2020년 산업위생관리기사실기(필답형) 1회차 기출문제 해설 페이지

(1) 장점

① 산에 쉽게 녹아 금속 분석용 시료 전처리가 쉽다

② 입자가 여과지 표면에 주로 붙잡혀 석면 등 현미경 계수분석에 적합하다

③ 값이 싸고 여러 공극·크기로 만들어져 구하기 쉽다

(2) 단점

① 흡습성이 커서 중량분석에는 부적합하다

② 습도와 온도 변화에 따라 무게와 채취효율이 달라진다

③ 유량에 대한 저항이 일정하지 않다

[해설]

MCE(mixed cellulose ester) 여과지는 셀룰로오스를 질산·초산 에스테르로 만들어 굳힌 막 여과지로, 작업환경측정에서 가장 널리 쓰이는 여과지 가운데 하나다. 쓰임새가 정해지는 결정적인 성질은 산에 잘 녹는다는 것과 물을 잘 빨아들인다는 것 두 가지다.

산에 녹는 성질은 장점 쪽으로 작용한다. 채취한 여과지를 질산 등으로 그대로 녹여 용액으로 만든 뒤 원자흡광광도계나 유도결합플라스마(ICP)로 분석할 수 있어, 납·카드뮴·망간 같은 금속 분석에 표준적으로 쓰인다. 또 막 여과지라 입자가 내부로 파고들지 않고 표면에 남으므로 여과지를 투명하게 처리해 현미경으로 세는 석면 계수분석에도 적합하다.

물을 빨아들이는 성질은 단점 쪽으로 작용한다. 여과지가 흡수한 수분의 무게가 채취된 분진의 무게로 계산되어 버리므로 중량분석에는 쓸 수 없다. 같은 이유로 보관 중의 습도와 온도에 따라 무게가 흔들리고, 시료채취 조건에 따라 유량 저항이 달라져 재현성이 떨어진다.

그래서 중량분석(총분진·호흡성분진)에는 흡습성이 거의 없는 PVC 여과지를 쓰고, 금속과 석면에는 MCE를 쓴다고 짝지어 외워 두면 좋다.

(1) 1.25

(2) 노출기준을 초과한다

(3) 28 ppm

[해설]

여러 물질이 같은 표적장기에 작용하는 경우에는 각 물질을 따로 볼 것이 아니라 상가작용(additive effect)으로 평가한다. 이때 쓰는 값이 노출지수다.

$\mathrm{EI} = \dfrac{C_1}{T_1} + \dfrac{C_2}{T_2} + \dfrac{C_3}{T_3}$

$\mathrm{EI} = \dfrac{5}{10} + \dfrac{25}{50} + \dfrac{5}{20} = 0.5 + 0.5 + 0.25 =$$1.25$

노출지수가 1을 넘으면 개별 물질이 모두 각자의 노출기준 아래에 있더라도 노출기준을 초과한 것으로 판정한다. 실제로 이 문제의 세 물질은 하나하나 보면 사염화탄소 5 ppm(기준 10), 1,2-디클로로에탄 25 ppm(기준 50), 1,2-디브로모에탄 5 ppm(기준 20)으로 전부 기준 미만이지만, 합쳐 놓으면 1.25가 되어 초과다. 상가작용을 따지는 이유가 여기에 있다.

상가작용이 있을 때 혼합물 전체에 적용할 허용농도는 성분 농도의 합을 노출지수로 나눈 값이다.

$\mathrm{TLV_{mix}} = \dfrac{C_1 + C_2 + C_3}{\mathrm{EI}} = \dfrac{5 + 25 + 5}{1.25} = \dfrac{35}{1.25} =$$28\ \mathrm{ppm}$

현재 혼합물의 총 농도가 35 ppm인데 허용농도는 28 ppm이므로, 이 관점으로 보아도 초과라는 판정이 그대로 확인된다.

제시된 25 ℃, 1기압 조건은 이 계산에 쓰이지 않는다. 농도와 노출기준이 모두 ppm이라 서로 나누는 과정에서 단위가 상쇄되기 때문이다. mg/m³로 주어졌다면 몰부피 24.45 L를 써서 환산해야 한다.

① 직접차단(간섭)

② 관성충돌

③ 확산

④ 중력침강

⑤ 정전기침강

⑥ 체질(체거름)

[해설]

여과지는 흔히 생각하듯 체처럼 구멍보다 큰 입자만 걸러 내는 것이 아니다. 실제로는 공극보다 훨씬 작은 입자도 잡히는데, 여러 기전이 함께 작용하기 때문이다. 그래서 여과지의 공극 크기보다 작은 입자의 포집효율이 100 %에 가깝게 나오기도 한다.

직접차단(간섭) — 기류를 그대로 따라가던 입자가 섬유 표면을 스치면서 붙잡히는 것으로, 입자의 반지름이 섬유와의 거리보다 클 때 일어난다.

관성충돌 — 기류가 섬유를 피해 휘어질 때 질량이 큰 입자는 관성 때문에 방향을 바꾸지 못하고 섬유에 부딪혀 붙는다. 입자가 크고 무거울수록, 유속이 빠를수록 커진다.

확산 — 아주 작은 입자는 공기 분자와 부딪혀 불규칙하게 움직이다가(브라운 운동) 섬유에 닿아 붙는다. 입자가 작을수록, 유속이 느릴수록 커진다.

중력침강 — 무거운 입자가 중력으로 가라앉아 섬유에 얹히는 것으로, 기류속도가 느릴 때 기여한다.

정전기침강 — 대전된 입자와 섬유 사이의 정전기력으로 붙잡히는 것이다.

체질(체거름) — 여과지의 공극보다 큰 입자가 그대로 걸리는, 가장 단순한 기전이다.

기전마다 유리한 입경이 다르다는 점이 중요하다. 큰 입자는 관성충돌과 차단으로, 작은 입자는 확산으로 잘 잡히는 반면, 그 사이인 0.3 μm 부근에서는 어느 기전도 잘 듣지 않아 포집효율이 가장 낮아진다. 방진마스크와 여과지의 성능을 이 크기에서 시험하는 것도 그래서다.

20.36 m/sec

[해설]

속도압과 유속의 관계는 $VP = \dfrac{\rho V^2}{2g}$이므로, 이를 유속에 대해 풀고 피토관계수를 곱한다.

$V = C_p \sqrt{\dfrac{2 g \cdot VP}{\rho}}$

① 덕트 안 공기의 밀도 — 주어진 1.3 kg/m³는 0 ℃ 기준값이다. 덕트 안은 270 ℃로 뜨거워 공기가 팽창해 있으므로 반드시 온도 보정을 해야 한다. 압력이 일정할 때 밀도는 절대온도에 반비례한다.

$\rho = 1.3 \times \dfrac{273}{273 + 270} = 1.3 \times \dfrac{273}{543} = 0.6536\ \mathrm{kg/m^3}$

고온 공기의 밀도가 상온의 절반 정도로 낮아졌다. 이 보정을 빠뜨리면 유속이 크게 과소평가된다.

② 유속

$V = 0.96 \times \sqrt{\dfrac{2 \times 9.8 \times 15}{0.6536}} = 0.96 \times \sqrt{449.8} = 0.96 \times 21.21 =$$20.36\ \mathrm{m/sec}$

중간에 밀도를 0.653으로 반올림해 계산하면 20.37 m/sec가 나온다. 유효숫자를 어디서 끊느냐의 차이일 뿐 같은 답이다.

피토관계수는 피토관 자체의 형상에 따른 오차를 보정하는 계수로, 표준형 피토관은 1에 가깝다. 계수가 주어지면 마지막에 곱하고, 주어지지 않으면 1로 본다.

(1) 프로펠러형 — 케이싱 없이 축차만 있는 가장 단순한 형태로, 저항이 거의 없는 곳에서 대량의 공기를 보낼 때 쓴다

(2) 튜브형 — 축차를 원통형 케이싱 안에 넣은 것으로, 프로펠러형보다 높은 저항에서도 쓸 수 있고 덕트에 연결할 수 있다

(3) 고정날개형 — 튜브형에 안내날개를 붙인 것으로, 축류형 가운데 효율과 발생 압력이 가장 높다

[해설]

축류형 송풍기는 공기가 회전축과 같은 방향으로 흘러 나가는 송풍기다. 원심형과 달리 방향을 90° 꺾지 않으므로 구조가 단순하고 같은 크기에서 풍량이 크지만, 발생시킬 수 있는 압력은 낮다. 세 종류는 사실상 같은 축차에 케이싱과 안내날개를 차례로 더해 간 것으로 이해하면 계통이 잡힌다.

프로펠러형은 축차만 있고 케이싱이 없다. 구조가 가장 간단하고 값이 싸며 대풍량을 낼 수 있으나 정압이 매우 낮아, 덕트를 연결하지 않고 벽이나 지붕에 직접 달아 실내외 공기를 교환하는 전체환기용으로 쓴다. 효율은 낮고 소음이 큰 편이다.

튜브형은 축차를 원통형 케이싱 안에 넣은 것이다. 케이싱이 기류를 잡아 주므로 프로펠러형보다 높은 압력을 낼 수 있고 덕트에 연결해 쓸 수 있다. 다만 축차를 빠져나온 공기가 회전하며 흐르기 때문에 그만큼 에너지를 잃는다.

고정날개형(베인형)은 튜브형의 케이싱 안에 고정된 안내날개를 덧붙인 것이다. 이 날개가 회전하며 나오던 기류를 축 방향의 곧은 흐름으로 펴 주어 손실을 줄이므로, 축류형 가운데 효율이 가장 높고 발생 압력도 가장 크다. 국소배기장치처럼 어느 정도의 압력이 필요한 곳에도 쓸 수 있다.

(1) 장점

① 부피가 작아 휴대가 간편하다

② 안전모·보안경 등 다른 보호구와 함께 쓰기 쉽고 고온·다습한 작업에서도 착용할 수 있다

(2) 단점

① 외이도에 질환이 있으면 착용할 수 없고 오염된 손으로 만지면 감염 우려가 있다

② 귀덮개보다 차음효과가 낮고 착용 상태에 따라 개인차가 크다

[해설]

청력보호구는 귀마개와 귀덮개로 나뉘며, 서로 장단점이 반대여서 작업 조건에 맞춰 고른다.

귀마개의 장점은 대체로 “작고 간편하다”는 데서 나온다. 부피가 작아 휴대와 보관이 쉽고, 안전모·보안경·용접면 같은 다른 보호구와 간섭이 없다. 귀 전체를 덮지 않으므로 고온이나 다습한 작업장에서도 덥지 않게 착용할 수 있고, 값도 싸며 좁은 공간에서 일할 때 걸리적거리지 않는다.

귀마개의 단점은 “귀 안에 넣는다”는 데서 나온다. 외이도염 등 귀에 질환이 있으면 사용할 수 없고, 더러운 손으로 만져 넣으면 외이도 감염을 일으킬 수 있다. 차음효과가 귀덮개보다 낮고, 제대로 밀어 넣지 않으면 성능이 크게 떨어져 착용요령을 익혀야 하며 개인차가 크다. 귀 크기에 맞는 규격을 골라야 하고, 밖에서 보아 제대로 착용했는지 확인하기 어렵다는 점도 관리상의 단점이다.

반대로 귀덮개는 차음효과가 크고 착용 여부를 눈으로 확인하기 쉬우며 귀에 질환이 있어도 쓸 수 있지만, 부피가 크고 덥다. 소음이 아주 심한 작업에서는 귀마개와 귀덮개를 함께 착용하기도 한다.

30.27 mmH₂O

[해설]

후드 정압은 공기를 가속시키는 데 쓰인 속도압과 후드로 들어오면서 잃은 유입손실을 합한 값이다.

$SP_h = VP + F \cdot VP = VP\,(1 + F)$

① 덕트 내 속도

$A = \dfrac{\pi}{4} D^2 = \dfrac{\pi}{4} \times 0.088^2 = 0.006082\ \mathrm{m^2}$

$V = \dfrac{Q}{A} = \dfrac{0.12}{0.006082} = 19.73\ \mathrm{m/sec}$

② 속도압

$VP = \dfrac{\rho V^2}{2g} = \dfrac{1.2 \times 19.73^2}{2 \times 9.8} = 23.83\ \mathrm{mmH_2O}$

③ 후드 정압

$SP_h = 23.83 \times (1 + 0.27) =$$30.27\ \mathrm{mmH_2O}$

후드 안은 대기압보다 낮은 부압이므로 부호까지 붙이면 −30.27 mmH₂O이지만, 크기를 묻는 문제이므로 30.27로 답하면 된다.

유입손실계수 $F$ 대신 유입계수 $C_e$가 주어지는 문제도 자주 나온다. 두 값은 $F = \dfrac{1}{C_e^2} - 1$, $C_e = \sqrt{\dfrac{1}{1+F}}$의 관계이므로 서로 바꾸어 쓸 수 있다. 이 문제의 $F = 0.27$은 $C_e = 0.887$에 해당하며, 유입손실이 작은 잘 만들어진 후드에 해당한다.

① 오염물질 사용량을 조사하여 필요환기량을 정확히 산정한다

② 배출된 공기를 대신할 청정한 보충용 공기를 공급한다

③ 배기구는 오염원에 가능한 한 가깝게 설치한다

④ 배기구와 작업자 사이에 오염원이 놓이도록 배치해 오염공기가 작업자를 거쳐 나가지 않게 한다

[해설]

전체환기는 오염물질을 발생원에서 바로 잡는 국소배기와 달리 깨끗한 공기로 희석해 농도를 낮추는 방법이다. 희석이 제대로 되지 않으면 환기량을 아무리 늘려도 효과가 없으므로, 설치 단계에서 다음 원칙을 지켜야 한다.

필요환기량의 정확한 산정 — 오염물질의 시간당 사용량과 허용농도, 안전계수를 근거로 환기량을 계산한다. 감으로 송풍기 용량을 정하면 과소·과대 설계가 된다.

보충용 공기의 공급 — 빼낸 만큼 넣어 주지 않으면 실내가 부압이 되어 배기 성능이 떨어지고, 문틈이나 굴뚝을 통해 원치 않는 공기가 역류한다. 겨울에는 보충공기를 가열해 넣어야 한다.

배기구를 오염원 가까이 — 오염물질이 작업장으로 퍼지기 전에 빼내는 편이 항상 유리하다.

오염원을 배기구와 작업자 사이에 — 배치가 반대이면 오염공기가 작업자의 호흡영역을 지나 배기구로 향한다. 환기시설이 오히려 노출을 만드는 셈이 된다.

이 밖에 배출된 공기가 다시 실내로 들어오지 않도록 배기구의 높이와 위치를 정할 것, 급기구에서 들어온 공기가 오염장소를 지나 배기구로 흐르도록 기류를 설계할 것, 오염물질이 충분히 희석되기 전에 작업자의 호흡영역에 닿지 않게 할 것도 함께 드는 원칙이다. 참고로 전체환기는 오염물질의 독성이 낮고 발생량이 적으며 발생원이 넓게 흩어져 있을 때 적용하는 방법이고, 독성이 크면 국소배기를 먼저 검토해야 한다.

(1) 360 m³/min

(2) 64.8 mmH₂O

(3) 13.82 kW

[해설]

같은 송풍기에서 회전수만 바꾸었을 때 성능이 어떻게 변하는지는 송풍기 상사법칙으로 정해진다. 송풍량은 회전수에 비례하고, 압력은 회전수의 제곱에, 동력은 회전수의 세제곱에 비례한다.

$\dfrac{Q_2}{Q_1} = \dfrac{N_2}{N_1}, \qquad \dfrac{P_2}{P_1} = \left(\dfrac{N_2}{N_1}\right)^{2}, \qquad \dfrac{W_2}{W_1} = \left(\dfrac{N_2}{N_1}\right)^{3}$

회전수비는 $\dfrac{600}{500} = 1.2$이다.

(1) 송풍량

$Q_2 = 300 \times 1.2 =$$360\ \mathrm{m^3/min}$

(2) 정압

$P_2 = 45 \times 1.2^{2} = 45 \times 1.44 =$$64.8\ \mathrm{mmH_2O}$

(3) 동력

$W_2 = 8 \times 1.2^{3} = 8 \times 1.728 = 13.824 \approx$$13.82\ \mathrm{kW}$

회전수를 20 % 올렸을 뿐인데 동력은 72.8 %나 늘었다. 상사법칙에서 동력만 세제곱으로 커지기 때문이며, 풍량이 모자란다고 회전수부터 올리면 전력비가 급격히 뛰고 전동기 용량도 부족해질 수 있다. 상사법칙은 임펠러 직경이 바뀔 때도 같은 형태로 적용되며, 이때는 직경비의 1승·2승·5승에 각각 비례한다.

① 유해물질의 발생형태

② 유해물질의 비중

③ 유해물질의 입자 크기(입경)

④ 유해물질의 수분 함량

[해설]

반송속도는 덕트 안에서 오염물질이 가라앉지 않고 실려 나가도록 유지해야 하는 최소 속도다. 이보다 느리면 입자가 덕트 바닥에 쌓여 단면적이 줄고, 그러면 압력손실이 커지면서 성능이 더 나빠지는 악순환이 생긴다. 반대로 지나치게 빠르면 압력손실과 동력비가 커지고 덕트가 빨리 마모된다. 그래서 반송속도는 “가라앉지 않을 만큼만” 정하는 것이 원칙이다.

얼마나 빨라야 가라앉지 않는지는 결국 운반해야 할 물질이 얼마나 무겁고 잘 달라붙는가로 정해진다.

발생형태 — 가스·증기·흄처럼 사실상 공기와 함께 떠다니는 것은 낮은 속도로 충분하지만, 연삭분진·주물사처럼 무거운 입자는 높은 속도가 필요하다. 산업환기의 반송속도 표도 물질의 발생형태와 종류별로 정리돼 있다.

비중과 입자 크기 — 침강속도를 좌우하는 두 인자다. 무겁고 클수록 빨리 가라앉으므로 더 높은 반송속도가 필요하다.

수분 함량 — 젖은 분진은 서로 뭉치고 덕트 벽에 들러붙어 퇴적되기 쉬우므로 마른 분진보다 높은 반송속도로 잡는다.

덕트의 마찰손실이나 분지관 합류, 관의 확대·축소는 압력손실 계산에 관계되는 요소이지 반송속도 자체를 정하는 인자가 아니라는 점을 구분해 두자.

① 대상 입자의 포집효율이 높을 것

② 압력손실(흡인저항)이 낮을 것

③ 흡습성이 낮을 것

④ 기계적 강도와 내구성이 좋을 것

⑤ 분석을 방해하는 불순물을 함유하지 않을 것

[해설]

여과지에 요구되는 조건은 “입자를 잘 잡을 것”과 “뒤이은 무게·성분 측정을 방해하지 말 것”의 두 축으로 정리된다.

포집효율이 높을 것 — 걸러 내지 못하고 통과한 입자만큼 농도가 낮게 나온다. 특히 미세입자에 대한 효율이 중요하다.

압력손실이 낮을 것 — 저항이 크면 개인시료채취용 펌프가 설정 유량을 유지하지 못해 채취공기량 자체가 어긋난다. 배터리 소모도 커진다.

흡습성이 낮을 것 — 여과지가 습기를 빨아들이면 그 무게가 채취된 입자의 무게로 잘못 계산된다. 중량분석에서 특히 치명적이다.

기계적 강도와 내구성이 좋을 것 — 여과지를 카세트에 끼우고 운반하고 칭량하는 동안 찢어지거나 부스러지면 시료를 잃는다.

불순물이 없을 것 — 여과지 자체에 분석 대상 금속 등이 들어 있으면 바탕값이 높아져 정량값이 부풀려진다.

이 밖에 가볍고 한 장당 무게의 편차가 작을 것, 값이 싸고 구하기 쉬울 것도 같은 취지로 드는 조건이므로 위 항목들 가운데 5가지를 쓰면 된다.

5,459.71 m³/hr

[해설]

전체환기의 필요환기량은 발생하는 증기의 부피를 허용농도까지 희석하는 데 드는 공기량에 안전계수를 곱해 구한다.

$Q = \dfrac{G}{\mathrm{TLV}} \times K$

① 시간당 사용량(질량) — 부피로 주어진 사용량을 비중으로 질량으로 바꾼다.

$2\ \mathrm{L/hr} \times 0.805\ \mathrm{g/mL} \times 1{,}000\ \mathrm{mL/L} = 1{,}610\ \mathrm{g/hr}$

② 발생하는 증기의 부피 — 25 ℃, 1기압에서 기체 1몰의 부피는 $22.4 \times \dfrac{273 + 25}{273} = 24.45\ \mathrm{L}$이다.

$G = \dfrac{1{,}610}{72.1} \times 24.45 = 22.33 \times 24.45 = 545.97\ \mathrm{L/hr}$

③ 필요환기량 — ppm은 $\mathrm{mL/m^3}$와 같으므로 증기 부피를 mL 단위로 맞추어 나눈다.

$Q = \dfrac{545{,}970\ \mathrm{mL/hr}}{200\ \mathrm{mL/m^3}} \times 2 =$$5{,}459.71\ \mathrm{m^3/hr}$

몰부피를 24.4512 L까지 쓰면 5,460.00 m³/hr가 되는데, 반올림 위치의 차이일 뿐이다.

안전계수 K는 유해물질의 독성, 작업장 내 혼합 정도, 근로자 위치 등을 반영해 1~10 사이에서 정한다. 독성이 크거나 혼합이 잘 되지 않는 작업장일수록 큰 값을 쓴다. 여기서 K를 곱하지 않으면 2,729.85 m³/hr가 되는데, 이는 발생한 증기가 작업장 전체에 완전히 고르게 섞인다는 비현실적인 가정에서만 성립하는 값이다.

① 직접적정법

② 간접적정법

③ 치환적정법

④ 역적정법

[해설]

킬레이트 적정법은 EDTA 같은 킬레이트 시약이 금속이온과 일정한 비율로 안정한 착물을 만드는 성질을 이용해 금속의 양을 정량하는 방법이다. 반응이 대체로 1 : 1로 일어나 계산이 간단하다는 것이 장점이다. 적정을 어떤 방식으로 진행하느냐에 따라 다음 네 가지로 나뉜다.

직접적정법 — 시료 용액에 킬레이트 시약을 직접 떨어뜨려 종말점까지 적정하는 가장 기본적인 방식이다. 반응이 빠르고 적당한 지시약이 있을 때 쓴다.

간접적정법 — 분석 대상과 직접 반응시키기 어려울 때, 대상과 정량적으로 반응하는 다른 금속이온을 매개로 삼아 그 양을 적정해 대상의 양을 역산하는 방식이다.

치환적정법 — 대상 금속보다 약한 착물을 만드는 금속의 킬레이트 착물을 미리 넣어 두면, 대상 금속이 그 자리를 밀어내고 들어가면서 밀려난 금속이온이 나온다. 이 밀려난 양을 적정한다. 알맞은 지시약이 없거나 반응이 느릴 때 쓴다.

역적정법 — 킬레이트 시약을 필요한 양보다 많이 넣어 반응을 끝낸 뒤, 남은 시약을 다른 표준용액으로 적정해 소비된 양을 계산하는 방식이다. 반응이 느리거나 침전이 생기는 경우에 쓴다.

① 후드 뒤쪽에서 들어오는 불필요한 공기를 차단한다

② 같은 제어풍속을 얻는 데 필요한 송풍량을 약 25 % 줄일 수 있다

③ 송풍량이 줄어 송풍기 동력과 운전비가 절감된다

[해설]

플랜지는 후드 개구부 둘레에 붙이는 판이다. 플랜지가 없는 외부식 후드는 개구면 앞쪽뿐 아니라 뒤쪽과 옆쪽에서도 공기를 빨아들인다. 그런데 후드 뒤에서 들어오는 공기는 오염물질이 있는 쪽을 거치지 않으므로 포집에 아무 도움이 되지 않으면서 송풍량만 잡아먹는다.

플랜지를 붙이면 이 뒤쪽 흡입이 막혀 흡인기류가 발생원 쪽으로 집중된다. 그 결과 같은 제어풍속을 만드는 데 필요한 송풍량이 약 25 % 줄어들고, 송풍량이 줄면 송풍기 동력과 전력비도 함께 줄어든다. 후드 앞쪽 기류가 안정되어 유효 포집범위가 넓어지고 외부 난기류의 방해를 덜 받는다는 것도 같은 원리에서 나오는 효과다.

플랜지의 폭은 보통 후드 개구면적의 제곱근 정도로 잡으며, 그보다 크게 만들어도 효과가 더 늘지는 않는다. 후드를 작업대나 벽면에 붙여 설치하는 것도 뒤쪽 흡입을 막는다는 점에서 플랜지와 같은 효과를 낸다.

파과현상

[해설]

파과(breakthrough)는 흡착제의 흡착 용량이 한계에 이르러 더 이상 유해물질을 붙잡지 못하고 그대로 통과시키는 현상이다. 활성탄관은 보통 앞층과 뒷층으로 나뉘어 있는데, 공기는 앞층을 먼저 지나므로 앞층부터 채워진다. 앞층이 포화되면 잡히지 못한 물질이 뒷층으로 넘어가고, 뒷층까지 포화되면 흡착관 밖으로 빠져나간다.

파과가 일어나면 실제 공기 중 농도보다 낮게 측정되어 노출을 과소평가하게 된다. 그래서 분석 시 뒷층에서 검출된 양이 앞층의 10 % 이상이면 파과가 일어난 것으로 보고 그 시료는 폐기한다.

파과는 채취시간이 길거나 채취유량이 클 때, 공기 중 농도가 높을 때, 습도가 높을 때(수분이 흡착 자리를 차지한다), 온도가 높을 때(흡착이 발열반응이므로 불리하다), 흡착제의 양이 적거나 입자가 클 때 잘 일어난다. 따라서 예방하려면 채취유량과 채취시간을 줄이거나 용량이 큰 흡착관을 쓴다.

10 m/sec

[해설]

레이놀즈수는 유체에 작용하는 관성력과 점성력의 비로, 흐름이 층류인지 난류인지를 가르는 무차원수다.

$Re = \dfrac{\rho V D}{\mu} = \dfrac{V D}{\nu}$

여기서 $\nu = \dfrac{\mu}{\rho}$가 동점성계수다. 이 문제는 밀도와 점성계수를 따로 주지 않고 동점성계수를 바로 주었으므로 오른쪽 식을 쓰면 된다.

직경은 30 cm = 0.3 m이므로

$V = \dfrac{Re \cdot \nu}{D} = \dfrac{2 \times 10^{5} \times 1.5 \times 10^{-5}}{0.3} = \dfrac{3}{0.3} =$$10\ \mathrm{m/sec}$

레이놀즈수가 $2 \times 10^{5}$이면 4,000을 훨씬 넘으므로 난류다. 국소배기 덕트 안의 흐름은 거의 항상 난류 영역에 있다.

동점성계수 대신 점성계수 $\mu$와 밀도 $\rho$(또는 비중량)가 주어지면 $V = \dfrac{Re \cdot \mu}{\rho D}$로 풀면 된다. 어느 값이 주어졌는지에 따라 식을 골라 쓰는 것이 이 유형의 요령이다.

① 마틴직경

② 페렛직경

③ 등면적직경(헤이우드직경)

[해설]

입자의 크기를 재는 방법은 크게 두 갈래다. 하나는 현미경으로 입자의 모양을 직접 보고 재는 물리적(기하학적) 직경이고, 다른 하나는 입자의 침강속도로 정의하는 공기역학적 직경이다.

마틴직경은 입자의 투영면적을 이등분하는 선의 길이다. 일정한 방향으로 그은 선을 쓰며, 측정이 쉬운 대신 방향에 따라 값이 달라져 여러 입자를 평균해야 한다.

페렛직경은 입자의 한쪽 끝에서 반대쪽 끝까지의 거리, 즉 투영상의 최대 길이다. 실제 크기보다 크게 측정되는 경향이 있다.

등면적직경(헤이우드직경)은 입자의 투영면적과 같은 면적을 가지는 원의 지름이다. 세 가지 중 입자 크기를 가장 잘 대표하지만 면적을 일일이 재야 해서 측정이 번거롭다.

이와 대비되는 것이 공기역학적 직경으로, 대상 입자와 같은 침강속도를 갖는 밀도 1 g/cm³의 구형 입자의 지름을 말한다. 모양과 밀도가 제각각인 실제 입자를 하나의 기준으로 비교할 수 있어 호흡기 침착이나 집진장치 설계에는 물리적 직경보다 이쪽이 쓰인다.