Home > 기술자료 > 오존 > 자외선과 오존이론
기술자료
자외선 오존

● 환경과학정기학술발표회(1997.10) 발표내용중 일부 정리한 내용임. (발표자 : 주 재순 퓨리존 대표)


1. 서언

    최근 식품공장.단체급식장. 농축수산분야.의료분야 등에서는 외국에서 활용 되고 있는 살균기술을 도입하여
    적용하고있는데, 그 중에서도 자외선AXC B과 오존을 병용한 광산화법은 효과와 비용 면에서 좋은 반응을
    얻고있다.
    그러나 자외선과 오존에 대한 국내자료 및 전문지식이 부족하여 충분한 이해없이 사용되고있는 것이 현실이다.
    심지어 오존층파괴,오존주의보등 일상적으로 사용되는 용어로 인하여 오존의 유무해에 대해 정확히 알고있
    는 사람조차 없는 실정이다.

    자외선과 오존은 분명 두 얼굴(유익.유해)을 가지고 있는데 결론적으로 말하면 농도의 차이와 활용방법에
    따라 유익할 수도있고 암적인 존재가될 수도있는 것이다.
    독도 적절히 활용하여야만 약이 되듯이, 세균을 죽이고 유해가스를 분해할 정도로 강력한 자외선과 오존을 유
    익하게 활용하기 위하여는 정확한 이해와 주의가 필요하다.



2. 자외선(紫外線.Ultra Violet)


    빛은 파장이 짧은 순서에 따라 우주선, 감마선, x-선, 자외선, 가시광선,적외선, 마이크로파, 라이오파로 분류
    되는데, 이중 100-400nm(1nm=10억분의1m)사이의 파장을 자외선이라고 한다.

    국제조명위원회(CIE)와 국제전기표준회의(IEC)가 정한 파장별 명칭은 아래와 같다.

    10nm - 60nm : 밀리칸선(X-선)
    60nm - 100nm : 라이만선(X-선)
    100nm - 200nm : 슈만선(진공자외선)
    200nm - 280nm : C-자외선(의료용)
    280nm - 315nm : B-자외선(의료용)
    315nm - 400nm : A-자외선(Black Light)

    자외선은 태양광선중에 약 5% 정도 존재하며 여름철에는 지표면까지 도달하는 양이 많아진다.
    여름철 바닷가에서 피부노출을 삼가해야하는 이유는 자외선량이 최고로 많아지기 때문이다.

    이중 파장 253.7nm 자외선의 살균력이 매우 강하여 살균선이라고도 불리는데 파장이 상대적으로 긴 UV-A,
    UV-B에 비해 약 1,000-10,000배의 살균력이 있어 대장균 및 일반세균의 경우 6-10초이내에 살균된다.
    살균 자외선을 저압수은램프를 이용하여 인공적으로 발생시키는 장치가 자외선 살균기인 것이다.

 

 

3. 자외선의 효과와 독성


    자외선은 살균을 비롯한 여러 용도에 유익하게 활용되지만 그 위험성도 무시할 수 없을 정도로 크다.
    150-200nm 파장의 자외선은 음이온을 생성시켜 진통, 쾌면, 상쾌함, 피로회복 등 인체에 유익한 도움을 준다.
    특히 184.9nm 파장의 자외선은 대기 중에서 오존을 발생시켜 성층권에서의 오존층을 생성시키거나 인공적으
    로 오존을 만드는데 이용된다.

    또한 253.7nm 파장의 자외선은 미생물의 DNA를 파괴시키므로 살균력이 매우 강한데 100W의 강도를 가진 자
    외선을 1분간 쬐이면 대장균, 디프테리아균, 이질균 등은 99%가 사멸한다.
    그밖에자외선의 광화학작용을 이용하여 염산,메칠렌청의 산화, 유화아연의 환원, 형광, 인쇄잉크경화, 시사프
    린터등에 사용되고 구루병 방지,곰팡이 검출, 광전작용, 보석류감정 등에 다양하게 이용된다.
    그러나UV-C의경우 매우 유해한 자외선으로서 성층권의 오존층에서 대부분이 흡수되지만 오존층 파괴가 더욱
    진행된 다면 UV-C가 지표면까지 도달할 것으로 예측하는 보고도 있다.

    UV-B의 경우 오존층 파괴로 인하여 생태계 및 인체에 많은 피해를 주는데 그 영향을 살펴보면,

   * 조사 수 시간 후,모세혈관이 확장되어 홍반이 생기고 표피세포가 변성된다.

   * 피부암, 피부노화와 백내장을 일으킨다.

   * 면역체와 비타민D의 합성에 악영향을 주어 인체면역기능이 저하된다.

   * 피부종양에 대한 면역성과 저항력을 저하시켜 홍역, 수두, 헤르페스 및 기타 발진을 일으키는 바이러스성 질
     병즉 말라리아, 라이시마니아 감염증과 같이 피부를 통해 감염되는 기생병 이나 나병과같은 박 테리아에 의
     한 질병,곰팡이에 의한 질병을 일으킨다.

   * 해양의 먹이사슬을 파괴하고 육상생물의 돌연변이를 일으킨다.
   * 농산물의 수확이 감소된다.

    실제 미국 환경보호청은 성층권 오존이 1% 감소하면 0.3-0.6% 정도 백내장 환자가 증가하고 양성흑색종이
    45만건 이상, 악성흑색종이 1천건 이상 발병한다고 발표한 바 있다.

    성층권의 오존은 자외선과 반응하면서 소멸.생성되는 과정을 반복하면서 일정농도를 유지하며 유해한 자외선
    을 차단하여 주는데 인간이 인공적으로 만든 물질이 그 균형을 깨는 것이다.
    냉장고나 에어컨의 냉매제 및 헤어스프레이용분무제 등으로 쓰이는 CFC류에 의해 오존층이 파괴되는 것이다.
    CFC 감축에 대하여 국제적인 합의가 이루어진 배경이다.


4. 오존(Ozone, O3)

    오존은 "오존주의보", "오존층" 등의 용어를 통하여 이제는 낯익은 물질이지만 정확히 이해하고 있는   사람은
    매우 드문 실정이다. 오존 (분자량 48, 비점 -112, 비중 1.67)은 산소로부터 생성되는 산소의 불안정한 동소체로서
    산소원자 3개로 이루어져 있다.
    화학적으로 매우 불안정하여 외부의 약한 충격에도 산소(O2)와 발생기산소(O)로 분리된다.
    오존의 살균력은 바로 이 발생기산소의 산화력에 기인한다.

    즉 세사람이 양손을 잡고 원을 형성한 구조에 비유되는데 떨어져나간 발생기산소는 양손을 둘데가없어 주변
    의 물질에 달라붙는 것이다.
    오존은 오염물질에 의해 만들어지기도하지만 원래 자연상태에서 생성된다.천둥치는 것과 같은 고전압의 전기
    가 방전될때, 해변이나 깊은 숲속과같은 조건에서 식물이 광합성작용을할때 발생한다.

    실제 청정지역인 울릉도에서 서울.부산등 대도시보다 오존농도가 높게 나타난 적이 수차례있었던 이유이다.

    상온에서는 기체인 물질로서 저농도일때는 무색이나 15%이상의 농도에서는 푸른색을 나타내며,특유의 냄
    새를 느낄 수 있다. ( 0.015ppm정도면 느낄 수있슴)
    오존은숲속, 해안, 고산 등의 자연대기 중에는 약 0.01-0.03ppm 정도로 소량포함되어 있으나 인체의 관능으로
    는 감지되지 않고, 지구상 오존의 90%이상은 지상 10-50km사이에 있는 성층권내의 오존층에 밀집해있다.
    태양광 의 자외선 복사에 의해 공기중의 산소가 오존으로 변환되었다가 환원되는 생성, 소멸과정이 반복된다.



5. 오존의 효과와 독성


    오존의 산화력은 2.07eV로서 불소와 OH-다음으로 강력하여 백금과 금을 제외한 모든 금속과 미생물 및 유기
    물질을 산화시킬 수 있다. 각종 세균의 세포벽과 원형질을 파괴하므로 염소보다 6-7배 정도의 강한 살균력을z

    지닌다. 박테리아는 물론 곰팡이.이끼.바이러스까지 10초내에 99.9%이상 죽여버리는 것으로 밝혀졌다.
    최근에는 오존을 인위적으로 발생시키고 용해하는 기술이 발달하여 살균은 물론 폐수처리등 여러 분야에 활
    용되고 있다.

    오존을 인위적으로 발생시키는 방법으로는 자외선 Lamp방식, 무성방전방식 및 전기분해방식이 있는데 돈
    사.주방과 같은 좁은 공간을 저농도로 꾸준히 살균시키기 위해서는 비용이적게 소요되고 구조가 간단한
    Lamp방식을 채택한다.
    Lamp방식은 발생오존가스 중에 독성이 강한 질소산화물(NOx)을 포함하지 않을 뿐만 아니라 자외선과의 시너
    지효과를 기대할 수 있다(광산화법)
    이때 Lamp는 살균력과 에너지가 강한 단파장을 발생해야하므로 용융석영 Glass로 만들어진 저압수은램프를
    사용 하여야 하는데 가격이 고가인 것이 단점으로 지적된다.

    대류권의 오존농도가 짙어지면 문제가 되는데 오존농도가 짙어지는 것은 자동차 배기가스 및 공장배출가스
    등에 함유된 질소산화물.탄화수소류.휘발성 유기화합물(VOC)등이 태양빛과 반응해 만드는 오존이 늘어난
    탓이다. 특히 오존은 지상의 평균풍속이 초당 3.0m미만으로 바람이 약하고 최고기온이 25도이상으로 높으며
    일사량이 많은 쾌청한 날씨가 지속될때 발생하기쉽다.

    무더운 여름철 오후 2-5시대에 오존주의보가 자주 발령되는 이유이다.
    작년 한해에만 38회의 오존주의보가 발령되었는데 보통 2시간 가량 지속되는발령시간중에는 노약자나 어린이
    심장병환자들의 경우 활동을 피해야한다.정상인도 과격한 운동은 삼가야할 것이다.


오존이 인체에 끼치는 영향


농도 (ppm) 노출시간 영향
0.05 - 0.1 즉시 불쾌한 냄새
0.05 - 0.3 30분 -6시간 운동신경 기능저하, 학습능력 감소
0.08 - 0.4 3-4시간 호흡기 감염에 잘걸림
0.1 -0.3 1시간 호흡기자극 증상증가, 호흡기질환악화
0.1 -1.0 1시간 기도저항증가
0.1 -1.0 2주일 냄새 느끼고 두통,시력장애
0.25- 0.75 2시간 운동 등 폐기능 감소
0.6 -0.8 2시간 흉통, 기침, 기도자극
0.94 1시간 30분 기침,숨참
0.1이하   ILO에서 정한 작업장 기준



    오존은 분명 두 얼굴을 가진 물질이다.
    살균을 비롯한 여러 용도에 유익하게 활용되고 성층권에서 자외선을 차단시켜줌으로써 지구를 보호하는 중
    요한 역할을 하지만, 그 독성이 강하여 적절히 사용하지 않는다면 그 피해가 매우 큰 것으로 보고되고 있다.

    오존은 1886년에 오염된 물을 살균하기 위하여 처음 이용된 후로 관련 기술의 진보로 인하여 용.하수의 살균은
    물론 폐수의 고도처리에까지 이용되고 있으며 탈취, 탈미,제철, 제망간 및 발암물질인 THM 생성억제, 표면활
    성화, 산화촉매, 난분해성 유기물질분해, 응집침전의 효율증대,생물학적 활성도의 증대 등의 다양한 용도로
    활용되고 있다.
    특히 소독에서 DBP(Disinfection By Products) 제어를 위한 적용과 생물학적 처리 또는 미생물 성장 잠재력을
    최소화하기 위해 많이 적용되고 있다.
    또한 염소보다 6배 이상의 강한 살균력으로 세균의 세포막에 존재하는효소를 산화시켜 세포막을 파괴하고
    DNA를 손상시키며, 중금속, 유해 유기물,잔류농약 등을 분해한다.
    염소에 비해 유해한 반응잔류물(THM)을 남기지 않아 2차 처리가 필요없는 장점이 있다.

    그러나 지표 부근에서는 자동차, 공장, 빌딩 등의 배기가스에 포함된 질소산화물(NOX), 황산화물(SOX),
    탄화수소(HC), 일산화탄소(CO)등이 태양광선(자외선)과 광화학반응을 일으켜 광화학스모그의 주요 생성물
    질인 광산화물(Oxidant)의 일종인 오존, 푄(PAN)등을 발생시킨다.
    이때 발생된 오존의 농도가 0.12ppm일 때 오존주의보, 0.3ppm일 때 오존경보, 0.5ppm 이상일 때 오존 중대경
    보가 내려지는데 오존주의보 발령 수준에서 1시간이상 노출되면 호홉기와 눈에 자극을 주고 통증을 느낀다.
    실제 오존주의보가 내려지는 상황이 계속되면 평균사망자수가 7% 증가하고 호흡기질환자의 사망률은 무려
    12% 나 높아지는 무서운 환경공해 후유증을 유발한다.

    95년 오존경보제가 도입된이래 지금까지 47일에 93회가 서울을 비롯한 수도권 일대에 내려졌는데 매
    년 3-4배 정도씩 증가추세에 있다.
    국내경기회복과 중국경제의 활성화가 이어질 경우 증가추세는 가속화될 것이다.

    대기 중의 오존 농도가 높다는 것은 광화학스모그와 관계되는 오염물질들(NOx, SOx,CO, HC...)의 오염도가
    높다는 것을 의미하며 특히 태양광선이 있는 낮에 대기중의 오존농도가 증가된다.

    오존은 산화력이 강한 기체로 눈을 자극하고 시각 장애와 폐기능을 저하시켜 폐수종과 폐충혈,폐섬유화증을
    발생시킬 수 있으며 만성 중독 시에는 체내 효소계를 교란시켜 DNA, RNA에 작용하여 유전 인자에 변화를
    주기도 한다.
    장기적으로 조기 노화현상과 폐암을 유발한다는 보고도 있다.미국 버클리 대학의 분자 및 세포물리학과의 젠스
    티 엘 교수팀이 미국 태양차단학회에 보고한 바에 따르면 오존 농도가 높아지면 표피의 비타민E 함량이 줄어
    들어 가려움증, 염증등 각종 피부병과 함계 피부노화가 촉진되고 고농도 오존에 2시간 이상 노출될 경우 표피
    의 비타민E 농도는 25% 감소하고 6일 후에는 75%나 손실된다고 한다.이보다 낮은 농도라도 장기간 노출되면
    항산화기능을 가진 비타민E가 고갈될 수있으며 이 경우 지방세포가 파괴되거나 산화되어 피부병과 피부노화
    가 유발된다고 한다.
    이처럼 독성이 강한 오존을 살균, 악취제거 등의 유익한 용도로 활용하기 위해서는 오존에 대한 정확한 이해
    와 조치가 필요하다.

    일부 판매업체와 소비자는 오존의 농도가 높을수록 무조건 좋은 효과를 얻을 것이라고 생각하는 경우가 있다.
    최대한 안전한 상태에서 최상의 효과를 얻기 위해서는 사람이 없는 시간에 집중적으로 살균하는 것이 필수적
    이다.



6. 광산화법(자외선+오존)의 원리와 살균효과


    오존은 THM 생성억제, 맛, 응집침전 개선효과 및 생물학적 활성도 증대효과 등의 잇점과 강한산화력을 갖
    고 있으나, 실제 오존은 대다수 유기물과의 반응이 느리거나(맛,냄새,유발물질인geosmin, MIB와 THM과
    같은 포화탄화수소,농약등) 어떤 유기물과는 전혀 반응을 하지 않는 등 유기물과의 반응이 매우 선택적인
    것이 결점으로 지적되면서 새로운 공정을 개발하게 되었는데, 이것이 바로 고급산화법 AOP(Advanced Oxid
    ation process)이다.

    AOP란 인위적으로 오존의 분해를 유발시키거나 광분해 등과 같은 방법으로 반응성이 높은 중간 생성물인
    OH라디칼을 생성시켜 유기물질을 산화분해시키는 보다 진보된 기술을 말한다.
    그 종류로는 크게 High pH/O3, H2O2/O3, UV/O3, H2O2/UV의 4가지로 분류되며 이들 AOP공정의 공통점은 직
    접 주입한 산화제로부터 처리 효과를 기대하기 보다는 중간 물질로 생성된 OH라디칼에 의존한 방법이며, 최종
    목표는 OH라디칼의 생성농도를 극대화하는 것이다.
    AOP공정은 기존의 산화제인 염소, 이산화염소, 과망간산칼륨 보다 훨씬 강한산화력을 가지고 있을 뿐만 아니라
    오존만 단독으로 사용했을 경우 보다 경제적, 효율적으로 효과가 배가되는 장점을 가지고 있다.

    자외선과 오존을 병행하여 이용한 고급산화법(UV/O3 AOP)을 광산화법이라고 하는데,이 광산화법은 오존이
    자외선 에너지에 의해 광분해되는 초기반응 단계에서 과산화수소가 중간 물질로 생성되고 여러 경로를 거쳐
    OH radical 생성하게 된다.
    이 OH radical이 자외선과 오존의 살균력을 100배이상 증대시키는 것이다.
    이렇게 광산화법은 오존의 광분해로 과산화수소를 직접 생산하며 오존 외에 자외선에 의해서도 유기물질을
    직접 제거할 수 있다.

    즉, 광산화법에 의한 유기물질의 제거반응은 오존과 직접적으로 반응하여 제거되는 경로, OH라디칼에 의해
    제거되는 경로,자외선에 의해 광분해되는 경로로 구분되어 오존을 단독으로 사용했을 경우보다 월등한(10-
    104배 이상) 상승작용효과(synergy effect)를 얻을 수 있다.
    특히 광산화과정에서 생성되는 OH라디칼은 불소(F) 다음으로 높은 산화환원 전위를 가지고있어 높은 산화력
    을 갖고 있으므로 자외선과 오존에 의한 광산화법은 높은 살균효과는 물론 각종 유기물, 유해물질의 분해,
    악취제거 및 각종 수처리공정 등에도 매우 효과적으로 적용될 수 있는 공정이다.

    자외선을 이용한 광산화법은 살균 분야에 가장 먼저 응용되었는데 1940년대 미국의 GE사에서 실용장
    치를 개발하였으나 실용화되지는 못하였고 1970년대에 들어서야 일본의 "도레이"사가 이의 실용화에 성공한
    것으로 알려져있다.
    이후 일본의 교토대학, 미쓰비시 전기, 공업시험장, 미국의 환경보전국, 켈리포니아 수도국 등에서 광산화법을
    응용하였고 1986년 암스테르담회의, 1989년 베를린회의를 거쳐 AOP방식을 국제적으로 인정하기에 이르렀다.

    최근에는 일본의 SEN LIGHT사가 공기 중 살균장치인 "UV바이오클린"을 개발하여 AOP방식의 대중화를 이루
    었는데 실제 오존의 특성상 공기중 효과가 매우 뛰어나 다용도로 널리 활용되고 있다.
    국내에도 일부 제품이 수입된 적이 있으나 가격이 고가여서 대중화되지 못하였고 최근에는PURIZONE이
    이를 국산화하여 저가로 공급하고 있다.



7. 이롭게 쓰는 지혜

    이상과 같이 자외선과 오존은 분명 두가지 얼굴을 하고있기때문에 적절히 활용할 수만 있다면 보다 효과적이
    고 경제적인 방법인 것이다.
    강한 자외선에 직접 노출되지않고 한정된 용도로만 활용한다면 크게 도움이 될 것이며 특히 오존은 공기중에
    퍼지면서 세제곱에 반비례하여 농도가 낮아진다.
    고농도로 신체에 접촉할 때 즉 오존발생장치 앞에 코를 대거나 환기가 잘 안되는 곳에 장시간 오존발생장치를
    작동하는 것등만 주의하면 문제가 없을것이다.

    또한 신체에 접촉하는 오존의 농도를 줄이는 길은 일상생활속에서 찾을 수있다.
    자가용운행자제.공회전최소화.에어컨사용줄이기.타이어의 적정공기압유지.아침저녁에 기름넣기 등이 필요하다.
    낮시간에 헤어스프레이를 사용하거나 유성페인트칠을하는 것도 자제해야할 것이다.

    성층권의 오존농도를 감소시키지 않으려면 프레온가스 대체물질 사용을 권장하여야한다.

    오존이 인류에게 어떤 존재가 될지는 전적으로 인류의 손에 달려있다.