개념 한 쪽
자동차와 배출원 관리는 대기오염 저감의 한 축을 이룬다 한다. 굴뚝의 유효고도와 배출 조건은 지표 착지 농도에 큰 영향을 미친다 한다. 휘발유 차량의 삼원촉매는 NOx, CO, HC를 효율적으로 처리하는 핵심 장치이다 한다.
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출제기준 단원 「자동차 대책」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 굴뚝 고도에 따른 농도 변화 계산 | 1 | 고도-농도 역제곱 관계로 필요한 고도 증가량을 구하기 |
| 건물 영향 회피 기준 판별 | 1 | 건물 대비 굴뚝 높이 비율로 와류 영향 여부를 판단하기 |
| 삼원촉매 구성 요소 구별 | 1 | 산화·환원 촉매의 재료를 구분하여 환원촉매 선택하기 |
유효 굴뚝높이는 지표면에서 관측되는 최대 농도와 반비례 관계를 가진다 한다. Sutton의 확산식 등에서는 최대 지표농도가 유효고도의 제곱에 반비례한다고 전제하므로 농도를 특정 배율로 낮추려면 고도를 그 배율의 제곱근만큼 증가시켜야 한다 한다. 예컨대 농도를 1/4로 줄이려면 고도를 2배로 해야 한다 한다.
굴뚝 설계에서는 건물에 의한 와류 영향을 고려해야 한다 한다. 건물 근처에 설치된 굴뚝은 건물 뒤쪽 와류권에 있으면 연기가 재유입되거나 낮은 고도에서 확산되어 착지 농도가 증가할 수 있으므로, 건물 높이의 약 2.5배 이상으로 굴뚝 높이를 확보하는 것이 권고된다 한다.
착지 농도를 낮추기 위한 조치로는 굴뚝 높이 증가, 배출 속도 증가, 배기 온도 관리, 그리고 발생원 자체의 오염물질 저감이 있다 한다. 특히 배기가스 온도는 부력과 직결되므로 온도를 높이면 부력이 커져 상승이 촉진되고 착지 농도가 낮아지며, 온도를 낮추면 부력이 약해져 착지 농도가 증가할 수 있다 한다.
휘발유 자동차의 배출가스 저감을 위해 사용하는 삼원촉매(TWC)는 산화·환원 반응을 결합하여 CO, HC, NOx를 처리한다 한다. 산화촉매에는 Pt나 Pd가 주로 사용되고, 환원촉매에는 Rh가 주로 사용된다는 점을 구분해야 한다 한다.
유효고도 50m인 굴뚝에서 지표농도를 1/4로 감소시키려면 고도를 몇 배로 해야 하는지 물으면 농도 ∝ 1/H² 관계에 따라 H를 2배로 해야 하므로 목표 고도는 100m가 되고 추가 증가는 50m가 필요하다고 계산한다. 건물 영향 회피 설계 문제에서는 굴뚝을 건물 높이의 2.5배 이상으로 설치해야 와류 영향에서 벗어나 정상 분산이 이루어진다고 판단한다. 차량 배출가스 관련 선택형 문제에서는 삼원촉매의 환원촉매로 Rh를 고르는 것이 정답임을 기억한다.
건물 가까이 위치한 굴뚝에서 연기가 건물의 영향을 받지 않고 분산하려면 굴뚝높이는 건물높이의 얼마로 하여야 하는가?
정답 ④ · 문제는 건물 근처의 굴뚝에서 배출가스가 건물에 영향받지 않고 정상적으로 분산되기 위한 굴뚝 높이 비율을 묻고 있다. 건물의 와류 영향을 피하려면 일반적으로 굴뚝 높이를 건물 높이의 2.5배 이상으로 설치하도록 기준이 정해져 있다.
건물의 와류 영향을 피하고 연기가 정상적으로 분산되려면 굴뚝 높이는 건물 높이의 2.5배 이상이어야 합니다.
휘발유 자동차의 배출가스를 저감하기 위한 삼원촉매장치에서 환원촉매로 사용하는 것은?
정답 ③ · 문항은 삼원촉매 장치에서 환원촉매로 어떤 금속을 사용하는지를 묻고 있다. 삼원촉매는 CO와 HC를 산화시키는 역할(주로 Pt, Pd)과 NOx를 환원하여 N2로 만드는 역할(주로 Rh)을 구분하여 구성되며, Rhodium이 NOx 환원에 가장 효과적이다.
삼원촉매에서 산화촉매는 Pt/Pd, 환원촉매는 Rh를 사용하여 배기가스를 정화합니다.
유효 굴뚝높이가 50m이다. 동일한 기상조건에서 최대지표농도를 1/4로 감소시키기 위해서는 유효 굴뚝높이를 얼마만큼 더 증가시켜야 하는가? (단, 중심축 기준)
정답 ② · 문항은 굴뚝 유효 높이를 얼마만큼 늘려 지표농도를 1/4로 감소시키는지를 묻고 있다. 지표농도는 유효 굴뚝높이의 제곱에 반비례하므로(C ∝ 1/H²) 농도를 1/4로 줄이려면 H²를 4배로 해야 하고 H는 2배가 되어야 한다.
지표농도는 굴뚝높이의 제곱에 반비례하므로 농도를 1/4로 줄이려면 높이를 2배로 해야 한다.
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