과산화수소 증기는 기존 염소계열의 멸균제에 비해 부식성이 낮아 제약 및 의료 분야의 실내멸균제로 사용되며, 암모니아 가스 추가 시 화학작용제의 제독성능이 있다고 알려져 있다. 본 연구에서는 과산화수소 증기를 이용하여 HD, GD, VX의 유사작용제인 CEPS, DFP, dimethoate 등에 대한 제독효율을 확인하였다. 이를 위해 자체 구성한 과산화수소 기화장치에서 발생시킨 증기를 제독챔버에 주입하여 반응시간을 유지하였다. 제독 후 잔류물을 GC/MS로 분석한 후 제독효율을 계산하였고, 각각의 유사작용제에 대한 반응 생성물을 통해서 화학작용제의 반응 메카니즘과 유사함을 확인하였다. 실험결과 CEPS는 30%의 상대습도에서 60분의 반응시간에 완전제독 되었고, 암모니아 가스 주입의 동반하에서 DFP는 30분, dimethoate는 150분의 반응시간에 완전제독되었다.
과산화수소 증기는 기존 염소계열의 멸균제에 비해 부식성이 낮아 제약 및 의료 분야의 실내멸균제로 사용되며, 암모니아 가스 추가 시 화학작용제의 제독성능이 있다고 알려져 있다. 본 연구에서는 과산화수소 증기를 이용하여 HD, GD, VX의 유사작용제인 CEPS, DFP, dimethoate 등에 대한 제독효율을 확인하였다. 이를 위해 자체 구성한 과산화수소 기화장치에서 발생시킨 증기를 제독챔버에 주입하여 반응시간을 유지하였다. 제독 후 잔류물을 GC/MS로 분석한 후 제독효율을 계산하였고, 각각의 유사작용제에 대한 반응 생성물을 통해서 화학작용제의 반응 메카니즘과 유사함을 확인하였다. 실험결과 CEPS는 30%의 상대습도에서 60분의 반응시간에 완전제독 되었고, 암모니아 가스 주입의 동반하에서 DFP는 30분, dimethoate는 150분의 반응시간에 완전제독되었다.
Vapor-phase hydrogen peroxide(VPHP) has been used as a sterilant in the field of medical and pharmaceutical application due to low corrosive than chlorine contained sterilant. In addition, it is well known that VPHP is effective for decontamination of chemical warfare agents by adding ammonia gas. I...
Vapor-phase hydrogen peroxide(VPHP) has been used as a sterilant in the field of medical and pharmaceutical application due to low corrosive than chlorine contained sterilant. In addition, it is well known that VPHP is effective for decontamination of chemical warfare agents by adding ammonia gas. In this study, the decontamination efficiency was confirmed about CEPS, DFP and dimethoate as simulants of HD, GD and VX using VPHP respectively. For this purpose, VPHP generated from self configured device was injected into decontamination chamber and maintained for reaction time. After the decontamination, the residues are analyzed by GC/MS and decontamination efficiency was calculated. Through by-product for each simulants, the similarities in reaction mechanism of chemical warfare agents were confirmed. CEPS was completely decontaminated at 30% relative humidity within 60 min. By adding ammonia gas, DFP and dimethoate were completely decontaminated within 30 and 150 min respectively.
Vapor-phase hydrogen peroxide(VPHP) has been used as a sterilant in the field of medical and pharmaceutical application due to low corrosive than chlorine contained sterilant. In addition, it is well known that VPHP is effective for decontamination of chemical warfare agents by adding ammonia gas. In this study, the decontamination efficiency was confirmed about CEPS, DFP and dimethoate as simulants of HD, GD and VX using VPHP respectively. For this purpose, VPHP generated from self configured device was injected into decontamination chamber and maintained for reaction time. After the decontamination, the residues are analyzed by GC/MS and decontamination efficiency was calculated. Through by-product for each simulants, the similarities in reaction mechanism of chemical warfare agents were confirmed. CEPS was completely decontaminated at 30% relative humidity within 60 min. By adding ammonia gas, DFP and dimethoate were completely decontaminated within 30 and 150 min respectively.
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문제 정의
화학작용제는 치명적인 독성과 무기로서의 사용가능성 등으로 일반적인 취급이 제한되므로, 다양한 실험이 수반되는 제독경향 연구에서는 이러한 위험을 최소화하기 위해 유사작용제를 사용한다[7]. 본 연구에서는 제독대상인 HD, GD, VX의 유사작용제인 CEPS, DFP,malathion 및 dimethoate를 대상으로 과산화수소 증기 반응 경향 및 특정 공간에 대한 완전제독 조건을 확인하였다.
제안 방법
HD의 제독조건 도출을 위한 유사작용제로 CEPS를 사용하였다. HD는 생체반응 시 독성을 발휘하는 sulfonium을 산화시킴으로써 제독이 가능하다[14].
분석 후에는 TIC(Total Ion Chromatogram)에 나타나는 각각의 유사작용제 피크를 적분해서 면적 값을 구하고, 검정곡선을 이용하여 남아있는 양의 농도를 측정하였다. 검정곡선은 100~1,000ppb의 저농도 영역과 5~20 ppm의 고농도 영역을 구분하여 작성하였다. 각각의 유사작용제에 대한 검정곡선은 상관계수 0.
, TSCS210-4VM-NH3-10)를 이용하여 공급량을 제어하였다. 과산화수소 센서(Analytical Technology Inc., B12-34-10-2000-1), 암모니아 센서(Analytical Technology Inc.,B12-15-10-1000-1), 온습도(E+E Elektronik Co., EE08) 센서를 이용하여 제독챔버 내부 환경을 기록하였다.
과산화수소 증기를 이용해서 특정 공간에서의 CEPS, DFP,dimethoate의 완전 제독조건을 도출하였다. 각각의 유사작용제는 물리·화학적 특성에 따라 서로 다른 제독특성을 나타내었다.
5%의 용해도를 가지고 있어 VX와 유사한 수준이다. 과산화수소 증기와의 제독반응에 앞서 과산화수소에 대한 dimethoate의 분해량을 판단하기 위해 액상반응 실험을 진행하였다. Table 7에서와 같이 약 45% 내외의 분해효율을 얻을 수 있었고, 반응시간을 늘려도 분해량이 늘어나지 않는 경향을 볼 수 있었다.
그러나 DFP의 제독 후 생성물은 휘발성이 낮아서 GC/MS로 분석하는데 어려움이 있었다. 따라서 LC/MS를 이용하거나 methylation 반응 후 GC/MS를 이용해서 검출해야 하는데, 본 연구에서는 생성물을 TMAH에 의해 methylation 반응을 시킨후 분석하였다. Methylation을 시키는 이유는 휘발성이 낮은 물질의 휘발성을 높여서 분석을 용이하게 하기 위함이다.
주입 방식은 주입된 1 µl 샘플의 전부가 컬럼으로 들어가게 하기 위해 splitless mode를 이용하였다. 따라서 solvent delay를 5분까지 시켜서, ethyl acetate의 영향을 최소화하였다. 사용한 분석장비와 분석조건은 아래 Table 2와 같다.
, PSD/3)로 공급하여 기화시켰다[9]. 발생된 과산화수소 증기는 송풍기를 통해 0.08 m3 크기의 제독챔버로 공급하였고, 암모니아 가스는 기화장치에 연결된 튜브를 통해질량유량계(MKP Co., TSCS210-4VM-NH3-10)를 이용하여 공급량을 제어하였다. 과산화수소 센서(Analytical Technology Inc.
사용한 분석장비와 분석조건은 아래 Table 2와 같다. 분석 후에는 TIC(Total Ion Chromatogram)에 나타나는 각각의 유사작용제 피크를 적분해서 면적 값을 구하고, 검정곡선을 이용하여 남아있는 양의 농도를 측정하였다. 검정곡선은 100~1,000ppb의 저농도 영역과 5~20 ppm의 고농도 영역을 구분하여 작성하였다.
Table 5에서와 같이 과산화수소 증기만을 이용하여 제독실험을 하였으나, 주입량과 무관하게 약 11%의 제독효율을 얻었다. 이러한 malathion의 반응 경향은 VX와 상이하므로, 반응에 필요한 과산화수소의 전달이 제대로 되었는지 확인하기 위해 액상반응 실험을 진행하였다. Table 6에서와 같이 30분의 반응시간 동안에 약 30% 분해가 되었고, 반응시간을 늘려도 더 분해가 되지 않는 결과를 얻었다.
2분에 sulfone에 대한 피크가 검출되었다. 이를 이용하여 제독 후의 특정 피크의 면적 값으로 제독효율을 계산하였다.
제독 실험은 환경초기화 단계, 제독제 주입 및 반응단계, 후처리 단계로 진행하였다. 환경초기화 단계는 제독제인 과산화수소 증기와 암모니아가스를 주입하기전 제독공간의 온습도를 조절하는 단계이다.
50 ml 크기의 glass vial에 20 ml의 ethyl acetate를 넣고, 시료를 넣은 후, 10분 동안 추출하였다. 추출된 용액을 GC/MS를 사용해서 분석하였다. 주입 방식은 주입된 1 µl 샘플의 전부가 컬럼으로 들어가게 하기 위해 splitless mode를 이용하였다.
제독에 의해 소멸된 양과 기화에 의해 증발된 양을 구분하기 위해, 과산화수소를 주입하지 않고 2시간 동안 송풍에 노출시킨 결과 DFP는 90%가 휘발이 되었다. 휘발되지 않은 잔류물의 제독여부는 제독 후 생성물의 존재여부를 통해 확인하였다. 그러나 DFP의 제독 후 생성물은 휘발성이 낮아서 GC/MS로 분석하는데 어려움이 있었다.
대상 데이터
유사작용제는 화학작용제와 물리·화학적 특성이 유사한 물질로서, 유사 작용기(functional group)나 구조(structure)를 갖는 물질로 선택하였다[8](Table 1). 유사작용제인 CEPS(Chloro Ethyl Phenyl Sulfide), DFP(Diisopropyl Fluoro Phosphate), malathion, dimethoate 등은 99% 이상의 순도의 물질로 sigma aldrich에서 구입하였다. 추출용매인 ethyl acetate는 J.
유사작용제인 CEPS(Chloro Ethyl Phenyl Sulfide), DFP(Diisopropyl Fluoro Phosphate), malathion, dimethoate 등은 99% 이상의 순도의 물질로 sigma aldrich에서 구입하였다. 추출용매인 ethyl acetate는 J.T. baker에서, 35%의 과산화수소수는 한솔케미칼에서, 그리고 99.999%의 무수 암모니아는 리가스로부터 구입하였다.
이론/모형
제독반응후 glass wool disk에잔류하는유사작용제의양을 solvent extraction 방법을 이용하여 분석하였다. 50 ml 크기의 glass vial에 20 ml의 ethyl acetate를 넣고, 시료를 넣은 후, 10분 동안 추출하였다.
제독반응이일어나기 위해서는 과산화수소 증기를 신속히 작용제에 전달시키는 것이 중요하고, 반응시점에서의 용해도가 영향을 주기 때문에 작용제에 따라서는 상대습도의 제어가 필요하다. 후처리 단계는 사용된 제독제를 제거하는 단계로서, 과산화수소 증기는 이산화망간을 이용한 촉매분해법을, 암모니아 가스는 황화구리를 이용한 화학적 흡착법을 이용하였다.
성능/효과
5 g/min, 주입시간은 30분으로 고정하고, 건조기를 이용해 상대습도를 제어하여 제독효율이 가장 높은 상대습도 조건을 도출하였다. 30분 반응 동안 상대습도 30% 제어했을 때 가장 좋은 94.5%의 가장 좋은 제독효율을 얻었고, 반응시간을 60분으로 연장하여 분석기기로 탐지되지 않는 완전제독 결과를 얻을 수 있었다. ECBC(Edgewood Chemical & Biological Center)의 선행연구에서 HD는 완전제독이 되기 위해서 1~2시간 정도의 반응시간이 필요하다고 보고되고 있다[5].
각각의 유사작용제는 물리·화학적 특성에 따라 서로 다른 제독특성을 나타내었다. CEPS는낮은 용해도로 인해서 30%의 습도제어에서 가장 좋은 효율을 나타내었고, 반응시간 60분 동안에 완전제독 되는 결과를 얻을 수 있었다. DFP는 소량의 암모니아를 주입함으로써 반응시간 30분 동안에 완전제독 되는 결과를 얻을 수 있었다.
DFP는 소량의 암모니아를 주입함으로써 반응시간 30분 동안에 완전제독 되는 결과를 얻을 수 있었다. Malathion은 낮은 용해도로 인해서 과산화수소와의 반응이 잘 이루어지지 않으므로, VX의 유사 작용제로 적합하지 않음을 확인하였고, VX와 용해도가 비슷한 dimethoate를 이용하여 암모니아 가스 주입의 동반 하에서 반응시간 150분에 완전제독 결과를 얻을 수 있었다. 본 연구에서는 과산화수소와 반응한 유사작용제와 화학작용제의 생성물이 유사한 메카니즘에 의해서 형성되는 것을 알 수 있었다.
과산화수소에 의한 제독조건에서 암모니아 가스를 동시에 주입하여 150분 내에 완전제독이 되는 결과를 얻을 수 있었다. VX와 마찬가지로 dimethoate도 일정반응 시간 이상일 때 분해효율이 높아지는데, 이 결과는 ECBC에서 보고된 VX의 실험결과와 유사하다[5].
HD와 마찬가지로, CEPS는 물에 대한 용해도가 낮아서 습도가 높을 경우 제독이 잘 되지 않는 경향이 있다. 따라서, 과산화수소수 주입량은 0.5 g/min, 주입시간은 30분으로 고정하고, 건조기를 이용해 상대습도를 제어하여 제독효율이 가장 높은 상대습도 조건을 도출하였다. 30분 반응 동안 상대습도 30% 제어했을 때 가장 좋은 94.
반응시간과 제독 효율이 비례하는 것은 dimethoate의 분해에 일정시간이 필요하다는 점과 분해에 필요한 과산화수소 양이 공급되었음을 의미한다. 또한, 암모니아를 주입함으로써 분해 시간을 단축할 수 있다는 사실도 확인하였다.
Malathion은 낮은 용해도로 인해서 과산화수소와의 반응이 잘 이루어지지 않으므로, VX의 유사 작용제로 적합하지 않음을 확인하였고, VX와 용해도가 비슷한 dimethoate를 이용하여 암모니아 가스 주입의 동반 하에서 반응시간 150분에 완전제독 결과를 얻을 수 있었다. 본 연구에서는 과산화수소와 반응한 유사작용제와 화학작용제의 생성물이 유사한 메카니즘에 의해서 형성되는 것을 알 수 있었다. 유사작용제와 화학작용제는 산화반응과 가수분해를 통해서 제독이 이루어진다.
Table 6에서와 같이 30분의 반응시간 동안에 약 30% 분해가 되었고, 반응시간을 늘려도 더 분해가 되지 않는 결과를 얻었다. 이러한 결과를 통해 증기상의 반응은액상에서의 반응보다 작용제의 분해에필요한 과산화수소의 물질 전달량이 적을 뿐만 아니라, 일정량 이상의 과산화수소는 분해에 기여하지 않음을 알 수 있었다. 이 두 가지 현상 모두 malathion의 용해도가 낮다는 특성으로 설명이 가능하므로 malathion은 VX의 유사작용제로 적합하지 않았다.
ECBC(Edgewood Chemical & Biological Center)의 선행연구에서 HD는 완전제독이 되기 위해서 1~2시간 정도의 반응시간이 필요하다고 보고되고 있다[5]. 이와 비교해 볼 때 HD의 특성을 고려해서 상대습도를 제어함으로써 더 짧은 시간에 완전제독 되는 효과를 얻을 수 있었다.
Table 8에서와 같이 다양한 조건에서 dimethoate의 제독 효율을 확인하였다. 일정한 과산화수소수 주입량으로 120분까지는 제독효율의 변화가 나타나지 않았지만, 반응시간을 240분까지 늘림으로써 제독효율이 높아지는 것을 확인할 수 있었다. 이는 Fig.
58 mmHg의 증기압으로 다른 지속성 작용제에 비해서 비교적 휘발성이 높은 편이다. 제독에 의해 소멸된 양과 기화에 의해 증발된 양을 구분하기 위해, 과산화수소를 주입하지 않고 2시간 동안 송풍에 노출시킨 결과 DFP는 90%가 휘발이 되었다. 휘발되지 않은 잔류물의 제독여부는 제독 후 생성물의 존재여부를 통해 확인하였다.
후속연구
따라서, 유사작용제에 대한 제독경향과 반응 메커니즘이 ECBC에서 보고된 화학작용제의 연구결과[5]와 유사함을 알 수 있었다. 본 연구에서 사용된CEPS, DFP, dimethoate 등의 유사작용제를 이용한 실험결과를 바탕으로 화학작용제의제독에 관한 연구를 더 활발히 진행할수 있을것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
과산화수소 증기에 암모니아 가스 추가 시 어떤 성능이 있다고 알려져 있는가?
과산화수소 증기는 기존 염소계열의 멸균제에 비해 부식성이 낮아 제약 및 의료 분야의 실내멸균제로 사용되며, 암모니아 가스 추가 시 화학작용제의 제독성능이 있다고 알려져 있다. 본 연구에서는 과산화수소 증기를 이용하여 HD, GD, VX의 유사작용제인 CEPS, DFP, dimethoate 등에 대한 제독효율을 확인하였다.
과산화수소 증기는 어떻게 사용되는가?
과산화수소 증기는 기존 염소계열의 멸균제에 비해 부식성이 낮아 제약 및 의료 분야의 실내멸균제로 사용되며, 암모니아 가스 추가 시 화학작용제의 제독성능이 있다고 알려져 있다. 본 연구에서는 과산화수소 증기를 이용하여 HD, GD, VX의 유사작용제인 CEPS, DFP, dimethoate 등에 대한 제독효율을 확인하였다.
독성화학제의 사용이 금지된 기점은 언제인가?
화학작용제는 일반 전쟁 무기와는 달리 무색, 무취의 특성을 가지고 있어서 신경 쇼크, 호흡 곤란 및 수포가 생성되었을 시 비로소 인지할 수 있기 때문에 인류에게 보이지 않는 위협을 주는 살상무기 중의 하나이다. 1차 세계대전에서 처음으로 화학작용제가 무기로 사용되었으나, 이란/이라크 전쟁을 기점으로 사용이 금지되었다. 하지만 최근에 테러 및 게릴라전에 다시 사용됨으로써 인류는 보이지 않는 위협에 노출되고 있다[1]
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