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문제 정의
- 본 논문에서는 우리나라 침·활엽수 대표수종인 소나무, 굴참나무의 낙엽에 대해 연소가스 분석을 실시하였다.
- Figure 1은 2008년 3월 11일 극동러시아 산불발생으로 인한 연무 위성영상 및 러시아 Khabarovsk시의 공기오염에 대해 보여주고 있다. 이에 본 연구에서는 FTIR(Fourier Transform Infrared) 분광계를 이용하여 산림내 낙엽연소시 발생되는 연소가스에 대해 정량정성분석을 통해 위험성을 평가하고자 하였다.
제안 방법
- 공시재료의 연소시 발생되는 가스의 정확한 가스성분 및 농도측정을 위해 Table 2와 같이 소나무, 굴참나무 낙엽 20 ± 1g의 연소중량으로 함수율 15 ± 2%의 낙엽을 ISO착화성 시험기에 20kW/m2의 복사열에 의한 자연발화조건으로 일정시간 훈소연소를 시작하여 화염 연소, 소염연소로 진행되는 각 단계 과정별 모니터링하여 연소가스 방출 특성을 조사하였으며 10l/min의 유입속도로 측정하였다.
- 소나무와 굴참나무 낙엽의 연소시 발생되는 14종 검출가스에 대한 건강위험성 평가는 물질안전보건자료에서 제공하는 노출기준 및 건강위험성 보고에 기재된 사항을 토대로 평가 하였다(Table 5). 이중 대부분의 검출된 연소가스는 호흡곤란과 질식을 유발하고 혈액의 산소공급을 저해하는 혈액이상 증세를 나타내는 일산화탄소, 이산화탄소, 메탄가스가 확인되었고 신경이상 및 눈자극 증세를 발생시킬 수 있는 염화수소, 메탄올, 이산화질소가 확인되었다.
- 의 복사열에 의한 자연발화조건으로 일정시간 훈소연소를 시작하여 화염 연소, 소염연소로 진행되는 각 단계 과정별 모니터링하여 연소가스 방출 특성을 조사하였으며 10l/min의 유입속도로 측정하였다. 실험연소 물량이 많아지면 식(1)에 의해 연소 가스량도 많아지게 되어 본 실험에서는 착화성 시험기기의 시험물량에 맞는 중량으로 실험하였다.2-5)
- 검출된 연소가스의 정성분석을 위해 Figure 4와 같이 FTIR분석기의 가스종류별 흡수 파장대와 파장대역 분류법(Bands Classification)을 이용하였고 정량분석을 위해서는 검출된 농도를 식(5)에 의해 방출량을 산정하였다. 여기서 방출량 계산은 표준상태(Standard Temperature and Pressure, STP)조건으로 산정하였다.
- 연소가스 성분 및 농도분석을 위해 적외선분광계 실험방법은 정밀한 측정을 위해 먼저 FTIR기기 분석 장치 내부의 오염제거를 위하여 질소가스(dry nitrogen gas) 및 액체질소가스(liquid nitrogen gas)로 흡입관 세척 및 냉각 등의 초기화 과정을 실시하였다. 이때 대기압 조건은 1기압 상태인 14.
- 이러한 Background가 준비 후 FTIR기기와 연결된 분석컴퓨터에서 표준흡수파장대 신호 상태를 확인하여 수분 및 이산화탄소가 깨끗이 제거 된 상태에서 실험을 실시하였다. 연소물질의 연소가스 성분 및 농도를 측정하는 검출기(Cellbody)에 유입도록 실험시 유입(Inlet)부분을 개방하여 낙엽연소 가스가 유입되고 다시 검출기의 유출(outlet)부분으로 방출되도록 하였다. 가스종의 분석은 Figure 3의 적외선분광계 가스검출 파장대 스펙트럼에서 각각의 가스종이 가지는 고유 파장대를 비교하여 정성 분석을 실시한다.
- FTIR의 고유분석파장대가 Figure 3과 같이 나타나야지만 분석하고자 하는 가스성분의 Noise 문제없이 분석을 실시 할 수 있다. 이러한 Background가 준비 후 FTIR기기와 연결된 분석컴퓨터에서 표준흡수파장대 신호 상태를 확인하여 수분 및 이산화탄소가 깨끗이 제거 된 상태에서 실험을 실시하였다. 연소물질의 연소가스 성분 및 농도를 측정하는 검출기(Cellbody)에 유입도록 실험시 유입(Inlet)부분을 개방하여 낙엽연소 가스가 유입되고 다시 검출기의 유출(outlet)부분으로 방출되도록 하였다.
이론/모형
- 여기서 파장대의 좌변축은 흡수량을 나타낸다. 검출된 연소가스의 정성분석을 위해 Figure 4와 같이 FTIR분석기의 가스종류별 흡수 파장대와 파장대역 분류법(Bands Classification)을 이용하였고 정량분석을 위해서는 검출된 농도를 식(5)에 의해 방출량을 산정하였다. 여기서 방출량 계산은 표준상태(Standard Temperature and Pressure, STP)조건으로 산정하였다.
성능/효과
- 1. 소나무와 굴참나무 낙엽에서 Carbon monoxide, Carbon dioxide, Acetic acid, Butyl acetate, Ethylene, Methane, Methanol, Nitrogen dioxide, Ammonia, Hydrogen Fluoride, Sulfur dioxide, Hydrogen bromide 등 13개 연소가스가 검출되었고 굴참나무 낙엽에서는 Nitrogen monoxide가 추가로 검출되었다.
- 2. 방출된 연소가스의 전체 농도는 소나무 낙엽이 굴참나무 낙엽에 비해 4.5배 많이 검출되어 산불 발생시 연무에 의한 건강위험성이 더욱 높다고 볼 수 있다.
- 3. 시간가중평균가스농도와 단시간노출기준을 초과하는 연소 가스는 Carbon monoxide, Carbon dioxide가 검출되었고 소나무 및 굴참나무 모두에서 나타났다.
- 4. 이에 산불에서의 낙엽의 지표화 연소시 전체 가스 방출량의 99% 이상을 차지하고 있는 Carbon monoxide, Carbon dioxide의 건강 위험성이 높은 것으로 나타났다.
- 적외선 분광계는 각 분자가 다양한 화학결합의 진동에너지와 일치하는 파장에서 빛을 흡수하는 성질을 이용해 빛의 흡수정도를 검출기에 의해 측정하는 것이다. 결과적으로 Spectrum은 분자가 빛을 흡수하는 파장에 일치하는 Peak를 나타내며 흡광도의 크기는 시료 중 분자의 농도와 직접 연관되어 있다. Spectrum-Pattern은 고유의 뒤틀림, Band, 회전 및 각 원자들의 화학결합의 회전 및 진동 등 분자의 실제 구조를 반영한다.
- 굴참나무 낙엽 연소시 검출가스 14종의 농도분석 결과, 이산화탄소가 약 89%, 일산화탄소가 약 10%로 검출되었다. 따라서 탄소복합체로 구성된 셀룰로오스의 연소시 이산화탄소와 일산화탄소의 연소가스가 전체 방출가스의 약 90% 이상을 차지하였다.
- 굴참나무 낙엽 연소시 검출가스 14종의 농도분석 결과, 이산화탄소가 약 89%, 일산화탄소가 약 10%로 검출되었다. 따라서 탄소복합체로 구성된 셀룰로오스의 연소시 이산화탄소와 일산화탄소의 연소가스가 전체 방출가스의 약 90% 이상을 차지하였다. 여기서 식 5에 의해 산출된 방출된 연소가스의 전체량은 소나무 낙엽이 굴참나무 낙엽에 비해 4.
- 소나무 낙엽연소시 검출된 13종의 가스농도 분석결과 이산화탄소가 약 90%로 가장 많이 검출되었고 일산화탄소가 약 9.5%로 검출되었다.
- 소나무와 굴참나무 낙엽의 연소시 검출된 가스는 표준 흡수 파장대 분석을 통해 Carbon monoxide, Carbon dioxide, Acetic acid, Butyl acetate, Ethylene, Methane, Methanol, Nitrogen dioxide, Ammonia, Hydrogen Fluoride, Sulfur dioxide, Hydrogen bromide 등 13종이 검출되었고 굴참나무 낙엽에서는 Nitrogen monoxide가 추가로 검출되었다(Table 3). 이중 나무를 구성하는 원소가 아닌 Bromide, Fluoride 등의 화합물 경우, 지표면에 놓여진 낙엽이 토양의 오염에 의한 검출 및 연료의 특정 화학물질로부터 발생될 수 있다.
- 소나무와 굴참나무 낙엽의 연소시 발생되는 14종 검출가스에 대한 건강위험성 평가는 물질안전보건자료에서 제공하는 노출기준 및 건강위험성 보고에 기재된 사항을 토대로 평가 하였다(Table 5). 이중 대부분의 검출된 연소가스는 호흡곤란과 질식을 유발하고 혈액의 산소공급을 저해하는 혈액이상 증세를 나타내는 일산화탄소, 이산화탄소, 메탄가스가 확인되었고 신경이상 및 눈자극 증세를 발생시킬 수 있는 염화수소, 메탄올, 이산화질소가 확인되었다. 특히 연소가스의 99% 이상을 배출하는 이산화탄소, 일산화탄소에서 TWA, STEL 농도기준을 Table 3과 Table 5를 각각 비교한 결과, 모두 기준치를 초과하는 것으로 나타났다.
- 이중 대부분의 검출된 연소가스는 호흡곤란과 질식을 유발하고 혈액의 산소공급을 저해하는 혈액이상 증세를 나타내는 일산화탄소, 이산화탄소, 메탄가스가 확인되었고 신경이상 및 눈자극 증세를 발생시킬 수 있는 염화수소, 메탄올, 이산화질소가 확인되었다. 특히 연소가스의 99% 이상을 배출하는 이산화탄소, 일산화탄소에서 TWA, STEL 농도기준을 Table 3과 Table 5를 각각 비교한 결과, 모두 기준치를 초과하는 것으로 나타났다.
후속연구
- 6. 검출된 연소가스 중 나무의 주요구성 원소가 아닌 Bromide, Fluoride 등 일부 화합물에 대해서는 향후, 토양으로부터의 오염 등에 의한 검출 및 연료의 특정 화학물질 정성분석 등 보다 면밀한 검토가 필요할 것으로 판단된다.
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