대기 오염이 도심 건출물의 외벽 부식에 미치는 화학적 과정
대기 오염물질은 건축 자재에 손상을 초래한다고 하는데, 대기 오염으로부터 도심 건축물의 외벽의 부식이 일어나는 화학적인 원리는 무엇인지 궁금합니다.
안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.
대기 오염물질(특히 이산화황 SO₂, 질소산화물 NOₓ)이 대기 중에서 물과 반응하면 황산(H₂SO₄), 질산(HNO₃) 등 산성물질이 생성됩니다. 이 성분이 비에 녹아 산성비가 되고, 석회암·대리석(탄산칼슘, CaCO₃) 등 건축자재와 만나면 탄산칼슘 표면이 녹아내리고, 표면이 부식·침식됩니다.
금속(예: 철강, 구리, 알루미늄 등) 면에서는 공기 중 수분, SO₂, NOₓ, 염분 등이 표면에 흡착되어, 금속이 산화되며 부식이 촉진됩니다. 이 과정은 국부적 애노드·캐소드 쌍이 형성되어 전기화학적 산화환원 반응(녹 발생 과정)이 일어나서 외벽이 부식되는 것입니다.
네, 말씀해주신 것처럼 대기 오염이 도심 건축물의 외벽 부식을 일으키는 화학적 과정은 주로 산성 물질과 산화제가 건축 자재와 반응하는 데서 비롯된 것입니다. 주요 대기 오염물질에는 다음과 같은 것들이 있는데요, 우선 이산화황 (SO₂), 삼산화황 (SO₃)은 대기 중 수분과 반응해 황산(H₂SO₄) 생성하며 질소산화물 (NO, NO₂)은 대기 중에서 산소와 반응하여 질산(HNO₃) 형성합니다. 다음으로 이산화탄소 (CO₂)는 물과 반응해 탄산(H₂CO₃)을 생성하며, 오존(O₃), 과산화수소(H₂O₂)는 강한 산화제로서 표면의 금속 및 유기물 산화를 촉진합니다. 이와 같은 물질들이 비, 안개, 습기와 결합하면 산성비, 산성 안개, 습식 침착물을 형성하고, 건물 외벽에 흡착되거나 스며들면서 화학반응을 일으키는 것입니다.
또한 석회암(CaCO₃)이나 대리석은 주성분이 탄산칼슘인데요, SO₂, NO₂, CO₂ 등이 물과 결합해 산(H₂SO₄, HNO₃, H₂CO₃)을 만들면 생성된 CaSO₄(석고)는 수용성이어서 쉽게 씻겨 나가고, 표면이 거칠어지며 마모됩니다. 따라서 고대 석조 건축물이 대기 오염이 심한 도시에 있으면 표면이 점차 깎이고 검게 변색되는 것입니다. 감사합니다.
안녕하세요. 김대우 전문가입니다.
도시의 자동차 배기가스나 공장 매연에는 황산화물(SOx)과 질소산화물(NOx) 같은 오염 물질이 많이 포함되어 있습니다. 이 물질들은 공기 중의 수분과 반응하여 황산(H2SO4)과 질산(HNO3)으로 변하게 됩니다. 이렇게 산성화된 빗물, 즉 산성비가 건축물의 외벽에 직접적으로 닿으면서 부식을 일으키게 되죠.
특히 대리석이나 석회석처럼 탄산칼슘(CaCO3)을 주성분으로 하는 건축 자재는 산성비와 만나면 화학 반응을 일으켜 석고(CaSO4)로 변합니다. 이 석고는 본래의 건축 자재보다 단단하지 못하고 잘 부서지며, 건축물 표면에 미세한 균열을 일으켜 더 큰 손상으로 이어지게 됩니다.
콘크리트 중성화콘크리트는 원래 수산화칼슘(Ca(OH)2) 성분 때문에 강한 알칼리성을 띠고 있습니다. 이 알칼리성은 콘크리트 내부에 있는 철근이 녹슬지 않도록 보호하는 중요한 역할을 합니다. 하지만 공기 중의 이산화탄소(CO2)가 콘크리트 내부로 스며들면 수산화칼슘과 반응하여 탄산칼슘(CaCO3)을 생성합니다. 이 과정에서 콘크리트의 알칼리성이 점차 사라지면서 중성화가 진행됩니다.
콘크리트가 중성화되면 철근을 보호하는 기능이 약해지고, 결국 철근이 녹슬기 시작합니다. 철근이 녹슬면서 부피가 팽창하면 콘크리트에 균열을 일으켜 건축물의 구조적인 안정성을 해치게 됩니다.
이처럼 대기 오염물질은 건축 자재를 직접적으로 부식시키거나, 콘크리트 내부를 약하게 만들어 건물에 심각한 손상을 초래합니다.