NOx, CO 및 입자상물질이란 무엇이며, 왜 우리에게 해로운가?

도시의 모든 배기 가스는 폐와 혈관을 동시에 공격하는 세 가지 유독한 적의 조용한 침투입니다.
도시의 모든 배기 가스는 폐와 혈관을 동시에 공격하는 세 가지 유독한 적의 조용한 침투입니다.

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NOx, CO 및 입자상 물질은 내연기관 차량의 배기가스에서 배출되는 세 가지 주요 오염 물질군입니다: 질소산화물은 높은 연소 온도에서 공기 중 질소와 산소의 반응으로 생성되고, 일산화탄소는 산소 부족 상태의 불완전 연소의 산물이며, 입자상 물질은 특히 디젤 엔진에서 나타나는 미세 그을음 입자들로 구성됩니다. 이 셋 모두 호흡기 및 순환기 시스템에 해를 끼치기 때문에 배출 기준의 주요 규제 대상입니다.

주요 내용

  • NOx는 일산화질소(NO)와 이산화질소(NO2) 가스를 포괄하는 일반적인 용어로, 온실가스인 아산화질소(N2O)와 혼동해서는 안 됩니다.
  • 운수 부문은 일부 국가의 NOx 배출 목록의 약 45%를 책임지고 있습니다.
  • SCR 시스템은 요소 기반 AdBlue를 사용하여 NOx를 최대 90%까지 줄일 수 있습니다.
  • 유로 6 기준은 디젤 및 직분사 가솔린 엔진에서 입자 수에도 제한을 두었습니다.
  • PM2.5 같은 미세 입자는 폐와 순환기 시스템 깊숙이 침투할 수 있기 때문에 가장 높은 건강 위험을 지닙니다.

NOx란 무엇이며 엔진은 이것을 어떻게 생성하는가?

NOx는 질소산화물의 총칭입니다. 가장 흔한 두 성분은 일산화질소(NO, 질소 1개와 산소 1개 원자)와 이산화질소(NO2, 질소 1개와 산소 2개 원자)입니다. NO는 대기 중에서 반응을 통해 NO2로 전환될 수 있습니다. 대기질 보고서에서는 NOx 전체 그룹의 지표로 NO2가 사용됩니다. 자주 혼동되는 부분을 바로잡자면, 온실가스로서 기후에 영향을 미치는 아산화질소(N2O)는 NOx와는 다른 오염 물질입니다.

생성 메커니즘은 간단한 화학의 문제입니다. 엔진 실린더 내부의 온도는 공기 중의 질소(N2)와 산소(O2) 분자가 서로 반응하기에 충분합니다. 이것은 연소의 의도된 목표가 아니라 높은 온도의 불가피한 부산물입니다. 온도와 압력이 높을수록 NOx가 더 많이 생성됩니다.

디젤 엔진이 바로 이 때문에 주목받습니다. 디젤은 여분의 공기, 즉 산소가 풍부한 '희박' 연소로 작동하며, 단위 연료당 산소량과 실린더의 온도-압력 값이 NOx 생성을 가솔린 엔진보다 더 많고 강하게 만듭니다. 그래서 NOx 제어의 중심은 항상 디젤 쪽에 있었으며, 차량에서 발생하는 NOx 배출도 1960년대부터 규제되어 왔습니다.

일산화탄소: 무취, 무색, 유독

일산화탄소는 탄소가 완전히 연소되지 않아 생성되는 무취 무색의 유독 가스입니다. 그 위험성 뒤에 있는 생리학은 명확합니다: CO가 혈액에 들어가면 산소 운반을 방해합니다. 그 결과로 뇌에 산소가 부족하게 공급되어 피로, 두통, 어지러움, 주의력 저하가 나타납니다. 초기 증상으로는 두통, 졸음, 메스꺼움이 꼽히며, 심한 노출은 구토와 의식 상실까지 이를 수 있습니다. 무취이기 때문에 심각한 노출이 인지되지 않은 사이 치명적인 수준에 도달할 수 있습니다.

장기 노출 표도 결코 가볍게 여길 일이 아닙니다. 만성 CO 노출은 가장 흔히 기억력, 주의력, 집중력 저하 및 파킨슨형 운동 장애와 연관되는 것으로 알려져 있습니다. 배기가스에 정기적으로 노출되면 기관지염, 천식, 폐암 같은 호흡기 문제의 토대가 마련된다는 것도 알려져 있습니다.

기술적인 측면에서 좋은 소식은 이것입니다. CO는 촉매 변환기에서 무독성인 이산화탄소로 전환될 수 있는 오염 물질입니다. 위험은 변환기에 도달하지 못한 가스에 남아 있습니다. 배기 라인에 누출이 있으면 CO가 정화되지 않은 채 새어 나올 수 있습니다. 따라서 배기 라인의 무결성은 단순한 소음 문제가 아니라 안전의 문제입니다.

미세먼지는 왜 PM2.5만큼 위험한가?

미세먼지는 공기 중의 작은 고체 및 액체 입자의 혼합물입니다. 일상 언어로 "그을음" 또는 "검댕"이라 부르는 것이 바로 이것입니다. 위험의 크기는 입자의 크기와 직접적인 관련이 있습니다. 지름 2.5마이크론 이하의 PM2.5 입자는 작은 크기 덕분에 호흡기 및 순환계 깊숙이까지 침투합니다. 디젤 그을음 오염의 80-95%를 차지하는 초미세 입자는 폐 세포에 들어갈 수 있을 만큼 작습니다.

PM은 디젤 배기 노출과 관련된 부정적인 건강 영향의 주요 원인으로 간주됩니다. 보건 당국이列거한 영향은 다음과 같습니다:

  • 심장 또는 폐 질환을 앓고 있는 사람들의 조기 사망
  • 치명적이지 않은 심장 발작 및 부정맥
  • 천식 악화, 호흡기 염증 및 호흡 곤란
  • 단기 노출 증가 시, 심혈관 질환 또는 기존 호흡기 질환을 앓고 있는 사람들의 급성 사망 위험 증가

영향은 건강에만 국한되지 않습니다. 미세먼지 오염은 가시도를 낮추고 기후와 생태계에 부정적인 영향을 미치며 재료의 열화를 초래합니다. 즉 배기관에서 나오는 그을음은 호흡기 문제일 뿐만 아니라 환경 공학의 문제이기도 합니다.

미연소 탄화수소(HC): 어디에서 오는가?

배기 표에서 NOx만큼 자주 언급되지는 않지만 같은 표에 있는 또 다른 오염 물질이 있습니다. 바로 미연소 탄화수소입니다. 그 발생원은 낯익습니다. 크랭크케이스에서 새어 나와 연소실로 되돌아가는 블로바이 가스, 링 홈 틈새에 갇힌 연료-공기 혼합물, 흡기 매니폴드의 액체 연료 및 실린더 벽의 유막이 대표적입니다. 고부하 운전 시 링 홈 틈새는 HC 배출의 주요 원인입니다.

연소실 밖에 남는 발생원도 있습니다. 바로 연료 증발입니다. 배기 배출물에는 연료가 탱크와 배관에서 증발하면서 발생하는 손실도 더해집니다. 예를 들어 저비율 에탄올 혼합물은 휘발유가 더 쉽게 증발하게 만들어 증발 배출을 증가시킬 수 있습니다. 불완전 연소, 산소 부족 또는 나쁜 연소 조건은 HC를 직접 증가시키는 연소 측 요인입니다.

어떤 배출 기준이 어떤 가스를 왜 규제하는가?

유로 배출 기준은 차량이 법적으로 배출할 수 있는 최대 오염물질의 양을 정한 규정 체계로, 1992년 촉매 변환기 의무화와 함께 도입되었습니다. 논리는 간단합니다. 각 오염물질의 유해 메커니즘이 다르기 때문에 각각에 대해 별도의 한계치가 설정됩니다. CO는 산소 운반을, NO2는 기도를, PM은 심장과 폐를 공격하기 때문에 기준은 이 세 가지를 각각 따로 측정합니다.

오염물질발생 원인주요 영향
NOx (NO/NO2)고온에서의 질소-산소 반응기도 자극, 천식, 스모그 및 산성비
CO산소 부족 상태에서의 불완전 연소산소 운반을 방해하여 중독 유발
PM (매연)특히 디젤에서의 불완전 연소폐 및 심장 질환
HC연소되지 않은 연료와 오일 누출스모그 발생 기여, 대기 독성 물질

기준의 역사도 이러한 구분 논리를 보여줍니다: Euro 2 단계부터 유럽은 디젤 차량과 가솔린 차량에 대해 서로 다른 한계치를 설정해 왔습니다. 디젤은 더 엄격한 CO 한계를 적용받지만 더 높은 NOx가 허용되며, 가솔린 차량은 Euro 4까지 입자 기준에서 면제되었습니다. Euro 6는 2014년 9월에 시행되어 디젤 차량의 NOx 및 PM 한계치를 크게 강화했으며, 디젤 엔진과 직분사 가솔린(GDI) 엔진 모두에서 질량이 아닌 미세 입자 수까지 제한하는 의무를 도입했습니다. 디젤 측면에서 이 의무는 디젤 미립자 필터(DPF)의 광범위한 채택을 요구했습니다.

실험실과 실제 도로 간의 차이는디젤게이트 이후 논쟁의 중심에 놓였습니다. 2017년 9월부터 차량은 실제 주행 조건에서 측정하는 RDE 시험을 받게 되었습니다. 결과는 측정 가능합니다: 유로 규칙이 적용된 기간 동안 2001년부터 2017년까지 NOx 배출량은 %84 감소했습니다. 엄격한 한계치는 또한 SCR 시스템이 디젤 차량에 널리 보급되도록 만들었습니다.

이 가스들은 배기관으로 나가기 전에 어떻게 정화될까요?

Egzozdan çıkan zehirli gazlar, motorun içinde verilen bilinçli mühendislik kararlarıyla daha silindirdeyken temizlenir.

현대의 배기 후처리 체계는 각 오염물질마다 별도의 해결책을 설계합니다. SCR(선택적 촉매 환원)은 요소 기반 디젤 배기 유체, 즉 흔히 아드블루(AdBlue)라고 불리는 것을 배기 흐름에 분사합니다. 촉매에서 NOx는 무해한 질소와 물로 환원됩니다. NOx 저감은 최대 90%에 이를 수 있으며 같은 과정에서 HC와 CO는 50-90%, PM은 30-50% 감소합니다. DPF는 그을음을 물리적으로 가두며, DPF + SCR + DEF의 조합은 그을음을 잡는 동시에 NOx를 줄이고, SCR 기능을 필터와 결합한 SDPF는 같은 작업을 하나의 유닛에서 수행합니다. 실린더 내부에도 한 가지 대책이 있는데, EGR(배기가스 재순환)은 배기가스의 일부를 실린더로 다시 보내 산소량과 연소 온도를 낮춥니다. 온도가 낮아지기 때문에 생성되는 NOx가 줄어듭니다.

이 덕분에 신차의 배출 프로필이 뚜렷하게 변화했습니다. 신규 모델은 다소 더 많은 CO2를 배출하지만, CO와 NOx 배출량을 이전 세대에 비해 상당히 줄입니다. 공학적 관점에서 이는 수용 가능한 절충안입니다. 기후 영향과 오염 물질 영향은 서로 다른 척도이며, 2015년 이전에는 "저배출 차량"의 정의가 오직 낮은 CO2에만 초점을 맞추고 있었습니다. 디젤게이트 이후 NOx 같은 오염 물질이 주목받게 되었습니다.

유럽에서 NOx 논쟁의 배경은 무엇인가?

2015년에 폭스바겐 디젤 차량이 실험실 테스트를 통과할 수 있도록 배출 제어 시스템을 조작한 사실이 드러났습니다. 차량들은 실제 도로에서 신고된 것보다 최대 40배까지 더 많은 질소산화물을 배출하고 있었습니다. 이 단일 사건은 한 제조업체의 문제로 머물지 않았습니다. 이후 몇 년 동안 유럽의 거의 모든 디젤 제조업체가 테스트 한도 미만을 달성하기 위해 합법적이거나 아마도 불법적인 전략을 사용했다는 증거가 나타났습니다. 실험실 테스트가 실제 주행을 반영하지 못한다는 점은 표준의 신뢰성 문제로 논쟁이 지속되는 이유도 설명해 줍니다.

건강 측면의 수치는 논쟁의 심각성을 보여줍니다. 독일에서 판매된 폭스바겐 차량의 과도한 배출이 약 1,200명의 조기 사망을 초래할 것으로 추정되었습니다. 2015년의 과도한 디젤 NOx 배출은 전 세계적으로 약 38,000명의 조기 사망과 연관되어 있으며, 이 부담의 대다수는 유럽에 있습니다. 유럽에서는 매년 약 10,000명이 법적 한도를 초과하는 디젤 차량 배출로 인해 조기 사망하고 있습니다. 2012년 도시의 NO2 노출이 유럽 대륙에서 약 75,000명의 조기 사망에 기여한 것으로 추정됩니다. 도로 교통 기원의 대기 오염이 EU에서 연간 670억~800억 유로의 건강 비용을 초래하는 것으로 추산됩니다.

NO2에 대한 장기 노출 관련 연구들은 전체 사망, 호흡기 및 심혈관 사망률, 그리고 어린이의 호흡기 증상 및 폐 기능 사이의 연관성을 보고하고 있습니다.
영국 대기 오염 의학적 영향 위원회(COMEAP)

추세가 항상 한 방향으로만 흐르는 것은 아닙니다. 2005~2023년 사이 EU에서 PM2.5에 기인한 사망자는 57% 감소했으며 2023년에는 55% 감축 목표가 달성되었습니다. 즉, 규제, 기술, 감독이 함께 작동할 때 측정 가능한 개선이 가능합니다. 해결책을 어디에서 찾아야 하는지에 대한 의견도 갈립니다. 한 접근법은 배출 제어 기술과 표준 시행에 초점을 맞추는 반면, 다른 견해는 가장 빠른 NOx 감축은 연료를 가장 많이 소비하는 차량 사용자를 전기차로 전환하는 데서 온다고 주장합니다.

NOx, CO 및 입자상 물질에 관한 자주 묻는 질문

PM2.5는 왜 PM10보다 더 위험한가?

답변은 크기에 숨겨져 있습니다. PM2.5 입자는 2.5마이크론 이하의 직경 덕분에 호흡기와 순환계 깊숙이 침투할 수 있습니다; PM10 같은 더 큰 입자는 이 깊이까지 도달하지 못합니다. 침투 깊이가 깊어질수록 세포 수준의 영향과 심혈관계로 이동할 위험이 높아집니다.

디젤과 가솔린 중 어느 쪽이 NOx를 더 많이 배출할까요?

디젤입니다. 디젤 엔진은 더 높은 온도와 압력, 산소가 풍부한 연소로 작동하기 때문에 더 많은 양의 NOx를 배출합니다. 이것이 디젤 NOx 제어에 SCR과 EGR 같은 추가 시스템이 필요한 이유이기도 합니다.

CO 중독의 증상은 무엇인가요?

초기 증상은 두통, 어지러움, 졸음, 메스꺼움이며; 증상이 진행되면 구토와 의식 상실이 나타납니다. CO는 무취 무색이기 때문에 증상이 나타날 때까지 노출 사실을 알아차리기 어렵습니다.

차량 내부 공기가 실제로 더 오염되어 있을 수 있나요?

네, 혼잡한 교통 상황에서 차량 안에서 흡입하는 공기는 같은 도로를 걷는 사람이 흡입하는 공기보다 나쁠 수 있습니다; 배기가스가 차량 내부로 직접 들어올 수 있습니다. 이것이 창문을 닫고 공기 순환 설정을 하는 것이 왜 중요한지에 대한 실질적인 증거입니다.

요약하자면: 배기가스에서 나오는 모든 오염물질에는 생성 메커니즘, 유해 경로, 그리고 이에 맞춰 설계된 해결책이 있습니다. NOx는 고온의, CO는 불완전 연소의, PM은 그을음의, HC는 미연소 연료의 서명입니다; 기준에서 이 넷을 각각 측정하기 때문에 어떤 기술이 왜 존재하는지 이해하기도 쉬워집니다.

출처