[논문]Open path FT-IR을 활용한 대공간 화재독성가스 검출 연구

조남욱; 이봉재; 이종천

문제 정의

본 실험에서는 FT-IR의 실험실 영역을 뛰어넘어 대공간에서 발생되는 가스의 직접 측정이 가능한 분석을 시도하였다. 광투과방식(Open - Path monitoring)을 적용한 Fourier transform infrared spectroscopy(OP-FTIR)를 이용한 원격탐지기술은 대공간에서 발생되는 가스의 측정 및 실시간 분석이 가능한 장점을 가지며 현재까지 대기오염 모니티링 등에 부분적으로 사용되었다.
본 연구에서는 OP-FTIR을 사용하여 실화재 또는 대공간 화재실험에서 발생되는 연소 독성가스의 원거리 분석을 시도하였다. 우레탄 및 PVC의 연소로 인한 CO, CO₂, HCl, HCN, HF 등 다양한 가스의 검출이 가능함을 확인하였다.
광투과방식(Open - Path monitoring)을 적용한 Fourier transform infrared spectroscopy(OP-FTIR)를 이용한 원격탐지기술은 대공간에서 발생되는 가스의 측정 및 실시간 분석이 가능한 장점을 가지며 현재까지 대기오염 모니티링 등에 부분적으로 사용되었다. 본 연구에서는 대기오염물질과는 다른 화재생성물의 독성가스를 대상으로 정량 및 정성분석을 위해 교정(Calibration)절차를 만들고 몇 가지 가연성 시료를 대공간에서 연소시켜 원거리 유해가스 분석을 시도하였다.

제안 방법

¹⁰⁾ 성분에서 [-C-N-]을 함유하는 우레탄은 연소시 수소와 반응하여 HCN 가스가 발생하며 실험실 규모의 실험을 통해 가스검출이 입증된 바 있다.¹¹⁾ 본 실험에서는 적외선 광원과 OP-FTIR사이의 경로 길이(Path length)를 각각 10m, 20m, 30m를 설정하여 실험하였다. Beer의 법칙에 따라 이론적으로 동일한 양의 유독가스가 발생되면 거리에 따라 비례하여 농도가 감소하여야 한다.
몰 흡광계수는 특정 파장의 빛을 얼마만큼 흡수하였는가를 나타내는 물질의 특성이다. 본 연구에서도 적외선분광분석으로 얻은 스펙트럼에 대한 흡광도를 분석하여 2가지 시료(우레탄 단열재, PVC PIPE)의 대공간 연소에서 발생되는 연소가스를 분석하였다.
우레탄 단열재와 PVC파이프를 대상으로 대공간 연소실험을 수행하였다. 그림1은 본 실험 장치에 대한 Diagram이다.

성능/효과

2) 1950년대에 고분자 과학에 대한 연구의 급격한 팽창은 화재에 관련된 화학 및 독성학에 관한 자료가 상당히 증가하는 결과를 가져왔다. 1963년에 실시한 “화재 조건에서 특정 건축 재료의 연소 및 열분해 생성물의 독성에 대해 활용할 수 있는 자료 조사”에 따르면 297개의 자료가 열거되어 있다.
응용에서 대기오염 물질의 분석에 중요하게 적용되는데 이러한 응용은 Fourier 변환분광기의 개발로 촉진되었다.⁸⁾ 적외선에 노출된 분자는 분자의 진동이나 회전운동으로 인한 에너지의 변화를 일으킨다. O₂, N₂또는 Cl₂와 같은 동핵 화학종의 진동이나 회전에서는 쌍극자모멘트의 알짜변화가 일어나지 않는다.
분석결과와 같이 CO, CO₂ 및 HCl이 검출되었으며 기류에 의한 연기의 난류에 매우 정확하게 반응하는 것으로 확인하였다. CO₂의 검출에서 10m에서 30m의 원거리로 갈수록 농도가 감소하여 Beer 법칙에 따라 반응하는 것을 간접 확인 할 수 있었다. 개방된 대공간에서는 기류에 의한 영향이 매우 크게 나타나므로 경로 길이에 따른 정확한 농도의 감소를 측정할 수 없었다.
개방된 대공간에서는 기류에 의한 영향이 매우 크게 나타나므로 경로 길이에 따른 정확한 농도의 감소를 측정할 수 없었다. 그러나 발화원으로 사용된 헵탄도 적외선 흡수로 측정되어 매우 다양하고 정확한 측정이 가능함을 확인하였다.
표1은 20m Gas cell FT-IR에서 제작된 KICT Library를 사용하여 OP-FTIR로 측정된 우레탄에 대한 정량분석결과이다. 대공간에서 적외선 경로에 노출된 연소 가스는 시간-농도곡선에서 선형성을 보이지 않으나, 기류에 의해 반응을 매우 민감하게 적외선흡수로 반응하고 있는 것을 확인할 수 있었다. 우레탄의 연소로 예상대로 HCN이 검출되었으며, HF도 검출되어 다양한 가스의 검출이 실험실 규모와 크게 다르지 않게 측정이 가능함을 확인하였다.
Polyvinyl chloride(PVC)는 성분에 Cl을 함유하므로 연소시 HCl을 발생시킨다. 분석결과와 같이 CO, CO₂ 및 HCl이 검출되었으며 기류에 의한 연기의 난류에 매우 정확하게 반응하는 것으로 확인하였다. CO₂의 검출에서 10m에서 30m의 원거리로 갈수록 농도가 감소하여 Beer 법칙에 따라 반응하는 것을 간접 확인 할 수 있었다.
본 연구에서는 OP-FTIR을 사용하여 실화재 또는 대공간 화재실험에서 발생되는 연소 독성가스의 원거리 분석을 시도하였다. 우레탄 및 PVC의 연소로 인한 CO, CO₂, HCl, HCN, HF 등 다양한 가스의 검출이 가능함을 확인하였다. 정확한 정량 분석을 위하여 다양한 화학종에 대한 농도별 Calibration을 수행하여 정량분석에 적용하며 매우 정확한 분석이 가능할 것으로 사료되며, 진보적인 기기분석을 적용한 화재위험도의 측정에 매우 유용하게 활용될 수 있을 것으로 기대한다.
대공간에서 적외선 경로에 노출된 연소 가스는 시간-농도곡선에서 선형성을 보이지 않으나, 기류에 의해 반응을 매우 민감하게 적외선흡수로 반응하고 있는 것을 확인할 수 있었다. 우레탄의 연소로 예상대로 HCN이 검출되었으며, HF도 검출되어 다양한 가스의 검출이 실험실 규모와 크게 다르지 않게 측정이 가능함을 확인하였다.

후속연구

우레탄 및 PVC의 연소로 인한 CO, CO₂, HCl, HCN, HF 등 다양한 가스의 검출이 가능함을 확인하였다. 정확한 정량 분석을 위하여 다양한 화학종에 대한 농도별 Calibration을 수행하여 정량분석에 적용하며 매우 정확한 분석이 가능할 것으로 사료되며, 진보적인 기기분석을 적용한 화재위험도의 측정에 매우 유용하게 활용될 수 있을 것으로 기대한다.

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