미세먼지는 어디에서 만들어질까?

미세먼지는 어디에서 만들어질까?

배기가스보다 더 복잡한 미세먼지의 성분과 2차 생성과정

미세먼지가 심한 날이면 우리는 흔히 자동차 배기가스나 공장 굴뚝에서 나오는 연기를 먼저 떠올립니다.

물론 자동차, 발전시설, 공장과 같은 배출원은 미세먼지 발생에 중요한 영향을 미칩니다. 하지만 실제 대기 중에서 측정되는 미세먼지의 상당 부분은 배출원에서 입자 형태로 바로 나온 것이 아닙니다.

자동차와 산업시설 등에서 배출된 질소산화물, 황산화물, 휘발성 유기화합물, 암모니아와 같은 기체상 물질이 대기 중에서 화학반응을 일으키며 새로운 입자로 전환​되기도 합니다.

이처럼 미세먼지를 제대로 이해하려면 단순히 “먼지가 어디에서 나오는가”만 볼 것이 아니라, 어떤 성분으로 이루어져 있고 공기 중에서 어떻게 생성되는지까지 살펴봐야 합니다.

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1. 미세먼지는 하나의 물질이 아니다

미세먼지는 특정한 하나의 화학물질을 의미하지 않습니다.

발생 지역과 계절, 기온, 습도, 풍속 및 주변 오염원에 따라 여러 성분이 섞여 있는 복합적인 입자상 물질입니다.

한국공기청정협회 실내환경정보센터에 따르면 미세먼지의 주요 성분은 다음과 같이 구분할 수 있습니다.

대기 중 화학반응으로 생성된 무기성분

한국공기청정협회 - 실내환경정보센터 발췌

대표적인 성분은 다음과 같습니다.

• 황산염
• 질산염
• 암모늄

이 성분들은 주로 발전시설, 산업시설, 자동차 및 농축산 활동 등에서 배출된 기체상 오염물질이 대기 중에서 반응해 만들어집니다.

탄소류와 검댕

석탄, 석유, 경유, 목재와 같은 연료가 완전하게 연소되지 않을 때 탄소 성분과 검댕이 발생할 수 있습니다.

특히 디젤 자동차 배기가스, 산업 연소시설, 난방, 소각 및 산불 등의 영향을 받을 수 있습니다.

광물성분

도로, 공사장, 빈 땅과 같은 곳에서 발생한 흙먼지에는 규소, 알루미늄, 칼슘, 철과 같은 광물성분이 포함될 수 있습니다.

차량이 이동하면서 도로 위 먼지가 다시 공기 중으로 날리는 재비산먼지도 여기에 포함됩니다.

한국공기청정협회 - 실내환경정보센터 발췌

한국공기청정협회가 소개한 전국 6개 주요 지역의 측정 결과에서는 황산염과 질산염 등을 포함한 대기오염물질 덩어리가 약 58.3%로 가장 높은 비율을 차지했습니다. 탄소류와 검댕은 16.8%, 광물성분은 6.3%로 제시됐습니다. 다만 이 비율은 측정 시기와 지역, 기상조건에 따라 달라질 수 있습니다.

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2. 미세먼지 발생원은 자연적 발생원과 인위적 발생원으로 나뉜다

한국공기청정협회 - 실내환경정보센터 발췌

미세먼지는 인간의 활동으로만 발생하는 것은 아닙니다.

자연환경에서도 다양한 입자들이 공기 중으로 방출됩니다.

자연적 발생원

대표적인 자연적 발생원은 다음과 같습니다.

• 바람에 날리는 흙먼지
• 바닷물에서 유래한 해염입자
• 식물의 꽃가루
• 산불에서 발생하는 연기
• 화산활동에서 방출되는 입자

특히 바다에서 발생한 작은 물방울이 증발하면 소금 성분이 입자로 남아 대기 중에 부유할 수 있습니다.

인위적 발생원

인간의 활동으로 발생하는 대표적인 오염원에는 다음이 있습니다.

• 자동차 배기가스
• 석탄·석유·가스 연소시설
• 발전소와 산업시설
• 건설현장의 날림먼지
• 도로 재비산먼지
• 폐기물 및 농업 잔재물 소각
• 가정과 상업시설의 난방
• 음식 조리 과정

중요한 점은 이러한 배출원에서 항상 미세먼지 입자만 직접 나오는 것은 아니라는 것입니다.

많은 경우 미세먼지를 만들 수 있는 전구물질이 기체 상태로 먼저 배출됩니다.

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3. 직접 배출되는 1차 미세먼지

공장 굴뚝, 자동차, 공사장 또는 소각시설 등에서 입자 상태로 직접 배출되는 미세먼지를 흔히 1차 생성 미세먼지라고 합니다.

대표적인 사례는 다음과 같습니다.

• 디젤엔진에서 발생하는 검댕
• 연료 연소과정에서 발생하는 재와 탄소입자
• 건설현장과 도로에서 발생하는 날림먼지
• 금속 및 분말 원료 취급공정에서 발생하는 입자
• 산불이나 폐기물 소각에서 발생하는 연기 입자

이러한 입자는 발생원에서 배출되는 순간부터 이미 고체 또는 액체 상태의 입자로 존재합니다.

하지만 미세먼지 문제를 이해할 때 더욱 주목해야 할 부분은 공기 중에서 새롭게 만들어지는 2차 생성 미세먼지입니다.

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4. 공기 중에서 만들어지는 2차 미세먼지

한국공기청정협회 - 실내환경정보센터 발췌

2차 생성 미세먼지는 배출원에서 입자로 직접 나온 것이 아닙니다.

자동차나 산업시설 등에서 기체 상태로 배출된 물질이 대기 중에서 산화되고, 다른 물질과 결합하면서 입자로 전환된 것입니다.

한국공기청정협회는 수도권에서 화학반응에 의한 2차 생성이 초미세먼지 발생의 상당한 비중을 차지한다고 설명합니다.

이 과정에 관여하는 주요 전구물질은 다음과 같습니다.

전구물질대표적인 배출원생성되는 주요 입자성분

질소산화물, NOx	자동차, 발전소, 보일러, 산업 연소시설	질산염
황산화물, SOx	석탄·석유 연소, 발전시설, 산업시설	황산염
암모니아, NH₃	축산, 농업, 비료, 폐기물 및 일부 산업활동	질산암모늄·황산암모늄
휘발성 유기화합물, VOCs	자동차, 도장, 용제, 주유소, 산업공정	2차 유기에어로졸

즉 자동차에서 질소산화물이 배출되고 축산이나 농업활동에서 암모니아가 배출됐다면, 서로 멀리 떨어진 배출원에서 나온 물질도 공기 중에서 만나 미세먼지를 만들 수 있습니다.

이 때문에 미세먼지 관리는 굴뚝에서 나오는 먼지만 제거하는 방식으로는 충분하지 않습니다.

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5. 질소산화물이 질산염 미세먼지가 되는 과정

자동차와 연소시설에서는 일산화질소와 이산화질소를 포함한 질소산화물이 발생합니다.

배출된 질소산화물은 대기 중의 오존과 산화성 물질, 수분 등의 영향을 받아 질산으로 전환될 수 있습니다.

이를 단순화하면 다음과 같이 이해할 수 있습니다.

질소산화물 → 질산 → 암모니아와 반응 → 질산암모늄 입자 생성

생성된 질산은 대기 중 암모니아와 반응해 질산암모늄을 만들 수 있습니다.

한국공기청정협회-실내환경정보센터 발췌

여기서

• HNO_3: 질산
• NH_3: 암모니아
• NH_4NO_3: 질산암모늄

질산암모늄은 온도와 습도에 따라 기체와 입자 상태 사이의 평형이 달라집니다.

일반적으로 기온이 낮고 암모니아와 질산 성분이 충분하면 입자 상태로 존재하기 유리해질 수 있습니다. 따라서 겨울철 고농도 미세먼지에서 질산염이 중요한 성분으로 관찰되기도 합니다.

서울시 분석을 다룬 연합뉴스 기사에서도 질소산화물과 암모니아 배출이 증가하면 2차 질산암모늄 생성에 유리한 환경이 조성될 수 있다고 설명했습니다.

▶ 관련 기사
서울시 “시내 초미세먼지 국내 원인 58%로 증가” — 연합뉴스

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6. 황산화물이 황산염 미세먼지가 되는 과정

석탄이나 석유처럼 황 성분이 포함된 연료를 연소하면 이산화황을 비롯한 황산화물이 배출될 수 있습니다.

대기 중으로 나온 이산화황은 산화과정을 거쳐 황산으로 전환되고, 이후 암모니아와 반응해 황산암모늄과 같은 입자성 물질을 형성할 수 있습니다.

전체 과정을 간단히 표현하면 다음과 같습니다.

이산화황 → 황산 → 암모니아와 반응 → 황산암모늄 입자 생성

대표적인 반응은 다음과 같이 나타낼 수 있습니다.

[H2SO4 + 2NH3 => (NH4)2SO4]

여기서

• H2SO4: 황산
• NH3: 암모니아
• (NH4)2SO4: 황산암모늄

황산염과 질산염은 수분을 흡수하는 성질이 있기 때문에 습도가 높아지면 입자에 물이 결합해 크기와 질량농도가 증가할 수 있습니다.

따라서 동일한 양의 오염물질이 배출되더라도 습도와 대기 정체 조건에 따라 실제 측정되는 미세먼지 농도는 크게 달라질 수 있습니다.

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7. 휘발성 유기화합물은 2차 유기에어로졸을 만든다

휘발성 유기화합물은 도장작업, 유기용제, 자동차 배기가스, 주유소 유증기, 산업공정 및 식생 등 다양한 발생원에서 배출됩니다.

이 물질들은 기체 상태로 존재하지만 대기 중의 하이드록실 라디칼, 오존, 질산 라디칼과 반응하면서 산화됩니다.

산화과정을 거치면 원래 물질보다 휘발성이 낮은 물질이 생성될 수 있습니다.

휘발성이 충분히 낮아진 물질은 기존 입자 표면에 응축되거나 새로운 입자의 형성에 참여합니다. 이렇게 만들어진 입자성 유기물질을 2차 유기에어로졸, 즉 SOA라고 합니다.

과정을 간단히 정리하면 다음과 같습니다.

VOCs 배출 → 대기 중 산화반응 → 휘발성 감소 → 응축 또는 입자 생성 → 2차 유기에어로졸

여름철에는 강한 햇빛과 높은 기온으로 광화학반응이 활발해질 수 있어 VOCs와 질소산화물 관리가 미세먼지뿐 아니라 오존 관리에서도 중요합니다.

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8. 국외 유입과 국내 배출은 서로 별개의 문제가 아니다

미세먼지 논쟁에서는 국내 발생과 국외 유입을 서로 완전히 분리해서 생각하기 쉽습니다.

하지만 실제 대기에서는 두 요인이 동시에 작용할 수 있습니다.

연합뉴스가 소개한 한국과학기술연구원 연구에 따르면 수분과 황산염, 질산염 등을 포함한 국외 유입 입자가 국내 대기오염물질과 만날 경우 추가적인 2차 생성이 일어날 수 있습니다.

연구에서는 국외 미세먼지 유입과 국내 대기 정체가 동시에 나타난 조건에서 초미세먼지 농도가 더욱 높아졌으며, 국내에서 배출된 질소산화물이 수분을 포함한 입자와 반응해 질산염 생성을 증가시킬 수 있는 메커니즘이 제시됐습니다.

즉 국외에서 이동해 온 입자가 국내 배출물질과 만나 농도를 더욱 높이는 복합상승효과가 발생할 수 있다는 의미입니다.

▶ 관련 기사
“중국발 미세먼지+국내 오염물질, 초미세먼지 농도 배 이상 높여” — 연합뉴스

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9. 암모니아가 중요한 이유

암모니아는 일반적으로 미세먼지를 떠올릴 때 자동차 배기가스나 공장 매연보다 관심을 덜 받는 물질입니다.

그러나 암모니아는 질산과 황산을 중화해 질산암모늄과 황산암모늄을 형성하는 핵심 전구물질입니다.

주요 배출원은 다음과 같습니다.

• 축산 분뇨
• 비료 사용
• 농경지
• 폐기물 처리
• 하수처리시설
• 일부 산업공정
• 자동차 배출가스 저감장치의 암모니아 슬립

질소산화물이나 황산화물의 배출을 줄이는 것과 함께 암모니아 배출량을 관리해야 2차 무기 미세먼지를 효과적으로 감소시킬 수 있습니다.

한겨레가 소개한 국내 연구에서도 황산염은 감소했지만 질산염이 증가하면서 미세먼지 농도 개선 효과가 제한될 수 있으며, 국내에서 배출된 암모니아가 질산염 형성에 관여할 가능성이 제기됐습니다.

▶ 관련 기사
자동차 미세먼지 배출 ‘진범’은 따로 있다 — 한겨레

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10. 기상조건에 따라 2차 생성이 달라진다

미세먼지 농도는 배출량만으로 결정되지 않습니다.

같은 양의 오염물질이 배출되더라도 기상조건에 따라 농도와 화학적 조성이 크게 달라질 수 있습니다.

풍속이 약할 때

바람이 약하면 오염물질이 외부로 확산되지 못하고 한 지역에 축적됩니다.

이 상태가 지속되면 전구물질이 대기 중에 오래 머물면서 화학반응이 진행될 시간도 늘어날 수 있습니다.

대기가 정체될 때

대기 혼합층의 높이가 낮아지면 오염물질이 지표면 부근의 좁은 공간에 갇히게 됩니다.

배출량이 크게 증가하지 않아도 농도가 높아질 수 있는 이유입니다.

습도가 높을 때

입자 표면이나 입자 내부의 수분은 황산염과 질산염 생성에 관여하는 화학반응의 공간으로 작용할 수 있습니다.

또한 황산염, 질산염, 암모늄과 같은 흡습성 성분이 물을 흡수하면 입자의 크기와 질량이 증가합니다.

햇빛이 강할 때

강한 햇빛은 광화학반응을 촉진합니다.

질소산화물과 휘발성 유기화합물이 관련된 산화반응이 활발해지면서 오존과 2차 유기에어로졸 생성에 영향을 줄 수 있습니다.

따라서 미세먼지 예보에서는 단순한 배출량뿐 아니라 풍속, 기온, 습도, 일사량과 대기 정체 여부를 함께 살펴봐야 합니다.

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11. 실내에서도 미세먼지가 발생한다

미세먼지는 외부에서만 들어오는 것이 아닙니다.

실내에서는 음식 조리가 대표적인 입자 발생원입니다.

특히 기름을 사용하는 다음과 같은 조리과정에서 많은 입자가 발생할 수 있습니다.

한국공기청정협회-실내환경정보센터 발췌

• 굽기
• 튀기기
• 볶기
• 직화구이
• 고온으로 기름 가열하기

조리할 때는 식재료의 수분, 기름, 지방 및 유기성분이 높은 온도에서 증발하거나 열분해됩니다.

이후 온도가 낮아지면서 증기가 응축해 작은 액적이나 입자를 만들고, 입자끼리 충돌하고 결합하면서 크기가 변할 수 있습니다.

한국공기청정협회는 기름을 사용하는 굽기와 튀김이 삶기보다 미세먼지를 많이 발생시키며, 조리 중 실내 농도가 평상시보다 크게 증가할 수 있다고 설명합니다.

실내 조리 미세먼지를 줄이기 위해서는 조리 중과 조리 후에 레인지후드를 충분히 작동하고, 외부 미세먼지 농도를 확인한 뒤 창문 환기를 병행하는 것이 좋습니다.

중요한 것은 조리가 끝난 직후 레인지후드를 바로 끄지 않고 일정 시간 추가로 가동하는 것입니다.

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12. 미세먼지 관리는 입자와 전구물질을 함께 줄여야 한다

미세먼지를 줄이기 위해서는 이미 만들어진 입자만 관리해서는 충분하지 않습니다.

다음 오염물질을 함께 관리해야 합니다.

• 직접 배출되는 입자상 물질
• 질소산화물
• 황산화물
• 암모니아
• 휘발성 유기화합물

자동차의 질소산화물만 줄이거나 공장의 황산화물만 줄이는 단일 대책보다, 지역과 계절에 따라 주요 전구물질의 배출원을 파악하고 통합적으로 관리하는 접근이 필요합니다.

특히 2차 생성 미세먼지는 배출원과 생성 장소가 서로 다를 수 있습니다.

한 지역에서 배출된 기체가 바람을 따라 이동한 뒤 다른 지역의 오염물질과 반응해 입자가 될 수 있기 때문입니다.

이것이 미세먼지 문제가 특정 공장이나 자동차 한 종류만의 문제가 아니라, 교통·산업·발전·농축산·생활 부문이 복합적으로 연결된 환경문제인 이유입니다.

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마무리

미세먼지는 단순히 공중에 떠 있는 작은 흙먼지가 아닙니다.

그 안에는 연료 연소에서 발생한 탄소성분, 도로와 토양에서 유래한 광물성분, 그리고 질소산화물·황산화물·암모니아·휘발성 유기화합물의 화학반응으로 만들어진 질산염, 황산염, 암모늄 및 유기성분이 함께 들어 있습니다.

특히 주목해야 할 부분은 배출될 당시에는 기체였던 물질이 대기 중에서 새로운 입자로 바뀌는 2차 생성과정입니다.

따라서 미세먼지를 효과적으로 줄이기 위해서는 눈에 보이는 연기와 먼지만 제거하는 것이 아니라, 입자 생성의 원료가 되는 기체상 전구물질까지 함께 관리해야 합니다.

미세먼지가 심한 날의 뿌연 하늘은 어느 한 배출원에서 나온 먼지 하나가 아니라, 다양한 오염물질과 기상조건, 장거리 이동 및 대기 중 화학반응이 만들어낸 복합적인 결과입니다.

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참고자료 및 관련 기사

• 한국공기청정협회 실내환경정보센터 – 미세먼지의 성분과 발생원
• 서울시 “시내 초미세먼지 국내 원인 58%로 증가” – 연합뉴스
• “중국발 미세먼지+국내 오염물질, 초미세먼지 농도 배 이상 높여” – 연합뉴스
• 자동차 미세먼지 배출 ‘진범’은 따로 있다 – 한겨레
• 일상을 침범한 환경문제, 미세먼지 바로 알기 – YTN 사이언스

※ 본문은 한국공기청정협회 실내환경정보센터 자료를 중심으로 작성했으며, 세부적인 성분 비율과 발생 기여도는 측정 지역, 계절, 기상조건 및 분석방법에 따라 달라질 수 있습니다.