차시명: 13주차 제3강

주제: 제 5장 화석연료, 9부 – 산성비

동기 유발: 대기 오염이 심각해지면서 전국 곳곳에 산성비가 내립니다. 산성비는 토양과 산림을 황폐화시키고, 생태계를 파괴하며, 우리 건축물과 소중한 문화유산을 훼손할 수 있습니다.  이런 산성비는 어떤 대기 오염 때문에 어떻게 만들어 지는 것일까요?  이번 단원에서는 산성비의 원인부터 대처에 이르기까지 전반적인 사항에 대해 알아봅시다.

학습 목표: 산성비의 형성 원리, 발생 원인, 산성비에 의한 피해 및 이에 대한 대처 방법에 대해 알아보자

강의 타이틀: 5-6. 산성비

안녕하십니까? 이번 시간은 산성비에 대해 알아보겠습니다 .

[slide #1]

산성비, acid rain이란 말 그대로 해석하자면 산성을 띠는 비입니다. 우리는 수용액을 pH에 따라 산성 또는 염기성(알칼리성)으로 부르는 일에 익숙합니다. 흔히 섭씨 23도 부근에서 pH=7이면 중성이라 부르며, 이보다 pH가 낮으면 산성, 높으면 염기성이라 부릅니다. 그렇다면, 빗물의 pH가 7보다 낮으면 그 비를 산성비라 불러야 할까요?

산성비의 올바른 뜻은 단순히 산성을 띠는 비가 아니라, 대기 오염물에 의해 산성을 띠게 된 비입니다.  대기 중에는 자연적으로 이신화탄소가 존재하며, 이 이산화탄소와 빗물이 반응을 하면 이 반응처럼 탄산을 만들고, 다음 반응처럼, 이 탄산이 해리되면서 수소이온을 내어 빗물은 자연스레 약산성이 됩니다.

대기 중의 이산화탄소 분압을 고려할 때, 이 탄산의 형성 및 해리 반응이 평형을 이루면 빗물의 pH는 5.6 정도가 됩니다. 이런 이유로 대기 중에서 충분히 이산화탄소와 반응한 빗물은 산성을 띠게 됩니다. 하지만, 우리는 이런 비를 산성비라 부르지 않습니다. 왜냐하면, 이와 같이 약산성을 띠는 것은 자연적으로 일어나는 당연한 일이기 때문입니다. 우리가 산성비라고 부르는 것은 대기 오염 물질에 의해 빗물의 pH가 자연적으로 가질 수 있는 가장 낮은 pH인  5.6보다 더 낮은 비입니다.

[slide #2]

산성비의 대표적인 대기오염물은 황과 질소입니다. 이것들은 다양한 경로를 통해 산화 가스의 형태로 대기 중에 유입되는데, 이 가스들이 좀 더 산화되고 수화되어 황산 및 질산이 되고, 이 산들이 빗물을 산성으로 만듭니다. 어떻게 황 및 질소 오염물이 산이 되는지 좀 더 자세히 알아보도록 하겠습니다.

오염원으로부터의 황과 질소는 대개 SO2인 아황산가스 및 산화질소 가스 NOx로 대기에 유입됩니다. 이때 산화질소가스 NOx는 NO 또는 NO2가 될 수 있기 때문에 이렇게 표시하며, 읽기는 흔히 “녹스”라고 합니다. fox나 sox와 비슷한 식으로 읽는다고 생각하시면 되겠습니다.

아황산 가스는 다양한 산화 반응을 통해 SO3 즉 황산 가스가 된 다음 물과 반응해 황산으로 만들어집니다. 아황산가스를 를 산화시키는 산화제로는 대기 중의 산소, 오존, 수산기 래디컬 및 과산화수소, 그리고 그 양이 매우 적지만 빗방울 내의 철이나 망간 등이 있습니다.

일례로, 가스 상태에서는 반응 1과 같이 수산기 래디컬에 의해 아황산가스가 산화되고 물에 의해 수화되어 황산이 돱나다

아황산가스가 빗물과 접촉한 상태에서는 좀 더 간단하게 반응 2와 같이 산소에 의해 아황산가스가 산화되고 물에 의해 수화되어 황산이 됩니다.

녹스 중 아질산가스 NO는 아황산가스와 비슷한 과정을 거쳐 질산가스로 산화된 다음 반응 3과 같이 물에 의해 수화되어 질산을 만듭니다.

당초 이 강의 소개 때 말씀드렸듯, 이 강의는 복잡한 화학식을 외우도록 하는 것이 목적이 아니라, 지구상의 자원과 환경 문제의 기본적인 사항들을 이해하도록 설명하는 것이 목적입니다.  그러므로, 이런 복잡한 반응들을 여러분들이 힘들게 자세히 암기할 필요는 없습니다. 다만, 이 시점에서 “대기 오염물인 황과 질소가 대기 중에서 산화 및 수화되어 황산 및 질산을 만들며, 이 때문에 산성비가 만들어진다”는 사실은 반드시 기억하시기 바랍니다.

[slide #3]

(설명에 따라 해당 부분 진하게)

산의 원료가 되는 SO2와 NOx는 물에 녹아 산이 된 다음에 빗물, 눈, 안개 등의 형태로 땅에 떨어지기도 하지만, 때로 먼지와 같은 대기 부유물 등에 흡착되어 떨어지거나, 아예 지상의 표면에 개스로서 흡착되어 제거되는 경우도 있다. 우리는 전자를 습성 강하물, wet deposition, 후자를 건성 강하물, dry acid deposition이라고 부릅니다. 보통 산성비라고 하면 습성 강하물 중의 하나로서 가장 흔히 그리고 많이 관찰되는 강하물이며, 산성 강하물이라 하면 이 둘 즉, 습성 및 건성강하물을 모두 포함하여 부르는 말입니다.

[slide #4]

이 그림은 산성비 원인 물질의 대기 유입과 산성 물질의 건성 강하 및 습성 강하를 보여주는 그림입니다.

[slide #5]

앞의 그림에서 보셨듯이, 대기 중의 황과 질소가 모두 화석 연료로부터 기인한 것은 아닙니다. 이들은 크게 오염원으로부터 그리고 자연적으로 대기에 유입된 것으로 나눌 수 있습니다. 대기에 황을 유입시키는 대표적인 자연 원인은 화산과 생물입니다

화산으로부터는 주로 SO2 그리고 이보다는 적은 양이지만 H2S가 대기로 유입됩니다. 이들 개스는 좀 더 산화된 후 궁극적으로는 모두 황산으로 바뀌게 됩니다.

생물은 대사를 통해 다양한 황과 질소 화합물을 대기에 유입시킬 수 있습니다. 그 중, 식물성플랑크톤의 대사 결과 발생하는 황화이메틸, DMS; dimethylsulfide와 박테리아로부터 발생하는 암모니아, NH3가 가장 대표적인 가스 화합물이라고 볼 수 있습니다.

인간의 활동에 의해 발생하는 황과 질소는 오염물로서 대기에 유입됩니다. 이들은 대부분 직간접적으로 화석연료의 사용 결과 발생하는 것이지만, 금속 및 제지 산업등 여러 가지 산업 시설에서 유입되는 경우도 있습니다.

[slide #6]

아황산가스의 배출원을 부문별로 살펴보면, 가장 많은 전체의 70% 정도가 발전용 화석 연료 소비로부터 배출되며, 그 다음으로 약 16% 정도가 다양한 산업의 화석 연료 연소로부터 배출됨을 알 수 있습니다. 이에 반해 산업 시설로부터 직접 배출되는 양은 전체의 9%밖에 되지 않습니다.

[slide #7]

질산가스의 배출은 반 이상인 54%가 운송수단의 배기 때문이며, 그 다음으로 39%가 화석연료 소비 때문입니다.

[slide #8]

산성비는 다양한 환경적 피해를 유발합니다. 이러한 피해는 산성비 내 수소이온에 의한 것으로, 수소 이온으로 인한 생태계의 충격 및 수소 이온의 직접적인 부식력에 의한 것입니다. 이러한 산성비에 의한 피해를 유형별로 살펴보면 수서생태계의 파괴, 토양 산성화, 산림 훼손, 구조물 및 자연 문화 유산의 훼손, 인간의 건강 위협 등이 있습니다.

[slide #9]

산성비는 물의 pH를 낮추고 유독 중금속의 유동성을 높임으로써, 많은 생물들이 생존할 수 없도록 합니다. 이 그림이 보여주듯, 생물들은 종류에 따라 견뎌낼 수 있는 pH가 다르며, 일반적으로 어린 것들이 다 큰 것들에 비해 더욱 민감하게 영향을 받습니다. pH가 5 정도 되면 물고기 알들은 더 이상 부화하지 못합니다.

산성비는 토양과 반응함으로써, 토양 내의 주요 금속 이온들을 좀 더 빨리 용탈시키며, 이 결과로 지력이 약화되며, 토양은 빠른 시간 내에 산성화 됩니다.

[slide #10]

산림 훼손은 토양 산성화와 매우 밀접히 연관된 것으로, 이 사진의 지제라 숲이 보여주는 것처럼 토양에 자라고 있던 식물들이 서서히 죽어가며 산림이 황폐화됩니다. 이와 같은 현상은 특히 토양이 얇은 산사면에서 매우 빠르게 진행될 수 있습니다.

[slide #11]

산성비 내의 산에 의해 다양한 구조물, 건물, 기념물, 및 문화재를 이루고 있는 물질들이 부식되거나 녹습니다. 특히 시멘트, 석회암, 대리암 등으로 구성되어 있는 것들에게는 치명적인 해를 줍니다.  이 사진은 서울 파고다 공원에 있는 원각사지 10충탑인데, 산성비에 의한 훼손으로부터 보호하려고 유리를 씌운 모습입니다.

산성비가 직접 인간의 건강에 미치는 영향은 크지 않습니다. 그러나, 건성 강하물들은 흡입되어 폐와 심장에 좋지 않은 영향을 미칠 수 있습니다.

[slide #12]

현재 우리나라는 도시 농촌 산간 할 것 없이 전국 어디서나 적어도 한 두 차례는 산성비가 내립니다. 이러한 산성비에 의한 피해를 줄이기 위해서는 산성 가스의 발생을 줄이려는 노력이 필요합니다.

산성 가스의 발생을 줄이는 방법은

1) 화석 연료의 사용을 줄여 산성 가스 발생량 자체를 줄이는 방법,

2) 화석 연료 내의 황이나 질소를 사용 전에 제거하는 방법,

3) 화석 연료를 사용 후에 발생하는 산성 개스를 제거하는 방법이 있습니다.

석탄의 경우 방법 2)가 효율적일 수 있으나, 비용 등의 문제로 실제 적용되기에는 많은 부담이 있습니다. 방법 3)의 경우 질소 가스를 줄이는 방법은 현재 뚜렷한 것이 없으나, 아황산가스는 탄산칼슘과 반응시켜 석고를 만드는 탈황법이 많이 이용되고 있습니다.

다른 대기 오염과 마찬가지로 산성비는 한 나라에 국한된 문제가 아니라, 국경을 너머 다른 나라에 영향을 미치는 다국간 문제입니다. 따라서 산성비 문제는 권역 내 국가 간 협조, 나아가서는 전세계적인 국제 수준의 협조가 반드시 필요한 환경 문제입니다. 우리나라가 속 한 동아시아의 경우, 연구자마다 차이가 있지만 급격한 경제성장을 이룩하고 있는 중국이 한국 및 일본의 산성비 문제에 많은 책임이 있음을 지적하고 있습니다. 미국, 카나다 및 유럽은 산성비 문제에 있어 국제 협약을 통해 공동 대응하고 있는 상황이며, 동아시아도 곧 이런 수준의 국제 협력이 필요하게 될 것입니다.

지금까지 산성비의 형성 원리, 발생 원인, 산성비에 의한 피해 및 이에 대한 대처 방안 등에 대해 얘기하였습니다.

다음 시간에는 화석 연료 사용에 따른 그 밖의 환경 문제들에 대해 살펴보겠습니다.

안녕히 계십시오

[끝]

심화토론:

우리나라 산성비 강수 현황을 조사해봅시다.

1)도시, 농어촌, 산지 사이에 뚜렷한 차이가 있습니까?

2) 어느 계절에 산성비가 가장 심합니까?

3) 우리나라 산성비의 원인 물질은 주로 어디에서 유래합니까?