자동차와 에어로졸
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글 : 채영석(webmaster@global-autonews.com)|
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승인 2014-10-22 21:25:06 |
본문
1. 서언
대기질에 있어서 용해성 에어로졸에 의한 가스상, 액상, 고체상간의 평형 등이 온도 및 습도에 따른 흡습정도가 다르다. 통계적인 미세입자의 메카니즘과 다중층의 등온 흡착을 고려한 상대습도 0~100% 범위에서 에어로졸의 열역학적인 특성을 파악할수 있으며 최소한 파라미터인 온도 의존성, 유기상을 포함한 인자 개발을 개선하여야 한다.
글 / 김종춘 (국립환경과학원)
출처 / 오토저널 7월호
력과 이온-쌍극자 정전기적 상관성이 있으며 비전해질이나 유기분자의 경우 흡착에너지로 계산이 가능하다. 또한 온도 의존성과 같은 요소와 혼합된 전하 형태와 혼합된 용매와 액상 용액을 포함하는 대기 시스템의 열역할의 미세한 수분활성, 온도 상관 등의 고려가 필요하다.
2. 자동차에서 에어로졸 생성
경유 및 휘발유 자동차의 이차에어로졸 생성을 살펴보면 다음과 같다. 도심에서 입자상 물질의 주된 배출원은 운행자동차이고 일반대기조건에서는 자동차에서 배출되는 입자상 물질은 배기가스 중 VOCs가 대기반응에 의해서 생성된다. 자동차종류(경유 및 휘발유)에 따른 이차 에어러졸 생성 특성과 원인을 파악해서 자동차로 인한 건강 영향을 감소시키기 정책적 노력이 필요하다. 자동차 배출가스에 의한 이차입자 생성량을 정확하게 파악할 수는 없으나 최근 대기오염 측정이 연료 사용량 등과 연계 되어 경유와 휘발유 자동차 배출가스 중 어느것이 더 높은 이차입자 생성을 하는지에 대한 파악이 가능하게 되었다.
또한 증발된 연료는 광(光)산화로 인한 SOA(Secondary Organic Aerosol) 생성하며 그 과정을 살펴보면 다음과 같다.
연료 조성이 이차유기입자 생성에 미치는 영향과 연소에 의한 배출로 인한 이차유기입자의 대기 중 생성 및 조성에 미치는 영향을 파악하기 위해서 증발되는 연료에 대한 광산화실험을 통해서 알 수 있다. 이 경우에는 휘발유, 제트유 및 경유에 대한 전형적인 대기 유기에어로졸 농도 조건에서 OH 라디칼 반응으로 시작되는 고농도 NOx 스모그 챔버 실험한다. 반응에 투입된 단위질량의 연료에 대해 경유, Jet Propellent-8,
Fischer-Tropsch(천연가스), 휘발유, Fischer-Tropsch(석탄) 순으로 많은 SOA를 생성한다. 이러한 경향은 연료 휘발성과 분자구조에 따라 달라지며 AMS(Aerosol Mass Spectrometer) 자료를 살펴보면 SOA가 일부분 산화되어(O:C = 0.2~0.4), 대기 실측
자료로부터 도출된 반휘발성 산화유기에어로졸(SVOOA)과 유사하다. 증발된 제트유와 경유 연료에 대한 SOA 생성 추정량은 희석된 연료 연소 배출로부터의 SOA 생성량의 약 2배 내외이다.
EURO 5 경유 및 휘발유 자동차의 VOC 배출계수 및 대기질에 미치는 영향을 비교해 보면 다음과 같다. NMHCs(Nonmethan Hydrocarbons)를 포함하는 VOCs와 산화된 VOCs는 용매, 산업시설 연소, 석유정제업 증기, 생물성 배출원 등 다양한 배출원에서 배출된다. 자동차 배출가스는 VOCs의 주요 배출원으로 엄격하게 규제되고 있으며 VOC의 대기 중 화학반응은 이차유기입자를 생성하므로 VOCs의 배출은 입자상물질 등 다른 대기오염 요소에도 영향을 미친다.
휘발유 자동차에서의 1차적인 VOC 배출은 연료중의 방향족이 영향을 미친 반면 경유 자동차에서는 산화된 VOC 배출이 영향이 크다.
3. 에어로졸의 건강영향
PM2.5 배출의 화학적 조성 및 독성학적 특성은 식당, 주방, 그릴 및 기타 쿠킹, 숯불구이, 고온 튀김 등의 배출은 도심지역 대기질에 크게 영향을 미치며 미세입자 및 극미세 입자, 유기성 에어로졸, 휘발성 유기화합물의 배출원이다.
2.5um 이하의 미세 입자에 노출되는 경우 폐/심혈관계질환의 질병률과 사망률을 증가시킨다. 또한 쿠킹에 의한 PM 배출은 2014년 미국 남해안 지역에서 대형 트럭과 비도로 운송수단에 의한 배출을 뛰어넘을 것으로 예측되므로 상업 쿠킹에서의 배출에 대한 화학적이고 독성학적인 특성 파악이 중요하게 되었다.
쿠킹 배출은 PAHs, Nitro-PAHs, 유기산, 퀴논 등과 같은 유기성분의 함량이 상대적으로 높다. PAHs와 Nitro-PAHs는 돌연변이성이나 발암성을 가지고, 퀴논은 PAHs의 반응성이 있는 치환물질로 산화환원과정을 촉진시키고 조직의 친핵체와 공유결합을 형성
한다.
이러한 유기화합물은 표준 조리법으로 실제 고기구이 시 47mm 테플론 여지로 채취하여 GC-MS로 분석하며 독성학적 특성은 DTT(Dithiothreitol)와 GAPDH(Glyceraldehyde-3-Phospahetdehydrogenase)분석으로 결정하게 된다.
4. 자동차 에어로졸 연구 동향
휘발유와 경유 운행 자동차의 미세 입자내 BC(Black Carbon), 1차 유기에어로졸 배출기여도는 유기에어로졸과 BC를 포함하는 PM2.5의 주요한 배출원이다. 최근 운행 자동차에 대한 연구가 활발하다.
연구에 의하면 샌프란시스코 지역 Caldecott 터널의 소형자동차의 배출을 측정한 결과 PM2.5, OA, BC, 가스상 물질을 소형자동차가 전체 교통량의 99% 이상인 터널 내에서 측정하였다. 측정한 오염물질 농도는 소형 휘발유차와 경유 트럭으로 구분하였고 Fleet-Average 배출계수는 탄소 평형 방법으로 소형 자동차에 대해 계산하였다. 전체 운행차의 1% 미만을 차지하는 경유 트럭이 각각 PM2.5, OA, BC 농도의 24 ± 4,22 ± 5, 45 ± 8%를 차지하였다.
경유 트럭으로 인한 이러한 배출특성의 불균형은 소형자동차의 배출계수의 평가에서 주요한 바이어스를 일으킨다. 소형 자동차의 Fleet-average OA, BC 배출계수는 같은 기간 측정된 대형 경유트럭 배출계수보다 10~50배 낮게 나타났다. 휘발유와 경유 엔진에 대한 배출계수와 연료 소비량은 이러한 배출원이 전체적인 운행자동차 배출에 미치는 상대적인 중요성을 파악하는데 사용되고 있다. 최근이 다른 연구결과와 달리, 휘발유 엔진은 BC에 있어서 중요한 배출원은 아니라고 판단하고 있다. 캘리포니아 대기환경기준을 만족하기 위한 바이오디젤 혼합연료의 개발 및 적용을 살펴보면 다음과 같다.
경유 엔진으로부터의 배출감소는 캘리포니아와 미국 전지역 내의 대기질과 온실가스 감축목표 달성을 위해 중요한 요소 중 하나로 이를 위해서는 기존의 연료는 재생 가능한 연료로 대체하는 것이 필요하다. 바이오디젤은 경유를 대체하는 재생 가능한 연료이나, 바이오디젤은 NOx 배출량이 증가하는 경향이 있어 바이오디젤 대체를 실행하기 위해 고려할 주요한 요소로 남아있다.
캘리포니아 리버사이드, 캘리포니아 데이비스 대학과 함께 CARB(California Air ResourcesBoard)에서 바이오디젤 20% 이상의 사용시 배출영향을 연구한 결과 바이오디젤의 사용은 NOx 배출을 증가시킨 것으로 조사되었으나, 5% 정도 수준에서는 뚜렷한 증가 경향을 보이지 않았다. 이는 캘리포니아에서 디젤 연료의 대체품으로 5% 바이오디젤을 혼합하여 사용하는 것이 가능한지 평가하는 것으로 동물추출, 폐식생 오일, 콩추출로 인한 5% 혼합연료에 대한 배출특성이 검토되었고 모든 혼합연료는 PM, THC, CO 배출에 있어서는 만족하였으나, 5% 동물추출 바이오디젤만이 NOx 배출에서 좋은 결과를 얻었다. 이로써 자동차에 서 에어로졸 생성은 연료와 엔진 기술이 적합하게 조
합되어야 한다고 본다.
대기질에 있어서 용해성 에어로졸에 의한 가스상, 액상, 고체상간의 평형 등이 온도 및 습도에 따른 흡습정도가 다르다. 통계적인 미세입자의 메카니즘과 다중층의 등온 흡착을 고려한 상대습도 0~100% 범위에서 에어로졸의 열역학적인 특성을 파악할수 있으며 최소한 파라미터인 온도 의존성, 유기상을 포함한 인자 개발을 개선하여야 한다.
글 / 김종춘 (국립환경과학원)
출처 / 오토저널 7월호
력과 이온-쌍극자 정전기적 상관성이 있으며 비전해질이나 유기분자의 경우 흡착에너지로 계산이 가능하다. 또한 온도 의존성과 같은 요소와 혼합된 전하 형태와 혼합된 용매와 액상 용액을 포함하는 대기 시스템의 열역할의 미세한 수분활성, 온도 상관 등의 고려가 필요하다.
2. 자동차에서 에어로졸 생성
경유 및 휘발유 자동차의 이차에어로졸 생성을 살펴보면 다음과 같다. 도심에서 입자상 물질의 주된 배출원은 운행자동차이고 일반대기조건에서는 자동차에서 배출되는 입자상 물질은 배기가스 중 VOCs가 대기반응에 의해서 생성된다. 자동차종류(경유 및 휘발유)에 따른 이차 에어러졸 생성 특성과 원인을 파악해서 자동차로 인한 건강 영향을 감소시키기 정책적 노력이 필요하다. 자동차 배출가스에 의한 이차입자 생성량을 정확하게 파악할 수는 없으나 최근 대기오염 측정이 연료 사용량 등과 연계 되어 경유와 휘발유 자동차 배출가스 중 어느것이 더 높은 이차입자 생성을 하는지에 대한 파악이 가능하게 되었다.
또한 증발된 연료는 광(光)산화로 인한 SOA(Secondary Organic Aerosol) 생성하며 그 과정을 살펴보면 다음과 같다.
연료 조성이 이차유기입자 생성에 미치는 영향과 연소에 의한 배출로 인한 이차유기입자의 대기 중 생성 및 조성에 미치는 영향을 파악하기 위해서 증발되는 연료에 대한 광산화실험을 통해서 알 수 있다. 이 경우에는 휘발유, 제트유 및 경유에 대한 전형적인 대기 유기에어로졸 농도 조건에서 OH 라디칼 반응으로 시작되는 고농도 NOx 스모그 챔버 실험한다. 반응에 투입된 단위질량의 연료에 대해 경유, Jet Propellent-8,
Fischer-Tropsch(천연가스), 휘발유, Fischer-Tropsch(석탄) 순으로 많은 SOA를 생성한다. 이러한 경향은 연료 휘발성과 분자구조에 따라 달라지며 AMS(Aerosol Mass Spectrometer) 자료를 살펴보면 SOA가 일부분 산화되어(O:C = 0.2~0.4), 대기 실측
자료로부터 도출된 반휘발성 산화유기에어로졸(SVOOA)과 유사하다. 증발된 제트유와 경유 연료에 대한 SOA 생성 추정량은 희석된 연료 연소 배출로부터의 SOA 생성량의 약 2배 내외이다.
EURO 5 경유 및 휘발유 자동차의 VOC 배출계수 및 대기질에 미치는 영향을 비교해 보면 다음과 같다. NMHCs(Nonmethan Hydrocarbons)를 포함하는 VOCs와 산화된 VOCs는 용매, 산업시설 연소, 석유정제업 증기, 생물성 배출원 등 다양한 배출원에서 배출된다. 자동차 배출가스는 VOCs의 주요 배출원으로 엄격하게 규제되고 있으며 VOC의 대기 중 화학반응은 이차유기입자를 생성하므로 VOCs의 배출은 입자상물질 등 다른 대기오염 요소에도 영향을 미친다.
휘발유 자동차에서의 1차적인 VOC 배출은 연료중의 방향족이 영향을 미친 반면 경유 자동차에서는 산화된 VOC 배출이 영향이 크다.
3. 에어로졸의 건강영향
PM2.5 배출의 화학적 조성 및 독성학적 특성은 식당, 주방, 그릴 및 기타 쿠킹, 숯불구이, 고온 튀김 등의 배출은 도심지역 대기질에 크게 영향을 미치며 미세입자 및 극미세 입자, 유기성 에어로졸, 휘발성 유기화합물의 배출원이다.
2.5um 이하의 미세 입자에 노출되는 경우 폐/심혈관계질환의 질병률과 사망률을 증가시킨다. 또한 쿠킹에 의한 PM 배출은 2014년 미국 남해안 지역에서 대형 트럭과 비도로 운송수단에 의한 배출을 뛰어넘을 것으로 예측되므로 상업 쿠킹에서의 배출에 대한 화학적이고 독성학적인 특성 파악이 중요하게 되었다.
쿠킹 배출은 PAHs, Nitro-PAHs, 유기산, 퀴논 등과 같은 유기성분의 함량이 상대적으로 높다. PAHs와 Nitro-PAHs는 돌연변이성이나 발암성을 가지고, 퀴논은 PAHs의 반응성이 있는 치환물질로 산화환원과정을 촉진시키고 조직의 친핵체와 공유결합을 형성
한다.
이러한 유기화합물은 표준 조리법으로 실제 고기구이 시 47mm 테플론 여지로 채취하여 GC-MS로 분석하며 독성학적 특성은 DTT(Dithiothreitol)와 GAPDH(Glyceraldehyde-3-Phospahetdehydrogenase)분석으로 결정하게 된다.
4. 자동차 에어로졸 연구 동향
휘발유와 경유 운행 자동차의 미세 입자내 BC(Black Carbon), 1차 유기에어로졸 배출기여도는 유기에어로졸과 BC를 포함하는 PM2.5의 주요한 배출원이다. 최근 운행 자동차에 대한 연구가 활발하다.
연구에 의하면 샌프란시스코 지역 Caldecott 터널의 소형자동차의 배출을 측정한 결과 PM2.5, OA, BC, 가스상 물질을 소형자동차가 전체 교통량의 99% 이상인 터널 내에서 측정하였다. 측정한 오염물질 농도는 소형 휘발유차와 경유 트럭으로 구분하였고 Fleet-Average 배출계수는 탄소 평형 방법으로 소형 자동차에 대해 계산하였다. 전체 운행차의 1% 미만을 차지하는 경유 트럭이 각각 PM2.5, OA, BC 농도의 24 ± 4,22 ± 5, 45 ± 8%를 차지하였다.
경유 트럭으로 인한 이러한 배출특성의 불균형은 소형자동차의 배출계수의 평가에서 주요한 바이어스를 일으킨다. 소형 자동차의 Fleet-average OA, BC 배출계수는 같은 기간 측정된 대형 경유트럭 배출계수보다 10~50배 낮게 나타났다. 휘발유와 경유 엔진에 대한 배출계수와 연료 소비량은 이러한 배출원이 전체적인 운행자동차 배출에 미치는 상대적인 중요성을 파악하는데 사용되고 있다. 최근이 다른 연구결과와 달리, 휘발유 엔진은 BC에 있어서 중요한 배출원은 아니라고 판단하고 있다. 캘리포니아 대기환경기준을 만족하기 위한 바이오디젤 혼합연료의 개발 및 적용을 살펴보면 다음과 같다.
경유 엔진으로부터의 배출감소는 캘리포니아와 미국 전지역 내의 대기질과 온실가스 감축목표 달성을 위해 중요한 요소 중 하나로 이를 위해서는 기존의 연료는 재생 가능한 연료로 대체하는 것이 필요하다. 바이오디젤은 경유를 대체하는 재생 가능한 연료이나, 바이오디젤은 NOx 배출량이 증가하는 경향이 있어 바이오디젤 대체를 실행하기 위해 고려할 주요한 요소로 남아있다.
캘리포니아 리버사이드, 캘리포니아 데이비스 대학과 함께 CARB(California Air ResourcesBoard)에서 바이오디젤 20% 이상의 사용시 배출영향을 연구한 결과 바이오디젤의 사용은 NOx 배출을 증가시킨 것으로 조사되었으나, 5% 정도 수준에서는 뚜렷한 증가 경향을 보이지 않았다. 이는 캘리포니아에서 디젤 연료의 대체품으로 5% 바이오디젤을 혼합하여 사용하는 것이 가능한지 평가하는 것으로 동물추출, 폐식생 오일, 콩추출로 인한 5% 혼합연료에 대한 배출특성이 검토되었고 모든 혼합연료는 PM, THC, CO 배출에 있어서는 만족하였으나, 5% 동물추출 바이오디젤만이 NOx 배출에서 좋은 결과를 얻었다. 이로써 자동차에 서 에어로졸 생성은 연료와 엔진 기술이 적합하게 조
합되어야 한다고 본다.
