요소(Uera)/요소수는 무엇인가?
일반적으로 요소(Urea, 우레아)라고 부르며,
다른 화학명은 카르보닐디아미드(Carbonyldiamide)다.
화학 구조는 카르보닐(C=O, carbonylgroup) 작용기에 두 개의 아미드(amide_-NH2) 작용기가 연결된 구조다.
화학식은 CH4N2O이며 밀도는 1.32g/cm3, 몰 질량은 60.056g/mol이다.
무색, 무취의 백색 고체로 물에 잘 녹으며 거의 독성이 없다.
Urea 화학구조요소수는 물에 요소를 혼합한 물질로 차량용 요소수의 요소 함량은 대략 32~33%이다.
선박용, 산업용은 약 40%의 요소가 포함된 요소수가 사용되고 있다.
2. 경유(디젤, Diesel) 차량에 왜 요소수를 쓰나.
디젤차에서는 디젤 연소 과정에서 질소산화물(NOx), 황산화물(SOX), 이산화탄소(CO2) 등을 포함한 배기가스를 발생시킨다.
특히 질소산화물은 대기오염의 주요 원인으로 알려져 있어 이를 최소화하기 위한 방안으로 요소수를 사용하게 됐다.
디젤 연소 과정에서 질소산화물(NO, NO2)은 요소의 가수분해로 생성된 암모니아와 반응하며 촉매를 통해 질소와 물로 분리해 배기된다.
이것을 화학식으로 표현하면 다음과 같다.
단계 1: 암모니아 생성
Urea→HNCO+NH3(열분해)
HNCO+H2O→NH3+CO2(가수분해)
단계 2: 질소산화물(NO, NO2)과 암모니아의 반응 단계
4NO+4NH3+O2→4N2+6H2O
4개의 일산화질소와 4개의 암모니아 1개의 산소가 반응하여 4개의 질소와 6개의 물분자 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
이렇게 디젤 연소로 생성된 질소산화물은 요소 분해 과정에서 발생한 암모니아와 반응해 질소와 물로 전환돼 배기된다.
이런 과정을 통해 요소수는 대기오염을 감소시키는 역할을 한다.
3) 요소수가 없다면?
요소수가 없어 디젤 연료계통의 차량, 선박이 운행하지 못해 운송, 물류대란이 일어날 수 있다.
그렇다면 요소수가 수입되지 않거나 물량이 부족한 경우는 어떻게 하면 좋은 것일까?
요소수 원료를 들여와 제조하는 방법이 있다.
요소는 암모니아를 원료로 사용하며 2단계 반응으로 제조할 수 있다.
암모니아를 사용하여 요소를 제조하는 화학식은 다음과 같다.
- 2NH3+CO2H2N-COONH4(ammonium carbammate, 암모늄 카르바메이트)
- 2) 2) H2N-COONH4 ((NH2)2CO+H2O
- 1) 반응 1단계는 고온, 고압 조건에서 암모니아 액체와 이산화탄소 기체의 발열 반응으로 진행된다.
- 2) 반응 2단계는 암모늄 카르바메이트가 요소와 물로 분해되는 단계다.
4. 요소수(Ureasolution) 대신 암모니아(Ammonia)를 그대로 사용한다면?
전술한 바와 같이 질소산화물은 암모니아와 반응하여 질소와 물을 생성한다.
그럼 요소수 대신 암모니아를 사용하면 좋은 것이 아닐까요?
결론부터 말하면 암모니아를 올바르게 사용해선 안 된다.
이 부분은 암모니아가 갖는 물질의 특성에 기인한다.
암모니아는 무색기체로 기화성(공기보다 가볍다)이 강해 자극성 냄새를 갖는다.
또 휘발성 때문에 보관 취급이 어렵다.
차량에 암모니아가 부착될 경우 부식성이 강하기 때문에 암모니아를 바로 사용하면 주입구 주변이 부식되기 쉽다.
요소 형태로 사용하는 주된 이유는 암모니아 물질 자체가 다루기 어려운(handling) 조건이기 때문이다.
그래서 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)