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연료전지의 제조 및 활용

1. 작동원리물을 전기분해하면 전극에서 산소와 수소가 발생하는데 연료전지는 물의 전기분해 역반응을 이용하는 것으로 수소와 산소로부터 전기와 물을 만들어 내는 것이다.연료전지는 일반 화학전지(예, 건전지, 축전지 등)와 달리 수소와 산소가 공급되는 한 계속 전기를 생산할 수 있다. 즉, 공기만 있으면 무한히 사용할 수 있는 에너지이다.연료전지는 화석연료 속의 수소와 공기 중 산소의 전기화학 반응에 의해 연료가 갖고 있는 화학에너지를 전기에너지로 연속하여 변환시켜주는 전기화학 발전장치(electrochemical generator)이다.그림 1는 연료전지의 작동원리를 나타내며, 이온전도성이 좋은 전해질을 사이에 두고 두 개의 다공성 전극으로 구성된다. 고체산화물형 연료전지의 전기화학 반응을 살펴보면, 연료극에서 수소가 전자를 내어놓고 전해질을 통해 이동해온 산소이온과 만나 물과 열을 생성시킨다. 연료극에서 생성된 전자는 외부회로를 통해 직류전류를 만들면서 공기극으로 이동하며, 공기극에서 산소와 만나 산소이온이 되고 생성된 이온은 전해질을 통해 연료극으로 이동하게 된다. 200℃이하에서 작동하는 저온 연료전지의 경우 수소이온이 공기극 쪽으로 이동하여 공기극에서 물을 생성시키는 반응을 일으키나 기본적인 전극 반응은 동일하다. 한 개의 셀에서 전기가 발생하지만 이 전기의 양은 우리가 실생활에 사용하기에는 매우 적은 양이므로 셀들을 여러 개 포개서 많은 양의 전기에너지로 사용하게 된다. 여러 개의 셀들을 모아 놓은 것을 스택이라고 한다.수소를 연료로 사용할 때 발생하는 화학 반응식은 다음과 같다.CH4 + 2H2O → 4H2 + CO2또는H2O → H2 + ½O22. 연료전지 부품과 기능연료전지 시스템은 그림2과 같이 연료개질장치(reformer), 연료전지본체(fuel cell stack), 전력변환 장치(inverter), 열 회수시스템(heat recovery system)으로 구성된다. 연료개질장치는 수소를 함유한 일반연료(LPG, LNG, 메탄, 석탄화가스, 메순한 전기모터 또는 복잡한 기존 전력선 등의 적용에 필요한 요구사항에 맞추도록 변환시킨다. 연료전지는 직류전기를 생산하며, 직류회로에서 전기는 한 방향으로만 흐른다. 가정이나 직장에서 사용하는 전기는 번갈은 사이클에서 양방향으로 흐르는 교류이다. 연료전지가 교류를 사용하는 전기장치에 사용된다면, 직류는 교류로 변환되어야 하며, 또 교류와 직류는 서로 변환되어야 한다. 전력변환은 적용에 따른 요구조건을 만족시키도록 전류의 흐름, 전압, 주파수, 전류의 다른 특성을 제어한다. 변환장치는 시스템의 효율을 약 2~6%저하한다.④ 열 회수시스템연료전지 시스템은 열을 생성하는 것이 주요 용도가 아니다. 특별히, 용융탄산염형 연료전지와 고체전해질형 연료전지는 고온에서 작동하기 때문에, 연료전지에 의해 생성되는 열은 상당히 많다. 이러한 과도한 열 에너지는 증기나 고온수를 만들거나 가스터빈 또는 다른 기술에 의해 전기로 변환하는데 사용된다. 이러한 방법에 의해 전체 시스템의 에너지 효율이 증가된다.3. 연료전지의 종류연료전지는 사용하는 전해질의 종류에 따라 주로 분류되며, 전지에서 발생하는 화학작용의 종류, 필요한 촉매의 종류, 전지가 작동될 때 작동온도, 다른 인자 등이 결정된다. 이러한 특성들은 연료전지의 적절한 적용에 영향을 준다. 현재 다양한 종류의 연료전지가 개발 중이며, 가가 장점과 한계, 잠재적인적용을 갖고 있다. 표1은 이온화 전해질의 종류에 따른 연료전지의 분류를 간략히 정리한 내용으로, 고분자전해박막형(PEMFC; Polymer Electrolyte Membrane or Proton Exchange Membrane), 인산염형(PAFC; Phosphoric Acid Fuel Cell), 알카리형(AFC; Alkaline Fuel Cell), 용융탄산염형(MCFC; Molten Carbonate Fuel Cell), 고체산화물형(SOFC; Solid Oxide Fuel Cell)등으로 구분된다. 작동온도도 다양하여 200℃ 미만의 온도에서 작동하는 저온형 연지 밀도가 낮아 주행가능 거리가 짧으며 배터리의 수명이 짧은 문제점이 있다. 또한 전기자동차가상용화된다면 많은 전기 충전소의 설치가 필요하며 여기서 사용되는 전기는 대규모 발전소에서 공급되므로 결국 오염원의 이동에 불과하다고 볼 수 있다. 따라서 전기자동차 동력원으로서의 배터리에 대한 단점을 보완하기 위하여 연료전지 구동방식이나 또는 배터리와 연료전지를 동시에 사용하는 혼합형 (hybrid)를 구성하는 방법이 최근에 각광을 받고 있다. 우리나라에서는 1990년대부터 대학을 중심으로 단위전지에 대한 기초연구를 시작하였으며 KIST 연료전지연구센타에서도 1996년부터 고분자전해질 연료전지 원천기술 개발을 시작한 후 2000년 5kW 급 스택을 제작하여 연료전지/배터리 하이브리드 골프카트에 적용한 바 있다.고분자전해질 연료전지 개발(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)고분자전해질 연료전지 원리(2) 인산염형(Phosphoric Acid)연료전지인산염형 연료전지는 전해질로 액체 인산염을 사용한다. 이 산은 테프론이 결합된 실리콘 탄화물 모체와 백금 촉매를 포함하는 다공성 탄소 전극 내에 존재한다. 그림 4는 현대 연료전지의 1세대인 인산염형 연료전지 내부에서 발생하는 화학작용을 도식적으로 나타낸 것이다. 가장 성숙한 전지 형태 중의 하나로 최초로 상업용에 적용되었으며, 현재 200기 이상이 사용ㅇ 중에 있다. 이러한 종류의 연료전지는 일반적으로 고정용 동력원에 사용되지만, 일부 인산염형 연료전지는 도시형 버스와 같은 대형차량의 동력원으로 사용되기도 한다. 고분자 전해박막형 연료전지는 양극판에서 백금촉매에 결합되는 일산화탄소에 의해 쉽게 파괴되고 연료전지의 효율이 감소되기 때문에, 인산염형 연료전지는 고분자전해박막형 연료전지 보다 개질 시에 불순물에 대한 저항력이 더 있다. 또 전기와 열을 함께 사용하는 열병합발전시 85% 효율을, 전기를 단독으로 생산시는 낮은 37~42% 효율을 갖는다. 이 값은 33~ 35% 효율을 갖는 연소방식의에서 작동하지만, 최근의 알카라인형 연료전지 설계에 따르면 저온인 23~70℃에서 작동된다. 알카라인형 연료전지는 전지에서 발생하는 화학작용의 속도로 인하여 성능이 좋으며, 효율이 높아 우주에서 적용 시 약 60%정도 된다. 단점은 이산화탄소에 의해 쉽게 오염된다는 것으로, 실제로 공기 중에 작은 양의 이산화탄소가 전지 작동에 영향을 주기 때문에 전지 중에서 사용되는 수소와 산소 모두 정제하는 것이 필요하다. 이러한 정제과정은 가격의 상승을 유발하며 오염에 대한 민감성은 전지의 교환주기인 수명에 영향을 미쳐 가격이 더 증가하게 된다. 우주 또는 해저 같은 원격지에서는 가격은 덜 중용한 인자이지만, 대부분의 상업용 시장에서 효과적으로 경쟁하기 위하여 이러한 연료전지는 가격이 더 효율적이어야 한다. 알카라인형 연료전지 본체는 작동시간이 8,000시간 이상충분히 안정되게 유지한다는 것을 보여주었다. 대형 규모의 전력용 시장에서 경제적으로 성장하려면 연료전지 작동시간이 40,000시간에 도달해야 함으로, 이러한 기술을 상용화하는데 가장 심각한 장벽이 될 것이다.(5) 용융탄산염형(Molten Carbonate)연료전지용융탄산염형 연료전지는 전기발전용, 산업용, 군수용에 사용되는 천연가스, 석탄 화력발전소를 목표로 현재 개발 중에 있다. 그림7는 고온연료전지인 용융탄산염형 연료전지의 작동원리를 나타내며, 다공성 물질에 떠 있는 용융탄산염 혼합물과 화학적 불활성 요업물질인 LiAlO2기질로 구성되는 전해질을 사용한다. 용융탄산염형 연료전지는 650℃ 또는 그 이상의 극한 고온에서 작동하기 때문에, 양극과 음극에 값싼 금속이 촉매로 사용되어 가격을 감소시킨다. 또, 효율의 개선으로 용융탄산염형 연료전지는 인산염형 연료전지에 비해 가격이 크게 감소된다. 용융탄산염형 연료전지의 효율은 약 60%정도로, 37~42%의 효율을 갖는 인산염형 연료전지 발전소 보다 높다. 버려지는 열을 회수하여 다시 사용하면, 전체효율이 약 85% 정도 높아진다. 알카라인형, 인산염형, 고분자 전해직렬로 연결하며, 높은 전류를 얻기 위하여 연료극과 연료극을 병렬로 연결한다. 현재 개발된 본체 구조의 배열 형식은 별렬 연결된 세 개의 관과 직렬 연결된 여섯 개의 관이 한 묶음으로 되어 있다. 각 묶음은 전지 전압을 증가시키고 모듈을 형성시키기 위해 직렬로 연결된다. 이렇게 만들어진 모듈은 더 큰 규모의 연료전지를 만들기 위해 병렬 또는 직렬로 연결된다.그림 10는 고체산화물형 연료전지 모듈의 단순화된 그림을 나타낸다. 공기는 연료전지의 상부를 통해 공급되며, 보조관을 통해 흘러 들어가 다시 연료전지의 상부를 통해 배출된다. 연료는 스택의 바깥쪽 벽면을 따라 스택 내부 개질장치인 예비개질기를 통해 일차적으로 전단계 개질 처리를 한 후 전지의 아래에서 위쪽으로 흐르게 된다. 전기화학 반응을 끝낸 미반응 연료는 다공성 세라믹 층을 통해 연소실로 이동하고, 여기서 미반응 공기와 반응하여 열을 발생시킨다. 이 열은 전지에 공급되는 공기를 예열하기 위해 사용된다. 전지 내의 온도 분포는 연료전지의 전기화학 반응으로부터 발생된 열과 연소실에서 미반응 연료의 연소로부터 발생된 열에 의해 유지된다. 이 구조의 가장 큰 특징 중의 하나는 기체 밀봉제가 필요하지 않아 밀봉이 용이하다는 것이다. 밀봉이 필요한 부분은 연료 배출부위이며, 또 하나의 밀봉은 산화제 공급을 위한 보조관과 연소실 사이이다. 장점은 열팽창에 대한 저항력이 우수하여 열응력에 의해 발생되는 균열생성을 최소화할 수있다. 그리고 환원성 분위기에서 전지관 사이의 접촉이 이루어지므로 전지관 연결이 용이하다. 반면에 단점은 전류흐름 경로가 길다는 것이다.Mitsubishi에서는 하나의 원통관 상에 단전지가 직렬로 여러 개 배열된 다전지식 원통형 구조를 갖는 고체산화물형 연료전지를 개발하였다. 전지는 얇은 띠 형태로 원통관 주위에 연결되며, 연결재가 연료극과 이웃 공기 극 사이의 전기적 이음선 및 밀봉제 역할을 한다. 이구조에서 연료는 원통관 내부를 통해 근처의 전지 사이로 이동하고 공기는 관의 바깥쪽으로 흐른다.

공학/기술| 2006.12.09| 26페이지| 2,000원| 조회(228)

화공, 연료전지

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오존층의 생성 파괴및 대책 평가A좋아요

*서 론최근 오존층에 구멍이 뚫리고 있다는 사실은 중대한 지구적 대기환경문제이다. 즉, 대기상층에 존재하는 오존층이 고갈되어 간다는 것을 이미한다. 오존은 활성이 매우 강한 물질로 태양 광선 중 자외선 특히, 살상효과를 가진 유해 자외선(UV-B)을 흡수하는 기능을 가지고 있기 때문에 지구상의 전 생명체에 있어서 없어서는 안될 소중한 생명의 우산이다. 지금 까지 지구상에서 생물이 별종하지 않고 지속될 수 있었던 것은, 산소의 축적과 그 축적된 산소를 이용하여 태양에 의한 오존층의 형성 그리고 오존층에 의해 자외선이 차단된 덕분이라 할 수 있다. 이러한 오존층이 어떻게 생성되며 오존층이 산업혁명 이후 최근에 이르기까지 프레온가스 등 지구대기환경의 총체적 오염에 파괴 되어가고 있다.현재 성층권 오존이 프레온 같은 인간활동의 산물들의 작용으로 파괴되어 자외선을 흡수할 수 없게 될 정도의 위험이 있는 것으로 지적되고 있다. 인간 문명이 CFC의 배출량을 더 많이 낸다면 심각한 결과를 초래할 수 있다. 그래서 프레온 가스 사용을 금지하려는 몬트리올 의정서와 같은 국제적 오존층 보호 조약이 체결되어 있는 것이다.환경문제는 지역적 문제가 아니라 세계적 문제가 되었다. 인간에 의해 생성된 화합물이 처음에는 그 위험을 인식하지 못한 채 편리하다는 이유나 필요로 인해 사용되다가 지구적 문제로 비화된다. 하지만 이러한 문제를 해결하기 위해 국가적 협조와 개인의 노력이 이루어지고 있으며, 해결 방법은 우리 각자의 평범한 생활 속에서도 찾아볼 수 있다.*본 론1. 오존(O3)과 오존층오존은 산소가 산화되어 생성된 무색 내지 미청색의 기체로 특이한 냄새가 있으며 반응성이 매우 강한 산회제이다. 일반적으로 산소는 분자는 두 개의 산소 원자로 이루어 졌는데 반해 오존은 세 개의 산소원자로 이루어져있다. 오존층은 산소가 3개 원자로 이루어진 것이 층을 이룬 것으로 성층권 내에서 고도 15 30km에 위치하여 최고농도는 약 10ppm이 된다고 한다.대류권에도 오존(O3)이 존재하는데 그 농도하여 유해한 파장의 성분(UV-B, 0.28㎛ ∼ 0�32㎛)을 흡수하여 지상의 생명을 보호하는 막으로서의 역할을 한다. 또한 흡수된 자외선 에너지는 결국 열로 변환되면서 오존은 성층권을 가열하는 열원으로서의 역할을 하게 되는데 특히, 고도 50km 부근에서 자외선의 흡수율이 커서 성층권에서의 기온역전 구조의 주원인을 제공하고 있다. 따라서 만약 성층권 오존이 파괴된다면 유해한 자외선은 증가될 것이며, 그로 인해 광화학반응에 따른 지표오존은 증가하게 되어 인간 및 생물에게 큰 피해를 주게 될 것이다. 또한 성층권의 온도가 하강하여 지구 기후의 변동을 초래할 수 도 있을 것이다.지상으로부터 대기상단까지의 오존총량을 오존전량이라고 한다. 대기는 0℃, 1기압(atm)의 등밀도로 환산하면 두께가 약 8km 정도 되고, 이중 hdwhs만이 차지하는 두께를 cm단위로 측정하여 그 수치를 1000배로 한 atm-cm단위 혹은 mm단위의 수치를 100배로 한 돕슨 단위(1mm = 100 D.U.)로 나타내는데, 주로 돕슨 단위를 많이 사용하고 있다. 오존전량은 지리적 또는 계절적인 영향으로 인해 평균값에서 ±50% 정도까지 변화하며, 주로 저위도 및 극 주위 고위도에서는 적고, 중위도에서는 많다. 현재 지구의 평균 오존전량은 약 300D.U.(3mm) 정도이다.2. 오존층의 파괴지구 전체의 보호막 역할을 해주고 있는 오존층이 최근 들어 점점 두께가 얇아져 가고 있다. 이러한 오존층 파괴의 주된 물질은 미국의 제너럴 모터스사가 냉장고의 냉각제로 개발하여 듀퐁사에서 프레온 이라는 생표명으로 생산된 프레온 가스이다. 프레온 가스의 본래 명칭은 염화불화탄소 (CFC)로 냄새도 없고 독성도 없으며, 불에 타지도 않고 화학적으로도 매우 안정된 물질로서 냉장고, 에어컨 등의 냉매, 스티로폼 등을 만들 때 사용하는 발포제, 드라이 크리닝 용제, 반도체나 정밀부품 세척제, 스프레이와 같은 분사제 등에 이용된다.이러한 CFC는 그 안정성 때문에 성층권에 도달하기 전 대류권에서는 파괴 소멸되해에 의하여 염소가 생성된다. 특히 사염화탄소와 메틸클로로포름은 프레온가스에 필적하는 오존층 파괴능력을 갖고 있어 규제대상이 되고있는 물질이다. 사염화탄소는 프레온가스나 합성고무 생성의 원료로서 사용되며, 메틸클로로포름은 각종 산업용 세정제로서 생산되고 있다.그 이외에도 오존농도에 영향을 주는 인자가 많이 있다. 첫째, 태양에서의 자외선 방출이 성층권 오존의 양을 결정하는데, 이 자외선의 방출은 거의 11년주기를 갖는 태양 표면에서 폭발현상이 있을 때 현저하게 증가하지만, 지구상 오존 전량에 직접 영향을 주는지는 밝혀지지 않고 있다. 둘째, 대기 중의 핵폭발 실험은 대단위의 NOx를 방출시켜 오존을 감소시킨다. 실제 1961년과 1962년에 집중된 미국과 소련의 대기중 핵폭발 실험은 성층권의 오존을 상당량 감소시킨 바 있다. 셋째, 화산폭발로 인해 대량 분출되는 HCl, SO2, H2O 등도 성층권 오존감소에 영향을 준다. 넷째, 대기 중의 이온화 현상은 복잡한 화학반응을 거쳐 NO와 OH기를 생성시키는데, 이 이온화 과정에는 강령한 에너지의 우주선이 동반되고 이때 생성된 NO와 OH기가 오존의 증감에 영향을 준다. 그 외 성층권을 비행하는 초음속비행기 그리고 대류권에서 방출하는 다양한 화학물질 및 오염물질도 부분적으로 오존층 파괴에 기여하고 있는 것으로 주장되고 있다.* CFC의 종류와 용도{종류화학식끓는점(oC)용도수명(년)상대적오존파괴량냉매세정제분사제발포제CFC11CFCl324OOOO761.0CFC12CF2Cl2-30OOO1391.0CFC13C2F3Cl348OOO920.83. 오존홀2974년 캘리포니아대학의 모리나와 로랜드 박사가 염화불화탄소가 오존층을 파괴한다는 내용을 Nature'란 과학잡지에 처음 발표했다. 당시에는 별로 주목을 받지 못했지만,1985년 남극 조사팀에 의해 남극 오존층 파괴현상이 처음 발견되었고, 남극 봄철(9∼11월)에 미대륙 면적 크기와 에베레스트 높이의 오존층이 파괴된다는 것이 밝혀졌다. 1979년과 비교할 때 약 50% 정도의성을 띄고, 이러한 반응성 질소화합물은 공기의 하향 운동에 의해 낮은 성층권으로 이동하여 결국 오존감소를 야기시킨다는 이론이다. 하지만 이 가설은 오존홀 근처에서는 질소화합물이 고갈 상태라는 점이 밝혀지면서 폐기되었다.세 번째 가설은 태양 흑점주기 변화 등에 의한 남극의 특수기후변동 때문이다. 북반구의 경우, 최근인공위성 님버스 7호의 오존 전량측정기로 관측된 자료를 재분석한 결과, 지난 12년 동안 북반구에서 6∼8%의 오존이 감소하였고, 특히 4∼5월에는 4∼6%의 오존이 감소되었음이 밝혀졌다. 북극에서도 미약하지만 오존의 감소가 일어나고 있다. 노르웨이 북쪽에 있는 스피츠버그섬 상공을 중심으로 매년 1.5∼2%씩 감소하는 엷은 오존지역이 나타나고 있다. 그 넓이는 남극 오존구멍의 1/3정도이다. 이것은 북극의 겨울이 짧고, 그러게 춥지 않기 때문으로 파악되고 있다.미국 환경보호청의 연구 결과에 의하면 성층권 오존이 1%만 감소하더라도 0.3∼0.6%의 백내장 환자가 증가하고, 양성 흑색종은 45만 건 이상, 악성 흑생종은 1천 건 이상 발병될 것으로 추정되었다. 식물을 그 종류에 따라 UV-B에 대한 감수선이 크게 다르고, 자외선 증가로 생태계 내의 식물종 간의 경쟁관계가 달라질 가능성이 높아 생태계 변화에 크게 영향을 미칠 것이다. 농작물의 수확량이나 품질도 영향을 받을 것으로 생각된다.4. 오존층 파괴로 인한 피해이런 이로운 성층권내의 자외선이 인간에 의해 파괴되고 있다. 오존층파괴의 처음 관심은 1970년 이후 초음속 비행기의 개발이후에 비행기가 성층권에서 방출하는 질소가스와 수증기가 오존층을 파괴할 것이라는 보고가 제기되면서 부터이다.오존층을 파괴하는 물질은 CFCs(Chloro Fluoro CatbonsCFC)이다. CFCs는 1928년 처음 합성되어 생산된 이래 냉장고와 에어컨에 쓰이는 냉매, 에어로졸 스프레이 및 캔의 분사제, 쿠션과 매트리스 안의 부드러운 품 제작에 쓰이는 블로우잉제, 전자 회로판 등을 세척하기 위해 쓰이는 세척제, 스티로폼 해도 자외선에 의한 피해이다. 자외선은 파장에 따라 다음과 같이 분류된다.UV-A (320 400 nm) : 전량이 오존층을 통과하며 생물체에는 무해하다.UV-B (280 320 nm) : 일부가 오존층을 통과하며 콜레스테롤에 작용하는 비타민D를 생성하여 구루병을 예방한다.UV-C (280 nm 이하) : 오존층에서 차단한다. 통과하게 되면 생물체의 DNA 유전자를 파괴하여 돌연변이를 유발한다.2자외선의 식물과 동물에 대한 영향자외선이 식물에 미치는 영향 중에서 가장 잘 알려진 것은 광합성에 대한 것이다. UV-B를 식물의 잎에 쪼이면, 일반적으로 엽록소가 감소하여 광합성이 억제되며, 대부분의 식물에 성장장애를 일으킨다. 또 충분한 발육을 하지 못해 덩굴 모양이 되는 경향이 있다. 하지만 이 때문에 식물이 말라 죽지는 않는다. 농작물 생산에 대한 자외선의 영향은 식물의 종류에 따라 다르다. 예를 들어 시금치처럼 잎을 먹는 것은 광합성이 약해지면 수확에 그대로 영향을 미치지만, 옥수수처럼 열매를 먹는 것은 실제 성장 자체가 크게 억제되는 것은 아니다.식물의 성장에 대한 UV-B의 저해 효과는 가시 광선이 있는 경우에는 약간 완화된다. 그러므로 야외에 비해 가시 광선이 적은 실내에서 얻은 실험 결과를 그대로, 야외에서의 농작물 수량에 대한 영향을 추정하는 데 사용할 수 없다. 야외 실험에서는 습도와 토양 등의 조건 차와 기타 대기오염의 영향 같은 문제들이 있는데, 일반적으로 지표에 도달하는 UV-B가 증가하면 농작물의 수량에 영향을 받을 가능성이 높다.기상상의 변화로는 기온을 상승시키게 되는데 습도와 증발량의 증가에 의한 강우량의 변화는 일부 지역에 홍수를 유발하게 될 것이고 또 다른 일부지역은 가뭄의 피해를 주게 될 것이다. 바다 속의 식물성 플랑크톤(규조류)은 온실효과의 주범인 이산화탄소를 사용하여 광합성을 하기 때문에 대기중의 이산화탄소를 해양으로 가지고 가서 지구의 기후를 일정하게 유지시키는 아주 중요한 역할을 하는데 자외선이 이들에게 해롭게 작용하여 이된다.

공학/기술| 2003.11.29| 5페이지| 1,000원| 조회(776)

오존층, 오존, 오존층 파괴

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런던 스모그현상

1. 서 론영어의 ‘smoke’(연기)와 ‘fog’(안개)의 합성어이다. 스모그가 도시나 공업지대에서 발생하면 시계(視界)가 나빠지고, 인체에 해를 준다. 이 용어는 14세기 초 유럽에서 산업발전과 인구증가로 석탄소비량이 늘어났을 때부터 생겼는데, 1872년 런던에서 스모그에 의한 사망자가 243명이나 발생하고 1952년 12월 5일~9일에는 수천 명의 사망자를 낸 ‘런던사건’이 일어났다. 1956년 1월, 1957년 12월, 1962년 12월에도 런던에서 대규모의 스모그가 발생하였다. 19세기 중엽부터 석유가 널리 이용되자, 석유에 의한 오염도 커졌다. 특히 제2차 세계대전 후에는 자동차 등의 내연기관이 가솔린 ·중유를 쓰게 되어, 석유의 연소에 의한 스모그가 큰 문제로 등장하였다. 석탄 ·석유에 의한 스모그 중에서, 전자는 런던의 스모그로 대표되기 때문에 런던형(화학반응형으로는 환원형) 스모그라 하고, 후자는 로스앤젤레스형(산화형) 스모그라고 한다. 로스앤젤레스형 스모그는 자동차의 배기가스 속에 함유된 올레핀계 탄화수소와 질소산화물의 혼합물에 태양광선이 작용해서 생기는 광화학반응산물에 의한 것이며, 광화학스모그라고도 한다. 로스앤젤레스형 스모그는 시정(視程)을 감소시키고, 눈 ·코 ·호흡기의 자극 증상을 일으키며, 식물성장의 장애요인이 된다. 한국의 대도시에서도 로스앤젤레스형 스모그와 같은 광화학스모그가 많아지고 있다.원인이 인위적인 것임은 말할 나위도 없지만, 스모그가 일정 지역에서 오랫동안 머무는 것은 기상조건 때문이다. 이러한 조건은 첫째로 바람이 약한 것, 둘째로 지면 부근에서 기온이 역전하는 것 등이다. 이 두 가지 조건은 그 지역이 이동성 고기압에 감싸였을 때 이 권내(圈內)에서 일어나는 일이 많으므로, 이러한 조건은 기압배치의 예상으로도 어느 정도 예측이 가능하다.2. 본 론(1) 원인물질도시화가 급격히 이루어지면서 도시의 중대한 대기오염 문제로 대두된 것이 광화학 스모그이다. 이는 질소산화물과 탄화수소와 같은 1차 오염물질이 광화학 반응에 의해 생성된 것으로, 런던 스모그 사건의 원인은 가정 난방 매연과 공장의 매연들이 열적 반응을 하여 생긴 것으로 주요 오염물질은 황산화물과 일산화탄소로 알려졌다.1 황산화물(SOx)대기오염물질 중에서 가장 일반적인 것 중의 하나이다. 이것은 각종 연료 특히, 석탄을 태울 때 많이 발생하여, 아황산가스, 삼산화황, 아황산, 황산, 그리고 황동, 황산칼슘, 황산마그네슘 등의 황산염을 포함하고 있다.자연에 존재하는 석탄과 석유는 대부분 0.1∼5% 때로는 그 이상의 황을 함유하며, 이들 연료가 연소할 때 이것은 산화하게 되고 이때 SO3가 발생한다. 석탄내에서는 주로 황철광이나 유기화합물이 존재하는데 석탄의 황함량은 통상 1∼3%이나 때로는 5%이상이 될 때도 있다. 또한 원유의 황함량은 생산지에 따라 다르며, 정유과정에서 이것은 대부분 비등점이 가장 높은 증류 잔류유인 벙커 Cdb로 남게 된다. 벙커 C유의 황함유도는 원유의 약 4∼6배 정도로 통상 0.75∼2.5% 정도이다. 그러므로 황함유도가 낮은 원유를 수입하는 것이 대기오염방지에 큰 도움이 된다는 것을 알 수 있다.{SO2 + 1/2O2 → SO3대기오염면에 있어서 SO2는 광화학 반응이나 촉매반응에 의하여 다른 대기오염물과 반응하여 SO3, H2SO4, 기타 황산염 등의 2차 오염물질을 형성할 수 있는 중요한 특성을 갖는데 다음 반응식이 그 한 예이다.특히 대기의 습도가 높을 때에는 다음과 같은 반응이 일어나서 부식성이 대단히 강한 황산 방울을 형성하게 되고 이것은 대기의 가시도를 감소시킨다.{SO2 + H2O → H2O3SO3 + H2O → H2SO4많은 연구결과에 의해 대기 중의 SO2, 분진, 질소산화물, 그리고 탄화수소간에 광화학 작용이 일어나서 여러 가지 에어로졸이 생성되게 되고, 이것이 결국 스모그 현상의 원인이 된 것으로 밝혀졌다.황산화물의 배출원은 크게 자연적인 것과 인위적인 것으로 분류할 수 있다. 지구상의 모든 황배출량은 아직도 자연적인 방출이 인위적인 것보다 훨씬 크다. 석탄이나 석유를 연료로 사용하는 화력발전소, 각종 난방시설외에 정유공장, 용광로, 코크스공장, 황산제조공장 등이 주된 인위적 배출원이다.또한 대기로 방출된 H2S는 도시지역에서는 약 2시간, 시골에서는 약 2일간 대기에 머문다. 또한 SO2는 일반적으로 약 4일간 머물다 세척되거나 침적된다.2 일산화탄소탄소의 가장 간단한 산화물인 CO는 무색, 무미 그리고 무취의 기체로 공기보다 약간 가볍고, 불완전 연소시에 생성되는 기체이다. CO는 공업적으로 중요한 환원체이며, 수성가스의 주성분이고 매우 유독한 기체이다.CO는 특히 겨울철에 연탄을 사용하기 때문에 많이 발생한다. 지구전체로서는 공업, 화력발전소, 고형 폐기물의 고각 등에 의해 많이 발생하는데, 선진공업국가의 대도시에서는 주로 자동차가 이것을 배출하고 있다. 인위적인 활동에 의하여 연간 약 304×106톤이 방출되며, 이 중 약 95%가 북반구에서 방출된다. 자연적인 CO의 양은 그 보다 적어 연간 약 30∼80×106톤으로 추정되어 왔으나, 최근에는 그 반대로 자연 발생량이 인위 발생량보다 훨씬 크다는 주장도 있다.CO는 비록 속도는 느리지만 대기에서 산화되므로 대기에서 축적되지 않으며, 대기 중에서 체류기간이 짧으면 1달, 길면 1∼2년이 될 수도 있다. CO는 일반적으로 다음 세 가지 과정에서 생성된다. 첫째는 탄소를 포함하는 물질이불완전 연소됨으로서 생성되는 것이고, 두 번째는 용광로 안에서 산화철을 철로 환원시키기 위하여 사용하는 기체의 누출이며, 세 번째는 높은 온도에서 CO2가 분해함으로써 생성된다.또한 CO는 스모그형성에 화학적으로 관련이 있으며, 혈액 중의 헤모글로빈과 직접 매우 강하게 결합하여 혈액의 산소운반능력을 감소시킨다. CO농도가 100ppm이면 대부분의 사람들이 현기증, 두통, 권태 등을 느끼게된다.(2) 런던 스모그사건런던 스모그사건은 석탄연료의 사용에 의한 대기오염의 심각성을 말해 주는 대표적인 사건이다.런던은 `안개의 도시`라는 별명처럼 항상 짙은 안개에 싸여 있는 도시이다. 이 안개는 공장이나 가정에서 배출되는 아황산 가스, 매연 등과 합쳐 스모그를 이룬다. 런던스모그 사건은 바로 이런 스모그가 일으킨 참사이다.런던에서는 13세기에 이미 에드워드 1세가 석탄연료 사용을 금지하였고 매연 단속을 목적으로 1875년에는 공중위생법을 제정하지 않으면 안 될 정도였다.1948년에 스모그에 의한 사상자가 300명이 나왔고 또 1959년과 1962년에도 스모그 피해가 발생하였지만 흔히 일컫는 스모그 사건은 1952년 겨울의 사건을 가리킨다. 1952년 12월 4일 목요일 아침 기온은 섭씨 4도 전후로 날씨도 쾌청하였다. 그러나 정오 무렵에는 아침부터 불어오던 따뜻한 바람이 돌연 멈추면서 수백 평방 마일에 이르는 템즈 계곡에 대륙에서 건너온 찬 기운이 꽉 자리잡기 시작하면서 안개가 끼기 시작하였다. 해가 져 냉기가 심해지자 모든 가정에서 난방을 위해 많은 석탄을 땠고 수십만 채의 집 굴뚝에서 배출된 연기와 아황산가스가 안개와 섞여 스모그 현상이 발생하게 되었다. 하룻밤이 지난 12월 5일 금요일의 런던은 오염된 대기의 짙은 안개 속에 완전히 휩싸였고 도로는 몇십 마일에 걸쳐 통행이 불가능할 정도였다. 6일 토요일에 안개는 런던 외곽으로까지 확산되고 고든필 역에서는 안개로 인해 열차가 충돌하였고 템즈 강의 배들도 운행이 금지되었다.다음날 7일 일요일에는 사태가 더욱 악화되었고 안개 속을 걷는 것조차 위험하였다. 8일에도 안개는 걷히지 않고 심했으며 런던의 각 지구에서는 사망자수가 평상시 보다 증가하고 있다는 소식이 빗발쳤으며 9일 아침 6시에 스모그는 전날 남서풍이 불기 시작하면서 사라졌다.이런 스모그 현상으로 금요일 발생 12시간만에 런던시의 사망률은 38%나 늘어나 114명의 사망자가 발생하였고 토요일에는 209명으로 늘어났으며 일요일에는 당시 사망률이 3배로 높아져 스모그에 의한 사망자는 602명이 되었다.12월 13일까지 스모그에 의한 사망자는 2800명을 넘었으며 그 다음 주에는 1200명에 이상이 사망했고 불과 4일간의 스모그로 4000명의 주민이 목숨을 잃었던 것이다. 그 뒤에도 사망자는 계속 늘어 다음 해 2월 중순까지는 추가로 8000명의 사망자를 기록하는 대참사를 빚었다.사망원인도 기관지염이 압도적으로 많았고 그 다음으로 폐렴, 인플루엔자 등 호흡기 질환이 평상시의 다섯 배를 넘는 것으로 나타났다. 스모그가 소실된 후 산성비의 pH는 1.4∼1.9로 유례없는 기록을 남겼다. 이를 계기로 영국은 1953년 비버위원회를 설립하여 대기오염의 실태와 대책을 연구하기 시작하였으며, 1956년에 대기오염 청정법을 제정하였다. 이후 런던은 점진적으로 가정난방 연료를 석탄에서 천연가스로 바꾸어 지금은 세계의 대도시 중에서 비교적 맑은 공기를 유지하고 있다. 런던형 스모그는 온도가 4℃ 이하이고, 습도가 90%이상 높으며, 새벽이나 이른 아침에 복사역전에 의해 발생한다. 주오염물질은 가정 난방에 의한 매연과 공장 매연인 것으로 알려져있다.

공학/기술| 2003.11.29| 4페이지| 1,000원| 조회(1,358)

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