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미세먼지, 화학으로 톺아보기

10월 8 업데이트됨

어느 순간부터 날씨를 확인할 때 기온 다음으로 확인하는 것은 미세먼지 수치가 되었다. 일상화된 미세먼지 문제를 해결하는 것은 우리의 큰 과제이다.


미세먼지는 과연 얼마나 해로울까? 또 어떤 성분으로 이루어져 있고 어디에서 발생하는 걸까? 뉴스나 인터넷을 통해 알 수 있는 미세먼지 수치는 어떻게 측정된 것일까? 그리고 이 문제를 어떻게 해결할 수 있을까? 이번 기사에서는 이 수많은 물음표들을 해결해보고자 한다.


미세먼지

미세먼지, 너는 누구니?

미세먼지는 우리 눈에는 보이지 않는 아주 작은 물질로, 대기 중에 오랫동안 떠다니거나 흩날려 내려오는 직경 10㎛ 이하의 입자상 물질을 말한다. 미세먼지는 입자의 크기에 따라 총 먼지 지름이 10㎛ 이하인 미세먼지(PM 10)와 지름이 2.5㎛ 이하(PM 2.5)인 미세먼지로 나뉜다. PM2.5는 흔히 초미세먼지라고 불린다.


2016 환경부, 미세먼지 구성 성분(%). 여기서 “황산염, 질산염 등”은 미세먼지 속 이온을 나타낸다.

환경부 자료에 따르면 미세먼지는 질산염, 암모늄, 황산염 등의 이온 성분과 탄소화합물, 금속화합물 등으로 이루어져 있다. 지역에 따라, 시각에 따라 그 성분도 바뀌지만, 평균적으로 이온이 절반 이상을 차지한다. 또, 대체로 PM 2.5가 PM 10 보다 이온 비율이 높다고 한다.

세계보건기구(WHO)는 미세먼지 중 디젤에서 배출되는 BC(black carbon)를 1급 발암물질로 지정한 바 있다. 장기 노출 시 면역력이 급격히 저하되어 감기, 천식, 기관지염 등의 호흡기 질환은 물론 심혈관 질환, 피부질환, 안구질환 등 각종 질병에 노출될 수 있다. 특히 PM2.5는 인체 내 기관지 및 폐 깊숙한 곳까지 침투하기 쉬워 기관지, 폐 등에 더 치명적인 영향을 준다고 한다.


미세먼지, 너는 어디서 왔니?

미세먼지는 어떻게 발생하는 것일까? 그리고 그 중 우리나라에서 발생하는 양과 중국에서 발생하는 양은 어느 정도의 비율일까?


환경부의 '미세먼지, 도대체 뭘까?(2016.4)'에 따르면 미세먼지 발생원은 자연적인 것과 인위적인 것으로 구분된다. 자연적 발생원은 흙먼지, 바닷물에서 생기는 소금, 식물의 꽃가루 등이 있다. 인위적인 발생원은 보일러나 발전시설 등에서 석탄, 석유 등 화석연료를 태울 때 생기는 매연, 자동차 배기가스, 건설현장 등에서 발생하는 날림먼지, 공장 내 분말형태의 원자재, 부자재 취급공정에서의 가루성분, 소각장 연기 등이 있다.



또, 미세먼지는 굴뚝 등 발생원에서부터 고체 상태의 미세먼지가 나오는 경우(1차적 발생)와 발생원에서 매우 작은 휘발성유기화합물, 질소산화물 분자들이 기체 상태로 나와 공기 중의 다른 물질과 화학반응을 일으켜 미세먼지가 되는 경우(2차적 발생)로 나뉘어질 수 있다. 이중 PM 2.5 초미세먼지 발생량의 3분의 2를 차지하는 것은 2차적 발생이라고 한다.


2차적 발생을 더 자세히 살펴보자. 석탄이나 석유 등의 화석연료가 연소되는 과정에서 배출되는 황산화합물이 대기 중의 수증기, 암모니아와 결합하는 화학반응, 그리고 자동차 배기가스에서 나오는 질소화합물이 대기 중의 수증기, 오존, 암모니아 등과 결합하는 화학반응을 통해 미세먼지가 생성되는 것이 2차적 발생의 큰 비율을 차지한다. 앞서 언급한 휘발성유기화합물로부터 시작되는 경우도 있다.


더 자세한 생성과정은 다음 그림을 통해 알 수 있다.


초미세먼지(PM2.5) 2차 생성과정

과학기술정보통신부, 환경부, 보건복지부는 미세먼지 범부처 프로젝트 사업 성과발표회를 지난 9월 11일, 온라인으로 개최했다. 정부는 이번 연구에서 중국발 미세먼지가 유입될 때 유입량보다 더 심한 수준의 고농도 초미세먼지 현상이 나타나는 과학적 이유를 공식적으로 확인했다고 전했다. 중국발 미세먼지가 서해를 건너며 수분을 머금은 뒤 국내 자동차 배기가스(질소산화물)와 만나 PM 2.5 초미세먼지(질산염이 큰 비율을 차지)가 생성되었다고 말한다. 생성된 질산염이 수분을 흡수하면 질소산화물과 반응해 추가 질산염이 생성되면서 상황이 더욱 악화됐다.

또, 지난해 말 한중일 3국 공동연구에서는 한국의 PM 2.5 초미세먼지 중 32%가 중국에서 날아왔고, 51%는 국내에서 발생한 것으로 조사되었다.


이외에 가정에서도 많은 미세먼지가 발생할 수 있다. 가정에서 사용하는 에너지를 생산하기 위해서도 물론 미세먼지가 발생하지만, 직접적으로 조리 중에도 발생한다. 음식표면에서 15~40nm 크기의 초기입자가 생성되고 재료 중의 수분, 기름 등과 응결하여 그 크기가 커지는 것으로 알려져 있다. 조리법에 따라서 미세먼지 발생량이 다른데, 특히 굽는 조리법에서 미세먼지가 많이 생성된다고 알려져 있다.


조리법에 따른 PM 2.5 발생량

미세먼지 측정하기

미세먼지 측정 방법은 크게 방사선 또는 빛의 물리적 특성을 이용하여 간접적으로 측정하는 방법인 베타선 흡수법, 광산란법과 미세먼지의 질량을 저울로 직접 측정하는 방법, 중량농도법이 있다.


베타선 흡수법이란 일정한 시간 포집한 입자를 감기는 테이프에 모아 그 테이프에 베타선을 쪼여 포집 전후의 농도를 비교하는 방법으로, 한 번 농도를 재기 위해 1시간 이상의 시간이 소요되는 단점이 있다.


베타선 흡수법

광산란법이란 빛을 쏘아 측정된 입자의 개수를 가지고 농도를 알아보는 방법으로 산란된 양이 질량 농도에 비례하게 된다. 한 번에 PM 2.5, PM 10 측정이 가능하고 휴대 가능하게 만들 수 있어, 쉽게 구입할 수 있는 대부분의 가정용 미세먼지 측정기는 광산란법을 이용한다. 다만 간접적으로 측정하기 때문에 오차 범위가 크다. 그렇기에, 오차를 줄일 수 있는 방법 중 하나인 팬(fan)이 없다면 정확성을 의심해봐야 한다.


광산란법

필자 집에 있는 가정용 미세먼지 측정기

중량농도법은 포집 전후 여과지 무게를 측정해 미세먼지 농도를 알아보는 방법으로, 포집해야 하는 시간이 필요하기 때문에 실시간 측정이 어렵고, 측정하는 과정에서 습도, 온도, 정전기 등에 따른 오차가 발생된다.


중량 농도법

반도체 센서를 이용한 미세먼지 측정 방법도 있다. 총휘발성유기화합물(TVOC)은 벤젠 등 수백 종류의 유기화합물질을 측정해 합산한 농도를 말하는데, 이를 측정하기 위한 반도체 센서는 일부 물질만을 측정하여 TVOC농도로 표현하기 때문에 비과학적이라는 평도 있다.


미세먼지 화학으로 해결하기

교통체증

미세먼지의 구성성분과 발생 경로를 생각해보자. 미세먼지의 탄소핵은 질소산화물, 황산화물이 암모니아와 화학적으로 반응하여 생성시킨 화학물질로 둘러싸여 있다. 따라서 미세먼지의 핵을 이루는 탄소입자, 그리고 휘발성유기화합물의 배출을 억제하는 정책이 필요하다고 볼 수 있다. 미세먼지의 핵이 없다면 껍질도 형성될 일 없기 때문이다. 껍질을 줄이기 위해서는 질소산화물, 황산화물, 암모니아의 대기중 농도를 감소시켜야 한다. 실제로 미세먼지 껍질의 질소산화물, 황산화물의 비중이 암모니아보다 크기에 이들을 감소시키는 것이 더 중요하다고 생각할 수도 있겠다. 그러나, 분자수로 따져보자면, 암모니아의 비율이 더 높다. 일부 사람들이 착각하고 있는 바와 다르게, 질소산화물이 미세먼지에 있어서 가장 중요한 물질이라는 판단 근거가 부족하다는 것이다. 어떤 물질이 미세먼지 껍질 생성에 있어 결정적인 지, 그리고 과연 질소산화물만 없앤다고 해서 미세먼지가 감소할 것인지는 아직은 과학적 검증이 더 필요해 보이는 부분이다.

결론적으로, 이러한 물질의 유입과 생산을 막기 위해선 국제적 협력, 개인과 가정 차원의 친환경 소비 노력, 사업장의 질소산화물 방지시설 강화, 대중교통 사용 장려 및 노후 경유차 처리 등 어떤 한 분야의 노력만이 아닌, 모두의 노력이 필요하다. 이러한 노력을 통해 언젠가는 다시 미세먼지 걱정을 하지 않게 되는 시대가 오기를 기대한다.


방민솔 학생기자│Chemistry│지식더하기


참고자료

[1] 「미세먼지, 도대체 뭘까?」, 환경부, 2016

[2] 최상인, 안정언, 조영민, 「미세먼지 입자의 측정분석원리 고찰」, 공업화학 전망, 제 21호, 2018

[3] 한방우, 「사업장 미세먼지 저감기술 현황」, Air cleaning technology, Vol.31, 2018

[4] 환경부: http://www.me.go.kr/

[5] 한겨레: http://www.hani.co.kr/


첨부 이미지 출처

[1] 「미세먼지, 도대체 뭘까?」, 환경부, 2016

[2] https://pixabay.com/ko/

[3] https://www.flickr.com/



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