Chapter 8 광역 대기오염.

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1 Chapter 8 광역 대기오염

2 1. 성층권 오존 문제 1) 오존 - ＊ 건조한 산소기체를 방전시킬 때
＊ 산소 가열시 자외선, 음극선, X선 등이 공기와 충돌시 - 연한청색, 독특한 냄새, 유독성 → 호흡시 호흡기를 상하게 함. - 산화력이 강해 세균과 바이러스 제거 및 수돗물의 살균, 표백 등에 쓰임. ① 대류권 O3 - 광화학 반응, 반응성이 강한 강산화물 - 영향 : 인체 - 호흡기계 질환, 폐기능에 영향        식물 - 광화학 독성물질, 수확량 감소        재료 - 고무, 직물, 폐인트 부식 - 대기중 농도 분포 : 4~8월에 최대, 2~4시에 최대 (그림8-1) 1992년 서울 방이동 지역의 시간별 오존 농도 분포

3 ② 성층권 O3 - 생성 : 산소분자가 태양의 자외선에 의해 분해되고 산소분자 와 반응하여 생성 O2 + UV → O + O  ,  O + O2 → O3 - 소멸(분해) : O3 → O2 + O ▪ 성층권 25Km에서 최대 농도 ▪ 농도는 Dobson(DU) = 0.01mm(10-3 Cm) - 지구평균(표준상태) : 300DU ▪ 1974년 미국 Rowland와 Molina가 처음으로 오존고갈이론 제시   1980년 중반 남극의 O3 hole 관측 (그림8-2) 2) 파괴원인 - 원인물질 : CFC(일명 Freon), Halon, CCl4(사염화탄소)

4 ① CFC - 탄화수소의 수소를 염소나 불소로 바꾼 물질 (CFCl3, CF2Cl2, C2F3Cl3) - 용도 :  냉매제, 추진제, 세정제, 발포제, 소화제 - 강수로 세정되지 않고 다른 물질과도 반응 않음 (20~120년 수명) ★ 반응 메카니즘 CFCl3 + UV → CFCl2 + Cl Cl + O3 →ClO + O2 ClO + O → Cl + O (10만번 정도 되풀이) ② Halon - 프레온 가스에 함유된 염소대신 브롬으로 치환 (CF3Br : 메칠브롬) - 불연성, 무독성, 오존파괴능력 프레온 가스보다 10배 - 용도 : 소화제, 방화제

5 3) 영향 4) 대책 ③ CCl4 - 프레온가스나 합성고무생산의 원료로 사용, 살충제, 변압기 의 절연유 - 직접적 영항
피부암(1%감소시 피부암 2%증가), 피부주름 및 노화 눈(각막염, 시력손상, 백내장) 면역기능의 약화 식물 : 수확량 감소, 돌연변이 발생, 생태계 불균형 - 간접적 영향 기후 : 기온 상숭, 홍수, 가뭄 강한 자외선으로 플라스틱, 페인트 부식 4) 대책 - 1987년 오존층 보호를 위한 몬트리올 의정서 채택 → 우리나라 1992년 가입 - 원인물질 규제 및 대체물질 개발

6 2. 지구온난화 1) 원인물질 3) 대책 - 태양광중 2/3는 지표에 흡수되고 1/3은 재방사 되는데 재방사
된 태양광중 장파는 대기중 CO2층에 의해 다시 지표로 환원됨 에 따라 점차 지표온도가 상승 (그림 8-8, 8-9, 8-10, 표 8-3) 1) 원인물질 CO2, CFCS, CH4, N2O (그림 8-12) 2) 영향 ① 삼림 : 수종에 따른 생육지역의 변화 ② 농업 : 중위도 작물(옥수수, 콩)감소, 쌀생산 증가 ③ 해면상승 : 저지대 침수, 해안침식 (방글라데시, 이집트, 네덜란드...) ④ 기후 :  엘리뇨, 라니냐 현상으로 가뭄, 홍수현상 심화 3) 대책 - 1992년 유엔환경개발회의(라우정상회의)에서 기후변화협약 채택  1994년 발효

7 3. 산성우 - Acid rain, snow, deposition, fog, cloud, dew, frost
- 청정한 대기중 CO2 : 0.03%(300~350ppm) → pH5.65 - pH = -log10[H+]    <pH4와 5는 농도로 10배 차이> 1) 원인물질 ① 황산화물(65%) S + O2→ SO2 , SO2 + 1/2O2→ SO3 , SO3 + H2O→ H2SO4 ② 질소산화물 (35%) ③ 염화물(HCl, Cl), 탄화수소(HC) ★ 문제지역 : 북유럽, 북미, 동아시아 2) 영향 ① 삼림 - 토양의 산성화로 산림의 황폐화 ② 호소(하천) - 질소화합물과 인산염으로 부영양화, 플랑크톤의 감소 ③ 농업 - 어린 식물에 영향, 엽록소의 탈색으로 광합성작용 억제, 탄수화물 생산 저하 ④ 건축, 미술품 - 건축물의 부식이나 변색

8 Chapter 9 자동차 배출가스

9 1. 자동차 배출가스 : CO, 매연(디젤차), NOx, HC (표 9-1) 2. 대기오염물 총 배출량 중 자동차 비율 :
49% (전국), 82%(서울) 3. 열기관 : 열에너지 ---> 동력으로 변환시키는 원동기 내연기관 : 열을 내부에서 가함 외연기관 : 열을 외부에서 가함 (중기기관) 4. 내연기관 점화방식: 불꽃점화기관 (가솔린) 압축 점화기관 (디젤) 행 정 수 : 2사이클, 4사이클, 6사이클 사용연료 : 가솔린기관 (가스포함) 디젤기관

10 5. 자동차 배출가스의 생성 (그림 9-1) 6. 자동차 배출가스 저감기술 ① 가솔린 자동차
5. 자동차 배출가스의 생성 (그림 9-1) C8H O2 + 47N2 ----> 8CO2 +47N2 + 9H2O AFR(부피기준) = 공기몰수/연료몰수 = 59.5/1 = 59.5 AFR(무게기준) = 59.5×28.95/114 = 15 (이론공연비) Stoichiometric Combustion (화학적 이상 연소) ◎ excess air (과잉공기량) (그림 9-2) - CO, HC : 공연비가 낮으면 높고 높으면 낮다. - NOx : 이론공연비보다 다소 높은 점에서 최대 (그림 9-3) 6. 자동차 배출가스 저감기술 ① 가솔린 자동차 · 기관 개량 - 연소실 개선 --> 공연비 조절 · 후처리 - 삼원촉매 장치 (그림 9-5) : Pt(산화촉매), Pd(산화촉매), Rh(환원촉매) CO, HC + O > CO2 + H2O NO -----> N2 Pt, Pd Rh

11 조건: ＊ 이론공연비 상태로 유지 ＊ 300~450℃ 유지 ＊ 무연필수(수명 : 5년, 8만㎞) · 증발가스 방치장치(휘발유 탱크 및 기화기) (그림 9-7) · Blowby가스 방지장치 - 크랑크케이스내의 blowby가스를 에어크리너로 되돌려 흡입 공기와 같이 재연소 (그림9-8) ② 디젤 자동차 : NOx와 매연이 주로 배출 · 기관개량 - 연소실 개선 : 공기와 연료의 균일한 혼합 - 연료분사계 개선 : 연료량 및 분사시기 조절 - 터보차저 및 인터쿨러 : 충분한 공기공급 ----> 완전연소 와 연소실 냉각(인터쿨러)으로 NOx 저감 - 배기가스 재순환 장치 : 이상적이나 실험단계 (장치고장과 기관 부식 문제)

12 - 산화촉매 : 공연비가 일정치 않아 삼원촉매장치는 사용 불가 - CO, HC, 입자상 물질처리
· 후처리 - 산화촉매 : 공연비가 일정치 않아 삼원촉매장치는 사용 불가 - CO, HC, 입자상 물질처리 - 입자상물질 여과장치 : 세라믹 필터, 세라믹 화이버 필터 (여과 효율 60%~90%) (그림 9-10) - De-NOx 촉매 : NOx를 촉매(구리-지올라이트) 에 의해 저감 · 자동차 배출가스 규제 및 관리 - 1966년 미국 CA에서 최초로 규제 - 1980년(환경청 발족) - 우리나라 - 우리나라 제작차 배출허용기준 (표 9-3) ▷ 휘발유 또는 가스 -CO, NOx, HC, 포름알데히드 ▷ 경유 - CO, NOx, HC, 입자상 물질, 매연 ▷ 이륜 - CO, HC

13 ★ 자동차 배출가스 관리 ① 제작차에 대한 인증 ② 제작차 배출 허용기준 검사 - 제작과정
③ 결함시점 – 보증기간 내 무료 수리 ④ 운행차 수시점검 - 운행차 배출허용기준 (표 9-5)

14 Chapter 10 대기오염 제어

15 1. 대기오염 제어 (control) ① 오염물 배출의 최소화 - zero emission, zero disclarge,
clean tech (coal washing, desulfurization) ② 대기중의 배출 이전 단계 – 제어(방지장치) ③ 대기질 관리 - tall stacks, 자정능력 향상 1. 대기오염 제어 (control) (그림 10-1) - 제어 비용과 효율 (지수 함수적) 입자상 오염물질 가스상 오염물질 Cyclone(원심력) 연소(소각) 여과 흡수 전기집진 흡착 중력 관성력 세정 ① Gravity settling chamber (중력) - 설치 가동비 저렴, 집진효율 낮음 (40~50%), 전처리설비, 50~100㎛ (효율:40~50%)

16 ③ Cyclone collectors (원심력) (그림 10-2, 3) 접선 유입식 –보편적
② Inertial separator (관성력) : 50~70% - 급격한 방향전환 ③ Cyclone collectors (원심력) (그림 10-2, 3) 접선 유입식 –보편적 축상유입식 –유입구 날개에 의해 회전운동 ▷ multiple tube collectors ; 대용량, 고효율 - multi-cone, multi-cyclone - 600 tubes in one housing ▷ 효율이 낮음, 전처리 설비 (85~95%) ▷ 저비용 (거대 입자 제거에 효과적) ④ Filtration (Bag filter, Fabric filter, Bag house) (그림 10-4, 5) 충진식, 백필터, 탈리방식 - home vacuum cleaner - 집진 효율이 높음 (90~99%) - limitations : high capital costs, flammability hazards, .space requirements, fule gas temp, sensitivity .to gas moisture content

17 ⑤ Electrostatic Precipitation (정전기력)
미국 Cottrell - 전기를 이용하여 전계를 형성하고 코코나 방전을 이용하여 입자에 음전하를 주어 대전된 입자를 양의 집진극으로 이동시켜 분리 - 집진원리 ⓐ 전계의 형성 ⓑ 가스의 이온화 ⓒ 입자의 하전 ⓓ 하전 입자의 이동 ⓔ 집직극의 포집 (그림 10-6, 7, 8, 9) ; 대용량 일수록 경제적 - 집진효율이 높고 (99.5% 이상), 고온가스 처리가능, 초기설치비 고가, 고압의 위험 - 장점 : 미세입자 포집 가능 고집진효율 압력손실이 적어 적은 소요동력 배출가스의 온도강하가 적다 고온가스 처리 가능 대량의 가스처리 가능 유지관리 용이,유지비 저렴

18 2. Control of gaseous emissions - adsorption - absorption
- 단점 : 초기 설비비 고가 고압이 위험 전압변동등에 취약 부하가 높은 경우 전처리시설 요구 ⑥ Wet scrubbers (세정) - open spay tower, 충전재 사용 - venturi scrubber ; 고효율 - 고온, 습윤가스처리, 가스상물질 제거가능, 고효율, 적은 소요 면적, 설비비 저렴 - 부식성, 폐수 발생, 운전비 고가, 확산불리 - 효율: 80~95% 2. Control of gaseous emissions - combustion 및 촉매 산화 - adsorption - absorption

19 - malodorants such mercaptans and H2S - organic aerosols
① Combustion (소각, 연소) – 가연성 가스나 악취물질 - malodorants such mercaptans and H2S - organic aerosols - combustible gases produced by refineries - solvent vapors ＊ 촉매 사용시 낮은 온도에서도 반응 – 백금(Pt), 팔라디움(Pd) ▪ Thermal incineration (가열소각) - 직접불꽃으로 소각 (after burner 법) ▪ Catalytic incineration (촉매소각) - platinum (pt), palladium (pd), Co, Ni ② Adsorption - 고체 흡착제의 표면에 흡착시켜 제거 - 흡착제 = activated carbons : large surface to volume ration (비표면적) ; 활성탄, 알루미나, 실리카겔… (그림 10-11) A simplified adsorption system - 효율 : 95~99%

20 3. Control of Sulfur Oxides
③ Absorption - 흡수액과 접촉시켜 가스를 분리 - packing material : (그림 10-12) large amount of surface area area ▪ Packed towers (충전탑) (그림10-13) - 분무탑, 젯트세정기, 벤츄리 세정기 3. Control of Sulfur Oxides ① use of low-sulfur fuels ⓐ coal benefication (석탄 탈황) - 물로 세정, 20~30% 제거 ⓑ solvent refining (석탄 정제) - pilot plant stage ⓒ coal gasification and Liquefaction (석탄 액화 도는 기화) - less energy efficient ⓓ Fluidized-bed combustion (유동상 연소) (그림 10-14) - limestone 과 dolomite 사용으로 90%까지 저감 ⓔ 액체연료의 탈황 – 원유를 수소와 촉매반응을 시켜 원유에서 유기황을 제거

21 습식 탈황법 - 물이나 알카리성 용액 및 슬러지를 사용
② Flue Gas Desulfurization (배연 탈황) 습식 탈황법 - 물이나 알카리성 용액 및 슬러지를 사용 건식 탈황법 - 분말이나 pellet 형태의 촉매층 통과, 분말의 반응제 및 슬러지 형태의 반응제를 분사 ⓐ 석회석 주입법 (건식) - 석회석(CaCO3)을 가루로 만들어 연소로에 직접 주입 - 석회석값이 저렴, 초기투자비가 적게 들고, 장치가 간단 - 처리효율이 낮다 ⓑ 알카리법(습식) - 암모니아를 이용 ⓒ 금속 산화물법 - 아황산가스를 아연, 철, 망간, 구리 등의 금속산화물과 반응시켜 금속의 황산화물을 생성하여 처리한 후 금속의 황산화물을 재생시 켜 다시 사용하는 방법으로 재생시 발생된 황산화물을 이용하여 고농도의 황산을 회수 ⓓ 활성탄 흡착법 - SO2를 활성탄에 흡착시키면 활성탄이 촉매작용을 하며 SO2로 산화되고 SO3가 배가스중의 수증기와 반응하여 H2SO4가 생성된 후 흡착된 H2SO4를 탈착

22 4. Control of Nitrogen Oxides
thermal NOx Fuel NOx ▪ 연소조절 ① 연료중 질소의 함유량이 적은 것을 사용 - 연료의 탈질 ② 연소영역에서 산소의 농도를 낮게 할 것 ③ 연소영역에서 연소가스의 체류시간을 짧게 할 것 ④ 연소온도를 낮게 할 것 ▪ 배가스 ① 촉매 환원법 - 선택적 촉매 환원법 (Selective Catalgtic Reduction) TiO2와 V2O5를 혼합 제조한 촉매로 NOX ⇒ N2로 환원 ( 효율 약 80% ) ② 흡착법 - 활성탄, 활성알루미나, 실리카겔를 이용하여 NO2를 흡착제거

23 Chapter 11 실내 공기오염

24 다양한 실내공간에서 공기가 오염된 상태 ① 80%이상을 실내에서 생활 ; 80년대 초 WHO에서 사용 1. 정의 2. 중요성
(주택, 학교, 사무실, 공공건물, 병원, 지하시설물, 자동차…) 2. 중요성 ① 80%이상을 실내에서 생활 ② 한정된 공간에서 희석률이 작다. ③ 새로운 건축자재의 개발 ④ 건물의 밀폐화 - Sick Building Sydrome (빌딩증후군) ; 80년대 초 WHO에서 사용 (증상) – 머리가 아프고 어지러움 - 쉽게 피로하고 나른함 - 눈이나 목이 따가움 - 소화가 안되고 메스꺼움

25 ① 발생원의 제거 또는 대체 – 오염물질 배출이 적은 건축자재
3. 발생원 및 영향 (표 11-1) 4. 실내 공기오염 제어방법 ① 발생원의 제거 또는 대체 – 오염물질 배출이 적은 건축자재 사용 ② 환기 ③ 공기 청정기 등에 의한 공기 청정 ④ 행동양식의 개선 – 금연 등 5. 실내 공기질 기준 ① 실내공간 규제항목 (표 11-2) ② 오염물질별 실내 기준치 (표 11-3)

26 The End

27 (그림 8-1) 1992년 서울 방이동 지역의 시간별 오존농도 분포

28 (그림 8-2) 남극대륙 상공의 오존홀 (년간 10월의 오존량 변화)
(그림 8-2) 남극대륙 상공의 오존홀 (년간 10월의 오존량 변화)    

29 (그림 8-8) 전지구에 대한 인위적인 CO2 배출량의 추이

30 (그림 8-9) 하와이 마우나로아에서 관측된 대기중 CO2의 농도변화의 추이

31 (그림 8-10) 반지별 및 전지구평균의 지표면 기온 분포도

32 (표 8-3) 온실가스의 대기중 배출현황 이산화탄소 CO2 메탄 CH4 산화질소 N2O 염화불화탄소CFCs 대류권의 오존 O3
산업화 이전 농도    (1750～1800년) 280 ppm 0.7 ppm 0.29 ppm CFC-11 0ppm CFC-12 0ppm 15 ppb 1990년 농도 354 ppm 1.7 ppm 0.31 ppm CFC-11 0.28 ppb  CFC-12 0.48 ppb 35 ppb 현재의 년간 증가율 0.5 % 0.9 % 0.25 % 4 % 1 % 대기중 체류시간 50～230 년 10 년 150 년 CFC-11   65 년  CFC-12  130 년 수시간～수일 온실효과 기여도 50 % 18 % 6 % 14 % 12 % 주요 발생원 화석연료 삼림파괴 토지이용 변경 늪지, 논, 화석연료, 매립지, 가축, biomass 연소 화석연료와 유기체 연소, 질소비료, 토지이용 변경 냉장고 냉매, 공업용 용매, 분사제  HC와 NOx의 광화학 반응

33 (그림 8-12) 온난화에 영향을 미친 온실가스의 기여율, 농도 변화를 참고로 하여 추정 (EPA, 1989)

34 (표 9-1) 자동차에 의한 오염 물질 배출량 (1997년)

35 (그림 9-1) 자동차 배출가스 배출개소 및 종류와 생성
완전연소시 (Perpect Combustion) Fuel(탄화수소계) + Air(O2, N2) >  CO2 + H2O+ N2 실제 연소시 (Real World Combustion) Fuel+ Air-----> 불연소 탄화수소 + NOx+ CO+ CO2+ H2O

36 (그림 9-2) 공연비와 배출가스 농도

37 (그림 9-3) 공연비와 불꽃온도, 출력 및 연료소비효율

38 (그림 9-5) 삼원촉매장치의 오염물질 정화

39 (그림 9-7) 증발가스 방지장치

40 (그림 9-8) 브로바이가스 방지장치

41 (그림 9-10) 세라믹 필터에 의한 입자상물질 여과

42 (표 9-3) 제작차 배출허용기준 (1) 가. 휘발유 또는 가스 사용 자동차

43 (표 9-3) 제작차 배출허용기준 (2) 나. 경유사용 자동차

44 (표 9-3) 제작차 배출허용기준 (3) 다. 이륜자동차

45 (표 9-5) 운행차 배출허용기준

46 (그림 10-1) 재생비를 포함한 대기오염의 제어비용관계

47 (그림 10-2) 사이클론의 종류

48 (그림 10-3) 사이클론의 설계인자 관계도

49 (그림 10-4) 단일필터섬유에 의한 입자제거

50 (그림 10-5) 탈리방식에 따른 여과집진의 종류

51 (그림 10-6) 평판형 전기집진장치의 설계구조도

52 (그림 10-7) 원통형과 평판형 전기집진기

53 (그림 10-8) 2단형 전기집진기

54 (그림 10-9) 코로나의 발생과정

55 (그림 10-10) VOC 처리를 위한 RTO와 RCO의 개략도

56 (그림 10-11) A simplified adsorption system

57 (그림 10-12) Scrubber packing meterial configurations

58 (그림 10-13) Fixed-bed packed tower scrubber

59 (그림 10-14) Fluidized-bed combustion system

60 (표 11-1) 발생원 및 영향 오염물질발생 발생원 인체영향 연소가스 (CO, NO2, SO2 등)
취사 및 난방, 가스난로, 석유난로 두통, 현기증, 구토, 시각장해, 기관지염, 폐기능 저하 담배연기 흡연 초조감, 폐질환, 폐암 포름알데히드(40%수용액-->포르말린-->살균방부제) 단열재,실내가구칠, 흡연, 접착재, 화장품, 옷감 눈, 코 등의 자극, 기침, 두통, 정서적 불안, 기억력 상실 석면(청, 황, 백) (Asbestos) 내화성건축자재, 단열재, 가정용품, 전기제품, 브레이크 피부질환, 호흡기질환, 석면증 폐암, 폐질환 라돈 건축자재(콘크리트, 시멘트, 진흙, 벽돌 등)동굴, 천연가스 폐암 미생물 가습기, 냉장고, 공기정화기, 살포제,플라스틱제품, 페인트, 악취 제거제, 애완동물 호흡기질환, 알레르기성 질환, 홍역, 천연두, Legionnaire's disease 유기용제 (VOS : 알데히드, 케톤 등) 건축재료, 살충제, 접착제, 페인트, 스프레이, 왁스 피로감, 정신착란, 두통, 구역, 현기증, 빈혈, 응고장애 악취 각종 악취 발생원 식욕감퇴, 구토, 불면 먼지(분진)-TSP, RSP 실내유입, 바닥먼지, 담배재 규폐증, 진폐증 기타(오존, 납) 복사기기 등 기침, 두통, 천식

61 (표 11-2) 실내공간 규제 항목 구분 대상공간 규제항목 -보건복지부 공중위생법 -사무용건축물(3천㎡이상),
지하상가(2천㎡이상)등 공중이용시설 7개항목(먼지, CO, CO2, 온도, 습도, 기류, 조명) -건설교통부 건축법 주차장법 도로법 도시철도법 -1천㎡이상인 지하층 -지하주차장 -도로터널 -지하역사 5개항목 (먼지, CO, CO2, 온도, 습도, 기류) 1개항목(CO) 환기설비 설치의무화 -환경부 지하생활공간공기질관리법 -지하역사(출입통로 대합실 승 장장 및 환승통로와 이에 부대되는 시설을 포함) -지하도상가(지상건물에 부속된 지하층의 시설 제외) 7개항목 (SO2, CO, NO2, PM-10, CO2, HCHO, Pb)

62 (표 11-3) 오염물질별 실내기준치 및 권고치 현황