무연(無鉛) 휘발유의 '연(鉛)'은 '연기'가 아니라 '납'

무연(無鉛) 휘발유의 '연(鉛)'은 '연기'가 아니라 '납'

우리가 흔히 '가솔린(Gasoline)'이라고 부르는 '무연 휘발유(無鉛 揮發油, Unleaded Gasoline)'. 주유소에서 흔히 볼 수 있는 문구이다.

주유소에서 차에 기름을 넣을 때, '무연 휘발유'라는 문구를 볼 수 있습니다.

한자를 배우지 않은 사람은 언뜻 '매연, 연기가 나지 않는 휘발유라 무연 휘발유라고 쓰는 것일까?'라고 착각할 수 있습니다.

휘발유를 표기할 때 쓰여있는 '무연'은 무슨 뜻일까요?

'무연(無鉛)'의 의미는 간단하게 말해서 '납이 없다'는 의미입니다.

무연의 '연'은 납(Pb)을 의미하는 '납 연(鉛)'자 입니다.

과거에는 엔진에 연료를 공급하는데 지금과 같은 정밀한 전자식 연료분사 기구나 제어기구 등이 존재하지 않았고, 흔히 '카뷰레터'라 부르는 '기화기(Carburetor)'를 사용하였습니다.

그러나 원시적인 연료 공급장치였던 '카뷰레터'는 사용 환경과 연료의 상태에 크게 영향을 받는 민감한 기계였고, 당시의 석유 정제기술 또한 낮은 수준이었기에 자동차용 연료의 품질은 들쭉날쭉이었습니다.

따라서 종합적인 이유로 발생하는 엔진의 부조, 혹은 노킹 현상이 자주 일어나 골머리를 썩고 있었습니다.

엔진과 연료 효율을 극대화 해준 유연 휘발유의 등장

1921년, 미국의 한 화학자, '토머스 미즐리 주니어(Thomas Midgley Jr.)'가 노킹 현상을 억제해 주는 획기적인 발명품을 내놓았습니다.

내연기관에 주입되는 연료에 4에틸(메틸)납, '테트라에틸납((CH3CH2)4Pb)'을 첨가하여 연료 효율을 높이는 용도로 사용한 것입니다.

일명 '에틸(Ethyl)'로 불린 '4에틸납 첨가 유연 휘발유'를 발명한 미국의 화학자 '토머스 미즐리 주니어(Thomas Midgley Jr.)'. 그는 당시에는 자동차 업계의 산업혁명을 이끈 영웅으로 추앙받았지만, 불과 한 세기가 채 지나기도 전에 '단 한 명의 단일 인간이 전 지구에 가장 거대한 해악을 끼친 존재'로 역사에 기록되었다.

연료에 첨가된 납은 금속윤활유 역할을 하여 밸브스템(밸브가 엔진헤드에 앉는 자리), 피스톤링 등에서 윤활제로 작용하였고, 결과적으로 연료 효율과 자동차 엔진 관련 기술을 비약적으로 상승시켰습니다.

이 획기적인 화합물은 '에틸(Ethyl)'이라는 이름의 첨가제로 상품화 되어 대량 생산되기에 이릅니다.

그러나 납은 엔진의 폭발행정시에 연소되지 않고 배기가스를 통해 공기 중으로 배출되어 대기를 오염시킵니다.

기화되어 에어로졸의 형태로 전 세계 대기 중에 흩뿌려진 납은 사람들의 몸에 흡수되면 배출되지 않고 계속해서 축적되어 결국 중금속 중독을 일으킵니다.

그리고 뒤늦게 이것을 인지하게 된 미국은 부랴부랴 유연 휘발유의 대체품을 찾게 됩니다.

이미 늦은 게 아닐까? 유연 휘발유 사용의 끔찍한 나비효과를 깨닫게 된 미국

유연 휘발유의 유해성과 위험성을 알린 사람은 '클레어 페터슨(Clair C. Patterson)'이라는 과학자였습니다.

유연 휘발유의 위험성을 지적한 지구화학자, '클레어 페터슨(Clair C. Patterson)'.

그는 지구의 나이를 계산하는 연구 활동을 하고 있었는데, 우라늄 동위원소의 반감기를 이용하여 우라늄과 납의 양을 측정하는 과정에서 대기 중의 납 수치가 너무 높아진 것 같다는 생각이 들었습니다.

이를 증명하기 위해 청정구역을 만들어 지구의 나이를 계산해 본 결과, 산업혁명 시기를 전후로 대기 중 납 농도가 지나치게 높아졌다는 가설을 세우게 되었습니다.

그는 이 가설을 증명하기 위해 그린란드 일대를 조사하고 적설층의 납 농도를 측정해 본 결과, 1923년 이후로 대기 중 납 농도가 위협적인 수준으로 쌓였다는 사실을 밝혀냈습니다.

1923년은 에틸의 대량판매가 이루어지기 시작한 시기입니다.

1986년, 납 중독의 심각성과 인체 유해성을 인지한 미국에서 납이 첨가된 유연 휘발유의 판매를 금지하는 처분이 내려졌습니다.

뒤이어 전 세계 각국에서도 같은 처분이 내려졌으며, 대한민국 또한 9년 뒤인 1993년부터 유연 휘발유 사용을 금지했습니다.

신체에 심각한 영향을 끼치는 납중독의 위험성을 인지하여 개발된 무연 휘발유

1993년 이전에는 대한민국에서도 널리 사용되었던 '납이 첨가된 연료', '유연 휘발유'.

무연 휘발유는 MTBE라는 화합물로 옥탄가를 높이는 방법이 개발되어 4에틸(메틸)납 성분을 넣지 않아도 되어, 출력을 유지하면서도 배기가스의 유해성을 획기적으로 줄이는 결과를 가져올 수 있었습니다.

무연 휘발유 사용을 촉진한 것으로는 '삼원촉매장치'가 유해 배기가스를 획기적으로 줄이는데 큰 역할을 했는데, 납이 첨가되어 있었던 기존 유연 휘발유의 경우 삼원촉매장치를 사용할 수가 없었습니다.

'삼원촉매장치(Three Way Catalyst)'의 기본 구조. 연료가 엔진에서 연소된 후에 배출되는 유해 연소 생성물에는 '미연 탄화수소(HC, Unburned Hydro Carbon)', '일산화탄소(CO, Carbon Monoxide)', '질소 산화물(NOx, Nitrogen Oxident)'가 있다. 이 유독성 배기가스를 세가지 백금족 원소(白金族元素, Platinum Metals) '백금(Pt, Platinum)', '팔라듐(Pd, Palladium)', '로듐(Rh, Rhodium)'을 포함하는 삼원촉매에 반응시켜, 인체에 무해한 '물(H2O)', '이산화탄소(CO2)', '질소(N2)'로 변화시켜 배출한다.

유연 휘발유를 사용하면 배기가스 중에 섞여있는 납이 삼원촉매장치를 코팅시켜 촉매가 배기가스와 직접 접촉할 수 없었기 때문입니다.

스스로 코팅 및 금속윤활제 역할을 수행하던 유연 휘발유 사용이 금지됨에 따라 엔진의 금속 코팅 또한 달라졌습니다.

지금은 납이 따로 윤활 역할을 하지 않아도 되게끔 엔진의 코팅이 되어 있습니다.

간단하게 찾아보고 대충 포스팅 날로 먹으려고 했는데 찾아볼수록 궁금증을 유발하는 재밌는 정보가 파도파도 계속 나와...!

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