[논문]나노 및 마이크로 입자 알루미늄의 폭발 특성

한우섭; 이근원

doi:10.7842/kigas.2014.18.5.20

나노 및 마이크로 입자 알루미늄의 폭발 특성
Explosion Properties of Nano and Micro-sized Aluminium Particles 원문보기

한국가스학회지 = Journal of the Korean institute of gas, v.18 no.5, 2014년, pp.20 - 25

한우섭 (한국산업안전보건공단 산업안전보건연구원) , 이근원 (한국산업안전보건공단 산업안전보건연구원)

초록
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마이크로 크기의 알루미늄 분진의 폭발 특성에 대한 연구는 많이 조사되어 왔지만 나노 크기의 알루미늄 분진에 대한 연구는 매우 적다. 본 연구에서는 나노 및 마이크로 크기의 알루미늄 분진 (70 nm, 100 nm, $6{\mu}m$, $15{\mu}m$)이 분진폭발특성에 미치는 영향을 20 L 폭발시험 장치를 사용하여 실험적으로 조사하였다. 부유 상태의 알루미늄 분진의 입자 크기가 감소하면, 나노 크기에서의 알루미늄 분진의 폭발하한농도(LEC)는 마이크로 크기의 알루미늄분진보다 감소하였다. 나노 크기의 알루미늄 분진에서의 폭발특성은 마이크로 크기의 알루미늄 분진과 명확한 폭발성의 차이를 보이지 않았다. 투과 전자 현미경(TEM )에 의해 나노 크기의 알루미늄 입자의 관찰로부터 입자 간의 응집성의 증가가 나노 알루미늄 분진의 폭발성에 영향을 미칠 수 있을 것으로 추정되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

Explosion characteristics of micro-sized aluminum dusts had been studied by many researchers, but the research of nano-sized aluminum dusts were very insufficient. In this study, an experimental investigation was carried out on the influences of nano and micro-sized aluminum dusts (70 nm, 100 nm, $6{\mu}m$, $15{\mu}m$) on dust explosion properties of aluminum particles by using 20 L explosion apparatus. With decreasing of particle size in suspended aluminum dusts, the LEC (lower explosion concentration) of nano-sized aluminum is lower than that of micro-sized aluminum. The particle size change of nano-sized aluminum dusts seems no obvious explosion differences than that of micro-sized aluminum dusts. From the observation of nano-sized aluminum particles by TEM (Transmission Electron Microscopy), it is estimated that increase of particles aggregation may have effects on the explosion characteristics of aluminum nanopowders.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 Al 나노입자 물질의 폭발특성을 실험적으로 자세히 조사하고 그 위험성을 평가하여 관련 사업장에서 폭발예방대책에 필요한 안전기술 자료를 제공하고자 하였다. 실험에서는 Al분진이 마이크로 크기에서 나노입자로 입경이 감소하는 경우 에 폭발 특성이 어떻게 변하는지를 20L 분진폭발실험장치를 활용하여 조사하고 실험결과를 분석, 고찰하였다.
본 연구에서는 폭발사고 발생 빈도가 높은 알루미늄(Al)분진을 대상으로 입경이 마이크로 크기에 서 나노 입자 크기로 변하는 경우에 폭발위험성이 어떻게 변하는지를 조사하였다. 이를 위해 나노(70 nm, 100 nm) 및 마이크로(4~10 μm, 15~25 μm) 크기의 Al분진을 20 L 분진폭발실험장치를 사용하여 폭발특성을 조사하여 다음과 같은 결과를 얻었다.

제안 방법

Al 시료는 70 및 100 nm의 나노 Al분진을 사용하였으며 폭발특성 비교를 위하여 마이크론 레벨의 4~10 μm, 15~25 μ m의 2종의 시료에 대해서도 함께 조사하였다.
2에 나타냈다. 구 체적인 시험방법은 먼저 시험할 농도의 분진을 6 L 의 저장컨테이너에 충진한 다음에 분진 컨테이너의 밸브를 순간적으로 열고 20 bar의 압력을 갖는 공기 를 유입시켜 대기압 상태의 분진-공기 혼합물을 폭발용기 내에 분산시킨다. 이 때 발생하는 분체 유동 으로 인한 난류는 폭발압력, 압력상승속도, 폭발한 계 등의 폭발특성에 영향을 주기 때문에 난류 레벨 을 안정화 시킬 필요가 있다.
이러한 실험 결과를 보면 나노크기에서보다 마이크로 크기에서의 폭발성에 미치 는 입경의 영향이 다소 불규칙적으로 나타나고 있지만, 입경이 감소하여 나노 크기로 갈수록 폭발위험 성은 증가한다고 할 수 있을 것이다. 나노입자 입도 분석기(Zeta Sizer Nano-ZS90)에 의해 측정된 Al시료의 분체특성을 알기 위하여 에너지분산 X선 분산 장치가 포함된 투과형 전자현미경(TEM ; Transmission Electron Microscopy ; Hitachi H-7100FA)을 사용하여 입자를 조사하였다. 분진시료는 분산제를 사용하여 최대한 입자간을 분리시켰으며, TEM 분 석 방법은 가속전압을 100 kV로 하여 나노입자 시료를 저배율로 관찰하여 양호한 시야상을 선택한 다음에 고배율로 확대하여 입자크기와 형상을 관찰하였다.
일정 농도에서의 폭발특성평가는 상 온(23±1 ℃), 대기압(1 atm)의 조건에서 실험을 3회 반복하여 그 결과를 평균하였다. 또한 분진의 폭발 강도 비교를 위해서 각 Al시료에 대한 폭발지수(K_st) 를 K_st= (dP/dt)_max․V^(1/3)의 관계식을 이용하여 계산하였다. 이 때 V는 폭발용기의 체적(0.
밀폐용기 내에서 분진의 LEC는 폭발에 따른 상승압 력을 측정하여 일정 크기 이상의 압력이 발생하였을 때를 폭발이라고 한다. 본 연구에서는 폭발 유무의 판단을 BS EN 14034-3의 시험규격에 따라 시료의 연소에 의해 발생하는 압력 상승이 0.2 bar이상이 되는 경우를 폭발로 판정하였다[12]. 나노 Al입자 (183 nm, 233 nm)에서는 농도 60 g/m³ 에서 0.
나노입자 입도 분석기(Zeta Sizer Nano-ZS90)에 의해 측정된 Al시료의 분체특성을 알기 위하여 에너지분산 X선 분산 장치가 포함된 투과형 전자현미경(TEM ; Transmission Electron Microscopy ; Hitachi H-7100FA)을 사용하여 입자를 조사하였다. 분진시료는 분산제를 사용하여 최대한 입자간을 분리시켰으며, TEM 분 석 방법은 가속전압을 100 kV로 하여 나노입자 시료를 저배율로 관찰하여 양호한 시야상을 선택한 다음에 고배율로 확대하여 입자크기와 형상을 관찰하였다. 측정된 TEM사진을 Photo 1에 제시하였다.
본 연구에서는 Al 나노입자 물질의 폭발특성을 실험적으로 자세히 조사하고 그 위험성을 평가하여 관련 사업장에서 폭발예방대책에 필요한 안전기술 자료를 제공하고자 하였다. 실험에서는 Al분진이 마이크로 크기에서 나노입자로 입경이 감소하는 경우 에 폭발 특성이 어떻게 변하는지를 20L 분진폭발실험장치를 활용하여 조사하고 실험결과를 분석, 고찰하였다.
이를 위해 나노(70 nm, 100 nm) 및 마이크로(4~10 μm, 15~25 μm) 크기의 Al분진을 20 L 분진폭발실험장치를 사용하여 폭발특성을 조사하여 다음과 같은 결과를 얻었다.
이 때 발생하는 분체 유동 으로 인한 난류는 폭발압력, 압력상승속도, 폭발한 계 등의 폭발특성에 영향을 주기 때문에 난류 레벨 을 안정화 시킬 필요가 있다. 이를 위해 분진 분산 후에 60 ms의 일정한 시간 지연을 두어 부유 분진운의 유동성이 최대한 억제하도록 하였다[11]. 지연 시 간 경과 후에 2개 전극사이로 전압을 인가시켜 10 kJ의 착화에너지를 갖고 있는 화학점화기를 사용하 여 착화시켰다.
분진의 평균입경과 분진 농도는 분진폭발 특성을 지배하는 주요 영향인자이기 때문에 시료 분진의 분체 특성을 파악하는 것이 우선적으로 필요하다. 이를 위해 입도분석기(ZetaSizer Nano-ZS90)를 사용하여 Al분진 시료(Green Source 제품, 순도 99.9 %)의 입도분포 및 입경을 조사하였다. Al 시료는 70 및 100 nm의 나노 Al분진을 사용하였으며 폭발특성 비교를 위하여 마이크론 레벨의 4~10 μm, 15~25 μ m의 2종의 시료에 대해서도 함께 조사하였다.
일정 농도에서의 폭발특성평가는 상 온(23±1 ℃), 대기압(1 atm)의 조건에서 실험을 3회 반복하여 그 결과를 평균하였다.
이를 위해 분진 분산 후에 60 ms의 일정한 시간 지연을 두어 부유 분진운의 유동성이 최대한 억제하도록 하였다[11]. 지연 시 간 경과 후에 2개 전극사이로 전압을 인가시켜 10 kJ의 착화에너지를 갖고 있는 화학점화기를 사용하 여 착화시켰다. 분진이 착화되어 폭발이 일어나면 시간-압력 파형이 관찰되는데 이러한 압력 파형을 통하여 폭발한계농도, 폭발압력, 최대압력상승속도 등을 측정한다.

대상 데이터

본 연구에서 사용한 분진폭발 시험장치는 국제 시험규격(ASTM)의 분진폭발 표준시험장치를 채용한 Siwek 20 L Chamber (Kühner AG, Swiss)를 사 용하였으며 장치의 개략도를 Fig. 2에 나타냈다.
시료 종류와 입도 분석 실험을 통하여 측정된 각 시료의 평균입경을 [Table 1]에 나타냈다. 사용된 나노 Al 시료는 각각 70 nm 이하, 100 nm 이하의 제품이지 만 평균입경은 각각 183 nm, 233 nm가 얻어졌다. Fig.

성능/효과

(1) 나노입자 입도분석장치(ZetaSizer Nano-ZS90) 를 사용하여 나노 및 마이크로 Al의 입도분포를 측정한 결과 체적기준의 평균입경은 각각 183 nm, 233 nm, 6 μm, 15 μm로 나타났다.
(3) Al 입경이 183 nm, 233 nm, 6 μm, 15 μm와 같이 증가하면 최대폭발압력 도달시간(tp)은 63, 111, 176, 245 ms로 증가하였다.
(4) 입경(183 nm, 233 nm, 6 μm, 15 μm)에 따른 최대폭발압력(Pmax)은 각각 9.8, 9.6, 9.9, 7.3 bar가 얻 어졌으며, 최대폭발압력상승속도[(dP/dt)max]는 1116, 839.3, 1426.7, 225.1 [bar/s], 폭발지수(Kst)는 302.9, 227.8, 387.3, 61.1 [m․bar/s]가 얻어졌다.
Al 입경이 마이크로 단위에서 나노 크기로 감소하면 LEC는 증가 경향을 나타냈다. Al 분진이 마이크로 크기에서 나노 크기로 입경이 감소하면 LEC는 감소할 것으로 예상하였지만, LEC는 증가하는 결과로 나타났다.
(1) 나노입자 입도분석장치(ZetaSizer Nano-ZS90) 를 사용하여 나노 및 마이크로 Al의 입도분포를 측정한 결과 체적기준의 평균입경은 각각 183 nm, 233 nm, 6 μm, 15 μm로 나타났다. 또한 투과형 전자현미경(TEM)의 관찰로부터 나노Al입자의 응집성 이 높은 것을 알 수 있었으며 이러한 분체특성이 나노Al의 폭발특성에 영향을 주었을 것으로 판단되었다.
또한 (dP/dt)_m 및 K_st에 미치는 입경의 영향은 나노 크기의 입자보다 마이크론 입자에서 더 큰 것을 알 수 있다. 이러한 실험 결과를 보면 나노크기에서보다 마이크로 크기에서의 폭발성에 미치 는 입경의 영향이 다소 불규칙적으로 나타나고 있지만, 입경이 감소하여 나노 크기로 갈수록 폭발위험 성은 증가한다고 할 수 있을 것이다. 나노입자 입도 분석기(Zeta Sizer Nano-ZS90)에 의해 측정된 Al시료의 분체특성을 알기 위하여 에너지분산 X선 분산 장치가 포함된 투과형 전자현미경(TEM ; Transmission Electron Microscopy ; Hitachi H-7100FA)을 사용하여 입자를 조사하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	Al이 어떤 형태일 때 화재 및 폭발 사고의 위험이 높은가?	알루미늄(Al)은 전자산업, 자동차, 건축 등의 다 양한 재료로 사용량이 증가하고 있으며 화재․폭발 시에 연소속도가 매우 빠르기 때문에 로켓의 추진체나 폭약 화합물로도 활용되고 있다. 또한 Al은 분진 형태가 되면 비교적 작은 입자 비중으로 인하여 쉽 게 부유될 수 있기 때문에 화재폭발사고 위험성이 증가하고 있다[1-2]. 최근 국내에서 발생하고 있는 분진폭발사고를 살펴보면 금속분진에 의한 사고가 많이 발생하고 있는데 특히 Al 분진은 폭발압력 위험성이 매우 높아 사고 피해가 큰 특징을 가지고 있 다[3].
	Al 분진의 피해가 특히 큰 이유는?	또한 Al은 분진 형태가 되면 비교적 작은 입자 비중으로 인하여 쉽 게 부유될 수 있기 때문에 화재폭발사고 위험성이 증가하고 있다[1-2]. 최근 국내에서 발생하고 있는 분진폭발사고를 살펴보면 금속분진에 의한 사고가 많이 발생하고 있는데 특히 Al 분진은 폭발압력 위험성이 매우 높아 사고 피해가 큰 특징을 가지고 있 다[3].
	나노입자의 폭발 위험성이 마이크로 크기의 입자보다 클 것으로 예상되는 이유는?	나노입자는 입경이 매우 작고 표면 적이 비약적으로 증대되기 때문에 제어하기 힘든 반 응을 일으킬 수가 있다. 이는 분진의 화학반응이 주로 물질 표면에서 일어나기 때문에 나노 크기로 작 아질수록 단위 질량당의 비표면적이 크게 증가하여 화재폭발 위험성이 증가할 가능성이 높기 때문이다. 나노입자의 폭발특성에 관련한 문헌은 국내외적으로 매우 적지만, 마이크로 크기의 입자에 대한 기존의 폭발특성을 고려하면 화학물질이 나노 크기의 레 벨로 되는 경우에는 폭발위험성은 증가할 것으로 예상된다.

참고문헌 (12)

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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