산성비가 땅에 떨어지면 알칼리성이 되는 이유

산성비가 땅에 떨어지면 알칼리성이 되는 이유

The reason why Acid Rain changes to Alkalic after collection

이용준, 이희준, 김준형, 김하룡*

서울과학고, 서울대학교*

1. 서 론

많은 사람들이 빗물의 산성도에 대한 오해를 가지고 있다. 즉 산성비가 건강에 위험하다는 것과 빗물을 이용할 수 없을 것이라는 막연한 생각이다. 그러나 실제로 측정해본 결과 산성비라 할지라도 집수면을 통해 받은 빗물은 알칼리성이며 우리가 사용하는 빗물은 중성을 띄고 있다고 알려져 있다(Han,2003). 물부족 현상이나 환경적인 측면에서 빗물 이용은 꼭 필요하며 그 중요성이 커지고 있기 때문에 빗물이 안전하지 않다는 오해를 불식시킬 필요가 있다.

실제 서울대학교에서 <Fig.1>과 같이 집수 장소를 선정하여 빗물의 pH를 측정하였다. 측정 결과 A지점의 내린 빗물은 산성을 띄었으나 집수면을 통과한 B지점의 빗물은 pH 7~8 사이의 알칼리성을 띄었다.

본 논문은 산성비가 어떻게 발생하며, 떨어진 빗물은 왜 알칼리성이 되는지를 이론적으로 설명하려 한다. 대기 중의 CO2와 SO2의 농도에 따른 빗물의 pH 거동을 정량적으로 살펴봄으로써 대기를 거치면서 빗물이 산성화 되는 과정을 밝힐 것이다. 다음으로 Ca2+의 농도에 따른 빗물의 pH 거동을 정량적으로 살펴봄으로써 땅이나 집수면에 내린 빗물이 어떻게 알칼리성으로 변하는지를 밝힐 것이다. 본 연구를 통해서 일반인들에게 빗물 이용의 안전함을 알릴 수 있고, 빗물 이용시설에 저장되기까지 빗물의 pH 거동을 예측할 수 있다.

2. 산, 염기의 화학적 평형 이론

2.1 CO2와 SO2에 의한 빗물의 산성화 과정

오염되지 않은 대기 중의 CO2가 빗물에 녹으면 빗물이 산성화된다. 이는 다음의 식을 따른다.

CO2(g) ⇌ CO2(aq) ; ,

CO2(aq) + H2O(l) ⇌ H2CO3(aq) ; ,

H2CO3(aq) + H2O(l) ⇌ HCO3-(aq) + H3O+(aq) ; ,

HCO3-(aq) + H2O(l) ⇌ CO32-(aq) + H3O+(aq) ; ,

또한 CO2에 의해 pH가 떨어진 빗물은 대기 오염물질이 합류되면서 pH가 더욱 떨어진다. 그 대표적 물질인 SO2 에 의한 빗물의 산성화를 살펴보았다.

SO2(g) + H2O(l) ⇌ H2SO3(aq) ; ,

H2SO3(aq) + H2O(l) ⇌ HSO3-(aq) + H3O+(aq) ; ,

HSO3-(aq) + H2O(l) ⇌ SO32-(aq) + H3O+(aq) ; ,

charge balance와 mass balance를 이용하여 평형 조건을 계산한 결과 CO2 와 SO2 의 농도에 따른 빗물의 pH 변화 그래프는 <Fig.2>와 같다. 빗물의 pH는 대기 중 CO2 농도의 변화보다 SO2 농도 변화에 민감하게 변하는 것을 볼 수 있다.

2.2 집수한 빗물의 알칼리화 과정

Ca2+은 지각을 이루는 물질 중 세 번째로 많다. 특히 대부분의 집수면이 콘크리트로 이루어져 있고 콘크리트의 주요 성분이 Ca2+이기 때문에 빗물이 알칼리화되는 과정을 밝히는데 대표적으로 Ca2+을 이용하였다.

CaCO3가 물에 녹았을 때 일어나는 반응은 다음과 같다.

CaCO3(s) ⇌ Ca2+(aq) + CO32-(aq)

CO32-(aq) + H2O(l) ⇌ HCO3-(aq) + OH-(aq)

HCO3-(aq) + H2O(l) ⇌ H2CO3(aq) + OH-(aq)

Ca2+이 녹은 다음의 pH는 charge balance를 이용하여 간단히 계산할 수 있다. Ca2+의 농도가 커짐에 따라 산성비의 pH가 높아지는 것을 알 수 있다. Ca2+을 다른 양이온으로 바꾸더라도 바뀐 양이온에 따른 빗물의 pH 거동을 쉽게 살펴볼 수 있을 것이다. 여러 양이온 농도의 합으로 바꾼다면 땅의 성질이나 집수면의 성질에 따른 받은 빗물의 pH 거동의 예측도 가능하다. Ca2+의 농도에 따른 집수한 빗물의 pH 변화를 살펴보면 <Fig.3>과 같다. 가정조건은 CO2 농도 350 ppm 이며 SO2 농도 0.004 ppm 이다. 이에 따른 빗물의 초기 pH는 4.98 이다. 이때 산성화된 빗물을 중화시키는데 필요한 Ca2+의 농도는 4.7 ppm 임을 알 수 있다.

charge balance :

2.3 SO2 에 의해 산성화된 빗물을 중화시키기 위한 Ca2+의 농도

빗물의 pH를 떨어뜨리기 위한 SO2의 농도와, 이를 중화시키기 위해 필요한 Ca2+ 농도의 상관관계는 <Fig.4>와 같다. 예를 들면 SO2 농도 0.004 ppm 일 때 이를 중화시키기 위한 Ca2+ 의 농도는 4.7 ppm 이다. 이 그림을 이용하면 빗물이용시설에서 산성화된 빗물을 중화시키기 위해 필요한 양이온의 총량을 알 수 있으므로 집수면의 설계에 유용하게 쓰일 수 있다.

3. 결 론

① 내린 빗물은 산성이다.

빗물은 오염 물질이 없더라도 대기 중 CO2 로 인하여 산성화된다. 현재 대기 중 평균 CO2 농도는 350 ppm 이고 이로 인해 빗물의 pH는 5.6 으로 떨어진다. CO2 뿐만 아니라 대기 중 오염 물질에 의해서 빗물의 pH는 더욱 떨어진다. 대표적 오염물질인 SO2의 농도에 따른 빗물의 pH를 모델링한 결과 빗물의 pH가 더욱 산성쪽으로 변하는 것을 확인할 수 있었다.

② 땅에 떨어진 빗물은 알칼리성이다.

대기를 거치면서 산성화된 빗물이 땅에 내리게 되면 알칼리성을 띄게 되는데 이는 땅에 포함되어 있는 양이온으로 인한 것이다. 본 연구에서는 대표적 양이온으로 Ca2+을 선택하였다. Ca2+은 지각을 이루는 주요 구성성분 중 하나이며 특히 콘크리트 집수면의 구성요소 중 가장 큰 비중을 차지한다. Ca2+의 농도에 따른 빗물의 pH를 모델링함으로써 땅에 내린 빗물이 알칼리성으로 변하는 과정을 밝혔다. 동일한 방법으로 Ca2+외 땅에 내린 빗물에 녹아 들어가는 양이온의 총양을 정량적으로 파악할 수 있다면 알칼리성으로 변한 빗물의 pH를 정확하게 예측할 수 있을 것이다.

③ 빗물 이용 시설에서 사용되는 빗물은 pH 측면에서 안전하다.

땅에 내린 산성비는 알칼리성이 된다. 그리고 저장된 빗물의 pH는 중성으로 된다. 일반인들의 오해처럼 빗물 이용 시설에서 사용하는 것은 산성이 아님을 밝히게 되었다. 그리고 집수된 빗물의 산성도 범위는 음용수 수질 기준에서 크게 벗어나지 않으므로, 마셨을 때 건강에 아무런 지장이 없다.

④ 위의 결과들을 반영하여 집수면이나 저장조 성질을 결정할 수 있다.

향후에는 대기 오염물질 중 빗물의 pH에 영향을 미치는 인자들을 찾아내고, 각 인자가 영향을 주는 정도를 파악하는 연구가 필요하다. 그리고 Ca2+외 다른 양이온들의 농도를 파악하여 집수된 빗물의 pH를 정확하게 예측하는 연구가 필요하다.

참고 문헌

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4. L.Granat, "Sulfate in precipitation as observed by the European Atmospheric Chemistry Network", Atmos. Environ., Vol.12, pp.413~424, 1978

5. 권이열, 김미경, 이성욱, "폐기된 콘크리트가 물의 pH 및 중금속에 미치는 영향", J.KSWQ, pp.17~23, 1994

6. 한무영, 이순재, 한명실, 김영진, 2004, “사용중인 빗물이용시설에서의 수질인자검토 -pH 및 중금속” , 2004 한국물환경학회, 대한상하수도학회 공동춘계학술발표회

7. 한무영, 김영진, 이일용, 2003 , “콘크리트 집수면을 이용한 집수과정에서의 빗물수질변화에 관한 연구” , 2003 한국물환경학회, 대한상하수도학회 공동춘계학술발표회

8. 한무영, 이일용, 박상철, 2003 , “건물의 지붕집수면이 유출빗물의 수질에 미치는 영향”, 2003 대한상하수도학회지 17(3) p.460~466

9. WHO 음용수 수질 가이드라인(한무영 역)