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문제 정의
- 본 논문은 렌즈를 생산하는 한 공장에서 작업이 완료된 resin에서 이상반응에 의해 흄이 발생한 화학사고의 원인물질 파악을 위해 PTR-TofMS의 exact mass 결과를 분석한 것이다.
제안 방법
- 대부분의 VOCs의 반응속도상수는 1.5 × 10-9 cm3 s-1 ≤ k ≤ 4 × 10-9 cm3 s-1의 범위에 있으며, 본 논문에서는 2.0 × 10-9 cm3 s-1 값을 사용하여 농도를 산정하였다(7-10).
- )을 측정하였다. 배경농도의 측정에서 각각의 이온의 배경신호(BG)는 10 cps(Count per second) 이하로 낮은 수준을 보이면서 안정하게유지되었고, 10분 이상 측정한 후에 표준시료를 주입하였다. 표준시료의 주입과정에서 주입라인의 밸브를 전환(Valve switching) 하는 과정에서 관내에 남아 있던 시료가혼합되어 초기에 불안정하였으나, 약 20초 뒤에는 안정한 농도를 나타내었다.
- 본 논문에서는 PTR-TofMS를 이용하여 화학사고 후 대기시료를 채취하여 분석하였다. 신속한 분석이 필요한 화학 사고에서 적당한 표준물질을 구해서 사고의 원인물질찾는 것은 어려운 일이다.
- 이온성분의 손실(Mass discrimination)을 보정하기 위하여 이온의 단위질량에 따른 통과율(Transmission)을 산정하였다. 통과율은 활성탄 트랩(Supelco, U.
- 표준시료의 주입과정에서 주입라인의 밸브를 전환(Valve switching) 하는 과정에서 관내에 남아 있던 시료가혼합되어 초기에 불안정하였으나, 약 20초 뒤에는 안정한 농도를 나타내었다. 통과율 산정에는 정확한 표준시료의 농도가 필요하며, 본 논문에서는 표준시료 중의 동위원소 함량을 고려하여 제조사에서 제공한 표준시료의 농도를 보정하여 재 산정하여, 그 결과를 Table 2에 나타내었다. 탄소(C) 및 산소(O) 뿐만 아니라, 특히 표준시료 중에 Cl 성분을 함유한 Chlorobenzene, Dichlorobenzene 그리고 Trichlorobenzene의 경우 염소이온의 동위원소 비율(35Cl : 37Cl = 75.
- 이온성분의 손실(Mass discrimination)을 보정하기 위하여 이온의 단위질량에 따른 통과율(Transmission)을 산정하였다. 통과율은 활성탄 트랩(Supelco, U.S.A.)을 이용하여 장비의 배경농도를 측정한 후에 연이어 100 ppb 수준의 VOCs 표준물질(RESTECK, VOCs 9 mixture, U.S.A.)을 측정하였다. 배경농도의 측정에서 각각의 이온의 배경신호(BG)는 10 cps(Count per second) 이하로 낮은 수준을 보이면서 안정하게유지되었고, 10분 이상 측정한 후에 표준시료를 주입하였다.
- 화학사고 누출 원인물질을 분석하기 위해서 양자전이 비행시간 질량분석기(Proton transfer reaction time of flight mass spectrometer, 8000, IONICON, Austria)를 사용하였고 분석 조건은 Table 1과 같다.
대상 데이터
- 시료채취는 사고 다음날 15:00시 경에 수행되었다. 시료채취 지점은 사고지점 건물내와 건물에서 북쪽으로 약 5 m 떨어진 지점 등 2곳에서 각각 Bag sampler (AVS-500, ACEN)를 이용하여 10 L Tedlar bag (SKC, USA)에 채취하였다.
성능/효과
- Methanol은 1차 사고지점에서 약 403 ppb 수준으로 나타났으며, 2차 사고지점에서는 277 ppb 수준으로 1차 사고지점이 높은 농도수준을 보였다. Acetonitrile은 1차 및 2차 사고지점 모두 유사한 수준으로 각각 214 ppb, 215 ppb이었고 일반 대기의 농도 수준보다 높은 수준으로 검출되는 것을 알 수 있었다. Acetone은 1차 사고지점에서 65 ppb의 수준을 보였으나 2차 사고지점에서는 230 ppb로 나타나 사고 주변에서 발생하는 심한 악취의 요인으로 판단된다.
- PTR-TofMS로 분석한 결과 1차 사고지점과 2차 사고지점에서 다양한 황 계열 화합물의 스펙트럼이 검출되는 것을 알 수 있었다. 이들 물질에 대한 표준물질 스펙트럼을 분석하지 못해서 정확한 정성이 가능하지는 않았지만(C3H5S)H+, (C4H7S)H+, (C6H8S)H+ 등의 황 계열 화합물이 일부 검출되는 것을 확인 할 수 있었다.
- PTR-TofMS를 이용할 경우 평상시 사고 가능성이 높은 물질에 대한 표준물질 분석 스펙트럼을 구축해 놓으면 신속한 사고 물질에 대한 정성과 정량 분석이 가능할 수 있다. 그 결과 Methanol, Acetaldehyde, Acetonitrile, Acetone, Acetamide, Toluene, Xylene, Phenol 등의 다양한 VOCs가 고농도로 검출되는 것을 알 수 있었다.
- 97 ppb 이었다. 그리고 (C6H8S)H+(m/z 113.0410) 이온은 주변에 간섭하는 이온이 없는 형태의 스펙트럼을 나타내었고, 1차 사고지점에서는 9.84 ppb, 2차 사고지점에서는 56.11 ppb로서 황 계열 화합물 중에 가장 높은 수준을 나타냈으며, 2차 사고지점이 황화합물 누출과 매우 밀접한 관련이 있을 것으로 파악된다.
- 2차 사고지점에서는 Acetone의 농도가 높게 나타났으며, 1차 사고지점과 2차 사고지점간에 사용된 용제의 특성이 일부 다른 것을 보여주고 있다. 그리고 1, 2차 사고지점 모두에서 유사한 수준으로 나타난 물질은 Acetonitrile과 Phenol 물질로 두 물질 모두 200 ppb 이상의 고농도를 나타내었으며, 일반적인 대기환경에 비해 매우 높은 수준으로 검출되었다.
- 또한 사고 물질에 포함된 황이 이상반응을 통해 (C3H5S)H+, (C4H7S)H+, (C6H8S)H+ 등의 다양한 형태의 화합물로 배출되어 사고 주변 악취발생에 주요 원인 물질로 작용한 것을 알 수 있었다.
- Xylene은 1차 사고지점이 44 ppb, 2차 사고지점이 24 ppb 로 나타나 1차 사고지점에서 높은 농도를 나타냈다. 물질별 농도수준을 종합해보면 1차 사고지점에서는 Methanol, Toluene, Xylene이 높은 농도수준을 나타내었으며, 그 중에서도 Toluene의 농도가 가장 높았으며 이는 작업장에서 다량으로 사용하는 유기용제의 누출로 인한 영향으로 판단된다. 2차 사고지점에서는 Acetone의 농도가 높게 나타났으며, 1차 사고지점과 2차 사고지점간에 사용된 용제의 특성이 일부 다른 것을 보여주고 있다.
- 이를 명확하게 파악하기 위하여 Figure 5에는 세 가지 시료를 분석한 스펙트럼을 중첩해서 비교하였다. 분자량이 작은 순서부터 사고지점에서 출현한 물질의 분포를 살펴보면 Methanol ((CH4O)H+, m/z 33.03349), Acetonitrile ((C2H3N)H+, m/z 42.03382), Acetaldehyde ((C2H2O)H+, m/z 45.03349) Acetone ((C3H6O)H+, Toluene ((C7H8)H+, m/z 93.06989), Phenol ((C6H6O)H+, m/z 95.06989), Xylene ((C8H10)H+, m/z 107.08553)등의 VOCs가 주로 검출되는 것을 알 수 있었다.
- PTR-TofMS로 분석한 결과 1차 사고지점과 2차 사고지점에서 다양한 황 계열 화합물의 스펙트럼이 검출되는 것을 알 수 있었다. 이들 물질에 대한 표준물질 스펙트럼을 분석하지 못해서 정확한 정성이 가능하지는 않았지만(C3H5S)H+, (C4H7S)H+, (C6H8S)H+ 등의 황 계열 화합물이 일부 검출되는 것을 확인 할 수 있었다. Figure 7에는 황 계열 화합물에 대하여 정렬한 질량스펙트럼을 나타내었고, Table 4에는 적분한 면적에 대한 농도 값을 정리하였다.
- 배경농도의 측정에서 각각의 이온의 배경신호(BG)는 10 cps(Count per second) 이하로 낮은 수준을 보이면서 안정하게유지되었고, 10분 이상 측정한 후에 표준시료를 주입하였다. 표준시료의 주입과정에서 주입라인의 밸브를 전환(Valve switching) 하는 과정에서 관내에 남아 있던 시료가혼합되어 초기에 불안정하였으나, 약 20초 뒤에는 안정한 농도를 나타내었다. 통과율 산정에는 정확한 표준시료의 농도가 필요하며, 본 논문에서는 표준시료 중의 동위원소 함량을 고려하여 제조사에서 제공한 표준시료의 농도를 보정하여 재 산정하여, 그 결과를 Table 2에 나타내었다.
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