본 연구에서는 우리나라 주요 침엽수종인 소나무(Pinus densiflora)와 활엽수종인 굴참나무(Quercus variabilis)의 낙엽에 대해 FTIR(Fourier Transform Infrared) 분광계를 이용하여 배출 연소가스 종류 및 농도를 측정하였다. 실험결과 소나무와 굴참나무 낙엽에서 Carbon monoxide, Carbon dioxide, Acetic acid, Butyl acetate, Ethylene, Methane, Methanol, Nitrogen dioxide, Ammonia, Hydrogen Fluoride, Sulfur dioxide, Hydrogen bromide 등 13개 연소가스가 검출되었고 굴참나무 낙엽에서는 Nitrogen monoxide가 추가로 검출되었다. 방출된 연소가스의 전체 농도는 소나무 낙엽이 굴참나무 낙엽에 비해 4.5배 많이 검출되었다. 특히, 시간가중평균가스농도(TWA : Time-weighted average, ppm) 기준을 초과하는 연소가스는 Carbon monoxide, Carbon dioxide, Butyl acetate가 검출되었고 단시간노출기준(STEL : Short Term Exposure Limit, ppm) 기준을 초과하는 연소가스는 Carbon monoxide, Carbon dioxide로 소나무 및 굴참나무 모두에서 나타났다. 이에 산불에서의 낙엽층 지표화 연소시 전체 가스 방출량의 99% 이상을 차지하고 있는 Carbon monoxide, Carbon dioxide의 건강 위험성이 높은 것으로 나타났다. 하지만, 검출된 다른 건강 위험성 가스의 경우에도 연소물질의 양이 증가할수록 연소가스의 농도가 높아져 건강안정성에 해가 있을 것으로 판단되며 또한 검출된 연소가스 중 나무의 주요구성 원소가 아닌 Bromide, Fluoride 화합물에 대해서는 토양으로부터의 오염 또는 분석과정에서의 노이즈로 인한 검출 등에 대한 보다 면밀한 검토가 필요할 것으로 판단된다.
본 연구에서는 우리나라 주요 침엽수종인 소나무(Pinus densiflora)와 활엽수종인 굴참나무(Quercus variabilis)의 낙엽에 대해 FTIR(Fourier Transform Infrared) 분광계를 이용하여 배출 연소가스 종류 및 농도를 측정하였다. 실험결과 소나무와 굴참나무 낙엽에서 Carbon monoxide, Carbon dioxide, Acetic acid, Butyl acetate, Ethylene, Methane, Methanol, Nitrogen dioxide, Ammonia, Hydrogen Fluoride, Sulfur dioxide, Hydrogen bromide 등 13개 연소가스가 검출되었고 굴참나무 낙엽에서는 Nitrogen monoxide가 추가로 검출되었다. 방출된 연소가스의 전체 농도는 소나무 낙엽이 굴참나무 낙엽에 비해 4.5배 많이 검출되었다. 특히, 시간가중평균가스농도(TWA : Time-weighted average, ppm) 기준을 초과하는 연소가스는 Carbon monoxide, Carbon dioxide, Butyl acetate가 검출되었고 단시간노출기준(STEL : Short Term Exposure Limit, ppm) 기준을 초과하는 연소가스는 Carbon monoxide, Carbon dioxide로 소나무 및 굴참나무 모두에서 나타났다. 이에 산불에서의 낙엽층 지표화 연소시 전체 가스 방출량의 99% 이상을 차지하고 있는 Carbon monoxide, Carbon dioxide의 건강 위험성이 높은 것으로 나타났다. 하지만, 검출된 다른 건강 위험성 가스의 경우에도 연소물질의 양이 증가할수록 연소가스의 농도가 높아져 건강안정성에 해가 있을 것으로 판단되며 또한 검출된 연소가스 중 나무의 주요구성 원소가 아닌 Bromide, Fluoride 화합물에 대해서는 토양으로부터의 오염 또는 분석과정에서의 노이즈로 인한 검출 등에 대한 보다 면밀한 검토가 필요할 것으로 판단된다.
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문제 정의
그림 1은 2008년 3월 11일 극동러시아 산불발생으로 인한 연무위성영상 및 러시아 Khabarovsk시의 공기오염에 대해 보여주고 있다. 이에 본 연구에서는 FTIR(Fourier Transform Infrared) 분광계를 이용하여 산림내 낙엽연소시 발생되는 연소가스에 대해 정량‧정성 분석을 통해 위험성을 평가하고자 하였다.
제안 방법
본 논문에서는 우리나라 침‧활엽수 대표수종인 소나무, 굴참나무의 낙엽에 대해 연소가스 분석을 실시하였으며 실험방법은 표 2와 같이 건조한 시기의 낙엽함수율 15±2%의 낙엽을 ISO착화성 시험기에 20kW/㎡의 복사열에 의한 자연발화 조건으로 연소가 지속적으로 일어나는 시간동안 10ℓ/min의 유입속도로 측정하였다.
소나무와 굴참나무 낙엽의 연소시 발생되는 14종 검출가스에 대한 건강위험성 평가는 물질안전보건자료(MSDS : Material Safety Data Sheets)에서 제공하는 노출기준 및 건강 위험성 보고에 기재된 사항을 토대로 평가하였다. 그 결과 표 4와 같이 10개 가스종에 대한 건강위험성을 조사하였다.
이러한 Background가 준비가 되면 Rsb(Reference single beam)의 상태를 FT-IR기기와 연결된 분석컴퓨터로 확인하여 수분 및 이산화탄소가 깨끗이 제거 된 상태에서 실험을 실시하였다. 수종 낙엽 부위를 연소가스 성분 및 농도를 측정하는 검출기인 Cell-body에 유입될 수 있도록 실험시 Inlet부분을 개방하여 낙엽연소 가스가 Cell-body Inlet부분으로 유입되고 다시 Cell-body의 outlet부분으로 방출되도록 하였다.
검출된 연소가스의 정성분석을 위해 FTIR분석기의 가스종류별 흡수 파장대 library와 Bands Classification을 이용하였고 정량분석을 위해서는 검출된 농도를 식 1에 의해 방출량을 산정하였다. 여기서 방출량 계산은 표준상태(STP : Standard Temperature and Pressure)조건으로 산정하였다.
연소가스 성분 및 농도분석을 위해 적외선분광계 실험방법은 정밀한 측정을 위해 먼저 FTIR기기 분석 장치 내부의 오염제거를 위하여 Dry Nitrogen gas 및 Liquid Nitrogen gas로 Purging 및 cooling 등의 Pursing 초기화 과정을 실시하였다. 이때 대기압 조건은 1기압 상태인 17.
이 과정은 FTIR의 background를 그림 2와 같이 나타나야지만 분석하고자 하는 가스성분에 대한 Noise 및 기타 오염에 대한 문제를 해결할 수 있다. 이러한 Background가 준비가 되면 Rsb(Reference single beam)의 상태를 FT-IR기기와 연결된 분석컴퓨터로 확인하여 수분 및 이산화탄소가 깨끗이 제거 된 상태에서 실험을 실시하였다. 수종 낙엽 부위를 연소가스 성분 및 농도를 측정하는 검출기인 Cell-body에 유입될 수 있도록 실험시 Inlet부분을 개방하여 낙엽연소 가스가 Cell-body Inlet부분으로 유입되고 다시 Cell-body의 outlet부분으로 방출되도록 하였다.
데이터처리
검출된 연소가스의 정성분석을 위해 FTIR분석기의 가스종류별 흡수 파장대 library와 Bands Classification을 이용하였고 정량분석을 위해서는 검출된 농도를 식 1에 의해 방출량을 산정하였다. 여기서 방출량 계산은 표준상태(STP : Standard Temperature and Pressure)조건으로 산정하였다.
2. 방출된 연소가스의 전체 농도는 소나무 낙엽이 굴참나무 낙엽에 비해 4.5배 많이 검출되어 산불 발생시 연무에 의한 건강위험성이 더욱 높다고 볼 수 있다.
3. 시간가중평균가스농도와 단시간노출기준을 초과하는 연소 가스는 Carbon monoxide, Carbon dioxide가 검출되었고 소나무 및 굴참나무 모두에서 나타났다.
4. 이에 산불에서의 낙엽층 지표화 연소시 전체 가스 방출량의 99% 이상을 차지하고 있는 Carbon monoxide, Carbon dioxide의 건강 위험성이 높은 것으로 나타났다.
소나무와 굴참나무 낙엽의 연소시 검출된 가스는 Carbon monoxide, Carbon dioxide, Acetic acid, Butyl acetate, Ethylene, Methane, Methanol, Nitrogen dioxide, Ammonia, Hydrogen Fluoride, Sulfur dioxide, Hydrogen bromide 등 13종이 검출되었고 굴참나무 낙엽에서는 Nitrogen monoxide가 추가로 검출되었다. 소나무 낙엽연소시 검출된 13종의 가스농도 분석결과 이산화탄소가 약 90%로 가장 많이 검출되었고 일산화탄소가 약 9.5%로 검출되었고 굴참나무 낙엽연소시 검출된 14종의 가스 농도분석 결과 이산화탄소가 약 89%로 가장 많이 검출되었고 일산화탄소가 약 10%로 검출되어 탄소복합체로 구성된 셀룰로오스의 연소시 이산화탄소와 일산화탄소의 연소가스가 각각 전체 방출가스의 99.5%, 99.3%를 차지하였다. 여기서 식 1에 의해 산출된 방출된 연소가스의 전체량은 소나무 낙엽이 굴참나무 낙엽에 비해 4.
소나무와 굴참나무 낙엽의 연소시 검출된 가스는 Carbon monoxide, Carbon dioxide, Acetic acid, Butyl acetate, Ethylene, Methane, Methanol, Nitrogen dioxide, Ammonia, Hydrogen Fluoride, Sulfur dioxide, Hydrogen bromide 등 13종이 검출되었고 굴참나무 낙엽에서는 Nitrogen monoxide가 추가로 검출되었다. 소나무 낙엽연소시 검출된 13종의 가스농도 분석결과 이산화탄소가 약 90%로 가장 많이 검출되었고 일산화탄소가 약 9.
그 결과 표 4와 같이 10개 가스종에 대한 건강위험성을 조사하였다. 이중 대부분의 검출된 연소가스는 호흡곤란과 질식을 유발하고 혈액의 산소공급을 저해하는 혈액이상 증세를 나타내는 일산화탄소, 이산화탄소, 메탄가스가 확인되었고 신경이상 및 눈자극 증세를 발생시킬 수 있는 염화수소, 메탄올, 이산화질소가 확인되었다. 특히 연소가스의 99%이상을 배출하는 이산화탄소, 일산화탄소에서 TWA, STEL 농도기준을 모두 초과하는 것으로 나타났다.
이중 대부분의 검출된 연소가스는 호흡곤란과 질식을 유발하고 혈액의 산소공급을 저해하는 혈액이상 증세를 나타내는 일산화탄소, 이산화탄소, 메탄가스가 확인되었고 신경이상 및 눈자극 증세를 발생시킬 수 있는 염화수소, 메탄올, 이산화질소가 확인되었다. 특히 연소가스의 99%이상을 배출하는 이산화탄소, 일산화탄소에서 TWA, STEL 농도기준을 모두 초과하는 것으로 나타났다.
후속연구
검출된 연소가스 중 나무의 주요구성 원소가 아닌 Bromide, Fluoride 화합물에 대해서는 향후, 토양으로부터의 오염 또는 분석과정에서의 노이즈로 인한 검출 등에 대한보다 면밀한 검토가 필요할 것으로 판단된다.
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