오염물질의 성상 - 일산화탄소

일산화탄소는 일반적으로 탄소화합물이나 탄소(C)와 같이 불에 잘 타는 가연성 성분의 불완전연소에 의하거나, 이산화탄소(CO)가 온도가 높은 상태의 탄소와 접촉할 경우에 생긴다. 물질의 연소 시 산소가 부족하거나 연소온도가 낮은 상태여서 완전연소가 이루어지지 못하여 불완전하게 연소되면 발생하는 생성물이기도 하다.
일산화탄소의 발생원은 크게 인위적인 것과 자연적인 것으로 나눌 수 있다. 인위적 발생원은 자동차 배기, 제철소나 난방시설과 같은 산업시설 등이 있다. 일반적으로 산업시설이나 소각장과 같은 고정 발생원의 연소 관리가 법적인 규제나 기술의 발달로 잘 정비된 경우에는, 자동차와 같은 이동 발생원에서 배출되는 일산화탄소가 도시 대기오염의 주원인으로 꼽힌다. 폐기물 소각 가스, 자연적 발생원으로는 화산 폭발, 탄소화합물 분해, 산불 그리고 바닷물 속의 미생물 작용 등이 있다. 자연적인 발생원으로 이들 이외에도 메탄(CH) 가스의 광산화와 이산화탄소의 광분해에 의한 양도 적지 않은 것으로 추정되고 있다.
우리나라에서 한 해 배출되는 일산화탄소의 양은 약 200여만 톤으로 추정되고 있는데, 이 중 약 60%는 자동차의 배기가스에서 나오는 것으로 보고 있으며, 난방시설에서 나오는 양도 적지 않아 약 39% 정도인 것으로 보고 있고, 나머지 1%는 산업시설에서 배출되는 것으로 본다.
일산화탄소는 토양 박테리아의 활동에 의해 이산화탄소로 산화되고, 대기 중에 섞여 희석되거나, 대류권과 성층권에서의 광화학반응에 의해 대기 중에서 제거된다. 그러나 일산화탄소는 물리 화학적 특징에 의해대기 중의 거동이 여타의 기체상 오염물질 다르게 나타난다. 과는즉, 물에 잘 녹지 않는 난용성 때문에, 수용성 가스와는 달리 빗물에 녹이 기아 들지 않아 비에 의한 영향을 거의 받지 않기 때문에 대기 중에서 이산화탄소로 산화되기 어렵다.
일산화탄소는 이산화탄소와 달리 대기 중에서 자외선을 흡수하거나, 또는 가시도를 저하시키거나, 대기 중의 다른 오염물질과 유해한 화학반응을 일으키지도 않는다. 일산화탄소는 다른 물질에 흡착 현상도 나타내지 않는다. 황산화물은 실내에서 벽 표면에 흡착되어 농도가 급격하게 낮아지지만, 일산화탄소는 이러한 현상이 일어나지 않는다. 이와 같은 성질이 대기 중에서 일산화탄소의 수명을 길게 하는 요인이 되는 것으로 보인다.

 

일산화탄소의 특성

CO의 원명은 일산화탄소이지만, '일(하나)'이란 말을 빼고 그냥 산화탄소라고도 한다. 연소 시 산소가 부족하거나 연소온도가 낮으면 완전연소가 일어나지 못하는 불완전연소 생성물인 일산화탄소(CO)가 생성된다. 그러므로 일산화탄소는 연탄의 연소가스나 자동차의 배기가스 중에 많이 포함되어 있으며, 큰 산불이 일어날 때도 주위에 산소가 부족하여 많은 양의 일산화탄소가 발생되기도 하고, 담배를 피울 때 담배연기 속에 함유되어 배출되기도 한다. 6~70년대에 우리나라에서 매일 사망자가 신문 사회면을 장식할 정도로 악명 높았던 연탄가스의 주범이 이 일산화탄소이다.
분자식은 잘 알려져 있듯이 탄소(C) 원자 한 개와 산소(O)원자 한 개가 결합한 형태인 CO로 표시하며, 색깔도 없고, 맛도 없고, 냄새마저도 없는 기체로, 녹는점이 -205℃이고, 끓는점이 -191.5℃이다. 앞서 설명한 것처럼 물에 녹는 정도가 아주 낮은 난용성이어서 100 부피의 물에 2.3 부피밖에 녹지 않는다. 공기보다 약간 가볍고, 공기 중에서 점화하면 청색 불꽃을 내며 타서 이산화탄소가 되는데, 속칭 연탄가스로도 통한다. 환원성이 있으며, 촉매가 있으면 탄소와 이산화탄소로 분해한다. 공기 중에서 점화하면 청색 불꽃을 내며 타서 이산화탄소가 되며, 염소와는 촉매가 있으면 악명 높은 대기오염 물질인 포스겐이 되고, 알칼리성 수용액과는 포름 산염을 만든다.
일산화탄소는 발생로가스나 수성가스 등의 주성분이며, 공업용 연료와 환원제로서 널리 사용된다. 예를 들면, 다음과 같은 반응식으로 산화철로 환원된다.
이와 같이 대부분의 금속산화물 광석에 작용시켜 금속을 얻을 수 있다. 또 포스겐(COI)이 대기오염물질이긴 하지만, CO를 이용하여 포스겐으로부터 각종 화합물을 합성하는 것도 일산화탄소의 중요한 용도 중 하나이다.

 

인체영향

일산화탄소가 혈액 중으로 이동되는 속도는 폐의 모세혈관 속의 일산화탄소 농도, 환기량, 폐 확산 기능, 폐의 모세혈관 중의 혈액 유량, 또는 산소의 헤모글로빈과의 결합 속도에 의하여 결정된다. 일산화탄소를 흡입하면 혈액 속에 있는 헤모글로빈과 아주 잘 결합하는데, 그 친화력이 산소의 200배인 데다 상당히 안정된 화합물인 일산화탄소 헤모글로빈 즉, 카복시 헤모글로빈을 만들게 되어 혈액의 산소 운반 능력을 떨어뜨리게 되며, 농도가 높아지면 사망에 이를 수도 있다.
CO는 공기 중에 아주 적은 양만 존재해도 호흡을 방해하게 된다. 특히 빛깔과 냄새가 없기 때문에 그 존재를 알지 못하는 경우가 많으므로 세심한 주의가 필요하다. 인체에 흡입된 일산화탄소의 배출은 오직 호흡기를 통해서만 이루어지는데 그 배출 속도는 아주 느리다. 이는 일산화탄소가 헤모글로빈에 대하여 강한 친화력이 있기 때문이다. 일산화탄소의 배출 반감기 즉 혈중 카복시 헤모글로빈, 의 농도가 처음 농도의 50%에 도달할 때까지 필요한 시간은 1시간 30분에서 4시간 정도이다. 
혈액 중 또는 근육속에 있는 일산화탄소의 대부분이 대기오염이나 실내공기오염에만 기인하는 것은 아니다. 일정 양의 일산화탄소는 원래 인체의 신진대사에 의한 산물로도 생성되고, 헤모글로빈의 생리적인 신진대사 결과로도 혈액 중에 약간(0.3~0.8%) 존재한다. 그러나 사람의 체내 혈액 중의 카복시 헤모글로빈(COHb) 양의 증가는 흡입공기의 일산화탄소 농도에 비례한다. 일산화탄소 20ppm을 함유한 공기를 4시간 동안 흡입하면, 체내 혈액 중의 카복시 헤모글로빈은 1.64% 증가한다고 한다. 다음 표 3-5는 카복시 헤모글로빈의 농도와 인체에 미치는 영향을 보여준다.
실제 도시 대기 중의 일산화탄소 농도는 자동차 통행량, 운행상태, 도로조건 등의 물리적 요인에 의해 달라지지만, 자동차의 정체가 심한 도로변에서는 일산화탄소의 농도가 높으며, 이때 카복시 헤모글로빈의 혈중농도는 13~18%까지 상승할 수 있는 것으로 알려져 있다. 대도시의 도심에서 자동차 운전 시, 30ppm의 일산화탄소를 함유한 공기를 2시간 흡입할 경우, 혈중 카복시 헤모글로빈은 5% 상승하며, 60ppm에서는 10% 한다. 혈중 일산화탄소 · 헤모글로빈의 농도가 2~5% 정도 되면, 시간 간격을 모르게 되고 시력이 5% 이상 되면 심장과 폐기능에 이상이 생긴다.
일산화탄소의 급성중독은 뇌조직을 가져와 나타나는 증상으로는 시야 감소, 불쾌감이나 피로 촉진과 같은 정신적 영향, 생리적 영향, 심폐 환자의 병세 악화 등이 있으며 만성적 영향으로는 성장장애, 폐렴, 기관지염, 천식, 폐기종 등의 만성 호흡기 질환, 직업병의 악화 등이 나타난다.