[과학] 과학원리 - 요소수(Urea)는 무엇인가? / 요소수 부족사태/요소수 주유방법/요소수 사용방법/요소수 보관관리/요소수 제조방법/요소수 수입수출/화물차용 요소수/선박용 요소수/요소수 대..
1. 요소(Uera) / 요소수는 무엇인가?
일반적으로 요소(Urea, 우레아)라고 부르며,
다른 화학명은 카르보닐디아미드(Carbonyl diamide)이다.
화학 구조는 카르보닐(C=O, carbonyl group) 작용기에 두 개의 아미드(amide_-NH2) 작용기가 연결된 구조이다.
화학식은 CH4N2O 이며, 밀도는 1.32g/cm3 , 몰질량은 60.056 g/mol 이다.
무색, 무취의 백색 고체로 물에 잘 녹고 거의 독성이 없다.
요소수는 물에 요소를 혼합한 물질이며, 차량용 요소수의 요소함량은 대략 32~33%이다.
선박용, 산업용은 대략 40%의 요소가 포함된 요소수가 사용되고 있다.
2. 경유(디젤, diesel) 차량에 왜 요소수를 사용하는가?
디젤 차량에서는 디젤의 연소 과정에서 질소산화물(NOx), 황산화물(SOX), 이산화탄소(CO2)
등을 포함한 배기 가스를 발생시킨다.
특히, 질소산화물은 대기 오염의 주 원인으로 알려져 있으며, 이를 최소화 하기 위한 방안으로
요소수를 사용하게 되었다.
디젤 연소 과정에서 질소산화물(NO, NO2)은 요소의 가수분해에 의해 생성된 암모니아와
반응하고 촉매를 통해 질소와 물로 분리되어 배기된다.
이를 화학식으로 표현하면 아래와 같다.
1 단계 : 암모니아 생성
Urea → HNCO + NH3 (열분해)
HNCO + H2O → NH3 + CO2 (가수분해)
2 단계 : 질소산화물(NO, NO2)과 암모니아의 반응 단계
4NO + 4NH3 + O2 → 4N2 + 6H2O
4개의 일산화질소와 4개의 암모니아 1개의 산소가 반응하여 4개의 질소와 6개의 물분자를 생성
6NO2 + 8NH3 → 7N2 + 12H2O
6개의 이산화질소와 8개의 암모니아가 반응하여 7개의 질소와 12개의 물분자를 생성
NO + 2NH3 + NO2 → 2N2 + 3H2O
1개의 일산화질소와 1개의 이산화질소는 2개의 암모니아와 반응하여
2개의 질소와 3개의 물분자를 생성
이와 같이 디젤 연소로 생성된 질소산화물들은 요소의 분해 과정에서 발생된 암모니아와 반응하여 질소와 물로 전환되어 배기된다. 이러한 과정을 통해서 요소수는 대기 오염을 감소시키는 역할을 한다.
3. 요소수가 없다면?
요소수가 없어서 디젤 연료 계통의 차량, 선박들이 운행을 못해 운송, 물류 대란이 올 수 있었다.
그렇다면 요소수가 수입이 안되거나 물량이 부족하다면 어떻게 해야할까?
요소수의 원료를 들여와서 제조하는 방법이 있다.
요소는 암모니아를 원료로 사용하며, 두 단계의 반응으로 제조할 수 있다.
암모니아를 사용하여 요소를 제조하는 화학식은 아래와 같다.
1) 반응 1 단계
2 NH3 + CO2 ⇌ H2N- COONH4 (ammonium carbamate, 암모늄 카르바메이트)
2) 반응 2 단계
H2N-COONH4 ⇌ (NH2)2CO + H2O
1) 반응 1 단계는 고온, 고압 조건에서 암모니아와 이산화탄소의 발열 반응으로 진행된다.
2) 반응 2 단계는 암모늄 카르바메이트가 요소와 물로 분해되는 단계이다.
4. 요소수(Urea solution) 대신 암모니아(Ammonia)를 그대로 사용한다면?
앞서 설명한 바와 같이 디젤(경유) 연소로 배기되는 질소산화물은 암모니아와 반응하여
질소와 물을 생성한다.
그렇다면 바로 요소수 대신에 암모니아를 바로 사용하면 되지 않을까?
결론부터 얘기하자면 암모니아를 바로 사용하면 안된다.
이 부분은 암모니아가 갖는 물질의 특성에서 기인된다.
암모니아는 무색 기체로 기화성(공기보다 가볍다)이 강하며, 자극성 냄새를 가진다.
또한 휘발성으로 인해 보관 취급이 어렵다.
차량에 암모니아가 묻을 경우, 부식성이 강하기 때문에 암모니아가 바로 사용되면
주입구 주위가 쉽게 부식되기 쉽다.
요소 형태로 사용하는 주된 이유는 암모니아 물질 자체의 요인 때문인 것이다.
따라서 위험성, 운송, 보관 차원에서 암모니아 형태 대신에 요소수 상태로 사용되는 것이다.
신기방기 과학교실
Written by Chang-Ho, Yoon. / K-Lab Zone (K-LZ)