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문제 정의
- 본 연구에서 얻은 측정값을 분석한 결과, 조성 변화에 따른 최소자연발화온도가 증가하는 경향을 보이고있다. 따라서 조성에 의한 최소자연발화온도 예측 모델을 제시할 수 있다고 판단되어 다음과 같은 모델을 제시하여 최적화 된 예측 모델을 찾고자 한다13).
제안 방법
- 아세틱에씨드는 동의어로 식초산, 에탄산 그리고 초산이라고도 하며, 아세트산 섬유소, 아세트산비닐, 아세트산 무수물, 아세톤, 모노클로로아세트산 및 의약품 등의 제조 원료로 사용되고 있으며, 특히 섬유 가공 그리고 식품 조미료 등에 사용된다. 본 연구에서는 ASTM E659(Koehler사) 장치6,7)를 이용하여 노말프로판올과 아세틱에씨드 혼합물의 5개 혼합조성에서 자연발화온도와 발화지연시간을 측정하였으며, 또한 AIT를 측정하였다. 그리고 노말프로판올과 아세틱에씨드 계에서 5개의 혼합 조성외의 조성에서도 혼합물의 AIT를 예측할 수 있는 모델을 제시하였다.
- 본 연구에서는 ASTM E659(Koehler사) 장치6,7)를 이용하여 노말프로판올과 아세틱에씨드 혼합물의 5개 혼합조성에서 자연발화온도와 발화지연시간을 측정하였으며, 또한 AIT를 측정하였다. 그리고 노말프로판올과 아세틱에씨드 계에서 5개의 혼합 조성외의 조성에서도 혼합물의 AIT를 예측할 수 있는 모델을 제시하였다. 제시된 실험 자료 및 예측 방법론은 이들 물질을 취급, 처리, 수송하는 공정에서 안전을 확보하는 자료로 제시하고, 향후 MSDS의 가연성혼합물 자연발화 연구에 도움을 주고자 한다.
- 대부분의 가연성 물질에 대해 자연발화온도와 발화지연시간 사이에서의 관계는 식 (1)를 사용하여 고찰할 수 있다. 본 연구에서는 실험에서 얻은 자연발화온도와 발화지연시간의 관계를 식 (4)를 사용하여 실험에서 얻어진 발화온도에 대응하는 발화지연을 예측하여 실험의 발화지연시간과 비교하였다10).
- 본 연구에서는 순수물질인 경우는 발화온도에 따른 발화지연시간의 관계를 분석하고, 혼합물에서는 조성변화에 의한 AIT의 관계를 분석하기 위해서 다중회귀분석에 의한 최소자승법을 사용하였다. 다중회귀분석은 변수와 응답의 관계를 보다 정량적으로 나타내기 위한 방법으로 종속변수와 독립변수의 관계식을 구하는 방법이다7,12).
- 본 실험에서는 아세틱에씨드의 기존 문헌17,18)에 제시된 AIT 463℃를 근거로 초기설정온도를 450℃, 480℃ 그리고 510℃에서 3번의 실험결과 비발화되어, 500℃에서 1∼2℃씩 상승시킨 결과 512℃, 80.57 sec에서 AIT를 찾았다5).
- 본 연구는 자연발화온도 측정 장치(ASTM E659)를 사용하여 노말프로판올과 아세틱에씨드 계의 자연발화온도와 발화지연시간 그리고 최소자연발화온도(AIT)를 측정하였다. 노말프로판올과 아세틱에씨드 계를 구성하는 순수물질의 AIT는 기존 측정값을 활용하였고6,7), 노말프로판올과 아세틱에씨드 계의의 5개의 혼합조성에서 AIT를 측정하였다.
- 본 연구는 자연발화온도 측정 장치(ASTM E659)를 사용하여 노말프로판올과 아세틱에씨드 계의 자연발화온도와 발화지연시간 그리고 최소자연발화온도(AIT)를 측정하였다. 노말프로판올과 아세틱에씨드 계를 구성하는 순수물질의 AIT는 기존 측정값을 활용하였고6,7), 노말프로판올과 아세틱에씨드 계의의 5개의 혼합조성에서 AIT를 측정하였다. 측정된 혼합물의 AIT를 이용하여 다른 조성에서도 AIT를 예측할 수 있는 모델을 제시하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
대상 데이터
- 본 연구에서는 현장에서 널리 사용되고 있는 노말프로판올과 아세틱에씨드 계를 선정하였다. 2성분계 가운데 노말프로판올은 재료의 코팅, 페인트, 세척제, 광택제 및 금속탈유액 등에 첨가하며 산업용 접착제 재료에 사용하고 있다6).
- 본 실험에 사용된 시약 가운데 노말프로판올은 Carl Erba(Italy)제조사로 순도 99.5%, 아세틱에씨드는 Kanto(Japan)의 순도는 99.7%의 시약을 이용하였으며, 5개의 혼합 조성의 AIT를 실험하기 위해 순수물질을 각 각 다른 몰비(Mole Fraction)로 혼합하여 실험하였다.
- 노말프로판올(0.7)+아세틱에씨드(0.3) 계의 416℃를 근거로 실험을 하였다. 아세틱에씨드의 조성이 증가함으로써 AIT가 증가하는 현상을 보이고 있다.
데이터처리
- 측정값과 예측값의 차이의 정도를 분석하기 위해서 절대평균오차(A.A.D., Average Absolute Deviation)와 결정계수(r2)를 사용하였다13).
이론/모형
- 식 (2)를 이용하면 활성화에너지(E)의 계산이 가능하다. 활성화에너지(E)를 계산하기 위해서는 화재 및 폭발 연구 분야에서 널리 사용되고 있는 Semenov식으로 계산하였다11).
- 본 실험에서는 가연성액체 혼합물의 AIT뿐만 아니라 자연발화온도와 발화지연시간을 측정하기 위해서 ASTM E659(Koehler 사)를 사용하였고, 장치는 온도조절기, 열전대, 플라스크, 거울 등으로 구성되어 있다. 혼합물의 경우 실험방법은 혼합물을 구성하는 물질들 가운데 가장 낮은 물질의 AIT를 근거로 실험온도를 설정하고, 실험 장치를 가열한다.
성능/효과
- 본 연구에서 얻은 측정값을 분석한 결과, 조성 변화에 따른 최소자연발화온도가 증가하는 경향을 보이고있다. 따라서 조성에 의한 최소자연발화온도 예측 모델을 제시할 수 있다고 판단되어 다음과 같은 모델을 제시하여 최적화 된 예측 모델을 찾고자 한다13).
- 본 실험에서는 기존 자료14,15)의 AIT 440℃를 근거로 하여 초기온도를 450℃로 실험한 결과 10.41 sec에서 발화가 일어나서, 초기온도 보다 30℃ 낮게 420℃에서 다시 실험한 결과 비발화되어, 1∼2℃ 씩 상승 시켜 실험한 결과 435℃, 18.33 sec에서 AIT를 찾았다6).
- 따라서 416℃보다 높은 420℃에서 실험한 결과 발화가 되지 않아, 20℃ 상승시켜 440℃에서 실험한 결과 9.50 sec에서 발화되어 다시 10℃ 낮춘 430℃에서 실험한 결과 10.53 sec에서 발화되어 1∼2℃씩 내려 실험한 결과 428℃, 20.06 sec에서 AIT를 찾을 수 있었다.
- 본 실험에서 얻어진 측정값을 분석한 결과, 아세틱에 씨드의 AIT 512℃이므로 노말프로판올의 조성이 작고 아세틱에씨드의 조성이 증가할수록 혼합물의 AIT는 당연히 증가할 것으로 판단되었다. 그러나 프로판올의 조성 0.
- 1) 이성분계를 구성하는 순수물질인 노말프로판올과아세틱에씨드의 최소자연발화온도는 각각 435℃와 512℃로 측정되었다.
- 2) 노말프로판올과 아세틱에씨드 계에서 조성 변화에 의한 AIT를 측정한 결과, 노말프로판올(0.9)+아세틱에씨드(0.1) 계에서는 404℃, 노말프로판올(0.7)+아세틱에씨드(0.3) 계에서는 416℃, 노말프로판올(0.5)+아세틱에씨드(0.5) 계에서는 428℃, 노말프로판올(0.3)+아세틱에씨드(0.7) 계에서는 440℃, 노말프로판올(0.1)+아세틱에씨드(0.9) 계에서는 477℃로 측정되었다.
- 3) 프로판올의 조성 0.9에서는 순수한 프로판올의 AIT 435℃보다 훨씬 낮은 404℃에서 측정되었다. 이후아세틱에씨드의 조성이 증가함으로 AIT는 증가하고 있으나, 프로판올의 조성이 0.
- 4) 노말프로판올과 아세틱에씨드 혼합물의 경우 계를 구성하는 순수물질 가운데 낮은 AIT 보다 낮게 측정된 최소자연발화온도거동(MAITB, Minimum Autoignition Temperature Behavior)을 나타내었다.
후속연구
- 그리고 노말프로판올과 아세틱에씨드 계에서 5개의 혼합 조성외의 조성에서도 혼합물의 AIT를 예측할 수 있는 모델을 제시하였다. 제시된 실험 자료 및 예측 방법론은 이들 물질을 취급, 처리, 수송하는 공정에서 안전을 확보하는 자료로 제시하고, 향후 MSDS의 가연성혼합물 자연발화 연구에 도움을 주고자 한다.
- 일반적으로 화학공정에서 가연성 혼합물을 취급하는 경우 혼합물을 구성하는 순수물질 가운데 낮은 연소특성치를 활용하고 있다. 따라서 본 연구에서 제시한 자료는 노말프로판올과 아세틱에씨드 계를 취급하는 공정에서 매우 중요한 자료로서 활용될 수 있다.
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