[논문]양자전이 비행시간 질량분석기를 이용한 화학물질 화재 발생 시 대기질 조사 연구

김소영; 조동호; 박정민

doi:10.7731/kifse.2018.32.6.084

양자전이 비행시간 질량분석기를 이용한 화학물질 화재 발생 시 대기질 조사 연구
Study on Air Quality in the Case of Chemical Fires Using Proton Transfer Reaction-Time of Flight Mass Spectrometer 원문보기

한국화재소방학회 논문지= Fire science and engineering, v.32 no.6, 2018년, pp.84 - 90

김소영 (한강유역환경청 시흥화학재난합동방재센터) , 조동호 (한강유역환경청 시흥화학재난합동방재센터) , 박정민 (국립환경과학원 기후대기연구부)

초록
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화학사고는 폭발, 누출 유출, 화재 등 다양한 형태로 발생한다. 특히 화재로 인한 화학사고는 매연으로 인해 주변 대기환경에 심각한 영향을 주며 주민의 불안을 야기하여 신속한 원인 물질 파악과 주변 지역 대기질 영향조사가 중요하다. 본 논문에서는 화재 시 원인물질을 파악하고 대기질을 실시간 모니터링 하기 위해 양자전이 비행시간 질량분석기를 사용하였다. 이 분석기는 시료채취와 전처리 없이 빠른 응답시간을 가져 실시간 분석이 가능하며 또한 수소친화도가 높은 대부분의 휘발성유기화합물질의 정량 정성 분석이 가능하여 화재 원인 물질을 밝히고 주변 대기의 영향을 조사하는데 적합하다. 실제로 2018년 4월에 ${\bigcirc}{\bigcirc}$ 지역 화재 발생 시 양자전이비행시간질량분석기를 이용하여 측정한 결과 메탄올, 아세톤, 메틸에틸케톤이 주요 원인 물질임을 알 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

Chemical accidents occur in various forms, such as explosions, leaks, spills, and fires. In particular, chemical accidents caused by fires seriously affect the surrounding air environment due to soot, causing anxiety to the residents. Therefore, it is important to identify the causative substances quickly and examine the influence of air quality in the surrounding area. In this paper, proton transfer reaction-time of flight mass spectrometry(PTR-ToFMS) was used to identify the causative material in a fire and monitor the air quality in real time. This analyzer is capable of real-time analysis with a rapid response time without sample collection and pretreatment. In addition, it is suitable for quantitative and qualitative analysis of most volatile organic compounds with high hydrogen affinity, to identify the cause of fire and examine the influence of ambient air. In April 2018, when a local fire occurred, methanol, acetone, and methyl ethyl ketone were the main causative agents in PTR-ToFMS.

주제어

표/그림 (10)

표 Table 1. Weather Conditions Before and After the Incident Time
그림 Figure 1. Smoke rise at the fire point (left) and direction (right).
그림 Figure 2. Measurement points of ambient air quality caused by fire.
그림 Figure 3. Sampling collection using PTR-ToFMS.
그림 Figure 4. Schematic drawing of the PTR-ToFMS instrument.
표 Table 2. Analytical Parameters for PTR-ToFMS
그림 Figure 5. PTR-ToFMS Spectrum of each substance.
표 Table 3. Concentration by Measuring Point (ppb)
그림 Figure 6. Concentration change by measuring point.
표 Table 4. Physical and Chemical Properties of Hazardous Chemicals

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 논문에서는 화학물질 화재 시 실시간으로 시료의 전처리 없이 분석할 수 있는 PTR-ToFMS를 이용하여 ◌◌ 지역에 발생한 화학물질 화재 발생 당시의 측정결과를 분석하고 이 과정을 통하여 화학물질 화재 발생 시 현장에 적용하기 위한 분석방법을 제시하고자 한다.
본 논문은 양자전이비행시간질량분석기를 이용하여 화학 물질 화재 발생 시 실시간 유해화학물질의 분석에 대한 중요성을 고찰해 보고자 실제 ○○지역 사고에서 PTR-ToFMS를 이용하여 화재 중심 지점과 주변 대기질을 측정하였다. 그 결과 화재 발생 시 화재 지점을 중심으로 9개 지점에서 실시간으로 3가지 주요 유해화학물질의 성분과 질량을 파악할 수 있었다.

제안 방법

시료 채취는 화재 진압 후 2시간 후에 PTR-ToFMS를 장착한 차량을 이용하여 Figure 2 지점을 중심으로 이루어졌다. 각 지점에서 약 5분간 머물면서 실시간(1초 단위)으로 10 ml의 공기를 채취하여 분석하였다(Figure 3).

대상 데이터

측정지점은 화재 발생지점을 중심으로 반경 130 m와 반경 300 m, 반경 1,000 m를 중심으로 총 9개 지점에서 측정하였다. 주요 검출물질은 톨루엔, 아세톤, 메탄올, 메틸에틸케톤이다. 아세톤을 제외한 세 가지 물질은 농도에 따라 차이는 있지만 화학물질관리법에서 사고대비 물질과 유독물질로 지정한 유해화학물질이다.
측정결과는 Table 3과 같다. 측정지점은 화재 발생지점을 중심으로 반경 130 m와 반경 300 m, 반경 1,000 m를 중심으로 총 9개 지점에서 측정하였다. 주요 검출물질은 톨루엔, 아세톤, 메탄올, 메틸에틸케톤이다.
화학물질 화재는 2018년 4월 13일 오후 12시 경에 발생되었다. 사고 지역, 사고 업체 등은 현재 화재 사고의 원인을 수사하는 과정 중에 있어 비공개를 원칙으로 한다.

이론/모형

PTRToFMS는 (1) H₃O⁺이온을 생산하는 이온화원(ion source), (2) H₃O⁺와 VOCs 사이에서 양자전이 반응을 하는 이온이 동도관(drift tube) 그리고 (3) 생성이온의 검출을 위한 비행시간분석챔버와 같이 크게 3부분으로 구성되어 있다. VOCs물질은 양자전이반응(proton transfer reaction) 메커니즘을 통해 분석된다. 양자전이반응은 화학적이온화(chemical Ionization) 방법의 하나로, GC-MS의 이온화 방법인 전자충격이온화 (electron impact ionization)방법에 비하여 매우 낮은 에너지 반응으로 생성물의 형성과정에서 전자전달이 일어나지 않
시료 분석은 양자전이비행시간질량분석기(Proton Transfer Reaction Time-of-Flight Mass Spectrometer, PTR-ToFMS)를 이용하였다.

성능/효과

본 논문은 양자전이비행시간질량분석기를 이용하여 화학 물질 화재 발생 시 실시간 유해화학물질의 분석에 대한 중요성을 고찰해 보고자 실제 ○○지역 사고에서 PTR-ToFMS를 이용하여 화재 중심 지점과 주변 대기질을 측정하였다. 그 결과 화재 발생 시 화재 지점을 중심으로 9개 지점에서 실시간으로 3가지 주요 유해화학물질의 성분과 질량을 파악할 수 있었다. 이들 물질은 화재 중심지역에서 가장 높게 검출되었으며 주거지역으로 갈수록 농도가 감소하는 것을 알 수 있었으며 모두 급성노출기준 이하로 나타나 사고 대응 시 주민들에게 문자메시지 전송 등으로 주민들의 불안을 잠재우고 신속한 대응을 하는데 큰 역할을 하였다.
이들 물질은 화재 중심지역에서 가장 높게 검출되었으며 주거지역으로 갈수록 농도가 감소하는 것을 알 수 있었으며 모두 급성노출기준 이하로 나타나 사고 대응 시 주민들에게 문자메시지 전송 등으로 주민들의 불안을 잠재우고 신속한 대응을 하는데 큰 역할을 하였다. 따라서 이와 같이 대형화재로 인해 다양한 화학물질을 취급하는 사업장의 화재가 발생할 경우 신속하고 정확한 물질의 파악을 위해서는 시료의 전처리 등이 필요하지 않고 분석 시간이 짧은 실시간 정밀 분석장비를 현장에 적용하는 것이 무엇보다 중요하다고 판단할 수 있었다.
그 결과 화재 발생 시 화재 지점을 중심으로 9개 지점에서 실시간으로 3가지 주요 유해화학물질의 성분과 질량을 파악할 수 있었다. 이들 물질은 화재 중심지역에서 가장 높게 검출되었으며 주거지역으로 갈수록 농도가 감소하는 것을 알 수 있었으며 모두 급성노출기준 이하로 나타나 사고 대응 시 주민들에게 문자메시지 전송 등으로 주민들의 불안을 잠재우고 신속한 대응을 하는데 큰 역할을 하였다. 따라서 이와 같이 대형화재로 인해 다양한 화학물질을 취급하는 사업장의 화재가 발생할 경우 신속하고 정확한 물질의 파악을 위해서는 시료의 전처리 등이 필요하지 않고 분석 시간이 짧은 실시간 정밀 분석장비를 현장에 적용하는 것이 무엇보다 중요하다고 판단할 수 있었다.
이번 분석에서 PTR-ToFMS를 이용하여 측정한 결과 메탄올, 톨루엔 등 주요 유해화학물질이 검출되는 것을 알 수 있었으며 Table 4와 같이 이들 물질이 모두 급성 노출기준에 도달하지 못해 피해지역 인근 주민들에게 신속하게 전파되어 주민들의 불안을 감소시킬 수 있었다. 또한 실제 사고 업체에서 신고한 물질이외에 다른 물질이 검출되는 것을 파악할 수 있어서 향후 국과수의 정밀 감식 결과에 참고자료로 활용할 수 있다.
또한 GC-MS를 이용할 경우 컬럼 및 전처리 방법 등의 차이로 분석 가능한 물질의 종류가 제한되어 있지만 PTR-ToFMS는 일반적으로 수소 친화도를 가진 대부분의 유기화합물질의 분석이 가능하기 때문에 다양한 유기물질에 적용할 수 있다. 이번 분석에서도 화재 대상 사업장의 주요 취급물질인 아세톤과 메탄올이 GC-MS에서는 불검출로 분석되었으나 PTR-ToFMS에서는 검출되었다. 따라서 GC-MS를 이용한 결과는 사고 이후 사고원인 조사 등의 작업을 수행하는데 보충자료로 활용하는 것이 바람직하며 사고 발생 시 신속한 대응과 수습을 위해서는 실시간(초단위)으로 분석이 가능한 장비를 활용하는 것이 중요하다고 볼 수 있다.
화재로 인한 화학사고와 같이 긴박한 상황에서 신속하게 사고대응을 하고 사고 후 주변 대기환경 조사를 실시하여 주민들에게 정확한 정보를 전달하는데 한계가 있다. 참고로 이번 분석에 GC-MS를 이용하여 시료를 분석하였는데 테들러 백을 이용하여 시료채취 후 분석기가 구축된 실험실로 이동하여 시료의 전처리 및 분석과정을 통해 측정결과를 사고 발생 후 수일 후에 파악 할 수 있었다. 따라서 즉각적인 사고 대응 및 수습을 하는데 있어서 어려움이 있다.
측정지점에 따라 차이는 있지만 화재 지역을 중심으로 가장 근접한 부분에서는 톨루엔 농도가 가장 높게 검출되는 것을 알 수 있었다. 톨루엔 다음으로 높은 물질은 아세톤이며 그 다음으로 메탄올, 메틸에틸케톤 순으로 농도가 높게 검출되었다.

후속연구

이번 분석에서 PTR-ToFMS를 이용하여 측정한 결과 메탄올, 톨루엔 등 주요 유해화학물질이 검출되는 것을 알 수 있었으며 Table 4와 같이 이들 물질이 모두 급성 노출기준에 도달하지 못해 피해지역 인근 주민들에게 신속하게 전파되어 주민들의 불안을 감소시킬 수 있었다. 또한 실제 사고 업체에서 신고한 물질이외에 다른 물질이 검출되는 것을 파악할 수 있어서 향후 국과수의 정밀 감식 결과에 참고자료로 활용할 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	화재로 인한 화학사고의 피해는?	화학사고는 폭발, 누출 유출, 화재 등 다양한 형태로 발생한다. 특히 화재로 인한 화학사고는 매연으로 인해 주변 대기환경에 심각한 영향을 주며 주민의 불안을 야기하여 신속한 원인 물질 파악과 주변 지역 대기질 영향조사가 중요하다. 본 논문에서는 화재 시 원인물질을 파악하고 대기질을 실시간 모니터링 하기 위해 양자전이 비행시간 질량분석기를 사용하였다.
	양자전이 비행시간 질량분석기의 특징은 무엇인가?	본 논문에서는 화재 시 원인물질을 파악하고 대기질을 실시간 모니터링 하기 위해 양자전이 비행시간 질량분석기를 사용하였다. 이 분석기는 시료채취와 전처리 없이 빠른 응답시간을 가져 실시간 분석이 가능하며 또한 수소친화도가 높은 대부분의 휘발성유기화합물질의 정량 정성 분석이 가능하여 화재 원인 물질을 밝히고 주변 대기의 영향을 조사하는데 적합하다. 실제로 2018년 4월에 ${\bigcirc}{\bigcirc}$ 지역 화재 발생 시 양자전이비행시간질량분석기를 이용하여 측정한 결과 메탄올, 아세톤, 메틸에틸케톤이 주요 원인 물질임을 알 수 있었다.
	화학사고로 간주되는 것은?	이런 화학사고는 화재, 폭발, 유․누출, 이상반응, 복합 등 다양한 형태로 발생한다. 일반 화재는 보통 화학사고로 간주하지 않지만 유해화학물질(3,4)로 인한 화재로 매연이 주변 환경에 영향을 미치거나 인명 및 재산상의 피해가 발생될 경우 화학사고로 간주하고 대응하게 된다.

참고문헌 (13)

Chemistry Safety Clearing-house (csc.nics.go.kr).
C. h. Shin, H. S. Lee, T. H. Kim and J. H. Park, "Analysis on Chemical Accident Characteristics of Facilities Handling Hydrochloric Acid", Fire Science & Engineering, Vol. 30, No. 6, pp. 14-22 (2016).
Ministry of Environment, "Chemical Substances Control Act" (2016).
Korea Environment Corporation, "Safe Management of Hazardous Chemicals and Personal Protective Equipment Selection Guide" pp. 3-4 (2015).
J. H. Kim, J. S. Park, C. H. Min, S. Y. Kim, G. H. Yoon and S. D. Kim, "A Study on the Trimethylsilanol Analysis Method of Semiconductor Processing using a Proton Transfer Reaction -Time of Flight Mass Spectrometer", Journal of the Korean Society of Urban Environment, Vol. 17, No. 1, pp. 85-95 (2017).
N. Hayeck, B. Temime-Toussel, S. Gligorovski, A. Mizzi, R. Gemayel, S. Tlili, P. Maillot, N. Pic, et al., "Monitoring of Organic Contamination in the Ambient Air of Microelectronic Clean Room by Proton-transfer Reaction/time-of-flight/mass Spectrometry (PTR-ToF-MS)", International Journal of Mass Spectrometry, Vol. 392, pp. 102-110 (2015).

상세보기
J. H. Kim, G. H. Yoon, Lukas Mark, J. J. Lee, J. S. Park, J. Y. Ahn, J. S. Han and S. D. Kim, "Comparison of Real-time Mass Spectrums on the Main- and Side-stream Smoke of Cigarette using an Proton Transfer Reaction-Mass Spectrometer (PTR-MS)", Journal of the Korean Society of Urban Environment, Vol. 13, No. 2, pp. 117-127 (2013).
A. Jordan, S. Haidacher, G. Hanel, E. Hartungen, L. Mark, H. Seehauser, R. Schottkowsky, P. Sulzer, et al., "A High Resolution and High Sensitivityproton-transfer-reaction Time-of-flight Mass Spectrometer (PTR-ToF-MS)", International Journal of Mass Spectrometry, Vol. 286, pp. 122-128 (2009).

상세보기
W. Lindinger, A. Hansel and A. Jordan, "On-line Monitoring of Volatile Organic Compounds at Pptv Levels by Means of Proton-transfer-reaction Mass Spectrometry (PTR-MS)-Medical Applications, Food Control and Environmental research", International Journal of Mass Spectrometry, Vol. 173, pp. 191-241 (1998).

상세보기
T. Su and W. J. Chesnavich, "Parametrization of the Ion-polar Molecule Collision Rate Constant by Trajectory Calculations", Journal of Chemical Physics, Vol. 76, pp. 5183-5185 (1982).

상세보기
J. Zhao and R. Zhang, "Proton Transfer Reaction Rate Constants Between Hydronium Ion ( $H_3O^+$ ) and Volatile Organic Compounds", Atmospheric Environment, Vol. 38, pp. 2177-2185 (2004).

상세보기
National Institute of Chemical Safety, "Key Info Guide for Accident Preparedness Substances" pp. 106, 112, 186 (2017).
K. J. Kim, Y. S. Yoon, J. S. Lee, H. J. Park, S. J. Seo, J. H. Yoon, G. S. Seok and K. H. Choi, "Analysis of Chemical Accident Causing Substances using PTR-TOF-MS-Case Study of Chemical Accident by Reaction Process with Epoxy and Acrylic Acid-" Journal of the Korean Society for Environmental Analysis, Vol. 17, No. 1, pp. 21-28 (2014).

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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