Chapter 1 An Overview 1.1 introduction 1.2 Definitions and Types of pollutants 대기오염 : 실외대기에존재하는한가지또는그이상의다량의오염물이인간의건강과복지, 동식물의생존, 소유나오락을포함한삶의즐거움을방해하는것다양한대기오염물질중에서다량으로방출되거나위해성이높은것을보다중요한오염물로간주함. NAAQS's six criteria air pollutants - primary : SOx, NOx, CO, PM10, Pb - secondary : O3 ( 지표부근과성층권구별 ) criteria pollutant ( 기준오염물 ) : 환경오염정도를판단할수있는오염물로써사람에대한영향, 동식물에대한영향, 물질및재산에대한영향및사회적인영향에대한과학적입증자료가있는물질로선정. 이러한것을토대로배출허용기준치 (emission standard) 를결정 primary pollutant : 오염원으로부터직접적으로배출되는물질 ; SOx, NH3, NO, HF, HCl, H.C. secondary pollutant : 1차오염물과청정한대기성분들의반응에의하여생성되는오염물 ; Salt particles, H 2 SO 4, NO 2, O 3, (NH 4 ) 2 SO 4, PAN, VOC's : 기준오염물질은아니지만 2차오염물질의농도를증가시키는데중요한역할을하는물질로인식 ; - 비교적큰증기압 - 일반적으로는수소와탄소로구성되나, 알데하이드케톤염소계등을포함한다. 염소계유기화합물 : 다이옥신류, 소결기에서발생하는양이소각로 200개의소각로에서발생되는양과유사. 다이옥신의구조식과 TEQ.
후진국에서의오염기여도증가중국 - 산을절단, 멕시코노을의아름다움속에감추어진비밀인도어린이혈액속의 Pb농도 : 뇌에문제발생. Scales of the Air Pollution Problems 1. local scale - 한두군데의대규모배출원또는다수의소규모배출원 - 5km 정도에걸쳐서오염문제야기. - 대형발전소, 대규모빌딩의연소로, 오토바이에서발생되는 CO 2. urban scale - primary pollutants 에의한오염 - secondary pollutants 에의한오염 - 50 km 정도에걸쳐오염발생 3. reginal scale - 장거리에걸쳐서 1차오염물의전환에의하여발생 - SO 2 산화에의한 SO 3 발생 - dry deposition : visibility reduction - wet deposition : acid rain problem 토양의 acid leaching 호수의물고기떼죽음 - 500 km 정도에걸쳐발생 4. global scale : worldwide - Ozone depletion - global climate change 오존층파괴와 CO 2 에의한지구온난화. 1.3 Pollutants of Global concern Ozone depletion O3 : 성층권에존재, 자외선차단 ( 자외선노출시피부암증가 ) CFC 에의한파괴로남극상공에커다란 Ozon Hole 발생. (1985년에발견 )
CFC's (Chlorofluorocarbon 또는 Freon) : General Motors에서가정용냉방기의냉매로사용하고자개발되었음. 매우안정된물질로알려짐. 수소이온을갖고있지않아서 OH radical에의한파괴가일어나지않음. 단지 UV에의하여파괴되어 Cl radical을형성함. CFC's에의한오존파괴메카니즘 Cl + O3 ClO + O2 ClO + O3 Cl + 2O2 몬트리올의정서 (1987) : CFC 감산일정합의, 그러나이미방출된 CFC에의한오존층의파괴는지속될것으로예상됨. Global climate change 해수면상승, 사막화, 급격한기후변화강도의증폭.. 오존층파괴에대한공학적해결과는차원이다른문제로보다체계적인접근방안이마련되어야함. 천연온난효과 (natural greenhouse effect) 의부정적인발전에의하여발생 Greenhouse effect : 태양은단파복사를하고지표는장파복사를하게되는데이때대기중의가스성분에의한장파복사방해에의하여대기중의온도가증가하게되는현상. 각행성의온난효과에의한온도상승분화성 : 3 o C( 대기없음 ); 지구 : 33 o C ( 대기층 ); 금성 : 468 o C (CO2층) 지구의경우온난효과를계산해보면.. Heat Input : π/4 D 2 Flux = π/4 (12.75 10 6 m) 2 1.353kW/m2 = 1.73 10 14 kw Heat Output : π D 2 σ T 4 = π (12.75 10 6 m) 2 5.672 10-11 T4 Heat Input 은절단면에대하여 Output은구의표면에대하여계산 이것을온도에대하여풀면 T = 5 o C 실제로는 Heat Input 이구름이나기타여러가지요인에의하여 70% 정도
만이들어오므로 0.7을곱하여계산하면 -19 o C 정도가된다. 결국지표온도가 15 oc 정도가됨을고려하면 34 o C 정도가상승하게됨. 온난효과의원인 - 많은양의 CO 2 배출 : 기여도 ( 연간 55억톤 ) - 산림파괴와같은 Biomass의 : 기여도 ( 연간 10억톤 ) 지구온난화의증거 - AGT(Average Global Temperature) 의상승 : 100년간 14.5 15.5 - 대기중의 CO2 농도분석 : 빙하의경우 288ppm으로거의일정 : 1900년경 300ppm 수준 : 1958년이후 310ppm에서 360ppm 증가 온난화원인물질 - CO2(57%), CFC(25%), CH4(12%), H2O(6%) What can we do? 공학적기술개발 C1 chemistry, CO2 recycling Carbon Tax 를포함한전세계적인노력. 1.4 Legislative and Regulatory Trends in the United States 시카고신시내티에서의매연방지법 (1881) : 1912년까지미국대부분의도시에서채택 LA 광화학스모그 : 1946년에대기오염규제지구로선정됨. 1940-1950년초반 : 도노라시의사고 (1948), 런던사고 (1952) 미국연방법률 1955년 : Air Pollution Control Act of 1955 - 국가적대기오염연구자금지원, 기술적보조자금지원
1963년 : Clean Air Act - 국가적연구사업비를포함한외부연구자금지원 - 주정부간대기오염문제해결을위한연방정부권한인정 1965년 : Motor Vehicle Air Pollution Control Act (MVAPCA) - 신규차량에대한규제 1967년 : Air Quality Act - 방제장치이용을강제할권한부여 - 기술주도법률 ( 규제기준이현행기준보다앞서야함 ) 1970년 : Clean Air Act Amendment of 1970 - EPA신설 - 1975년까지청정공기달성을위한기준과목표달성예정표 - NOx 에대한계획을세웠으나미달성. 1977년 : Clean Air Act Amendment of 1977 - 주요항목별로 11개의개별 title 작성 - 보다구체적이고업격한법률 title 1 : NAAQS 조건을만족하지못할경우다양한저감노력을부과하는내용에대한법률 title 2 : 이동오염원에대한법률 title 3 : Air toxics ( 대기독성물질 ) 189개의 HAP (hazardous air pollutants) 결정 title 4 : acid deposition 화력발전소로부터의SO2 배출농도저감노력 title 5 : 배출시설의운영허가계획 title 6 : 성층권오존보호관련법 한국의법률제정 1963 년 : 공해방지법공포 1971 년 : 공해방지법제정 1977 년 : 환경보전법제정 1980 년 : 환경청발족 1990 년 : 대기보전법제정 영국이가장먼저대기오염방지법을제정.
1.5 The Ideal Gas Law and Concentration Measurements in Gases ideal gas law : PV = nrt - 공기의경우이상기체로가정하여도무방 - 이상기체의정의 : mass 가없고, 분자간상호작용이없고,..? PV = (M/Mw)RT, M : mass of material, Mw : molecular weight mass density of ideal gas - ρ = M/V = PMw/RT 대기오염의측정단위 : ppm (parts per million), μg/m 3 - ppm = ( 오염물의부피 / 혼합가스의부피 ) 10 6 - ( 예제 1-5) : ppm 정의의하변은항상혼합가스의부피 - 대기오염부문에서의기준상태 : 25 o C, 1기압 - ppm과 μg/m 3 는이상기체방정식에의하여상호관련된다. ppm 과 μg/m 3 의관계식유도 - 예제 [1-6] 유도된공식을사용하는문제 1.6 Other Application of the Ideal Gas Law gas sampling
유량측정 성능검사시낮은제거효율을보이는경우에있어서많은부분이가스농도측정방법에문제가있는경우가많으며아래의이유에의해서발생됨. - 장치 calibration - leak - sample handling (absorption, condensation of pollutants) - 포집된가스의대표성문제 - 측정공정의흔들림 - 예제 [1-7] : 이상기체상수 R 의단위환산문제 - 예제 [1-8] : 공기의평균분자량을구하는문제. - 예제 [1-9] : 공기의밀도를구하는문제 ( 두가지방법 ) 1.7 Gas Flow Measurement PV/T = P'V'/T' = nr = constant 가스의농도는온도변화에따라서변화하지않음. 그러나가스내에수분이존재하였다면 dry gas base로환산을하여야하므로농도의변화가발생하게된다. 그러나분진의농도는온도변화에따라서변화하게됨. - 예제 [1-10] : 가스포집장치에대한설명부과하고풀어줄것. PV/T = P'V'/T' V'=V P/P' T'/T - 예제 [1-11] : 가스포집시수분이존재하면 dry gas bse 로보정을해야함 - 예제 [1-12] : Bernoulli Equation dp/ρ + gdz + 1/2d(u 2 ) = 0 비압축성유체라고가정하고마찰력을무시하면 P 1 /ρ + gz 1 + 1/2 u 2 2 1 = P 2 /ρ + gz 2 + 1/2 u 2 벤츄리메타 u 2 2 -u 1 2 = 2(P 1 -P 2 )/ρ 1 u 1 = B 2 u 2 B 2 = (D 2 -D 1 ) mass conservation
u 2 = 1 (1- B 4 ) 2(P 1 - P 2 ) ρ 1 위의식은 venturi meter 내에 friction loss 가전혀없다는것을가정한것이나실제의 venturi meter 는어느정도의 friction loss 가존재하게된다. 그러므로위의식은경험상수 Cv를포함하는아래의식으로.. u 2 = C v (1- B 4 ) 2(P 1 - P 2 ) ρ 1 여기서 C v 는일반적으로 0.98 ~ 0.99 사이의값을갖으며, D 2 < D 1 /4 이하이면 B 4 값은거의 1.0에가까워진다. 이러한 venturi meter를이용하려면앞서언급한압력손실이작아야한다. 일반적으로 ambient gas monitoring : 1.5 psi 이하, stack sampling 의경우 (P 1 -P 2 ) < 10% of P 1. venturi meter 의단점 - expensive - relatively inflexible for changing flow rate ( 정해진 venturi 용량에서유량이늘면압축성이될수있음.) - large space Orifice meter Rotameter Pitot tube
1.8 Causes, Sources, and Effects Particulates Causes - materials handling : 파쇄, grinding, dumping - combustion process : fly ash, unburned carbon, soot - gas conversion process : condensation, oxidation Sources - coal or oil-burning power plant - 연소로 - 자동차 Effects - reduction in visibility (smog, haze) - corrosive or erosive damage의가속화 - 지역적인눈비의증가를가져옴. - 기관지손상 : 0.1 ~ 10 μm ( 폐에 deposition 손상 ) 0.1μm 이하는확산에의한기관지내확산 걸러짐. 10μm 이상은코털이나기관지점막에의한차단 배출 - PM10의주요 5개성분 : 탄소함유물, 질산염, 황산염, 암모늄염, 토양성분 - 가스상과결합하여더욱큰위해도를갖음 : 런던사고. corrosion/erosion 의차이점 corrosion : 전기화학적인부식 ; errosion : 물리적마모 ( 풍화 ) 가시도감소 (Visibility reduction) - 작은입자들에의한빛의 scattering과 absorbing에의하여발생 - C = C o exp( σd ) here C = apparant contrst at distance d C o = actual contrst at zero distance σ = extinction coefficient ( 소광계수 ) d = distance - 한계가시거리 dv : 한낮가시대조의한계점에이를때까지의거리 - C/C o 의한계점 : 0.02, 이수치를기준으로한계가시거리를풀면
0.02 = exp ( σd ) dv= 3.91/σ - 빛의산란은입자크기의함수이며빛의산란에가장큰영향을 주는입자크기는 0.1 ~ 1.0 μm임. - σ = σ s + σ a 이며 σ s 는 σ a 와크기가비슷하다. - σ s = a + b(c) here a = -1.5 10-2 ~ -6.1 10-2 km -1 b = 2.0 10-3 ~ 3.6 10-3 m 3 /km-μg C : mass concentration [μg/m 3 ] SO 2 ( 황산화물 ) 황산미스트 : SO2 산화에의한 SO3 + H2O 의반응에의하여발생. 아황산가스에의한피해 - Chlorosis ( 황백화 ) - 잎세포의조직붕괴 - 맛의한계치 : 0.3 ppm, 냄새의한계치 : 0.5 ppm - 도노라사건, 런던사건 NO 2 ( 질소산화물 ) 연소조건에따라발생량변화 - thermal NOx, fuel NOx, prompt NOx σ a = σ sp + σ NO2 C NO2 σ sp : 분진에의한흡수계수 σ NO2 : NO 2 에의한흡수계수 C NO2 : NO 2 농도 NO 2 에의한피해 - necrosis ( 흑반증 ) - 생장지연 - 인체에대한영향 : 10 ~ 30 ppm ( 일반적으로이보다낮다 ) - 그러나낮은농도에서도질병발생 (LRI : Lower Respiratory tract illness)
Photochemical Oxidants ( 광화학적산화물 ) 과 VOC's ( 휘발성유기화합물 ) O3 - NOx 와 VOC's 반응에의하여생성되는대표적물질 - 20 ~ 150 ppb 에서도폐기능저하 - 합성고무의파열, 식물의탈색과세포파괴 농작물의피해는일년에 10억달러정도에이름. VOC's - 에틸렌의경우직접적인피해 : 활엽수의백화현상과괴사 - 발암성물질 CO ( 일산화탄소 ) 무색, 무미, 무취의독성가스 CO의독성효과 : Hb와 CO의반응에의하여발생 HbCO/HbO 2 = 210 P CO /P O2 가역반응 : 평형산소분압을회복하는데여러시간이걸린다. 50 ppm 의경우 6~8 시간 흡연자들의문제 - 400~450 ppm 의 CO 함유 - 혈액중평균 HbCO 농도 : 5~10% - HCHO ( 포름알데히드 ) : 눈, 코, 목의따가운느낌 (1.4 mg/ 개비 ) Air Pollution Index ( 대기오염지표 ) 다양한오염물들에대한종합적인평가를하기위하여도입 PSI (pollution standards index) 값에따른대기질표현 : 표1.9 PSI를구성하는 6가지 subindex : TSP,CO,SO 2,O 3,NO 2,TSP SO 2 - 이중 PSI 값에의한 Index 값은최대치를갖는것으로결정 - 예제 1-17 : SO2 50~100, CO 50~100, TSP 100~200, TSP SO2 200~300 그러므로 maximum I 값은 TSP SO2 값과관찰된 90 10 3 기준
1.9 National Air Quality Trends Figure 1.7 Figure 1.8 ~ Figure 1.11