Environmental Chemical Engineering 2 환경화학공학2 Environmental Chemical Engineering 2 신우석 한경대학교 해양환경기술연구센터

환경화학공학이란 환경화학이란 환경 중에서 일어나는 화학적 현상을 연구하는 학문분야라고 할 수 있다. 환경 중에서 일어나고 있는 자연적인 화학적 현상을 연구하는 응용화학분야는 해양화학, 수질화학, 대기화학, 토양화학 등 대상 환경에 따라 이미 오래 전부터 발전되어 왔다. 환경화학은 환경 중에서 일어나는 자연적인 화학적 현상을 다루기보다는 환경오염물질의 화학적 현상을 중점적으로 연구하는 학문분야이다

인간이 생활을 영위하는 공간을 포함한 자연상태의 모든 계 환경(Environment)이란 ??? 인간이 생활을 영위하는 공간을 포함한 자연상태의 모든 계   일반적인 분류 대기 - 지표을 둘러싸고 있는 기체 혼합물  수계 - 바다, 호수와 하천, 지표수, 지하수  토양 - 지구의 핵을 덮고 있는 토양층   국내 환경관련 법규 자연환경 : 생물환경과 무생물환경 생활환경 : 대기, 물, 폐기물, 소음, 진동, 악취 유엔환경계획기구(UNEP)  자연환경 : 대기, 해양, 물, 암석권, 육상생태계 인간환경 : 인구, 주거, 건강, 생물계, 산업, 에너지, 운송, 관광, 환경교육, 홍보, 평화, 안전

환경오염(Environmental Pollution)이란 ??? 자연계의 자정능력을 벗어난 오염물질의 유입   자정능력 자연계가 스스로 오염물질을 정화할 수 있는 능력 생물학적 자정 작용 : 강이나 호수에 유기물이 흘러 들어가면 물 속의 호기성 미생물이 이를 분해하는 것 2) 물리적 자정 작용 : 강이나 호수의 유기물은 물이 흘러감에 따라 희석, 확산, 침전 등에 의해 농도가 낮아지는 것 3) 화학적 자정 작용 : 강이나 호수의 유기물은 산화, 환원, 흡착, 응집 등 여러 가지 화학적 반응에 의해 줄어드는 것

하천의 자정 작용(Self-Purification) DO (Dissolved Oxygen:용존산소) BOD (Biochemical Oxygen Demand:생물학적산소요구량) 자정작용의 중요한 인자: 희석·확산 작용과 미생물에 의한 분해작용

옛날에는 자연의 자정능력이 인간들에 의한 분비물이나 쓰레기의 양을 충분히 처리하여 별다른 환경 문제의 발생이 없었다. 인간의 삶을 풍요로워질수록 폭발적으로 증가하는 쓰레기들은 환경에 의해 쉽게 분해되지 않고, 환경 오염의 주요 원인으로 등장

환경오염의 주요원인 !   인구의 증가 전세계인구 B.C. 1년 2억5천만명 → 현재 70억명 (2011년) → 2050년 90억명 이상 우리나라 인구 2010년 약 48,874천명(남:24,540천명, 여: 24,334천명)으로 전년도 (2009년) 대비 0.26 % 증가를 보임 인구의 도시집중화 (2006년 2월 통계) 우리나라 도시화율 : 86% 특별, 광역시 인구 : 41.5% 수도권 인구 : 47.6%

세계인구 증가 추이와 인구 대국

환경오염의 주요원인 ! 산업 발달 산업혁명 이후 공업의 급격한 발달 대규모 집적화된 농·축산산업 에너지 소비의 증가 화석연료(석탄, 석유) 사용의 폭발적 증가 - 대기오염 - 산성비 - 수질 오염과 토양오염 - 열오염 화석연료 연소로 인한 오염물질 배출 : 대기오염물질의 90%이상 (NOx, SOx 등)

축산업이 환경에 미치는 영향 생물 다양성 손실 삼림파괴 사막화 온실가스 배출 물부족 및 수질 오염

연도별 전력 소비량 추이 (단위: GWh) 자료: 환경부, 환경통계연감, 2010 소 비량

1차 에너지원별 비중 전망 자료: 에너지 관리공단

미국의 신재생 에너지의 비중

대표적인 환경오염(1) : 수질오염 - 물은 생물체 및 경제활동의 필수적인 요소 수질 오염 발생원 - 생활계 산업계 농업계 축산계 수질오염을 일으키는 요인 생활하수 산업폐수 분뇨 농약 지표의 토사 등 수자원의 이용현황 환경통계연감2011 구 분 이 용 량 (억m3) 비 율 (%) 계 337 100 생활용수 76 23 공업용수 26 8 농업용수 160 47 유지용수 75 22 2003년 현재

물의 수문학적 순환

국내의 수환경 국내의 경우 좁은 국토에 많은 인구 때문에 물은 부족하고 환경용량도 작아 수질오염에 취약 연평균 강수량은 1,274mm로 세계평균 970mm의 1.3배이나 연간 1인당 강수량은 약 3,000톤으로써 세계평균의 1/11에 불과 강수량의 2/3가 여름 장마철 때 일시에 바다로 쓸려 내려가 이용할 수 있는 물은 매우 제한되어 있음

국내의 수자원 부존량 현황(연평균 강우량 1,274mm) 자료: 건설 교통부, 수자원장기종합계획, 2006

세계 주요강의 수질오염도 (BOD) 자료: 환경통계연감, 2010 BOD(mg/L)

수질 오염 사례들

대표적인 환경오염(1): 수질오염(water pollution) 정의:가정생활, 산업과 생산활동, 혹은 자연 재해에 따라 인체에 유해한 물질이 물로 흘러 들어가 수질이 저해되는 현상을 총칭한다. 분해성 유기물 합성 세재 중금속 유독물질 유류 영양염료

부영양화(녹조)와 적조현상

● 부영양화 부영양화의 정의: 인간 활동의 결과 생성된 영양물질들이 호소에 과도하게 유입되어 정상적인 물질순환상태가 교란되면 조류의 이상번식을 초래하게 되고 이것은 먹이연쇄의 다음 단계에 연쇄적으로 영향을 미쳐 쓸모 없는 곳으로 변화시키게 되는데 이러한 변화의 단초가 되는 부영양 상태로 진행되는 과정

부영양화의 영향 직접적인 영향 생물체, 특히 부유성 조류가 외부 영양물질의 유입으로 영양결핍상태가 해결되면서 태양에너지의 공급이 원활하여 유기물의 생산속도가 증가하고 개체증가에 따라 종의 분포가 변하게 되는 것이다. 간접적인 영향 한 종의 생산성 증가가 서식처의 물리화학적 환경을 변화시킬 때 일어나는 것으로 용존산소 농도의 변화, 광 투과량 변화 등인데 이 결과는 그 생태계 내에서 직접적인 자원경쟁은 없으나 환경을 공유하는 다른 종들에게 영향을 미치게 된다.

부영양화의 영향인자 : 식물성 플랑크톤의 영양원소는 탄소, 질소, 인과 미량원소들이다. 물리학적 인자 온도 및 일조량, 체류기간, 수표면 형태, 물질순환 등이 있음 하폭이 좁고 수심이 깊지 않은 강에서는 수초의 번성이나 부영양화가 발생할 가능성이 있다. 그리고 수리학적 체류기간이 길어질수록 부영양화가 발생할 가능성이 크다. 2) 화학적 인자 탄소, 수소, 황, 칼슘, 마그네슘, 질소, 인 등이 있으나 질소와 인은 수초나 수중생물의 성장을 좌우하는 제한적인 요인이 된다. 질소는 조류에 의해 대기중으로부터 합성이 가능하므로 부영양화의 주된 인자는 인이라고 추측하기도 한다. 3) 생물학적 인자 부영양화의 생물학적 인자로서는 엽록소를 가진 생물의 광합성 작용이 주된 요인이다. 수초의 번성과 수화현상을 초래 물고기는 부영양화의 진행여부에 따라 환경조건에 내성이 강한 물고기로 교체되는 것으로 조사되었다.

환경호로몬의 영향 컵라면 용기

환경호르몬(내분비계 교란물질) 내분비계교란이 우려되는 물질 및 주변 생활용기 생식과 생육의 생물생존의 기본조건에 영향을 미치는 물질 합성화학물질, 의약품 및 일부 천연물질 다이옥신, 농약, 항생제 등 내분비계교란이 우려되는 물질 및 주변 생활용기 세계생태보전기금(WWF)분류(67종) 일본 후생성의 분류 (142종) 내분비계교란물질 용출 우려가 있는 생활용품 다이옥신류 등 유기염소물질(6종) DDT 등 농약류 44종 펜타-노닐 페놀 비스페놀 A 다이에틸헥실프탈레이트 등 프탈레이트 8종 스타이렌 다이머, 트라이머 벤조파이렌 수은 등 중금속 3종 프탈레이트류 등 가소제 9종 플라스틱에 존재하는 물질17종 다이옥신 등 산업장 및 환경오염물질21종 농약류 75종 DES 등 합성에스트로젠 8종 식품 및 식품첨가물 3종 식물에 존재하는 에스트로젠 유사호르몬 6종 플라스틱 용기, 음료캔, 병마개, 수도관의 내장코팅제, 치과치료시 이용되는 코팅제: 비스페놀 A 합성세제: 알킬페놀 컵라면 용기: 스타이렌 다이머, 트라이머 폐건전지 : 수은

대표적인 환경오염(2) : 대기오염 WHO의 정의 “대기중에 인위적으로 배출된 오염물질이 한가지 또는 그이상 존재하여 오염물질이 어떤 지역의 불특정 다수에게 불쾌감을 주거나 공중보건상의 위해, 동식물의 활동에 해를 주어 생활과 재산을 향유한 정당한 권리를 침해하는 상태” 매연, 먼지, 가스 및 악취 등 자연적 발생원 : 인간활동과 무관 인위적 발생원 : 인간의 활동에 기인함 점오염원, 면오염원, 선오염원 우리나라는 52개 대기오염물질을 규정

우리나라의 연도별 대기오염물질 배출량 (단위: 톤) 자료: 환경부, 환경통계연감, 2007 배 출 량

  온실 효과 지구온난화 : 온실가스에 의해 방출되는 복사에너지가 흡수되므로써 대기온도 상승 온실가스 : 이산화탄소, 메탄, 아산화질소, CFC 대체물질 이산화탄소 농도 : 산업혁명전 (280 ppm) → 현재 (370 ppm)

오존층 파괴 오존층 파괴로 인한 피해 - 바다생태계: 식물플랑크톤이 감소, 바다속 먹이연쇄가 깨짐  오존층 파괴 지구대기의 구분 : 대류권, 성층권, 중간권, 열권 오존층 : 성층권과 일부 대류권 상부에 존재 태양으로부터의 강력한 자외선을 차단 → 지구의 생명체를 보호 오존층 파괴로 인한 피해 - 바다생태계: 식물플랑크톤이 감소, 바다속 먹이연쇄가 깨짐 대기 : 지상대기중 화학반응이 활발해져 도시지역의 대기오염이 심해짐 건축물 : 나무 등 건축재료의 부식과 노화가 촉진됨 식물 : 성장 저해 현상이 나타나 콩등 곡물류는 수확량과 품질이 저하된다 인간 : 피부, 눈, 면역력 등에 피해가 크게 나타남

2011년초의 북극권 오존층 Chlorine monoxide (C12O; 산화염소) 오존층을 파괴시키는 주요 물질인 프레온 가스는 화학적으로 안정하고 독성이 없어서 일상 생활에서 냉매나 분사제, 발포제, 전자 제품 세정제 등으로 널리 쓰인다. 이 가스가 성층권에 들어가 자외선에 노출되면 염소 원자가 방출되고 이 염소가 오존과 화학 반응을 일으켜 산화염소를 만들면서 오존을 파괴한다. 최근 프레온 가스의 세계 생산량은 연가 100만 톤 이상이 되며 해마다 증가하고 있다. 이러한 프레온 가스의 사용 증가와 그에 따른 오존층 파괴에 의한 피해를 줄이기 위해 몬트리얼 의정서('87), 런던 회의 및 헬싱키 선언('90) 등을 통해서 프레온 가스의 생산과 사용을 금세기 말까지 전면 폐지하기로 하였다.

엘리뇨 현상 엘리뇨 엘니뇨(El Nino)란 스페인어의 ‘아기예수’, ‘남자아이’란 뜻이며, 2년내지 10년마다 주기적으로 남미의 페루 에쿠아도르 연안에서 수온이 평소보다 높아지는 현상에 붙여진 이름이다. 이 현상은 주로 연말에 시작되어 수개월 이상 지속되며, 이 때에는 남동쪽에서 적도쪽으로 부는 무역풍이 약화되어 페루 연안 및 적도 부근에서 바다 밑 부분의 찬물이 표면으로 올라오는 ‘솟구침’ 현상이 사라진다. 따라서 이 찬물에 포함되어 있는 풍부한 영양염이 없어지기 때문에 이곳의 멸치 어획량이 급격히 감소하는 시기이다. 세계의 기상변화에 심학한 영향을 미치는 해양-대기 시스템의 변화 적도 태평양지역의 해수온도의 비정상적 상승 엘리뇨 발생에 따른 이해할 수 없는 홍수, 가뭄, 이상한파 또는 이상고온 현상 같은 기상이변이 전 세계적으로 발생 아프리카, 남미, 인도, 호주, 인도네시아 등 열대 또는 아열대 지역에 속하는 곳에서 기상재해가 특히 심각

엘리뇨 현상 + 무역풍의 약화 열대 태평양 전체에서 대기와 상호작용하여 서태평양의 따뜻한 물이 페루연안(동태평양)까지 이동 고기압과 저기압의 중심위치가 바뀌어 대기순환의 형태가 달라지므로 기상이변이 발생한다.

리니냐 현상 라니냐(La Nina)는 스페인어로 ‘여자아이’란 뜻인데 무역풍이 평년보다 강해져서 열대 서태평양의 따뜻한 물의 세기와 범위가 넓어지고 동태평양이 평년보다 더 차가운 표층수온을 형성하는 상태를 말한다. 태평양의 동서 열대해역 사이에 표층수온이 평년보다 크게 차이가 나는 라니냐 현상의 직접적인 대기 영향에 관해서는 아직 연구되어야 할 부분이 많이 남아있다.

엘리뇨와 라니냐 발생시 해수온도 분포

산성비의 영향

우리나라 주요도시의 연도별 강우중 산도(pH) 산성비 (acid rain) 대기오염물질 중 가스상물질이 구름에 유입되고 화학반응에 의해 황산, 질산, 염산 등이 생성되어 빛물이 산성화되는 현상 빗물은 이산화탄소에 의해 포화될 경우 pH 5.6정도가 가능 pH 5.0 이하일 경우 산성비로 간주하는 경향 산성비에 의한 육상, 수상 생명체의 황폐화 우리나라 주요도시의 연도별 강우중 산도(pH)

대표적인 환경오염(3): 토양오염 산업과 생산활동에 따라 각종 유해물질이 토양에 주입되어 각종 식물 특히 농산물이 유해한 물질을 흡수함으로서 이것을 섭취하는 인간이나 동물에게 해를 끼치거나 토양의 물리, 화학적 성질을 저해하는 현상 토양은 유기물질과 무기물질로 구성 토양은 생물존재의 기반, 물질 순환의 매체 역할 우리나라는 1995년 토양환경보전법 제정으로 본격관리 시작 우리나라에서는 중금속, 석유류, 농약, 발암물질, 기타 독성물질 등 11개 항목 규제 구 클락 미공군기지 인근에서는 아직도 미군들이 버려놓고 간 쓰레기 더미가 10여 미터 이상 쌓여 있다. (2006년 현재) 군산 미군기지의 기름유출로 인한 토양 오염 ⓒ사진제공=녹색연합

토양오염의 특징 • 오염물질의 농축에 의한 토양의 질저하 • 토양침식, 산성화, 염 농도의 증가 등 → 토양의 기능을 제한 • 토지 이용 확대에 따른 오염원으로서의 토양 1) 하천, 호수를 매몰시킨다 2) 식생의 성장환경에 부정적인 영향을 준다 3) 지표수의 수질을 저하시킨다 4) 경관을 훼손시킨다 → 처리작업의 어려움과 과다 경비 소요

• 토양 오염원의 종류 점오염원 : 산업지대나 부식된 탱크나 폐수처리 시설과 같은 부분적인 곳에서 유래되는 오염 2) 비점오염원 : 단일 근원지가 아닌 넓은 지역에서 기인하는 것 - 자연적인 것 → 지질학적 침식, 염분 누출, 광물의 분해와 영양분을 과다 포함한 토양 등 - 인간활동에 의한 것 → 농경, 인간생활, 산림, 도시화, 건설, 광산활동, 공기 중에서의 낙진 등

사막화 기상이변 및 인간활동에 의해 건조 또는 반건조지대에서 발생하는 토양 황폐화 현상 전세계 육지면적의 25%이상이 영향 지구의 사막화 현상 방지를 위하여 1992년 브라질의 리우데자네이로에서 열린 지구환경 정상회의 1)사막화와 한발발생 가능지역에 대한 지식기반의 강화와 관련정보의 수집 및 감시체제 구축 2) 토지보존 및 조림활동을 강화한 토양황폐화 현상퇴치 3) 사막화 영향권의 빈곤을 퇴치하고 대체 생활양식을 촉진시키기 위한 종합대책 수립 4) 주민 참여와 환경교육 강화

대표적인 환경오염(4): 폐기물 오염 폐기물 인간과 동물의 황동에 수반된 모든 폐기물 쓰레기, 연소재, 오니, 폐유, 예산, 폐알칼리, 동물사체 등 폐기물 처리시설 기피 : NIMBY (not in my back yard) 국내 생활폐기물 배출량은 감소추세, 사업장 폐기물은 증가추세 국내 1993년이후 사업장 폐기물 > 생활폐기물 악취 황화수소, 머갑탄류, 아민류 등 자극성 기체물질 직접관능법, 공기희석관능법, 기기분석법