이상기체법칙의 기타 응용

대기오염 공학도에게 이상기체의 법칙은 매우 중요하다.

 

연방정부와 주정부 법은 올바른 환경공학적 설계와 오염저감장치의 가동을 요구하고 있으며, 뿐만 아니라 오염물질과 환경의 매개변수에 대해 주의 깊은 분석과 정확한 측정을 요구하고 있다. 설계 및 계산과정에서 이상기체 법칙을 완전히 이해한 공학도들은 짧은 시간에 더욱 정확한 결과를 얻을 수 있다. 본 절에서는 예제를 이용하여 이상기체 법칙의 여러 가지 응용을 살펴보고자 한다.

 

배출가스의 채취는 이상기체법칙의 이해와 함께 중요한 부분이며, 유속 측정장치 역시 중요하다. 부적절하게 운영되는 장치들은 잘못된 설계 때문이라기보다 대부분 잘못된 시료채취기술 때문이다. 기체 시료의 채취에서 고려해야 할 중요한 사항은 장비의 보정, 가스의 누출, 시료의 취급, 공정 작업의 변동 및 표본 시료의 채취 등이다.

 

보통 산업장 및 실험실에서, 벤튜리 장치의 응용은 확실한 단점을 가지고 있다. 일단, 벤튜리는 가격이 비싸며, 유속의 변화에 대해서 상대적으로 유연하지 못하며, 넓은 공간을 필요로 한다. 오리피스 장치는 이러한 단점을 극복할 수 있으나, 내구압력 손실이 큰 단점이 있다.

 

오리피스 장치는 관의 직선방향에 판이 있고, 이 판은 동심원적으로 정교하고, 끝에 날카로운 구멍이 뚫려 있다. 압력을 측정할 수 있는 꼭지가 오리피스 판 양쪽에 달려있다. 오리피스 장치의 작동원리벤튜리와 동일하다. 유체의 흐름 면적을 감소시키면 유속은 증가하게 되며, 이로 인해 정압은 감소하게 된다. 하지만 오리피스 계수는 벤츄리 계수보다도 더욱 경험에 의존하며, 각 경우마다 실험적으로 결정되어야 한다.

 

* 원인, 오염원, 그리고 영향

 

주요 오염물질의 원인, 오염원, 그리고 영향에 관해 간단히 논하고자 한다. 오염원은 지역적인데 반해 원인은 기본적인 문제이므로, 원인은 오염원과는 구분된다. 즉 원인은 왜 또는 어떻게 오염물질이 생성되는지를 설명하고 오염원은 어떤 형태의 공정, 산업, 장치에서 오염물이 배출되는지를 설명한다. 미국에서 5개의 주요 1차 오염물질에 대한 주요 오염원의 배출량을 조사한 것이다.

 

주요 관점은 고정오염원에서 배출되는 대기오염물질의 제어이다. 자동차와 관련한 대기오염에 대해서는 비교적 적게 다루고 있다. 그렇다고 해서, 고속도로의 차량 대기오염이 중요하지 않다는 뜻은 아니다. 국제적으로 이동오염의 심각성은 산업장 오염보다도 급속히 대두되고 있다. 특히 아시아와 남아메리카의 차량 증가속도가 통상적 인구 증가 속도보다 빠르다는 것을 지적하고 있다. 따라서 이동오염원에서 야기되는 대기오염 문제는 매년 심각성이 증대될 것이다. 전 세계 국가에서 자동차 오염은 전체 대기오염 배출량의 10~60%를 차지하고 있는 것으로 판단된다. 도심지일수록 이 비율은 더욱 크다.

 

산업장에서의 대기오염 방지장치에 주로 초점을 맞추고 있지만, 자동차 대기오염과 그에 대한 제어방법에 대해 깊이있게 다룰 것이다. 우리는 자동차 오염제어장치의 설계가 특수분야이고, 주로 자동차 생산공정에 한정되어 있음을 알고 있다. 따라서 이동오염원의 취급범위는 제한될 수밖에 없다.

 

* 분진

 

분진은 배출가스 중에 부유하는 매우 작은 크기의 고체 또는 액체로서 공기 중으로 배출된다. 분진은 두가지 기본과정에 의해 생성된다. 광석의 마모, 또는 분쇄공정, 건자재의 운반과정 등과 같은 물질 취급공정은 분진을 생성시킨다. 또한, 연소과정은 불연성의 재나 불완전연소로 인한 검댕 등과 같은 미세분진을 배출한다.

 

분진은 대기 중에서, 이전에 배출된 특정가스상 오염물질간의 변환 반응을 통해서도 생성된다. 분진의 주요 오염배출원으로는 산업공정, 석탄과 석유를 사용하는 발전소, 가정에서의 연료 연소, 그리고 도로의  차량 등이 있다.

 

분진의 영향은 스모그나 박무에 의한 가시도의 감소, 건물의 더럽힘, 물질의 부식과 침식, 지역적 기상변화 등의 피해를 들 수 있다. 또한 분진은 사람과 동물의 건강에 피해를 주고 식물의 성장을 방해한다.

 

물체가 눈에 보이는 것은 배경과 대조되기 때문이다. 물체와 관찰자 사이의 거리가 증가하면 겉보기 대조현상은 감소한다. 분진의 농도가 높아지면 빛을 산란 및 흡수하여 가시도를 감소시킨다.

 

미세입자는 미국 서부의 국립공원을 포함하여 여러나라 곳곳에서 시정 감소에 큰 영향을 주는 물질이다. 최근에 연구되고 있는 시정에 대한 모사 연구에 의하면, 분진의 크기와 빛의 소광 계수 간의 관계가 잘 나타나 있다. 그러나 가스상 오염물질의 배출량과 2차 분진의 형성과의 관계 및 풍하측에 위치한 수용체에서의 농도와 상관성은 아직 규명되지 못하고 있다.

 

오염된 도시대기 중 분진은 안개의 형성을 증가시키고 오랜 시간 지속시킨다. 거시적으로 보면 분진농도의 증가로 태양에너지는 지표면에 도달하기 전에 반사되고 산란된다. 강수량의 증가 현상도 분진의 영향이다.

 

분진의 강하는 건축물과 유적의 미적감각을 퇴조시켜, 건축물과 자재들에 더욱 빈번한 청소와 페인트칠이 요구된다. 또한, 분진은 산성가스와 같은 기타 오염물질의 화학적 영향을 크게 하여 부식도를 증가시킨다. 시멘트로의 먼지가 식물에 쌓이면 잎이 손상되며, 특히 습한 환경에서는 그 피해 정도가 더욱 심하다.

 

대기 중 분진은 여러 경로를 통해 인체에 영향을 준다. 어떤 오염물은 독성이거나 발암 성일 수도 있다. 분진은 화학물질을 흡착하여 장시간 동안 폐포에 침착되어 화학물의 영향을 가중시킨다. 호흡기 계통에 주는 분진의 물리적 영향도 매우 심각하다.

 

분진이 폐에 손상을 주기 위해서는 사람의 호흡기에 침투해야 한다. 일반적으로 거대분진들은 폐 속 깊숙이 침투하지 못한다. 이 크기의 분진은 코털에 의해 차단되거나 코나 입의 통로나 기관지 내의 점막 위에 침착된다. 일단 이러한 점막에 포획되면, 불용성 분진은 점액 분비세포와 섬모 세포들의 운동으로 빠르게 후두부로 운반된다. 거기서 분진들은 삼켜지거나 뱉어지게 된다.

 

인체의 건강에 대한 분지의 영향을 정량화 한다는 것은 매우 어렵다. 많은 역학적 연구가 수행되었고, 다른 오염물질들도 분진과 함께 영향을 준다. SO2 농도가 높을 때, TSP 농도와 기관지염, 천식, 기종, 폐렴, 심장병 등으로 병원을 찾는 것 사이에는 직접적인 상관관계가 있다. 또한 , 호흡기 또는 심장병을 앓는 노인들에게는 분진의 농도가 여러 날 동안 높을 때 평균 사망률이 현저하게 높았다. 건강에 대한 분진의 영향을 정량화하기 위해서는 더욱 많은 연구가 필요하다.