[논문]준실시간 소형 풍동 시스템을 이용한 화학작용제(HD) 증발특성 연구

가동하; 정현숙; 서지윤; 이준오; 이해완

doi:10.9766/kimst.2019.22.1.135

준실시간 소형 풍동 시스템을 이용한 화학작용제(HD) 증발특성 연구
A Near Real-Time Wind Tunnel System for Studying Evaporation of Chemical Agents(HD) 원문보기

韓國軍事科學技術學會誌 = Journal of the KIMST, v.22 no.1, 2019년, pp.135 - 140

가동하 (국방과학연구소 제4기술연구본부) , 정현숙 (국방과학연구소 제4기술연구본부) , 서지윤 (국방과학연구소 제4기술연구본부) , 이준오 (국방과학연구소 제4기술연구본부) , 이해완 (국방과학연구소 제4기술연구본부)

Abstract ▼ AI-Helper

Upon chemical agent release, it is of importance to study the characteristic persistence and evaporation of chemical agents from surfaces for the prediction of dispersion hazard. We have recently developed a fast and near real-time wind tunnel system proving the controlled environment(air flow, temperature, and humidity), continuously collects agent vapor and analyzes it. A thermal sorber/desorber is unnecessary to collect the vapor in the system we have developed. Instead, a tandem thermal sorber collects the vapor, which is then directly transferred to a fast gas chromatography(GC) for analysis. As a proof of concept, the evaporation of sulfur mustard agent(HD) was studied from glass, sand and concrete. The results were in an excellent agreement with those obtained from the conventional wind tunnel system.

주제어

표/그림 (8)

그림 Fig. 1. Schematic of a near real-time wind tunnel system
그림 Fig. 2. Velocity profiles in wind tunnel
표 Table 1. Parameters of detector system
그림 Fig. 3. Calibration curve of HD standard solution
그림 Fig. 4. HD concentration of glass as function of time
그림 Fig. 5. Photographs of HD droplet in wind tunnel as function of time
그림 Fig. 6. Vaporizing rate of HD from sand as function of time
그림 Fig. 7. HD vaporizing rate of concrete substrate as function of time

AI 본문요약
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제안 방법

2)는 트랩(trap) 속 흡착제의 온도 및 스플릿 유량을 조정하였다. GC(Agilent 6850 network GC)를 통해서 증발되어 나오는 화학작용제 증기의 농도를 정량적으로 분석하였다.
소형 풍동의 실험영역의 크기는 5 × 5 × 5 cm³ 로 한미자료 교환협정에 따라 미국 관련 기관에서 제공받은 소형 풍동 설계도면을 바탕으로 제작하였다^[3]. 그리고 소형 풍동의 실험영역에 장착한 지표 물질(유리, 콘크리트, 모래 등) 위에 화학작용제를 마이크로피펫을 사용하여 떨어뜨린 후 대기 중으로 장시간 방출되는 미량의 화학작용제의 농도 측정을 위하여 준실시간 가스 분석 시스템을 제작하였다(Fig. 1).
분석할 화학작용제의 종류에 따라서 GC의 검출기 유형을 선택할 수 있는데, HD 증발 농도의 범위(수 ng ~ 수천 ng)가 넓어서 불꽃이온화 검출기(Flame Ionization Detector, FID)를 사용하였다. 그리고 이동가스는 질소를 사용하였고 이동가스의 유압은 TD의 이동가스 조절기로 조절하였다. 이 때, 유압은 탈착된 시료가 GC에 공급되는 압력까지 조절하므로 GC 신호의 머무름 시간(R_t)에 영향을 주기 때문에 표준농도 검정 곡선을 만들 때부터 유지 점검하여야 한다.
그리고 지표물질 위에 떨어진 화학작용제가 표면 중앙에서 벗어났거나 퍼져있을 때 풍속의 균일도를 확인하기 위해서 시험영역 정중앙 위치에서 앞/뒤/좌/우 1.2 cm 벗어난 곳의 풍속을 각각 측정하였고 정중앙 위치에서 풍속 측정값 대비 0.3 ~ 10 %의 풍속 차이를 확인하였다^[9].
분석할 화학작용제의 종류에 따라서 GC의 검출기 유형을 선택할 수 있는데, HD 증발 농도의 범위(수 ng ~ 수천 ng)가 넓어서 불꽃이온화 검출기(Flame Ionization Detector, FID)를 사용하였다. 그리고 이동가스는 질소를 사용하였고 이동가스의 유압은 TD의 이동가스 조절기로 조절하였다.
화학작용제는 대표적으로 수포작용제, 신경작용제로 구분되며, Sarin 같은 경우 일본의 한 종교 집단에서 도심지에서 살포하여 많은 사상자가 발생한 사건이 있으며, 전쟁무기로 활용된 사례가 있다^[1,2]. 소량으로도 막대한 살상력을 가진 화학작용제의 확산에 대한 연구를 위하여 환경조건을 통제할 수 있고, 화학작용제의 증발량을 정량적으로 측정할 수 있도록 소형 풍동 장치와 화학 분석 시스템을 구성하였다. 소형 풍동의 실험영역의 크기는 5 × 5 × 5 cm³ 로 한미자료 교환협정에 따라 미국 관련 기관에서 제공받은 소형 풍동 설계도면을 바탕으로 제작하였다^[3].
소형 풍동 내 5 cm × 5 cm × 5 cm 실험영역의 2 cm 높이에서 0.22 m/s, 1.7 m/s, 3.6 m/s의 풍속으로 자연 상태의 저속, 중속, 고속의 바람을 모사하도록 설계하였고 높이에 따른 풍속 측정을 통해서 검증하였다(Fig. 2.)[8].
소형 풍동과 연결된 준실시간 화학가스 분석 시스템의 성능확인을 위하여 화학작용제 HD를 이용하여 증발 실험을 진행하였다. 증발현상을 시각적으로 확인하기 위하여 소형 풍동 내 실험영역 위에 장착한 내시경 카메라로 HD 액체 방울의 증발 사진을 촬영하였다.
소형 풍동에서 증발한 화학작용제의 양은 자동 샘플러의 유량과 시간으로 결정되며 증발 초기에는 흡착시간을 짧게 설정하여 고농도 흡착을 통한 장비 오염을 방지하며, 증발 후기에는 샘플링 시간을 30분까지 늘려서 낮은 농도의 증발량을 농축하여 분석한다. 특히 이 장치는 실험 초기부터 작용제의 농도 변화를 측정할 수 있어서 초기 환경 설정의 오류를 바로 알 수 있으며 증발 변화 구간을 바로 확인할 수 있는 장점이 있다.
소형 풍동의 샘플링포트와 자동 샘플러의 흡입구 사이에 표준농도 용액(12.6 ng, 50 ng, 201 ng, 804 ng)의 1 μL를 주입 후 TD에서 흡·탈착 후 GC 면적을 확인하였다.
준실시간 가스 분석 시스템의 구성은 소형 풍동의 샘플링포트와 연결된 자동 샘플러, 흡착제를 내장한 열탈착기(Thermal Desorption, TD), 그리고 가스농도 측정을 위한 기체 크로마토그라피(GC)로 구성된다. 시스템의 유효성을 확인하기 위하여 화학작용제 sulfur mustard(bis(2-chloroethyl) sulfide, HD)의 증발 특성을 유리, 모래, 그리고 콘크리트 매질로부터 측정하였다. HD는 신체에 접촉하면 피부에 수포를 발생시키는 위험한 작용제로 1차 세계 대전에서 사용되었고, 이후 1997년 화학 무기 기구에서 사용을 금지하였다^[4,5].
유리 또는 다공성 표면에서 화학작용제의 증발 특성 연구를 위하여 화학후드 내에서 환경 조건을 조절하는 소형 풍동과 준실시간 가스 분석 시스템을 제작하였다. 소형 풍동에는 야전 환경에서의 풍속, 온도, 습도 조건을 제어 및 유지하기 위해서 온·습도 제어 공기발생기와 풍속, 온도, 습도 센서가 장착된다.
그리고 장비들은 Markes사에서 제공한 Markes TD 소프트웨어를 통하여 샘플링 양(시간 × 유량), 흡·탈착 온도와 유량, 관 세척(line purging)과 전처리 등을 PC에서 제어하게 된다. 이 소프트웨어는 GC와 연동이 되어서 포집된 가스가 탈착될 때 GC에 신호를 주어 자동으로 농도 분석을 하게 된다. 최종적으로 GC 소프트웨어에서 증발 농도를 분석한다.
자동 샘플러(Markes CIA Advantage^(TM))는 소형 풍동의 샘플링 포트와 연결되어 샘플링 유량과 시간을 조정하고 TD(Markes UNITY^(TM)2)는 트랩(trap) 속 흡착제의 온도 및 스플릿 유량을 조정하였다. GC(Agilent 6850 network GC)를 통해서 증발되어 나오는 화학작용제 증기의 농도를 정량적으로 분석하였다.
화학작용제의 증발량을 측정하기 위한 준실시간 가스 분석 시스템은 자동적인 증기 포집을 위한 자동 샘플러, TD 그리고 샘플링한 가스의 농도측정을 위한 GC로 구성된다. 제작한 소형 풍동과 준실시간 가스 분석 시스템을 검증하기 위하여 HD 표준농도에 따른 검정선을 측정하였고, 비다공성 매질인 유리 위에서 HD의 증발량을 측정하였으며 그 현상을 HD 방울크기변화와 비교하였다. 또한 모래시료 위에 HD(6 μL)의 증발 실험을 준실시간 가스 분석 시스템과 30개의 흡착튜브를 사용한 기존 소형 풍동 시스템과 비교실험을 진행하여 증발율 분포의 유사함을 확인하였다.
따라서 화학후드 내에서 실험할 수 있도록 소형 크기의 풍동을 제작하였다^[7]. 제작한 소형 풍동은 실제 환경에서 바람의 영향을 모사하기 위해서 대기경계층 이론에 따라서 바람의 속도 분포를 나타내도록 설계되었다. 즉, 지표면으로부터 층류영역, 전이영역, 난류영역으로 구분되며 층류영역에서의 속도는 지표면에서의 높이에 비례하고, 난류영역에서의 속도는 높이에 따라서 로그 함수로 증가한다.
제작한 준실시간 화학 가스 분석 시스템의 검증을 위하여 HD를 이용하여 표준농도 검정선을 우선 작성하였다.
준실시간 가스 분석 시스템의 TD에 내장된 트랩은 화학작용제 포집을 위하여 Tenax TA^Ⓡ 흡착제를 채워넣었고, 흡착 중 온도를 저온(0 ℃)으로 유지하여 흡착 효율을 높였다.
준실시간 가스분석 시스템의 유효성을 평가하기 위하여 같은 소형 풍동에서 기존의 다른 흡착장치^[10]를 사용하여 증발특성 결과를 비교하였다. 기존의 흡착장치는 Tenax TA^Ⓡ를 내장한 30개의 흡착튜브와 전자식 엑츄에이터 밸브를 연동한 시스템(Variable Tube System)으로 소형 풍동 샘플링 포트와 연결하여 30개의 흡착튜브를 사용하여 화학작용제 증기를 직접 포집하는 장치이다.
증발 실험은 유리판 위 HD(6 μL), 온도(25 ℃), 풍속(0.22 m/s) 조건에서 2회 반복 수행 하였다.
소형 풍동과 연결된 준실시간 화학가스 분석 시스템의 성능확인을 위하여 화학작용제 HD를 이용하여 증발 실험을 진행하였다. 증발현상을 시각적으로 확인하기 위하여 소형 풍동 내 실험영역 위에 장착한 내시경 카메라로 HD 액체 방울의 증발 사진을 촬영하였다. 증발 실험은 유리판 위 HD(6 μL), 온도(25 ℃), 풍속(0.
화학작용제의 증발 특성 분석을 위하여 소형 풍동 배기구의 공기를 샘플링 하여 농도를 측정하였다. 화학후드 내의 소형 풍동의 실험영역에 장착한 다양한 지표물질 위에 분석할 화학작용제를 떨어뜨린다.

대상 데이터

모래는 실리카모래로(96.5 %) ‘한국 건설 생활 환경 시험 연구원’에서 제공하는 표준 모래를 사용하였고, 38 mm 크기의 테플론 컨테이너에 담아서 실험을 진행하였다.
소형 풍동의 실험영역의 크기는 5 × 5 × 5 cm3 로 한미자료 교환협정에 따라 미국 관련 기관에서 제공받은 소형 풍동 설계도면을 바탕으로 제작하였다[3].
유리와 콘크리트는 직경 38 mm 크기의 시편으로 제작하였다. 유리는 세정제, IPA(Isopropyl Alcohol), EA(Ethyl Acetate)로 세척 후 건조하여 사용하였다. 모래는 실리카모래로(96.
유리와 콘크리트는 직경 38 mm 크기의 시편으로 제작하였다. 유리는 세정제, IPA(Isopropyl Alcohol), EA(Ethyl Acetate)로 세척 후 건조하여 사용하였다.
0 이다. 콘크리트는 조성 시 물과 시멘트 비율로 강도를 조정하는데 물과 시멘트 비율이 0.3 인 항공 활주로용 콘크리트로 제작하였다^[6].

데이터처리

TD가 GC로 가스를 보내는 탈착 시간 5분을 포함하여 내부관로 세척시간(purging time)과 장비 안정화 시간을 추가하여 17분간 자동 샘플러의 샘플링을 못하는 시간이 발생한다. 이 때의 증발량을 추정하기 위하여 전후 샘플링 때의 농도 평균값을 사용하였다.

성능/효과

다공성 매질에서의 화학작용제 증발은 미량이지만 장기적으로 지속되며 본 연구에서 개발된 시스템을 활용하면 증발이 모두 될 때까지 자동적으로 측정이 가능하다. Fig.
다공성 매질인 콘크리트에서 초기 약 500분까지는 일정하게 HD 증기가 대기 중으로 노출됨을 알 수 있으며 그 후에는 증발량 변화가 없는 듯 보이지만, 900분 이상 시간 구간을 조정하면 실험을 끝낸 3800분까지 미량이지만 지속적으로 HD가 공기 중으로 증발되고 있음을 알 수 있다(Fig. 7. 내부 확대 그래프). 콘크리트 속으로 들어간 HD는 제독 없이 자연 상태에서 2.
또한 모래시료 위에 HD(6 μL)의 증발 실험을 준실시간 가스 분석 시스템과 30개의 흡착튜브를 사용한 기존 소형 풍동 시스템과 비교실험을 진행하여 증발율 분포의 유사함을 확인하였다.
마지막으로 준실시간 가스분석 소형 풍동 시스템을 활용하여 콘크리트 매질 위에서 HD의 장시간 증발 특성을 분석한 결과, 2.5일 이상 지속적으로 HD 증기가 방출됨을 확인할 수 있었다.
HD는 신체에 접촉하면 피부에 수포를 발생시키는 위험한 작용제로 1차 세계 대전에서 사용되었고, 이후 1997년 화학 무기 기구에서 사용을 금지하였다^[4,5]. 준 실시간 소형 풍동 시스템을 이용하여 측정한 HD의 증발 특성은 기존에 흡착 튜브를 배열하여 증발 농도를 분석하는 시스템과 비교하였을 때 매우 유사한 특성을 나타내었다.

후속연구

이 준실시간 가스 분석 시스템은 독성 화학 실험실 또는 국가주요 시설의 화학무기 모니터링 장치로 응용될 수 있는 기술로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	준실시간 가스 분석 시스템에서 TD가 GC로 가스를 보내는 탈착 시간은?	소형 풍동에서 증발한 화학작용제는 자동 샘플러를 통하여 TD의 트랩에 내장된 흡착제로 일정량이 모이게 되고, 이 흡착제에 모인 가스는 다시 열탈착을 시켜 GC에서 농도분석을 한다. TD가 GC로 가스를 보내는 탈착 시간 5분을 포함하여 내부관로 세척시간 (purging time)과 장비 안정화 시간을 추가하여 17분간 자동 샘플러의 샘플링을 못하는 시간이 발생한다. 이때의 증발량을 추정하기 위하여 전후 샘플링 때의 농도 평균값을 사용하였다.
	제작한 소형 풍동이 실제 환경과 유사하도록 설계한 조건은?	제작한 소형 풍동은 실제 환경에서 바람의 영향을 모사하기 위해서 대기경계층 이론에 따라서 바람의 속도 분포를 나타내도록 설계되었다. 즉, 지표면으로부터 층류영역, 전이영역, 난류영역으로 구분되며 층류영역에서의 속도는 지표면에서의 높이에 비례하고, 난류영역에서의 속도는 높이에 따라서 로그 함수로 증가한다. 소형 풍동 내 5 cm × 5 cm × 5 cm 실험영역의 2 cm 높이에서 0.22 m/s, 1.7 m/s, 3.6 m/s 의 풍속으로 자연 상태의 저속, 중속, 고속의 바람을 모사하도록 설계하였고 높이에 따른 풍속 측정을 통해서 검증하였다(Fig. 2.
	준실시간 가스 분석 시스템의 구성은?	준실시간 가스 분석 시스템의 구성은 소형 풍동의 샘플링포트와 연결된 자동 샘플러, 흡착제를 내장한 열탈착기(Thermal Desorption, TD), 그리고 가스농도 측정을 위한 기체 크로마토그라피(GC)로 구성된다. 시스템의 유효성을 확인하기 위하여 화학작용제 sulfur mustard(bis(2-chloroethyl) sulfide, HD)의 증발 특성을 유리, 모래, 그리고 콘크리트 매질로부터 측정하였다.

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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