RTO care

지구별 이야기/대기와 대기오염 +71

9. 휘발성 유기화합물

   

가. 성상

(1) 정의 : 휘발성유기화합물(VOC)은 증기압이 높아 대기중으로 쉽게 증발되고, 대기중에서 질소산화물과 공존시 태양광의 작용을 받아 광화학반응을 일으켜 오존 및 PAN 등 광화학 산화성 물질을 생성시켜 광화학스모그를 유발하는 물질의 총칭이다. 현재 국내에서는 탄화수소류중 레이드 증기압이 10.3 킬로파스칼 (또는 1.5 psia)이상인 석유화학제품·유기용제 또는 기타 물질로 정의되어 있다. VOC는 수많은 화합물의 총칭이고, 발생원도 다양하여 그 범주를 정하기는 어렵지만 미국 및 일본에서는 다음과 같이 정의하고 있다.

(가) 미국 EPA(40 CFR 51.100, February 3, 1992) : VOC는 일산화탄소, 이산화탄소, 탄산, 금속성 탄산염 및 탄산 암모늄을 제외한 탄소화합물로서 대기중에서 태양광선에 의해 질소산화물(NOx)과 광화학적 산화반응을 일으켜 지표면의 오존농도를 증가시켜 스모그현상을 일으키는 유기화합물질이다. 대표적인 물질들로서 벤젠, 톨루엔, 프로판, 부탄, 헥산 등 광화학반응성이 에탄보다 큰 318종의 물질과 이들 물질이 포함된 진증기압(True Vapor Pressure : TVP)이 1.5psia 이상인 석유화학제품 및 유기용제 등이다. 단 메탄, 에탄, 메틸클로라이드, 메틸클로르포름, 클로르플로르탄소류 및 퍼플로르탄소류 등 광화학반응성이 낮은 화합물은 제외한다.

(나) 일본 탄화수소류 대책 지도지침 : 탄소화합물중 일산화탄소, 이산화탄소 , 탄산 등 염류를 제외한 유기화합물질(단, 메탄은 제외)로 다음의 화합물이 해당된다.

1) 원유, 가솔린, 나프타 및 항공터빈연료유 4호(JP-4) : 원유 등 석유제품

2) 1) 이외의 물질로 단일물질은 비점이 1기압에서 섭씨 150oC 이하인 물질, 혼합물질은 1기압에서 5퍼센트 유출점이 섭씨 150oC 이하인 물질, 단 일산화탄소, 이산화탄소, 탄산 및 그 염류, 메탄, 에탄, 트리클로로에탄 및 트리클로르트리플로르에탄 등 광화학반응성이 없는 물질은 제외한다.

(다) 유럽(VOC Control Directive 94/63/EC)

레이드증기압(Reid Vapor Pressure : RVP)이 27.6kPa(4.01 psia) 이상인 석유류 제품(첨가제 유무에 무관)으로 액화석유가스는 제외한다.

(2) 특징 : 휘발성유기화합물은 산업체에서 많이 사용되고 있는 용매와 화학 및 제약공장 플라스틱의 건조공정에서 배출되는 유기가스 등까지 매우 다양하며, 저비점 액체연료, 파라핀, 올레핀, 방향족화합물등 우리 생활주변에서 흔하게 사용되는 탄화수소류들이 거의 VOC이다. VOC는 독성화학 물질이고(특히 방향족화합물 및 할로겐화 탄화수소물질), 광화학산화물의 전구물질이며(olefin류의 탄화수소가 광화학반응성이 큼) 성층권의 오존층 파괴물질이기도 하며 또한 지구온난화에도 영향을 미치는 물질이기도 하다.

(3) 규제대상 VOC : 현재 국내 환경부에서 규제대상 VOC로 고시하고 있는 물질(환경부고시, '98. 7.1.)은 레이드 증기압, 광화학반응성, 물질사용량, 발암성등 유해성을 감안하여 31개를 선정하여 규제하고 있으며 앞으로 규제대상 물질을 점차로 확대하여 나갈 계획으로 있다. 표 3.9.1에 국내에서 규제하고 있는 31종의 VOC 물질들을 나타내었고 표 3.9.2와 표 3.9.3에는 유럽 및 미국에서의 오존생성 전구물질인 VOC를 나타내었다.

표 3.9.1 국내의 규제대상 VOC 물질 (31종)

   

Acetaldehyde

Acetylene

Acetylene dichloride

Acrolein

Acrylonitrile

Benzene

1,3-Butadiene

Butane

1-Butene, 2-Butene

Carbon Tetrachloride

Chloroform

Cyclohexane

1,2-Dichloroethane

Diethylamine

Dimethylamine

Ethyl Alcohol

Ethylene

Formaldehyde

n-Hexane

Isopropyl Alcohol

Methanol

Methyl Ethyl Ketone

Methylene Chloride

Methyl Tertiary Bytyl Ether

Propylene

Propylene Oxide

1,1,1-Trichloroethane

Trichloroethylene

휘발유

납사

원유

  

   

   

표 3.9.2 Preliminary European list of target VOC ozone precursors. (26종)

   

Ethane

1-Butene

Isoprene

Ethyl Benzene

Ethylene

trans-2-Butene

n-Hexane

o-Xylene

Acetylene

cis-2-Butene

2-Methylpentane

m-Xylene

Propane

n-Pentane

3-Methylpentane

1,2,4-Trimethylbenzene

Propene

i-Pentane

n-Heptane

1,3,5-Trimethylbenzene

n-Butane

trans-2-Pentane

Benzene

  

   

i-Butane

cis-2-Pentene

Toluene

  

   

   

표 3.9.3 US EPA list of target VOC ozone precursors. (55종)

   

Ethene

2-Methyl-2-butene

trans-2-Hexene

2-Methylheptane

Ethylene

Cyclopentene

cis-2-Hexene

3-Methylheptane

Ethane

trans-2-Pentene

Methylcyclopentane

n-Octane

Propylene

3-Methyl-1-pentene

2,4-Dimethylpentane

Ethyl benzene

Propane

1-Pentene

Benzene

m-Xylene

iso-Butane

cis-2-Pentene

Cyclohexane

p-Xylene

n-Butane

2,2-Dimethylbutane

2-Methylhexane

Styrene

trans-2-Butene

3-Methylpentane

2,3-Dimethylpentane

o-Xylene

1-Butene

2-Methylpentane

3-Methylhexane

n-Nonane

iso-Butene

2,3-Dimethylbutane

2,2,4-Trimethylpentene

iso-Propylbenzene

cis-2-Butene

Isoprene

n-Heptane

n-Propylbenzene

Cyclopentane

4-Methyl-1-pentene

Methylcyclohexane

1,3,5-Trimethylbenzene

iso-Pentane

2-Methyl-1-pentene

2,3,4-Trimethylpentane

1,2,4-Trimethylbenzene

n-Pentane

n-Hexane

Toluene

  

   

   

나. 자연계분포(환경용량) 및 오염원

(1) 자연적 배출원

(가) 습지 등 혐기성 조건하에서 박테리아의 분해를 통해서 메탄이 생성되어 배출되거나

(나) 수목류로부터는 terpene 등이 배출되며

(다) 초지(grass land)에서는 주로 ester와 ketone 등이 배출된다.

(2) 인위적 배출원

(가) 고정배출원(점오염원, 면오염원)

용제를 사용하는 도장시설, 석유정제 및 석유화학제품 제조시설, 정유사 및 저유소의 저장시설과 출하시설 및 주유소, 세탁소 및 인쇄소 등 면오염원에서도 일부분 배출된다. 또한 인간의 일상생활과 밀접한 관계가 있는 소비상품(예 : 실내공기 청정물질, 스프레이), 건축자재(예 : 페인트, 접착제) 등에서도 배출된다.

(나) 이동배출원

자동차, 기차, 선박, 비행기 등의 배기가스에도 다량 포함되어 있다.

(3) 배출원별 VOC 배출량

국가마다 약간씩 차이는 있지만 일반적으로 이동배출원인 자동차에서 30∼40%, 도장시설등 용제를 다량 사용하는 시설에서 30∼40%, 주유소 및 석유 저장.출하시설에서 10∼20% 를 차지하며, 세탁소 및 기타 배출원에서 나머지 10∼20% 정도가 배출되고 있다.

   

다. 독성 영향

(1) VOC가 유발하는 최대효과는 NOx 존재하에서 OH 라디칼 연쇄반응에 관여하여 오존을 시발로하는 광화학적 산화성 물질을 생성하는 것인데 일반적으로 VOC의 대기중 광화학반응은 다음과 같이 표시될 수 있다.

VOC + 2NO + 2O2 → R'C(O)R" + 2NO2

NO2 + hv (<400nm) → NO + O

O + O2 + M → O3 + M

------------------------------------------

VOC + 3O2 → R'(C(CO)R" + 2O3

(2) 휘발성유기화합물들은 물질에 따라 광화학스모그을 유발시키는 정도가 다른데 이러한 대기중에서의 광화학반응성 정도는 일반적으로 에틸렌을 기준물질(POCP = 100)로 하여 오존생성능력(POCP : photochemical ozone creating potential )으로서 표현되며 개별 화합물들의 POCP는 표 3.9.4와 같다. 표에서 살펴보면

(가) 1,2,4-Trimethylbenzen 및 Acrolein이 120으로 제일 높은 POCP 값을 나타내고 있고

(나) 일반적으로 올레핀 탄화수소류와 방향족 탄화수소류가 높은 POCP 값을 나타낸다.

(다) 한편, 메탄 및 클로르포름 등 할로겐화탄화수소류는 낮은 POCP 값을 나타낸다.

(라) Benzaldehyde는 다른 VOC 들과는 달리 대기중의 NOx와 반응하여 Peroxybenzoyl Nitrate를 생성하는데 이 물질은 대기중의 질소산화물을 감소시켜 오존생성을 억제시키므로 POCP 값이 음수(-35)로 나타나고 있다.

(3) 대류권 오존생성에 영향을 미치는 VOC는 광화학반응성이 높은 물질이 문제가 되는데, 반응성을 평가하는 수법의 기준이 되는 것은 OH 라디칼과의 반응속도이다. 표 3.9.5 에 주요 VOC의 반응속도와 대기중의 존재시간(반감기)를 나타내었는데 표에서 알수 있듯이 염소계용제는 광화학반응성은 낮지만 대기중 수명이 길어 오존층 파괴, 지구온난화 유발물질로 인식되고 있고, 또한 인체에 대한 직접적인 발암성도 더 큰 것으로 나타나고 있다.

(4) 방향족 탄화수소와 할로겐화탄화수소 등은 그 자체로서 건강에 유해하며, 특히 다고리방향족 탄화수소류는 대기중에 미량으로 존재하더라도 발암가능성이 있다. 발암성이 인정되는 몇가지 VOC에 대한 발암위험성을 표 3.9.6에 나타내었다.

표 3.9.4 몇몇 VOC의 오존생성능력(POCP) (1991)

   

VOC

POCP

VOC

POCP

Alkanes

Methane

Ethane

Propane

n-Pentane

Isopentane

n-Hxane

2,3-Dimethylbutane

Branched C12 alkanes

Cycloalkanes

Cyclopentane

Methylcyclopentane

Cyclohexane

Olefins

Ethylene

Propylene

1-Butene

2-Butene

1-Pentene

2-Methylbut-2-ene

1,3-Butadiene

Isoprene

α-Pinene

β-Pinene

Acetylenes

Acetylene

   

1

10

40

40

30

50

40

40

   

50

50

25

   

100

105

95

100

70

80

105

100

50

50

   

15

Aromatic hydrocarbons

Benzene

Toluene

Ethybenzene

0-Xylene

m-Xylene

p-Xylene

1,2,3-Trimethylbenzene

1,2,4-Trimethylbenzene

C10-Trisubstituted benzene

Ozygenated hydrocarbons

Formaldehyde

Acetaldehyde

Propinonaldehyde

Acrolein

Benzaldehyde

Acetone

Methanol

Ethanol

n-Oropanol

Chlorinated hydrocarbons

Methylene chloride

Choroform

Methyl chloroform

   

   

20

55

60

65

105

90

115

120

115

   

40

55

65

120

-35

20

10

25

45

   

1

1

0

   

표 3.9.5. 주요 VOC의 반응속도와 대기중의 존재시간(반감기)

   

화 합 물

반응속도(cm3/molc.sec)

대기중 수명 τ(일)

n-헥산

n-헵탄

초산에테르

벤젠

톨루엔

에틸벤젠

o-크실렌

m-크실렌

p-크실렌

사염화탄소

1,1,1-트리클로로에탄

트리클로로에틸렌

테트라클로에틸렌

5.58 x 10∼12

7.2 x 10∼12

1.82 x 10∼12

1.28 x 10∼12

6.19 x 10∼12

7.5 x 10∼12

14.7 x 10∼12

24.5 x 10∼12

15.2 x 10∼12

1.0 x 10∼15

1.19 x 10∼13

2.36 x 10∼12

1.67 x 10∼13

2.07

1.61

6.36

9.04

1.87

1.54

0.79

0.47

0.76

(31년)

97.26

4.90

69.31

   

표 3.9.6 주요 VOC에 대한 발암위험

   

  

   

환경농도1

(mg/m3)

실험방법

발암위험2

단위위험

(U.S.EPA)

벤젠

   

클로로포름

   

   

트리크로로에틸렌

   

   

테트라크로로

에틸렌

   

사염화탄소

   

   

1,2-디클로로에탄

벤조피렌

대표치 16.35

최대치 68.71

대표치 0.30

최대치 3.37

(도시지역 0.79)

대표치 0.50

최대치 8.81

(도시지역 2.43)

대표치 0.07

최대치 4.18

(도시지역 2.68)

대표치 0.17

최대치 0.97

(도시지역 0.88)

(도시지역 0.25)

대표치 0.001

최대치 0.008

흡입

   

경구

   

   

흡입

   

   

흡입

   

   

경구

경구

130.8

549.7

10.2

114.6

(26.9)

0.4

7.8

(2.1)

0.7

41.8

(26.8)

3.7

21.3

(19.4)

(4.8)

3.3

26.4

8.0 x 10∼6

   

2.3 x 10∼6

   

   

1.3 x 10∼5

   

   

4.8 x 10∼7

   

   

1.5 x 10∼5

   

   

2.6 x 10∼5

3.3 x 10∼3

1 : (도시지역)은 인구 백만이상의 도시의 평균치

2 : 백만명당 발생가능한 위험성

   

라. 규제 법규 및 각종 기준

(1) 한국의 휘발성유기화합물 규제 현황

(가) 점오염원 (대형배출원)

1) 레이드증기압 기준을 삭제하고

2) 도장, 세정, 저장등 대형배출원(제조업)으로 업종 특성에 맞게 배출억제て방지시설 설치기준으로 규제(대기환경보전법 28조의2)하며

3) 휘발성유기화합물질에 대한 규제가 1999년부터 본격적으로 시작되는 점을 감안, 대기오염물질배출시설(대기환경보전법 별표 2) 이상의 규모인 배출시설을 우선적으로 규제키로 한다.

(나) 비점오염원

1) 주유소て세탁소て정비소て인쇄소등 소형배출시설과 건물도장, 아스팔트 포장, 폐기물 매립장등의 배출원 중에서

가) 유해성이 큰 물질을 다량 배출하는 주유소て세탁소て정비소를 우선 규제하고

나) 건물도장등 비점오염원은 수용성페인트로 전환, 용제사용 저감 및 대체 등 오염예방을 유도한다.

(다) 이동오염원

1) 자동차에서 배출되는 증발가스를 제작차에 대한 테스트 기준을 통해 미국, 일본,유럽과 동일한 수준으로 관리(대기환경보전법 시행규칙 별표 20)하며

2) 지방자치단체별로 운행차대상 정기검사(Inspection and Maintenance), 지역 자동차운행량 삭감계획(5부제등)등을 수립て시행 예정으로 있다.

(2) 미국의 휘발성유기화합물 규제 현황

(가) 미국에서는 연방 대기정화법(CAA)이 1977년 개정되면서 년간 100톤 이상의 VOC를 배출하는 대규모 발생원에 대하여 배출을 제한하고 있고

(나) 각주는 환경기준을 달성하기 위하여 법을 제정할때 지침으로서 11개 업종에 대하여 제어 기술가이드라인(CTG)을 정하였으며, 이들 업종중 기존배출원에 대하RACT (Reasonable Available Control Technology : 합리적이용가능제어기술)을 적용하고 있다.

(다) 한편 환경에 중대한 영향을 미치는 다량의 오염물질을 배출하는 주요 배출원에 대해서는 NSPS(New Source Performance Standard : 신규발생원실시기준)을 제정하여 적용하고 있으며

(라) 1990년 CAA가 개정되면서 오존환경기준 미달성지역을 대폭 해소하기위해 지역을 5 단계로 구분하고 그 수준에 대응하는 RACT를 적용받는 대상의 규모를 종래 100톤에서 최저 10톤으로 하여 규제를 강화하였으며, 자동차 등 이동배출원에 대한 규제를 강화하였다.

(마) 주유소인 경우 주유시 VOC 회수가 의무화되어 대부분의 주에서 실시하고 있고, 연방오존기준치 0.12 ppm 미달성지역중 일부에서는 자동차에서 배출되는 VOC 회수를 요구하고 있다.

(3) 일본의 휘발성유기화합물 규제 현황

일본에서는 각 현마다 탄화수소류 대책 지도지침을 제정.운영하여 VOC를 관리하고 있는데, VOC를 배출하는 저장시설, 급유시설, 이동저장시설, 세탁시설 및 제조시설에 대하여 관리하고 있다.

(4) 유럽의 휘발성유기화합물 규제 현황

유럽경제공동체(EU)에서는 1994년 석유의 저장, 출하 및 판매시설에서 발생되는 VOC 배출제어에 관한 EU 법률을 통과시켜 유럽전체의 VOC 배출량을 감축하기 위해서 노력하고 있으며, 또한 국가별로 별도의 VOC 관리방안을 운영하여 시설별 VOC 배출량 저감을 위해 노력하고 있다.

(가) 독일

일반적으로 유해성 정도에 따라 VOC를 3 Class로 분류하여 각각에 대한 질량농도 한계치를 Class I은 20 ㎎/㎥, Class II는 50 ㎎/㎥, Class III는 100 ㎎/㎥을 설정하고, 각 Class의 합은 150 ㎎/㎥을 초과해서는 안 되는 것으로 되어있다. 예로서 도장용제는 Class II 또는 Class III에 포함된다.

또한 생산 및 저장용량이 연간 10,000㎥ 이상되는 정유시설에 대하여 VOC의 배출량을 최소화 시킬 수 있는 증기회수장치(vapor recovery facility)를 갖추도록 법으로 규정하고 있다.

(나) 영국

1990년 제정된 환경보호법에 대기유해물질로 VOC를 지정하여, 해당되는 제조과정에 대하여 규제하고 있으며, 행정지침으로서 Process Guidance Note(PG6/20(92))를 발효하여 시행하고 있다.

(다) 네덜란드

VOC 삭감계획인 [KWS2000]을 제정하여 VOC 배출량을 1981년 배출량의 50%로 삭감하기 위하여 VOC 배출원별 삭감목표를 정하여 실시하고 있다.

(라) 기타

주유소에서의 주유시 VOC 규제는 스위스가 '89년, 스웨덴이 '90년, 독일이 '91년에 실시되고 있으며, 유럽전체에 대한 규제는 아직 없다.

마. 오염 현황

VOC가 많이 발생되는 휘발유 및 유기용제의 년도별 사용량과 1993년 VOC 배출량 추정 치는 각각 표 3.9.7 및 표 3.9.8과 같다.

표 3.9.7 VOC 원인물질인 유류, 유기용제 사용량 추이 (단위 : 천㎘)

   

년 도

90

91

92

93

휘발유

1,287

1,650

1,856

2,178

페인트

-

581

619

1,288

표 3.9.8 VOC 발생량('93년 추정치) (단위 : 톤/년)

   

배 출 시 설

전국

서울

자동차배출가스

페인트

주유 및 저장시설

아스팔트

기타(잉크, 세탁)

140,454(48.1)

95,695(32.8)

22.134(7.6)

11,200(3.8)

22,481(7.7)

31,008(45.6)

23,924(35.2)

5,289(7.8)

2,800(1.4)

4,974(7.3)

합 계

291,964

67,995

   

바. 문제점 및 대책

(1) 휘발성유기화합물은 단일물질이 아니고 여러 화합물의 총칭이며, 또한 일반 대기오염물질과 다르게 배출원이 굴뚝으로 고정되어 있지 않고 저장시설, 수송수단 및 공정중에서의 증발 및 누출 등 불특정 배출원으로부터 배출되는 오염물질이므로

(2) 배출원 관리는 주요 배출원별 방지기술 등 시설관리가 주 관리 방법이며 개별 VOC 화합물별 배출량 산정 및 분석에 어려움이 뒤따른다.

(3) VOC 화합물들은 광화학 반응성 및 인체에 대한 발암성 등 유해성이 다르므로 개별 VOC 화합물의 배출현황 및 배출량 산정이 매우 중요하며, 또한 배출되는 수많은 화합물을 측정하기위한 측정방법의 확립, 분석기기 및 분석요원이 확보되어야 한다.

   

참고문헌

1. H.J.Th.Bloemend, J.Burn(1997) Chemistry and Analysis of Volatile Organic Compounds in the Environment.

2. 국내 VOC 관리의 현황과 문제점(1997), 한국대기환경학회

3. 유해대기오염물질 규제에 관한 국내 대응방안 연구(1994), 한국환경기술개발원

4. 휘발성유기화합물 방지기법 세미나(1996), 한국정보기술원

5. 유해가스 배출량 산정에 관한 조사연구(I) & (II)(1995,1996), 국립환경연구원

6. 휘발성유기화합물 저감대책 기술의 국제동향 조사보고서(1997), 한국에너지기술연구소

7. 대기환경규제지역 휘발성유기화합물질 배출시설 규제 업무편람(1999), 환경부

8. 자원환경대책(일본)(1994), Vol.29, No.2, 1∼22

9. 도장공학(일본)(1992), Vol.27, No.8, 374∼395

10. 울산의 휘발성유기화합물 현황과 정책 전망(1999), 울산지역 환경기술개발센터

   

   

작성자 : 대기공학과 환경연구관 차준석(공학박사)

   

   

   

원본 위치 <http://home.sunchon.ac.kr/~bioenvlab/data2/ham3/3-9.htm>

   

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8. 황화수소

가. 성상

○ 화학식 : H2S(hydrogen sulfide)

○ 분자량 : 34.08

○ 밀도 : 1.539 g/L(0℃, 1 atm)

○ 끓는점 : -60.2℃(760 mmHg)

○ 녹는점 : -82.9℃(760 mmHg)

○ 비열 : Cp=0.24 cal/g·℃(30℃, 1 atm), Cv=0.18 cal/g·℃(30℃, 1 atm)

○ 발화점 : 260℃

○ 무색의 기체로서 계란 썩는 냄새가 나는 대표적인 악취 물질로서 유독성 가스로 취급

○ 물, 에탄올, 가솔린, 등유에 잘 녹음

○ 산소 중에서 푸른 불꽃을 내며 타서 이산화황을 생성하며, 산소가 부족할 경우 황을 생성

2H2S + 3O2 → 2H2O + 2SO2, 2H2S + O2 → 2H2O + 2S

○ 알칼리와 반응하여 두 가지 염을 생성

MOH + H2S → 2H2O + MHS(수소황화물)

2MOH + H2S → 2H2O + M2S(황화물)

○ 산화물을 잘 환원시키고, 특히 진한 질산 등의 산화제와는 격렬하게 반응하므로 위험함

○ 단백질 등의 유기 물질이 박테리아에 의한 분해 작용으로 인하여 천연적으로 발생된 황화수 소는 대기 중에서 산화하여 이산화황이나 황산염으로 변화하는 순환을 함

   

나. 발생원

(1) 인위적 발생원

㈎ 석유 정제공정이나 피혁, 아교, 형광물질 원료 등의 제조공정 중의 부산물로서 발생

㈏ 펄프공장의 경우, 펄프원료를 수산화나트륨(NaOH)과 황화나트륨(Na2S) 존재하에서 증류,분해하여 셀룰로오스를 얻는데, 이 때 황화수소, 메르캅탄 등을 부산물로서 발생

㈐ 염료, 공업약품, 의약품(디메틸 설파이드, 디메틸 설폭사이드 황화나트륨)의 원료로 사용함으로써 발생

㈑ 그 외 혐기성 발효가 일어날 수 있는 대도시의 하수 또는 쓰레기장 등에서 발생

(2) 자연적 발생원

㈎ 화산이나 온천, 납, 석고, 유황 광산 등의 황 또는 황화합물이 존재하는 지각층에서 발생

㈏ 광산에서는 황철광의 분해로 인하여 대기 중으로 발생되거나, 수중에 녹아 있다가 물이 흐르면서 공기 중으로 발산

㈐ 유정(油井)의 천연 가스에 섞여 있을 경우 이것의 생산, 수송, 정제시에 발생

㈑ 자연적 발생량(해면 : 32 x 106톤/년, 육지 : 72 x 106톤/년)이 인공적 발생량(3 x 106톤/년)보다 훨씬 많은 것으로 추정

㈒ 그러나, 인위적 발생은 한정된 지역에 국한

다. 독성

⑴ 황화수소는 독성이 강하며, 고농도 가스를 많이 흡입하면 함철 산화 효소의 파괴로 인하여 세포의 내부 호흡이 정지하여 중추 신경이 마비되어 실신하거나 호흡 정지 또는 질식 증상 을 일으킬 수 있음

⑵ 황화수소는 점막에 산으로 작용, 눈이나 호흡기계의 점막을 자극하며 심한 통증을 유발함 ⑶ 황화수소의 농도별 인체에 미치는 생리 작용은 표 3.8.1과 같음

표 3.8.1 황화수소의 농도별 인체에 미치는 영향

   

농 도(ppm)

증 상

1∼2

취기를 인지함

2.4

명확한 취기를 느끼나 고통스럽지는 않음

3

뚜렷하게 취기를 느낌

5∼8

심하게 불쾌한 취기를 느낌

80∼120

뚜렷한 증상없이 약 6시간 정도 참을 수 있음

200∼300

5∼8분 후에는 눈, 코, 목구멍 등의 점막에 강한 통증을 느끼고 30∼60분 견딜 수 있음

500∼700

약 30분간 호흡하면 아급성 중독을 일으켜 생명이 위험함

1000∼1500

즉시 급성 중독을 일으켜 실신하거나 호흡마비로 즉사함

   

⑷ 저농도의 황화수소는 결막, 코 및 인두에 자극을 주어 광선 현기증, 눈꺼풀의 수축 경련, 재 채기, 입안 및 인후의 건조 등을 유발하여, 사람이 눈물을 흘리고 침이 고이는 것을 느낌

⑸ 황화수소에 대한 결막의 반응은 상당히 심한데 많은 양의 눈물이 나오고, 빛을 피하려는 증상 (photophobia), 통증, 결막 부종, 눈꺼풀의 외번(eversion) 등을 그 예로 들 수 있고, 눈에 대한 이러한 증상은 노출을 중단시키면 수일 내에 사라짐

⑹ 50ppm에 장기간 노출되어 있을 경우 비염, 인두염, 기관지염이 발생된 예가 있음

⑺ 이 가스에 대한 축적 독작용은 없고, 인체에 흡입되면 장, 오줌, 호흡기로 배출됨

   

라. 오염 사례

⑴ 포자리카 중독 사고

-멕시코

-1950년 11월

-기상은 바람에 약하고 안개가 짙게 낀 상태

-각종 공장에서 배출된 황화수소로 주민 22,000명 중 320여명이 급성 증독병으로 입원

-그 중 22명이 사망

-중독 환자의 증상 : 기침, 호흡곤란, 점막 자극 등

⑵ 텍사스 사고

-미국 텍사스에 인접한 10개의 유정에서의 황화수소 배출

-농도는 4∼14%

-유정으로부터 발생한 고농도의 황화수소로 많은 가축이 죽었고, 특히 유정의 가스 탱크나 펌프 시설 근방이나 골짜기에서는 의식을 잃는 사람도 있었음

   

마. 관련기준의 비교

(1) 외국의 황화수소 환경기준

각 국의 환경대기 중의 황화수소 농도의 기준치는 표 3.8.2와 같음

표 3.8.2 각 국의 환경대기 중의 황화수소 농도 기준

   

국가

  

  

평균 시간(시간)

기준치(ppm)

비고

미국

캘리포니아주

  

1

0.1

  

  

   

미조리주1

  

0.5

0.5

0.05

0.03

b

c

  

몬타나주

  

0.5

0.5

0.05

0.03

b

c

  

뉴욕주

  

1

0.1

  

  

   

팬실바니아주

  

1

24

0.1

0.005

  

   

러시아

  

  

24

0.005

  

   

폴란드

  

  

0.33

24

0.33

24

0.04

0.013

0.005

0.005

d

d

e

e

독일

  

  

0.5

0.5

0.1

0.2

f

g

체코

  

  

24

0.005

  

   

캐나다

  

온타리오주

0.5

0.03

  

   

(출처 : Bela G. Liptak, 1984)

1 : 세인트 루이스 도심지역

2 : 1년에 2번이상 초과하면 안됨

3 : 연속 5일간 2번이상 초과하면 안됨

4 : 보호구역임

5 : 특별보호구역임

6 : 장기간 노출시

7 : 8시간 동안 1번이상 초과하면 안됨

(2) 우리나라 환경 및 작업장 기준

(가) 대기환경보전법(개정 '92. 8. 8, 시행 '94. 1. 1)에서 황화수소를 악취물질로 규정, 배출을

규제

1) 공업지역안의 사업장에서의 배출량 : 0.2ppm이하

2) 기타지역안의 사업장에서의 배출량 : 0.05ppm이하

(나) 산업안전보건법(개정 '90. 1. 13)에서 황화수소를 작업장 유해물질로 규정, 미국 ACGIH(미국 산업위생정부전문가회의)에서 권고한 TWA(8시간 가중 평균치) 10ppm, STEL(단시간 노출허 용농도) 15ppm을 작업환경 조건으로

정하여 규제

   

참고문헌

1. 이창기, (1993), 환경과 건강, pp68∼71.

2. Bela G. Liptak, (1984), Environmental Engineers' Handbook, Volume 2, pp176∼181.

3. Luigi Parmeggiani, (1971), Encyclopedia of Occupational Health and Safety, pp1090∼1091.

   

작성자 : 대기공학과 환경연구사 석광설(공학석사)

   

   

원본 위치 <http://home.sunchon.ac.kr/~bioenvlab/data2/ham3/3-8.htm>

   

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7. 알데히드류(Aldehydes)

가. 성상

(1) 포름알데히드

자극성냄새(냄새역치 : 0.8 ppm)를 갖는 가연성 무색기체로 물에 잘 녹고 살균방부제로 이용되며, 그 수용액은 포르말린으로 알려져 있다. 화학적으로는 반응성이 매우 센 환원제이며, 또한 많은 물질들(젤라틴, 아교 등과 같은 단백질)과 쉽게 결합하여 중합체를 형성한다. 포름알데히드는 피혁제조나 사진건판, 폭약등을 만들 때에도 이용되며, 또한 강한 반응성을 이용하여 요소계, 멜라민계 합성수지를 만드는 공정 등에 쓰인다.

(2) 아세트알데히드

아세트알데히드는 반응성이 매우 큰 물질로서 사용상 가장 유의할 점은 화재 및 폭발임. 액상이나 증기상 모두 다 가연성이 매우 크다. 특히 증기상은 다양한 농도범위에서 공기와 함께 가연성과 폭발성이 큰 물질을 형성함. 아세트알데히드는 수은촉매를 이용한 아세틸렌 수화반응, 구리촉매를 이용한 에탄올 산화 혹은 탈수소화반응, 파라핀 산화, 촉매로서 팔라듐과 염화구리를 이용한 에틸렌 산화 등과 같은 공정에 의해서 만들어짐. 아세트알데히드는 중요한 화학적 중간물질로서 수많은 반응에 참여하는데, 현재 생산된 총 아세트알데히드의 약 60%는 아세트산 제조에 사용된다.

나. 발생원

주요발생원은 포르말린제조, 합판제조, 합성수지 및 화학제품제조, 소각로, 석유정제, 유류 및 천연가스 연소시설 등으로 매우 광범위하다. 포름알데히드는 또한 실내공기오염의 주요 원인물질로 일반주택 및 공공건물에 많이 사용되는 단열재인 우레아폼 (Urea Formaldehyde Form Insulation)과 이 외에 실내가구의 칠, 가스난로 등에서의 연소과정, 접착제, 흡연 등에 의해 발생된다.

   

표 3.7.1 포름알데히드의 농도별 인체 자극정도

   

농 도 (ppm)

자 극 부 위

자극정도

0.25이하

0.25∼0.50

0.50∼1.50

10 이상

눈, 코, 호흡기도

"

"

"

"

매우 약한 자극

약한 자극

중간 자극

강한 자극

눈물흘림, 호흡곤란, 기침

   

다. 인체영향

1981년 Schenke 등의 보고서에 따르면 우레아폼을 단열재로 사용한 주택에 살고 있는 주민을 조사한 결과, 오랫동안 포름알데히드에 폭로되었을 경우 정서적 불안정,기억력 상실,정신집중의 곤란등을 유발한다. 동물실험에서는 폐수종, 비염의 증상이 있는 것으로 나타남. 포름알데히드에 반복하여 노출될 경우 눈, 코 및 호흡기도에 만성 자극을 일으키며 눈꺼풀에 염증을 유발시키는 것으로 알려지고 있으며 농도별 인체에 대한 자극정도는 표 3.7.1과 같다. 또한 이 물질이 수중에 존재할 경우 어패류에 대한 독성(어류에 대한 치사농도 : 50∼100ppm)도 있다.

호흡에 의한 영향을 보면 쥐의 4시간 기준 반수치사농도(LC50)는 250 ppm이고, 고양이는 8시간 기준 반수치사농도가 650 ppm이다. 사람에 대해서는 10 ppm이하일때 느끼는 자극정도는 표 3.7.1에 나타낸 바와 같고 30 ppm에서 질병증상이 나타나기 시작하며 100 ppm이상에서 1분이상 노출될시 심각한 영향을 나타낸다. 실내 또는 지하공간에서 포름알데히드에 의한 오염을 막기위해서 환기 시설을 충분히 가동하여야 한며, 사용시 손이나 피부에 묻었을 경우 그 부위를 비눗물로 깨끗이 씻어야 하고 눈에 들어갔을 경우 깨끗한 물로 15분이상 씻어야 한다.

또한 아세트알데히드는 점막을 자극하고, 중추신경계에 마취작용을 일으키며, 낮은 농도에서도 기관지 염증뿐만 아니라 눈·코·상부호흡기의 자극을 유발함. 고농도에서는 두통·마비·기관지 및 폐의 수종을 일으키고, 섭취시에는 멀미·구토·설사·혼수상태·호흡기 장애 등을 유발한다.

라. 대기중 허용농도 및 환경기준

(1) 각국의 대기중에서의 포름알데히드에 대한 허용노출농도는 표 3.7.2와 같음.

표 3.7.2 포름알데히드에 대한 허용노출농도

   

국 가

시간가중평균(TWA)

  

  

ppm

mg/m3

미국

러시아

체코

독일

스웨덴

브라질

일본

영국

3.0

-

-

0.5

0.8

1.6

2.0

2.0

-

0.5

0.5

0.6

1.0

2.3

2.5

3.0

(2) 미국 각 주의 포름알데히드에 대한 환경기준은 표 3.7.3과 같음.

표 3.7.3 미국 각주의 포름알데히드에 대한 환경기준

   

환경기준(mg/m3)

북부케롤리나, 북부다코타

메사츄세츠

뉴욕

펜실베니아

남부케롤리나

컨넥티코트, 남부다코타, 버지니아

인디아나

네바다

워싱톤

0

0.77

5.0

7.2

7.5

12.0

18.0

71.0

75.0

   

(3) 현재 대기환경보전법상 포름알데히드의 배출허용기준은 모든 배출시설에 대해 20 ppm이하로 규정되어 있다.

(4) 포름알데히드와 아세트알데히드는 '98년 초 대기환경보전법 개정시 특정대기유해물질로 확대지정되어 관리되고 있고, 대기오염공정시험방법도 개정됨. 포름알데히드에 대한 주시험방법은 크로모트로핀산법에서 DNPH/HPLC 방법으로 개정된다. DNPH/HPLC 방법은 알데히드화합물과 2,4-DNPH와의 유도체화반응을 이용한 것으로서 배출가스중의 알데히드는 흡수액인 2,4-DNPH와 반응하여 하이드라존 유도체를 형태로 전환되고 물을 부산물로 생성하게 되는데 이 때 생성된 하이드라존유도체를 HPLC로 분석하여 정량하게 된다. 이 시험방법에서 주의할 점은 굴뚝 먼지를 시료채취할 경우와 마찬가지로 알데히드류의 시료채취시에도 반드시 등속흡인을 해야한다는 것이다.

참고문헌

1. Marshall Sittig, Handbook of Toxic hazardous Chemicals and Carcinogens.

2. Luigi Parmeggiani, (1971), Encyclopedia of Occupational Health and Safety.

작성자 : 대기공학과 환경연구관 차준석(공학박사)

   

   

원본 위치 <http://home.sunchon.ac.kr/~bioenvlab/data2/ham3/3-7.htm>

   

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Toluene diisocyanate

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Names

  

IUPAC name

2,4-diisocyanato-1-methyl-benzene

  

Other names

Tolylene diisocyanate

Methyl phenylene diisocyanate

  

Identifiers

  

CAS Number

584-84-9 

ChEBI

CHEBI:53556 

ChEMBL

ChEMBL1086446 

ChemSpider

13835351 

Jmol 3D model

Interactive image

RTECS number

CZ6300000

InChI[show]

  

SMILES[show]

  

Properties

  

Chemical formula

C9H6N2O2

Molar mass

174.2 g/mol

Appearance

Colorless to pale yellow liquid

Odor

sharp, pungent[1]

Density

1.214 g/cm3, liquid

Melting point

21.8 °C (71.2 °F; 294.9 K)

Boiling point

251 °C (484 °F; 524 K)

Solubility in water

Reacts

Vapor pressure

0.01 mmHg (25°C)[1]

Hazards

  

Safety data sheet

See: data page

EU classification (DSD)

Very toxic (T+)

Carc. Cat. 3

R-phrases

R26, R36/37/38, R40,

R42/43, R52/53

S-phrases

(S1/2), S23, S36/37, S45, S61

NFPA 704

1

3

1

Flash point

127 °C (261 °F; 400 K)

Explosive limits

0.9%-9.5%[1]

Lethal dose or concentration (LD, LC):

  

LC50 (median concentration)

14 ppm (rat, 4 hr)

13.9 ppm (guinea pig, 4 hr)

9.7 ppm (mouse, 4 hr)

11 ppm (rabbit, 4 hr)[2]

US health exposure limits (NIOSH):

  

PEL (Permissible)

C 0.02 ppm (0.14 mg/m3)[1]

REL (Recommended)

Ca[1]

IDLH (Immediate danger)

Ca [2.5 ppm][1]

Related compounds

  

Related isocyanates

Methylene diphenyl diisocyanate

Naphthalene diisocyanate

Related compounds

Polyurethane

Supplementary data page

  

Structure and

properties

Refractive index (n),

Dielectric constantr), etc.

Thermodynamic

data

Phase behaviour

solid–liquid–gas

Spectral data

UV, IR, NMR, MS

 verify (what is 

   

 ?)

  

Infobox references

  

Toluene-2,4-diisocyanate

Toluene diisocyanate (TDI) is an organic compound with the formula CH3C6H3(NCO)2. Two of the six possible isomers are commercially important: 2,4-TDI (CAS: 584-84-9) and 2,6-TDI (CAS: 91-08-7). 2,4-TDI is produced in the pure state, but TDI is often marketed as 80/20 and 65/35 mixtures of the 2,4 and 2,6 isomers respectively. It is produced on a large scale, accounting for 34.1% of the global isocyanate market in 2000, second only to MDI.[3] Approximately 1.4 billion kilograms were produced in 2000.[4]

Contents

 [hide

Synthesis[edit]

2,4-TDI is prepared in three steps from toluene via dinitrotoluene and 2,4-diaminotoluene (TDA). Finally, the TDA is subjected to phosgenation, i.e., treatment with phosgene to form TDI. This final step produces HCl as a byproduct and is a major source of industrial hydrochloric acid.[4]

Distillation of the crude TDI mixture produces an 80:20 mixture of 2,4-TDI and 2,6-TDI, known as TDI (80/20). Differentiation or separation of the TDI (80/20) can be used to produce pure 2,4-TDI and a 65:35 mixture of 2,4-TDI and 2,6-TDI, known as TDI (65/35).

Applications[edit]

The isocyanate functional groups in TDI react with hydroxyl groups to form carbamate (urethane) links. The two isocyanate groups in TDI react at different rates: The 4-position is approximately four times more reactive than the 2-position. 2,6-TDI is a symmetrical molecule and thus has two isocyanate groups of similar reactivity, similar to the 2-position on 2,4-TDI. However, since both isocyanate groups are attached to the same aromatic ring, reaction of one isocyanate group will cause a change in the reactivity of the second isocyanate group.[3]

It is used in the production of flexible polyurethane foams

Hazards[edit]

The LD50 for TDI is 5800 mg/kg for oral contact and LC50 of 610 mg/m3 for the vapour. Despite the indicated low toxicity, TDI is classified as "very toxic" by the European Community.[4]

In the United States, the Occupational Safety and Health Administration has set a permissible exposure limit with a ceiling at 0.02 ppm (0.14 mg/m3), while the National Institute for Occupational Safety and Health has not established a recommended exposure limit, due to the classification of toluene diisocyanate as a possible occupational carcinogen.[5]

Information is available on handling, personal protective equipment, exposure monitoring, transport, storage, sampling and analysis of TDI, dealing with accidents, and health and environmental themes.[6] All major producers of TDI are members of the International Isocyanate Institute,[citation needed] whose aim is the promotion of the safe handling of TDI in the workplace, community, and environment.

See also[edit]

References[edit]

  1. ^ Jump up to: a b c d e f "NIOSH Pocket Guide to Chemical Hazards #0621". National Institute for Occupational Safety and Health (NIOSH).
  2. Jump up ^ "Toluene-2,4-diisocyanate". Immediately Dangerous to Life and Health. National Institute for Occupational Safety and Health (NIOSH).
  3. ^ Jump up to: a b Randall, D.; Lee, S. (2003). The Polyurethanes Book. New York: Wiley. ISBN 978-0-470-85041-1.
  4. ^ Jump up to: a b c Six, C.; Richter, F. (2005), "Isocyanates, Organic", Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, Weinheim: Wiley-VCH, doi:10.1002/14356007.a14_611
  5. Jump up ^ National Institute for Occupational Safety and Health (May 1994). "Documentation for Immediately Dangerous To Life or Health Concentrations (IDLHs)". Centers for Disease Control and Prevention.
  6. Jump up ^ Allport, D. C.; Gilbert, D. S.; Outterside, S. M., eds. (2003). MDI and TDI: Safety, Health and the Environment: A Source Book and Practical Guide. Wiley. ISBN 978-0-471-95812-3.

External links[edit]

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6. 톨루엔 디이소시아네이트(TDI)

가. 성상

상온에서 자극성 냄새가 있으며 무색액체이다. 물과 반응하여 탄산가스를 발생하고 적은 양의 디아미노톨루엔을 형성하며 아세톤, 벤젠, 사염화탄소, 클로로벤젠, 등유, 니트로벤젠에 녹는다. TDI는 화학적 유기합성물로 2,4-TDI와 2,6-TDI의 혼합물 이성체가 있다. 이성체의 종류는 2종류가 있으며 현재 시판중인 이 물질은 100% 2,4-TDI, 80% 2,4-TDI + 20% 2,6-TDI의 혼합물과 2,4-TDI 65% + 2,6-TDI 35%의 혼합물 등 3종류가 있다.

○ 분자량 : 174.16

○ 액체융점 : 19.5∼21.5 ℃(100%)

○ 비중 : 1.22 (20℃)

○ 비점 : 251℃ (1기압)

○ 빙점 : 2,4-TDI - 15℃; 2,6-TDI - 7.2℃

○ 인화점(개방시) : 132 ℃

나. 발생원

TDI는 자연적으로 생성되지 않는다. TDI는 산업용 폴리우레탄(연질 및 경질, Foam, 도료접착제, 고무 등)의 원료로 쓰이며 TDI를 원료로 한 폴리우레탄 Foam은 자동차, 가구제료 또는 팩킹재료로 널리 이용되므로 여러 산업에서 발생한다. TDI는 자연에 노출되면 물과 반응하려는 경향이 있으며 빠른 가수분해로 인해 비활성 폴리머요소를 형성한다. TDI의 발생은 주로 운반시에 새거나 용기에서 흘러서 배출되므로 취급시에 특별한 주의를 요한다.

다. 독성영향

TDI자체는 액상상태로 인간에게 직접적인 해가 없으나, 일단 휘발되면 인체에 유해하다. TDI의 자극성 감지농도는 0.4ppm이며 자극성이 감지된다는 것은 이미 증기화되었다고 볼 수 있다. TDI의 독성은 휘발되었을 때 생명체의 호흡 등에서 독성이 나타난다. 생체에 대한 유독성은 저농도에서 눈 및 상부호흡기관을 자극시키며, 피부나 눈에 접촉시에 바로 씻어내지 않으면 염증을 일으킨다. 장기간에 대한 사항은 아직 증명된 바가 없으며, 단기간의 영향은 다음의 표 3.6.1과 같다.

표 3.6.1 TDI 독성 영향

   

농도

증세

>0.014 mg/m3

폐기능의 저하로 폐활량의 감소

>0.036 mg/m3

전체인원의 10%이상이 호흡기관의 자극 감지

>0.35 mg/m3

눈, 코, 호흡기관을 자극

0.7∼3.5 mg/m3

가슴이 답답하고 기침 발생

   

동물실험에서 토끼의 경우 피부LD50은 10g/㎏으로 나타났으며 경구 LD50은 3.06∼4.13g/㎏으로 나타났다. 또한 4-h LC50의 범위는 70∼356㎎/㎥로 나타났다. 그리고 TDI는 박테리아 돌연변이 테스트에서 양성으로 나타났으며 포유류의 세포변형에는 음성으로 나타났다.

라. 자연계 분포

TDI는 대기중에 기체로 존재하며 액상으로 배출시에 물과 흙에도 존재하며 각 상태에 이동이 있으며 생체변형이 증명되었으며 생체축적에 관한 사항은 아직 입증되지 않았다. TDI자체는 반감기가 빨라 자연상태에서는 자연적으로 손실된다. 대기중에 휘발된 이러한 TDI기체와 수증기는 디아미노톨루엔과 반응하지 않는다. TDI는 1시간에 20%정도 표면흡착에 의해 감소되며 가수분해시 생성물이 없다. TDI는 물과 반응하여 이산화탄소와 포리머요소를 발생한다. 이 때 외부의 물리적인 힘이 없는 한 결정질의 폴리머요소는 침착되어 경직되며, 물에 녹지 않는다.

마. 규제법규 및 각종기준

규정된 기준은 아직 전무한 상태이며 TDI자체는 자연적으로 발생하지 않고 또한 반감기가 매우 빨라 자연적으로 손실된다. 그래서 Beall & Ulsamer(1981)는 실내 오염원으로 규정해야 한다고 주장했다. 이러한 TDI의 발생원에서의 농도는 0.014∼1.05㎎/㎥으로 광범위하게 나타났으며 폴리우레탄 코팅공정에서의 농도 또한 0.001∼0.11㎎/㎥로 광범위하게 나타났다. 가장 높은 농도는 직접적인 휘발 공정인 폴리우레탄 Foam 분사시에 나타났다. 따라서 분사 근로자에게 있어 순간 농도기준(노동기준)은 매우 밀접한 관계를 갖는다.

바. 오염현황

TDI는 대기 중에서 지속적인 오염성은 없으며 주로 운송시에 흘리거나, 누출에 의해 공기 중으로 휘발되어 기체상태로 인체에 영향을 미치는 것 이외에 기체·액체상태에서 불에 노출시 화염을 발생하게 된다. 미국에서는 약 4만명의 근로자가 0.001∼1㎎/㎥ 범위의 농도에 노출된 상태로 작업을 하는 것으로 알려졌으며 TDI 1톤당 약 50g이 굴뚝으로 배출되는 것으로 보고되었다.

국내에서는 동양화학 군산 TDI 공장에 TDI 유출사고가 있어 TDI 제품의 중간물질인 TDA를 제조하는 공정에서 발생된 수소가스와 찌꺼기를 흡수·처리하는 수봉탱크에서 찌꺼기가 방출되어 인근주변에 피해가 발생한 사례가 보고되고 있다(1991).

작성자 : 대기공학과 환경연구관 홍지형(공학박사)

   

   

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4. 일산화탄소

   

가. 성상

(1) 분자량 28.01, 비중 1.25㎏/㎥, 녹는점 -205.1℃, 끓는점 -191.5℃, 자동점화온도 608.9℃

(2) 최소,최대 폭발한계 농도 12.5∼74%

(3) 무색, 무미, 무취의 기체로 연소시 파란불꽃이 생성되며, 일명 "연탄가스"라고 한다.

나. 자연계분포

(1) 자연발생원 : 산불, 광화학반응 등

(2) 환경농도 : 0.1∼0.2ppm(북반구), 0.04∼0.06ppm(남반구)

(3) 자연체류시간 : 1∼3개월

다. 발생 및 오염원

(1) 발생

(가) 석탄, 목재, 종이, 기름, 유류, 가스 등과 같은 유기성 물질이 폭발하거나 연소시에 주로 발생한다.

(나) 불완전연소

연소시 산소가 부족하거나 연소온도가 낮으면 완전연소가 일어나지 못하여 불완전 연소생성물인 일산화탄소(CO)가 생성된다. 그러므로 일산화탄소는 연탄의 연소가스나 자동차의 배기가스중에 많이 포함되어 있으며, 큰 산불이 일어날 때도 주위에 산소가 부족하여 많은 양의 일산화탄소가 발생되기도 하고 담배를 피울 때 담배연기 속에 함유되어 배출되기도 한다.

(2) 주 배출원

(가) 자동차

1) 가솔린 자동차는 1∼10%, 디젤엔진에서는 약 0.1%의 농도로 배출되나 운전상태, 유 지관리에 따라 배출농도는 차이가 난다.

2) 국내에서는 과거 연탄 사용에 따라 난방연료가 주 배출원이었으나, '90년에 들어서 연 료전환 정책과 자동차 대수의 급격한 증가에 따라 자동차에서 배출되는 일산화탄소 의 배출량이 전체의 90%이상('97년 기준)을 차지하고 있다.

(나) 기 타

주물제조 공정의 용선로, 석유정제시설의 접촉분해 공정, 소성로, 화합물질 제조 등 어떤 공정에서든지 불완전연소가 일어나면 발생 가능하므로 CO의 배출원은 매우 다양하다.

라. 독성 및 영향

(1) 독성

(가) 일산화탄소(CO)는 체내에 산소를 운반하는 역할을 하는 혈액중의 헤모그로빈(Hb)과 결합하여 일산화탄소-헤모그로빈(COHb)을 만들어 혈액의 산소운반능력을 저하시켜 그 농도에 따라 사망에 이를 수 있다.

(나) 혈액중 또는 근육중의 일산화탄소의 대부분이 도시의 대기오염에 기인하는 것만은 아니며 일정량의 일산화탄소는 본래 생체의 신진대사 산물로서 존재하고, 헤모그로빈의 생리적 신진대사결과로서 혈액중에 약간 존재(0.3∼0.8%)한다. 그러나 체내혈액중의 일산화탄소-헤모그로빈량의 증가는 흡입공기중의 일산화탄소농도에 비례한다.

(2) 영향

(가) 일산화탄소 20ppm을 함유한 공기를 4시간 동안 흡입하면 체내혈액중의 일산화탄소-헤모그로빈은 1.64%증가한다. 실제 도시대기중의 일산화탄소 농도는 자동차통행량, 도로조건, 도로로부터 떨어진 거리, 기후조건 등에 의해서 다르지만 자동차의 정체가 심한 도로변에서는 일산화탄소농도는 높게 되며, 이때 일산화탄소-헤모그로빈의 혈중농도는 13∼18%까지 상승하는 것으로 알려져있다. 도심에서 자동차 운전시 30ppm의 일산화탄소를 함유한 공기를 2시간 흡입할 때 혈중 일산화탄소-헤모그로빈은 5% 상승하며 60ppm에서는 10% 상승한다고 한다.

(나) 비교적 고농도의 일산화탄소를 계속해서 흡입하는 직업인으로는 고속도로와 터널의 통행료 징수원, 차량검사원, 교통경찰관, 지하주차장 종사원 등을 들 수 있다.

(다) 혈중 일산화탄소-헤모그로빈의 농도 및 인체 영향은 표 3.4.1과 같으며 증상이 나타나는 호흡시간은 그 사람의 활동상태 즉, 휴식, 보행 및 노동상태에 따라 다를 수 있다.

표 3.4.1 혈중 일산화탄소-헤모그로빈의 농도 및 인체영향

   

COHb(%)

증 상

CO농도(ppm)

호흡시간

4

건강한, 사람은 문제되지 않지만 호흡기계통 질환등의 환자에게는 영향을 줄 수 있다.

9∼30

10∼30 분

5

중추신경에 영향

30

4∼6 시간

  

  

120

1 시간

10

과격한 근육활동시 숨이 참.

40

8 시간

20

보통 활동에도 숨이차고 간혈적 두통

400∼500

1 시간

30

두통, 신경과민, 피로감, 주의력 산만

1,000

1 시간

40∼50

두통, 정신혼란

1,000

1∼2 시간

60∼70

의식혼탁, 호흡증추마비

1,000

4∼5 시간

80

사망

1,500∼2,000

4∼5 시간

   

(3) 오염경로

(가) 일반적으로 높은 농도의 일산화탄소를 함유한 공기를 흡입하는 사람은 짧은 시간에도 혈중 일산화탄소-헤모그로빈의 농도가 높게 된다. 1970년의 미국 시카고의 비흡연 헌혈자의 혈중 일산화탄소-헤모글로빈 농도는 1∼5%이상인 자가 74%였고, 1974년에는 대기중의 일산화탄소농도가 개선되어 혈중 일산화탄소-헤모그로빈 농도가 1.5%를 초과하는 사람이 42%로서 감소되었던 것으로 보아 흡입공기중의 일산화탄소 농도가 혈중 일산화탄소-헤모그로빈 농도에 직접적인 영향을 미친다는 것을 알 수 있다.

(나) 일산화탄소가 혈중으로 이동되는 속도는 폐포나 폐의 모세혈관중의 일산화탄소 농도, 환기량, 폐의 확산기능, 폐의 모세혈관중의 혈액유량, 일산화탄소 또는 산소의 헤모그로빈과의 결합속도에 의하여 결정된다. 일산화탄소는 헤모그로빈에 대하여 산소보다 200배 이상의 친화력을 가지고 있다.

(다) 인체에 흡입된 일산화탄소의 배출은 오직 호흡기를 통하여 이루어지는데 그 배출속도는 아주 느리다. 이는 일산화탄소가 헤모그로빈에 대하여 강한 친화력이 있기 때문이다. 일산화탄소의 배출반감기 즉 혈중 일산화탄소-헤모그로빈의 농도가 처음농도의 50%에 도달할 때까지 필요한 시간은 1시간 30분에서 4시간 정도이다.

마. 규제법규 및 각종 기준

(1) 환경기준

주요 국가별 환경기준을 표 3.4.2에 나타내었다.

표 3.4.2 주요 국가별 일산화탄소 환경기준 (단위 : ppm이하)

   

국가별

구분

한국

일본

미국

캐나다

네델란드

이탈리아

싱가포르

대만

WHO

1시간 평균

25

-

35

31

32

35

35

35

26

8시간 평균

9

20

9

13

5

9

9

9

9

24시간 평균

-

10

-

-

-

-

-

-

-

   

(2) 배출허용기준

주요 국가별 국내 운행차의 배출허용기준은 표 3.4.3과 같고, 고정배출원의 배출허용기준은 표3.4.4와 같다.

표 3.4.3 국내 운행차 배출허용기준

   

사 용 연 료

차 종

적 용 기 준

  

  

  

'87.12.31 이전

'88.1.1이후 제작

휘발유·가스·알콜

승용차

4.5% 이하

1.2% 이하

  

경·소형화물, 중량자동차

4.5% 이하

  

   

(3) 작업장 환경기준

- 시간가중평균(TWA) : 50ppm

- 한계치(TLV) : 35ppm/10h, 200ppm ceil(순간적으로도 넘어서는 않됨)

- 단기간노출한계(STEL) : 400ppm

- 생명체나 건강에 급성으로 위험한 농도(IDLH) : 1,500ppm

- 최대허용농도(MAC) : 20㎎/㎥(≒16ppm)

   

표 3.4.4 배출시설별 일산화탄소 배출허용기준 (단위 : ppm이하)

   

배 출 시 설

국가별 기준

  

  

  

  

한 국

프랑스

독 일

기 타

가. 발전시설 또는

일반보일러

(1)액체연료사용

(2)고체연료사용

나. 소각시설 또는 소각보일러

   

다. 시멘트 제조시설 중 소성로

라. 기타시설

   

   

350(4)

400(6)

600(12)

   

600(12)

700

500

   

   

   

1,000

   

   

   

   

   

140(3)

200(6)

800(11), 800(17)

*0.75t/h 기준

   

-모든시설 :

호주:800

싱가포르:800

스페인:500

-석유정제시설

500∼1,500

(미국,스페인)

   

바. 오염현황

국내 산업부문별 일산화탄소 배출량을 표 3.4.5에 나타내었다.

표 3.4.5 국내 CO배출량 현황 ('97.기준) (천톤)

   

구분

난 방

산 업

수 송

  

  

  

발 전

  

  

  

소 계

승용차

버스, 트럭

선박, 기타

  

1,129

62

18

1,032

481

528

23

17

   

사. 문제점 및 대책

(1) 문제점

일산화탄소(CO)는 그 배출원이 다양하고, 조업상태에 따른 연소조건에 매우 민감하게 변화하며 불완전연소시에 많은 양이 배출되기 때문에 배출원에서 방지시설로 처리하기가 어렵다.

(2) 대책

(가) 효율적인 공정관리와 연소시 완전연소를 유도한다.

(나) 자동차에는 삼원촉매 장치 등과 같은 저감장치를 부착한다.

참고문헌

1. Encyclopaedia of Occupational Health and Safety, Vol. I,II, (1983).

2. Arthur C. S., (1984), Fundamentals of Air Pollution, 2nd ed.

3. Henry C. P., (1974), Air Pollution

4. 대기오염물질 배출량('97)

5. 대기환경관리(1999)

작성자 : 대기공학과 환경연구사 김대곤(공학석사)

   

   

원본 위치 <http://home.sunchon.ac.kr/~bioenvlab/data2/ham3/3-4.htm>

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3. 이황화탄소

가. 성상

o 화학식 : CS2(carbon disulfide)

o 분자량 : 76.14

o 밀도 : 1.293(0℃, 1atm)

o 끓는점 : 46.25℃(760㎜Hg)

o 녹는점 : -111.53℃(760㎜Hg)

o 물에 대한 용해도 : 0.22g CS2/100㎖ H2O(22℃)

o 상온에서 무색투명하고, 휘발성이 강하면서 일반적으로 불쾌한 냄새가 나는 유독성액체로 공 기 중에서 서서히 분해되어 황색을 띰

o 비교적 불안정하여 상온에서도 빛에 의해 분해되며, 인화되기 쉽고, 일단 불이 붙으면 청색의 불꽃을 내면서 이산화황의 자극성 냄새를 발생함

(CS2 + 3O2 → CO2 + 2SO2)

o 고온에서는 수소에 의해 환원되어 황화수소, 메탄, 탄소 등을 방출함

(CS2 + 3H2 → 2CO2 + 2SO2)

   

나. 오염원

o 비스코스 레이온(viscose rayon)과 셀로판(cellophane) 제조공정 중에 사용되어 발생함

-알칼리 섬유질에 CS2를 가하면 섬유질 크산토겐산나트륨(sodium cellulose xanthate)이 생성

(cellulose-RONa + CS2 → cellulose-RO(CS)SNa)

-이것을 묽은 수산화나트륨 용액으로 처리, 콜로이드성 비스코스 용액을 만듬

-숙성된 이 용액으로부터 비스코스 레이온 실이나 셀로판을 제조

o 사염화탄소 생산의 원료로 사용되어 발생함

-이황화탄소를 철, 염화알루미늄, 삼염화안티몬, 오염화안티몬 등의 촉매 하에 염소 기체에 반 응시키면 사염화탄소가 생성됨

(CS2 + 3Cl2 → S2Cl2 + CCl4)

   

다. 독성

(1) 급성 독성

(가) 급성독성은 주로 재해로 일어남

(나) 파이프의 파열이나 탱크의 훼손 등에 의해 우발적으로, 또는 작업중 부주의로 1000ppm 이상 고농도의 이황화탄소에 접촉하거나 흡입한 경우에 급성 독성을 일으킴

(다) 중독 증상은 알콜, 클로로포름 등의 마취작용과 비슷하고, 통상 흥분상태를 거쳐 마비상태로 되며 심하면 호흡곤란을 일으켜 사망함

(2) 아급성 독성

(가) 수백 ppm의 이황화탄소 증기환경 중에서 매일 작업을 계속했을 때 발생 가능함

(나) 몇 주로부터 몇 개월 후에 두통, 신경과민, 야간에는 불면, 주간에는 졸리는 상태, 각종 자율 신경저해, 성욕감퇴, 소화불량 등의 증상이 나타남

(다) 이 상태가 계속되면 정신장해를 일으킬 수도 있으나, 이황화탄소로 오염된 환경에서 벗어나면 몇 주 안으로 회복되는 것이 보통임

(3) 만성 중독

(가) 수 십 ppm에 가까운 이황화탄소의 환경농도에서 발생 가능함

(나) 전신권태, 두통, 현기증, 건망증, 가슴 답답함, 불면, 다리가 피로한 상태 등을 일으킴

(다) 신경증(노이로제), 신경염 등의 신경 증상이 주로 발생된 예도 있음

(라) 그 외 가벼운 빈혈, 동맥경화증을 일으킨 경우도 있음

(4) 피부에 대한 독성

(가) 이황화탄소는 지용성이기 때문에 피부의 기름을 빼앗고, 피부를 건조시키며, 살갗이 터져 유해세균의 감염에 노출되기 쉬움

(나) 이황화탄소가 피부에 닿으면 따끔따끔함을 느끼며, 완전히 증발하지 않았을 때에는 동통을 일으키다가 화상을 입을 수도 있음

   

라. 오염사례

(1) 1856년, 델피치는 24건의 이황화탄소 중독 사례를 보고하였고, 동물 실험을 통하여 그 증상을 확인하여 80건 이상의 이황화탄소 신경증을 보고함

(2) 영국의 부루스와 포만은 이황화탄소 만성 중독 사건을 발견함

(3) 1899년, 로덴하이머는 독일의 고무공장에서 이황화탄소 만성 중독 사건을 발견하고, 약 50건의 급성 정신 질환 사례를 보고함

(4) 1905년, 미국에서도 많은 중독 사례가 보고되었으며, 이를 계기로 사람들은 작업 환경의 개선에 관한 필요성을 인식, 고무공장의 공정 중에서 발생되는 이황화탄소 문제는 해결됨

(5) 그러나, 그 시기에 인견사류 산업이 발달하여 빠른 속도로 확장, 이 산업에서의 이황화탄소 중독 사건은 1900년에서 1930년 사이에는 간헐적으로 보고되었고, 1930년대에는 심각하게 됨

(6) 1934년, 리넬리티와 퀘릴리는 이황화탄소 중독에 의한 정신장애 및 다발성 신경장애에 대하여 보고함

(7) 1938년, 고르디는 펜실바니아 연구를 통하여 이황화탄소에 대한 작업장 허용 한계 농도를 20ppm으로 제안하였고, 1941년에 미국표준협회에 의해 이 안이 채택됨

(8) 우리 나라에서도 모 인견사 제조 공정에서 이 물질이 배출되어 작업 환경 문제와 인근 대기오염이 문제가 됨

(9) 이 공장은 방지시설로 세정탑 8기와 80m의 높은 굴뚝을 설치했음에도 불구하고 주변 지역의 악취 문제가 해결되지 못함

(10) 주변 지역의 대기중 오염 농도를 실측한 결과, 이황화탄소는 검출 한계 이내이었으나, 황화수소는 공장부지 경계선의 한 지점에서 0.04ppm(감지한계치 : 0.025ppm)까지 검출된 적이 있음

   

마. 관련기준

(1) 우리나라 환경 및 작업장 기준

(가) 대기환경보전법(개정 '92. 8. 8, 시행 '94. 1. 1)에서는 이황화탄소를 악취물질로 규정

(나) 산업안전보건법(개정 '90. 1. 13)에서는 이황화탄소를 작업장 유해물질로 규정하고 TWA(8시간가중 평균치) 10ppm(30㎎/㎥)을 작업환경 조건으로 정하여 경피에 주는 독성을 방지

(2) 일본 산업위생학회에서는 TWA(8시간 가중 평균치) 10ppm(30㎎/㎥)을 허용농도로 규정

(3) 미국 ACGIH(미국 산업위생정부전문가회의)에서는 TWA(8시간 가중평균치) 20ppm, STEL (단시간 노출허용농도) 30ppm을 허용농도로 규정

   

참고문헌

1. 김계덕 역, 일본분석화학회편, (1993), 분석화학편람, 783.

2. 이창기, (1993), 환경과 건강, pp72∼74.

3. Bela G. Liptak, (1984), Environmental Engineers' Handbook, Volume 2, pp 176∼181.

4. Edward J. Calabrese, Elaina M. Kenyon, (1991), Air Toxics And Risk Assessment, pp 213∼217.

5. Herman F. Mark, John J. Mcketta, JR., Donald F. Othermer, Encyclopedia of Chemical Technology, Second Completely Revised Edition, Volume 17, pp 177∼189.

6. Karel Verschuren, (1983), Handbook of Environmental Data on Organic Chemicals, Second Edition, pp 340∼341.

7. Luigi Parmeggiani, (1971), Encyclopedia of Occupational Health and Safety, pp 1090∼1091.

8. Robert Thornton Morrison, Robert Neilson Boyd, (1987), Organic Chemistry, pp 1340∼1341.

   

작성자 : 대기공학과 환경연구사 석광설(공학석사)

   

   

원본 위치 <http://home.sunchon.ac.kr/~bioenvlab/data2/ham3/3-3.htm>

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1. 먼 지

가. 정의 및 성상

(1) 먼지

(가) 정의

먼지란 대기중에 떠다니거나 흩날려 내려오는 입자상 물질의 하나로 일명 분진이라고 한다. 보통 0.1∼500㎛의 입경범위를 가지며, 입자의 크기에 따라 무거워서 침강하기 쉬운 것을 강하분진이라 하고, 입자가 미세하고 가벼워서 좀처럼 침강하기 어려워 장기간 대기중에 떠다니는 것을 부유분진이라 한다.

(나) 성상

먼지는 주로 고체상 물질이지만, 액체상 물질로 이루어질 수도 있으며, 그 안에 납, 구리, 크롬, 아연, 카드뮴 등과 같은 중금속물질이 들어 있기도 하고, 황산염, 질산염 등과 같은 산성 유해물질이 함유되어 있기도 하다. 이러한 조성은 먼지가 어느 발생원으로부터 나왔는가에 따라 달라지므로 먼지의 성상을 한마디로 정의하는 것은 매우 어렵다.

(2) 미세먼지

(가) 우리나라는 대기중에 부유하고 있는 총부유분진(TSP)과 별도로 인체에 흡입되어 폐포에 침착될 가능성이 큰 입자영역을 가진 미세한 먼지를 관리하기 위해 직경이 10 ?m이하인 먼지(PM10)를 대기환경기준항목으로 설정하여 관리하고 있다 (1995.1)

(나) 외국에서는 인체영향 측면을 고려하여 PM10에서 직경이 2.5?m이하인 입자(PM2.5)를 새로운 관리대상 먼지로 설정하기 위한 연구를 시행 중이며, 이들 PM2.5는 2차 생성 먼지들이 중요 구성성분으로 알려져 있다. 우리나라 역시 PM2.5에 대하여 활발한 연구와 측정분석이 진행되고 있다.

나. 주요 발생원

(1) 먼지

(가) 화석연료를 사용하는 각종 연소시설(0.5∼30㎛) 및 소각시설(1∼50㎛)

(나) 유리, 도자기 및 금속의 용융, 용해, 열처리 시설(0.3∼10㎛)

(다) 화학비료, 석유정제 및 석유화학제품 제조시설 중 소성, 건조, 가열 및 탈황시설(3∼50㎛)

(라) 시멘트, 코크스, 석탄, 연탄 및 제조시설 등(3∼50㎛)

(마) 각종 토목, 건축공사장, 채석장, 비포장도로 및 나대지

(바) 자동차에서 배출되는 매연, 자동차의 운행에 따라 타이어 및 도로의 마모

(2) 미세먼지

(가) 일반적으로 대기중에 부유하고 있는 입자 중 조대입자는 주로 지면에서 비산된 토양입자나 화산재 등과 같은 자연적으로 발생한 입자들이다.

(나) 미세입자들은 주로 산업, 운송, 주거활동 등에 의한 연소나 기타 공정으로부터 직접 배출되거나, 1차 배출된 가스상 오염물질이 변환되어 생성된다. 따라서 PM2.5는 황산염, 질산염, 암모니아 등의 이온성분과 금속화합물, 탄소화합물, 그리고 수분 등으로 이루어져 있다.

(다) 서울의 몇 개 지역에서 측정한 미세입자의 성분별 농도는 표 3.1.1과 같다.

표 3.1.1 PM2.5의 성분별 농도 (단위 : ㎍/m3)

   

지 점

황산염

질산염

염소화합물

암모니아

불광동

전농동

인 천

9.04

4.17

5.38

5.02

1.74

3.51

3.09

1.82

3.23

4.24

1.18

2.04

평 균

6.19

3.42

2.71

2.49

* '96년 3개 측정소에서 PM2.5을 측정분석한 결과임

다. 독성 및 영향

(1) 오염경로

발생된 먼지는 공기중에 부유상태로 존재하면서 식물의 잎에 부착되어 잎의 기공을 막고 햇빛을 차단하여 동화작용, 호흡작용 및 증산작용 등을 저해하여 식물 생육에 악영향을 미치며, 또 호흡을 통해 인체에 침입하여 기관지 및 폐에 부착된다. 이들 입자중 일부는 기침, 재채기, 섬모운동 등에 의하여 제거되나 일부는 폐포 등에 침착·축적되어 인체에 유해한 영향을 나타낸다.

(2) 인체영향

(가) 입자상 물질들은 가스상물질에 비해 인체의 폐에 침착되기 쉽기 때문에 다른 대기오염물질보다 인체 건강에 더 큰 악영향을 초래할 가능성이 있는 것으로 알려져 있다. 특히 사람이 호흡할 때 직경이 10㎛이하인 미세입자들은 호흡기를 통하여 폐에까지 도달하여 침착될 수 있다고 한다. 미국에서는 이를 근거로 대기환경기준 항목에 PM10을 추가하였다.

(나) 먼지는 단독으로 있을 때보다 아황산가스와 함께 있을 때 인체에 대한 피해를 가중시키는 것으로 알려져 있다. 그 입자조성과 크기에 따라 영향을 미치는 범위와 정도가 다르다. 먼지중의 규소는 규폐증을 일으키기 쉬우나 철분은 비교적 영향이 작은 것으로 알려져 있다. 납이나 카드뮴같은 중금속을 함유하는 먼지는 다른 영향을 줄 수도 있다. 먼지가 아황산가스와 복합적으로 작용할 경우에 인체에 미치는 영향을 표 2.1.2에 나타내었다.

(다) 폐의 각 부위에 도달하는 정도는 입자의 크기에 좌우되는 데 작은 미세입자일수록 폐 깊숙이 유입될 수 있다. 1㎛이상의 큰 먼지는 대부분 코나 기도의 점막과 섬모에 걸려 객담으로서 배출된다. 이때 기관지를 통과할 수 있는 0.1∼1㎛크기의 먼지가 폐포내 침착율이 가장 높다. 이러한 경로로 폐포내에 먼지가 많이 침착되면 진폐증이나 규폐증이 발생될 수 있다. 우리나라에서도 탄광지역의 일부 근로자에 진폐증이 발생된 것으로 언론에 보도되어 사회문제를 야기 시킨바 있다. 또한 최근 연구결과에 의하면 미세 입자농도의 증가가 주민들의 사망률 증가와 밀접한 관계가 있다고 하며, 이밖에도 폐질환으로 인한 통원 치료의 증가, 병가로 인한 학생들의 결석률 증가, 성인들의 활동 제한, 가벼운 순환기 질환 등을 초래한다고 한다(Canada MOE, 1995).

표 3.1.2 부유분진과 아황산가스의 장기폭로시 인체의 영향

   

먼 지

(㎍/m3)

아황산가스(SO2)

  

영 향

  

(㎍/m3)

(ppm)

  

250

250

0.095

가래의 양이 늘어남

240

130

0.050

호흡기계질환 증가

180

120

0.046

호흡기계질환이 늘고, 폐기능이 약해짐

230

120

0.046

하부기도질환 증가

93

90

0.037

FVC, FEV0.75 치의 감소

110

23

0.009

FEV0.75 치의 감소

180

55

0.021

호흡기계의 모든 증상이 증가, 폐기능 저하

131

37

0.014

영향 없음

80

66

0.025

영향없음

* FVC : 강제폐활량 * FEV0.75 : 0.75초간의 폐의 배기량

(라) 특히, 기존의 폐나 심장에 질환을 갖고 있는 성인이나 어린이들의 경우 PM10에 의해 쉽게 영향을 받는 것으로 보고되고 있다. 아직 어떤 성분의 입자가 건강에 해로운 병을 초래하는지 과학적인 검증은 되지 않았지만, 바람에 의해 비산되는 자연발생원의 입자들보다는 화석연료와 같은 인위적인 배출원에서 발생한 입자들이 더 해로운 것으로 알려져 있다.

표 3.1.3 먼지가 인체 및 환경에 미치는 영향 (단위 : ㎍/m3)

   

농 도

폭로시간

영 향

비 고

10

30

80∼100

100

100

100∼135

130 이상

150∼350

150

75∼300

300

300

300 이상

300∼1,200

1,000

-

-

장기간

-

-

-

24시간

-

-

1시간

-

-

-

시정감소 120Km 이하

시정감소 40Km 이하

사망율 증가

만성기관지염 발병률 증가

시정감소 12Km 이하

만성호흡기 질환자 사망율증가

어린이 (15세미만) 기도질환의 발생빈도 및 중증도 증가

노출집단 폐기능손상, 객담량증가

병약자, 노인의 사망증가

시정감소 8Km 이하

시정감소 4Km 이하

병약자,노인의 사망수 증가

기관지염 환자증상의 급성악화

시정감소 2Km이하, 불쾌,교통사고 증가

시정감소 1.2Km 이하

   

   

   

   

직경 0.2∼1.0㎛

SOx 130㎍/m3이상

SOx 123∼300㎍/m3 이상시

   

   

SOx 630㎍/m3 이상 및 고온시

   

(3) 시정악화에 대한 영향

(가) 미세한 입자상 물질이 대기중에 부유할 때에는 빛을 흡수, 산란시키기 때문에 시정을 악화시킨다(Si Duk Lee, 1995).

(나) "수도권지역 시정장애현상 규명을 위한 조사연구('94∼'96)" 결과 빛의 흡수, 산란 기여율이 입자상 물질 95%, 가스상 물질 5%로 나타났으며, 시정이 나쁠 때 미세입자(2.5 ㎛이하의 미세입자 ; PM2.5)의 농도가 증가함을 보였다(최덕일, 1994).

마. 규제 법규 및 각종 기준

(1) 환경기준

환경정책기본법 시행령 제3조에 의거하여 미세먼지(PM10)가 환경기준항목으로 설정되어 있다. 한국 및 각국의 먼지에 대한 환경기준을 비교하여 보면 표 3.1.4와 같다. 외국의 경우 대기환경기준 이외에도 대기오염 정도에 따라 비상대책을 강구하기 위하여 대기오염에 대한 경보기준을 정하여 만약의 사태에 대비하고 있다.

표 3.1.4 주요 국가별 미세먼지(PM10)의 환경기준 (단위 : ㎍/m3)

   

국가별

구분

한국*

('96)

일본

('90)

미국

('90)

네델란드 ('86)

독일

('86)

대만

('75)

WHO

('87)

연 평균

80

-

50

-

24

240

-

1달 평균

-

-

-

-

-

210

-

24시간 평균

150

100

150

150

-

-

-

1시간 평균

-

200

-

-

-

-

-

30분 평균

-

200

-

-

300

-

-

* 1시간 및 24시간 평균치는 연간 3회 이상 기준을 초과하여서는 안됨

(2) 배출허용기준

환경기준을 달성·유지시키기 위하여 연소시설, 소각로 등과 같은 각 배출원에 대하여 배출허용기준을 두게 되는데, 우리나라는 대기환경보전법 제8조제1항 시행규칙제12조 별표8에 시설을 구분하여 단계별로 배출허용기준을 설정하고 있으며. 먼지의 경우 배출부과금 대상오염물질로 정해져 있어 배출가스중 먼지의 농도가 허용기준을 초과할 때에는 1차적으로 개선명령을 받게되고, 이 개선기간 중 배출되는 먼지에 대해서는 엄격한 배출부과금을 지불하게 되어있다. 일부 배출시설에 대한 주요 국가의 배출허용기준은 표 3.1.5와 같다.

바. 오염현황

(1) 우리나라

'98년의 경우 대구와 성남에서 미세먼지(PM10)가 환경기준(80㎍/㎥/년)을 초과하였으며, 서울, 인천, 부산 등 대도시에서는 몇 개의 지점에서만 환경기준에 근접하고 있다. '98년 측정한 결과를 보면 연평균농도에서 PM10과 TSP의 농도차이가 크지 않은 것으로 나타났다.

(2) 외국

'98년 미국 LA의 년평균 농도는 40.5㎍/㎥, 24시간평균최대치는 78㎍/㎥이었고, 뉴욕시의 경우는 연평균 56.0㎍/㎥, 24시간평균최대치는 114㎍/㎥으로 보고되었다. '98년 영국 런던의 각 측정소별 24시간 평균치는 18∼24㎍/㎥의 수준을 보였다.

   

표 3.1.5 주요 국가별 먼지의 배출허용기준

   

   

한 국

미 국

독 일

호 주

적용기간 및 허용기준

  

  

  

'96∼'98 '99이후

  

  

  

발전시설·일반보일러

(액체연료)

- 배출가스량 > 20만m3/h

60 ㎎/Sm3 40 ㎎/Sm3

(4) (4)

- 배출가스량 3만∼20만m3/h

100 ㎎/Sm3 50 ㎎/Sm3

(4) (4)

- 배출가스량 6천∼3만m3/h

150 ㎎/Sm3 100 ㎎/Sm3

(4) (4)

- 배출가스량 < 6천m3/h

200 ㎎/Sm3 150 ㎎/Sm3

(4) (4)

73MW 발전시설

- 잔사유 : 43 ㎎/MJ

- 고체연료(갈탄제외)

: 43 ㎎/MJ

- 혼합연료 : 13 ㎎/MJ

액체연료 사용시설

- >100MW (3% O2)

; 50㎎/m3

- <100MW (3% O2)

기존 ; 50∼100 ㎎/m3

신규 ; 50 ㎎/m3

열병합발전시설

: 80 ㎎/Nm3

열공급시설

: 250 ㎎/Nm3

혼합시설

(12% CO2)

: 250 ㎎/Sm3

* ( )안은 표준 산소 농도임

사. 방지대책

(1) 비산먼지

공사장 출입차량의 세륜, 석탄 등과 같은 야적장에 주기적 물분사 및 비산방지망 설치, 도로의 주기적 청소, 비포장도로의 포장 등이 있다.

(2) 배출먼지

전기집진기, 여과집진기, 세정기, 중력식 집진기 등과 같은 방지시설을 배출되는 입자의 특성에 따라 설치, 운영한다.

(3) 미세먼지

PM10은 바람에 의해 비산된 토양 먼지 등 자연적인 입자들이 많이 포함되어 있고, 이러한 입자들은 PM2.5보다 건강학적인 측면에서 덜 중요하므로 앞으로 입자상 오염물질의 효율적 관리를 위해서는 PM2.5를 환경기준에 포함시켜 측정하고 감시하는 것이 요구된다.

참고문헌

1. British Columbia Ministry of Environment, (1995), Health effects of inhalable particles; Private implications for British Columbia - overview and conclusions

2. Dr. Luigi Parmeggiani, (1983).

3. Si Duk Lee, (1995), Particulate matter regulatory trend in US, Korea-America joint seminar on the source of visibility reduction and counter-measures in the metropolitan area. 21∼50

4. 최덕일 등, (1994), 수도권 지역의 시정장애 현상규명을 위한 조사연구 (Ⅰ) - 시정감소 원인물질 및 메카니즘 규명 - 200pp

   

작성자 : 대기공학과 환경연구사 김대곤(공학석사)

   

   

원본 위치 <http://home.sunchon.ac.kr/~bioenvlab/data2/ham3/3-1.htm>

   

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2. 이산화황

   

가. 성상

(1) 특성

이산화황(SO2)은 물에 대단히 잘 녹는 무색의 자극성이 있는 불연성 가스로써 황산화물(SOx) 중 에서 가장 많은 양을 점하고 있으며, 대기중에서 산화된 후 수분과 결합하여 황산(H2SO4)이 된다.

(2) 성상

이산화황의 물리화학적 특성은 다음과 같다.

- 분자량 64.07, 비중 2.2630, 녹는점 -72.7℃, 끓는점 -10.2℃, 물에 대한 용해도 : 10.5g/100g

   

나. 생성 및 소멸

(1) 생성

(가) 자연적 : 화산가스, 광천 등

(나) 인위적

- 황성분이 함유된 물질의 연소, 금속의 용융·제련, 황산제조, 석유정제 및 화학비료제조 과 정 등에서 발생한다.

- 유황함유 연료의 연소시 배출가스중 95% 정도는 SO2, 나머지는 SO3 와 황산염의 형태로 존재한다.

(2) 소멸

(가) 소멸기전 : 배출구에서 고농도 상태로 대기중으로 배출되면서 혼합·희석되며, 대기중 에서 물리적 현상에 따라 제거되거나 화학적 반응에 의하여 다른 물질로 변하는 등 자연적으로 소멸된다.

(나) 소멸기간 : 대기에서 반으로 줄어드는 데 걸리는 시간은 약 4시간이고 전체가 소멸되는 데에는 약 25일이 걸린다.

(다) 배경농도 : 전지구적 대기중의 배경농도는 1ppb 정도로 알려져 있다.

   

다. 독성 영향

(1) 급·만성 독성

(가) 이산화황으로 오염된 대기에 노출되면 눈이나 코, 상기도의 점막 등을 통해서 감각적인 영향을 받게 되고 잇따라 생리적인 반응이 일어나며, 계속해서 노출되면 그 증상이 악화되어 급성피해가 나타나고, 이 피해가 여러 번 반복해서 일어날 때는 만성피해로 바뀐다.

(나) 급성피해로는 불쾌한 자극성 냄새, 시정감소, 생리적 장애, 압박감, 기도저항 증가 현상이 나타나고, 만성피해로는 폐렴, 기관지염, 천식, 폐기종, 폐쇄성 질환 등이 나타난다.

(다) 세계적으로 유명한 대기오염물질에 의한 피해사례를 보면 표 3.2.1과 같으며, 표 3.2.1의 피해사례중 자동차 배출가스 중의 NOx를 주체로 한 Los-Angeles의 경우를 제외하고는 이산화황이 주요 원인물질이었다.

※ 런던 스모그 사건

(라) 스모그란 smoke와 fog의 합성어로서 대기오염물질이 기온, 풍향, 풍속 등의 기상조건과 지리적 조건에 의하여 지역적으로 그 농도가 높아져 안개와 반응하여 일어나는 대기오염현상임

표 3.2.1 세계적으로 유명한 대기오염 사건

사 례

Meuse Valley

(벨기에)

1930.12월

Donora

(미국)

1948.10월

London

(영국)

1952.12월

Los-Angeles

(미국)

1954년 이후

요꼬하마

(일본)

1946년 겨울

환 경

분 지

무풍상태

기온역전

연무발생

공장지역

분 지

무풍상태

기온역전

연무발생

공장지역

하천평지

무풍상태

기온역전

연무발생

대도시

해안분지

--

기온역전

백색연무발생

대도시

--

무풍상태

--

농연무발생

공장지역

피 해

평상시 사망자

수의 10배, 급

성 호흡기자극 성증 환자발생

18명 사망,인구

14,000명중 43%

가 경.중증의

자극증상 발생

3주간 4,000명

과잉사망,그후

2개월에 8,000

명 과잉사망

눈, 코, 기도, 폐

등 점막의 지속적

반복성 자극

천식발생

병 인

이산화황, 황산

불소화합물,미세

입자 등

이산화황 및 황산미세입자등

석탄연소 이산화황, 분진 등

자동차배기 등 석유계 연소의 NOx, CO, SOx, HC

불명,대기오염

추정

   

(마) 런던스모그는 공장, 빌딩, 가정 등에서 배출된 이산화황 가스와 먼지가 안개와 반응하여 생성된 것으로 스모그가 심했던 해는 1880, 1892, 1948, 1952년 등이었으며, 특히 1952년 12월 5일 런던 상공을 덮은 스모그는 가히 위협적이었으며,

(바) 그 때, 고기압성의 정체된 공기덩어리에 의하여 생성된 지속적인 기온역전층이 런던의 지표 바로 위에 걸려 있었고 바람은 거의 불지 않았으며, 안개로 인하여 습도는 약 90%로

(사) 이 상태가 5일간 계속되어 이산화황 농도는 최고 0.7ppm(우리나라 24시간 평균치 : 0.14 ppm이하)까지 올라갔다.

(아) 그 결과, 런던지역에서는 평소보다 약 4천명이나 더 많은 사망자가 발생했고, 입원환자는 48%, 외래환자는 108%나 증가했으며

(자) 입원환자 중 호흡기질환 환자의 수가 3배로 증가하는 한편, 급성 호흡기질환으로 사망한 수는 약 10배로 늘어났고,

(차) 피해 대상자들은 주로 노인, 어린이, 환자 등 비교적 허약한 체질의 사람들이었으나 전연령층에 심폐성질환이 급증하였고, 특히 45세 이상은 중증이었다.

(2) 인체 노출량 관계

(가) 대기중의 이산화황은 수용성이 크기 때문에 호흡작용에 의해 그 대부분이 상기도에 흡수 되어 기관지, 눈, 코 등의 점막을 통해 자극을 주며, 농도가 높을수록 호흡을 빨리하면 할수록 점막에 많이 흡수되고 기관지까지 도달하는 양도 많아져 그 피해도 커지며,

(나) 점막에 흡착된 이산화황은 점액과 반응하여 황산을 형성함으로써 결국 염증을 일으켜 세 균과 바이러스에 의한 2차 감염을 쉽게 하고, 이러한 기전으로 안질환을 일으킨다는 보고가 많으며, 특히 안개가 많고 습도가 높을 때 호흡기질병의 이환율이 높고 사망율도 높다는 보고도 있다.

   

라. 규제 법규 및 각종 기준

(1) 환경기준

(가) 의의 : 많은 나라들이 인간이 생활하는 환경의 질을 인간 생존에 적정한 수준으로 유지 하기 위하여 행정 목표기준인 환경기준을 설정하여 환경의 질을 평가하고 환경정책을 계획하는 지표로 삼고 있다.

(나) 근거

- 환경정책기본법 시행령 제 3조에 동 물질을 환경기준 항목으로 정하고 있으며,

- '79년도에 연평균 농도 0.05ppm으로 설정·관리해 오다 '93년 말에 0.03ppm으로 강화하였으 며 WHO 수준으로 기준을 강화하기 위한 작업을 추진중에 있다..

(다) 기준 : 표 3.2.2는 주요 국가의 이산화황 환경기준을 보인 것으로 우리나라는 다른 나라와 대동소이하다.

표 3.2.2 주요 국가별 이산화황의 환경기준

   

국 가

기 준(평균치)

  

  

  

  

  

연 간

24시간

3시간

1시간

30분

WHO(`87)

0.015∼0.023

0.04∼0.06

-

0.13ppm이하

-

한 국(`93)1)

0.03ppm이하

0.14ppm이하

-

0.25ppm이하

-

미 국(`90)

0.03ppm이하

0.14ppm이하

0.50ppm이하

-

-

일 본(`90)

-

0.04ppm이하

-

0.10ppm이하

-

대 만(`75)

0.05ppm이하

0.10ppm이하

-

-

-

서 독(`86)

0.05ppm이하

-

-

-

0.14ppm이하

멕시코(`84)

-

0.12ppm이하

-

-

-

   

(2) 배출허용기준

(가) 우리나라

1) 근거 : 환경기준을 달성·유지하기 위하여 배출허용기준을 두게 되며, 우리나라는 대기환경보전법 제 9조와 관련하여 시설 및 단계별로 기준을 정하고 있으며,

2) 기준 : 시설별로 '95년까지는 300∼1,950ppm을, '96년∼'98년 사이에는 150∼1,950ppm을, '99년 이후는 150∼650ppm을 준수하도록 강화·예시하고 있으며 2003년 이후 적용할 배출기준 조정을 '99년중 추진할 예정으로 있다.

- 일부 배출시설에 대한 배출허용기준은 아래 표 3.2.3과 같다.

표 3.2.3 일반 보일러의 이산화황 배출허용기준

   

구 분

기 준(ppm)

  

비 고

  

'96∼'98

'99∼

  

저황유 사용지역

540(4)

540(4)

( )안은 표준 산소농도임

기타 지역

1,950(4)

540(4)

  

- 작업환경에서의 허용한도는 시간가중 평균치(TWA)로 2ppm 이다.

3) 연료규제 : '81년도에 연료유의 황함량기준을 강화(B-C유 : 4%-S -> 1.6%-S, 경유 : 1%-S -> 0.4%-S)하여 서울을 시작으로 수도권 및 주요 도시지역으로 공급을 확대하고, '93년도에는 이 기준을 더욱 강화(B-C유 : 1.6%-S -> 1%-S, 경유 : 0.4%-S -> 0.2%-S)하였다.

4) 청정연료 사용 의무화 : 도시가스의 보급확대를 위해 '88년에 서울시내 2톤 이상 보일러(업무, 영업, 공공용)에 그 사용을 의무화한 이후 점진적으로 확대하고 있다.

(나) 선진국 : 미국, 일본 등 선진국의 화력발전소 SO2 규제치는 표 3.2.4와 같다.

표 3.2.4 미국·EC·일본의 배출규제치

   

구 분

미 국

  

  

EC

일 본3)

  

  

신 설

기 존1)

기 존2)

기존및 신설

신설

기존

1% S의 석탄(mg/Nm3)

166

2,380

1,140

400

170

430

2.5% S의 석탄(mg/Nm3)

208

2,380

1,140

400

170

430

1 : 1995. 1. 1부터 적용

2 : 2000. 1. 1부터 적용

3 : 일본은 동경에서 유효 배출구높이를 300m, K를 1.17(신설) 및 3.0을 적용한 경우임

1) 일본

가) 일본은 '68년도에 K치규제를 시행한 이후 K값을 8차례에 거쳐 강화하였다.

나) 지역에 따라 정해진 K값(3.0∼17.5 사이의 16등급, 작을수록 엄격함)에 유효 배출구높이를 곱하여 이산화황의 배출량(K·H2·10-3 N㎥/hr)을 규제하는 총량규제 및 연료 규제를 실시하고 있다.

다) 이러한 규제에 따라 '92년도에 내수용 B-C유의 평균 황함유율이 1.05%에 이르렀고, 배연탈황시설도 총 2,014기가 설치.운영되고 있다.

2) 미국

가) 화력발전에 의한 이산화황 배출 기여율이 80%에 상당한 것으로 보고되고 있다.

나) '90년도에 개정된 대기청정법에서 이들 중오염 석탄화력발전소의 이산화황 배출기준을 기존 및 신규시설로 구분하여 표 3.2.4와 같이 규제하고 있다.

다) 초과방지시설에 의한 여분의 배출량 저감치는 배출거래권을 인정하여 현물시장에서 거래할 수 있도록 하고 있으며,

라) 또한 5년 단위의 삭감목표를 정해 '95년 및 2000년까지 각각 500만톤씩 감소시켜 2000년에 '90년(약 2000만톤) 대비 반으로 줄일 계획이다.

- EC는 '93년에 '87년 대비 25%, 2003년에 60% 삭감 계획을 추진중에 있다.

마. 오염 현황

(1) 오염물질 배출량

(가) '80년대 후반에서 '90년대 초까지의 우리나라 1차에너지 소비량을 보면 동 기간중 석탄의 증가 추세는 찾아볼 수 없으나 석유류는 대폭 증가한 반면 LNG 및 수력·원자력 발전에너지는 다소 증가하였다.

(나) 이에 따른 오염물질 배출량도 증가하였으나 90년대 감소추세로 나타나고 있다. '97년 연료사용량을 기준으로 추정한 오염물질 총배출량은 4,365천톤으로 그중 황산화물이 1,356천톤으로 전체의 31.3%를 차지하고 있다.

그림 3.2.1 '97년 대기오염물질 배출량

   

(2) 부문별 이산화황 배출량

(가) '97년 이산화황 총배출량 1,369천톤으로 부문별 발생량을 보면 산업부문에서 46%, 발전부문 26%, 수송 21%, 난방 7%의 비율을 보이고 있다.

(나) 이산화황은 '90년을 기준으로 감소하는 추세를 보이고 있는데 이는 정부의 대기환경시책에 힘입어 황함량이 적은 유류나 LNG 등의 사용량 증가에 기인한 것이며, 특히 난방부분에서 괄목 할 만큼 줄어들었다.

그림 3.2.2. 부문별 이산화황 배출량

   

(3) 국내 1-3종 배출시설의 이산화황 배출량

표 3.2.5. 국내 1-3종 배출시설의 SO2 배출량 순위 (ton/yr)

   

배출시설의 SO2 배출순위

SO2

백분율(%)

국내 총배출량

1,011,534

100.00

1. 보일러

460,435

45.52

2. 발전시설

250,904

24.80

3. 기타 금속제품제조, 가공시설

65,078

6.43

4. 금속의 용융, 제련 또는 열처리시설

35,734

3.53

5. 비누, 세정제 제조시설

31,274

3.09

6. 석유정제시설

24,950

2.47

7. 아스콘제조시설

18,524

1.83

8. 기타 화학제품 제조관련시설

18,173

1.80

9. 석유화학제품 제조시설

14,482

1.43

10. 유리 및 유리제품 제조 관련시설

12,648

1.25

   

(4) 도시별 이산화황 연평균 농도

최근 10년간 우리나라의 아황산가스 농도는 저황유 및 LNG 등 청정연료의 지속적인 공급확대로 대부분의 도시에서 개선되어 장·단 기준 모두를 만족하고 있으며, 부산, 울산, 대구를 중심으로 고농도 분포를 보이고 있다.

그림 3.2.3. 7대도시의 10년간 아황산가스농도 변화추이

   

바. 문제점

(1) 자체적으로 독성이 있을 뿐만 아니라 산성비를 유발하는 대표적 오염물질로, 화석에너지의 청정화에도 불구하고 꾸준한 사용량의 증가와 국부적으로 화력발전소와 같은 대단위 배출원이 위치하거나 위치할 지역의 이산화황 배출량 증가는 피할 수 없을 것으로 보인다.

(2) 난방용 연소시설(가정, 상업)로부터 배출되는 이산화황은 청정연료의 사용으로 저감이 기대되지만 동절기 중에 오염물질이 집중 배출되는 계절적 특성이 있다.

(3) 발전용 연소시설과 같은 대단위 배출시설이 입지한 울산, 인천, 서산 등의 주변지역에서는 전국적인 이산화황 배출량의 저감에도 불구하고 오염피해가 우려되며, 이들을 일반 연소시설과 동일한 규제방식으로는 대책마련이 곤란하다.

(4) 산업용 연소시설은 B-C유를 주로 사용하고 있으며, 그 저감대책이 저황유 공급으로 되어 있어 황함유율 기준강화 및 공급물량 확보 등에 한계가 있다.

사. 대책

이산화황 저감을 위해서는 황함량이 적은 연료를 사용하는 것이 가장 바람직한 방법이겠지만, 현실적으로 연료에만 의존할 수 없으므로 배출가스중의 이산화황을 제거하는 배연탈황 장치의 설치를 활성화해야 한다.

(1) 대형 배출원에 대한 "배출허용 총량 규제제도" 도입

(2) 연료 황함유 기준의 단계적 강화 및 연료의 황함량에 따른 가격 차 확대

(3) 신규 석탄화력 발전시설은 배출허용 총량의 범위내에서 석탄가스화기술(IGCC), 유동층 연 소보일러 설치 등 저공해 발전기술의 도입

(4) 우심지역부터 대형 배출시설에 대한 배연탈황시설 설치의 의무화 등

- 선진국에서 보급되고 있는 배연탈황기술은 배출가스 중의 이산화황을 가성소다 용액에 흡수 시키는 방법, 석회석이나 백운석에 흡착시키는 방법, 황산으로 회수하는 방법, 탄소황으로 회 수하는 방법 등임

참고문헌

1. 국립환경연구원, (1998), 대기오염물질 배출량.

2. 김희강외, (1993), 대기오염개론, 동화기술.

3. 에너지경제연구원, (1994), 에너지통계연보.

4. 전국환경관리인연합회, (1994), 환경관계법규, 홍문관.

5. 환경부, (1995), 대기오염측정종합자료집.

6. John Quarles etc., (1990), The New Clean Air Act, Morgan, Lewis & Bockius.

7. OECD, (1995), OECD Environmental Data.

8. Leighton S. Cochran, (1992), Selected International Receptor-Based Air Quality Standards, Air & Waste Management Association Vol 42, No. 12.

9. S. Stallard Black & Veatch, etc., (1993), Comparison of Worldwide Emission Control Strategies and Their Effects on Plant Availability and Costs, 1993 SO2 Control Symposium.

10. 環境廳, (平成 6), 環境白書.

11. 環境保全對策硏究會, (平成 5), 大氣汚染對策基礎知識.

   

작성자 : 대기공학과 연구관 홍지형(공학박사)

   

   

원본 위치 <http://home.sunchon.ac.kr/~bioenvlab/data2/ham3/3-2.htm>

   

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Sulfur dioxide

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Names

  

IUPAC name

Sulfur dioxide

  

Other names

Sulfurous anhydride

Sulfur(IV) oxide

  

Identifiers

  

CAS Number

7446-09-5 

Beilstein Reference

3535237

ChEBI

CHEBI:18422 

ChEMBL

ChEMBL1235997 

ChemSpider

1087 

EC Number

231-195-2

Gmelin Reference

1443

Jmol 3D model

Interactive image

KEGG

D05961 

MeSH

Sulfur+dioxide

PubChem

1119

RTECS number

WS4550000

UNII

0UZA3422Q4 

UN number

1079, 2037

InChI[show]

  

SMILES[show]

  

Properties

  

Chemical formula

SO

2

Molar mass

64.066 g mol1

Appearance

Colorless gas

Odor

Pungent; similar to a just-struck match[1]

Density

2.6288 kg m3

Melting point

72 °C; 98 °F; 201 K

Boiling point

10 °C (14 °F; 263 K)

Solubility in water

94 g/L[2]

Vapor pressure

237.2 kPa

Acidity (pKa)

1.81

Basicity (pKb)

12.19

Viscosity

0.403 cP (at 0 °C)

Structure

  

Point group

C2v

Coordination geometry

Digonal

Molecular shape

Dihedral

Dipole moment

1.62 D

Thermochemistry

  

Std molar

entropy (So298)

248.223 J K1 mol1

Std enthalpy of

formationfHo298)

296.81 kJ mol1

Hazards

  

EU classification (DSD)

T

R-phrases

R23, R34, R50

S-phrases

(S1/2), S9, S26, S36/37/39, S45

NFPA 704

0

3

0

Lethal dose or concentration (LD, LC):

  

LC50 (median concentration)

3000 ppm (mouse, 30 min)

2520 ppm (rat, 1 hr)[4]

LCLo (lowest published)

993 ppm (rat, 20 min)

611 ppm (rat, 5 hr)

764 ppm (mouse, 20 min)

1000 ppm (human, 10 min)

3000 ppm (human, 5 min)[4]

US health exposure limits (NIOSH):

  

PEL (Permissible)

TWA 5 ppm (13 mg/m3)[3]

REL (Recommended)

TWA 2 ppm (5 mg/m3) ST 5 ppm (13 mg/m3)[3]

IDLH (Immediate danger)

100 ppm[3]

Related compounds

  

Related sulfur oxides

Sulfur monoxide

Sulfur trioxide

Related compounds

Ozone

Selenium dioxide

Sulfurous acid

Tellurium dioxide

Except where otherwise noted, data are given for materials in their standard state (at 25 °C [77 °F], 100 kPa).

  

 verify (what is 

   

 ?)

  

Infobox references

  

Sulfur dioxide

Sulfur dioxide (also sulphur dioxide) is the chemical compound with the formula SO

2. At standard atmosphere, it is a toxic gas with a pungent, irritating smell. The triple point is 197.69 K and 1.67 kPa. It is released naturally by volcanic activity.

Sulfur dioxide was used by the Romans in winemaking when they discovered that burning sulfur candles inside empty wine vessels kept them fresh and free from vinegar smell.[5]

Contents

 [hide

Structure and bonding[edit]

SO2 is a bent molecule with C2v symmetry point group. A valence bond theory approach considering just s and p orbitals would describe the bonding in terms of resonance between two resonance structures.

Two resonance structures of sulfur dioxide

The sulfur–oxygen bond has a bond order of 1.5. There is support for this simple approach that does not invoke d orbital participation.[6] In terms of electron-counting formalism, the sulfur atom has an oxidation state of +4 and a formal charge of +1.

Occurrence[edit]

It is found on Earth and exists in very small concentrations and in the atmosphere at about 1 ppb.[7][8][clarification needed]

On other planets, it can be found in various concentrations, the most significant being the atmosphere of Venus, where it is the third-most significant atmospheric gas at 150 ppm. There, it condenses to form clouds, and is a key component of chemical reactions in the planet's atmosphere and contributes to global warming.[9] It has been implicated as a key agent in the warming of early Mars, with estimates of concentrations in the lower atmosphere as high as 100 ppm,[10] though it only exists in trace amounts. On both Venus and Mars, its primary source, like on Earth, is thought to be volcanic. The atmosphere of Io is 90% sulfur dioxide[11] and trace amounts are thought to also exist in the atmosphere of Jupiter.

The blue auroral glows of Io's upper atmosphere are caused by volcanic sulfur dioxide.

As an ice, it is thought to exist in abundance on the Galilean moons—as sublimating ice or frost on the trailing hemisphere of Io, a natural satellite of Jupiter[12] and in the crust and mantle of Europa, Ganymede, and Callisto, possibly also in liquid form and readily reacting with water.[13]

Production[edit]

Sulfur dioxide is primarily produced for sulfuric acid manufacture (see contact process). In the United States in 1979, 23.6 million tonnes of sulfur dioxide were used in this way, compared with 150 thousand tonnes used for other purposes. Most sulfur dioxide is produced by the combustion of elemental sulfur. Some sulfur dioxide is also produced by roasting pyrite and other sulfide ores in air.[14]

Combustion routes[edit]

Sulfur dioxide is the product of the burning of sulfur or of burning materials that contain sulfur:

S + O2 SO2, ΔH = 297 kJ/mol

To aid combustion, liquefied sulfur (140–150 °C) is sprayed through an atomizing nozzle to generate fine drops of sulfur with a large surface area. The reaction is exothermic, and the combustion produces temperatures of 1000–1600 °C. The significant amount of heat produced is recovered by steam generation that can subsequently be converted to electricity.[14]

The combustion of hydrogen sulfide and organosulfur compounds proceeds similarly. For example:

2 H2S + 3 O2 2 H2O + 2 SO2

The roasting of sulfide ores such as pyrite, sphalerite, and cinnabar (mercury sulfide) also releases SO2:[15]

4 FeS2 + 11 O2 2 Fe2O3 + 8 SO2

2 ZnS + 3 O2 2 ZnO + 2 SO2

HgS + O2 Hg + SO2

4 FeS + 7O2 2 Fe2O3 + 4 SO2

A combination of these reactions is responsible for the largest source of sulfur dioxide, volcanic eruptions. These events can release millions of tonnes of SO2.

Reduction of higher oxides[edit]

Sulfur dioxide can also be a byproduct in the manufacture of calcium silicate cement; CaSO4 is heated with coke and sand in this process:

2 CaSO4 + 2 SiO2 + C 2 CaSiO3 + 2 SO2 + CO2

Until the 1970s, commercial quantities of sulfuric acid and cement were produced by this process in Whitehaven, England. Upon being mixed with shale or marl, and roasted, the sulfate liberated sulfur dioxide gas, used in sulfuric acid production, the reaction also produced calcium silicate, a precursor in cement production.[16]

On a laboratory scale, the action of hot concentrated sulfuric acid on copper turnings produces sulfur dioxide.

Cu + 2 H2SO4 CuSO4 + SO2 + 2 H2O

From sulfite[edit]

Sulfite results from the reaction of aqueous base and sulfur dioxide. The reverse reaction involves acidification of sodium metabisulfite:

H2SO4 + Na2S2O5 2 SO2 + Na2SO4 + H2O

Reactions[edit]

Industrial reactions[edit]

Treatment of basic solutions with sulfur dioxide affords sulfite salts:

SO2 + 2 NaOH Na2SO3 + H2O

Featuring sulfur in the +4 oxidation state, sulfur dioxide is a reducing agent. It is oxidized by halogens to give the sulfuryl halides, such as sulfuryl chloride:

SO2 + Cl2 SO2Cl2

Sulfur dioxide is the oxidising agent in the Claus process, which is conducted on a large scale in oil refineries. Here, sulfur dioxide is reduced by hydrogen sulfide to give elemental sulfur:

SO2 + 2 H2S 3 S + 2 H2O

The sequential oxidation of sulfur dioxide followed by its hydration is used in the production of sulfuric acid.

2 SO2 + 2 H2O + O2 2 H2SO4

Laboratory reactions[edit]

Sulfur dioxide is one of the few common acidic yet reducing gases. It turns moist litmus pink (being acidic), then white (due to its bleaching effect). It may be identified by bubbling it through a dichromate solution, turning the solution from orange to green (Cr3+ (aq)). It can also reduce ferric ions to ferrous[citation needed]

Sulfur dioxide can react with certain 1,3-dienes in a cheletropic reaction to form cyclic sulfones. This reaction is exploited on an industrial scale for the synthesis of sulfolane, which is an important solvent in the petrochemical industry.

Sulfur dioxide can bind to metal ions as a ligand to form metal sulfur dioxide complexes, typically where the transition metal is in oxidation state 0 or +1. Many different bonding modes (geometries) are recognized, but in most cases, the ligand is monodentate, attached to the metal through sulfur, which can be either planar and pyramidal η1.[17]

Uses[edit]

Precursor to sulfuric acid[edit]

Sulfur dioxide is an intermediate in the production of sulfuric acid, being converted to sulfur trioxide, and then to oleum, which is made into sulfuric acid. Sulfur dioxide for this purpose is made when sulfur combines with oxygen. The method of converting sulfur dioxide to sulfuric acid is called the contact process. Several billion kilograms are produced annually for this purpose.

As a preservative[edit]

Sulfur dioxide is sometimes used as a preservative for dried apricots, dried figs, and other dried fruits, owing to its antimicrobial properties, and is called E220[18] when used in this way in Europe. As a preservative, it maintains the colorful appearance of the fruit and prevents rotting. It is also added to sulfured molasses.

In winemaking[edit]

Sulfur dioxide was used by the Romans in winemaking, when they discovered that burning sulfur candles inside empty wine vessels keeps them fresh and free from vinegar smell.[19]

Sulfur dioxide is still an important compound in winemaking, and is measured in parts per million in wine. It is present even in so-called unsulfurated wine at concentrations of up to 10 mg/L.[20] It serves as an antibiotic and antioxidant, protecting wine from spoilage by bacteria and oxidation. Its antimicrobial action also helps to minimize volatile acidity. Sulfur dioxide is responsible for the words "contains sulfites" found on wine labels.

Sulfur dioxide exists in wine in free and bound forms, and the combinations are referred to as total SO2. Binding, for instance to the carbonyl group of acetaldehyde, varies with the wine in question. The free form exists in equilibrium between molecular SO2 (as a dissolved gas) and bisulfite ion, which is in turn in equilibrium with sulfite ion. These equilibria depend on the pH of the wine. Lower pH shifts the equilibrium towards molecular (gaseous) SO2, which is the active form, while at higher pH more SO2 is found in the inactive sulfite and bisulfite forms. The molecular SO2 is active as an antimicrobial and antioxidant, and this is also the form which may be perceived as a pungent odour at high levels. Wines with total SO2 concentrations below 10 ppm do not require "contains sulfites" on the label by US and EU laws. The upper limit of total SO2 allowed in wine in the US is 350 ppm; in the EU it is 160 ppm for red wines and 210 ppm for white and rosé wines. In low concentrations, SO2 is mostly undetectable in wine, but at free SO2 concentrations over 50 ppm, SO2 becomes evident in the smell and taste of wine.[citation needed]

SO2 is also a very important compound in winery sanitation. Wineries and equipment must be kept clean, and because bleach cannot be used in a winery due the risk of cork taint,[21] a mixture of SO2, water, and citric acid is commonly used to clean and sanitize equipment. Compounds of ozone (O3) are now used extensively as cleaning products in wineries[citation needed] due to their efficiency, and because these compounds do not affect the wine or equipment.

As a reducing agent[edit]

Sulfur dioxide is also a good reductant. In the presence of water, sulfur dioxide is able to decolorize substances. Specifically, it is a useful reducing bleach for papers and delicate materials such as clothes. This bleaching effect normally does not last very long. Oxygen in the atmosphere reoxidizes the reduced dyes, restoring the color. In municipal wastewater treatment, sulfur dioxide is used to treat chlorinated wastewater prior to release. Sulfur dioxide reduces free and combined chlorine to chloride.[22]

Sulfur dioxide is fairly soluble in water, and by both IR and Raman spectroscopy; the hypothetical sulfurous acid, H2SO3, is not present to any extent. However, such solutions do show spectra of the hydrogen sulfite ion, HSO3, by reaction with water, and it is in fact the actual reducing agent present:

SO2 + H2O HSO3 + H+

Biochemical and biomedical roles[edit]

Sulfur dioxide is toxic in large amounts. It or its conjugate base bisulfite is produced biologically as an intermediate in both sulfate-reducing organisms and in sulfur-oxidizing bacteria, as well. The role of sulfur dioxide in mammalian biology is not yet well understood.[23] Sulfur dioxide blocks nerve signals from the pulmonary stretch receptors and abolishes the Hering–Breuer inflation reflex.

It was shown that endogenous sulfur dioxide plays a role in diminishing an experimental lung damage caused by oleic acid. Endogenous sulfur dioxide lowered lipid peroxidation, free radical formation, oxidative stress and inflammation during an experimental lung damage. Conversely, a successful lung damage caused a significant lowering of endogenous sulfur dioxide production, and an increase in lipid peroxidation, free radical formation, oxidative stress and inflammation. Moreover, blockade of an enzyme that produces endogenous SO2 significantly increased the amount of lung tissue damage in the experiment. Conversely, adding acetylcysteine or glutathione to the rat diet increased the amount of endogenous SO2 produced and decreased the lung damage, the free radical formation, oxidative stress, inflammation and apoptosis.[24]

It is considered that endogenous sulfur dioxide plays a significant physiological role in regulating cardiac and blood vessel function, and aberrant or deficient sulfur dioxide metabolism can contribute to several different cardiovascular diseases, such as arterial hypertension, atherosclerosis, pulmonary arterial hypertension, stenocardia.[25]

It was shown that in children with pulmonary arterial hypertension due to congenital heart diseases the level of homocysteine is higher and the level of endogenous sulfur dioxide is lower than in normal control children. Moreover, these biochemical parameters strongly correlated to the severity of pulmonary arterial hypertension. Authors considered homocysteine to be one of useful biochemical markers of disease severity and sulfur dioxide metabolism to be one of potential therapeutic targets in those patients.[26]

Endogenous sulfur dioxide also has been shown to lower the proliferation rate of endothelial smooth muscle cells in blood vessels, via lowering the MAPK activity and activating adenylyl cyclase and protein kinase A.[27] Smooth muscle cell proliferation is one of important mechanisms of hypertensive remodeling of blood vessels and their stenosis, so it is an important pathogenetic mechanism in arterial hypertension and atherosclerosis.

Endogenous sulfur dioxide in low concentrations causes endothelium-dependent vasodilation. In higher concentrations it causes endothelium-independent vasodilation and has a negative inotropic effect on cardiac output function, thus effectively lowering blood pressure and myocardial oxygen consumption. The vasodilating and bronchodilating effects of sulfur dioxide are mediated via ATP-dependent calcium channels and L-type ("dihydropyridine") calcium channels. Endogenous sulfur dioxide is also a potent antiinflammatory, antioxidant and cytoprotective agent. It lowers blood pressure and slows hypertensive remodeling of blood vessels, especially thickening of their intima. It also regulates lipid metabolism.[28]

Endogenous sulfur dioxide also diminishes myocardial damage, caused by isoproterenol adrenergic hyperstimulation, and strengthens the myocardial antioxidant defense reserve.[29]

As a refrigerant[edit]

Being easily condensed and possessing a high heat of evaporation, sulfur dioxide is a candidate material for refrigerants. Prior to the development of chlorofluorocarbons, sulfur dioxide was used as a refrigerant in home refrigerators.

As a reagent and solvent in the laboratory[edit]

Sulfur dioxide is a versatile inert solvent widely used for dissolving highly oxidizing salts. It is also used occasionally as a source of the sulfonyl group in organic synthesis. Treatment of aryl diazonium salts with sulfur dioxide and cuprous chloride yields the corresponding aryl sulfonyl chloride, for example:[30]

Proposed use in climate engineering[edit]

Injections of sulfur dioxide in the stratosphere has been proposed in climate engineering. The cooling effect would be similar to what has been observed after the large explosive volcano eruption of Mount Pinatubo in 1991. However this form of geoengineering would have uncertain regional consequences on rainfall patterns, for example in monsoon regions.[31]

As an air pollutant[edit]

A sulfur dioxide plume from the Halemaʻumaʻu vent, glows at night

Sulfur dioxide is a noticeable component in the atmosphere, especially following volcanic eruptions.[32] According to the United States Environmental Protection Agency,[33] the amount of sulfur dioxide released in the U.S. per year was:

A collection of estimates of past and future anthropogenic global sulphur dioxide emissions. The Cofala et al. estimates are for sensitivity studies on SO2 emission policies, CLE: Current Legislation, MFR: Maximum Feasible Reductions. RCPs (Representative Concentration Pathways) are used in CMIP5 simulations for latest (2013–2014) IPCC 5th assessment report.

Year

SO2

1970

31,161,000 short tons (28.3 Mt)

1980

25,905,000 short tons (23.5 Mt)

1990

23,678,000 short tons (21.5 Mt)

1996

18,859,000 short tons (17.1 Mt)

1997

19,363,000 short tons (17.6 Mt)

1998

19,491,000 short tons (17.7 Mt)

1999

18,867,000 short tons (17.1 Mt)

Sulfur dioxide is a major air pollutant and has significant impacts upon human health.[34] In addition, the concentration of sulfur dioxide in the atmosphere can influence the habitat suitability for plant communities, as well as animal life.[35] Sulfur dioxide emissions are a precursor to acid rain and atmospheric particulates. Due largely to the US EPA's Acid Rain Program, the U.S. has had a 33% decrease in emissions between 1983 and 2002. This improvement resulted in part from flue-gas desulfurization, a technology that enables SO2 to be chemically bound in power plants burning sulfur-containing coal or oil. In particular, calcium oxide (lime) reacts with sulfur dioxide to form calcium sulfite:

CaO + SO2 CaSO3

Aerobic oxidation of the CaSO3 gives CaSO4, anhydrite. Most gypsum sold in Europe comes from flue-gas desulfurization.

Sulfur can be removed from coal during burning by using limestone as a bed material in fluidized bed combustion.[36]

Sulfur can also be removed from fuels before burning, preventing formation of SO2 when the fuel is burnt. The Claus process is used in refineries to produce sulfur as a byproduct. The Stretford process has also been used to remove sulfur from fuel. Redox processes using iron oxides can also be used, for example, Lo-Cat[37] or Sulferox.[38]

Fuel additives such as calcium additives and magnesium carboxylate may be used in marine engines to lower the emission of sulfur dioxide gases into the atmosphere.[39]

As of 2006, China was the world's largest sulfur dioxide polluter, with 2005 emissions estimated to be 25,490,000 short tons (23.1 Mt). This amount represents a 27% increase since 2000, and is roughly comparable with U.S. emissions in 1980.[40]

Safety[edit]

Inhalation[edit]

Inhaling sulfur dioxide is associated with increased respiratory symptoms and disease, difficulty in breathing, and premature death.[41] In 2008, the American Conference of Governmental Industrial Hygienists reduced the short-term exposure limit to 0.25 parts per million (ppm). The OSHA PEL is currently set at 5 ppm (13  mg/m3) time-weighted average. NIOSH has set the IDLH at 100 ppm.[42] In 2010, the EPA "revised the primary SO2 NAAQS by establishing a new one-hour standard at a level of 75 parts per billion (ppb). EPA revoked the two existing primary standards because they would not provide additional public health protection given a one-hour standard at 75 ppb."[43]

A 2011 systematic review concluded that exposure to sulfur dioxide is associated with preterm birth.[44]

Ingestion[edit]

In the United States, the Center for Science in the Public Interest lists the two food preservatives, sulfur dioxide and sodium bisulfite, as being safe for human consumption except for certain asthmatic individuals who may be sensitive to them, especially in large amounts.[45] Symptoms of sensitivity to sulfiting agents, including sulfur dioxide, manifest as potentially life-threatening trouble breathing within minutes of ingestion.[46]

See also[edit]

   

출처: <https://en.wikipedia.org/wiki/Sulfur_dioxide>

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