주택 실내환경 자재와 이산화질소 반응에 의한 감소상수 평가
양원호*⋅임성국⋅김문현1)⋅손부순2)
대구가톨릭대학교 산업보건학과, 1)대구대학교 환경공학과, 2)순천향대학교 환경보건학과
Decay Constant of Nitrogen Dioxide in Indoor Materials of Houses
Won-Ho Yang*⋅Sung-Kuk Yim⋅Moon-Hyeon Kim1)⋅Bu-Soon Son2) Department of Occupational Health, Catholic University of Daegu
1)Department of Environmental Engineering, Daegu University
2)Department of Environmental Health Science, Soonchunhyang University
Abstract
Indoor air quality can be affected by indoor sources, ventilation, outdoor levels, and removal. Various indoor and outdoor combustion sources make nitrogen dioxide(NO2), which is a by-product of high temperature fossil fuel combustion. Especially, the presence of gas ranges and smoking have been identified as two of the major factors contributing to indoor NO2 exposures. In this study, the relative efficiencies for NO2 removal by a large number of materials are presented. This work has demonstrated that reactions with indoor surfaces represents a significant sink for NO2, and that these reactions currently are effecting a considerable degree of control over indoor NO2 levels. It seems that this control could be enhanced by judicious selection of furnishings and construction materials. Improved understanding of that rates and mechanisms of the removal process will permit optimization of the process for indoor air quality improvement.
Keywords : Nitrogen dioxide, Decay rate, Removal, Indoor materials
1. 서론
황사, 광화학스모그 등 대기 오염물질이 건강에 영향을 미친다는 것은 비교적 잘 알려져 있다. 하 지만 선진국 도시 거주자들의 경우에는 하루 중 90% 이상을 실내환경에서 보내고, 그에 따라 실 내공기질 노출에 따른 건강 위해성의 중요성이 부각되고 있다. 그럼에도 실외 대기환경에서 발생 하는 공기오염물질의 실내 유입은 재실자의 건강 위해를 미칠 만큼 중요한 중요 인자이다(정순원 등, 2007).
대부분의 사람들은 실내에서 보내는 시간이 많 기 때문에 공기오염물질의 개인노출 정도는 고정 된 대기측정망에 의해 측정된 것 보다는 오히려 실내 및 실외환경을 모두 고려한 실내농도에 의해 결정된다(Lai 등, 2004). 실내공기질에 영향을 줄 수 있는 중요 인자는 실내공간 체적, 공기오염물 질 발생률, 반응 또는 침강에 의한 감소율, 실내외 환기율 그리고 실외공기 농도에 의존 한다(양원호 등, 2005).
Spicer 등(1989)의 연구에 의하면 실내공기 오염 물질은 실내․외 공기 환기량을 통한 실내공기질 개선보다 실내환경의 물질과 표면반응(surface reaction)에 의해 더 높게 감소될 수 있는 것으로 보고하였으며, VOCs의 경우 건축자재 등에서 발 생될 수 있지만 오히려 흡착시켜 감소시킬 수 도 있는 것으로 나타났다. 주택 실내환경의 이산화질 소(NO2) 노출에 따른 건강위해성을 고려해보면, 주택 실내환경의 NO2 농도에 영향을 주는 요인은 실내 NO2 발생량, 실외 NO2 농도 및 실내 유입량 (환기량), 실내환경 내면의 표면반응 또는 다른 공 기물질과 화학적 반응이다(Yang 등, 2004; Gilber 등, 2006). 그 동안 국내에서는 실외 대기의 NO2
농도 측정관련 연구는 많았지만, 가스렌지(gas range) 등 취사 및 연소 도구에서 발생되는 실내 NO2 농도 및 노출에 대한 연구는 비교적 적은 편 이었다. 중요한 것은 실내 NO2 농도 영향 요인 중 표면반응(실내 벽지 등 실내고형 재료와 반응) 및 화학반응(다른 공기오염물질)에 의해 감소될 수 있다는 것이다(Carslaw, 2007).
국내에서는 취사용으로 거의 모든 주택들이 가 스렌지를 사용하기 때문에, 가스렌지 연소에 의해 발생되는 유해 공기오염물질인 이산화질소(NO2) 노출 모델에 대한 연구가 필요하다(Basu와 Samet, 1999). 그럼에도 현재까지 주택 실내환경에서 NO2
와 주택 실내환경의 표면반응에 의한 NO2 감소에 대한 연구는 전무한 상태이다. 본 연구는 주택 실 내에 적용되는 자재들과 NO2 표면반응에 의한 감 소상수를 평가하는 것이다. 이 결과는 실내 NO2
의 발생 및 감소 특성의 파악, 실내공기질 향상 및 관리 방안을 제시해 줄 수 있으며, 또한 실내공기 질 개선 가능성과 그에 따른 거주자의 건강보호를 할 수 있을 것이다.
2. 연구내용 및 방법
2.1 연구내용 및 방법
실험 개요도와 반응기를 Figure 1에 나타내었다.
MFC(질량유량 조절기)를 이용하여 정량의 NO2
농도(200ppb)를 반응기(반경(0.145m), 높이(0.60m) : 체적(0.039m3))에 유입하였으며, 표준 실내온도 인 25℃, 습도는 대략 30%, 70%로 하여 농도를 측 정(NOx Analyzer, SIR, S5012, Spain)하였다. 반응 기는 NO2와 반응하지 않는 재질인 SUS로 제작하
Gas (NO2:200ppb
MFC MFC readout power supply
NO2측정기
온도조절기 ppm
O C
혼합조 SLM
재료 반응기
습도조절기
% Fan 속도 조절기
Syringe pump
Fig. 1. Schematic diagram for measurement of NO2 decay constant.
였고, 대상 자재들은 반응기 위쪽 중앙에 고정할 수 있도록 하여 재료의 앞면 및 뒷면뿐만 아니라 폭도 포함한 모든 표면이 노출 될 수 있도록 설치 하였다.
주택 실내환경의 재료별로 벽지, 바닥재, 가구 류, 이불을 포함한 의류, 기타(시멘트, 유리, 타일 등) 감소상수를 측정하였다. NO2 농도는 표준가스 를 이용하여 200 ppb로 반응기에 유입되어 재료에 따른 감소상수를 실험 측정하였다. 반응기 내의 유속은 주택 실내환경의 평균적 속도로 0.5 m/sec 으로 하였다.
2.2 감소상수 측정 방법
실내환경의 물질수지는 완전 혼합된 하나의 공 간으로 공기의 유입 및 유출 사이의 관계를 기술 하며 실내공기질을 설명하기 위해 자주 이용된다 (Lee 등, 2000). 물질수지에 의한 실내공기질 모델 은 실내공기 오염물질 농도와 관련 변수들 사이의 관계를 나타낼 수 있는 유용한 방법이며, 오염물
질의 확산과 이동, 오염물질 발생강도, 환기율, 제 거율 등의 요인들을 기술한다.
(1) 여기서, Ci= 실내오염물질 농도(㎍/m3), Co= 실 외오염물질 농도(㎍/m3), Q= 유량(m3/hr), S= 실내 오염물질 발생원 강도(㎍g/hr), R= 실내오염물질 감소율(㎍/hr), V= 실내공간 부피(m3), t= 시간(hr), m= 실내공간의 혼합계수(0≤m≤1)
식 (1)에서 실내오염물질 제거율(R)은 감소상수 (K, hr-1)와 실내에 존재하는 질량(VCi)으로 나타낼 수 있다 (R=K (감소상수) × M(mass)).
(2)
식 (2)을 식 (1)에 대입하고 대상 실내공간에서 완전혼합(m=1)을 가정하면, 식 (1)은 다음과 같이 식 (3)으로 나타낼 수 있다.
(3)
Table 1. Materials of indoor environment used in this study.
Materials Type
Wallpaper Furnishing Clothes
Others
General, tile, synthetic
General, medium-density fiberboard(MDF) , plywood, particle board Cotton, woolen, polyester, hemp
Cement, cement block, tile, glass, plastic, SUS(stainless steel), A4 paper 여기서, I = Q/V (hr-1)로 공기환기횟수(air
exchange per hour, ACH)
식 (3)에서 반응기의 공기 유출입이 없고(I=0), NO2를 일정 유량 반응기에 유입 후 정지시키면 S=0으로 할 수 있다.
(4)
식 (4)는 일차반응식으로 미분방정식을 이용하 여 계산할 수 있다.
최초 시작시간의 농도를 C0로 하면
ln Ct - ln C0 = -K(t) (5) 따라서, 식 (5)를 이용하여 감소상수(K)를 계산 할 수 있다.
2.3 NO2 반응을 위한 재료
주택 실내의 기준 온도인 25℃, 상대습도를 30%, 70%로 각각 조정한 후 재료별로 감소상수를 측정하였다(Table 1). 실내환경 재료는 직접 구입 하였으며, 반응실험 전에 오븐(oven)에서 25℃로 하여 2일 48시간 동안 전처리 하였다. 실내환경 재료와 표준가스(1000ppm(NO2/N2), RIGAS)) NO2
의 반응에 의한 감소상수 실험은 각 물질 당 4회 씩 수행하였으며, NO2의 농도가 대략 20ppb 정도 에 도달할 때 중단하였다.
3. 결과 및 고찰
3.1 반응기 환기율 측정
반응기의 기밀성(환기율)을 실내환경 재료와 NO2의 반응에 의한 감소 실험전에 수행하였다. 기 밀성은 즉, 반응기의 환기율을 측정하는 것으로 이산화탄소(CO2) 표준가스(1000 ppm)을 이용하여 반응기에 약 5초 동안 주입한 후 CO2의 농도를 연 속적으로 측정(IAQ-Calc, Model 8760, TSI)하였다.
8시간 동안씩 5회 측정된 CO2의 농도변화를 이용 하여 계산된 공기환기횟수(Air exChange per Hour, ACH)는 평균 0.003±0.001 hr-1로 거의 밀폐되어 있 었다.
3.2 실내환경 재료에 따른 NO2의 감소상수
3.2.1 벽지류
본 실험 전에 벽지류(일반벽지)를 반응기에 넣 고 NO2 반응에 의한 농도 감소를 예비 조사하였 다. 이 실험결과 대략 3시간 후에 NO2 처음 농도 에 1/2 값(반감기)에 도달하였다. 따라서 반감기의
Table 2. NO2 decay constant according to wall paper type.
Hum-id ity (%)
Decay experiment
(hr-1) (A)
Decay blank
(B)
Decay rate (hr-1) (A-B)
Average NO2 decay
constant (hr-1)
NO2
decay constant /area (hr-1m-2)
Average NO2
decay constant (hr-1m-2) General
(n= 4)
30%
70%
0.167±0.019 0.234±0.021
0.083 0.108
0.084 0.126
0.151±0.044
0.672 1.008
1.207±0.350 Tile
(n= 4)
30%
70%
0.244±0.020 0.248±0.024
0.083 0.108
0.161 0.140
1.288 1.120 Synthetic
(n= 4)
30%
70%
0.277±0.019 0.308±0.025
0.083 0.108
0.194 0.200
1.552 1.600
* Surface area: 0.125 m2
2배 이상이 되는 8시간 동안 반응에 의한 감소를 측정하였다(Wescher 등, 1994). 그리고, 벽지류 실 험 전에 NO2 표준가스와 SUS로 제작된 반응기 내 부 표면과 반응실험과 NO2 직독기로 유출되는 양 에 대한 바탕실험을 수행하였다. 반응기 내부의 NO2 농도 200ppb를 MFC 0.1L/min 유속으로 약 5 초 동안 표준가스를 유입시켰다. 습도에 따라 총 4회씩 수행한 반응기 바탕실험 결과 SUS 반응 및 NO2 직독기로 유출되어 감소되는 NO2 감소상수 (hr-1)는 식 (5)을 이용하였을 때 습도 30%에서 평 균 0.083±0.012hr-1, 습도 70%에서 평균 0.108±0.014 hr-1를 나타내었다. 이 결과는 벽지류의 NO2 반응 실험에서 빼주어 NO2 감소상수를 측정하였다. 벽 지의 크기는 0.125m2 이었으며, 벽지류 중 일반벽 지와 합성벽지의 NO2 감소상수는 습도가 높을수 록 증가하였으나, 타일벽지는 습도가 70%일 때 다소 적은 값을 나타내었다. 벽지류 중 합성벽지 에서 NO2 감소상수는 가장 높은 값을 나타내었다.
벽지류의 총 평균 NO2 감소상수는 0.151hr-1을 나 타내었고, 벽지류 표면적당 NO2 감소상수는 1.207
hr-1m-2을 나타내었다.
3.2.2 목재류
본 실험 전에 목재류(일반 목재)를 반응기에 넣 고 NO2 반응에 의한 농도 감소를 예비 조사하였 다. 이 실험결과 대략 20분(0.3 시간) 후에 NO2 처 음 농도에 1/2 값(반감기)에 도달하였다. 습도에 따라 총 4회씩 수행한 반응기 바탕실험 결과 SUS 반응 및 NO2 직독기로 유출되어 감소되는 NO2 감 소상수(hr-1)는 습도 30%에서 평균 0.828±0.176hr-1, 습도 70%에서 평균 1.014±0.274hr-1를 나타내었다. 일반목재, 중밀도섬유판(MDF), 합판(plywood), 파 티클보드(particle board)에서 각각 4회씩 온도 2 1℃, 습도 30%와 70%에서 NO2와 반응하여 감소 하는 NO2 농도와 감소상수를 Table 3에 나타내었 다. 목재류 중 일반목재에서 습도 70% 일 때 가장 높은 NO2 감소상수 값을 보였으며, MDF, 합판, 파티클보드의 경우 습도가 높을 때 오히려 낮은 NO2 감소상수 값을 보였다. 목재류의 평균 NO2
감수상수는 1.073hr-1을 나타내어 벽지류 보다 7배
Table 3. NO2 decay constant according to wood material type.
Hum- idity
(%)
Decay experiment
(hr-1) (A)
Decay blank
(B)
Decay rate (hr-1) (A-B)
Average NO2 decay
constant (hr-1)
NO2
decay constant /area (hr-1m-2)
Average NO2
decay constant (hr-1m-2) General
(n= 4)
30%
70%
1.503±0.193 3.386±0.324
0.828 1.014
0.675 2.372
1.073±0.618
5.0 17.570
8.204±4.575 MDF
(n= 4)
30%
70%
1.667±0.278 1.317±0.237
0.828 1.014
0.839 0.303
6.555 2.367 Plywood
(n= 4)
30%
70%
2.240±0.423 2.179±0.256
0.828 1.014
1.412 1.165
11.031 9.102 Particle
board (n= 4)
30%
70%
1.762±0.398 1.901±0.325
0.828 1.014
0.934 0.887
7.185 6.823
* Surface area: general(0.135 m2), MDF(0.128 m2), plywood(0.128 m2), particle board(0.130 m2) 높은 값을 나타내었다.
목재와 NO2의 반응에서 특이하게 일산화질소 (NO)의 발생이 나타났다. 목재류 중 일반목재와 합판에서 NO2 농도의 감소와 함께 NO의 발생을 보였다(Figure 2). 일반목재에서 습도가 30%와 70%에서 각각 NO의 발생률은 1.14 ppb/hr와 0.75 ppb/hr를 나타내었고, 합판에서는 각각 0.949 ppb/hr와 1.563 ppb/hr를 보였다. 습도에 따라 발생 률이 다르게 나타났지만, 이 결과는 NO2와 목재류 의 반응에서 NO가 발생될 수 있음을 보여주고 있 다(Spicer 등, 1989)
3.3.3 의류
면직, 모직, 폴리에스테르, 마, 견직, 카펫에서 각각 4회씩 온도 21℃, 습도 30%와 70%에서 NO2
와 반응하여 감소하는 NO2 농도와 감소상수를 Table 4에 나타내었다. 의류 중 면직에서 습도 70% 일 때 가장 높은 NO2 감소상수 값을 보였으
며, 모든 의류에서 습도가 높을 때 높은 NO2 감소 상수 값을 보였다. 특히 폴리에스테르의 경우 다 른 의류 종류에 비해서 매우 낮은 NO2 감수상수 를 보였다. 평균 NO2 감수상수는 0.066 hr-1을 나타 내어 벽지류 보다 2.3배 낮았다.
3.3.4 기타
종이(A4용지), 시멘트(cement), 시멘트 블록 (block), 타일(tile), 유리(glass), 플라스틱(plastic), SUS(stainless steel)에서 각각 4회씩 온도 25℃, 습 도 30%와 70%에서 NO2와 반응하여 감소하는 NO2 농도와 감소상수를 Table 5에 나타내었다. 시 멘트와 시멘트 블록이 높은 NO2 감소상수 값을 나타내었고, 이 결과는 벽지류, 의류, 목재류에 비 해서도 상당히 높은 값 이었다. 또한 NO 발생이 없는 것을 고려하면 시멘트와 시멘트 블록은 NO2
를 흡착하는 것으로 생각할 수 있었다. 종이(A4용 지)의 NO2의 감소상수는 벽지류의 비슷한 경향을
Table 4. NO2 decay constant according to cloth type.
Hum- idity
(%)
Decay experiment
(hr-1) (A)
Decay blank (B)
Decay rate (hr-1) (A-B)
Average NO2 decay
constant (hr-1)
NO2
decay constant /area (hr-1m-2)
Average NO2
decay constant (hr-1m-2) Cotton
(n= 4) 30%
70%
0.176±0.039 0.271±0.051
0.083 0.108
0.093 0.163
0.066±0.045
0.744 1.304
0.524±0.361 Woolen
(n= 4) 30%
70%
0.140±0.030 0.184±0.044
0.083 0.018
0.057 0.076
0.456 0.608 Polyester
(n= 4) 30%
70%
0.091±0.031 0.126±0.025
0.083 0.108
0.008 0.018
0.064 0.144 Hemp
(n= 4) 30%
70%
0.136±0.048 0.164±0.039
0.083 0.108
0.053 0.056
0.424 0.448
* Surface area: 0.125 m2
0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0
0 5 0 1 0 0 1 5 0 2 0 0 2 5 0 3 0 0
N O N O2 N Ox
Concentration (ppb)
T im e ( m in )
Fig. 2. NO generation by reaction between general wood and NO2 in relative humidity 70%.
보였으며, 타일, 플라스틱, 유리의 NO2 감소반응 이 매우 낮았다. SUS의 NO2 감소상수는 0.001 hr-1 을 나타내어 반응하지 않는 것으로 생각할 수 있 었다.
4. 결론
그 동안 국내에서는 실내공기질 영향 요인 중 공기오염물질의 실내감소에 대한 연구는 전무한 실정으로, 특히 주택 실내에서 취사용으로 사용되 는 가스렌지에서 발생되는 NO2가 실내환경내 재
Table 5. NO2 decay constant of indoor environment materials
Hum -dity (%)
Decay experiment
(hr-1) (A)
Decay blank (B)
Decay rate (hr-1) (A-B)
Average NO2 decay
constant (hr-1)
NO2
decay constant /area (hr-1m-2)
Average NOS decay constant (hr-1m-2) A4 paper
(n= 4)
30%
70% 0.125 0.206±0.031 0.289±0.007
0.083 0.108
0.123 0.181
0.984 1.448
8.204±4.575 Cement
(n= 4)
30%
70% 0.248 8.129±1.432 9.724±1.563
0.828 1.014
7.301 8.710
29.440 35.121 Cement
block (n= 4)
30%
70% 0.406 5.544±1.654 7.997±2.012
0.828 1.014
4.716 6.983
11.616 17.200 Tile
(n= 4)
30%
70% 0.125 0.101±0.003 0.119±0.007
0.083 0.108
0.018 0.011
0.144 0.088 Glass
(n= 4)
30%
70% 0.125 0.088±0.002 0.112±0.004
0.083 0.108
0.005 0.004
0.040 0.032 Plastic
(n= 4)
30%
70% 0.125 0.087±0.004 0.117±0.003
0.083 0.108
0.004 0.009
0.032 0.072 SUS
(n=4)
30%
70% 0.125 0.084±0.001 0.109±0.001
0.083 0.108
0.001 0.001
0.008 0.008
* Surface area: A4 paper(0.125m2), cement(0.248m2), cement block(0.406m2), Tile(0.125m2), Glass(0.125m2), plastic(0.125m2), SUS(0.125m2)
료 및 다른 공기오염물질과 반응하여 감소될 가능 성을 고려할 때 실내노출 모델 개발시 반드시 필 수적으로 요구되는 요인이다. 주택 실내의 기준 온도인 25℃, 상대습도를 30%, 70%로 각각 조정 한 후 재료별로 NO2 감소상수를 측정하였다. 벽지 류의 총 평균 NO2 감소상수는 0.151hr-1을 나타내 었고, 벽지류 표면적당 NO2 감소상수는 1.207 hr-1m-2을 나타내었다. 목재류 중 일반목재에서 습 도 70% 일 때 가장 높은 NO2 감소상수 값을 보였 으며, MDF, 합판, 파티클보드의 경우 습도가 높을 때 오히려 낮은 NO2 감소상수 값을 보였다. 목재
류의 평균 NO2 감수상수는 1.073 hr-1을 나타내어 벽지류 보다 7배 높은 값을 나타내었다. 목재와 NO2의 반응에서 특이하게 일산화질소(NO)의 발 생이 나타났다. 의류 중 면직에서 습도 70% 일 때 가장 높은 NO2 감소상수 값을 보였으며, 모든 의 류에서 습도가 높을 때 높은 NO2 감소상수 값을 보였다. 평균 NO2 감수상수는 0.066 hr-1을 나타내 어 벽지류 보다 2.3배 낮았다. 기타 물질 중 시멘 트와 시멘트 블록이 가장 높은 NO2 감소상수 값 을 나타내었고, 이 결과는 벽지류, 의류, 목재류에 비해서도 상당히 높은 값 이었다. 또한 NO 발생
이 없는 것을 고려하면 시멘트와 시멘트 블록은 NO2를 흡착하는 것으로 생각할 수 있었다. 한편 건축재료는 다양한 성질과 특성에 의하여 공기의 흡착 또는 투습, 투과의 과정이 달라질 수 있기 때 문에 정량적 감소상수를 평가하는 것이 상대적으 로 쉽지 않다. 따라서 추후 실내환경 자재들에 대 해 다양한 조건으로 공기오염물질이 반응 및 감소 하는 연구가 필요할 것으로 생각한다.
감사의 글
이 논문은 2006년 정부(교육인적자원부)의 재원 으로 한국학술진흥재단의 지원을 받아 수행된 연 구임(KRF-2006-521-D00251)
참고문헌
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