질산암모늄: 더 나은 미래를 위한 안전한 보관

질산암모늄(AN)은 여러 중요한 용도로 널리 사용되는 화합물이며 비료 원료로, 수십억 명 분량의 식량을 생산하는 데 도움이 됩니다. 또한 여러 산업용 폭약의 주된 구성 요소로 연료유와 혼합된 상태에서 폭발을 일으킬 수 있습니다. 전 세계적으로 농업 활동이 활발해지고 질산암모늄 연료유(ANFO)에 대한 수요가 증가하면서 향후 5년 동안 질산암모늄 시장의 연평균 성장률(CAGR)이 4% 넘게 증가할 것으로 예상되고 있습니다. 그러나 잠재적인 폭발성과 남용 위험으로 인해 제조업체, 판매자, 사용자 모두 재난 상황이 발생하지 않도록 이 화합물의 안전에 주의를 기울여야 합니다.

그렇다면 이 유용한 화합물과 관련된 위험을 최소화하면서 이점은 계속 활용할 수 있는 방법은 무엇일까요? 이 글에서는 2020년 베이루트에서 발생한 질산암모늄 폭발 대참사에서 얻은 교훈과 더 이상의 폭발 사고를 방지할 수 있는 방법을 알아봅니다.

질산암모늄 시장 확대

질산암모늄 시장은 상승 궤도에 올라 있으며 최근 보고서에서는 2026년 시장 규모를 240억 달러로 예상하고 있습니다. 이러한 시장 규모 확대는 인구 증가로 인해 촉진되며 인구 증가는 식량 공급과 부동산의 수요 증가를 야기합니다. 질산암모늄은 이 두 산업의 중요한 자원이기도 합니다.

질산암모늄은 잘 알려진 비료 물질이며 이 화합물을 구성하는 NH₄(암모늄)과 NO₃(질산염)의 공통 성분이 질소입니다. 식물이 화합물의 질산염 형태에서 직접 질소에 접근할 수 있을 뿐만 아니라 암모늄 성분이 토양 미생물에 의해 서서히 질산염으로 변환될 수 있습니다. 질산암모늄은 이러한 특성으로 인해 식물 영양 공급원으로 질산염을 선호하는 채소 재배 농부들에게 인기가 많습니다. 가축을 키울 때도 목초와 건초 비료로 질산암모늄을 사용합니다. 식물이 흡수하기 전에 토양에서 휘발될 수 있는 요소 기반 비료보다 질산암모늄을 더 선호합니다. 물에 잘 녹아 관개 시스템에도 적합합니다.

질산암모늄의 다른 주된 용도는 광산, 채석장, 토목 분야에서 사용되는 폭발 화합물의 한 구성 요소라는 것입니다. 안포폭약(ANFO)의 일종으로 북미 지역에서 사용되는 폭발물의 80%를 차지합니다. 유감스럽게도 ANFO 구성 물질은 상대적으로 쉽게 구할 수 있어 사제 폭발물에 남용될 위험이 있습니다. 따라서 올바른 관리로 질산암모늄의 잠재적 위험을 줄여야 합니다.

베이루트 참사와 그 여파

2020년 8월 4일, 레바논 수도인 베이루트에서 최소 218명의 사망자와 6,000명이 넘는 부상자가 발생한 끔찍한 폭발 사고가 일어났습니다. 이 폭발 사고의 주된 원인은 베이루트 항구 내 창고에 보관 중이던 약 2,750톤의 질산암모늄이었습니다. 이 엄청난 양의 질산암모늄은 2014년 몰수된 퇴함에 함께 압수된 상태였습니다. 인근 창고 화재에서 나온 불꽃이 보관 중이던 비료의 발화제 역할을 하면서 엄청난 규모의 자산 손실과 약 300,000명의 이재민이 발생한 폭발 사고로 이어졌습니다. 이후 2년이 지난 2022년 7월, 8월에도 인근 곡물 저장 창고의 후속 붕괴로 베이루트에 계속 영향을 미치고 있습니다.

폭발로 인한 인적 피해 비용을 제외하더라도 경제적 피해액이 미화 67억 달러를 넘어서는 것으로 추정됩니다. 이 폭발 사고로 레바논 곡물 비축량의 90%가 소실되었으며 심각한 경제 위기와 함께 이미 식량 안전이 위태로운 상황에 어려움이 가중되었습니다. 관련 데이터는 부족하지만 환경 역시 이 폭발의 영향을 받았을 것이 분명합니다. 질산암모늄이 폭발하면 산화질소, 암모니아, 일산화탄소 등의 유해 가스가 환경에 배출되어 화학 오염을 일으키고 지역 주민들에게 피해를 끼치게 됩니다. 이러한 환경 오염은 생태계에도 악영향을 미칩니다. 분해 생성물이 바다로 이동하면서 양서류와 수중 생물이 질산염 중독 위험에 처하게 됩니다.

전문가들은 베이루트 폭발 사고를 분석하고 다른 유사 질산암모늄 재해와 비교했습니다. 베이루트 참사와 다른 여러 폭발 사고의 공통점은 폭발의 근본 원인이 화재에 대한 관리 부재였다는 것입니다. 그토록 엄청난 양의 질산암모늄을 한 곳에 비축한 것이 폭발의 위력을 증폭시켰으며 비축고가 도시에 위치해 있어 크나큰 인명 피해로 이어졌습니다. 이러한 분석 결과를 토대로, 국가 차원에서 화학 안전을 관리하기 위한 레바논 화학 규제 기관 설립, 향후 사고 대비를 위한 비상 대응 계획 수립 등이 제안되었습니다.

폭발 물질로서의 질산암모늄

대부분의 질산암모늄 폭발은 이동이나 보관 중에 발생하지만(그림 1) 폭발 위험 요인을 정확하게 이해하기 위해서는 질산암모늄의 화학 및 제조 공정을 이해해야 합니다.

질산암모늄은 물 속에서 암모니아와 질산의 반응으로 생성되며 이후 서서히 물이 증발하는 과정을 거쳐 고체가 됩니다.

NH₃ + HNO₃ → NH₄NO₃

암모니아는 보통 대기 중 질소에서 얻을 수 있으며 암모니아 연소 과정에서 질산이 생성됩니다. 이 두 기본 물질은 일반적으로 가까운 곳에 함께 보관하지 않습니다. 제조 시 수용액을 사용하는데 반응 과정에서 상당한 열이 발생하기 때문입니다. 그 다음 증발 단계가 여러 가지 폭발 원인이 될 수 있습니다. 제조 공정과 관련된 다른 폭발 원인으로는 질산암모늄의 안정성을 떨어뜨릴 수 있는 불순물 함유를 들 수 있습니다. 온도를 적절하게 조절하지 못하는 경우 역시 질산암모늄이 물을 흡수하거나 결정 형태를 변형시켜 사용하기에 적합하지 않은 응집 상태가 될 수 있습니다.

질산암모늄 반응에 대한 오랜 연구에도 불구하고 정확한 분해 및 폭발 메커니즘은 완전히 규명되지 않았습니다. 이 난제는 반응의 화학적 복잡성뿐만 아니라 다양한 대기 조건과 잠재적 오염 물질에서 일부 원인을 찾을 수 있습니다. 다음 반응은 주된 폭발 반응에 대한 가설입니다.

2NH₄NO₃ → 2N₂ + O₂ + 4H₂O

질산암모늄의 폭발성이 큰 이유 중 하나는 연료 역할을 하는 암모늄 이온과 강력한 산소 생성 작용을 하는 질산이 모두 같은 분자 내에 있기 때문입니다. 분해가 시작되면 열로 인해 폭발이 시작되며 산소 공급원이 이미 존재하므로 연소가 급속하게 진행됩니다. 결과적으로 아산화질소, 산소, 물과 함께 큰 열, 운동 에너지가 생성됩니다. 이러한 결과물은 최초 질산암모늄 양보다 1,000배 더 큰 폭발력으로 그 주변에 위력적인 폭발 피해를 야기합니다.

폭발 사고의 위험과 일반적인 남용을 최소화하기 위해 질산암모늄에 대한 여러 가지 공정, 첨가제, 대안에 대한 시험이 진행되었습니다(표 1). 그러나 완벽한 솔루션을 얻지는 못했으며 안전하고 경제적인 대안을 개발하기 위한 작업이 더 필요한 상황입니다. CAS가 제작한 질산암모늄 폭발 사고에서 얻은 교훈에 대한 Insight 보고서에서는 “폭발 사고가 일어나지 않는 비료를 만드는 것으로는 부족하며, 질산암모늄이 쉽게 폭발되지 않는 방법을 알아내야 한다”고 강조합니다.

표 1. 대체 질소 비료 목록

대체 질소 비료 또한 고려했습니다(표 1).그러나 질소 함유량이 가장 많은 대안은 상온에서 가스 상태인데다 독성이 있어 사용할 수 없습니다. 질소가 많이 함유된 비료와 다른 다량 영양소를 혼합하면 효과가 큰 비료를 생산하면서 폭발 위험은 줄일 수 있습니다.

질산암모늄 취급 주의

안전한 질산암모늄 취급 및 보관을 위한 많은 엄격한 규제와 요건이 이미 여러 국가에서 시행되고 있습니다. 미국의 경우 2001년 산업안전보건국(OSHA)에서 기본 규정을 발표했으며 2015년 역시 OSHA에서 환경보호국(EPA), 알코올, 담배, 화기, 폭발물 관리국(ATF)과 함께 발표한 주의보에 추가 지침이 나와 있습니다. 이 주의보는 질산암모늄 위험 관리와 안전을 강화하고 환경을 보호하기 위한 지속적인 정부 노력의 일환으로 발표되었습니다.

질산암모늄 안전에 대한 CAS Insight 보고서에서는 안전한 보관을 위해 여러 가지 변수를 신중하게 고려해야 한다고 강조합니다(그림 2). OSHA 규정에는 보관 장소에서 적절한 환기가 필요하다고 규정하고 있습니다. 이는 유독 가스 및 고압 가스의 축적과 집적을 방지하는 데 중요합니다. 법규 제정에서 고려되는 기타 안전 요인에는 보관 장소에서의 불연 물질 사용, 130°F 미만 온도 유지, 한 곳에 보관되는 질산암모늄의 양 제한, 적절한 소방 조치가 포함됩니다.

고체 질산암모늄과 같은 위험 물질을 통제하는 데는 법규와 지침이 필수적이지만 준수 의무를 다하지 않으면 안전도를 높일 수 없습니다. 질산암모늄의 위험성과 기존 지침 준수의 중요성에 대한 인식을 고취해 미래에 일어날 수 있는 대형 사고를 예방하거나, 최소한 가능성을 크게 줄일 수 있습니다.

질산암모늄은 농업을 비롯한 전세계 여러 산업 분야에서 다양하게 활용되고 있으며 경제적으로도 중요한 성분입니다. 그런데 지난 세기 발생한 여러 대형 폭발 사고로 인해 제조 및 보관 과정에서의 위험성이 강조되고 있습니다. 이러한 위험성 문제를 해결하기 위해서는 질산암모늄의 위험에 대한 대중의 인식이 필요하며 안전 조치 준수와 함께 적합한 대안을 개발하기 위한 노력이 계속되어야 합니다.

자세한 내용을 알아보려면 CAS Insight 보고서, “질산 암모늄: 습득한 교훈과 보다 안전한 접근 방식”을 다운로드하십시오.