대기오염개론 입자상 물질 가스상 물질을 알아보고 입자상 물질 가스상 물질의 종류와 인체에 미치는 영향을 알아보겠습니다.
2.1 입자상 물질의 종류와 인체에 미치는 영향
2.1.1 입자상 물질의 종류
- 입자상 물질: 분진(dust)
대기중에 떠다니거나 흩날려 내려오는 입자상 물질을 말하며 그 중 비교적 무거워서 침강하기 쉬운 분진을 강하분진, 입자가 미세하고 침강하기 어렵고 부유하는 분진을 부유분진이라한다. - 입자상 물질: 연무질(aerosol)
매연, 안개, 연무같이 가스내에 미세한 고체 혹은 액체입자가 분산된 것을 말한다. - 입자상 물질: 재(fly ash)
연료 연소시 발생하는 미세한 재입자로 불완전 연소한 연료를 포함하기도 한다. - 입자상 물질: 매연(smoke)
연소시 발생하는 유리탄소를 주로 하는 미세한 입자상 물질을 말한다. - 입자상 물질: 안개(fog)
아주 작은 물방울이 공기중에 떠 있는 현상으로 분산질이 액체인 눈에 보이는 연무질을 말하며 보통 응축에 의해 일어나며 시정거리는 1km 이하이며 습도는 70% 이상이다. - 입자상 물질: 훈연(fume)
용융된 물질이 휘발해서 생긴 기체가 응축할 때 생기는 고체입자로서 상호 응결하며 때로는충돌 결합한다. - 입자상 물질: 액적(mist)
가스나 증기의 응축으로 액상이 된 것 또는 비교적 작은 물방울이 낮은 농도로 대기중에 분산된 것이며 시정거리는 1km 이상이다.
작은 다수의 건조입자가 부유하고 있는 현상으로 검은 배경에서는 청자색을 띠며 밝은 배경에서는 황갈색으로 보이는 경우를 말한다. - 입자상 물질: 박무(haze)
연무(smaze)매연(smoke)과 박무(haze)의 혼합된 상태를 말한다. - 입자상 물질: 공중 알레르기 물질(aero alergen)
공기 중의 화분(pollen), 균류의 포자, 기타 효모, 곰팡이, 동물의 털 등이 인간에게 알레르기 반응을 일으키기도 한다.
2.1.2 입자상 물질: 분진이 인체에 미치는 영향
입자상 물질은 부유분진이 자극성 가스를 흡착하여 폐심부까지 침입해서 자극성 가스의 유해성을 나타낸다. 미립자가 폐까지 도달하는 조건으로서 입자의 밀도(농도), 크기와 모양 그리고 개개인의 호흡기 구조나 물리적인 상태, 즉 호흡기 계통을 통과하는 공기의 속도와 유량에 관계되며 실제로 폐에 침착되는 과정은 복잡하다. 대기오염물질에 의한 피해는 대부분이 호흡으로 인해서 일어나는데 기도의 구조와 호흡기 질환의 관계를 그림에 나타내었다.
2.2 가스상 물질의 종류와 영향
분진의 큰 입자는 상기도에 침착하여 쉽게 제거되나 3m 이하의 입자는 하기도까지 침입해서 폐내에 침착하기 쉽기 때문에 유독성도 증가한다. 부유분진이 폐포까지 도달하는 것은 10m 이하이며 침착률은 감소하여 0.5m 정도에서 최소가 되고 더 작으면 침착률은 다시 증가한다.
분진에 장기간 폭로되면 진폐증을 일으키는데 그 원인이 되는 분진의 종류는 유리규산, 활석, 석면에서부터 단순한 탄소에 이르기까지 허다하다. 진폐증은 흡입된 먼지의 종류에 따라 호칭이 달라져 규폐증, 석면폐증, 석탄광부폐증, 알루미늄폐증, 면폐증 등이 있다.
2.2 가스상 물질의 종류와 영향
가스상 오염물질의 가장 중요한 오염원은 화석연료의 연소라고 볼 수 있으나 수많은 산업공정으로부터 배출되는 다른 가스상 오염물질과 증기상 오염물질들도 국부적으로 심각한 대기오염 현상을 야기시킬 수 있다. 그리고 대기오염을 일으키는 오염물질은 그 종류가 대단히 많아서 물리·화학적인 성질도 다양하기 때문에 인체에 미치는 영향도 다양하다. 일반적으로 오염된 대기에서 생활하는 사람들은 우선 눈, 코 및 상기도 점막이 먼저 영향을 받게 되며, 이어 생리적으로 가역적인 반응이 일어나고 이 질환이 여러 번 반복해서 발생할 때 만성적인 결과로 나타난다.
오염물질의 체내 침입경로는 피부, 호흡기 및 소화기 등이며, 건강에 미치는 영향인자는 오염물질의 종류, 농도, 지형 및 기상조건, 개인적 감수성, 생활환경과 생활조건 등이고 원인과 결과에 대한 인과관계를 뚜렷이 밝히기는 매우 어렵다. 인체에 미치는 피해의 일반적 특징은 ① 대기오염에 의한 피해도는 오염물질의 농도(C)와 폭로시간(t)의 곱이고 ② 피해자는 주택지역보다 공장지역 주민에서 더 많이 발생하며 풍속이 낮고 기온역전이 많은 날에 피해가 증가하며 ③ 단일 오염물질보다 혼합 오염물에 폭로되면 상가작용 및 상승작용을 한다.
대기오염이 인체에 미치는 영향을 인체 장해별, 인체 피해물질별, 대기오염 물질별로 나누어 보면 다음과 같다.
가. 인체 장해별 구분
① 호흡기 장해 : 기관지염, 천식, 기도폐쇄장애, 인후염, 점막자극② 눈의 장해 : 각막 및 결막의 자극, 눈점막의 자극③ 정신적 장해: 정신 및 신경의 증상, 알러지성 장애④ 대사 장해 : 혈액학적, 세포학적, 효소학적 변화
나. 인체 피해물질
① 폐자극성 물질 : SO2, NOx, O3, NH3, Cl2, HCl② 질식성 물질: CO, HS, CS2③ 폐섬유종 물질: 석영, 철산화물, 석면, 구리발암성 물질 : 6가 크롬, 석면 비소, 니켈, 3~4 벤조피렌⑤ 발열성 물질: 아연, 망간⑥ 폐육아종: 베릴륨⑦ 조혈기능 장해물질: 벤젠, 석탄산, 톨루엔, 크실렌, 나프탈렌 ⑧ 중독성 물질: 납, 수은, 카드뮴, 안티몬, 망간, 베릴륨⑨ 유독성 물질: 인, 셀레늄, 황, 비소화합물, 불소화합물
이들 가스상 대기오염물질의 종류와 영향을 설명하면 다음과 같다.
2.2.1 황산화물 (sulfur oxide, SOx)
자연에 존재하는 석탄과 석유류는 모두 0.1~0.5% 이상의 유황을 함유하므로 이들 연료를 연소할 때 황산화물이 많이 생기며 황산화물에는 아황산가스(SO2), 삼산화황(SO), 아황산(HSO3), 황산(HSOM)과 황산구리(CuSO4), 황산칼슘, 황산마그네슘 등의 황산염이 포함되나 배기가스 내에서는 SO2가 대부분이므로 배기가스 측정에 있어서는 SO를 주로 하고 있다.
SO2는 분자량이 64.06 인 불쾌한 자극취가 있는 무색의 불연성 기체로서 물에 잘 용해되고 초산, 에탄올, 클로로폼, 에테르에도 용해되며 기체 밀도는 2.9 g/cm²이고 액체 비중은 1.43이다. 이 물질은 수분이 존재할 때는 환원작용을 나타내며 금속에 대하여 부식성이 강하며 산성비의 원인이 된다. SO2는 농업용 훈증제, 살균·살충제, 과일 및 야채의 부패를 방지하기 위한 보존제, 표백제, 펄프공업 등에 쓰이며 배출원은 정유공장, 용광로, 코우크스공장, 황산제조공장, 자동차 등이다.
황화합물 중 특히 아황산가스가 피해를 가장 많이 일으킨다. SO에 의한 급성중독으로는 6~12 ppm의 저농도에서 아황산가스의 자극취가 있어 불쾌감을 느끼고 비후두의 자극과 기침이 나며, 20ppm 전후에서는 눈에 자극과 결막염을 일으키며 기침이 심해지고, 30~40ppm에서는 호흡곤란을 느낀다. 50~100 ppm에서는 단시간 밖에 견딜 수 없고 400~500ppm 농도에서 단시간 폭로로 생명의 위험을 초래할 수 있다. 즉 상기도의 염증성 궤양, 점액질 화농성 피막, 섬유성 피막이 생기고, 심하게 충혈되며 호흡마비, 인두·후두·기관지염이 생기고, 증상으로는 목이 쉬고, 흥부고통, 호흡곤란을 호소하며 심한 경우 의식불명, 사망에 이르기도 한다. 만성중독으로는 기침, 땀이 나오고 호흡저항의 상승, 위장장해, 결막염, 비인후염, 기관지염이 알려져 있으며 치아산식증을 흔히 볼 수 있다.
2.2.2 질소산화물(Nitrogen Oxide, NOx)
질소산화물은 NO, NO2, NO3, N2O, NO3, N2O4, N2O5의 7가지 물질이 발생한다고 알려져 있지만 대기오염에서 중요한 것은 2가지로서 화석연료를 연소시킬 때 배출되는 일산화질소(NO)와 이산화질소(NO2)이다. 연소공기가 가열되어 질소를 산화시킬 정도의 충분한 온도에 이르렀을 때(약 1000 K 이상) 열에 의한 질소산화물이 생성된다. 연료분자 자체에 화학적으로 결합되어 있는 질소혼합물이 산화함으로써 연료에 의한 질소산화물이 발생하며 연료의 종류에 따라 질소함유량이 다르다. 천연가스에는 거의 없으며 일부 석탄은 무게비로 3%를 함유하고 있다. 열에 의한 질소산화물과 연료에 의한 질소산화물은 전체 질소산화물 배출의 주요원인인데, 연료에 의한 질소산화물이 대부분이고 거의 모든 질소산화물의 방출은 NO의 형태로서 대기중에서는 인체에 악영향을 미치지 않는 것으로 알려져 있다. 그러나 NONO2로 산화될 수 있으며 이것은 태양광선에 의해 탄화수소와 반응하여 유해한 광화학 스모그를 형성한다. 또한 이산화질소는 대기중에서 수산화기(HO)와 반응해서 질산(HNO3)을 형성하는데 산성비의 형태로 대기중에서 침적된다.
NO2는 폭약, 비료, 필름의 제조, 금속의 부식, 사진건조 등에 쓰이며 자동차의 가속과 고온 연소시에 다량 발생하며 발전소, 항공기, 폐기물 소각, 석유화학공업 등에서도 발생한다. 대기중의 질소산화물(NOx) 중 NO는 그 자체로서 독성이 약하여 일상 대기중의 농도하에서 피해가 뚜렷이 나타나지 않고 있다. 그러나 NO는 대기중에서 오존이나 기타산화제(oxidants: Ox)의 존재하에 쉽게 NO2로 산화하기 때문에 NO를 질소산화물에서 제외하고 NO2만을 대기관리의 목표로 삼기는 곤란하다.
NO의 인체 및 동물에 대한 피해는 주로 호흡기의 세포파괴와 이로 인한 호흡질환에 대한 면역성 감소 및 혈중 헤모글로빈과 결합하여 메테모글로빈을 형성함으로써 산소전달을 방해한다. 피해는 주로 폭로시간에는 상관없이 농도에 영향을 받는 것으로 알려져 있다. 인체에 대한 피해영향을 보면 NO, 농도 1~3 ppm에서 취기를 감지할 수 있으며, 13 ppm에서는 눈·코의 자극, 폐기관에 불쾌감과 중추신경에 영향을 초래할 수 있다. 50~100ppm에서 6~8주 정도 폭로되면 기관지염, 폐염을 초래할 수 있고, 100ppm 이상에서 3~5분 정도 폭로되면 뚜렷한 인후 자극과 심한 기침을 유발하며, 500ppm 이상에서 3~5분 정도 폭로되면 기관지 폐염, 급성 폐부종을 유발한다.
2.2.3 벤젠(Benzene)
벤젠은 고리모양의 불포화 탄화수소로 구조적으로 매우 안정된 화합물이다. 무색의 액체로 냄새를 가지며 휘발성이 매우 강하고 알코올, 클로로포름, 아세톤 등 유기용매에 잘 녹는 성질을 가지고 있다. 벤젠은 산불 등 자연상태에서도 미량 발생되기도 하지만 주로 벤젠을 원료로 사용하는 석유화학공업 및 석탄, 석유의 연소시에 배출되며 자동차 배출가스나 주유소 등 우리 주변에서도 다량 배출되고 있다.
벤젠이 단시간에 고농도로 배출될 경우 호흡이 곤란하거나 맥박이 불규칙하고 졸음 등의 현상이 나타나 혼수상태에 빠질 수 있으며 낮은 농도로 장시간 노출시 혈액에 문제를 유발하여 적혈구 수의 감소와 백혈병을 유발할 가능성이 있다.
벤젠은 대기환경보전법에 의거 특정대기유해물질로 관리되고 있고, 2010년부터 신규로 대기환경기준에 포함된 벤젠(benzene, C.H)은 발암성물질로서 인체 유해성 등 사회적 관심이 증가하고 적정 관리기준 제정의 필요성이 지속적으로 제기되어 영국 및 유럽수준인 5ug/m²(약 1.5 ppb)로 환경기준을 정하였다.
2.2.4 불소화합물(fluoride)
불소는 결코 자연상태에서 존재하지 않으나 불소화합물의 형태로 흔히 식물이나 각종 광물에서 발견된다. SiF4, HF의 형태로 존재하며 알루미늄 정련용 전해로, 도자기 공장, 인산 또는 인산비료 제조장치의 배기가스가 주유 배출원이다. 알루미나의 전해에 의해서 알루미늄을 제조하는 공정에서 NaAlF는 약 1,000℃에서 불화수소를 발생시킨다. HF의 반응을 이용해서 제조되는 불소화합물의 종류는 도자기, 유리, 법랑 등의 제조시 사용되는 NaFAIF(인조빙정석), 전기분해시 발생되는 AIF(불화알루미늄), 냉매로 사용되는 불화메탄 및 불화에탄 등이다.
가스 상태의 불소가 인체에 미치는 영향을 살펴보면 3ppm의 농도에서는 단시간에 직접적인 증상은 나타나지 않으나 10 ppm일 경우 모든 사람들이 불쾌감을 호소하며 30 ppm 농도인 환경에서 계속 폭로될 경우 모든 사람들이 증상을 보인다. 60ppm에서는 단시간의 폭로로도 눈의 결막과 인후의 자극 등 호흡기관에 불쾌감을 느끼며 120 ppm에서는 위와 같은 증상과 피부에 자극을 느끼게 된다. 불소에 의한 만성중독은 불화수소와 불화규소 등 가스상 오염물질과 불소를 함유하는 분진에 의해 발생하는데 골과 치아의 약화로 칼슘의 대사기능이 방해된다. 그러나 소량의 불소는 충치를 예방하는 등 치아건강에 도움을 주기도 한다.
2.2.5 일산화탄소(Carbon monoxide, CO)
불의 사용, 산림의 화재, 화산의 폭발 등으로 대기를 오염시킨 일산화탄소는 주로 산소공급, 불꽃온도, 고온에서의 가스체류시간, 연소실의 난류공급이 원활하지 못할 때 발생한다. 동력차량에서보다는 고정원 연소시설에서 이런 매개변수들을 더 엄격하게 제어하면 CO 방출량은 그에 비례해서 감소한다. 예를 들면, 최대 연소효율을 얻기 위해 설계되어 운영되는 발전소에서는 전체 화석연료의 약 30%만을 연소함에도 불구하고 모든 CO 방출의 50% 정도를 생성한다.
CO 방출량의 약 70%는 운송분야에서 발생하며 대부분이 자동차에서 배출된다. 시간당 CO의 대기농도는 도시의 교통체계를 반영하는 경우가 흔하며 평일에는 최고치가 아침과 늦은 오후 출퇴근시간에 발생하지만 주말에는 대개 오후 늦게 한 번의 낮은 최고치 만이 발생한다. 일반인보다 CO에 폭로되는 정도가 심한 택시기사, 경찰, 주차장 요원과 같은 일부 직업적 집단에서의 개개인에 대한 CO 폭로는 과중한 교통현장에 얼마나 가까이 있느냐에 달려 있다.
일산화탄소는 일상 대기중의 농도(100ppm) 하에서 식물에는 별 뚜렷한 피해를 입히지 않는 것으로 알려져 있다. 인체와 동물에 있어서 CO는 혈액중의 헤모글로빈과 결합하여 카복시 헤모글로빈(COHb)를 형성함으로써 혈액의 산소전달 기능을 방해하는데 이는 CO의 헤모글로빈에 대한 친화력은 산소보다 200~300배 강하기 때문이다. CO에 장기적으로 노출되면 심장과 뇌의 구조에 손상을 받게 되는데, 50ppm에 6주간 노출되어도 이러한 피해를 받을 수 있다. CO에 단기간 노출되었을 경우에는 농도와 노출시간의 곱이 900ppm.hr이면 두통이 생기고 1500 ppm.hr이면 생명이 위험하며 CoHb가 40%를 넘게 되면 완전회복이 어렵다.
CO에 가장 민감한 피해를 받는 부류는 빈혈증 환자, 심장병 환자, 만성폐질환자, 임산부 등 산소부족에 민감한 반응을 보이는 사람들이다. 혈중 CoHb 농도는 대기중의 CO 농도의 변화에 따라 민감하게 변하지 않으며 대개 8시간 이상이 지나야만 평형상태에 이른다고 간주한다. 10~15 ppm에 8시간 노출되면 비흡연가에게 2~2.5%의 COHb가, 30 ppm에 8시간 이상 노출되면 5%의 COHb가 생성되는 것으로 알려져 있다.
2.2.6 암모니OKAmmonia, NH)
무색의 기체로서 특유한 자극성 냄새를 갖고 있으며 공기중에 5ppm 존재되어 있어도 감지된다. 암모니아의 주발생원은 비료공장, 냉동공장, 표백 또는 염료제조공장, 나일론 또는 암모니아 제조공장에서 발생한다. 암모니아는 400~1,000 ppm에서 눈, 후두, 호흡기의 자극증상이 오고 2,000 ppm에서는 경련성 기침, 폐수종, 혈담, 호흡곤란, 5,000~10,000 ppm에서는 호흡정지, 의식불명이 초래된다.
2.2.7 염화수소(Hydrogen chloride, HCI)
무색, 자극성 냄새를 가진 유독성 기체로서 공기중에서 물에 녹기 쉬운 성질 때문에 염산미스트로 존재한다. 주배출원은 금속 세정, 도자기 제조, 유기합성, 의약품, 전지, 식품처리, 비료제조공업 등이다. 호흡시 수증기와 결합, 염산이 되어 상기도의 점막을 자극, 기침, 호흡곤란과 심할 경우 폐출혈, 폐부종 일으켜 사망한다.
2.2.8 염소(Chloride, Cl2)
황록색 기체로서 자극성 냄새를 가지며 점막을 자극하는 유독한 기체이다. Cl2는 강한 산화력을 이용 살균제, 표백제로 쓰이며 Chloroethylene 제조용의 염소 급속 냉각시설, 염화재철 제조용의 용해로, 활성탄 제조용의 반응조, 정요공업, 표백과정 등이 주 배출원이다.
2.2.9 황화수소(Hydrogen sulfide, H2S)
황화수소는 달걀이 썩는 냄새가 나는 유독가스이며 위장이나 폐에서 흡수된다. 주발생원은코우크스제조, 타르종류, 석유 및 가스정제, 펄프공장, 각종 화학공업 등이다.
2.2.10 이황화탄소(Carbon disulfide, CS2)
무색 내지는 엷은 노랑색의 기체로 강한 불쾌한 냄새가 발생하며 주배출원은 비스코스섬유공업이다.
2.2.11 이산화탄소(Carbon dioxide, CO2)
화석연료의 연소로 인해 배출되는 이산화탄소는 정상 대기중에 약 0.03%(약 315~320ppm) 정도 존재하며 동식물의 성장에 필수 불가결한 물질이다. 그러나 이산화탄소가 재료에 손상을 입히며 기온의 변화를 야기하는 대기의 온실효과 학설이 발표되면서 이에 대한연구가 활발히 진행되고 있다. 또한 이산화탄소 농도는 실내공기오염의 지표로 활용되기도한다(실내환경기준: 0.1%)
배출원은 석탄, 석유 또는 천연가스 등의 화석연료의 연소, 산림의 화재, 기타 인간의 호흡 등이 있는데 그 일부는 바다에 용해되어 순환되거나 식물에 의해 흡수된다.
2.2.12 오존(O3)
산화물은 대기중에서 광화학에 의해 형성되는데 NO와 HC가 주된 원인물질이다. 대기 중의 NO가 햇빛을 받아 NO와 O로 광분해되고 이 원자상태의 O가 활성이 강하여 02 및HC가 결합하여 오존(O3)과 PAN (Peroxyacetyl nitrate) 등 여러 가지 산화제를 형성하게되는데 오존이 대체로 산화제의 약 90%까지 차지한다.
산화제는 인체에 있어서는 주로 호흡기 계통에 직접적인 피해를 입히기도 하고 타질환에대한 면역성을 감소시키며 눈을 따갑게 한다. 산화제의 1시간 평균농도가 0.03~0.3 ppm 일때 운동선수들의 성적이 저하되고 1시간 평균농도가 0.05~0.06 ppm에서는 천식환자가 고통을 받게 되며 또 순간최대치 0.10 ppm이면 눈이 따갑다고 한다. 0.10 ppm의 오존농도에서는 마늘냄새를 감지할 수 있으며 0.3 ppm의 오존 농도에 8시간 노출되면 코와 목이 따갑고 1ppm 이상의 오존농도는 견디기 힘든 정도이며, 9ppm 이상일 때 폐수종, 폐출혈, 폐부종, 급성기관지염을 유발시켜 중태에 빠진다고 한다.
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