2018년 산업위생관리기사실기(필답형) 3회차 시험지 PDF 다운로드

25.92 L/hr

[해설]

발생률이란 사용한 톨루엔이 모두 증발했을 때 기체 부피가 시간당 몇 L가 되는지를 말한다. 질량을 부피로 바꾸는 문제이므로 기체 1 mol의 부피를 작업장 온도로 보정한 뒤 비례식을 세운다.

① 18 ℃, 1기압에서 기체 1 mol의 부피 — 표준상태(0 ℃)의 22.4 L를 온도로 보정한다.

$V=22.4\times\dfrac{273+18}{273}=22.4\times\dfrac{291}{273}=23.88\ \mathrm{L/mol}$

② 비례식 — 톨루엔 1 mol은 92.13 g이고 그 부피가 23.88 L다.

$92.13\ \mathrm{g}\ :\ 23.88\ \mathrm{L}=100\ \mathrm{g/hr}\ :\ G$

$G=\dfrac{100\times 23.88}{92.13}=\mathbf{25.92\ \mathrm{L/hr}}$

한 줄로 묶으면 다음과 같다.

$G=100\ \mathrm{g/hr}\times\dfrac{22.4\ \mathrm{L}}{92.13\ \mathrm{g}}\times\dfrac{273+18}{273}=25.92\ \mathrm{L/hr}$

온도 보정을 빠뜨리고 22.4 L를 그대로 쓰면 24.31 L/hr가 되어 어긋난다. 문제에 온도가 주어져 있다면 그것은 대개 보정하라는 신호다.

쓰이지 않는 조건 — 허용기준 188 mg/m³은 이 계산에 들어가지 않는다. 이 값은 발생률을 구한 다음 $Q=\dfrac{G}{\mathrm{TLV}}\times K$ 로 필요환기량까지 구할 때 쓰는 값인데, 문제가 발생률까지만 물었으므로 그대로 남는다. 조건이 남았다고 해서 풀이가 잘못된 것이 아니니 억지로 끼워 넣지 않는다. 참고로 188 mg/m³은 톨루엔의 노출기준 50 ppm을 25 ℃ 기준의 질량농도로 환산한 값이다($50\times 92.13/24.45\approx 188$).

(1) 열사병

(2) 열경련

[해설]

(1) 열사병(heat stroke) — 고온 환경에 오래 노출되어 시상하부의 체온조절 중추가 마비된 상태다. 땀이 멎어 열을 밖으로 내보내지 못하므로 체온이 걷잡을 수 없이 올라간다. 체온이 40 ℃를 넘고 의식장해나 경련이 나타나며 피부는 뜨겁고 건조하다. 열중증 가운데 치명률이 가장 높아 즉시 몸을 식히고 수액을 공급해야 한다. 발문의 “체온조절 계통이 기능을 잃어”라는 대목이 곧 열사병의 표지다.

(2) 열경련(heat cramps) — 땀을 많이 흘리면 수분과 함께 염분도 빠져나가는데, 이때 물만 마시면 체액이 오히려 묽어져 근육에 경련이 온다. 팔·다리·복부의 근육이 갑자기 뭉치며 아프고 체온은 대체로 정상이다. 처치는 시원한 곳에서 쉬게 하면서 생리식염수나 0.1 % 정도의 묽은 식염수를 마시게 하는 것이다. 염분을 빨리 올리려고 식염정제를 그대로 삼키게 하는 것은 위를 자극해 오히려 해로우므로 하지 않는다.

나머지 열중증도 함께 갈래를 잡아 둔다. 열피로(열탈진)는 땀을 많이 흘려 혈액량이 줄고 순환기능이 따라가지 못해 생기며, 땀은 계속 나고 체온은 정상이거나 조금 오르는 정도다. 열실신은 말초혈관이 넓어져 뇌로 가는 혈류가 일시적으로 줄어 의식을 잃는 것이다. 열발진(땀띠)은 땀샘의 구멍이 막혀 생기는 피부 증상이다.

“체온조절 기능이 멎었다 → 열사병”, “염분이 빠졌다 → 열경련”, “탈수로 순환이 달린다 → 열피로”, “잠깐 쓰러졌다 → 열실신”으로 원인 한 줄씩만 붙여 두면 헷갈리지 않는다.

3.25 mg/m³

[해설]

분석기가 잡아낸 것은 아연(Zn)이지만 근로자가 실제로 들이마신 것은 산화아연(ZnO) 흄이다. 용접흄은 금속 증기가 공기 중에서 산화되어 만들어지므로 아연은 산화물 형태로 존재한다. 따라서 분석값을 산화아연 질량으로 환산한 뒤 채취 공기량으로 나눠야 한다.

① 산화아연의 분자량 — 아연 65 + 산소 16 = 81

② 아연 0.25 mg에 해당하는 산화아연의 질량 — 산화아연 81 g 안에 아연이 65 g 들어 있으므로 비례식을 세운다.

$m_{\mathrm{ZnO}}=0.25\times\dfrac{81}{65}=0.3115\ \mathrm{mg}$

③ 채취 공기량 — $96\ \mathrm{L}=0.096\ \mathrm{m^3}$

④ 농도

$C=\dfrac{0.25\times\frac{81}{65}}{0.096}=\dfrac{0.3115}{0.096}=3.2452\ \Rightarrow\ \mathbf{3.25\ \mathrm{mg/m^3}}$

중간값을 0.3115 mg에서 자른 뒤 나누면 3.244가 나와 3.24로 답하기 쉬운데, 자르지 않고 한 번에 계산하면 3.2452이므로 3.25 mg/m³ 이 맞다. 계산기에 값을 끊어 넣지 말고 이어서 두드리는 습관을 들이면 이런 어긋남이 생기지 않는다.

이 유형에서 가장 흔한 실수는 환산계수 $81/65=1.246$ 을 빠뜨리고 아연 그대로 $0.25/0.096=2.60\ \mathrm{mg/m^3}$ 이라 답하는 것이다. 문제가 무엇의 농도를 묻는지 — 금속 자체인지 그 산화물인지 — 를 먼저 확인해야 한다. 반대로 산화물 채취량에서 금속 농도를 구하라고 하면 $65/81$ 을 곱한다.

① 여과

② 유도결합플라스마(ICP)

[해설]

「작업환경측정 및 정도관리 등에 관한 고시」 제21조는 용접흄의 측정방법을 따로 정하고 있다. 문장을 토막 내어 보면 각 대목에 이유가 있다.

여과 채취방법 — 용접흄은 고온에서 증발한 금속 증기가 공기 중에서 식으면서 응축·산화해 만들어진 입자상 물질이다. 가스나 증기가 아니므로 흡착관이 아니라 여과지로 걸러 채취한다.

보안면 내부에서 채취 — 재야 하는 것은 근로자가 실제로 들이마시는 공기다. 용접보안면을 쓰고 있다면 흄의 상당량이 보안면에 막히므로, 바깥에서 재면 실제 노출보다 높게 나온다. 그래서 채취기를 보안면 안쪽 호흡기 위치에 둔다.

중량분석방법 — 채취 전후 여과지의 무게 차이로 흄 전체의 질량농도(mg/m³)를 구한다.

원자흡광광도계 또는 유도결합플라스마 — 무게만으로는 유해성을 가릴 수 없다. 용접흄 속에는 망간·크롬·니켈·아연처럼 독성이 제각각인 금속이 섞여 있어 어떤 금속이 얼마나 들어 있는지를 따로 정량해야 하기 때문이다. 유도결합플라스마는 여러 금속을 한 번에 분석할 수 있어 다원소 정량에 유리하다.

지면에 따라 원자흡광광도계를 원자흡광분광기로, 유도결합플라스마를 유도결합플라스마 원자발광분광법(ICP-AES)으로 적기도 하는데 가리키는 기기는 같다.

27 m³/min

[해설]

부스식 후드는 발생원을 세 면으로 감싸고 한 면만 열어 두는 부분포위식 후드다. 열린 개구면 전체를 제어속도로 빨아들이면 안쪽의 오염물질이 밖으로 빠져나오지 못한다. 그래서 필요풍량은 개구면적 × 제어속도 만으로 정해지고, 외부식 후드처럼 거리항이 붙지 않는다.

① 제어속도 — 하한 0.25 m/sec 보다 20 % 빠른 속도이므로

$V_c=0.25\times 1.2=0.3\ \mathrm{m/sec}$

“하한선보다 20 % 빠르게”는 하한값에 1.2를 곱하라는 뜻이다. 상한 0.5에서 20 %를 빼거나 0.25 ~ 0.5 구간의 20 % 지점을 잡는 것이 아니다. 구한 0.3 m/sec가 주어진 범위 안에 들어 있는지 확인하면 해석이 맞았는지 스스로 검산할 수 있다.

② 개구면적

$A=1.5\times 1=1.5\ \mathrm{m^2}$

③ 필요흡인량

$Q=60\times A\times V_c=60\times 1.5\times 0.3=\mathbf{27\ \mathrm{m^3/min}}$

여기서 60은 $\mathrm{m^3/sec}$ 를 $\mathrm{m^3/min}$ 으로 바꾸는 환산계수다. 이것을 빠뜨리면 0.45라는 엉뚱한 값이 나오므로, 답의 단위를 먼저 확인하는 습관이 필요하다.

후드는 발생원을 감쌀수록 필요풍량이 줄어든다. 같은 발생원이라도 완전포위식 < 부스식 < 외부식 순으로 풍량이 커지므로, 작업에 지장이 없는 범위에서 최대한 감싸는 것이 환기 설계의 기본이다. 악취처럼 독성은 크지 않아도 낮은 농도에서 문제가 되는 물질에는 제어속도를 크게 잡기보다 포위 정도를 높이는 쪽이 경제적이다.

① 확산

② 직접차단

③ 관성충돌

[해설]

여과집진장치는 체로 거르듯 입자를 걸러 내는 장치가 아니다. 여과재의 섬유 사이 틈은 대개 잡아야 할 입자보다 훨씬 크며, 실제로는 여러 기전이 함께 작동해 입자를 섬유 표면에 붙잡는다. 그리고 어느 기전이 주도하느냐는 입자의 크기가 결정한다.

① 확산 — 대체로 0.1 μm보다 작은 입자에서 주로 작동한다. 이만큼 작아지면 입자가 주위 공기 분자와 부딪혀 불규칙하게 흔들리는데(브라운 운동), 그 과정에서 기류를 벗어나 섬유에 닿아 붙는다. 입자가 작을수록 브라운 운동이 활발하므로 확산에 의한 포집효율은 작을수록 높아진다.

② 직접차단 — 0.1 ~ 0.5 μm 안팎의 중간 크기 입자에서 두드러진다. 입자가 기류를 그대로 따라가더라도 제 반지름만큼은 폭이 있으므로, 섬유를 스치듯 지나면 표면에 닿아 붙잡힌다. 입자 지름과 섬유 지름의 비가 클수록 효율이 높아진다.

③ 관성충돌 — 0.5 μm보다 큰 입자에서 주로 작동한다. 입자가 무거워 관성이 크므로, 기류가 섬유를 비켜 휘어질 때 그 방향을 따라가지 못하고 직진해 섬유에 부딪힌다. 입자가 크고 유속이 빠를수록 잘 일어나 포집효율은 클수록 높아진다.

여기서 이 그래프의 모양이 설명된다. 확산은 입자가 작을수록, 관성충돌은 클수록 효율이 오르니 두 곡선은 방향이 정반대다. 그래서 두 기전이 모두 힘을 쓰지 못하는 중간 크기에서 전체 포집효율이 가장 낮아지는 골이 생긴다. 그 지점의 입경을 최대투과입경이라 하며 대략 0.3 μm 부근이다. 헤파필터의 성능을 0.3 μm 입자에 대한 효율로 표시하는 것도 그 크기가 가장 잡기 어려운 크기이기 때문이다. “작은 입자일수록 잡기 어렵다”는 직관이 통하지 않는 대목이라 시험에 자주 나온다.

이 세 가지 외에 중력에 의한 침강, 대전된 섬유와 입자 사이의 정전기력, 섬유 사이 틈보다 큰 입자가 그대로 걸리는 체거름도 함께 작용한다. 또 여과재 표면에 먼지층이 쌓이면 그 층 자체가 촘촘한 여과재 노릇을 해 포집효율이 오르는데, 대신 압력손실이 커지므로 주기적으로 털어 내야 한다.

(1) EI = 1.6, 허용농도를 초과한다

(2) 53.28 ppm

[해설]

상가작용은 여러 물질의 영향이 단순히 더해지는 것으로, 표적 장기가 같거나 작용기전이 비슷한 물질끼리 나타난다. 벤젠·톨루엔·크실렌은 모두 방향족 탄화수소로 중추신경 억제 작용이 겹치므로 상가작용으로 다룬다. 이럴 때는 물질별로 따로 보지 않고 노출지수를 계산해 판정한다.

(1) 노출지수 — 각 물질의 농도를 그 물질의 노출기준으로 나눈 값을 모두 더한다.

$EI=\dfrac{C_1}{T_1}+\dfrac{C_2}{T_2}+\dfrac{C_3}{T_3}=\dfrac{0.25}{0.5}+\dfrac{25}{50}+\dfrac{60}{100}=0.5+0.5+0.6=\mathbf{1.6}$

노출지수가 1을 넘으면 노출기준을 초과한 것으로 본다. 여기서는 1.6이므로 허용농도를 초과한다.

눈여겨볼 점이 있다. 물질을 하나씩 떼어 놓고 보면 벤젠은 기준의 50 %, 톨루엔도 50 %, 크실렌은 60 %로 어느 것도 자기 기준을 넘지 않는다. 그런데 합치면 1.6이 되어 기준을 크게 넘는다. 개별 물질만 보아서는 위험을 놓친다는 것, 이것이 상가작용을 따지는 이유다.

(2) 혼합물의 허용농도 — 지금의 혼합 비율을 그대로 유지한 채 전체 농도를 얼마까지 낮춰야 노출지수가 1이 되는지를 구하는 것이다.

$\mathrm{TLV}_{mix}=\dfrac{C_1+C_2+C_3}{EI}=\dfrac{0.25+25+60}{1.6}=\dfrac{85.25}{1.6}=\mathbf{53.28\ \mathrm{ppm}}$

현재 이 작업장의 혼합물 농도는 85.25 ppm인데 허용되는 값은 53.28 ppm이므로, (1)의 판정이 여기서도 다시 확인된다.

이 값은 지금 이 비율로 섞였을 때의 허용농도라는 점에 주의한다. 세 물질의 구성비가 달라지면 값도 달라지므로 “벤젠·톨루엔·크실렌 혼합물의 허용농도는 53.28 ppm”처럼 고정된 상수로 외워서는 안 된다. 또 물질들이 상가작용을 하지 않고 각각 독립적으로 작용한다면 노출지수를 쓰지 않고 물질마다 따로 노출기준과 견주며, 그 경우 세 물질 모두 기준 이하로 판정된다. 같은 자료라도 어떤 작용을 전제하느냐에 따라 결론이 뒤집히는 셈이다.

① 유해물질의 독성이 비교적 낮은 경우

② 유해물질이 가스나 증기인 경우

③ 유해물질의 발생량이 적고 발생이 비교적 균일한 경우

④ 여러 개의 발생원이 작업장 전체에 흩어져 있는 경우

⑤ 발생원이 근로자의 작업 위치에서 멀리 떨어져 있는 경우

[해설]

전체환기는 발생원에서 오염물질을 곧바로 잡아내는 방식이 아니라, 신선한 공기를 들여보내 작업장 전체의 농도를 희석하는 방식이다. 근로자가 어느 정도 희석된 오염공기를 들이마시는 것을 전제로 하므로, 아무 때나 쓸 수 있는 것이 아니라 아래 조건이 갖춰졌을 때만 선택한다.

독성이 낮을 것 — 희석하고 남은 농도를 마셔도 건강장해가 없어야 한다. 발암성 물질처럼 역치를 잡기 어려운 물질에는 쓰지 않는다.

가스나 증기일 것 — 입자상 물질은 밀도가 크고 관성이 있어 공기와 고르게 섞이지 않고 가라앉는다. 희석이 되지 않으니 전체환기의 전제가 무너진다.

발생량이 적고 균일할 것 — 발생량이 많거나 시간에 따라 들쭉날쭉하면 희석에 필요한 공기량이 감당할 수 없이 커지고, 순간적으로 농도가 치솟는 것도 막지 못한다.

발생원이 분산돼 있을 것 — 오염원이 여기저기 흩어져 있으면 후드를 하나씩 붙이는 것이 비현실적이다. 반대로 발생원이 한 곳에 몰려 있으면 국소배기가 훨씬 효율적이다.

발생원이 근로자에게서 멀 것 — 발생원이 근로자 코앞에 있으면 희석되기 전의 고농도 공기를 그대로 마시게 되어 평균 농도를 낮춰 봐야 소용이 없다.

이 밖에 발생원이 옮겨 다녀 후드를 고정할 수 없는 경우, 공정이나 건물 구조상 국소배기장치를 설치할 수 없는 경우, 가연성 가스가 쌓여 폭발 위험이 있어 농도를 폭발하한계 아래로 낮춰야 하는 경우도 전체환기의 적용 대상으로 든다. 위 항목들 가운데 5가지를 쓰면 된다.

(1) 1.08 mmH₂O

(2) -18.10 mmH₂O

[해설]

확대관에서는 단면적이 넓어지면서 속도가 떨어지고, 그만큼 줄어든 속도압의 일부가 정압으로 되살아난다. 되살아나는 몫의 비율이 정압회복계수 R이고, 회복되지 못하고 사라지는 나머지가 압력손실이다. 그래서 두 물음은 사실상 하나의 값 — 확대 전후의 속도압 차이 — 을 R과 (1-R)로 나누어 쓰는 문제다.

① 확대 전후의 속도

$V_1=\dfrac{Q}{A_1}=\dfrac{0.3}{\frac{\pi}{4}\times 0.2^2}=\dfrac{0.3}{0.03142}=9.549\ \mathrm{m/sec}$

$V_2=\dfrac{Q}{A_2}=\dfrac{0.3}{\frac{\pi}{4}\times 0.3^2}=\dfrac{0.3}{0.07069}=4.244\ \mathrm{m/sec}$

② 각 지점의 속도압 — 공기의 비중량 $\gamma=1.2\ \mathrm{kgf/m^3}$, 중력가속도 $g=9.8\ \mathrm{m/sec^2}$ 를 쓴다.

$VP_1=\dfrac{\gamma V_1^{2}}{2g}=\dfrac{1.2\times 9.549^{2}}{2\times 9.8}=5.583\ \mathrm{mmH_2O}$

$VP_2=\dfrac{\gamma V_2^{2}}{2g}=\dfrac{1.2\times 4.244^{2}}{2\times 9.8}=1.103\ \mathrm{mmH_2O}$

속도압 차이는 $VP_1-VP_2=4.480\ \mathrm{mmH_2O}$ 다.

③ 압력손실 — 손실계수는 $\zeta=1-R=1-0.76=0.24$ 다.

$\Delta P=\zeta\,(VP_1-VP_2)=0.24\times 4.480=1.075\ \Rightarrow\ \mathbf{1.08\ \mathrm{mmH_2O}}$

④ 확대 후의 정압 — 회복된 몫 $R(VP_1-VP_2)$ 만큼 정압이 올라간다.

$SP_2=SP_1+R\,(VP_1-VP_2)=-21.5+0.76\times 4.480=-21.5+3.405=\mathbf{-18.10\ \mathrm{mmH_2O}}$

흡인 구간이라 정압은 음수이며, 확대관을 지나면서 -21.5에서 -18.10으로 절댓값이 작아진다. 즉 정압이 회복된 것이다. 줄어든 속도압 4.480 가운데 3.405는 정압으로 되돌아오고 1.075는 손실로 사라졌으니, 두 답을 더하면 속도압 차이가 그대로 나온다. 계산을 마치고 이 관계로 검산하면 부호나 계수를 잘못 쓴 실수를 잡을 수 있다.

주의할 곳이 둘 있다. 하나는 확대 후의 속도를 $V_2=Q/A_2$ 로 구해야 한다는 점이다. 일부 지면의 풀이가 확대 후 속도까지 $V_1=Q/A_1$ 으로 인쇄해 두었으나 기호를 잘못 적은 것이며, 값 자체는 직경 0.3 m로 계산돼 있다. 다른 하나는 속도압을 구할 때 $V=4.043\sqrt{VP}$ 라는 근사식을 거꾸로 쓰면 압력손실이 1.07로 나온다는 점이다. 이 4.043은 $\sqrt{2g/\gamma}=\sqrt{16.333}=4.041$ 을 어림한 값이라 미세한 차이가 생기며, 정의식으로 계산한 1.075를 반올림한 1.08 mmH₂O 가 맞다.

① 긴 소매의 옷과 긴 바지의 작업복을 착용하도록 할 것

② 감염병 발생 우려가 있는 장소에서는 음식물 섭취 등을 제한할 것

③ 작업 장소와 인접한 곳에 오염원과 격리된 식사 및 휴식 장소를 제공할 것

④ 작업 후 목욕을 하도록 지도할 것

[해설]

「산업안전보건기준에 관한 규칙」 제603조는 곤충 및 동물매개 감염병 고위험작업을 하도록 하는 경우의 예방조치로 다음 다섯 가지를 정하고 있다. 이 가운데 4가지를 쓰면 된다.

① 긴 소매의 옷과 긴 바지의 작업복을 착용하도록 할 것

② 곤충 및 동물매개 감염병 발생 우려가 있는 장소에서는 음식물 섭취 등을 제한할 것

③ 작업 장소와 인접한 곳에 오염원과 격리된 식사 및 휴식 장소를 제공할 것

④ 작업 후 목욕을 하도록 지도할 것

⑤ 곤충 또는 동물에 물렸는지를 확인하고 이상증상 발생 시 의사의 진료를 받도록 할 것

다섯 조치는 감염이 이루어지는 경로를 하나씩 끊는 순서로 짜여 있다. ①은 피부가 드러난 면적을 줄여 물리는 것 자체를 막는 물리적 차단이고, ②와 ③은 오염된 손이나 환경에서 입으로 들어가는 경로를 끊는 조치다. 특히 오염원과 격리된 식사·휴식 장소를 “인접한 곳”에 두게 한 것은, 멀리 있으면 결국 작업 현장에서 그냥 먹게 되기 때문이다. ④는 몸에 붙은 진드기나 병원체를 씻어 내는 사후 제거이고, ⑤는 이미 노출된 경우에 대비한 조기 발견과 조치다. 예방 → 차단 → 제거 → 확인의 흐름으로 잡으면 빠뜨리지 않는다.

곤충 및 동물매개 감염병에는 쯔쯔가무시증, 렙토스피라증, 신증후군출혈열 같은 것이 있고, 야외에서 이루어지는 작업이나 가축·야생동물을 다루는 작업이 고위험작업에 해당한다.

대상 먼지와 같은 침강속도를 가지면서 밀도가 1 g/cm³인 구형 입자의 직경

[해설]

실제 먼지는 모양이 제각각이고 밀도도 물질마다 다르다. 그대로는 크기를 하나의 수치로 견줄 수 없으므로, 거동이 같은 표준 입자로 바꿔 부르는 것이 가상직경이다.

공기역학적 직경은 그 가운데 침강속도를 기준으로 삼은 것이다. 어떤 먼지와 종말침강속도가 같으면서 밀도가 1 g/cm³(단위밀도)인 구형 입자의 직경을 그 먼지의 공기역학적 직경이라 한다. 모양과 밀도라는 두 변수를 한꺼번에 지우고 “공기 중에서 어떻게 움직이는가”만 남긴 값인 셈이다.

산업위생에서 입자 크기를 말할 때 이 직경을 쓰는 까닭은 분명하다. 들이마신 입자가 기도의 어디에 가서 붙느냐는 결국 관성과 침강이 결정하는데, 그 두 가지를 그대로 반영한 것이 공기역학적 직경이기 때문이다. 호흡성 분진의 기준 4 μm, 흉곽성 10 μm, 흡입성 100 μm 도 모두 공기역학적 직경으로 매긴 값이다.

비교해 두면 좋은 직경이 둘 더 있다. 기하학적 직경(물리적 직경)은 현미경으로 실제 모양을 재는 것으로 마틴직경, 페렛직경, 등면적직경 따위가 있다. 스토크스 직경은 대상 입자와 밀도가 같고 침강속도가 같은 구형 입자의 직경이다. 스토크스 직경은 밀도를 그대로 두고 모양만 구형으로 바꾸는 데 비해, 공기역학적 직경은 밀도까지 1 g/cm³로 바꾼다는 점이 다르다. 따라서 밀도가 1보다 큰 먼지는 공기역학적 직경이 기하학적 직경보다 크게 나온다.

(1) 불꽃연소법

① 고농도의 VOC 처리에 적합하다

② 고온에서 직접 산화시켜 제거효율이 높으나 질소산화물 등 2차 오염물질이 생성된다

(2) 촉매산화법

① 저농도의 VOC 처리에 적합하다

② 촉매를 써서 낮은 온도에서 산화시키므로 연료비가 적게 들고 질소산화물 생성이 거의 없다

[해설]

두 방법 모두 VOC를 태워 이산화탄소와 물로 바꾸는 연소법이며, 촉매를 쓰느냐 아니냐가 갈림길이다. 그리고 그 선택을 가르는 기준은 결국 배기 중 VOC의 농도다.

불꽃연소법(직접연소법·열소각법) — 배기가스를 화염 속으로 직접 통과시켜 산화시킨다. 장치가 단순하고 물질을 가리지 않으며 폐열을 회수할 수 있다. 다만 연소실을 높은 온도로 유지해야 하므로 VOC 농도가 낮으면 보조연료비가 크게 든다. 반대로 농도가 충분히 높으면 VOC 자체가 연료 노릇을 해 보조연료가 거의 필요 없다. 지면에 따라 “연료비가 많이 든다”고도 하고 “보조연료 사용이 적다”고도 하는데, 서로 어긋나는 말이 아니다. 앞은 촉매산화법과 견주었을 때의 이야기이고 뒤는 고농도 조건을 전제한 이야기다. 또 화염 온도가 높아 공기 중 질소가 산화되어 NOx가 생기고, 황이나 염소를 포함한 VOC라면 SOx나 염화수소도 함께 나온다.

촉매산화법(촉매연소법) — 백금·팔라듐 같은 귀금속 촉매층을 지나게 해 훨씬 낮은 온도에서 산화시킨다. 온도가 낮으니 연료비가 적게 들고 NOx도 거의 생기지 않으며 장치를 작게 만들 수 있다. 대신 촉매가 비싸고, 황·할로겐·중금속처럼 촉매독으로 작용하는 물질이 들어오면 활성이 떨어져 주기적으로 재생하거나 교체해야 한다. 먼지가 촉매 표면을 덮어도 성능이 나빠진다. 그래서 농도가 낮고 먼지가 적은 배기에 쓴다.

정리하면 고농도이면 불꽃연소법, 저농도이면 촉매산화법이고, 그 대가로 앞은 연료와 2차 오염물질을, 뒤는 촉매의 수명과 관리 부담을 안는다. 두 항목씩 쓰라고 하면 “적용 농도”와 “2차 오염물질·연료” 축에서 하나씩 고르는 것이 무난하다.

67.5 m³/min

[해설]

레시버식(수형) 후드는 발생원에서 스스로 만들어져 올라오는 기류를 받아 내는 후드다. 주물 용해로처럼 뜨거운 발생원 위에는 열에 의한 상승기류가 생기므로, 후드는 그 기류가 오는 자리에 놓여 받기만 하면 된다.

그런데 상승기류량만큼만 뽑으면 후드 가장자리에서 주변 공기가 섞여 들어오면서 오염물질이 옆으로 새어 나간다. 그래서 주변에서 함께 빨려 들어오는 공기까지 감당할 만큼 여유를 두어야 하며, 그 여유의 비율이 누입한계 유량비 K다.

$Q=Q_1\,(1+K)$

여기서 $Q_1$ 은 열상승 기류량(m³/min), $K$ 는 누입한계 유량비다.

$Q=15\times(1+3.5)=15\times 4.5=\mathbf{67.5\ \mathrm{m^3/min}}$

즉 상승기류의 4.5배를 뽑아야 한다는 뜻이다. 문제에서 여유율(안전계수)이 따로 주어졌다면 $Q=Q_1(1+m\cdot K)$ 처럼 K에 곱해 주지만, 여기서는 주어지지 않았으므로 그대로 $(1+K)$ 를 쓴다.

레시버식 후드는 발생원이 가진 기류의 에너지를 얻어 쓰는 것이므로 같은 조건의 외부식 후드보다 필요풍량이 적다는 것이 장점이다. 반대로 작업장에 횡단기류가 있으면 상승기류가 흐트러져 성능이 급격히 떨어지므로, 설치할 때 주변 기류를 함께 살펴야 한다.

① 사용법이 간단해 비전문가도 쉽게 측정할 수 있다

② 반응이 빨라 현장에서 곧바로 결과를 알 수 있다

③ 기기가 작고 가벼워 휴대와 운반이 편하다

[해설]

검지관은 유리관 안에 대상 가스와 반응해 색이 변하는 시약을 채워 넣은 것이다. 채취기로 일정량의 공기를 관에 통과시킨 뒤 변색된 길이나 색의 진하기를 눈금과 견주어 농도를 바로 읽는다. 시료를 실험실로 가져가 분석하는 방식과 달리 채취와 분석이 현장에서 한 번에 끝난다는 점이 이 방법의 성격을 결정한다.

장점

· 사용법이 간단해 특별한 훈련을 받지 않은 사람도 사용법만 익히면 측정할 수 있다.

· 반응이 빨라 몇 분 안에 결과가 나오므로 현장에서 곧바로 판단할 수 있다.

· 소형·경량이라 휴대와 운반이 쉽고 값도 싸다.

· 밀폐공간처럼 산소가 부족하거나 폭발 위험이 있어 다른 측정방법을 쓰기 어려운 곳에서 유용하다.

단점도 함께 묻는 경우가 많으므로 짝지어 정리해 둔다.

· 무엇을 재려는지 미리 알고 있어야 하며, 한 검지관으로 한 물질만 측정할 수 있다.

· 오차가 커서 정밀한 측정에는 쓸 수 없고, 노출기준을 다투는 정식 작업환경측정을 대신하지 못한다.

· 다른 가스가 같은 반응을 일으키는 교차반응(방해물질)이 있어 특이도가 낮다.

· 색 변화의 경계가 뚜렷하지 않으면 읽는 사람에 따라 값이 달라진다.

· 시약을 미리 채워 만든 제품이라 유효기간이 있고 보관 조건의 영향을 받는다.

정리하면 검지관법은 정밀한 정량을 위한 방법이 아니라, 현장에서 빠르게 대략의 농도를 파악하거나 위험 여부를 가려내는 선별(screening) 수단이다. 장점과 단점이 모두 그 성격에서 나온다. 지면에 따라 장점으로 드는 항목이 조금씩 다르나 위 목록에서 3가지를 고르면 된다.

141.12 m³/min

[해설]

캐노피형 후드는 발생원 위를 우산처럼 덮는 후드다. 발생원이 뜨거워 기류가 스스로 올라오는 경우라면 그 기류를 받는 레시버식으로 다루지만, 이 문제처럼 고열 배출원이 아니면 후드가 스스로 빨아들여야 하므로 외부식 후드로 보고 제어속도 개념으로 계산한다.

① 적용식 판정 — 개구면이 발생원에 충분히 가까운지를 $H/L$ 로 가른다.

$\dfrac{H}{L}=\dfrac{0.7}{2.5}=0.28\ \le\ 0.3$

조건을 만족하므로 다음 식(Dalla Valle 식)을 쓴다.

$Q=60\times 1.4\times P\times H\times V_c$

여기서 $P$ 는 후드 개구면의 둘레(m), $H$ 는 배출원에서 개구면까지의 높이(m), $V_c$ 는 제어속도(m/sec)다. $H/L$ 이 0.3을 넘으면 이 식이 성립하지 않으므로, 후드를 낮추거나 개구면을 넓혀 조건을 맞춘 뒤 적용해야 한다.

② 개구면의 둘레

$P=2\,(L+W)=2\times(2.5+1.5)=8\ \mathrm{m}$

③ 필요환기량

$Q=60\times 1.4\times 8\times 0.7\times 0.3=\mathbf{141.12\ \mathrm{m^3/min}}$

이 유형에서 가장 흔한 실수는 식에 개구면적 $L\times W=3.75\ \mathrm{m^2}$ 를 넣는 것이다. 들어가는 것은 면적이 아니라 둘레 $P$ 다. 캐노피 후드는 옆이 트여 있어 사방에서 공기가 밀려 들어오므로, 후드 개구면과 발생원 사이의 옆면(둘레 × 높이)을 지나는 공기를 제어속도로 붙잡는다고 보기 때문이다. $P\times H$ 가 바로 그 옆면의 넓이이고, 계수 1.4는 실제 기류가 고르지 않은 것을 감안한 여유값이다.

식의 구조를 보면 후드를 발생원에 가깝게 붙일수록(H가 작을수록) 필요풍량이 줄어든다는 것도 읽힌다. 캐노피 후드는 되도록 낮게 다는 것이 원칙이며, 작업에 방해가 되어 높이 달아야 한다면 옆면에 커튼을 쳐서 기류가 새는 것을 막는다.

여과지: MCE막 여과지(혼합섬유소 에스테르 막여과지)

분석기기: 원자흡광광도계(AAS)

[해설]

납은 공기 중에서 분진이나 흄 같은 입자상 물질로 존재한다. 따라서 흡착관이나 흡수액이 아니라 여과지로 걸러 채취한다.

여과지로 MCE막 여과지를 쓰는 이유는 재질에 있다. 혼합섬유소 에스테르(mixed cellulose ester) 재질이라 질산 등 강산에 잘 녹으므로, 채취한 여과지를 통째로 산에 녹여 곧바로 분석용액으로 만들 수 있다. 금속 분석에서 표준으로 쓰이는 여과지다.

다른 여과지와 견주어 두면 선택 기준이 분명해진다. PVC막 여과지는 산에 녹지 않고 흡습성이 적어 무게 변화가 작으므로 중량분석(호흡성 분진 등)에 쓰고, 은막 여과지는 결정형 유리규산의 X선 회절분석에, 유리섬유 여과지는 농약 같은 유기물 채취에 쓴다. “금속이면 MCE, 무게를 재면 PVC”로 갈래를 잡아 두면 된다.

분석은 원자흡광광도계(AAS)로 한다. 시료용액을 불꽃이나 흑연로에서 원자 상태로 만든 뒤, 그 원소만이 흡수하는 고유 파장의 빛을 쬐어 흡수되는 정도로 농도를 구한다. 유도결합플라스마(ICP)도 쓸 수 있으며, 여러 금속을 한 번에 정량할 수 있다는 점이 장점이다.

70.2 m³/min

[해설]

슬롯형 후드는 개구부의 폭(W)이 길이(L)에 비해 아주 좁은 후드로, 보통 $W/L\le 0.2$ 인 것을 말한다. 좁고 긴 틈으로 빨아들여 후드 앞쪽에 고르게 퍼진 흡인 기류를 만드는 것이 목적이다. 여기서는 $2.5/30=0.083$ 이므로 슬롯형 후드로 다룬다.

적용식 — 플랜지가 부착된 슬롯형 후드의 필요환기량은 다음과 같다.

$Q=60\times 2.6\times L\times V_c\times X$

여기서 $L$ 은 슬롯의 길이(m), $V_c$ 는 제어속도(m/sec), $X$ 는 후드에서 오염원까지의 거리(m)이고, 앞의 60은 $\mathrm{m^3/sec}$ 를 $\mathrm{m^3/min}$ 으로 바꾸는 환산계수다.

대입 — 길이 30 cm = 0.3 m, 거리 60 cm = 0.6 m로 단위를 맞춘다.

$Q=60\times 2.6\times 0.3\times 2.5\times 0.6=\mathbf{70.2\ \mathrm{m^3/min}}$

계수 2.6은 플랜지가 붙은 경우의 값이고, 플랜지가 없는 슬롯형 후드는 3.7을 쓴다. 플랜지가 후드 뒤쪽에서 돌아 들어오는 공기를 막아 주므로 같은 제어속도를 얻는 데 드는 풍량이 약 30 % 줄어드는 것이다.

쓰이지 않는 조건 — 슬롯의 높이 2.5 cm는 이 계산식 어디에도 들어가지 않는다. 앞에서 본 $W/L\le 0.2$ 라는 슬롯형 후드의 성립 조건을 확인하는 데 쓰일 뿐이다. 슬롯형 후드는 개구면적이 아니라 슬롯의 길이와 오염원까지의 거리로 풍량이 정해지기 때문이다. 조건이 주어졌다고 해서 개구면적 $0.3\times 0.025$ 를 억지로 식에 끼워 넣으면 답이 어긋난다. 문제에 남는 조건이 있을 수 있다는 것을 알아 두면 헤매지 않는다.

① 관리대상 유해물질의 명칭 및 물리적·화학적 특성

② 인체에 미치는 영향과 증상

③ 취급상의 주의사항

[해설]

「산업안전보건기준에 관한 규칙」 제449조(유해성 등의 주지)는 관리대상 유해물질을 취급하는 작업에 근로자를 종사하도록 하는 경우 배치 전에 알려야 할 사항으로 다음 여섯 가지를 정하고 있다. 이 가운데 3가지를 쓰면 된다.

① 관리대상 유해물질의 명칭 및 물리적·화학적 특성

② 인체에 미치는 영향과 증상

③ 취급상의 주의사항

④ 착용하여야 할 보호구와 착용방법

⑤ 위급상황 시의 대처방법과 응급조치 요령

⑥ 그 밖에 근로자의 건강장해 예방에 관한 사항

목록의 짜임을 보면 외우기 쉽다. 먼저 “무엇을 다루는가”(①), 그것이 “몸에 어떤 해를 끼치는가”(②), 그래서 “어떻게 다뤄야 하는가”(③④), 그럼에도 “사고가 나면 어떻게 하는가”(⑤)의 순서다. 물질 → 위험 → 예방 → 대응의 흐름이다.

알려야 하는 시점이 작업에 배치하기 전이라는 점도 함께 기억한다. 사고가 난 뒤나 작업이 한창인 도중이 아니라, 노출이 시작되기 전에 알려야 근로자가 스스로를 지킬 수 있기 때문이다. 교재에 따라 여섯 항목 가운데 서로 다른 세 개를 골라 싣기도 하나 근거가 되는 목록은 위와 같이 하나다.

83.33 m³/min

[해설]

고열 작업장의 환기량은 유해물질을 희석하는 문제가 아니라 열을 실어 내보내는 문제다. 들여온 찬 공기가 실내에서 데워져 나가면서 그만큼의 열을 가지고 나간다고 보면 된다.

공기가 가져갈 수 있는 열량은 “공기의 질량 × 비열 × 온도차”다. 표준상태 공기의 밀도 1.2 kg/m³와 정압비열 0.24 kcal/kg·℃를 곱하면 $1.2\times 0.24=0.288\fallingdotseq 0.3\ \mathrm{kcal/m^3\cdot ^\circ C}$ 가 된다. 공기 1 m³를 1 ℃ 올리는 데 약 0.3 kcal가 든다는 뜻이고, 여기서 익숙한 식이 나온다.

$Q=\dfrac{H_s}{0.3\times\Delta t}\ \ [\mathrm{m^3/hr}]$

여기서 $H_s$ 는 시간당 열부하량(kcal/hr), $\Delta t$ 는 실내외 온도차(℃)다.

$Q=\dfrac{15{,}000}{0.3\times(30-20)}=\dfrac{15{,}000}{3}=5{,}000\ \mathrm{m^3/hr}$

답을 분 단위로 요구했으므로 60으로 나눈다.

$Q=\dfrac{5{,}000}{60}=\mathbf{83.33\ \mathrm{m^3/min}}$

$\Delta t$ 는 절대온도로 바꿀 필요가 없다. 온도의 “차”이므로 섭씨로 빼든 켈빈으로 빼든 값이 같다. 실수는 대개 시간 단위에서 나오므로, 열부하량을 먼저 $\mathrm{kcal/min}$ 으로 바꿔 넣든 마지막에 60으로 나누든 한 가지 방식을 정해 두는 것이 좋다. 온도차가 작을수록 필요환기량이 급격히 커진다는 점도 함께 보아 둔다. 한여름처럼 외기가 더워 $\Delta t$ 가 거의 없으면 전체환기만으로는 열을 빼낼 수 없어 냉방이나 국소적인 대책이 필요해진다.

(1) $Q=60\times 0.75\times V_c\times(10X^{2}+A)$

(2) $Q=60\times A\times V_c$

[해설]

기호는 다음과 같다. $Q$ 는 필요환기량(m³/min), $V_c$ 는 제어속도(m/sec), $X$ 는 후드 중심에서 오염원까지의 거리(m), $A$ 는 후드의 개구면적(m²)이다. 두 식 앞에 붙은 60은 $\mathrm{m^3/sec}$ 를 $\mathrm{m^3/min}$ 으로 바꾸는 환산계수로, 답을 분당 값으로 요구했으므로 반드시 들어가야 한다. 일부 교재는 이 60을 뺀 채 식을 싣는데 그때의 $Q$ 는 초당 값이다.

(1) 플랜지 부착 외부식 후드

플랜지가 없는 자유공간의 외부식 후드는 $Q=60\times V_c\times(10X^{2}+A)$ 다. 여기서 $(10X^{2}+A)$ 는 오염원 위치에 만들어지는 가상의 흡인면적으로, 후드에서 거리 $X$ 만큼 떨어진 곳까지 제어속도를 만들어 내려면 그만한 면적을 지나는 공기를 빨아들여야 한다는 뜻이다. 거리가 $X^{2}$ 로 들어가므로 후드를 두 배 멀리 두면 필요풍량이 대략 네 배가 된다. “후드는 발생원에 최대한 가깝게”라는 원칙이 바로 이 식에서 나온다.

여기에 플랜지를 달면 후드 뒤쪽에서 돌아 들어오던 쓸모없는 기류가 막힌다. 같은 제어속도를 만드는 데 필요한 풍량이 약 25 % 줄어들며, 그 몫이 계수 0.75 다. 플랜지는 값싸게 붙일 수 있으면서 효과가 확실한 개선책이라 실무에서도 널리 쓴다.

(2) 하방흡인형 후드

하방흡인형은 발생원 아래쪽에서 빨아들이는 후드다. 오염원이 개구면 바로 위에 있으면 개구면을 지나는 공기의 속도가 그대로 오염원 위치의 제어속도가 되므로, 거리항이 필요 없고 개구면적과 제어속도의 곱만으로 풍량이 정해진다. 같은 이유로 이 식은 부스식이나 포위식 후드에도 그대로 쓰인다.

발문에 “오염원이 개구면과 가까운 경우”라는 단서가 붙은 까닭도 여기에 있다. 오염원이 개구면에서 떨어져 있으면 거리에 따라 속도가 급격히 줄어 이 식이 성립하지 않고, (1)과 같은 외부식 후드 식을 써야 한다.