The Development of an Environmental-Friendly Foam Extinguisher Using a Natural Surfactant

천연계면활성제를 이용한 친환경적 포소화약제 개발

The Development of an Environmental-Friendly Foam Extinguisher Using a Natural Surfactant

김정훈·이정윤*·김 홍·김응식·이명보**·김동현**·정기창^†

Jeong-Hun Kim · Jung-Yun Lee* · Hong Kim · Eung-Sik Kim ·

Myoung-Bo Lee** · Dong-Hyun Kim** · Ki-Chang Jung

**국립산림과학원 산림환경부 산불연구과 (2006. 11. 23. 접수/2007. 3. 2. 채택)

요 약

본 연구에서는 천연계면활성제 조성물의 친환경적인 포소화약제를 개발하였으며, 소화성능과 환경친화 성을 검증하기 위한 방법으로 한국소방검정공사에서 제시하는 “수동식소화기의형식승인및검정기술기준”

에 의한 A2단위 소화능력시험과 안전성평가연구소(한국화학시험연구원)에서 제시하는 육생식물생장실험 및 어류급성독성실험을 수행하였다. 그 결과, 소화성능은 A급 일반화재 5단위, 육생식물생장실험에서 발 아에 대한 LC50은 75(g/kg), 생장에 대한 EC50은 62(g/kg), 어류급성독성실험에서 6658 ppm의 결과를 보 여, 현재 국내에서 상용화되어 있는 타 약제보다 월등한 것으로 나타났다. 또한 약제로써의 활용을 위한 기본 물성치 및 내부식성에서도 기준에 적합한 결과를 나타내었다.

ABSTRACT

In this research, an environmental-friendly foam extinguisher was newly developed using a natural surfactant as its composition. Two criteria were applied to verify its extinguishing performance and environmental attraction. One is unit 2 model by “Standards of Model Approval and Inspection Tech- nology for Portable Fire Extinguishers” presented in Korea Fire Equipment Inspection Corporation.

The other is Terrestrial Plants, Growth Test and Fish, Acute Toxicity Test presented in Korea Institute of Toxicology(Korea Research Institute of Chemical Technology). Test results showed that the extin- guishing performance was 5 unit of general fire Class A, the LC50 by germination was 75(g/kg) and the EC50 by growth was 62(g/kg) through Terrestrial Plants, Growth Test, and also the toxicity was 6658 ppm in Fish, Acute Toxicity Test. The numerical values were highly evaluated than other fire extinguishing agents being commercialized in domestic. The results also showed suitably in basic physical properties and anti-corrosion properties for making use of fire extinguishing agent.

Keywords : Foam extinguisher, Natural surfactant, Extinguishing performance, Toxicity, Fire extinguishing agent

1. 서 론

현재 산림화재 진압에 사용되고 있는 약제는 강화액 과 포소화약제가 있다. 그러나 강화액은 시중에 1만원 /리터로 판매되고 있으며 원액 또는 1/3 희석사용 제품 으로 같은 원액 단가의 1~3% 희석 사용제품과 비교하 여 산림화재 적용시 단가가 높다는 단점이 있다. 산림

화재 진압용 포소화약제는 A급 일반화재용으로 사용 되고 있으나 본래 유류용이었으며 대부분 환경에 강한 독성을 가지고 있는 것이 일반적이다.^1,2)

Table 1에서 나타낸 바와 같이 이와 같은 산림화재 발생에 의한 피해면적은 그 편차가 매우 큰 차이를 보인다. 이는 산림화재 발생 감지 시간 및 진화대원 투입의 신속성, 산림화재 발생장소의 소화자원공급의 난이성에 따라 다른 특성을 보이는 것으로 분석되고 있다.^1,3-8)

†E-mail: [email protected]

국내에서 발생되는 산불은 대부분 늦은 겨울과 이른 봄, 건조한 기후에 따라 집중되고 있으나 계절의 특성 상 소화수의 공급이 매우 부족한 실정에 있다.¹⁰⁾ 이처 럼 부족한 진화자원의 소화성능을 증진시키기 위하여 산림화재 전용 소화장비 및 약제의 개발·활용의 필 요성이 대두되고 있으며, 물의 소화성능을 향상시키기 위한 약제 사용량 또한 증가하고 있는 추세이다.^2,11-13) 따라서 본 연구에서는 산림화재용 소화수의 성능을 증진시키며 환경친화적인 포소화약제를 개발하였고 또 한 소화성능과 환경친화성을 검증하기 위하여 육생식 물생장실험 및 어류급성독성시험을 수행하였다.

2. 실 험

본 연구에서 개발된 소화약제는 환경친화성에 중점 을 두고 있으며, 공업용 화학물질을 원료로 한 합성계 면활성제를 배제하고 야자유추출물을 발포제로 사용하 고 있다. 개발약제는 인산나트륨(50 g), 구연산(20 g), 요 소(30 g)를 정제수(100 g)에 혼합하고 야자유에서 추출 된 천연발포제(10 g), 산화에틸렌(1 g), 아세트아민(0.5 g), 라우릴황산나트륨(1.5 g) 등을 첨가한 후 상온에서 약 48시간 이상 안정시킨 후, 물성개질을 위한 증점제, 안 정제, 부식억제제를 첨가하여 제조하였다. 이렇게 완성 된 개발약제에 대하여 노화시험 전·후 및 1% 희석액 의 물성(pH, 표면장력, 점도, 금속부식성, 노화전·후 외관 변화, 팽창비)을 Table 2에 나타내었다. 노화된 원 액은 실제 화재에 적용되지 않으므로 금속부식성측정 을 배제하였다.

포소화약제로서 기본적인 성능 시험을 위하여 A급 일반화재 2단위 소화능력시험을 수행하였으며, 산림화

재 적용시 임목자원 및 하천 등에 대한 영향을 검토하 기 위하여 『식물 발아 및 생장실험』및 『어류급성독 성시험』을 수행하였다.

사용장비의 재질이 대부분 알루미늄과 철이라는 점 을 감안하여 약제 자체의 부식성을 억제하기 위해 미 량의 첨가제를 사용하였으며, 이에 따른 효과를 검증 하기 위하여 21일간 부식시험을 수행한 결과, 기준치 인 3 mg/20 cm² 이하의 수치를 얻을 수 있었다.

3. 결과 및 고찰

3.1 포소화약제의 소화성능 시험

포소화약제의 성능시험은 A급 소화능력단위 측정을 위하여 한국소방검정공사에서 규정하는 『수동식소화 Table 1. Damage to the forest caused by the fire in Korea

1998~2004⁹⁾

Year Number of fires (numbers)

Damage area(ha)

Amount of damage (thousand

won)

Casualties (persons)

2004 544 1,588 4,068,651 11

2003 271 133 276,583 9

2002 599 4,467 8,952,928 19 2001 785 963 2,717,181 20 2000 729 25,953 65,241,772 30

1999 315 473 665,661 5

1998 265 1,014 2,516,219 16

*통계청, [년도별 산불발생건수, 피해면적, 피해금액, 인명피해]

Table 2. Properties of developed extinguisher

Undiluted solution Diluted solution Before (1%)

aging After aging

pH 8.5 8.6 8.5

Surface tension

(dyne/cm) 217.74 259.5 28.43 Viscosity (cp) 160 186 22

Corrosiveness (mg/20 cm²)

Al 0.19 - 0.29

Fe 0.53 - 0.43

Cu 0.59 - 0.69

Mg 0.88 - 1.02

STS 1.3 - −0.02

Appearances of

transformation by aging N/A N/A N/A Expansion ratio (times) - 2.5

Fig. 1. Fire suppression test on unit A2 model.

기형식승인및검정기술기준』에 의거하여 수행하였다.

소화성능시험을 수행하기 위하여 Fig. 1과 같이 A2단 위 연소대 모형을 준비하였으며, 분당 4 l의 약제분사 량을 갖는 가압식 물소화기(8 l 용량)를 사용하였다.

물과의 비교실험을 통해 소화소요시간을 측정하였 다. 물의 소화시간이 평균 25.3초, 소화능력단위는 2단 위에 비해 개발된 소화약제의 소화시간은 평균 11.0 초, 소화능력단위는 5단위의 결과를 나타내었으며 소 화성능이 물보다 약 2.5배 정도 향상된 것을 알 수 있 었다.

위의 실험에서 소요된 소화시간을 Table 3에 나타내 었다.

3.2 환경친화성 검증 시험

개발된 약제의 환경친화성을 검증하기 위하여 육생 식물 생장실험과 어류 급성독성시험을 수행하였다.

3.2.1 육생식물 생장실험

한국화학연구원 안전성평가연구소에서 제시하는 『생 태영향시험분야-육생식물 생장실험』규격에 의거하여 육생식물에 대한 환경영향을 시험하였다. 시험에 사용 된 약제는 본 연구에 의해 개발된 약제 및 T사의 C 약제, D사의 C 약제, A사의 P 약제의 총 4종이다. 각 농도의 시험물질을 혼합한 토양에 시험대상이 되는 식 물의 종자를 심고, 발아되는 싹의 수를 측정 기록하여 대조군의 싹이 50% 발아되는 시점에서 2주 후에 식물 을 절단하여 중량을 측정하였다. 시험은 발아에 대한 LC50치와 생장에 대한 EC50치로 결과를 얻을 수 있었 다. Fig. 3은 발아 1주후, 식물의 모습을 나타낸 것이 다. (a)는 대조군, (b)는 개발약제를 투여한 식물군 가 운데 평균치에 해당되는 농도군이며, (c)는 국내에서

사용되고 있는 A사의 약제를 투여한 식물군이다. 그림 에서 보이는 바와 같이 (a), (b)는 큰 차이가 없어 보 이나 (c)의 경우 투여된 약제가 발아율 및 식물 생장 에 크게 영향을 미치고 있는 것으로 보인다.

육생식물생장실험 수행 결과는 Table 4와 같다.

본 연구에 의하여 개발된 약제와 국내에서 상용 판 매·사용되고 있는 약제를 사용한 실험 결과 발아에 대한 LC50치는 최고 약 8.3배, 생장에 재한 EC50치는 최고 약 8.8배의 차이를 보였으며 대조군 및 개발약제 를 투여한 식물군은 모두 생존한 것에 반하여, 상용 약 제들을 투여한 식물군은 2주 이전에 모두 고사(枯死) 하는 것으로 나타났다.

3.2.2 어류 급성독성시험

본 시험은 약제 적용에 따른 환경상 독성영향을 평 가하는 것이다. 따라서 본 소화약제들은 사용 시 소화 약제 원액에 물을 1% 희석하여 사용하는 것을 기준으 로 개발된 것으로 시험에 사용한 소화약제들은 1% 희 석액을 사용하였다.

시험방법은 어류(송사리)가 살고 있는 수조 등의 공 Table 3. Comparison of fire suppression capacity with

water and developed extinguisher on unit A2 model

Number timesof

Water Developed extinguisher Time

required for fire suppression

(sec)

Fire suppression

capacity

Time required for fire suppression

(sec)

Fire suppression

capacity

1 25.7 2 10.6 6

2 21.8 2 13.2 4

3 27.4 2 11.6 4

4 26.3 2 8.5 6

Average 25.3 2 11.0 5 Fig. 2. The scene of growth test for terrestrial plants. (a) growth control group, (b) terrestrial plant group for developed extinguisher, (c) terrestrial plant group for P agent of A company.

Table 4. Result table of growth test for terrestrial plants LC50 fo r

germination (g/kg)

EC50 fo r growth

(g/kg) Developed extinguisher 75 62 C agent of T company 11 8 C agent of D company 21 13 P agent of A company 9 7

간에 시약을 투입하고 96시간 동안 반수가 살아남는 농도를 구하는 것이다. Fig. 과 같이 1주일동안 환경적 응기간을 마친 송사리를 사용하였으며 사망률은 4%이 하였다. 송사리를 비이커로 이동 후 Fig. 4와 같이 소 화약제를 투여, 정밀성 향상을 위한 반복 시험수행을 통해 96시간 LC50을 측정하였다. 96시간 경과 후 생존 한 송사리는 원, 사망한 송사리는 점선으로 표기하였다.

소화약제별 각각의 LC50을 Table 5에 나타내었다.

환경부의 기준에 따르면 어류급성독성시험의 경우 2000 ppm 이상이어야 사용 가능하도록 되어 있다. 시

험에 사용된 약제의 대부분이 기준치 이상의 결과를 얻을 수 있었고, D사의 C 약제만이 기준치에 미치지 못하는 것으로 나타났다.

4. 결 론

기존 국내에서 사용되고 있는 포소화약제 및 강화액 의 물리적 특성(pH, 점도, 표면장력, 침전량, 외관)을 수차례 반복 시험·평가하였으며, 정확한 결과값을 기 록할 수 있었다. 또한 기존 약제와 신개발 약제의 노 화에 따른 물성 변화를 기록하여 약제 개발의 기초자 료로 활용하였다. 본 연구과제를 수행함에 있어서, 이 러한 기초물성 시험의 결과를 바탕으로 신개발 약제의 최적 제조비를 도출할 수 있었다.

산림화재 진압장비에 대한 부식성 시험에서 기준치 에 적합한 판정을 얻을 수 있었으며, 노화전·후 원액 의 외관변화가 뚜렷하지 않았으며, 침전물이 없는 것 으로 나타났다.

소화약제의 성능뿐만 아니라 약제의 사용에 환경 영 향을 최소화하기 위하여 약제 자체의 독성을 배제시킬 수 있는 무독성 또는 저독성 첨가제를 선택하여 사용 하였으며, 어류급성독성시험 및 육상식물생장시험을 수 행하여 약제의 환경 친화성을 비교·검증하였다.

본 연구수행 결과, 산불 전용 소화약제를 개발하게 되었으며, 이를 활용하여 실제 산림화재 진압에 사용 할 수 있도록 하기 위하여 현장 적용성 검토 시험을 수행할 계획이며, 개발된 약제의 사용에 의하여 산불 진화시간이 현저히 단축될 수 있을 것으로 기대된다.

감사의 글

이 논문은 2006년도 호서대학교의 재원으로 학술연 구비 지원을 받아 수행된 연구임(20060135).

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Fig. 3. Term of fit environment for acute toxicity test by fish.

Fig. 4. Scene of acute toxicity test by fish for 96 Hrs.

Table 5. Result of acute toxicity test by fish (LC50) Extinguishing agent LC50 (ppm) Developed extinguisher 6658 C agent of T company 2046 C agent of D company 1598 P agent of A company 3597

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