오존층 파괴 가스 프레온(CFC : 염화플르오르화탄소)

오존층 파괴 가스 프레온(CFC : 염화플르오르화탄소)
  
1. 개요

현대문명의 일익을 담당해 온 프레온은 금세기 산업발전의 숨은 공로자라 말할 수 있을 것이다. 프레온은 냉매, 발포제, 세정제, 에어로졸용 분사제 등 안전하고 안정한 물질로서 대기중 수명이 길어 성층권까지 도달해, 자외선의 조사에 의해 방출되는 산소원자의 촉매제로 작용하여 오존층을 분해, 파괴한다는 우려가 있어 왔다.또, 대류권에서는 온실효과의 원인도 될 수 있다.

1974년 ‘Nature'지에 오존층 파괴에 대한 우려가 발표된 이래, 1987년 9월엔 ‘오존층을 파괴하는 물질에 관한 몬트리올 의정서’가 채택되었다. 계속되는 규제속에서 마침내 1990년 6월에 개최된 런던 회의에서 2000년까지 특정 프레온의 완전 사용 금지와 더불어 추가물질을 규제대상에 포함하는 의정서 개정안이 채택되었다.

대체품의 개발은 화합물의 선정, 합성, 물성시험, 환경영향평가, 독성시험 등에 상당한 시간이 걸리므로 실용화에는 빨라도 향후 3-4년이 더 걸릴 것으로 보이며, 냉동기 부품 개발, 발포시스템 등 관계기술의 개발도 병행되어야 한다.

따라서 당장은 단기대책으로서 프레온의 사용합리화, 배출제어, 프레온의 회수, 재사용, 프레온의 분해기술의 개발이 과제가 되고 있다.

2. 프레온의 정의

2.1. 프레온의 기원

1930년 GM사의 Thomas Midgley Jr.가 연소성, 독성이 없는 가정용 냉장고의 냉매 연구 중, 1930년 프레온12(CCl2F2) 최초 합성에 성공했다. 그 전까지 암모니아, 아황산가스가 사용되었으나, 부식성, 독성이 강해서 문제가 있었다. 이 때 개발된 프레온은 부식성도 없고 독성도 낮은 냉매로서의 성질이 우수하고 값싼 안전한 화합물로 판명되어 듀퐁(당시 Kinetic Chemical)사에 의해 프레온11(CCl3F), 프레온12(CCl2F2)의 공업적 생산이 시작되어 냉각제용으로 보급되었다.

1930년대엔 냉각제로, 1940년대 후반엔 경질발포제의 충전제로, 제2차 세계 대전 중엔 프레온 11,12가 말라리아 방지용 스프레이충전제로, 전후엔 헤어스프레이, 탈모제, 가구광택제로, 1950년대엔 후반까지 프레온11과 이산화탄소의 혼합물이 가구의 쿠션 및 카페트 충진제, car seat의 유연제로, 1970대 후반엔 전자제품 등 하이테크산업의 세정제, 용제로 많이 이용되어 왔다.

2.2. 프레온의 성질

인류가 만들어낸 가장 안전한 화합물 프레온의 일반적인 성질은 다음과 같다.

1. 무색, 투명, 무취의 기체 ( 또는 액체 )이다.
2. 프레온분자는 탄소와 불소의 결합력이 매우 견고해, 화학반응이 잘 일어나지 않고(불활성), 열에 안정해 파괴, 분해하기 어렵다.
3. 휘발성이어서 기화하기 쉬우며, 가압에 의해 액화하기 쉽다.
4. 분자간의 상호작용이 약하기 때문에 표면장력이 작고 침투성이 높다.
5. 유기염소화합물로서 적당한 친유성(親油性)과 선택적 용해성을 가지며, 용제 특성은 탄화수소계보다 높고, 오일, 그리스류를 잘 용해한다.
6. 잘 마르며 비중이 물보다 크다.
7. 열전도성이 낮아 단열성이 우수하다. 프레온가스의 단열성은 탄산가스의 약 2배, 공기의 약 3배이다.
8. 전기절연성이 높고, 금속에 대한 부식성이 없으며, 플라스틱, 고무에 대한 영향도 거의 없다.
9. 불연성으로 연소하지 않기 때문에 인화, 폭발하지 않는다.
10. 독성이 없어 흡입해도 중독, 마취의 위험이 없으며, 피부에 접촉해도 염증을 일으키지 않는다. ( 단, 산소 결핍에 의한 질식 주의 )

2.3. 프레온의 종류와 제법

프레온은 탄소(C), 불소(F), 염소(Cl), 취소(Br), 수소(H)로 구성되는 탄소수가 1-3개인 화합물의 총칭이다. 일반적으로 메탄, 에탄 등의 탄화수소의 수소원자가 불소 및 염소원자로 치환된 것을 프레온이라 부른다.

(1) 프레온의 명칭과 종류
분자식은 일반적으로 CkHlClmFn으로 표시되며, 2(k+1)=1+m+n의 관계가 있다. 프레온은 숫자로 부르는 경우가 많은데 10번대는 메탄계, 100번대는 에탄계, 200번대는 프로판계, 300번대는 부탄계, 500번대는 공비혼합물을 의미한다. 프레온이 오로지 냉매에 사용된 관계로 Refrigerant의 R, 또는 ‘Freon'의 F를 수의 앞에 채용하며 국제적으로는 R을 사용한다. 최근에는 번호앞에 CFC, HCFC, HFC 등을 붙여 쓰는 경우가 많다. 최근 프레온 분류법에 따라 각 프레온군의 특성을 간단히 소개하겠다.

1) CFC(Chlorofluorocarbon) : 제1세대 프레온, 오존층파괴형. 대기중에서 분해하기 어렵고, 성층권에 올라가 오존층을 파괴함

2) HCFC(Hydrochlorofluorocarbon) : 제2세대프레온, 자기분해형. 오존파괴도(ODP,Ozone Depletion Potential)가 낮으며 대류권에서 분해하기 쉬움. 현재 과도적 대체 프레온으로서 많이 사용

3) HFC(Hydrofluorocarbon) : 오존층 비파괴형. 오존층을 전혀 파괴하지 않으므로 대체 프레온으로서 기대됨

4) FC(Fluorocarbon) : 오존층 비파괴형. PFC(Perfluorocarbon)라고도 부름. 최근 전자공업 등 하이테크분야에서 많이 사용. 염소를 함유하지 않기 때문에 성층권 오존층을 파괴할 우려는 없으나, 1분자당 적외선흡수율이 높기 때문에 양이 많아지면 지구온난화에 영향을 미칠 것으로 생각됨.

(2) 프레온의 일반적 제조법

4염화탄소나 클로로포름, 6염화에탄과 같은 클로로 카본(염화탄화수소)에 안티몬 또는 철, 크롬 등의 금속염화물을 촉매로 해 무수불화수소를 작용시켜 클로로카본의 염소원자의 일부를 불소원자로 치환하는 Swarz법에 의한 것이 보통이다. 불소원인 무수불화수소는 공업적으로는 불화칼슘을 진한 황산으로 분해 제조한다.

2.4. 프레온의 용도

안전성 및 안정성 등의 우수한 특성에 의해 냉매, 에어로졸 분사제, 플라스틱발포제, 정밀기계, 전자부품의 세정용제로서 다량 사용되어 왔고 가정에서도 냉장고, 카에어컨, 에어로졸 등의 일상용품에 2-3kg의 프레온이 사용되고 있다.

(1) 세정 용도
1) 침투성, 친유성, 속건성 등 세정제로서의 우수한 성질로부터, 10여년전부터 널리 사용되어 왔고, 일렉트로닉스, 정밀기계공업의 신장과 함께 그 수요의 증가가 현저하다.
2) 비중이 물보다 크고, 물과 잘 섞이지 않는다는 것이 세정용매로서 유리한 성질이다. 비점이 실온보다 약간 높아(CFC-113의 경우 48℃) 세정시는 액체이지만 기화하기 쉬워 잘 마르며, 표면장력이 작기 때문에 미세 부품의 구석구석까지 침투하여 세정이 용이하다. 적당한 용해력이 있고 무취, 무해, 불연성의 안전한 가스이기 때문에 정밀부품의 세정에 적합하다.
3) 세정대상은 광학부품(카메라, 안경 등), 정밀기계부품(시계, 베어링 등), 전자부품 ( TV, 비디오, 오디오, 통신기기, 컴퓨터, OA기기 등의 마이크로칩 부품), 전기부품(모터 등), 사진 필름 등 무한하다.

(2) 냉매 용도
기체-액체 상태 변화가 용이하여 가압하면 액화하고 감압하면 기화하여 카에어컨, 룸에어컨, 가정용 냉장고 등의 냉매(냉각제)로 널리 사용되고 있고, 빌딩, 공공시설의 대규모 냉장용 에어컨에 사용되고 있다. 이 중 카에어컨의 용도가 가장 많다. 또, 냉동, 냉장법의 보급으로 식품 유통업에도 많이 쓰인다.

(3) 발포, 단열재 용도
1) 빌딩, 주택 단열재로의 수요가 확대되어 현재는 우레탄폼, 스티로폼 등 플라스틱 재료의 발포용에 많이 이용한다.
2) 프레온은 열을 전도하기 어렵기 때문에 경질 우레탄폼과 같은 재료속에 기포로 밀폐하면, 열출입을 차단하는 효과가 커 단열성이 우수한 양질의 제품을 만들 수 있다. 따라서 이를 이용해 냉장고, 건물의 단열, 자동차핸들, 범퍼 등에 경질 우레탄폼이 사용되며, 자동차시트, 침대, 소파의 매트리스 등에는 경질 우레탄폼이 많이 사용되고 있다. 또 포장용 패킹, 식품용기(스티로폼)와 같은 많은 생활용품에도 이용되고 있다.

(4) 에어로졸 분사제 용도

1) 일반적으로 프레온 문제라 할 때 바로 연상되는 용도이지만 지금은 그 수요가 늘지 않고 있다.
2) 가압 액화, 감압 기화하기 쉽고, 적당한 용해력이 있다는 것이 기능상 유리한 성질이고, 사용 후는 완전히 공기 중에 배출되기 때문에, 무해, 무취, 불연성의 프레온은 가장 안전한 가스로서 가정용 헤어스프레이, 탈취제를 비롯한 모든 종류의 스프레이에 다량 사용되어 왔다.
3) 제 2차 대전 중 말라리아 살충제로 사용된 것이 처음이다. 세계적으로 전체 프레온 소비량의 1/4를 차지하고 있다.