Part 1. 대기오염의 기초개념

1. 대기의 조성과 특성

2. 대기오염물질의 농도 표시

3. 대기오염의 역사와 사건

4. 대기환경기준과 대기오염 현황

5. 대기오염배출원

6. 총량규제의 개념과 방법

목차

지구환경변화의 역사와 민감도

지구나이가 46세라면

• 제 1 빙하기 : 약 25년 전

• 제 2 빙하기 : 약 7년 전

• 제 3 빙하기 : 약 3년 전

• 공룡출현 : 약 2년 전

• 공룡 사라짐 : 약 6개월 전

• 제 4 빙하기 : 약 10일 전

• 인간탄생 : 약 1주일 전

• 산업혁명 : 1분전

• 환경 변화 : 현재 시점

• 지권 수백만- 수억년

• 빙하권 수천년 - 수백만년

• 생(물)권 수년 - 수천년

• 수(해양)권 수주 - 수천년

• 대기권 수분 - 수일

지구환경변화의 민감도

공간규모별 대기오염 현상

지구규모의 대기오염 문제 기후변화 , 지구온난화, 오존층 파괴 문제 등

지역적 규모의 대기오염문제 산성우 문제, 황사 문제, 중국발 스모그 등

국지적 규모의 대기오염문제 도시대기오염문제, 산단지역 대기오염문제 등

미세환경의 공기오염문제 실내공기오염문제

Hot Environmental Issues in Korean Society for

the Last 50 Years based on the number of articles appeared in major newspapers (C.S. Kang, 2012)

• 1960’s Reforestation Projects ☞ great successful !!

• 1970’s Indoor CO Poisoning due to Coal Briquettes

• 1980’s Urban Air Pollution due to Dirty Fuel Consumptions

• 1990’s I Water Pollution and Safety for Drinking Water

• 1990’s II Urban Waste Disposal/ Waste Reuse, NIMBY Phenomena

• 1990’s III Dioxins from Incineration Plants

• 2000’s Yellow Dust, IAQ (NHS), Climate Change, Ozone Pollution

• 2010’s I CO2 Reduction, Climate Change, 4 Big Rivers Projects

• 2010’s II Toxic Chemicals Release, PM10 and PM2.5 in Air

• 2010’s III ??? ☞ Environmental Health and Safety Problems

Fig. Schematic illustrating the transport and fate of atmospheric emission into various parts of the environment.

대기의 조성과 특성

1) 대류권 (troposphere) 지표 ~ 12 km 대기불안정

- 지구대기의 90%가 존재

- 대류권의 기온감률 0.65 ℃/100 m

- 구름, 강수현상은 대류작용 (convection)때문

- 대류권의 맨 아랫층이 생물권 (biosphere)

- 대류권하부 1~2 km의 층을

대기경계층 (atmospheric boundary layer) 또는

행성경계층 (planetary boundary layer)라 함

2) 성층권 (stratosphere) 12 km ~ 50 km 대기안정

- 오존층 (ozone layer) 15 ~ 35 km

파장 210~290 nm 자외선 흡수

3) 중간권 (mesosphere) 50 ~ 85 km

- 대류작용, 수증기 거의 없어 기상현상 없음

4) 열권 (thermosphere) 85 km 이상

* 1 DU (Dobson Unit): 지구 대기 중 오존총량을

0 ℃, 1 atm의 표준상태에서 두께로 환산했을 때

0.01 mm에 상당하는 양

참고로 지구전체 평균오존량은 300 DU이다.

대기의 조성과 특성 2) 대기의 조성 <표준상태 (0℃, 1기압), 건조대기(=공기)>

- 대기 중의 수분이 시간과 공간에 따라 0.004~4%로 변하기 때문에 건조공기를

기준으로 한다.

대기의 조성과 특성

3) 대기오염 물질

: 대기의 물질 중에서 인공적 또는 천연적으로 발생한 것으로 생물이나 물질에 악영향을

끼치는 미량물질

- 대기오염 물질의 분류

: 생성과 소멸 단계에 따른 대기오염물질의 분류

- 1차 대기오염물질 : 발생원에서 직접 대기로 방출되는 오염물질

ex) CO, CO2, H2, NaCl, H2S, NH3, SiO2, Pb, 금속산화물 등

- 2차 대기오염물질 : 배출된 오염물질이 대기 중에서 화학반응(합성,분해)을 일으켜

발생된 물질

ex) O3, PAN, 알데하이드, 아크롤레인(CH2CHCHO) 등

대기오염물질의 농도 표시 1) 오염물질 농도의 기본식

)(

)()(

매체량

물질량농도

V

mC

농도단위 : μg/m3, ppm 등 채취공기(물)량: 시료채취 시 결정

- 공기= 유량(m3/min) × 시간(min)

- 물 = 채수량(L)

- 토양 = 채취량(kg)

물질량: 분석에서 결정

定量分析 : Quantitative Analysis

定性分析 : Qualitative Analysis

측정 = 시료채취 + 분석

대기오염물질의 농도 표시 2) 농도 계산을 위한 배경지식 (단위)

대기오염물질의 농도 표시 숙제) 아래의 빈칸을 채우시오 (단위 환산 문제).

1 W = [ ] J/s (일률)

1 J = [ ] N•m (열, 일, 에너지)

1 N = [ ] kg × [ ] m/s2 (힘)

1 Pa = [ ] N/m2 (압력)

1 lb = [ ] kg (질량)

1 kgf = [ ] kg × [ ] m/s2 = [ ] N (힘)

1 lbf = [ ] lb × [ ] ft/s2 = [ ] N (힘) = [ ] kg × [ ] m/s2

1 ft = [ ] m (길이)

1 in = [ ] mm (길이)

1 atm = [ ] lbf/in2 = [ ] psi = [ ] kPa = [ ] hPa = [ ] mbar

= [ ] mmHg = [ ] torr = [ ] mH2O = [ ] kgf/m2

1.2 atm = [ ] lbf/in2 = [ ] torr

1470 psi = [ ] hPa = [ ] mmHg

147 psi = [ ] torr = [ ] mH2O

2 atm = [ ] kgf/m2

100 lbf/in2 = [ ] psi = [ ] mmHg

1000 kgf/m2 = [ ] atm

100 mmHg = [ ] torr = [ ] mH2O

1000 hPa = [ ] mbar = [ ] mmHg

100 kPa = [ ] torr = [ ] mH2O

1020 mbar = [ ] kgf/m2

800 torr = [ ] mH2O

960 mbar = [ ] lbf/in2 = [ ] psi

대기오염물질의 농도 표시 3) 농도계산을 위한 배경지식 (일반화학)

구하기※분자량

원자량※기본적인

원소 C (탄소) H (수소) O (산소) N (질소) S (황) Cl (염소)

원자량 12 1 16 14 32 35.5

분자 SO2 H2O O2 N2 H2SO4 NaOH

분자량 64 18 32 28 98 40

대기오염물질의 농도 표시 3) 농도계산을 위한 배경지식 (일반화학)

LmmHg

mmHgLmolA

mmHgatLmolSOQ

atmatLmolA

atmatLmolSOQ

gmolSOQ

mol

mole

4.23780

760

273

202734.221)3

?)780,20( )( 1)3

)1,0(4.221)2

?)1,0( )( 1)2

g64gmol 1 A1)

? )( 1)1

:

)(

2

2

2

℃얼마인가는부피의

℃

℃얼마인가는부피의

분자량

얼마인가은질량은

단위

개념※몰

P

P

T

TVV

T

VP

T

PV '

''

'

''

P:압력 V:부피 T:온도 (K)

대기오염물질의 농도 표시 ※ 농도 관련 예제

? )1,0(/1)2 3

2 인가몇은℃ ppmatmmmgSOQ

)1,0(/86.2 1010

4.22

641) 3

66

32 atmmmgppmkg

mg

m

kgppmSOA ℃

ppmppm

mg

kg

kg

mmmgSOA 35.0

101064

4.22/1)

66

33

2

?)1,20(/ 1)3 3

2 인가℃몇는 atmmgppbSOQ

? )1,20(/1)4 3

2 인가몇은℃ ppbatmmgSOQ

)1,20(/66.2 1010

20273

273

4.22

641) 3

99

32 atmmgppbkg

g

m

kgppbSOA ℃

ppbppb

g

kg

kg

mmgSOA 38.0

1010273

20273

64

4.22/1)

99

33

2

?)1,0(/ 1)1 3

2 인가℃몇은 atmmmgppmSOQ

대기오염물질의 농도 표시 ※ 농도 관련 예제

Q1) 아래 2가지 조건의 농도 중 어느 것이 높은 농도인가?

(정답: 두 농도는 같다, 농도단위 ppm은 부피 대 부피 농도를 의미하므로

온도와 압력이 변하여도 농도가 동일하다.

Q2) 아래 2가지 조건의 농도 중 어느 것이 높은 농도인가?

(정답: 아래 계산을 참고하면 1번 농도가 2번 농도에 비해 높음을 알 수 있다.

)atm2.1,20at(ppm100SO)2

)atm1,0at(ppm100SO)1

2

2

℃

℃

)atm2.1,20at(m/g100SO)2

)atm1,0at(m/g100SO)1

3

2

3

2

℃

℃

atm2.1,20atm

g8.111

atm2.1

atm1

273

20273m

g100atm1,0at

m

g1003

33

℃℃

대기오염사건의 사례

- Meuse Valley Smog 벨기에 뮤즈계곡 (1930. 12)

- Tokyo-Yokohama 일본 요코하마 (1946)

- Donora Smog 미국 도노라 (1948. 10)

- Poza Rica 멕시코 포자리카 (1950. 11)

- London Smog 영국 런던 (1952. 12)

- LA Smog 미국 LA (1954. 7)

- Yokkaichi asthma 일본 미에현 요카이치 시 (1956)

- Seveso 이탈리아 세베소 (1976. 7)

- Bhopal 인도 보팔 (1984. 12)

대기오염의 사례

벨기에 뮤즈계곡 (1930년 12월, 3일간 지속)

스모그 발생, 무풍, 기온역전으로 지속됨.

뮤즈계곡에 위치한 금속, 유리, 황산, 비료공장

황산, HF, SO2, CO 등 배출

사건 3일 동안 평상시 사망수의 10배인 63명 사망

사망자 대부분 심장이나 폐에 만성병을 가진 노인들

전연령층에 호흡곤란 등 호흡기 질환 유발

Meuse valley Smog (뮤즈밸리 스모그)

대기오염의 사례

일본 도쿄만(gulf)의 공업도시 요코하마 (1946년 겨울)

무풍, 기온역전으로 밤과 이른 새벽 사이에 짙은 연무

원인물질 불분명, 요코하마에서 배출된 대기오염물질로 추정

지역에 주둔해 있던 미군 및 그 가족의 천식 발병

과거 기관지염을 앓던 환자에게 피해가 심했음

환자가 이곳을 떠나면 회복되었음.

Tokyo Yokohama 사건

Yokohama

대기오염의 사례

미국 펜실베니아주 도노라 (1948년 10월 27일~31일, 5일간 지속)

스모그 발생, 무풍, 기온역전으로 지속됨. 비와서 해소됨

20명 사망, 7000명 환자

미국역사상 최악의 대기오염 사건 (New York Times)

US Steel 황산, HF, SO2 배출

Donora Smog (도노라 스모그)

대기오염의 사례

멕시코 공업지대 포자리카 (1950년 11월)

조업 중 부주의로 황화수소 (H2S)가 인근 마을에 대량 유출됨

분지인 이곳에 기온역전으로 피해를 일으킴

달걀 섞은 냄새를 가진 독가스 (H2S)에 의해 총인구 22,000명 중

22명 사망, 320명 급성중독, 그외 기침, 호흡곤란, 점막자극 증상

Poza Rica 사건

대기오염의 사례

영국 런던 (1952년 12월 5(금)~9(화) 겨울철 5일간 지속)

The Great Smog of Big Smoke

영국 역사상 최악의 대기오염사례

석탄연소 60% 가정난방, 40% 산업용

석탄연소에 의한 SO2 배출이 안정한 대기조건 (기온역전) 속에서

도시 전체를 덮음, 시정장애 유발, 실내로 유입됨

4,000명 조기사망, 그 후 2개월 동안 8000명 추가사망

10만명 호흡기 계통질환

이 사건으로 인해 1956년 Clean Air Act 만듦

London Smog (런던 스모그)

대기오염의 사례

미국 캘리포니아주 LA (1954년 7월)

자동차 (400만대) 등의 배기가스에서 나오는 CO2, SO2, NO2, HC, O3 등 올레핀(olefine)계 탄화수소, 질소산화물, 황산화물 등과 태양광선 중 자외선에 의해서 발생한 PAN, H2O2 등 광화학적 산화물에 의한 신종 광화학 스모그 사건임

눈, 코, 기도, 폐 등의 점막 자극, 시정악화, 식물과 과일의 손상

이 사건 이래로 1957년 미국의 clean air act가 제정되었음

Los Angeles Smog사건

대기오염의 사례

London Smog 와 LA Smog의 비교

구분 런던 스모그 LA 스모그

주요 발생시간 새벽~이른 아침 한낮

기 상 조 건

기온 4 ℃ 이하 24 ℃ 이상

습도 90% 이상 70% 이하

바람 무풍 무풍

안정도 방사성 역전 (복사 역전) 침강성 역전

오 염 형 태

주오염원 가정난방, 공장 자동차

오염물질 SO2, 먼지, 안개 O3, PAN 등의 광산화물

반응형태 열적 환원반응 연기+안개 → 환원형 smog

광화학적 산화반응 HC+NOx+hν → 산화형 smog

스모그형태 농무형 회청색의 연무형

시정거리 100 m 이하 1 km 이하

피해상황 기관지염, 폐기종 눈, 코, 기도의 점막자극

대기오염의 사례

침강역전 (subsidence inversion)의 예

대기오염의 사례

일본 미에 현 욧카이치 시 (1956년)

Daichi Petrochemical Complex 내의 석유정제시설

석유정제시설 원유연소로부터 SO2 발생하여 smog발생

만성 폐병, 만성 기관지염, 폐기종, 기관지 천식

공해병으로 인정된 환자수는 1969년 중반까지 638명

Yokkaichi asthma (요카이치 천식)

Yokkaichi

대기오염의 사례

이탈리아 밀라노 북쪽 15 km 떨어진 Seveso지역 (1976년 7월 10일)

화학물질 제조공장 사고

지역주민 2,3,7,8-tetrachlorodibenzo-p-dioxin (TCDD) 고농도 노출

노출 하루만에 3,300마리 동물 죽음

15명의 어린이 노출 하루만에 피부화상, 447명이 피부염증

먹이사슬따라 오염되어 1978년까지 8만 마리 이상이 도살됨

회사 감독관 구속, 해당 사고지역 격리 및 복원작업 진행

이 사건으로 인해 수많은 과학적 연구 이뤄짐

표준화된 산업안전법이 생겨남

Seveso 사건

대기오염의 사례

인도 보팔시 (1984년 12월)

다국적 기업인 미국의 유니온 카바이즈 사 살충제 제조공장 폭발

살충제 Methylisocyanate (MIC, CH3CNO) 가스가 보팔시로 유출

약 3만명 사망, 수십만명 불구 및 폐질환자가 됨, 가축 떼죽음.

MIC는 제1차 세계대전 때 독일이 사용한 포스겐보다 독성이 약 5배나 강한물질 임

Bhopal 사건