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질소 Nitrogen  

- 질소원 : 식물의 영양
- 질소 N2 gas
- 산화질소 NO
- 식품에 적용

- 액체질소
- 질소포장 : 탄산소제

질소의 이용 특징

1) 일반적으로 불활성
2) 극저온의 이용도 가능
3) 비교적 염가

이용 목적

① 용기충전시 탈산소용
② 식품 저장때의 불활성
③ 냉매 (급속 동결, 동결 분쇄, 냉동 수송) 등이 있다.
   분당 600도까지 온도를 낮출 수있음
   초당 10도




음료 산업에 있어서의 이용은, 주로 음료 내용물의 산화 방지와 캔 음료의 경우는 양압관의 내압 보관 유지로서의 역할이다. 음료도 식품의 일부이며, 식품을 제조하는데 있어서 빠뜨릴 수 없는 다른 식품첨가물 같이, 안전성에는 유의 되는 것이 당연하다

13-1-2 질소의 제조법

질소를 공업적으로 제조하는 방법은, 대기중에 포함되는 산소, 아르곤, 그 외 네온, 헬륨, 크립톤등의 희소가스와 같이, 원료로서 공기를 압축, 냉각, 액화, 정령 유분리 하는 것으로 행해지고 있다. 공기의 압축•냉각•액화 공정으로 고체화 해 제조 장치의 유로를 막아, 방해가 되는 수분, 탄산 가스등은 예비 정제 단계에서 제거되어 저온 분리 장치에서, 각각의 목적 가스의 분리•농축을 해 사용 용도에 의해 가스, 혹은 액화 상태로 제품화된다.
질소 가스의 경우는 전술과 같이 공업적으로 제품화된 것을 사용하는 것 외에 사용 목적으로부터 가스의 순도가 낮아도 좋은 경우는, 중공사, 혹은 Carbon molecular sieve (CMS)를 이용해, 공기중의 가스의 선택성을 응용한 소형의 분리 장치로 제조하는 것에 의해서, 가스의 구입 경비의 절감을 실시하고 있는 곳도 있다.

13-1-3 질소의 분류

한편, 식품의 산화 방지의 목적으로, 포장재안에 식품과 함께 봉입되는 질소는, 그 성질이 불활성이며, 또 그 사용량보다 인체에의 영향의 염려가 없는 것으로부터 첨가물은 아니고 가공조제로서 다루어지기 위해, 최종 제품에 대해서는, 질소를 첨가물로서 표시하는 것은 면제되고 있다. 포테이토칩등의 봉투들이 스넥류, 캔 음료등도 거기에 맞는다.

13-1-4 질소의 특성
아래와 같이에 질소의 주요한 특성치를 나타낸다.특성치 이외에서는, 통상 환경하에서는 화학적으로 불활성인 것으로, 한층 더 극저온에도 불구하고 통상 환경에 있어 액상 상태로 용이하게 취급할 수 있는 것도 큰 특징이다.
 비점 195.8 ℃ (1 기압)
 비중 0.8064g/ml(비점시)
 비용적(GN2) 861.5ml/g(21.1 ℃)
 용해도(물에 대해) 0.0155ml/ml(20 ℃,l 기압)
 가스 밀도 1.17g/l(20 ℃,1 기압)
 냄새 무미 무취

13-14 질소의 이용

음료 제조 분야에 있어서의 질소는, 그 이용 형태로부터, 가스로서 이용하는 경우와 액체 질소로서 이용하는 경우로 나누어진다. 가스로서의 이용 목적은, 식품 제조 전반에 말할 수 있는 것이다가, 내용물을 용기내에 충전•밀봉할 때에 혼입하는 공기 (산소)를 배제•치환해 내용물의 산화에 의한 품질 열화를 방지하는 것이다. 또 액체 질소로서의 이용 목적은, 산화 방지 기능에 가세해 기화시의 체적 팽창을 이용해, DI 캔 (Drawan & Ironed Can) 등 벽후가 얇고 진공 강도가 없는 캔의 캔내압을 양압화해 관체 강도의 보관 유지를 도모해, 용기의 경량화와 코스트 세이브를 도모하는 것에 있다. 이하, 음료 제조 라인으로의 구체적인 이용 상황과 효과에 대해 적는다.

(1) 질소 가스의 이용

봉입 용기내의 공기 (산소)를 제거하는 수단으로서는, 내용물 충전 후의 용기내를 기계적으로 진공으로 하는 방법, 또는 진공 후에 질소를 봉입하는 방법이 있어, 이것들은 차잎, 레기유라코히 분말등의 내용물 틈(간격)에 공기를 포함하기 쉬운 고형 내용물에 대해서 실시된다. 덧붙여 진공 뿐만이 아니라 진공 후에 질소를 봉입하는 것은, 산소에 의한 변질 방지 대책 뿐만이 아니라, 고진공에 의한 관체의 함몰을 방지하기 위해이기도 하다.
음료 제조에 있어서의 산소 제거 수단으로서의 질소 가스의 이용에는, 조제 단계에 있고, 내용액의 희석등에 이용하는 사용물의 탈산소화가 있다. 조제 전의 희석수로서의 사용물을 진공 장치내에 통과시켜 탈산소를 실시하는 경우, 또는 질소 치환 장치로 실시하는 경우도 있어, 사용물의 용존 산소 농도는 통상 1ppm 이하의 관리를 목표 해 이용하고 있다.
또한 근년, 일부의 제조 라인에서는, 내용액의 조제 단계로부터 충전 공정에 이를 때까지의 전공정에 걸쳐, 내용액과 산소와의 접촉을 극력 방지해 제품의 품질 향상과 차별화를 도모하는 제조 방법 (탈산소제조법)이 채용되고 있다. 이것은 음료 제조용 사용물의 ppb 레벨에 이르는 극도의 탈산소화, 거기에 따르는 각 조제 탱크의 밀봉 구조화와 탱크내 헤드 스페이스의 질소 치환의 실시에 의해 조제 라인 전체를 산소로부터 차단해 제조하는 방법이다.
근년 음료 용기로서 급속히 수요가 확대해 온 PET 보틀에 있어서의 질소의 이용은, 금속캔과 달리, PET병의 용기 자체의 가스 차단성이 완전하지 않은 것으로부터, 적극적인 질소의 이용은 없지만, 일부에 캔 음료 같이 헤드 스페이스의 질소 치환을 실시하고 있는 제조 라인도 있다.

(2) 질소 가스 충전법 (질소 가스 플로우법)

음료 제조시의 내용물의 충전법 및 관내 헤드 스페이스부 (이하 H-S부)의 산소 제거의 처리법은 표 131 에 나타내도록(듯이) 복잡하고, 각종의 조작법이 실시된다. 음압관, 양압관 모두 핫필링 법과 냉간 충전법이 있어, 냉간 충전시는 관내 H-S 부의 산소 제거를 위해, 스팀 플로우, 질소 가스 플로우 및 그것들 혼합 가스 플로우가 실시된다.통상 핫필링 때에는, 내용액의 증기에 의해 관내 H-S 부의 공기가 배제되지만, 보다 고도의 탈산소가 요망되는 경우에는 질소 가스 플로우가 병용 된다.또 특수한 방법으로서 근년 시장에 나돌기 시작한 보틀 형상의 캔용기(보틀캔)에서는, PET병 충전으로 이용되는 방법인, 좁은 입구에 무균수를 극소량 첨가해, 그 충격으로 내용액중의 탄산 가스를 발포시켜 H-S 부의 산소를 배제하는 경우도 있다.

질소 가스의 이용의 상당수는, 음료 통조림 제조 라인으로 음료 내용물을 캔에 충전 후, 관개권체장치로 관개를 권 잡기 직전에 권체장치내에 짜넣어진 갓싱 타렛트로 불리는 가스 불어와 장치로부터 음료가 충전된 캔의 헤드 스페이스의 공기 (산소)를 음압관이면, 스팀과의 혼합 가스로서 질소에 치환하는 경우도 있다. 또, 양압관이면, 다류등의 비탄산음료의 경우, 후술 하는 액체 질소 충전 후의 질소 가스 플로우로서 헤드 스페이스내의 공기 (산소)를 질소 치환한다. 질소 가스의 사용량은, 충전법, 제조 속도, 및 목적으로 하는 관내 산소량에 따라서 다르지만, 대개 시간 당 5~20m3 이다.
엽차 음료를 캔에 충전 후, 레토르트 살균을 실시한 것을 예에 산소의 제거 효과에 대해 설명한다. 그림13-1 은 질소 질소 가스 플로우 유무에 의한 색조의 경시 변화를 나타낸 것이지만, 명확한 색조의 차이가 인정된다. 육안에서도 레토르트 살균 직후부터 차이가 인정되어 질소 가스 플로우품이 녹색을 나타내고 있는데 대해, 플로우 없음품은, 황토색이 되어 상품 가치가 내린다. 그림13-1 은 a 치의 경시 변화로 봉입 산소량에 의해서 차이를 볼 수 있다.질소 가스 플로우 유무에 의한 a 치의 차이는 저장 온도의 달라, 저장 기간에 관계없이, 일정하게 변화하고 있지만, 가스 플로우 있는 분이 항상 우위에 있다.
그림 13-2 은 비타민 C 의 변화이지만, 질소 플로우의 유무로 제조 직후부터 차이가 인정된다.이 차이는 색조 변화와 같은 경향을 나타내, 질소에 의한 산소 제거 효과가 유효한 것을 나타내고 있다.

(3) 액체 질소 충전법 (류하식, 및 적하식 충전법)

다음에 음료에 있어서의 이제(벌써) 1 개의 질소의 이용 방법으로서는, 표 13-1 대로, 양압관에 대해 질소를 액화 상태로 사용하는 액체 질소 (이하 LN 라고 생략한다) 충전법이 있다. 이것은 다류, 과즙 음료등, 탄산 가스를 포함하지 않는 음료 제품에, 캔용기의 벽후를 얇게 경량화해 코스트를 삭감한 DI 캔등의 용기를 이용하는 것을 목적으로 개발된 방법이며, 처음은, 미국의 Reynolds Metals 삼림이 LN 충전 장치를 개발해, 와인등으로 제품화했다. 일본에 있어서는, 하린맥주삼림의 오렌지쥬스로 스타트 했다. 그 후, 각종 과즙 음료, 스포츠 드링크등, 급속히 생산이 증대했다.
한편, 레토르트 살균을 실시하는 저산성 음료에 대해서는, 미생물에 의한 변패 팽창캔과 질소 가스압밤캔 내압과의 판별이 어렵고, 저산성 음료의 LN 충전에 의한 양압관의 제조는 바람직하지 않다고 여겨져 업계에서도 논의되었지만, 그 후 저산성 음료 제품에서도, 밀크 넣은 제품 이외는 제품의 안전이 확인되어 녹차, 홍차, 우롱차, 보리차, 혼합차등의 다류, 및 블랙 커피가 연달아, 생산되게 되어, 한층 더 LN 제품의 생산이 확대해 갔다.


그림 13-3 LN 충전 라인 플로우 시트

LN 충전법은, 전술한 것처럼 경량화한 고의 캔강도를 보관 유지하는 것이 주목적이며, 이것만에서는 관내의 산소량을 제거하는데 충분하지 않고, 질소 가스 플로우를 병용 하는 방법이 일반적이다. 충전 방법은, 캔용기에 안용액 충전 후, 관개권체장치 직전에서, 캔헤드 스페이스내의 음료 내용액면에 LN 를 소량 충전해, 개권체장치내의 가스타 렛으로부터 질소 가스를 불어와 권 잡고, 소정의 내압과 산소량의 제품을 제조한다.
LN 의 충전 방법은, 내용액충전 후의 캔용기가 통과할 때만 LN 를 첨가하는 간헐식과 항상 계속 흘리는 연속류하식이 있다. 전자는 LN 의 사용시의 로스를 삭감할 수 있지만, 매분 800~1,200 캔정도를 제조하는 고속 라인에서는, 간헐 동작이 추종 할 수 없게, 또 유량 정도상의 문제도 있어, 현재는 연속류하식이 주류이다.
그림 133 에 LN 충전 라인의 플로우 시트를 나타낸다. 또, 양압관의 경우의 충전법에는 표 131 에 나타내는 대로, 핫필링 법과 냉간 충전법이 있지만, 과즙 음료나 저산성 음료의 제조에서는 설비비의 관계로부터, 종래의 과즙, 또는 저산성 음료의 제조 라인을 이용한 라인이 많아, 핫필링 후 LN 를 첨가하는 핫 LN j 거의 이용이 많다. 덧붙여 탄산음료 제조 라인을 이용하는 라인 구성에서는, 상온 충전한 내용물상에 LN 를 첨가•권 맺고, 후속 공정으로 70~80 ℃의 살균을 하는 패스 다랑어 처리에 의한 콜드 LN 법이 채용된다.
또 LN 제품으로서는 저산성 음료의 양압관제조로 문제가 되어 후발 제조가 된 다류등, 밀크 들어가 이외의 저산성 음료의 LN 제품에서는, 충전 후에 레토르트 살균이 있으므로, 내용액의 충전 온도는, 조제시의 액체의 온도의 이용과 레토르트의 온도 부하의 경감을 고려했다 60~70 ℃의 충전 액체의 온도로 LN 가 첨가된다. 90 ℃전후의 핫 LN 법보다 온도가 낮은 분 내용액의 팽창도가 작고 헤드 스페이스가 커져, 내압의 안정도는 높아진다.


표 13-2 는, 핫, 콜드시의 LN 법에 따르는 충전 온도•충전 속도와 캔내압의 관계를 나타내, 표 133 은 저산성 음료의 LN 충전품실제조 결과를 나타낸다. 충전 방식의 차이에 의한 품질상의 차이로서는, 산소의 제거 성능이 다르다.콜드 LN 법의 경우는, 내용액중의 용존 산소량도 많아, 한층 더 액체의 온도가 낮은 분 헤드 스페이스가 커지기 위해, 핫 LN 에 비해 관내 산소량이 많아지므로, 권체기로의 질소 플로우는 필요하게 된다. 근래에는 핫 LN 법에서도, 산소의 영향이 큰 제품은 질소 가스 플로우를 실시한다. 또, 녹차 등 산소에 예민한 내용물은 레토르트 살균품이어도, 용존 산소의 영향을 줄이기 위해서 충전 온도도 핫필링 온도 레벨의 90 ℃정도로 제조하는 경우도 있다. 산소량의 관리치는 각사에서 다르지만, 대개 관내 산소량을 1ml 정도 이하에 억제하고 있다.
LN 충전법에 따르는 제조로 중요한 점은, 같은 양압관인 탄산음료에 비해, 내압의 불균형이 커지는 점이다.  불균형의 원인은 몇인가 있지만, 특히 매분 l,000~l,200 캔의 고속으로  제조하는 경우, LN 첨가시의 캔내용액면의 흔들림, 한층 더 개권체기의 캔리프터에의 갈아타 단차, 또 내용액량의 불균형에 의한 액오모다카에 의한 고속 회전권체시의 액면에 부유 하는 LN 의 관외에의 비산등이 있다. 이것들 관련하는 요인은 극히 몇 안 되는 일에서도 없애, 전체적으로 충분한 라인 조정을 실시하지 않으면 소정의 내압 범위에 관리되고 있는 제품 이외의 기준 외내압의 불량품이 대량으로 배출되게 된다. 만일 내압 불량품의 발생율이 1% 로 가정하면, 매분 10 캔의 불량품이 제품 검사기로 배제되기 위해, 그것을 위한 요원이 필요하게 되어, 매우 큰 작업 공정수가 생기게 된다.
그림 13-4 은 헤드 스페이스와 캔내압 분포의 관계를 나타내, 충전량이 많아져 헤드 스페이스가 작아지면 첨가 LN 의 관외에의 비산에 의한 내압 불균형이 커지는 것을 나타낸다.

(4) 액체 질소 미스트 충전법

본법은 미스트화한 LN 를 핫필링 한 관내 H-S 부에 봉입하는 것으로써, 관내를 미양압 으로 유지하는 것으로, 캔용기의 강도를 보관 유지해, 경량화에 의한 코스트 세이브를 도모하기 위해서 개발되었다. 그 결과, 종래 3P 음압관이 이용되어 온 다류, 커피 등 저산성 음료의 제조에 임해, 종래의 3P 캔으로의 제조 라인과 품질 보증을 위한 타검검사법을 이용할 수 있는 것이 특징이다. 사용되는 캔용기는, 관추를 스트렛치드로 & 아이아닝법에 의해 얇기화한 DTR 캔 (TUIC ; 일반적으로 탈크캔으로 불린다)이 이용된다. 3P 경량캔등에의 응용도 가능한 방법이다.
제조 방법의 특징은, 종래의 LN 충전법이 제조 법상 내압의 불균형이 크고, 다류등의 저산성 음료라도 목표캔내압이 0.1Mpa 정도로 설정되는데 대해, LN 미스트 충전법에서는, 내압의 불균형을 작게 할 수 있으므로, 목표캔내압을 미양압역의 0.03~0.05MPa 로 설정할 수 있어 충전•밀봉 후의 캔의 인 라인 및 케이스타검이 종래의 음압관 같은 설비로 품질관리 할 수 있는 곳(중)에 있다.
LN 미스트 충전법의 구체적인 방법으로서는, 내용액충전 후의 캔헤드 스페이스에 저온 질소 미스트 (LN 의 미세 액체방울 + 질소 저온 가스)를 충전하므로, 종래의 LN 충전법에 비해, 관개권체시의 관체의 자전, 공전에 의한 LN 의 비산량이 적기 때문에, 내압 정도가 향상해, 내압이 안정된 미양압관이 생겨 종래의 타검검사가 가능하게 되었다.
이상, 식품 분야에 있어서의 질소 수요 자체는, 식품에 대한 고품질의 요구가 강해져, 그 수요는 더욱 더 증대하고 있다. 한편 음료 분야에 있어 과거양압관제품의 제조로, 의 이용이 많았지만, 근년의 PET병의 증가에 수반하는 양압관의 감소와 함께 감소 경향에 있다. 최근에는, 캔용기도, 캔의 밀봉•보존성이라고 하는 뛰어난 기능에 한층 더 PET병에 준한 재밀봉의 기능을 부가한 보틀 형상의 제품 (보틀캔)으로서 신에 시장에 나돌게 되어, 종래의 양압관 같이, 질소가 캔강도의 보관 유지에 이용되는 등 새로운 수요가 퍼지고 있다.




질소과자?

요즘 온라인에선 '과자 뗏목'이 화제다. '행동파' 대학생 3명이 과자로 뗏목을 만들어 28일 오후 3시에 서울 잠실 한강공원에서 출발해 한강을 건너겠다고 예고해서다. 이들은 양면테이프와 공업용 테이프로 180개의 과자봉지를 이어 붙여 '과자 배'를 제조했다고 한다.

대학생들의 기발한 퍼포먼스 계획을 보면서 품게 된 첫 번째 의문은 '과연 '과자 배'가 물에 떠서 한강을 건널 수 있을까'다. 가능하다. 서울시 소방재난본부는 물놀이를 하다 사람이 빠졌는데 구할 도구가 마땅치 않으면 돗자리ㆍ빈 페트병ㆍ대용량 과자 봉지를 활용하라고 소개한 바 있다.

두 번째 의문은 "대학생들이 왜 이런 이벤트를 벌이는 것일까'다. '질소를 샀더니 과자가 따라오더라'란 대학생들의 표현에서 엿볼 수 있듯이 '과자 배' 이벤트는 과대 포장이 심한 일부 국산 과자 업체들의 행태를 고발하기 위해서일 것으로 짐작된다.

세 번째 의문은 "그렇다면 왜 과자 회사들은 제품에 빵빵하게 질소를 채우는 것일까"다. 과자 회사들은 과자의 안전성을 확보하고 상품성을 유지하기 위해서 공기 대신 질소를 채운다고 주장한다. 일리 있다. 예컨대 감자 스낵에 함유된 해바라기씨기름이나 들기름은 혈관 건강에 이로운 불포화 지방이지만 이들이 공기에 노출되면 산화(산패)돼 유해물질인 과산화 지질로 바뀐다. 따라서 공기를 질소(공기의 78% 차지)로 바꾸면(가스 치환 충전) 이 같은 반응을 막을 수 있다. 감자칩 같은 과자가 운반ㆍ유통ㆍ보관 중 부스러져 상품성이 떨어지는 것을 막는 것도 식품회사들이 포장지 내에 질소를 채우는 이유다. 과거엔 스낵류를 만들 때 원료로 전분(녹물)을 많이 사용해 질소를 가득 채우지 않아도 됐지만 최근엔 생감자 등을 쓰다 보니 더 바스러지기 쉬워졌다는 것도 질소를 더 많이 채워 넣는 것이다.

네 번째 의문은 "질소를 채운 과자가 안전한가'다. 안전성엔 문제가 없다. 질소는 공기의 주성분인 무색ㆍ무미ㆍ무취ㆍ무해ㆍ무독의 기체인데다 과자와의 반응성이 거의 없어서다. 막연히 질소 중독을 떠올리는 사람도 있지만 질소 중독은 스쿠버 다이버가 수심 25∼30m에 이르렀을 때 술에 취한 듯 웃기 시작하는 것을 말한다.

포장 안에 든 질소는 포장을 뜯는 순간 바로 공기와 섞이게 된다. 단 한 가지, 질소가 들어 있다는 이유로 위생 관리를 소홀히 했다간 클로스트리듐 보툴리누스ㆍ바실러스 세레우스ㆍ병원성 대장균 O-157 등 산소가 없는 환경에서 잘 자라는 세균(혐기성 세균)이 자랄 수는 있다(동국대 식품생명공학과 신한승 교수).

식품의 종류에 따라 포장 안에 넣는 기체의 종류가 달라진다. 대개 질소ㆍ이산화탄소ㆍ산소 혼합가스가 사용된다. 질소는 스낵류 등 대형 과자에만 채우는 것이 아니다. 분유ㆍ커피 통 안에도 들어 있다. 대개 공기 중의 산소를 제거해 산화를 막고 퇴색ㆍ변색을 억제하며 식품 고유의 향을 보전하고 제품이 부서지는 것을 최소화하기 위해 사용된다. 살균 효과는 거의 없어 질소를 채워도 곰팡이ㆍ부패 억제 효과는 기대하기 힘들다.

식품 포장에 질소 등을 채워넣는 역사는 고대 중국으로 거슬러 올라간다. 고대 중국에선 식품 용기 안에서 기름을 태워 산소를 소모시킴으로써 식품을 장기 보존했다는 기록이 남아 있다. 영국에선 약 150 년 전에 병 우유의 입구 부위에 이산화탄소(탄산가스)를 넣어 우유의 보존기한을 높이는 특허가 출원됐다. 식품 포장에 질소 등 가스를 채우는 것은 결코 새로운 것이 아니다. 공기 중의 산소와 차단하는 것으로 예나 지금이나 기본 아이디어는 동일하다. 최근 들어 질소 등가스를 넣은 포장이 늘어난 것은 식품에 전혀 손을 대지 않고 포장 기술만으로 보존성과 상품성을 높일 수 있다는 장점 때문이다.

소비자들은 "식품회사들이 과자 등에 질소를 채워 과자 무게를 늘리려는 속셈이 있는 것이 아닌지" 의심한다. 과자의 총 중량에 질소 무게도 포함되므로 이유 있는 지적이다. 질소를 채우면 과자의 부피와 무게가 늘어나게 되므로 과다하게 질소를 넣는 것은 소비자 기만 행위가 될 수 있다. 식품 포장에서 빈 공간의 차지하는 비율(포장공간 비율)과 포장 횟수는 법으로 정해져 있다(환경부의 제품의 포장재질ㆍ포장방법에 관한 기준 등에 관한 규칙). 이 규칙에 따르면 스낵류와 케이크의 포장공간 비율은 35% 이하, 제과류는 20% 이하, 음료ㆍ주류는 10% 이하여야 한다(국회 입법조사처 장영주 입법조사관).

이 규정을 위반한 제품이나 업체는 가차 없이 처벌하되 질소를 넣는 행위 자체에 두려움을 가질 필요는 없다. 질소를 넣는 포장에 반대하는 소비자라면 포장에서 질소를 전부 빼버리면 쭈글쭈글해진 포장에다 일부가 바스러진 과자도 괜찮다고 양보해야 한다. 이번 일요일 대학생들이 설사 한강을 못 건너더라도 과다포장에 대한 경각심을 높이는 데엔 성공하길 바란다.


 


[이덕환의 과학세상] (497) 질소 누출 사고

좁은 공간에 산소농도 낮아져...  자각증상도 없이 질식


건강한 작업자들이 질소 때문에 목숨을 빼앗기는 일이 계속되고 있다. 그런데 질소는 사람을 죽이는 독성 물질이 아니다. 오히려 육지에서 공기를 호흡하는 삶을 선택한 우리는 질소와 함께 살아가도록 진화했다. 실제로 우리가 매일 호흡으로 들이마시는 공기의 78%가 질소다. 과대 포장이라는 비난을 받는 과장 봉지를 팽팽하게 부풀도록 해주는 것도 역시 질소다. 그런 질소 때문에 일어나는 사망 사고는 정말 어처구니없는 것이다.

공기나 과자 봉지에 들어있는 질소는 질소 원자가 삼중 결합으로 단단하게 결합돼 있어 화학적으로 유난히 안정하다. 무색·무미·무취인 질소가 다른 물질과 잘 반응하지 않는 것도 그런 이유 때문이다. 그래서 질소는 공기 중의 산소에 의한 산화를 막아주는 목적으로 많이 사용된다. 과자나 식품의 포장에 질소를 사용하는 것이 대표적인 경우다. 질소가 과자나 식품이 유통 과정에서 공기 중의 산소에 의해 변질되는 것을 막아준다. 화학 실험실, 반도체 가공 공장, 원전에서도 그런 목적으로 질소를 사용한다. 물론 질소는 요소와 같은 질소 비료를 생산하는 원료로 이용되기도 한다.냉동시켰던 정자나 난자는 필요할 때 녹여서 다시 사용할 수 있다. 물론 녹이는 과정에서 세포가 파괴되지 않도록 해주는 기술이 필요하다. 액체 질소를 이용해서 어류·육류·야채를 급속 냉동시키는 기술도 널리 이용되고 있다.

그런 질소가 누출된다고 반드시 문제가 생기는 것은 아니다. 어차피 대부분이 질소인 공기에 누출된 질소가 조금 더해질 뿐이다. 차가운 액체 질소도 지나치게 많은 양이 피부에 직접 닿지 않도록 조심하기만 하면 어렵지 않게 사용할 수 있다. 산업 현장에서 사용하는 질소가 특별히 귀거나 구하기 어려운 것도 아니다. 흔전만전인 공기에서 먼지를 걸러낸 후에 충분히 냉각시키면서 압축시키면 순수한 질소를 만들 수 있기 때문이다.

그런데 밀폐된 좁은 공간에서 너무 많은 양의 질소가 누출되면 문제가 달라진다. 질소 자체가 문제가 되는 것이 아니라 질소 때문에 산소의 상대적인 농도가 줄어들기 때문이다. 사람과 같은 육상 생물은 호흡을 통해 충분한 양의 산소를 얻지 못하게 되면 질식(窒息) 상태에 이르게 되어 생명이 위험해진다. 질소에 중독이 되는 것이 아니라 세포에 산소 공급이 차단되기 때문이다. 사실 '질소'(窒素)라는 이름도 '질식시키는 기체'라는 뜻으로 붙여진 이름이다.

우리가 숨 쉬는 공기 중에는 보통 21%의 산소가 들어있다. 그런데 산소의 농도가 19% 이하로 떨어지면 사람들이 호흡에 불편을 느끼기 시작한다. 호흡이 가빠지고, 집중력과 근육 기능이 떨어지기도 한다. 산소 농도가 더 낮아지면 사태는 더욱 심각해진다. 산소 농도가 5% 아래로 떨어지면 몇 차례의 호흡만으로도 순식간에 의식을 잃어버린다. 더욱 심각한 것은 질식에 이르게 되는 과정에서 본인은 아무런 고통이나 자각 증상을 느끼지 못한다는 것이다. 위험을 인식하지 못하기 때문에 질식 상태에서 벗어나기 위한 노력을 하지 못하고 목숨을 잃게 된다.

누출이라는 표현은 신중하게 사용해야 한다. 질소 기체를 공급하는 배관에 문제가 생겨서 질소 기체가 새나왔다면 누출이라고 할 수 있다. 그러나 공정상의 필요 때문에 탱크에 의도적으로 질소 기체를 채워 넣은 것은 누출이라고 할 수는 없다. 그런 탱크에 산소 공급 장비도 갖추지 않은 작업자를 들여보낸 것은 최소한의 상식조차 무시한 황당한 일이다.