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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.
성능/효과
- 1. 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.
- 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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