자동차 배기가스 성분, 유해성

긴 탄화수소 화합물인 가솔린은 아래 그림과 같이 연소 후 다양한 물질로 배출되며 현재 가솔린 엔진의 배기가스의 유해물질 중 대부분을 차지하는 것은 완전히 연소되지 않고 배출되는 CO(일산화탄소, carbon monoxide)이고 이 기체는 흡입 시 산소보다 약 300배 더 높은 헤모글로빈 친화력으로 혈액의 산소 운반 작용을 방해하고 CO가 체적 비로 0.3% 이상 함유된 공기를 장시간 (30분 이상) 호흡할 경우에는 목숨까지도 잃는 경우가 있다.

 

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배기가스의 성분 및 유해성

 

 개인차가 있으나 일산화탄소–헤모글로빈(CO-Hb)의 포화도가 10% 정도이면 자각 증상이, 20% 이상이면 두통이나 현기증이, 40% 전/후에서는 구토나 판단력 감퇴, 60% 전/후에서는 경련 또는 혼수상태, 70% 이상이면 사망하는 것으로 알려져있고 배기가스 유해물질 중 CO는 공기 부족 상태에서 연소가 진행될 때 발생되며 즉 혼합기가 농후하면 농후할수록 CO의 발생량은 증가하고 그러나 공기 과잉상태 일지라도 공기와 연료가 잘 혼합되지 않은 상태에서 연소가 진행되면 CO는 생성되며 또 다른 불완전 연소의 산물 중 하나는 바로 HC (탄화수소, hydro carbon)이고 HC는 보통 탄소와 수소로 조성된 화합물을 말하지만 특히 배기가스 중 불완전 연소된 HC는 그 형태가 다양하다.

 

 

이는 탄소 사슬 중 아예 연소가 되지 못하고 빠져나오는 부분으로 aldehydes, ketones, carboxylic acids 등이 있으며 그 파생물로는 propane, propylene, acetylene 외 다수의 화합물이 있다. 불완전 연소된 HC는 CO와 마찬가지로 공기부족 상태에서 또는 아주 희박한 상태(λ＞1.2)에서 연소가 진행될 때 주로 발생하고 또 연소실 표면 근처, 화염이 전달되지 않는 경계면에서 도 발생하며 HC는 저농도에서 호흡기 계통을 자극하고, HC의 1차 산화에 의해 생성되는 aldehydes는 점막이나 피부 등을 자극하고, 다시 산화되면 과산화물이 형성되고 이 과산화물은 질소산화물과 함께 광화학 스모그(smog)를 발생시키며 눈을 심하게 자극하고, 암을 유발하거나, 악취의 원인이 되기도 한다. 특히 알데히드는 산소가 함유된 연료의 연소 시에 다량 발생하며, 그중에서 formaldehyde (HCHO)는 암을 유발하는 물질로 알려져 있으며 이미 규제 대상물질이다.

 

 

그 외에 공기 중의 질소가 엔진 내부의 특수한 환경에서 산소와 반응하여 생성되는 여러 가지 질소산화물을 총칭하며 90~98%가 무색, 무미, 무취인 물질로서, 대기 중에서 서서히 산화되며 적갈색이고 독성이 있고 자극적인 냄새가 나며 특히 호흡을 통해 점막 분비물에 흡착되면, 산화성이 강한 질산을 형성하고 이렇게 생성된 질산은 호흡기 질환(기관지염, 폐기종 등)을 유발하고 폐에 수종 또는 염증을 유발할 수도 있으며, 눈에 자극을 주는 물질이다. 질소 산화물은 이 외에도 오존의 다량 생생, 광화학 스모그 및 수목의 고사에 영향을 미치는 것으로 알려져 있고 질소 산화물은 연소실의 온도와 압력이 높고, 동시에 공기과잉 상태일 때 주로 생성된다.

 

배기가스 정화의 문제점

 

가솔린 기관의 배기가스로 인한 환경 문제는 한 국가의 문제만이 아니라 전 세계적인 문제로 대두되고 있으며 가솔린 및 디젤 자동차는 석유 연료를 태워서 동력을 얻으며, 따라서 연소 후 배출하는 가스에는 위에서 언급 된 유해 물질이 포함되어 있고 이들은 모두 농도는 낮지만 연속적으로 다량 배출되므로 심각한 대기 오염의 원인이 되며 자동차가 많아지고 배기가스에 의한 오염이 심각해지면서 이러한 배출가스를 절감하기 위해 세계 대부분의 국가에서 규제를 강화하는 추세이며 그에 대한 연구도 세계적으로 많이 이루어지고 있는 상황이다.

 

 

이러한 오염물질을 연속적으로 제거하는 방안으로 촉매를 이용한 정화기가 제안되었으며 촉매란 화학반응의 속도를 변화시키면서 그 반응의 생성물에는 영향을 미치지 않는 물질이고 촉매를 사용할 경우 촉매를 사용하지 않는 화학반응과 동일한 반응속도를 유지하기 위해 필요한 반응 온도를 크게 낮출 수 있게 되며 하지만 자동차 내부의 환경은 통상적인 반응기 내부의 환경과 성격이 크게 달라 적용하기가 쉽지 않았고 배기가스에 들어있는 연소되지 않은 탄화수소와 일산화탄소는 산화시켜 물과 이산화탄소로 제거할 수 있으며 그러나 질소 산화물은 반대로 질소와 산소로 환원시켜야 하고 이처럼 한 반응기에서 산화-환원 반응이 동시에 진행되어야 하고 장치는 간단하여야 하며 적은 횟수의 공정으로 오염물질을 모두 제거해야 자동차 내부에 탑재가 가능하며 게다가 자동차의 주행 특성상 엔진의 내부 온도는 수시로 오르내리고 속도에 따라 연료의 분사량이 다르므로 배기가스의 정화는 쉬운 일이 아니고 초기에는 정화 촉매의 활성 물질로 가격이 비싸지 않은 철, 코발트, 니켈 등 금속이나 이들의 산화물을 고려하였으며 그러나 이들 금속이나 산화물로는 자동차 배기가스의 오염 물질을 동시에 산화-환원시킬 수 없었기에 보다 좋은 활성 물질을 찾는 연구가 진행되어왔다.

 

 

배기가스에 대한 문제는 꼭 해결되어야 하고 그래서 우리가 이토록 찾아 헤메는 것일지도 모른다. 그렇기 때문에 더욱이 많은 사람들이 참여를 해서 빨리 해결을 하면 우리 모두가 행복한 세상이 올 것이라 생각한다.