[논문]화재 및 호흡조건 변화에 따른 연기입자의 인체 호흡기 내 영역별 침착량 분석

구재학

doi:10.7731/kifse.2019.33.6.095

화재 및 호흡조건 변화에 따른 연기입자의 인체 호흡기 내 영역별 침착량 분석
Study on the Regional Deposition of Smoke Particles in Human Respiratory Tract under the Variation of Fire and Breathing Conditions 원문보기

한국화재소방학회 논문지= Fire science and engineering, v.33 no.6, 2019년, pp.95 - 104

초록
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화재 시 발생하는 연기는 가스상 물질과 이들을 흡착한 미연탄소 등의 입자상 물질로 이루어져 있다. 연기 중 가스상 물질의 흡입에 의한 인체피해는 대부분 단기적으로 이루어지는 데 비하여 입자상 물질의 흡입에 의한 피해는 가스상의 흡착상태에 따라서 상대적으로 장기적으로 이루어진다. 입자상 물질이 호흡기벽에 침착하여 호흡기 및 순환기 계통에 영향을 미치는 것과 관련하여, 침착되는 연기입자의 양과 호흡기 내 침착위치는 인체피해 산정의 중요한 요소인데, 이들은 연소조건에 영향을 받는 크기 및 농도 등 입자상태와 함께 호흡조건에 영향을 받는다. 이 연구에서는 화재 시 발생하는 연기의 흡입에 의한 인체피해 연구와 관련된 호흡기 내 연기입자 침착특성 파악을 위하여 연료종류, 연소조건 및 호흡조건에 따라 호흡기 내 영역별로 침착되는 연기입자의 입경에 따른 개수 및 질량 농도를 구하였다. 또한 각 조건별로 흡입연기의 일정기간 동안 호흡기 내 질량 침착량을 대기환경 미세먼지 기준치와 비교 분석하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Smoke generated in a fire consists of gaseous substances and particulate matter, such as unburned carbon that adsorbed the gases. Human injury caused by inhalation of gaseous substances present in smoke is mostly short-term, whereas damage caused by inhalation of particulate matter is relatively a long-term phenomenon depending on the state of the gas-phase adsorption. The amount and location of the deposited smoke particles are important factors in estimating the damage caused to humans, which are affected by the breathing conditions as well as particle conditions, such as the size and concentration affected by the combustion conditions. In this study, in order to understand the characteristics of the deposition of smoke particles in the respiratory tract related to the study of human smoke inhalation injury, the number and mass concentration of smoke particles deposited in different areas of the respiratory tract for different fuel types, combustion conditions and breathing conditions were calculated. In addition, the amount of mass deposition of smoke in the respiratory tract for a certain period of inhalation was compared with the atmospheric standard of fine dust.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

이 연구에서는 화재 시 발생하는 연기의 흡입유해성 정량화 연구를 위해서, 연료종류 및 연소조건에 따라서 발생한 연기입자의 크기별 농도에 대하여 호흡조건에 따른 호흡기 내 영역별 침착입자의 개수 및 질량 농도를 구하였다. 또한 피해정도의 이해를 돕기 위하여 각 조건별 일정기간 흡입연기의 호흡기 내 질량 침착량을 대기환경기준에 따른 일정기간 미세먼지 질량 흡입량과 비교 분석하였다.

제안 방법

Figure 8에서는 Figure 3(a)와 같은 기하학적 개수농도분포를 모든 입자 직경에 대하여 적분하여, 각 운동상태 및 입구호흡상태에 따른 호흡기 각 영역별 총 침착 개수농도를 각 가연물 및 화재조건에 대하여 구하였다. Figure 8(a)는 두부에서, Figure 8(b)는 폐포에서의 총 침착 개수농도이다.
Figure 9는 1분간 화재연기에 노출되었을 경우의 각 가연물 및 화재조건에 대한 노출자의 각 활동상태 및 입구호흡상태별 호흡기 내 질량침착량이다. Figure 3(b)와 같은 기하학적 질량농도분포를 모든 입자 직경에 대하여 적분한 다음, 각 활동상태에 따른 분당호흡량을 고려하여 1분 동안 해당 입자농도 환경에서 호흡하였을 경우 침착된 입자의 총 질량을 구하였다. 앉은상태 경우 9 liter/min, 심한운동상태 경우 50 liter/min의 분당호흡량을 적용하였다.
1) 이 연구에서는 화재 시 발생하는 연기의 흡입에 의한 인체피해 연구를 위해서, ISO/TS 19700에서 제시하는 등속 튜브연소로 방식을 사용하여 연료종류(Wood, PP) 및 연소 조건(S1b, S2)에 따라서 발생한 연기입자의 크기별 농도에 대하여, 호흡조건으로서 활동상태(앉은상태, 심한운동상태) 및 두부호흡상태(구강호흡, 비강호흡)에 따른 호흡기 내 영역(두부, 기관지, 폐포)별 입자 크기에 따른 침착입자의 개수 및 질량 농도를 구하였다. 또한 각 조건별 흡입연기의 일정기간 호흡기 내 질량 침착량을 대기환경기준에 따른 일정기간 미세먼지 질량 흡입량과 비교 분석하였다.
1) 이 연구에서는 화재 시 발생하는 연기의 흡입에 의한 인체피해 연구를 위해서, ISO/TS 19700에서 제시하는 등속 튜브연소로 방식을 사용하여 연료종류(Wood, PP) 및 연소 조건(S1b, S2)에 따라서 발생한 연기입자의 크기별 농도에 대하여, 호흡조건으로서 활동상태(앉은상태, 심한운동상태) 및 두부호흡상태(구강호흡, 비강호흡)에 따른 호흡기 내 영역(두부, 기관지, 폐포)별 입자 크기에 따른 침착입자의 개수 및 질량 농도를 구하였다. 또한 각 조건별 흡입연기의 일정기간 호흡기 내 질량 침착량을 대기환경기준에 따른 일정기간 미세먼지 질량 흡입량과 비교 분석하였다.
이 연구에서는 화재 시 발생하는 연기의 흡입유해성 정량화 연구를 위해서, 연료종류 및 연소조건에 따라서 발생한 연기입자의 크기별 농도에 대하여 호흡조건에 따른 호흡기 내 영역별 침착입자의 개수 및 질량 농도를 구하였다. 또한 피해정도의 이해를 돕기 위하여 각 조건별 일정기간 흡입연기의 호흡기 내 질량 침착량을 대기환경기준에 따른 일정기간 미세먼지 질량 흡입량과 비교 분석하였다.
호흡기침착에서 침착량은 호흡조건에 따라 달라진다. 여기에서는 활동상태와 두부호흡상태에 따라 호흡조건을 정하는데, 활동상태는 Table 2와 같이 ICRP⁽¹⁵⁾에서 정의한 수면상태(Sleep), 앉은상태(Sitting), 가벼운운동상태(Light exercise) 및 심한운동상태(Heavy exercise)로 나누고 두부호흡상태는 구강호흡상태(Mouth breathing) 및 비강호흡상태(Nasal breathing)로 나누었다. 각 활동상태에서는 호흡량(Tidal volume)과 분당호흡량(Minute ventilation)이 정의되고 이에 따라 호흡빈도(Breathing frequency)와 흡입과 토출시의 유량(Flow rate)이 정해진다.
연기입자 발생 및 측정은 가연물로는 목재(Wood) 및 폴리프로필렌(PP)과 더불어 다양한 플라스틱에 대하여, 화재조건은 Table 1의 4가지 화재조건에 대하여 이루어졌는데 여기서는 변화가 특징적으로 나타나는 1단계(S1b)와 2단계(S2) 화재조건에서 목재와 PP에 대하여 비교하였다^(19,20). 입자직경이 대략 0.
각 호흡조건에서 입자직경에 따른 호흡기내 영역별 흡입입자에 대한 침착분률은 Goo⁽²⁸⁾의 비대칭 5엽 폐모델을 이용한 수치계산법을 사용하여 구하였다. 영역별 계산은 Weibel 모델에 따른 23개 각 분지세대에서의 침착분률을 계산한 다음, 이로부터 두부영역(ET), 기관지영역 (TB) 및 폐포영역(Alv.)에 대한 각각의 침착분률을 구하였다.
이 측정 실험에서는 연소로를 통과하는 원형 석영튜브 안에 가연물을 균일하게 적재한 보트를 일정한 속도로 밀어 넣고, Table 1에 주어진 일정온도의 연소로와 일정 유량의 공기공급 조건을 맞춤으로써 온도와 산소공급량 조건에 따른 4가지 표준화된 화재단계(Fire stage)에서 연소생성물을 얻었다. 이 연구에서는 4가지 화재단계를 화재조건 또는 연소조건으로 설정하였으므로 편의상 화재단계, 화재조건 및 연소조건을 혼용하여 사용한다. 참고로, 이 실험방식에서는 Table 1에 정해진 것과 같이 1단계(S1b)에 비하여 2단계(S2)에서 상대적으로 연소온도가 높고 산소공급이 많은 조건에서 연소가 이루어진다.
이 연구에서는 연소물질과 연소조건 변화별 입경에 따른 개수농도분포에 관한 측정 데이타로서, 공인된 ISO/TS 19700⁽²¹⁾에서 제시하는 등속튜브연소로 방식을 사용한 Goo⁽¹⁹⁾의 측정결과를 이용하였다. 이 측정 실험에서는 연소로를 통과하는 원형 석영튜브 안에 가연물을 균일하게 적재한 보트를 일정한 속도로 밀어 넣고, Table 1에 주어진 일정온도의 연소로와 일정 유량의 공기공급 조건을 맞춤으로써 온도와 산소공급량 조건에 따른 4가지 표준화된 화재단계(Fire stage)에서 연소생성물을 얻었다. 이 연구에서는 4가지 화재단계를 화재조건 또는 연소조건으로 설정하였으므로 편의상 화재단계, 화재조건 및 연소조건을 혼용하여 사용한다.
이 연구에서 침착량 계산에는 Weibel⁽¹¹⁾의 대칭분지관 모델에 Yeh와 Schum⁽²⁵⁾의 5엽비대칭 폐엽모델을 적용한 5엽분지관 모델을 사용하였다^(27,28). 폐의 형태 데이타는 Weibel 모델에서 폐 부피가 4800 ml인 경우의 각 세대에서의 값을 사용하였고, 기능적 잔기량(FRC)은 3500 ml가 되도록 하고 이에 비례하여 각 세대에서 분지관 부피가 정해지도록 폐 형태 값을 조정하였다. 호흡기침착에서 침착량은 호흡조건에 따라 달라진다.
따라서 호흡기 영역별 침착량을 알기 위해서는 각 호흡조건에서 입자크기에 따른 영역별 침착분률 계산 결과가 필요하다^(24,25). 호흡조건은 활동상태 및 호흡기 입구상태를 반영하는데, 활동상태는 Table 2에 나타난 것과 같이 ICRP⁽¹⁵⁾에서 정의한 상태 중 특징적인 비교를 위하여 앉은상태와 심한운동상태를 비교하였고, 호흡기입구상태는 두부에서 비강호흡상태와 구강호흡상태를 비교하였다. 각 호흡조건에서 입자직경에 따른 호흡기내 영역별 흡입입자에 대한 침착분률은 Goo⁽²⁸⁾의 비대칭 5엽 폐모델을 이용한 수치계산법을 사용하여 구하였다.

이론/모형

호흡조건은 활동상태 및 호흡기 입구상태를 반영하는데, 활동상태는 Table 2에 나타난 것과 같이 ICRP⁽¹⁵⁾에서 정의한 상태 중 특징적인 비교를 위하여 앉은상태와 심한운동상태를 비교하였고, 호흡기입구상태는 두부에서 비강호흡상태와 구강호흡상태를 비교하였다. 각 호흡조건에서 입자직경에 따른 호흡기내 영역별 흡입입자에 대한 침착분률은 Goo⁽²⁸⁾의 비대칭 5엽 폐모델을 이용한 수치계산법을 사용하여 구하였다. 영역별 계산은 Weibel 모델에 따른 23개 각 분지세대에서의 침착분률을 계산한 다음, 이로부터 두부영역(ET), 기관지영역 (TB) 및 폐포영역(Alv.
연소로에서 생성된 가스상 물질과 미연탄소 등은 석영튜브를 지나 하단에 설치된 혼합 상자에서 공기와 혼합되는 동안 서론에서 언급한 입자생성과정을 거친다. 생성된 입자의 입경에 따른 개수농도분포는 정전저압임팩터(ELPI⁺)를 이용하여 측정되었다^(20,22,23).
. 이 연구에서 침착량 계산에는 Weibel⁽¹¹⁾의 대칭분지관 모델에 Yeh와 Schum⁽²⁵⁾의 5엽비대칭 폐엽모델을 적용한 5엽분지관 모델을 사용하였다^(27,28). 폐의 형태 데이타는 Weibel 모델에서 폐 부피가 4800 ml인 경우의 각 세대에서의 값을 사용하였고, 기능적 잔기량(FRC)은 3500 ml가 되도록 하고 이에 비례하여 각 세대에서 분지관 부피가 정해지도록 폐 형태 값을 조정하였다.
이 연구에서는 연구방법에서 언급한 것과 같이 각 연소 물질에 대하여 연소조건(화재조건)별 입경에 따른 개수농도분포에 관한 공인된 데이터로서, ISO/TS 19700⁽²¹⁾에서 제시하는 방식을 사용한 측정결과를 이용하였다. Figure 1은 Goo⁽¹⁹⁾에 의하여 등속튜브연소로 및 정전저압임팩터(ELPI)를 이용하여 측정된 가연물 및 화재조건(화재단계)별 발생 연기입자의 공기역학 직경에 따른 기하학적 개수농도분포를 나타내는 그림이다.
화재발생 시 가연물의 종류 및 연소상태에 따라 발생하는 연기입자들의 호흡기 내 침착 특성을 알아보기 위하여서는 이 조건에 적합한 연기입자 발생 실험결과가 필요하다. 이 연구에서는 연소물질과 연소조건 변화별 입경에 따른 개수농도분포에 관한 측정 데이타로서, 공인된 ISO/TS 19700⁽²¹⁾에서 제시하는 등속튜브연소로 방식을 사용한 Goo⁽¹⁹⁾의 측정결과를 이용하였다. 이 측정 실험에서는 연소로를 통과하는 원형 석영튜브 안에 가연물을 균일하게 적재한 보트를 일정한 속도로 밀어 넣고, Table 1에 주어진 일정온도의 연소로와 일정 유량의 공기공급 조건을 맞춤으로써 온도와 산소공급량 조건에 따른 4가지 표준화된 화재단계(Fire stage)에서 연소생성물을 얻었다.
한 번의 호흡주기 동안 흡입침착분률(DFI)와 토출침착분률(DFE) 각각에 대하여 i세대를 지나가는 모든 j와 k에 대하여 합을 구하면 i세대에서의 침착분률을 구할 수 있고, 이에 대하여 모든 i에 대하여 합을 구하면 총 침착분률을 구할 수 있게 된다. 입자 침착효율은 각 침착메카니즘, 즉 확산, 중력침강 및 관성충돌별 침착효율의 합산식으로 나타나며, 이 연구에서는 Yeh와 Schum⁽²⁵⁾의 연구와 기존의 타 연구를 종합하여 Goo⁽²⁸⁾에 정리되어 있는 식을 사용하였다^{(15,24,29,30)}.
입자침착량 계산은 5엽분지관 모델에 대하여 미소부피 위치추적법을 이용하여 이루어졌다⁽²⁸⁾. 계산 방법은 Goo⁽²⁸⁾에서 자세히 설명되었으며 대략적인 개념은 다음과 같다.

성능/효과

2) 호흡조건에 따른 영역별 침착특성 변화를 보면 두부에서의 침착은 1 μm 이상의 큰 입자에서 주로 이루어지며 비강호흡에서 높게 나타난다. 폐포에서의 침착은 1~5 μm 에서는 주로 중력에 의하여, 입자직경 0.
3) 일정기간 화재연기에 노출되었을 경우, 물질 및 연소 조건별 전반적 침착량은 질량이 큰 입자의 개수농도 순서즉 (PP, S2) > (Wood, S1b) > (PP, S1b) > (Wood, S2) 순으로 나타난다. 또한 비강호흡상태일 때, 두부영역에서는 침착량이 크지만 폐포영역에서는 통과되어 들어온 입자만 침착할 수 있기 때문에 전반적으로 침착량이 적다.
4) 이 연구에서 주어진 ISO/TS 19700에 따른 연기발생 조건에서 1분간 연기입자에 노출되었을 경우 이 연구의 조건범위에서 호흡기 내 총 질량 침착량은 대략 0.2~300 mg 으로 약 1500배 정도의 변화를 보인다. 이는 미세먼지, 즉 PM10의 일평균 대기환경기준에서 하루 24시간 동안 최대 흡입량 1.
5) 1분간 폐포영역 침착량은 이 연구의 조건 범위에서 대략 0.01~20 mg의 값을 가진다. 침착된 질량의 상당량은 입경 1~5 μm 인 입자가 차지하지만 개수는 0.
Figure 8(a)에 나타난 두부에서의 침착은 Figure 2와 Figure 6에서 알 수 있는 것과 같이 1 μm 이상의 큰 입자에서 주로 이루어지며 또한 입구호흡 상태 비교에서는 비강호흡상태에서 높게 나타난다. 따라서 침착된 개수농도가, 물질 및 화재조건별 비교에서는 이들 큰 입자영역에서 입자들의 흡입 개수농도 순으로 나타며, 호흡조건별 비교에서는 비강호흡 상태에서 높게 나타남을 알 수 있다.

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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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