- 요소(Uera) / 요소수는 무엇인가?
- 흔히 요소(Urea, 우레아)라고 부르며,
- 다른 화학명은 카르보닐디아미드(Carbonyldiamide)다.
- 화학구조는 카르보닐(C=O, carbonyl group)작용기에 두개의 아미드(amide_NH2)작용기가 연결된 구조이다.
- 화학식은 CH4N2O이고 밀도는 1.32g/cm3, 몰 질량은 60.056g/mol이다.
- 무색, 무취의 백색고체로 물에 잘 녹고 거의 독성이 없다.
Urea 화학 구조 요소 수는 물에 요소를 섞은 물질로 차량용 요소 수의 요소 함량은 대략 32~33%이다.
선박용, 산업용은 대략 40%의 요소를 포함하고 있는 요소수를 사용하고 있다.
2. 경유(디젤, Diesel)차량에 왜 요소수를 사용하나?
디젤 차량에서는 디젤 연소 과정에서 질소산화물(NOx), 황산화물(SOX), 이산화탄소(CO2) 등이 포함된 배기가스를 발생시킨다.
특히 질소산화물은 대기오염의 주요 원인으로 알려져 이를 최소화하기 위한 방안으로 요소수를 사용하게 됐다.
디젤 연소 과정에서 질소 산화물(NO, NO2)은 요소의 가수 분해에 의해 생성된 암모니아와 반응하여 촉매를 통하여 질소와 물로 분리되어 배기된다.
이것을 화학식으로 표현하면 다음과 같다.
1단계 암모니아 생성
Urea→HNCO+NH3(열분해)
HNCO+H2O→NH3+CO2(가수분해)
2단계 : 질소산화물(NO, NO2)과 암모니아 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
하나의 일산화질소와 하나의 이산화질소는 2개의 암모니아와 반응하여 2개의 질소와 3개의 물분자를 생성
이처럼 디젤 연소로 생성된 질소산화물은 요소 분해 과정에서 발생한 암모니아와 반응하여 질소와 물로 전환되어 배기된다.
이런 과정을 통해 요소 수는 대기오염을 감소시키는 역할을 한다.
3) 요소수가 없으면?
요소 수가 없어 디젤연료 계통의 차량, 선박이 운행하지 못해 운송, 물류대란이 일어날 수 있었다.
그럼 요소 수를 수입하지 못하거나 물량이 부족하거나 하면 어떻게 해야 하는 것일까?
요소수의 원료를 반입해 제조하는 방법이 있다.
요소는 암모니아를 원료로 사용하며 2단계 반응으로 제조할 수 있다.
암모니아를 사용해 요소를 제조하는 화학식은 다음과 같다.
- 2N3 + CO2 ▣ H2N-COON H4 (ammonium carbamate, 암모늄 컬버메이트)
- 2) H2N-COON H4 H (NH2) 2CO + H2O
- 1) 반응 1단계는 고온, 고압 조건에서 암모니아 액체와 이산화탄소 기체의 발열 반응으로 진행된다.
- 2) 반응 2단계는 암모늄 컬버메이트가 요소와 물로 분해되는 단계다.
4. 요소수(Ureasolution) 대신 암모니아(Ammonia)를 그대로 쓴다면?
앞서 말한 바와 같이 질소산화물은 암모니아와 반응하여 질소와 물을 생성한다.
그렇다면 요소 수 대신 암모니아를 사용하는 것이 좋은 것이 아닐까요?
결론부터 말하면 암모니아를 바로 쓰면 안 된다.
이 부분은 암모니아의 물질 특성에 기인한다.
암모니아는 무색기체로 기화성(공기보다 가볍다)이 강해 자극성 냄새를 갖는다.
또한 휘발성 때문에 보관 취급이 어렵다.
차량에 암모니아가 붙을 경우 부식성이 강하기 때문에 암모니아를 바로 사용하면 주입구 주위가 부식되기 쉽다.
요소 형태로 사용하는 주된 이유는 암모니아 물질 자체가 다루기 어려운(handling) 조건이기 때문이다.
이 때문에 위험성, 운송, 보관 차원에서 암모니아 형태 대신 요소수 상태로 사용되고 있다.
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Written by Chang-Ho, Yoon. / K-Lab Zone (K-LZ)