 광화학 반응을 일으켜 2차 오염물질인 오존 및 PAN과 같은 광화학산화물을 발생 시키는 전구물질

일산화질소 (NO: nitrogen monoxide) - 무색의 불용성 기체, 공기보다 밀도가 약간 높음 - 고온연소시 주로 발생 (N 2 + O 2 → 2 NO) - 대기중에서는 산소에 의해 산화되어 이산화질소로 생성 발생 : 연쇄반응에 의해 일산화질소가 생성 N 2 + O· → NO + N· N· + O 2 → NO + O· N 2 + O 2 → 2 NO 소멸 2 NO + O 2 → 2 NO 2 NO + O 3 → NO 2 + O 2 RO 2· + NO → NO 2 + RO· HO 2· + NO → NO 2 + OH· NO NO (산소와의 반응) (오존과의 반응) (RO 2와의 반응) (HO 2와의 반응) NO NO N 2 + O 2 → 2 NO 열에 의한 질소산화물 + 연료에 의한 질소산화물

• 이산화질소 (NO 2: nitrogen dioxide) 발생 : 대기 중에서 일산화질소의 산화에 의하여 생성 2 NO + O 2 → 2 NO 2 소멸 ①광분해로 인한 해리과정 NO 2 + hv → NO 2* (400 nm 이상) NO 2 + hv → NO· + O· (400 nm 이하) ② 질산, 질산염, 유기질소 등으로 생성됨으로써 제거 O + NO 2 +M → NO 3 + M NO 2 + NO 3 → N 2 O 5 + H 2 O → 2 HNO 3 ③광화학반응으로 생성된 수산기(OH-)와 반응 NO 2 + OH + M → HNO 3 + M ④ 이산화질소로 생성된 질산은 강수, 염기류와 반응하여 질 산염을 생성 2 NO 2 + Na. Cl → Na. NO 3 + NOCl 3 NO 2 + 2 Na. Cl + H 2 O → 2 Na. NO 3 + 2 HCl + NO

• 이산화질소의 영향 - 적갈색의 자극성 기체, 물에 대한 용해도가 큼 - 대기중에서 아질산이나 질산으로 변하여 산성비의 원인이 됨 - 인체에 대한 영향 * 급성피해 : 눈과 코 자극, 폐출혈, 폐쇄성 기관지염, 폐염 * 만성피해 : 10 -40 ppm 장기흡입시 폐섬유화, 폐수종 - 0. 08 ppm 에 장기간 노출시 피해 발생 시작 - 식물에 대한 피해 : 2. 5 ppm 이상에서 발생, 25 ppm 이상에서 고 사

NO 2 변화추이

세계 주요도시의 이산화질소(NO 2) 농도 (ppm)

기상 오염물질(3) 광화학산화물(Oxidants) • 1차오염물질인 질소산화물(주로 NO, NO 2)과 탄화수소는 대기중에서 sunlight에 의 해 오존, PAN (peroxy-acetyl nitrate), PBN (peroxy-butyl nitrate) 등의 광화학산 화물(2차오염물질)로 생성 • 광화학산화물의 90%는 오존

오존의 영향 • 오존의 인체영향 : 호흡기 증상, 눈, 코, 목의 자극 • 식물의 대사작용 방해 • 고무, 섬유, 페인트 산화 유발 • 피부암 증가 • 백내장과 햇볕에 의한 피부 그을음 급증 • 인간 면역 기능 억제 • 자외선 조사량 증가로 인한 농작물과 동물의 피해 • 해양의 식물성 플랑크톤 성장 억제 • 성층권의 냉각은 성층권 바람 패턴을 변화시킬것이 며 오존의 생성(또는 파괴)에 영향을 미칠것이다.

일산화탄소 (CO) - 자연적 발생 : 산불, 화산폭발, 메탄의 산화 - 인위적 발생 : 화석연료, 탄소화합물의 불완전 연소, 대부분 자동차에서 발생 - 특징 : 불용성, 비반응성, 무색, 무취, 무미의 기체 - 혈액중 헤모글로빈과 강한 결합 (산소와 결합의 200배)으로 산소전달 치 명적 방해(카복시 헤모글로빈: COHb) 공장 산불 자동차 C O 농 도 아침 늦은오후

기상 오염물질(4) 탄화수소(HC) • 자연 발생원 : 식물 (terpene 발생), 토양, 습지 (유기물 분해에 의한 methane 발생) • Terpene : 가연성의 불포화탄화수소. 일반식 (C 5 H 8)n (n≥ 2)을 갖는 탄수화물 및 이 들의 alcohol, aldehyde, ketone 등 유도체 • 인공 발생원 : 정유시설, 자동차연료의 연소, 고형폐기물 처리, 지방족 및 방향족 탄 화수소 • 배출량 : 자연발생 > 인공발생 • 탄소와 수소로 구성된 유기화합물 • 불포화지방족 탄화수소는 대기 중에서 질소산화물과의 광화학반응으로 오존과 PAN 등의 2차오염물질 발생

기상 오염물질(5) • 기상오염물질의 발생원과 피해 (요약) 항목 발생원 피 해 - 호흡기 질환 이산화황 (SO 2) 석유, 석탄의 연소과정 이산화질소 (NO 2) NO의 산화과정, 자동차 배기가스, 질산을 사용하는 표면처리 공정 - 코와 인후기 자극 - 호흡기에 악영향 - HC와 광화학스모그 발생 오존 (O 3) 자동차 배기가스 중 이산화질소와 탄화수소의 광화학반응으로 생성 - 눈자극, 농작물 피해 일산화탄소 (CO) 연료의 불완전 연소 - 혈중 헤모글로빈과 결합 산소전달 방해 탄화수소 (HC) 휘발유나 경유의 불완전 연소 - 식물의 성장피해 -이산화질소와 광화학반응으로 광화학 스모그 발생

입상 오염물질(1) • 대기 중에서 액상이나 고상으로 분산되어 존재하는 오염물질 • 액상물질 : mist, 분무 • 고상물질 : 먼지, 연기, 연무, fly ash • 입상물질의 크기 : 0. 002 – 500㎛ (대기오염측면의 주관심 0. 01 – 100 ㎛) • 입자의 크기에 따라 • 부유성 입자 : 10 ㎛ 미만의 크기 • 침강성 입자 : 10 ㎛ 이상의 크기 • 발생원에 따른 분류 • 자연 배출물 : 화산재, 꼿가루, 박테리아. • 인공 배출물 : 먼지, 연기, fly ash, 금속염, 연무 • 직접배출여부에 따른 분류 • 1차입자 : 대기 중으로 직접 배출되어 존재 • 2차입자 : 광화학반응 등으로 생성된 황산염, 질산염 등

먼지의 종류와 크기 종류 크기 (μm) 담배연기 석탄재 살충제 입자 꽃가루 바이러스 박테리아 연소입자 미세금속입자 큰 금속입자 0. 01 ~ 1 1 ~ 200 0. 5 ~ 5 10 ~ 100 0. 002 ~ 0. 05 0. 2 ~ 100 0. 01 ~ 0. 1 0. 001 ~ 100

입상 오염물질(2) • 입상오염물질의 발생원과 피해 항목 발생원 피 해 총부유분진 (TSP) 연료연소, 시멘트공장, 도로에서의 비 산 - 아황산가스와 결합하여 호흡기 질환 유발 납 (Pb) 자동차 배기가스(유연휘발유, 사에틸납 ), 납 사용 용해시설, 납제련업, 활판인 쇄업, 도장업, 납유리제조 - 납중독에 의한 빈혈, 신경장애, 두통, 현기 증 • 입도 및 호흡기 방어 메커니즘 입도 설명 메커니즘 10 μm 굵은 먼지, fly ash (육안으로 보인다) 코 앞 부분의 털이 10 μm 이상의 입자는 모두 제 거한다. 2 ~ 10 μm 연무, 먼지, 연기 입자 섬모의 운동으로 점액을 쓸어 올리면서 입자를 기 관에서 입으로 운반하며, 삼킬 수 있게 한다. 2 μm 에어로졸, 연무 폐와 임파 세포 및 식 세포가 초미세 입자의 일부 를 공격한다.

PM-10 변화추이 (μg/m 3)

대기오염과 미기상(1) 기상과 기후 기상(whether)과 기후(climate)와의 차이 -기상은 대기중에서 일어나는 하나하나의 물리적 현상인 반면, 기후는 대기 상태의 현상을 따로따로 잘라서 생각하는 것이 아니고 종합된 전체를 가리키 는 것이다. - 기후는 대기현상의 종합된 결과를 인간과 결부시켜 말하는데 있으나, 기상 은 순수한 자연현상을 대상으로 한다.

• 기상학 (meteorology) • 종합관측 기상학 (sunoptic meteorology) • 미기상학 (micro meteorology) : 소규모 특정지역의 대기상태 및 공기흐름 연구, 대기오염물질의 이동 및 분산의 원인 규명에 유용 • 심각한 대기오염 피해의 발생조건 ① 분산과 혼합을 제한하는 불리한 기상조건 ② 오염물질의 존재 ③ 특정지형조건 • 불리한 기상조건의 중요성으로 인해 기상학에 대한 관심 고조

대기오염과 미기상(2) 기상현상의 4가지 요소: 열 (기온), 압력 (기압), 바람(풍향 및 풍속), 수분 (습도) 열(기온) : 오염물질의 분산에 영향 기상의 변화를 가져오는 중요한 변수로서 대규모의 공기이동을 초래함. - 대류권에서 발생하는 열전달 방법은 온실효과, 응축-증발 사이클, 전도, 대 류 등이 있음. - 열 이동은 대기의 안정성·불안정성과 관련됨 - 대기 이동의 원동력이 되므로 오염물질의 분산에서는 대기의 안정성 또는 불 안정성을 필수적으로 고려해야 함.

바람(풍향 및 풍속) : 오염물질의 분산에 영향 오염물질의 이동 및 분산에 직접적 영향을 줌. - 풍향: 오염물질의 피해 예상지역 추정. 16등급으로 구분된 풍향의 구역별 발생 빈도를 나타낸 것으 로 북북서풍이 15% 로 가장 발생빈도가 높으며, 동풍아 가장 적었던 것을 알 수 있다. 풍향별 발생빈도

바람장미(Wind rose; 풍배도) 풍향별로 관측된 바람의 발생빈도와 풍속을 동심원상에 막대그래프로 표시한 그림 을 바람장미(Wind rose; 풍배도)라고 한다. 풍배도상에 나타나는 풍향에서 가장 빈 도수가 많은 바람을 주풍이라 하며 대기오염물질의 이동 방향을 제시하는데 유용한 자료로 쓰이고 있다.

- 풍속: 배출된 오염물질의 농도 결정, 빠른 풍속은 오염물질의 분산속도 를 높여 농도 저하 바람은 오염을 희석시키는 역할을 한다. 대기에 오염물질이 대량 배출되었을 때 이들 오염물질이 주변 대기와 혼합되는 속도는 풍속에 좌우된다. 강풍은 이들 물질을 확산시켜 그 농도를 감소시킨다. 바람이 강할수록 대기는 난류를 형성하고 난류는 맴돌이를 형성하여 오염물질이 주변의 대기와 섞여 희석되 게 한다. 반대로 바람이 약하면 오염물질은 흩어지지 않고 농도는 점점 짙어 진다.

압력(기압) : 오염물질의 분산에 영향 - 고기압에서는 대기가 안정화되어 오염물질의 분산이 어렵다. - 저기압에서는 대기가 불안정하고 비와 바람이 동반되는 경우가 많 아 분산이 잘 이루어짐 고기압: 햇빛이 나고 비교 적 안정된 날씨를 나타내 며 풍향은 시계방향으로 하강한다. 저기압: 대개 구름이 낀 하 늘, 세찬바람, 대기의 불안 전성, 전선의 형성등과 관 련이 있다.

수분(습도) : 오염물질의 분산에 영향 -습도가 높으면 비가 오기 쉬워 대기중 입상 및 용해성 기상물질의 제거에 용이하 다.

수분(습도) : 오염물질의 분산에 영향 물위의 더운 공기에서 빠른 속도 로 운동하는 수증기 분자들이 응 결핵에 충돌했다가 그 충격으로 튀어 나가지만 공기가 차가울때는 분자의 운동 속도가 느려져 핵에 엉겨붙어 응결하는 것이다.

체감율 (lapse rate) 해면에서 기압은 1기압이지만 상공으로 올라갈수록 기압은 떨어지며, 대류 권에서는 일반적으로 고도가 높아질수록 기온이 낮아진다. 이러한 온도의 변화율을 체감율이라고 한다. -고도에 따른 실제 온도변화를 실제체감 율, 주변체감율(ambient lapse rate), 우 세체감율(prevailing lapse rate), 또는 환경체감율(environmental lapse rate) 이라고 한다.

• 체감율 : 대류권내에서 고도에 따른 온도의 변화 (정상조건에서 고도에따라 온도 강하 ) • 대기중의 오염물질의 수직분산을 좌우 • 찬공기가 상층에 있으면 대기 불안정으로 수직혼합 대기의 발생 • 더운 공기가 상층에 있으면 안정된 대기로 오염물질 분산이 어려움

• 체감율의 구분 • 환경체감율 (Environmental lapse rate) : 대기중에서 수직상승하는 기구가 측 정한 고도에 따른 주변공기의 온도 변화율 (수증기가 복사에너지 출입에 따라 영향) • 표준체감율 : 6. 6℃/1 km 냉각 단열체감율 : 대기중에서 이론적인 온도 변화율 - 이상기체상태방정식 (PV=n. RT)와 열역학 제 1법칙 (d. Q=d. W+d. U)에 의해 계 산 - 건조공기의 단열체감율 (Dry adiabatic lapse rate) = 9. 8℃/km 냉각 - 포화공기 단열체감율 (Saturated or wet adiabatic lapse rate) = 6℃/km 냉 각

환경 체감률과 건조 단열 체감률의 관계 점선: 건조단열체감률, 실선: 환경체감률

안정도와 대기의 수직운동 18

기온역전 (Temperature inversion) • 대류권내에서는 고도 상승에 따라 일반적으로 온도 강하 • 기온역전 : 대류권내에서 고도가 높아지면서 대기온도가 상승하는 현상 • 역전층 : 기온역전이 일어난 대기층 • 밀도가 작은 고온공기가 밀도가 큰 저온공기 위에 있어 안정된 대기층을 이룸 → 대기의 수직운동과 난류가 발생하지 않음 → 배출된 오염물질의 이동과 확산이 억제됨 → 오염물 축적으로 인체, 동식물 등에 피해 가능성이 있음.

온도 역전에 의한 고농도 대기오염 현상 온도역전은 대기오염을 일으킨다. (a)보통공기온도는 지상에서 가장 높으며 고도가 높을수록 하강하게 된다. 따뜻한 공기가 상승하게 되면 오염물질도 상 부로 이동하게 되어 위에 있는 공기에 확산시켜 희석이 된다. (b) 온도역전상 태에서는 따뜻한 공기는 지상의 찬공기 위에 놓이게 된다. 이것은 상승기류를 봉쇄하여 밀폐된 방안의 담배연기처럼 오염물질을 축적시킨다.

• 기온역전의 종류 복사역전(radiation inversion) • 복사역전현상에서의 고도에 따른 온도분포 고도 복사역전층 온도 • 복사역전에 의해 정체된 대기오염의 경계

환경체감율의 일일변화와 복사역전 낮 동안에는 복사열에 의하여 지표면이 가열되어 지표면에 접하고 있는 공기 의 온도가 높아 지고 대기가 불안정하게 된다. 밤에는 지표면에서 복사열을 계속 방출하므로 지표면이 냉각되어 지표면에 접한 공기의 온도가 내려가고 그 보다 상공의 공기에 비하여 더 차가워져서 역전 현상이 일어난다.

• 복사역전 - 지표부근에서 발생 (수백 m 이내)하므로 지표역전이라고도 함. - 일몰 후 지표면이 복사 냉각되어 지표면에서 가까운 대기온도보다 낮 아져서 생기는 현상 - 맑고 바람이 적은 날 주로 발생 - 복사역전이 일어나면 안개가 잘 형성되고 동시에 기체와 입상 오염물 질을 가두어 두어서 오염물의 농축이 일어난다. - 보통 가을부터 봄 사이에 습도가 낮고 바람이 약한 좋은 날씨에 저녁 부터 아침동안에 발생한다. - 사막지방에서는 아침에 90%이상의 경우가 역전이 발생한다. - 복사역전은 침강역전과 달리 대기오염물 배출원이 위치하는 대기층 에서 생기므로 대기오염문제에 있어서 중요한 위치를 차지한다. - 복사역전은 구름과 바람이 없는 경우에 생기므로 대기오염물이 강우 에 의하여 씻기거나 바람에 의해서 분산될 가능성이 적기 때문에 문제 는 더 심각하게 된다.

기온역전 (3) 침강역전(subsidence inversion) 침강역전층

침강역전 • 지표면 1000 -2000 m 에서 발생 • 발달 중인 고기압은 중심부에서 기층이 침강(subsidence)하는데 이때 상층의 찬 공기가 하층으로 이동하여 기온의 역전이 발생한다. • 오염물질의 수직방향 분산을 방해한다. • 침강역전은 오염물방출원보다 높은 곳에서 생기므로 일반적으로 단기적인 대기오 염문제는 잘 야기시키지 않는다. 그러나 이런 종류의 역전은 장기간 지속될 수 있 기 때문에, 장기간에 걸친 대기오염물이 축적을 일으킬 수도 있다. • 대도시 지역에서의 대기오염 현상이 침강역전에 의하여 발생한 예가 많다.

1962년 10월 4일 로스엔젤레스의 실제온도 체감률 최초의 역전은 1000 ft에서 일어나고 있다. 이 역전층은 도시의 뚜껑 역할을 하며, 대기오염의 원인이 된다. 로스엔젤레스의 역전을 침강 역전이라고 한다. 왜냐하면 도시상공에서 침강하는 뜨거 운 공기층으로 둘러싸이기 때 문이다.

전선역전(frontal inversion) 높이에 따라 풍향이 변하고 있어서 하층의 차가운 공기 위에 따뜻한 공 기의 이류가 있는 경우 비교적 얇은 층을 형성.

난류역전(turbulent iversion) §지면 부근에서 강한 바람에 의한 난류가 발생할때 혼합층 윗면에서 역 전층이 형성. §난류가 일어날 때에는 대기오염은 적게 나타난다.

해풍역전(sea-breeze inversion) § 해풍역전은 이동성이 크기 때문에 상하 난류가 커서 지표부근의 오염 물질들을 오랫동안 정체시키지는 못한다.

체감율과 분산 환경체감율과 건조단열체감율을 비교하면, 굴뚝에서 배출되는 가스의 분 산 형태를 예상할 수 있다. 굴뚝에서 방출된 연기의 분산현상은 수직온도경사에 의해서 직접영향을 받는다.

체감률이 플룸 거동에 미치는 영향 - 날씨가 맑고 태양복사열이 강한 따뜻한 계절에 발생한다. -연기가 지면에 도달하는 경우, 분산이 완전하지 않은 굴뚝 가까운 곳 의 지표농도는 높게 될 수도 있다. - 환상형 플룸이 형성되기 쉬운 지역에서는 굴뚝을 보다 높게하여 지 면과 빨리 접촉하지 않도록 한다.

풍속이 20 m/h 이상이고 구름이 낮에 태양광선을 차단하고 밤에 지면으 로부터의 복사를 차단하면 원추형 플룸이 된다.

-연기는 원구모양이며, 환상형보다 더 천천히 분산한다. - 지면에 처음 닿을때까지의 거리는 원추형일 때가 환상형일 때 보다 더 멀다. - 원추형은 구름이 낀 날이나 밤에 바람이 강하지 않을때 발생하기 쉽다.

-대기가 매우 안정한 상태이므로 연기의 수직방향분산은 최소가 될 뿐만 아니라 수평방향의 분산도 매우 적다. - 기온 역전이 생길때처럼, 배출가스의 분산은 가장 적어진다. - 부채형의 형성시 지면에서의 오염물농도는 높지 않지만 훈증형의 발생 을 초래할 수 있다.

-대들보 플룸은 하향 혼합이 최소가 되어, 오염물이 아래쪽으로 분산되 더라도 지면에서의 농도는 별로 심각하지 않다. - 굴뚝의 높이가 역전층보다 높게 위치하면 이상태는 장기간 지속한다. - 역전이 굴뚝 높이보다 더 높은 곳까지 도달하면 상승형은 부채형으로 변한다.

-훈증형은 지표역전이 파괴되면서 발생하며 30분 정도 이상은 지속하지 않 는다. 그러나 훈증형이 해안에서의 해풍에 의하여 일어난다면 몇시간 정도 는 지속한다. - 대기오염물질의 착지농도가 높아지는 원인이 되지만, 그 지속시간은 비 교적 짧다.

-훈증형과 비슷하지만, 연기가 역전층에 도달하기 전에 큰 폭에서 분산되 므로 오염물의 농도가 대단히 낮다.

하루중 연직 기온 성분 변화에 따라 굴뚝에서 나오는 연기의 변화

예제 연기의 배출온도가 25℃이고 굴뚝의 높이가 다음과 같을때 연기의 형태는 어떻게 되겠는가? 고도(m) 온도(℃) 0 30 50 25 100 20 150 25 200 30 25 300 20

대기오염 modeling • 대기오염모델링이란? • 공장굴뚝이나 차량과 같은 오염원에서 배출된 오염물질이 대기중에 확산과정을 거쳐 서 수용체(receptor)에 도달하여 영향을 미치는 것을 모델링 방정식을 통하여 수치 혹 은 그 이외의 다른 변형된 자료의 형태로 보여주는 것. • 같은 양의 오염물질이 배출되더라도 수용체에 도달하는 오염물질농도는 오염물질의 확산을 결정하는 대기 기상조건, 주변 지형조건, 오염물질의 반응성 및 침착성에 따라 서 매우 상이하게 나타남.

가우시안 모델 가정 • 굴뚝에서 나온 연기는 유효 굴뚝 높이 H에서 연기가 진행되는 방향(예: x축)의 중심 선을 따라 이동한다. • 풍하 방향으로 이동 및 확산되는 연기는 각 중심선에 대해 가우시안 정규분포를 따 른다. • 오염물질의 배출속도는 일정하다. • 퐁속은 일정하고 배출된 오염물질의 총량은 변하지 않는다.

굴뚝의 유효높이(effective height) He = Hs + ∆H He : 굴뚝의 유효높이 Hs : 실제 굴뚝의 높이 ∆H : 연기의 상승높이 연기의 상승을 다음의 세가지로 분류하여 해석해야 한다. 1. 연기방향에 직각되게 바람이 불고 대기가 거의 중립이나 안정한 상태여서 연기의 상승이 제한된 경우 2. 연기방향에 직각되게 바람이 불고 대기가 불안정한 상태여서 연기의 상승이 제한을 받지 않으나 오염물의 최대지표농도와 그 발생위치를 알 필요가 있는 경우 3. 바람이 거의 없어서 연기가 수평으로 굽히지 않고 계속 상승해서 분산하는 경우

예제 연기의 굴뚝의 높이는 45 m이고 연기의 상승 높이는 10 m라고 가정하자. 1. 굴뚝의 유효높이는 얼마인가? 이때의 대기는 어떻한 상태인가? 2. 이때 연기의 형태는 어떻게 되겠는가? 고도(m) 온도(℃) 0 30 50 25 100 30 150 35 200 30 25 300 20

오염공기의 흐름에 대한 건물의 영향

도시에서의 열섬 (Heat lsland)의 형성 오염물질을 확산시키기 위해서는 대기의 기류가 활발히 운동을(상승기류) 하여야 하 는데 열섬 현상이 나타날 경우 도심의 하늘을 뜨거운 공기가 뚜껑처럼 덮고 있어 공 기가 정체되게 된다. 도심주변 상공의 찬 공기에 눌려 움직이기 어렵기 때문이다. 이 에 따라 배기가스를 포함한 대기 오염물질들도 함께 도심상공에 체류하면서 오염농 도가 높아지게 되는 것이다.

한반도 기후변화 전망 보고서 -한국기상청Ø 2012년 6월 중순(33. 5℃)의 기온은 2000년 6월 (33. 9℃)이후 12년 만에 최고 기록 Ø 잇따른 태풍과 집중호우로 인한 피해 Ø 북한도 12월의 혹한을 비롯해 가뭄과 집중호우, 한파 등 이상기상 현상으로 몸살을 앓음 경기도 광주시 퇴존면의 한 농장에서 자라고 있는 가을 토마토. 발화기 일조량 부족 과 열매 생육기 저온현상으 로 작황 부진을 겪은 모습 지구온난화의 영향 Ø폭염, 열대야, 집중호우가 늘어날 것으로 예 상 Ø 2100년쯤에는 서울 시민들이 반년에 가까운 긴 여름을 보낼 수 있다는 전망이 최근 나옴 Ø 방출된 온실가스는 최대 200년까지 대기중 에 남아 있음 Ø 2013년 2월 현재 대기 중 이산화탄소 농도 는 396 ppm(기준 350 ppm)

대기오염 방지기술 • 대기오염 방지기술이란? - 대기오염물질이 배출된 후에는 통제가 어렵다. - 자연 오염원으로부터의 오염물질 배출 제어 곤란 ⇒ 중력침강, 분산, 흡수, 흡착 등의 자연적 제거만 기대 - 인공 오염원으로부터의 오염물질 배출은 통제 가능 ⇒ 자연적 제거원리를 응용한 기술을 이용하여 장치설계

자연의 대기정화 과정 중력침강, 흡수, 흡착, 분산 등 1) 중력침강(gravitational settling) 중력 침강은 대기 중에서 입상물질(특히 20㎛ 물질) 제거에 가장 중요한 자연 메커니즘 중의 하나이다.

2) 흡수(absorption) 자연의 흡수과정에서는 입상 또는 기상오염물이 비나 미스트중에 포 집되어, 이 수분과 함께 침강 분리된다. 이러한 현상을 세출(washout) 또는 세정(scavengion)이라 하는데, 구름높이 이하에서 일어난다.

3) 흡착(adsorption) 흡착은 주로 대기의 마찰층, 즉 지표에 가까운 층에서 일어난다. 이 현 상에서는 기상, 액상 또는 고상 오염물이 고체물질의 표면에 끌려가서 농축 및 흡착된다. 토양, 암석, 나무 및 풀잎과 같은 자연표면은 오염물을 흡착하여 보유할 수 있다.

오염물질 조절방법 1) 희석(dilution) - 높은 굴뚝을 이용하여 대기 중으로 오염물질을 희석시킬 수 있다. 굴뚝 이 높으면 역전층을 뚫고 올라가서 오염물질을 분산시킬 수 있으므로, 일반적으로 착지 농도는 감소한다. 희석은 단기적 조절 수단이 되고, 잘못되 면 아주 바람직하지 못한 장기적 영향을 초래하게 될 수도 있다.

2) 배출원 제어 - 장기적 공기 오염방지의 관점에서는, 그 배출원에서의 오염물질 제어가 희석보다 바람직하고 효과적인 방법이다. - 배출원 제어 방법 1. 오염물질이 나오지 않도록 하는 것이다. (가장 효과적) 예: 대체에너지 이용(태양광, 수력 등) 2. 오염물질 배출을 감소시킬 수는 있지만, 완전히 제거 할 수는 없다. 예: 석탄이나 천연가스를 탈황 정제하여, 상대적으로 배출량이 적은 제품인 액화 천연가스(LNG)나 액화 석유가스(LPG) 등 3. 기존 장치의 적절한 운전을 들 수 있다. 예: 발전소에서 과잉의 플라이 애쉬(fly ash) 배출은 보일러의 공기 도 입량을 조정하여 감소, 정유 플레어(flare)에서의 검댕 및 일산화탄소의 배출량은 화염대에 수증기를 주입하여 난류를 증가시켜서 줄일 수 있다.

오염물질 제거 장치 입상오염물질 제거장치(건식제거장치, 습식제거장치) 1) 건식 제거 장치 - 건식제거 장치에 의하여 포집된 입상오염물질(분진)은 건조상태이기 때 문에 분진의 폭발 위험성을 내포 - 분진의 폭발에 대비한 장치가 필요 질량적 분리기: 중력침강장치, 사이클론 점착력 분리기: 백필터(bag filter), 포켓 필터 전기력 분리기: 전기집진기

2) 습식제거 장치 - 입상오염물질에 함유된 기체흐름에 주입된 액적(liquid droplet)에 의하여 포획되므로 대기오염문제가 수질오염문제로 전환 - 오염된 물의 부피가 적고 폐수처리 시설이 유용할 때 유리 분무세정기(spray scrubber) 습식 사이클론 세정기(wet cyclone scrubber) 벤튜리 스크러버(venturi scrubber)

습식세정기의 장·단점 장 점 § 가연성, 폭발성 먼지를 처리할 수 있 다 § 단일장치에서 가스흡수와 분진포집 이 동시에 가능하다 § Mist를 처리 할 수 있다 § 고온가스를 냉각시킬 수 있다 § 포집효율을 변화시킬 수 있다 단 점 § 부식 잠재성이 크다 § 유출수가 수질오염 문제를 일으킬 수 있다 § 냉각의 방지: 배출가스는 가시적인 연기를 피하기 위해 재가열이 필요 하다 § 포집된 분진은 오염될 수 있고, 회수 할 수 없다 2. 기상오염물질 제거 장치 흡착(adsorption) : 오염물질이 기상에서 고체상으로 이전됨 흡수(absorption) : 오염물질이 기상에서 액상으로 이전됨 응축(condensation) 연소(combustion)

입상오염물질 방지장치(1) - 중력침강기 원리: 기체 중에 포함된 입자를 중력에 의하여 포집하는 장치이다. • 중력에 의하여 gas 중 입자를 침강 – Stokes’ Law를 이용함. • • 처리대상 가스의 속도가 느릴 경우 적용가능 Stokes’ Law - 중력가속도, 입자의 직경과 밀도, 기체의 밀도와 점도

• 장점 : 장치가 간단하고, 압력손실, 설치비, 운전비가 적게 듦. • 단점 : 설치면적이 크고, 집진효율이 낮다. • 주로 큰 입자의 제거에 이용 • 다른 장치의 전처리 공정으로 주로 사용 효율의 향상조건 -침강실로의 함진가스 유입속도가 작을수록 더 작은 입자가 포집된다. -침강실 내의 함진가스 흐름은 균일하여야 한다.

관성력 집진 장치 원리: 분진을 포함하고 기체를 방해판에 충돌시킴으로서 기류의 방향을 급격히 전환시켜 입자의 관성력에 의하여 입자를 분리시키는 방법이다. 일반적으로 10㎛ 이상의 큰 입자의 포집에 사용된다.

효율의 향상조건 1. 충돌전의 함진가스 유입속도는 빠를수록, 처리후의 출구 가스속도는 느릴수록 미세 입자가 포집된다. 2. 기류의 방향 전환 각도가 작고 전환 횟수가 많을수록 압력 손실이 커 지고, 집진 효율은 높아진다. 3. 먼지호퍼(dust box)의 모양과 크기도 효율에 영향을 미친다. Pocket형에서는 먼 지가 장치내에 쌓이 기 때문에 먼지의 성상에 따라 충격 또는 세정에 의하여 제거할 필요가 있다. Multi-baffle형은 액 체입자를 포집하는 데 사용되며, 1㎛ 전 후의 액적(mist)을 제거 할 수 있지만 완전히 제거하기 위 해서는 처리가스 출 구에 충진층을 설치 하는 것이 좋다.

입상오염물질 방지장치(2) - 사이클론집진기 • 원심력 집진기의 일종 – 입자에 작용되는 원심력을 이용하여 처리가스로부터 입자 분리 • 입구로 들어온 기체는 장치내부에서 선회류(vortex)를 형성하고 원심력을 얻은 입자는 선회류를 벗어나 장치내벽에 충돌하여 침강 제거됨. • 가스유입방식에 따라 접선 유입식과 축상 유입식으로 구분 • 사이클론 집진기는 사이클론의 내부까지 연장되어 있는 가스 출구관 몸통(4), 원추형 와 류실(2), 분진포집실(3), 분진을 함유한 기체가 접선 방향으로 도입되는 도입구(1)로 되 어 있다.

원리 • • 원심력 집진기 입구는 분진을 함유한 기체 를 접선 방향으로 유입시켜 몸통 내에서 선회류가 형성되도록 하는 역할 몸통에서는 선회류가 형성되며 원심력을 받은 분진이 충돌 낙하한다. 원추부는 아래쪽으로 좁아지므로 하부로 갈수록 선회류의 접선속도가 증가되어 상 부에서 제거되지 않은 미세분진 포집에 효 과적 원추부의 하부직경(Dd)은 몸통 직경의 ¼ 정도가 적절하다. 원추직경이 이보다 커지면 이 부분을 통과 하는 선회류가 원추벽을 스치기 때문에 원 추 하부로 침강해 내려온 분진이 분진포집 실로 가지 않고 재 비산된다. 몸통내벽이 매끄럽지 못하면 선회류의 마 찰이 증가하고 선회류 속도가 감소하므로 미세입자의 제거가 어려워진다. 선회류의 속도가 너무 빠르면 분진 입자의 원심력이 너무 커져서 몸통내벽에 충돌한 후 다시 튀어나와 내부 선회류로 재비산 된다.

효율의 향상조건 • 배기관의 직경(내관)이 작을수록 입경이 작은 먼지를 제거할 수 있다. • 입구유속에는 한계가 있지만 그 한계 내에서는 속도가 빠를수록 효율이 높은 반면에 압력 손실도 높아진다. • 점착성이 있는 먼지의 집진에는 적당치 않으며 딱딱한 입자는 장치를 마 모시킨다. • 고성능의 전기집진장치나 여과 집진장치의 전처리용으로 사용된다. 싸이클론의 장점 • • • 적은 설치비 및 조작 비용 고온에서도 운전 가능 간단한 구조에 의한 적은 유지·보수 비용 싸이클론의 단점 • • 낮은 효율(특히 미세입자) 비싼 운전비용(고효율 운전을 위해서는 압력손 실이 크기 때문)

입상오염물질 방지장치(3) – 세정집진기(wet colector) • 습식집진기 또는 스크러버는 분진 입자가 분 산된 액적과 직접 접촉하게 하여 기체 흐름으 로부터 입상 물질을 제거한다. • 접촉 메커니즘은 중력침강 중의 내부 충돌 또 는 차단으로서 분진입자의 포집은 입자와 세 정액 사이의 상대적인 속도에 의하여 현저하 게 영향을 받는다. • 습식집진기는 실질적으로 입자의 재비산이 없으므로, 다른 장치로는 대부분 처리하기 어려운, 뜨겁고 습한 가스의 취급을 포함한 여러가지 대기오염 문제해결에 효과적이고 비교적 저럼한 해결책이 될 수 있다. • 습식집진기에서는 어느 것이나 입상 물질을 수집한 폐수 처분이 문제가 된다. • 입상 물질의 제어에 일반적으로 많이 사용되 는 습식집진기로느 분무탑, 습식 사이클론 스크러버, 벤튜리 스크러버 등이 있다. <벤튜리 스크러버>

습식집진기의 입자포집 원리 • 액적에 입자가 충돌하여 부 착된다. • 미세입자의 확산에 의하여 액적과 접촉한다. • 배기가스의 습도가 증가하므 로 입자가 서로 응집한다. • 입자를 핵으로 한 증기의 응 결에 의하여 응집성이 촉진 된다. • 액막, 액적, 기포에 입자가 접촉하여 부착된다. 액적(물방울)은 다음과 같이 생 성된다. • 가스흐름에 의한 액적 생성 • 회전판에 의한 액적 생성 • 노즐(nozzle)에 의한 액적 생 성 <벤튜리 스크러버>

세정집진기: 분무탑, 습식 싸이클론 스크러버, 벤튜리 스크러버 (1) 분무탑(spray tower) • 기상 및 입상 오염물질의 제거에 다 사용 될 수 있 다. • 압력 손실이 적으며 다량 의 기체를 처리할 수 있다. • 가스가 위로 올라가면, 동 반 입자가 흐름 방향에 가 로로 분무되는 액적과 충 돌하며, 입자가 들어있는 액적은 중력으로 바닥에 침강하게 된다. • 분무탑은 10μm 이상인 입 자의 제거에 효과적이며, 개량하여 보다 작은 입자 를 제거할 수 있다.

(2) 습식 싸이클론 스크러버(wet cyclone scrubber) • 사이클론 실 안의 여러 곳에서 고압 분 무 노즐로 미세한 분무를 만들어 접선 방향으로 유입된 기체에 동반된 작은 입자를 차단하게 된다. • 입상 물질은 원심력에 의하여 벽쪽으 로 던져지며, 수집통으로 배수된다. • 원심력은 액적분리를 향상시키고, 세 정액을 더욱 미세하게 만들 수 있기 때 문에 집진효율이 향상된다. • 입자제거율은 액적과의 접촉에 따라 달라지며, 액체 유량, 액적크기 및 입 도의 함수가 된다. • 일반적으로 분무탑에서 예상할 수 있 는 것보다 약간 높은 제거율을 얻을 수 있다.

벤튜리 스크러버(venturi scrubber) • 습식세정기의 효율은 세정액적과 분진 사이의 상대속도에 따라 달라진다. • 빠른 상대속도가 벤튜리 목부의 낮은 압력에서 얻어지며 입도 0. 5 -5 μm인 입상물질의 제거에 효율적이다. • 연기 및 연무와 관련되는 미립자의 제거 에 효과적이다. • 오염된 기체는 벤튜리 형의 목 부 가 있 는 덕트를 통과하고, 이목으로 주입되어 분무되는 액체는 처리하고자 하 는 오염된 기체 속으로 미립화된다. • 이 액적은 기체 흐름중의 입자와 충돌하 며, 이 액체와 입자는 침강하여 제거된 다. • 설계가 간단하고 설치와 유지가 쉬운 장 점을 가지고 있으나, 압력 손실이 크다 는 단점이 있다.

세정집진기의 장단점 장점 • • • 구조가 간단하고 처리 가스량에 비하여 장치가 차지하는 면적이 작다. 움직이는 부분이 적고 조작이 간단하다. 분리포집 가능한 입경은 0. 5μm 정도이지만, 조건에 따라서는 미립자에 대 하여도 포집효과가 좋다. 가스의 냉각조작으로도 사용할 수 있으며, 고온가스의 처리도 가능하다. 포집 먼지의 제거가 용이하고, 큰 동력을 필요로 하지 않는다. 먼지의 입도, 습도, 가스의 종류 등에 의한 영향이 적다. 단점 • • • 상당량의 물이 사용된다. 폐수처리 설비를 요한다. 집진수의 회수를 위하여 탈수여과·건조장치 등이 필요하다. 소수성 먼지의 집진효과는 낮다. 한냉기의 동결방지가 필요하다.

입상오염물질 방지장치(4) - 여과집진기 • 여과집진기 (bag house) – 입상물질을 포함한 가스가 직물여과재를 통과하여 입자는 여재에 걸러지고 청정가스만 투과시키는 장치. • 원리 : 차단 및 관성충돌 • 집진효율 결정 인자 : 여과속도, 압력손실, 여과 재의 물성 • Bag에 쌓인 입자의 처리방식에 따른 분류 ① 간헐식 여과집진기 : 입자가 많이 포집되어 일정한 압력손실에 도달하면 운전을 정지 하고 진동 또는 역기류에 의해 입자 제거( 별로 이용되지 않는다). ② 연속식 여과집진기 : 가스는 연속적으로 여 과시키면서 pulse jet이나 reverse jet을 이 용하여 순차적으로 포집된 입자를 제거

여과재에 의한 분진포집 기능 • 분진입자가 커서 충분한 관성력이 있을 때는 유체흐름선(유선)에 관계 없이 관성에 의하여 입자는 섬유에 충돌한다. • 입자의 크기가 작아지면 관성도 상 대적으로 작아지기 때문에 입자가 유 선을 따라 섬유에 접근하게 되며, 섬 유에 부착된다. • 분진입경이 0. 1㎛ 이하인 아주 작은 입자는 유선을 따라 움직이지 않고 브라운 운동을 통한 확산에 의하여 이동하면서 여과포를 구성하는 개개 의 섬유와 접촉하여 포집된다.

장점 • 미세입자에 대한 집진효율이 높다. • 여러가지 형태의 분진을 포집할 수 있다. • 설계는<모듈> 방식으로 이루어지며, 각<모듈 >은 공장에서 조립될 수 있으므로 다양한 용 량을 처리할 수 있다. 단점 • 넓은 설치공간이 필요하다. • 여과재는 높은 온도와 부식성 화학물질에 상 할 수 있다. • 습윤 환경에서는 사용할 수 없다. • 화염과 폭발의 위험성이 있다.

여과저항과 제거된 분진의 무게로 나태낸 섬유여 과기의 성능곡선

입상오염물질 방지장치(5) - 전기집진기 처리가스의 이온화, 입자의 대전과 이동, 집진판의 입자포집, 충격이나 세정 액에 의한 입자 제거의 단계로 이루어짐

고전압 전기 집진기

전기집진기의 장단점 장점 • • • 미세한 입자에 대해서도 집진효율이 매우 높다. 낮은 압력손실로 대량의 가스를 처리할 수 있다. 먼지의 포집은 건식, 습식(훈연이나 연무) 모두 가능. 광범위한 온도 범위에서 설계가 가능하다. 매우 높은 효율이 요구될 때를 제외하고는 운전비용이 적다. 부식성 가스가 함유된 먼지도 처리가능. 단점 • • • 설치비용이 많이 든다. 가스상 오염물질을 제어할 수 없다. 일단 설치되면, 운전변화에 따른 유연성이 작다. 넓은 설치면적이 필요하다. 비저항이 큰 입자(분진)은 제거하기 어렵다.

집진시설의 선택 분진제거 시설을 선택하기 위하여 고려하여야 할 요소들 은 다음과 같다. ① ② ③ ④ ⑤ ⑥ ⑦ ⑧ 처리해야 할 가스의 최대유량 입자의 모양, 밀도, 입경분포 등 분진의 물리적 특성 분진의 화학적 특성 요구되는 효율 유량에 따른 허용 압력손실 투자비와 운영비 처리가스의 특성(온도, 습도 등) 운전 및 유지의 용이성

(1) 싸이클론 • • 분진입자가 큰 경우 분진의 농도가 비교적 높은 경우(>2. 3 g/m 3) 분진의 분류가 요구되는 경우 높은 제진 효율이 요구되지 않는 경우 (2) 습식 세정기 • • 미세한 가스의 가스가 분진과 분진을 비교적 고효율로 제거하여야 할 경우 냉각이 요구되나 습도가 문제되지 않는 경우 연소성인 경우 기체상태의 오염물을 동시에 제거하여야 하는 경우 (3) 직물 여과기 • • 높은 제진효율이 요구되는 경우 가치 있는 물질을 건조한 상태로 회수할 경우 가스의 부피가 비교적 작은 경우 가스의 온도가 비교적 낮은 경우 (4) 전기집진기 • • • 미세한 분진을 고효율로 제거해야 하는 경우 대량의 가스를 처리해야 하는 경우 가치있는 물질을 회수하여야 하는 경우

기상오염물질 방지장치(1) 공기오염 제어에서 주로 관심의 대상이 되는 가스는 황산화물(SOx), 탄소산화 물(특히 CO 2), 질소산화물(NOx), 유기 및 무기산 가스, 탄화수소(HC) 등이다. • 기상오염물질 제거장치의 주요 원리 ① 흡수 (absorption) : 기상물질을 액체(흡수액)로 이동시켜 제거 ② 흡착 (adsorption) : 기상물질을 고상물질(흡착제)로 물질전달 시켜 제거 ③ 연소 (combustion) : 기상오염물질의 산화시켜 물과 이산화탄소로 분해

기상오염물질 방지장치(2) - 흡수장치 • 흡수 또는 스크러빙에서는 오염된 배출가스(흡수질 또는 용질)를 액상 흡수제(용매)와 접촉 시켜서, 배출 가스 중의 한가지 또는 그 이상의 성분을 제거, 처리, 또는 변화시킨다. • 액상 흡수제는 화학적(반응성) 변화 또는 물리적(비반응성) 변화를 이용하여 오염물을 제거 한다. • 흡수는 주로 이산화황, 질소산화물, 황화수소, 염소, 암모니아 및 경질 탄화수소 와 같은 가스의 처리에 사용되어 왔다. Ca. O + H 2 O → Ca(OH)2 + SO 2 → Ca. SO 3 + H 2 O Ca. SO 3 + 2 H 2 O + 1/2 O 2 → Ca. SO 4· 2 H 2 O <분무탑>

흡수제(세정액)을 선택하는데 고려해야 할 점 • 흡수제에 대한 가스의 용해도가 높아야 한다 (흡수속도를 크게 하고, 흡수제 소요량을 감소). 흡수되는 물질(용질)과 화학적으로 유사한 흡수제는 일반적으로 우수한 용해도를 가진다. • 흡수제의 휘발성이 낮아야 한다. • 흡수제는 부식성이 없어야 한다. • 흡수제는 화학적으로 안정하고, 취급이 용이하여야 한다. • 흡수제는 점도가 낮아야 한다. • 흡수제는 독성이나 인화성이 없고, 응고점이 낮아야 한다. <분무탑>

• 분산되는 상에 따른 분류 ① 액체(흡수액) 분산형 : 분무탑, 충전탑, 젖은 벽탑, 벤튜리 스트러버, 사이클론 스크 러버 ② 기체(오염가스) 분산형 : 단탑, 포종 단탑

기상오염물질 방지장치(3) - 흡수장치 • 분무탑 : 노즐을 이용하여 미세한 액적(물 또는 중화액)을 아래로 오염가스를 위로 향류 (counter current flow)로 접촉시켜 제거 대상 기상오염물질을 액적에 흡수시킴. • 기상 및 입상 오염물질의 제거 가능 • 설치 및 운전비가 저렴 • 압력손실이 적음 • 접촉면적이 적어 효율이 낮음 • 분무에 사용되는 에너지가 많음 • 노즐의 막힘 문제

기상오염물질 방지장치(4) - 흡수장치 • 충전탑 : 표면적이 큰 충전물을 탑안에 설치하여 액체는 충전물표면에 막을 형성하며 아 래로 흐르고 오염가스는 위로 올라가면서 액체에 흡수하게 설계한 장치 • 충전물의 기본 조건 • • 충전밀도가 높다. • 가스 압력손실이 적다. • • 단위부피당 표면적이 크다. 내식성 재질이다. 장점 : 구조가 간단하고 제작이 용이. 유량 조절시 흡수효율이 좋다 • 단점 : 고가의 충전물 침전물에 의한 충전물 공극의 막힘 가스유속이 과다할 경우 flooding 현상

기상오염물질 방지장치(5) - 흡수장치 • 벤튜리 스크러버 (venturi scrubber) – 입상제거도 가능 오염가스가 벤튜리관의 가장 내경이 작은 부분을 지나며 유속이 빨라지고 오염가스가 같은 방향으로 분무되며 흡수가 일어나는 장치

기상오염물질 방지장치(6) - 흡수장치 • 사이클론 스크러버 (cyclone scrubber) – 입상제거도 가능 장치내부에서 나선형으로 선회하는 오염가스와 장치중심부의 노즐로 부터 분무된 액체 의 접촉에 의한 흡수 장지

기상오염물질 방지장치(7) - 흡수장치 • 단탑 (Tray tower) 증류장치와 유사하게 여러 개의 다공판을 사용하여 액체와 가스의 접촉면적을 확대하여 흡수시키는 장치. 판 수를 증가시켜 고농도 가스를 처리할 수 있다. 가스의 유량을 잘 조절하여야 하며, 설치비가 비싸다.

기상오염물질 방지장치(8) - 흡수장치 • 포종단탑 (Bubble cap tray tower) 단탑과 유사한 구조이나 판의 구멍 위에 포종(bubble cap)을 설치하여 가스의 분산효율 을 높인 장치. 흡수 효율이 좋으나 압력 손실이 크다.

기상오염물질 방지장치(9) - 흡착장치 • 흡착에 의한 기상오염물 제거 공정에서는 흡착층에 들어있는 다공성 고체물질( 흡착제, adsorbent)에 배출가스를 통과시킨다. 이 다공성 고체물질 표면에 물리 또는 화학흡착으로 가스(흡착질, adsorbate)가 붙게 된다.

기상오염물질 방지장치(10) - 흡착장치 흡착제의 종류 흡착제의 조건 - 미세기공이 많은 다공성 물질 - 단위질량당 표면적이 매우 크다. - 기체분자의 부착이 가능하다.

기상오염물질 방지장치(12) - 흡착장치 • 흡착장치 오염가스나 증기를 다공성 고체표면에 물리적 또는 화학적 흡착을 통하여 분리하는 장 치 • 흡착층 설치방법에 따른 분류 고정층 흡착장지

이동층 흡착 장치 이동층 흡착장지

기상오염물질 방지장치(12) – 연소장치 - 유해한 오염가스를 연소에 의해 무해한 이산화탄소와 물로 전환 - 연소온도, 산소공급량, 혼합정도, 연소시간 등의 변수조절로 연소효율 향상 직화연소 (directflame combustion) - 오염물질의 농도가 높고 많은 양의 가스를 연속적으로 처리할 경우 사용. - 경우에 따라서는 폐 가스의 열량과 산소 함유량이 충분하여 그 자체만으로 타기도 한 다. - 때로는 공기를 도입하거나 소량의 보조 연료를 첨가하여야 기체 혼합물이 그 연소점 에 도달하기도 한다.

열 연소 (thermal combustion) - 오염물질의 농도가 낮을 경우

촉매연소 (catalytic combustion) - 오염물질의 농도가 낮을 경우 - 자동차 배기가스의 일산화탄소를 이산화탄소로 산화시키는 촉매장치 등 - 열연소각에서는 촉매 소각에서보다 20 -50배의 긴 시간이 필요. - 촉매 소각 장치의 효율은 오염물질 농도, 가스흐름의 온도, 산소농도, 접촉시간, 촉매의 종류 등 여러 인자에 좌우된다.