다이옥신과 이산화탄소의 상관 관계(feat. 스토커 방식이 왜 안되는가?)

BGM : Matrix OST, Rob Zombie - Dragula [Hot Ro Herman Remix]

https://www.youtube.com/watch?v=fwgNscjpHn4 

현실을 직시하는 것은 매우 어려운 일이다. 당신은 그것을 알면서도 빨간약을 선택할 것인가?

이번 포스팅은 쓰레기 소각장에서 발생되는 다이옥신(Dioxin)과 이산화탄소 간의 상관관계와 완전 연소와 불완전 연소에 대한 글이다. 필자는 화학 전공자가 아니다. 단지 공과대학을 전공하면서 배웠던 전공필수 수준의 열역학 지식과 고등학교 시절에 배운 화학 관련 지식만을 활용하여 설명하고자 한다. 필자의 해당 포스팅의 목적은 완전 연소와 불완전 연소의 정의를 이해하고 다이옥신과 이산화탄소 간 상관관계를 분석하며 왜 스토커 방식의 생활폐기물 소각장이 문제가 되는지 파악하고자 한다.

 

PS. 완전 연소는 이상적인 연소 현상이므로 현대의 기술로는 구현할 수 없다. 즉, 소각을 하게되면 발암 물질 발생은 필연적이라는 뜻이다. 그러나 완전 연소에 가깝게 소각하면 그나마 발암 물질 발생량을 최소화 할 수 있다.

 

완전연소와 불완전연소

완전 연소(Complete Combustion)란 가장 이상적인 연소 현상을 말한다. 완전 연소가 되면 물질이 모두 산화되어 이산화탄소와 물을 발생시킨다. 불꽃을 바라보았을 때 푸른 불꽃을 이루는 부분은 완전 연소이다. 여기서 연소란 물질이 산소와 화학반응을 일으켜 다량의 열과 빛을 발하는 현상으로 소위 불로 태우는 현상을 말한다. 완전 연소는 위에서 언급한 바와 같이 가장 이상적인 연소 현상이므로 자연계에서 이를 이루는 것은 불가능에 가깝다. 그러나 우리는 완전 연소 조건에 대하여 이해하고 넘어가야 한다.

 

연소의 4요소는 바로 연료, 발화점 이상의 온도, 충분한 산소 그리고 연쇄반응이다. 이를 쓰레기 소각장에 대입해 보자. 연료는 쓰레기가 된다. 발화점 이상의 온도는 바로 쓰레기 소각장의 방식을 뜻한다. 충분한 산소 공급 역시 소각장의 방식과 동등하다. 많은 쓰레기를 태우기 위해서는 더 많은 산소가 필요하므로 산소를 공급하기 위한 특별한 장치와 설비가 필요하다는 것을 우리는 알 수 있다.

 

완전 연소의 조건과 요소는 아래와 같다.

 

첫 째, 특정 물질을 태우는 충분한 산소가 공급되어야 한다.

둘 째, 고온으로 산화 작용을 일으켜야 완전 연소에 근접해 간다.

 

완전 연소 과정을 거치면 쓰레기는 오로지 물과 이산화탄소만 배출하게 된다. 

 

불완전 연소(Incomplete Combustion)란 완전 연소와 반대되는 개념으로 완전 연소가 발생되지 않은 모든 연소 과정을 의미한다. 대부분의 연소는 불완전 연소이다. 불완전 연소 과정을 거치면 각종 발암 물질 중 하나인 다이옥신과 탄소산화물(COx), 질소산화물(NOx), 황산화물(SOx), 먼지 등 비산물 등이 발생하게 되는 것이다.

 

[ 참고 사이트 : 위키피디아, 연소,  https://ko.wikipedia.org/wiki/%EC%97%B0%EC%86%8C ]

연소 - 위키백과, 우리 모두의 백과사전

빨간 불꽃은 불완전 연소 현상이고 푸른색 불꽃은 완전 연소 현상이다.

[ 이미지 참고 사이트 : SK Magic, 가스레인지 점화 불꽃이 붉은색 또는 노란색 불꽃이 나오는 이유, https://www.skmagicshop.com/bbs/board.php?bo_table=info&wr_id=577 ]

가스레인지 점화 불꽃이 붉은 색 또는 노란색 불꽃이 나오는 이유

다이옥신이란 무엇인가?

자 그렇다면 우리는 다이옥신에 대하여 알아보자. 다이옥신이란 화학적 반응에 의해 생성되는 물질의 그룹 중 하나로 지속적인 환경오염물질이다. 다이옥신은 전 세계의 다양한 환경에서 발견되며 주로 동물의 지방 조직에 축적된다. 다이옥신은 물에 녹지 않는 특징을 가지고 있지만 지방에는 녹는다. 그러나 완전히 사라지지 않는다. 가축이 식량과 물을 섭취하는 과정에서 다이옥신이 섭취 및 축적되고 인간이 해당 가축을 섭취하면서 다이옥신이 신체에 쌓이게 된다. 또한, 다이옥신은 독성이 매우 강하여 생식 기능 및 발달 문제를 야기하며 면역체계를 손상시키며 호르몬 생성에 방해를 일으키고 암을 유발하게 된다.

 

WHO에서는 다이옥신을 1급 발암물질로 규정하고 있다. 다이옥신의 독성은 너무나도 강력하여 단 1g만으로 몸무게 50kg의 사람을 2만 명을 죽일 수 있는 정도이며, 청산가리의 약 1만 배의 강한 독성을 지녔다.

 

[ 참고 사이트 : World Health Organization, Dioxins and their effects on human health, 2016.10.04,  https://www.who.int/news-room/fact-sheets/detail/dioxins-and-their-effects-on-human-health ]

Dioxins and their effects on human health

[ 참고 사이트 : 진안신문, 쓰레기 소각의 가장 큰 문제…다이옥신, 2011.08.09, http://www.janews.co.kr/news/articleView.html?idxno=13019 ]

쓰레기 소각의 가장 큰 문제…다이옥신 - 진안신문

 

열역학 제1법칙과 제2법칙

그렇다면 다이옥신과 이산화탄소와의 관계를 알아보자. 그전에 우리는 열역학 제1법칙 열에너지 보존 법칙과 열역학 제2법칙 엔트로피의 법칙을 이해해야 한다. 필자가 최대한 어렵지 않게 설명해 보겠다.

 

열역학 제1법칙 열에너지 보존법칙은 하나의 고립된 계(시스템) 내에 존재하는 에너지는 일정하다는 뜻이다. 여기서 고립되었다는 뜻은 외부로부터 에너지를 추가하거나 혹은 내부로부터 에너지가 감소되지 아니한 상태를 말한다. 열역학에서는 물질이 가지고 있는 고유의 에너지가 산소와 반응하여 산화되면서 열에너지를 발생한다고 설명한다. 그리고 열 에너지는 일을 만들어 낸다. 이를 수식화 하면 아래와 같다.

 

 

즉, 내부 에너지(물질이 가지고 있는 고유 에너지)의 변화량은 열 에너지의 변화량에서 열 에너지가 일을 행한 에너지의 변화량의 차이로 표현하는 것이다. 이 식의 뜻은 첫 째,  물질이 가지고 있는 고유의 내부 에너지의 총량은 산화 반응이 발생해도 동일하다는 뜻이다. 둘 째, 내부에너지가 열 에너지로 변환되면 일 에너지의 변화량만큼 감소한다. 즉, 에너지가 변화하면 고유의 열 에너지가 점차 감소한다는 뜻이다. 따라서, 우리가 설국열차에서 목격할 수 있는 기차의 무한 동력 엔진은 성립할 수 없는 것이다.

 

설국열차의 포스터, 무한동력 기차는 열역학에 따르면 불가능하다.

열역학 제2법칙은 엔트로피의 법칙이다. 고유의 물질이 산화작용을 통하여 열 에너지가 발생할 때 사용할 수 있는 에너지 엔탈피(Enthalpy)와 사용할 수 없는 에너지 엔트로피 (Entropy)로 나뉜다는 법칙이다. 즉, 불완전 연소가 발생하게 되면 물질이 본래 가지고 있는 에너지는 엔탈피 - 엔트로피라는 공식이 성립되는 것이다. 만약 물질의 고유 에너지의 양과 엔탈피의 양이 동일하다면 이 역시 설국열차의 무한동력 기차를 설계할 수 있게 될 것이다. 

 

[ 참고 사이트 : 위키피디아, 열역학 법칙, https://ko.wikipedia.org/wiki/%EC%97%B4%EC%97%AD%ED%95%99_%EB%B2%95%EC%B9%99 ]

열역학 법칙 - 위키백과, 우리 모두의 백과사전

 

https://gbcbaby.com/143

고전역학 주요 3대 법칙에 대하여 (feat. 자연의 섭리이다)

다이옥신과 이산화탄소의 관계(스토커 방식이 안 되는 이유)

자 그렇다면 다이옥신과 이산화탄소와의 관계를 정립해 보자. 미리 결론을 말하자면 산화 반응 혹은 연소 반응으로 인하여 다이옥신의 증가량과 이산화탄소의 증가량은 서로 반비례 관계이다. 즉, 다이옥신이 증가하는 불완전 연소 반응이 발생하면 이산화탄소의 증가량은 감소한다. 하지만 이산화탄소의 증가량이 감소한 만큼 다이옥신과 탄소산화물(COx), 질소산화물(NOx), 황산화물(SOx), 먼지 등 비산물 등이 발생하게 된다.

 

이와 반대로 이산화탄소가 증가하는 완전 연소 반응이 발생하게 되면 이산화탄소와 물만 발생하게 되며 다이옥신과 탄소산화물(COx), 질소산화물(NOx), 황산화물(SOx), 먼지 등 비산물 등이 발생하지 않게 된다. 물론 이론적으로 말이다.

 

아래의 그림을 보자. 아래의 그림은 흑연을 완전 연소한 경우와 불완전 연소를 한 경우에 대한 화학적 반응식과 열에너지량을 도식화 한 것이다. 흑연이 완전 연소하게 되면 흑연은 이산화탄소와 물만 배출하고 흑연이 본래 가지고 있는 열 에너지를 거의 모두 확보할 수 있다. 그러나 흑연이 불완전 연소하게 되면 이산화탄소와 일산화탄소(CO)가 발생하게 되며 일산화탄소가 생성되는 데 열 에너지가 사용된다. 따라서, 불완전 연소는 완전 연소에 비하여 오염 물질을 많이 배출할 뿐만 아니라 열 에너지가 감소하는 결과를 가져온다.

 

보통 스토커 방식은 운영 방식에 차이가 존재하나 약 600~900도의 온도로 쓰레기를 소각한다. 그러나 이는 불완전 연소로 인한 다이옥신 등 발암 물질을 발생시킨다. 따라서 쓰레기를 소각할 수밖에 없다면 완전 연소에 가까운 소각 방법을 채택하여야 한다.

 

결론과 글을 마치며

현재 대한민국의 쓰레기 소각장의 방식은 스토커 방식이다. 그러나 이 방식은 불완전 연소이므로 다이옥신 등 각종 발암 물질을 발생시키며 대한민국 공기를 오염시킨다. 이 오염물질은 공기보다 무겁기 때문에 지면 아래로 쌓이게 된다. 우리가 걸어다니는 도로, 공원뿐만 아니라 농사를 짓는 토양 까지도 모두 다이옥신으로 오염시키게 된다. 따라서, 쓰레기 소각장의 방식은 필히 완전 연소에 가까운 방식으로 변화하여야 하며 리사이클링이 가능한 폐기물을 따로 분류하여 재활용하여 다시 자원화하여야 한다. 완전 연소에 가까울수록 발생되는 이산화탄소는 CCS(Carbon Capture and Storage) 혹은 CCU(Carbon Capture and Utilization) 기술을 활용하여 이산화탄소를 포집하여 탄소와 산소를 분해한 후에 탄소를 자원화하여 사용할 수 있다. CCS와 CCU에 대하여 궁금하다면 아래의 포스팅을 확인하기 바란다.

 

https://gbcbaby.com/47

수소 경제 수소 산업 육성의 필요성과 미래 전망

 

즉, 대한민국의 환경을 보호하고 개선시키며 지속가능한 사회와 국가를 만들 수 있는 쓰레기 폐기물을 처리하는 방법은 존재한다.