| 베이징의 스모그에서 숨겨진 황산염 형성과정을 찾다 | ||
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 2016년 12월 21일, 중국과 독일의 공동 연구팀은 베이징 및 화베이(華北) 지역 스모그의 가장 주요한 성분인 황산염의 형성원인을 밝혔다. 연구팀은 대기 중 초미세먼지 입자가 흡착한 수분에서 발생하는 이산화질소와 이산화황의 화학반응이 현 단계 발생 중인 스모그에서 황산염의 주요 생성 경로임을 발견하였다. 이는 공기오염 완화를 위해 현재 지속적으로 시행하고 있는 배출 감소 조치와 질소 산화물에 대한 배출 규제를 우선적으로 강화해야 한다. 최근 몇 년 동안, 베이징 및 화베이 지역에 발생하는 스모그에 대한 연구에서 황산염은 심각한 오염을 초래하는 주요 요인으로 나타났다. 심각한 오염이 발생하는 시기에 대기의 PM2.5 초미세먼지에서 가장 큰 비중을 차지하는 단량체는 황산염으로서 무게비중은 20%에 달해 절대적 우위를 차지하였다. 또한 PM2.5 오염 등급이 상승함에 따라 상대적 비중이 가장 빨리 증가하는 물질도 황산염이었다. 따라서 황산염의 근원을 연구하는 것은 스모그 형성을 밝히는 핵심 과제이다. 공동 연구팀은 현장 관측, 모델 시뮬레이션, 이론적 계산 등 방법을 통해 베이징 및 화베이 지역에 스모그가 발생하는 시기의 황산염은 주로 공기에 용해된 이산화황과 이산화질소의 ‘입자결합수[상대습도가 높은 환경에서 PM2.5 입자가 조해(deliquesce) 흡착된 수분]’로서 중국 북부 지역 특유의 중성적 환경에서 급속한 반응을 통해 생성된다는 것을 발견하였다. 해당 연구 성과는 최근의 미국 과학저널인 “Science Advances”에 발표되었다. 상기 발견은 유럽과 미국 등 지역의 전통적 대기화학이론에 기초한 황산염 형성 메커니즘과 구별된다. 기존의 전통적 이론에 따르면 황산염은 주로 구름 수분(cloud water) 환경에서 형성되는데 이중 액체상태 물의 함량이 입자결합수에 비해 1,000배 내지 10만 배 많은 관계로 구름 수분에서 황산염의 생성 반응에 비해 입자결합수에서의 생성 반응은 무시할 수준이다. 아울러 이론적 계산에 따르면 구름 수분에서 이산화질소가 이산화황을 산화하여 황산염을 생성하는 반응 경로의 기여 수준도 무시할 정도인 것으로 나타났다. 하지만 베이징 및 화베이 지역의 스모그 발생 시기를 보면 입자 농도가 대폭 상승하는 원인 그리고 안정적인 정적 기상 조건에서 상대습도가 높은 원인 등 요인으로 입자결합수 함량은 상기 전통적 이론의 상황에 비해 훨씬 높고 입자결합수에서의 반응 총량도 대폭 증가하였다. 다른 한편으로 심각한 스모그가 발생하는 시기의 이산화질소 농도는 전통적 구름 수분 상황의 50배 이상에 달하여 이산화질소 산화 경로의 상대적 중요성에 직접적인 변화를 가져다주었다. 이외 베이징 및 화베이 지역에 대량 존재하는 암모니아, 광물질 먼지 등 알칼리성 물질의 영향으로 현지 입자결합수의 pH값은 미국 등 지역에 비해 훨씬 높게 나타나 현지 특유의 중성적 환경을 형성하였다. 그리고 이산화질소 산화 메커니즘의 반응 속도는 pH값이 상승함에 따라 크게 향상하였다. 연구팀은 상기 연구 결과를 근거로 질소 산화물의 방출을 우선적으로 줄이는 것은 중국 스모그에서 황산염의 오염 수준 완화에 도움을 준다고 지적하였다. 뿐만 아니라 본 연구는 중국 복합성 오염의 특수성을 반영하였다. 고농도 이산화황은 주로 화력발전소에서 배출되고 고농도 이산화질소는 주로 발전소와 자동차 등에서 배출된다. 그리고 중화 작용을 하는 암모니아, 광물질 먼지 등 알칼리성 물질은 농업, 공업 오염, 날리는 먼지 등에서 유래한다. 이토록 다양한 오염원이 오염물을 동시에 강도 높게 배출하는데서 중국 황산염 특유의 화학적 생성 경로가 신속하게 형성되었다. 이 또한 심각한 스모그가 발생하는 시기 입자 농도가 빠르게 증가하는 주요 원인 중 하나이다. 런던의 스모그는 석탄연소에서 배출된 매진과 이산화황 등 일차 오염물질에서 유래한 것이고 로스앤젤레스의 스모그는 광화학적 오염으로서 주요 원인은 자동차 배기가스가 해빛의 작용에 의해 반응하여 생성된 이차 오염물질이다. 하지만 중국의 스모그는 일차 오염물질과 이차 오염물질이 혼합된 유형이다. 이러한 복합형 오염의 특수성 때문에 다양한 오염물질의 배출을 동시에 줄이는 것은 더더욱 중요한 의미가 있다. 특히 스모그 형성의 화학적 메커니즘을 밝힌 현 시점에서 우선적으로 질소 산화물의 배출 감소에 힘써야 한다. 정보출처 : http://news.sciencenet.cn//htmlpaper/2016122214255471642485.shtm |
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