그을음
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1. 개요
그을음은 주로 탄화수소나 나무와 같은 유기 연료의 불완전 연소로 인해 생성되는 탄소 기반 입자를 의미한다. 그을음은 여러 과학 분야에서 다르게 정의되며, 카본 블랙, 블랙 카본과 같은 용어와 혼용되기도 하지만, 화학적, 물리적으로 구별된다. 그을음은 흑연과 다이아몬드의 나노 입자를 포함하며, 다환 방향족 탄화수소(PAH)를 포함하여 발암 물질로 분류되기도 한다. 그을음은 디젤 배기가스 오염의 주요 원인이며, 호흡기 질환, 심혈관 질환, 굴뚝 화재, 피부암 등을 유발할 수 있다. 그을음의 형성은 복잡한 화학적 및 물리적 과정을 거치며, 경험적, 반경험적, 상세한 이론적, 현상론적 모델을 통해 모델링된다. 과거에는 페인트, 구두약, 인쇄 잉크 등에 사용되었으며, 현재는 탄소 안료로 사용되기도 한다.
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| 그을음 | |
|---|---|
| 개요 | |
 | |
| 설명 | 탄화수소의 불완전 연소로 생성되는 검은색 탄소 입자 |
| 특성 | |
| 구성 | 주로 탄소, 소량의 산소, 수소, 질소 화합물 |
| 크기 | 직경 10nm ~ 10μm |
| 색상 | 검은색 또는 갈색 |
| 형태 | 다공성 응집체 |
| 발생 조건 | 산소 부족, 낮은 연소 온도 |
| 생성 과정 | |
| 1단계 | 연료의 열분해 및 탈수소화 |
| 2단계 | 방향족 화합물 형성 |
| 3단계 | 핵생성 및 표면 성장 |
| 4단계 | 응집 및 산화 |
| 발생 원인 | |
| 주요 원인 | 디젤 엔진 석탄 연소 바이오매스 연소 가정 난방 산업 공정 |
| 기타 원인 | 화재 담배 연기 화산 폭발 |
| 영향 | |
| 환경적 영향 | 대기 오염 유발 지구 온난화 가속 (블랙 카본) 빙하 감소 촉진 산성비 원인 물질 |
| 인체 건강 영향 | 호흡기 질환 악화 심혈관 질환 위험 증가 암 발생 가능성 증가 |
| 규제 | |
| 각국 규제 | 유럽 연합: 유로 배출 기준 미국: EPA 규제 대한민국: 수도권 대기 환경 개선에 관한 특별법 |
| 저감 기술 | 디젤 미립자 필터 (DPF) 촉매 변환기 연소 최적화 |
| 기타 정보 | |
| 관련 용어 | 매연 검댕 탄소 입자상 물질 (PM) |
| 주의사항 | 그을음은 건강과 환경에 유해하므로 발생을 줄이기 위한 노력이 필요함 |
2. 용어
과학계에서 그을음에 대한 정확한 정의는 분야 및 시간에 따라 다소 차이가 있다.
2. 1. 정의
그을음은 주로 탄화수소나 나무와 같은 유기 연료의 불완전 연소로 생성되는 탄소 기반 입자로 구성된다.[2] 일부 정의에서는 그을음을 순수 탄소질 입자로 한정하지만, 다른 정의에서는 황과 같은 비탄소 원소와 미량의 금속을 포함하는, 유기물 또는 화석 연료의 부분적인 연소로 인한 전체 입자 집합을 포함한다.[5][6][7][8] 연소뿐만 아니라 다른 고온 공정으로도 형성될 수 있다고 언급되기도 한다.[2]그을음은 처음 생성될 때 일반적으로 에어로졸 형태를 띤다. 시간이 지나면 표면에 가라앉는 경향이 있지만, 일부는 공기 중에 있는 동안 분해될 수 있다. 많은 정의에서 그을음은 검은색으로 간주되지만, 갈색 탄소를 포함하는 경우 중간색 또는 밝은 회색일 수 있다.[5][6][7][8]
"그을음", "카본 블랙", "블랙 카본"과 같은 용어는 종종 같은 의미로 사용되지만, 과학 문헌에서는 이들이 화학적, 물리적으로 구별되는 것을 지칭한다고 언급되기도 한다.[2][6][9]
2. 2. 관련 용어
"그을음", "카본 블랙", "블랙 카본"과 같은 용어는 종종 같은 의미로 사용되지만, 과학 문헌에서는 화학적, 물리적으로 구별되는 용어로 사용된다.[2][6][9]'''카본 블랙'''은 19세기부터 진행되어 온 산업적 생산의 일환으로, 탄소질 분말 물질을 지칭하는 용어이다. 카본 블랙은 거의 전적으로 원소 탄소로 구성되어 있다. 카본 블랙은 일반적인 그을음에서는 발견되지 않으며, 주로 특수 오일 퍼니스에서 제조를 위해 의도적으로 생산되는 특수한 그을음에서만 발견된다.[2][6]
'''블랙 카본'''은 20세기 후반 대기 과학자들 사이에서 생겨난 용어로, 강력한 빛 흡수성을 가진 탄소질 입자를 설명하기 위해 사용되었으며, 이는 상당한 기후 강제력 효과를 가지고 있다. 이는 단기적인 지구 온난화에 기여하는 정도가 CO2에 이어 두 번째이다. 이 용어는 때때로 그을음과 동의어로 사용되지만, 현재는 대기 과학에서 선호되며, 일부는 '빛 흡수 탄소'와 같은 보다 정확한 용어를 선호한다.[10] 카본 블랙과 달리, 블랙 카본은 의도하지 않게 생성된다. ''블랙 카본''의 화학적 조성은 훨씬 다양하며, 일반적으로 ''카본 블랙''에 비해 원소 탄소의 비율이 훨씬 낮다.[2][6] 일부 정의에 따르면, 블랙 카본은 숯을 포함하는데, 숯은 덩어리가 너무 커서 그을음과 같은 에어로졸 형태를 갖기 어렵다.[11]
3. 설명
기후 변화에 관한 정부간 패널(IPCC)은 그을음 입자를 "유기 증기의 불꽃 가장자리에서 가스가 냉각될 때 형성되는 입자로서, 주로 탄소로 구성되며, 카르복실 및 페놀 그룹으로 존재하는 소량의 산소와 수소를 함유하고 불완전한 흑연 구조를 나타낸다"라고 설명한다.[17] 그을음은 비정질 탄소의 분말 형태이며, 다환 방향족 탄화수소(PAH)를 포함한다.[1] 그을음 속의 PAH는 돌연변이 유발 물질이며,[19] 국제 암 연구 기구(IARC)에 의해 "인간에게 알려진 발암 물질"로 분류된다.[20] 그을음 입자는 금속 산화물 및 미네랄과 혼합될 수 있으며, 황산으로 코팅될 수 있다.[1][21]
4. 생성 메커니즘
그을음 형성 화학의 세부 사항은 아직 논란의 여지가 있지만, 몇 가지 합의된 사항이 있다.[1]
4. 1. 생성 과정
그을음 형성 화학의 많은 세부 사항은 아직 밝혀지지 않았고 논란의 여지가 있지만, 몇 가지 합의된 내용이 있다.[1]- 그을음은 몇 가지 전구체 또는 구성 요소로 시작된다.
- 무거운 분자의 핵형성이 일어나 입자를 형성한다.
- 입자의 표면 성장은 기체 분자의 흡착을 통해 진행된다.
- 반응성 입자 간 충돌을 통해 응집이 일어난다.
- 분자 및 그을음 입자의 산화는 그을음 형성을 감소시킨다.
연소에 의해 발생하는 그을음은 연료의 열분해 과정에서 산소가 부족했음을 나타내며, 연소 가스 중에서 유적이나 미분탄 중의 잔탄분이 중합되어 미연 상태로 배출된다. 그을음의 대부분은 탄소 원자로 구성되어 있으며, 이외에도 1~3% 정도의 수소를 포함하고, 연료의 순도가 떨어지는 경우에는 재분을 많이 포함한다.
그을음 생성 기구의 최초 분자 수준에서의 초기 상태에 관해서는, 주로 다음 3가지 설이 존재한다.
1. 다환 방향족 탄화수소(PAH)를 경유하여 생성된다.
2. 아세틸렌을 경유하여 생성된다.
3. C3H3+이나 CHO+와 같은 탄화수소 이온을 경유하여 생성된다.
초기에는 전하를 띤 거대 분자였던 것이 전기적으로 끌어당겨지면서 응축되고, 매우 미세한 액체 상태나 고체 상태가 된 입자끼리 충돌과 합체를 반복하면서, 탈수소 반응을 일으켜 수 nm ~ 수십 nm 정도의 고체 구상 입자로 성장해 간다. 구상 입자 상태에서 산화될 수도 있다. 이 구상 입자는 전하에 의해 구슬 꿰기처럼 연결되고, 이윽고 포도송이 모양으로 모여 수십 nm ~ 수백 nm 정도의 크기의 응집체를 만들어낸다. 이 응집체는 서로의 연도나 배기 경로 부근에 퇴적됨으로써 더욱 큰 입자의 매연이 된다.[30]
4. 2. 생성 기구 (일본어 위키백과)
초기에는 전하를 띤 거대 분자가 전기적으로 끌어당겨지면서 응축되고, 매우 미세한 액체나 고체 상태의 입자끼리 충돌과 합체를 반복하면서 탈수소 반응을 일으켜 수 nm(나노미터)에서 수십 nm 정도의 고체 구상 입자로 성장해 간다. 구상 입자는 산화될 수도 있다. 이 구상 입자는 전하에 의해 구슬 꿰기처럼 연결되고, 이윽고 포도송이 모양으로 모여 수십 nm에서 수백 nm 정도 크기의 응집체를 만들어낸다. 이 응집체는 연도나 배기 경로 부근에 퇴적되어 더 큰 입자의 매연이 된다[30].5. 위험성
그을음, 특히 디젤 배기가스 오염은 공기 중 유해 오염의 상당 부분을 차지한다.[12][22] 자동차나 공장의 배기가스에도 포함되어 주변에 쏟아져 내리며, 때로는 세탁물을 더럽히는 등 오염의 원인이 되기도 한다.
5. 1. 건강에 미치는 영향
디젤 연료 배출 성분 중 미세 입자는 호흡기에 직접적이고 광범위한 영향을 미쳐 인간 건강에 심각한 문제를 일으킨다. 이전에는 의료 전문가들이 PM10 (직경 < 10 μm)을 만성 폐 질환, 폐암, 인플루엔자, 천식, 그리고 증가된 사망률과 연관시켰다. 그러나 최근 과학 연구에 따르면 이러한 상관관계는 미세 입자(PM2.5) 및 초미세 입자(PM0.1)와 더 밀접하게 관련되어 있다고 한다.[1]그을음이 포함된 도시 대기 오염에 장기간 노출되면 관상 동맥 질환의 위험이 증가한다.[23]
디젤 배기가스 (DE)는 연소에서 발생하는 미립자 오염의 주요 원인이다.[12] 노출 챔버를 이용한 인간 실험 연구에서 DE는 급성 독성 혈관 기능 장애 및 증가된 혈전 형성과 연관되었다.[24][25] 이는 이전에 설명된 미립자 대기 오염과 증가된 심혈관 질환 및 사망률 사이의 연관성을 설명하는 그럴듯한 메커니즘적 연결 고리 역할을 한다.
그을음은 또한 하나 이상의 벽난로를 갖춘 가정의 굴뚝에서 형성되는 경향이 있다. 만약 많은 양의 그을음이 쌓이면 발화되어 굴뚝 화재를 일으킬 수 있다. 굴뚝 청소부의 정기적인 청소로 문제를 해결해야 한다.[26]
건강 피해에 관해서는, 단일 탄소 자체에는 독성이 없지만, 그 화합물인 다환 방향족 탄화수소(PAH)는 발암성을 가진 것이 많으며, 피부에 노출되면 굴뚝 청소부 암(피부암)을 일으킨다.
또한, 그을음은 미세 입자이므로 들이마시면 천식이나 폐암 등의 호흡기 질환의 원인이 된다.[28]
다른 유해 물질을 흡착함으로써, 인체에 미치는 영향이 커진다는 설도 있다.[30]
5. 2. 일본어 위키백과 내용
그을음, 특히 디젤 배기가스 오염은 공기 중의 전체 유해 오염의 4분의 1 이상을 차지한다.[12][22]
디젤 연료 배출 성분 중 미세 입자는 호흡기에 직접적이고 광범위한 영향을 미쳐 인간 건강에 심각한 우려를 낳고 있다. 이전에는 의료 전문가들이 PM10 (직경 < 10 μm)을 만성 폐 질환, 폐암, 인플루엔자, 천식, 그리고 증가된 사망률과 연관시켰으나, 최근 과학 연구에 따르면 이러한 상관관계는 미세 입자(PM2.5) 및 초미세 입자(PM0.1)와 더 밀접하게 관련되어 있다고 한다.[1]
그을음이 포함된 도시 대기 오염에 장기간 노출되면 관상 동맥 질환의 위험이 증가한다.[23] 디젤 배기가스 (DE)는 연소에서 발생하는 미립자 오염의 주요 원인이다.[12] 노출 챔버를 이용한 인간 실험 연구에서 DE는 급성 독성 혈관 기능 장애 및 증가된 혈전 형성과 연관되었다.[24][25] 이는 이전에 설명된 미립자 대기 오염과 증가된 심혈관 질환 및 사망률 사이의 연관성을 설명하는 그럴듯한 메커니즘적 연결 고리 역할을 한다.
그을음은 벽난로를 갖춘 가정의 굴뚝에서 형성되는 경향이 있다. 많은 양의 그을음이 쌓이면 발화되어 굴뚝 화재를 일으킬 수 있다. 굴뚝 청소부의 정기적인 청소로 문제를 해결해야 한다.[26] 그을음은 자동차나 공장의 배기가스에도 포함되어 모든 것에 쏟아져 내리며, 때로는 세탁물을 더럽히거나 오염의 원인이 되므로 혐오감을 산다.
건강 피해와 관련하여, 단일 탄소 자체에는 독성이 없지만, 그 화합물인 PAH는 발암성을 가진 것이 많으며, 피부에 노출되면 굴뚝 청소부 암(피부암)을 일으킨다. 그을음은 미세 입자이므로 들이마시면 천식이나 폐암 등의 호흡기 질환의 원인이 된다.[28] 또한 다른 유해 물질을 흡착함으로써, 인체에 미치는 영향이 커진다는 설도 있다.[30]
구성 요소로 블랙 카본을 포함하며, 환경 오염의 맥락에서는 거의 동의어로 취급된다.
6. 그을음 모델링
그을음 메커니즘은 디젤 연료의 많은 주요 성분, 복잡한 연소 메커니즘, 그리고 그을음 형성 동안의 불균일한 상호 작용 때문에 수학적으로 모델링하기 어렵다.[1] 그을음 모델은 크게 경험적 모델, 반경험적 모델, 상세한 이론적 메커니즘, 현상학적 모델로 분류할 수 있다. 포괄적인 모델(상세 모델)은 일반적으로 경험적 또는 반경험적 모델보다 훨씬 더 복잡하기 때문에 계산 비용이 많이 들고 속도가 느리다. 최근 계산 기술의 발전 덕분에 상세한 이론적 모델을 사용하고 더 현실적인 결과를 얻는 것이 더 가능해졌지만, 포괄적인 이론적 모델의 추가 발전은 형성 메커니즘 모델링의 정확성에 의해 제한된다.[1]
6. 1. 모델 종류
- 경험적 모델: 실험 데이터의 상관 관계를 사용하여 그을음 생성 경향을 예측한다. 구현이 쉽지만, 그을음 생성의 근본적인 메커니즘을 조사하는 데는 사용할 수 없다. 따라서 작동 조건의 변화를 처리하기에 충분히 유연하지 않으며, 특정 조건에서 이전에 설정된 실험을 테스트하는 데만 유용하다.[1]
- 반경험적 모델: 실험 데이터를 사용하여 보정된 속도 방정식을 푼다. 주로 그을음 형성 및 산화에서 화학 반응을 단순화하여 계산 비용을 줄인다. 화학 메커니즘의 크기를 줄이고 아세틸렌과 같은 더 간단한 분자를 전구체로 사용한다.[1]
- 상세한 이론적 메커니즘: 수백 개의 화학 반응을 포함하는 광범위한 화학 메커니즘을 사용하여 그을음의 농도를 예측한다. 상세한 화학적 및 물리적 프로세스를 높은 수준으로 포함하여 그을음 형성에 존재하는 모든 구성 요소를 포함한다.[1]
- 현상론적 모델: 기본 이론과 일치하는 방식으로 경험적으로 관찰된 현상을 상관시킨다. 연소 과정에서 관찰된 다양한 프로세스(또는 현상)를 설명하기 위해 분무 모델, 리프트오프 모델, 열 방출 모델, 점화 지연 모델 등의 하위 모델을 사용한다. 이러한 하위 모델은 관찰에서 경험적으로 개발하거나 기본 물리적 및 화학적 관계를 사용하여 개발할 수 있다. 상대적인 단순성에 비해 정확하며, 특히 모델 매개변수의 정확도가 낮은 경우 유용하다. 경험적 모델과 달리 여러 작동 조건이 변경될 때 합리적인 결과를 생성할 수 있을 만큼 유연하다.[1]
7. 응용
과거에는 그을음이 예술용 페인트와 구두약 제조에 사용되었고, 러시아 가죽을 검게 칠하는 데에도 사용되었다.[27] 인쇄기의 등장과 함께 20세기까지 인쇄 잉크에도 사용되었다.[27]
7. 1. 일본어 위키백과 내용
그을음은 탄소를 주성분으로 하는 안료로 사용된다.[29] 서화에 사용되는 먹은 그을음을 원료로 만들어진다. 제묵 원료의 그을음은 유연매와 송연매로 크게 나뉜다.[29] 작은 집 내부에서 양초나 채종유를 사용한 등명, 송진을 많이 포함한 소나무 등명 등을 태워, 내부에 쌓인 그을음을 아교 등으로 굳힌 것이다.[30] 같은 양초의 연소로부터 친수성과 소수성의 그을음 미립자막을 모두 만들 수 있다는 것이 보고되었다.[31]8. 연소에 대한 기여 (일본어 위키백과)
보일러 등에서 화염 속에 일시적으로 생기는 그을음은 열선을 방출함으로써 연소에 기여한다.
연소 시 OH, CH, C2와 같은 라디칼이 방출하는 화학 발광의 파장은 청색이나 자외선 영역의 좁은 밴드로 발광하는 경우가 많아 가열원으로는 그다지 유효하지 않지만, 고온의 고체인 그을음이 방출하는 적외선 영역의 연속 스펙트럼에서의 방사광이 주변의 연료를 복사열로 가열함으로써 연소를 돕는 역할을 한다. 이러한 불꽃을 휘염이라고 부르며, 그을음을 전혀 생성하지 않는 불휘염과 비교하면 강력한 적외선을 방사한다.[30]
참조
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