http://dx.doi.org/10.15250/joie.2015.14.2.121 ISSN 2288-923X (Online)
흡연실 내 국산 담배의 입자 및 CO 오염 특징
김종범1,2·김경환3·류성희4·김민수1,2·정종수1,2·윤성택1·배귀남1,2*
1
고려대 그린스쿨(에너지환경정책기술대학원),
2한국과학기술연구원 환경복지연구단,
3
동일시마즈(주) 기술연구소,
4한국철도기술연구원 교통환경연구팀
Characteristics of particle and CO contamination in a smoking room caused by Korean tobacco
Jong Bum Kim1,2·Kyung Hwan Kim3·Sung Hee Ryu4·Min Su Kim1,2 Jong Soo Jurng1,2·Seong-Taek Yun1·Gwi-Nam Bae1,2*
1
Green School (Graduate School of Energy and Environment), Korea University
2
Center for Environment, Health and Welfare Research, Korea Institute Science and Technology
3
Technical Research Center, Dong-il Shimadzu Corp.
4
Transportation Environmental Research Team, Korea Railroad Research Institute (Received 31 March, 2015; Revised 11 June, 2015; Accepted 16 June, 2015)
Abstract
It is well known that smoking generates harmful air pollutants. With smoking in buildings as well as in the streets prohibited, the need for smoking rooms has emerged. In this study, particle and CO contamination in a 63.6 m
3smoking room was experimentally investigated using Korean tobacco. Tobacco smoking was artificially simulated using a smoking machine. The number and size distribution of particles ranging from 10-420 nm and 0.25-32 µm were measured using a Nanoscan (TSI model 3910) and a portable aerosol spectrometer (Grimm model 1.109), respectively. CO concentration was also monitored using an IAQ monitor (Graywolf IAQ-Xtra 610). Four tobaccos were simultaneously smoked in each experiment, and the experiment was repeated four times. Maximum CO concentrations of 7-10 ppm were observed and high concentrations of particles (176,000-1,115,000 particles/cm
3for 10-420 nm, 3,700-5,200 particles/cm
3for 0.25-32 µm) were also monitored. The dominant size of tobacco particles was about 100 nm in diameter.
Keywords : CO, Contamination, Particle, Smoking room, Tobacco
1. 서 론
최근 개인의 건강관리가 중요한 이슈로 떠오르면서 흡연에 대한 관심이 증가하고 있다. 흡연에 의해 발생 되는 환경성담배연기(environmental tobacco smoke, ETS) 는 흡연자가 직접 들이마시고 내뿜을 때 발생하는 주류연(mainstream smoke, MS)과 타고 있는 담배 끝 에서 피어오르는 부류연(sidestream smoke; SS)으로 구
분되며, 간접흡연(secondhand tobacco smoke)으로 흡 인되는 연기는 주류연이 15%, 부류연이 85%인 것으 로 보고되었다(OEHHA, 1997). 담배입자들은 흡연과 정에서 담배 잎의 연소, 열분해 및 증발되면서 형성된 증기로부터 화학반응과 응축반응에 의해 발생되며, 담 배연기는 기체상 및 입자상 물질로 이루어져 있다 (Kim and Choo, 2012). 흡연 시 측정된 실내 부유 입 자상 물질의 농도는 10~1,200 µg/m
3로 매우 넓은 범위 이며, 평균 입경이 200~400 nm인 서브마이크론 입자 가 많은 것으로 알려져 있다(Baek and Park, 2005).
담배연기는 4천 가지 이상의 물질로 구성되어 있으
*Corresponding author
Tel : +82-2-958-5676 E-mail : [email protected]
깊숙한 부분까지 영향을 미칠 수 있다. 간접흡연은 실 내에서 초미세입자의 주요 인체 노출경로이며(Klepeis et al., 2003), 만성적 천식, 심근경색, 폐암, 만성적 폐 질환 등을 일으키는 것으로 알려져 있다(Charles et al., 2007; Nazarroff and Singer, 2004). 특히, 어린이들에게 기관지염, 폐렴 등과 같은 호흡기 질환의 유병율 증가 와 폐의 활동에 나쁜 영향을 미치는 것으로 보고되고 있다(DHHS, 2006). 또한, 흡연자가 없는 주택의 부유 먼지 농도는 외부와 같거나 낮지만, 한명 이상의 흡연 자가 있는 주택에서는 일반적으로 외부보다 3배 정도 더 높은 것으로 보고되었다(Kim et al., 2001).
이처럼 흡연자뿐만 아니라 간접흡연으로 인해 주위 사람들의 건강까지 위협하는 흡연을 감소시키기 위해 세계적으로 다양한 노력을 기울이고 있다. 세계보건기 구(World Health Organization, WHO)에서는 담배규제 기본협약(Framework Convention on Tobacco Con- trol, FCTC)을 제정하여 실내 작업장, 대중교통수단, 실 내 및 기타 공공장소에서 담배연기 노출로부터 건강을 보호하기 위하여 효과적인 입법 또는 행정조치를 시행 하도록 권고하고 있으며, 2002년에는 “The European Strategy for Tobacco Control” 을 제정하여 시행하고 있 다(WHO, 2007). 우리나라는 1995년 보건복지부에서 국민건강증진법을 개정하여 대중이 이용하는 시설 전 체를 금연구역으로 지정하거나 당해시설을 금연구역과 흡연구역으로 구분하도록 규정하였고, 2015년 1월 1일 부로 일부 지정시설에 대한 금연구역을 모든 영업소로 확대하는 등 규제를 강화하고 있다(MW, 2015).
지금까지 흡연실은 흡연 시 발생된 오염물질이 비흡 연자 혹은 인접공간으로 확산되는 것을 방지하기 위한 시설로 인식되어 왔다. 최근 건강에 대한 관심의 증가, 정부의 금연정책 등으로 흡연자들이 흡연할 수 있는 장소가 점점 줄어들면서 흡연실의 이용률이 증가하고 있다. 이에 따라 담배연기뿐만 아니라 냄새도 나지 않 는 쾌적한 흡연실에 대한 요구가 많아지고 있다. 일본 의 경우 직장에서 담배연기를 관리하기 위한 지침을
흡연실을 대상으로 ETS의 노출특성을 검토하였고, 일 부 연구에서는 주거단지에 위치한 단독주택과 아파트 에서 흡연이 실내공기질에 미치는 영향을 검토하였다 (Baek and Kim, 1995; Halios et al., 2005). 최근 흡연 실의 공기질에 대한 관심이 높아짐에 따라 Lee et al.
(2010) 과 Centers for Disease Control and Preven- tion(CDC, 2012)은 공항의 흡연부스와 주변 외기의 PM
2.5농도를 측정하였다. 특히, CDC의 경우 흡연구역 (188.7 µg/m
3, 29.1~555.3 µg/m
3), 이에 인접한 1 m 이 내(43.7 µg/m
3, 2.1~230 µg/m
3), 그리고 흡연이 제한된 구역(11.5 µg/m
3, 2.2~29.0 µg/m
3) 으로 구분하여 흡연 구역의 존재에 따른 주변 영향을 검토하였다. 또한, 실 내에 설치된 흡연실을 잘못 운영하면 흡연실에서 발생 된 오염물질이 주위 공간의 실내공기질을 악화시킬 수 있다(Pion and Givel, 2004; Yeom et al., 2011; Lee and Lee, 2014). 현재 흡연실과 같이 실제 흡연이 이루 어지는 공간의 오염도 현황에 대한 연구가 많지 않고, 특히 흡연자의 건강 보호를 목적으로 흡연실의 공기질 을 관리하는데 필요한 가스상 및 입자상 오염물질의 농도 수준에 대한 정보와 이해가 부족한 실정이다.
본 연구에서는 건물의 지하실에 위치한 흡연실에서 흡연을 모사할 수 있는 흡연기를 이용하여 국산 담배 의 흡연 시 실내공간의 입자 및 CO 농도의 변화를 측 정하였다. 그리하여 흡연 시 시간경과에 따른 흡연실의 오염도 변화 특징을 분석하였다.
2. 실험방법
실험을 수행한 흡연실은 전체 21층 건물 중 지하 1 층 주차장과 연결된 통로에 위치하였고, 출입문으로 건 물의 실내와 차단되었으며, 지하 1층에는 지정차량 주 차장, 스파, 헬스케어센터가 위치하였다. 건물 내부에 는 총 3개의 흡연실이 있는데, 지하 흡연실은 주로 저 층 근로자와 편의시설 이용자들이 사용하고 있었다.
Fig. 1 에 나타낸 바와 같이 흡연실의 가로, 세로, 높이
는 각각 550, 450, 257 cm로 체적은 약 63.6 m
3이었다.
천장에는 냉난방 겸용의 시스템에어컨과 4개의 급기구 가 설치되어 있었으며, 배기구는 따로 설치되어 있지 않았다. 측정 시 시스템에어컨을 작동하지 않았고, 휴 일이라 천장 급기구에서도 공기가 공급되지 않았다. 즉, 환기가 이루어지지 않은 상태에서 실험을 수행하였다.
불특정 다수가 흡연실에 들어와 불규칙하게 흡연하 고, 출입문의 개폐에 따라 실내 오염물질의 농도가 크 게 변하기 때문에 실제 상황에서 흡연으로 인한 오염 을 정량화시키는데 한계가 있다. 이에 본 연구에서는 일반인의 출입이 없는 주말에 실제 흡연실에서 특정 조건을 상정하여 흡연으로 인한 실내 오염물질의 농도 변화를 측정하였다. 실험에는 국산담배 중 비교적 가격 이 저렴하고 판매율이 높은 디스플러스(This+)를 사용 하였고, 자체 제작한 담배 4개피를 동시에 태울 수 있 는 흡연기를 진공펌프와 연결하여 2~3분 이내에 태울 수 있도록 설정하였다. 흡연기는 흡연실의 좌측 1/3 지 점에 위치한 재떨이로부터 30 cm 이내, 50 cm 높이에 설치하였고, 담배연기로부터 발생되는 입자와 일산화 탄소(CO)를 측정할 수 있는 기기는 흡연실의 정중앙 바닥면으로부터 110 cm 높이에 설치하였다. 각 측정 전 흡연실 내 잔류하고 있는 ETS를 제거하기 위해 출 입문을 개방하여 환기를 실시하였고, 출입문을 닫은 상 태에서 흡연기를 작동하여 실험을 4회 반복적으로 수 행하였다.
입자 측정기로는 10~420 nm 범위인 입자의 크기별 개수농도를 측정할 수 있는 Nanoscan(model 3910, TSI, USA) 과 0.25~32 µm 범위인 입자의 크기별 개수 농도를 측정할 수 있는 Portable Aerosol Spectrome- ter(PAS, model 1.109, Grimm, Germany)를 사용하였 다. CO 측정기로는 IAQ Monitor(model IAQ-Xtra 610, GrayWolf Sensing Solutions, LLC, USA) 를 사용 하였다. Nanoscan은 1분 간격으로 데이터를 얻었고,
PAS 와 IAQ Monitor로부터는 6초 간격으로 데이터를 수집하였다.
3. 결과 및 고찰
3.1 흡연실 내 CO 오염
흡연은 일종의 연소과정으로 담배 잎이 타들어가면 서 나오는 성분을 흡인하는 행위이고, 이 과정에서 다 양한 오염물질들과 함께 CO와 입자가 발생된다. CO 는 호흡을 통해 인체에 흡인되어 80~90%가 적혈구 내 혈색소와 카르복시헤모글로빈(COHb)을 형성하여 혈 액의 산소운반 능력을 저하시키며, 직접적으로는 세포 내 미토콘드리아의 호흡을 방해하기도 한다. 혈액 중 COHb 농도가 30% 이상으로 높아지면 두통, 자극과민, 시각장애 등을 일으키고, 60% 이상에서는 의식상실 및 사망에 이르는 등 실내공기질 관리 관점에서 매우 중요한 오염물질 중 하나이다(KOSHA, 2013).
Fig. 2 는 흡연 전후 흡연실 내 CO 농도의 변화를 나 타낸 것이다. 여기서 0은 흡연기를 작동시킨 시점이다.
흡연 초기에 연소가 이루어지는 2~3분 이내에 CO 농 도가 급격하게 증가하여 흡연 전 1~3 ppm 수준에서 7~10 ppm 까지 높아진다. 이후 CO 농도가 빠르게 감소 하여 5분 정도 지나면 4~5 ppm 수준에서 20~30분까지 비교적 안정적으로 농도가 유지된 후 감소하는 경향을 나타낸다. 이 기간 동안 흡연실 내 CO 농도가 거의 균 일하게 유지되는 것으로 판단된다. 4회 반복 실험결과 를 비교하면, 초기 5분 이내 CO 농도의 변화 패턴은 다소 차이가 있지만, 그 이후의 경향은 매우 유사하다.
3.2 흡연실 내 입자 오염
흡연 시 입자의 발생 패턴을 파악하기 위하여 흡연 Fig. 1. Schematic of a smoking room used in this study.
Fig. 2. Change in CO concentration by smoking at the
smoking room.
전후 흡연실 내 입자 개수농도의 변화를 Fig. 3에 나타 냈다. Nanoscan과 PAS로 각각 10~420 nm와 0.25~32 µm 범위의 입자를 측정하여 구한 총 개수농도를 나타 낸 것이다. 10~420 nm 범위인 입자의 경우 흡연실 내 총 개수농도가 흡연 전 4,000~33,000 particles/cm
3수 준에서 흡연이 시작되면 최대 176,000~1,115,000 par- ticles/cm
3로 매우 높아진다. 흡연이 일종의 연소과정이 므로 입자의 생성 현상이 매우 불안정하여 초기 농도 변화 경향이 일정하지 않은 것으로 생각된다. 그러나 10~15분이 경과하면 매우 안정적인 농도 수준을 유지 한다. 0.25~32 µm 범위인 입자의 경우도 흡연실 내 총 개수농도가 흡연 전 170~1,800 particles/cm
3수준에서
흡연이 시작되면 최대 3,700~5,200 particles/cm
3로 높 아진다. 흡연 초기의 입자 발생 패턴은 일정하지 않지 만 10분 정도 경과하면 매우 일정한 농도 수준을 나타 낸다. CO와 입자 모두 흡연 초기에 불안정한 발생 경 향을 나타내지만 어느 정도 시간이 경과하면 흡연실 내 균일하게 확산되어 거의 일정한 농도 수준을 유지 하는 패턴을 나타냄을 알 수 있다. 단, 이러한 특징은 사람이 흡연한 것이 아니고, 흡연기의 높이도 50 cm로 낮아 실제 사람들이 흡연한 경우의 오염 패턴과 다를 수 있다.
흡연 전후 흡연실 중앙에서 측정한 입자의 시간경과 에 따른 입경분포의 변화를 등농도선으로 Fig. 4에 나 Fig. 3. Change in particle number concentration by smoking at the smoking room.
Fig. 4. Contour plot for particle size distribution at the smoking room.
타냈다. 초기에는 상대적으로 다양한 크기의 입자가 고 농도로 발생되지만, 점차 입경범위가 좁아지고 농도도 감소하는 경향을 나타낸다. Fig. 4 (a)를 보면, 피크농 도를 나타내는 대표입경(모드입경)이 거의 변하지 않 는 것을 알 수 있다.
흡연 시 발생되는 입자의 크기분포를 보다 상세하게 파악하기 위하여 흡연 시작 후 농도가 안정적인 경향 을 나타내는 15~20분 사이의 측정값을 평균하여 10~420 nm 와 0.25~32 µm 범위의 입경별 개수농도와 질량농도로 표현하여 Fig. 5에 나타냈다. 질량농도는 입경채널별 대표입경을 기준으로 개수농도를 밀도가 1 g/cm
3인 구형입자로 가정하여 구하였다. Fig. 5 (a)를 보면, 담배입자의 개수농도는 약 100 nm에서 피크농도 를 나타내고, PAS의 경우 최소 측정입경이 0.25 µm이 므로 피크가 나타나지 않고 입경이 작아질수록 농도가 높아지는 경향을 나타낸다. Fig. 5(c)를 보면, 담배입자 의 질량농도는 약 200 nm에서 피크농도를 나타낸다.
현재 “다중이용시설 등의 실내공기질관리법”에서 입
자를 미세먼지(PM
10) 농도로 관리하고 있고, PAS가
0.25 µm 이상의 입자를 측정하지만 자체적인 노하우를
기반으로 PM
10정보를 제공하고 있으므로, 실내공간의
PM
10오염도 수준을 파악하는데 PAS가 많이 사용되고
있다. PAS 측정기는 일반 대기 중 PM
10농도를 잘 추
정할 수 있도록 설정되어 있으므로, 흡연실처럼 특정
크기의 입자가 많은 경우 PAS가 제공하는 PM
10농도
가 실제와 크게 다를 수 있다. 이에 따라 본 연구에서
는 Nanoscan과 PAS로 측정한 10~310 nm와 0.3~10
µm 범위의 입자 개수농도를 입경채널별 대표 입경을
기준으로 밀도가 1 g/cm
3인 구형입자로 가정하여 구한
총 질량농도와 PAS에서 제공한 PM
10농도를 비교하여
Fig. 6 에 나타냈다. PM
10농도는 0.3~10 µm 입자의 질
량농도에 비해 2.3배 정도 높으나 변화 경향이 매우 유
사함을 알 수 있다. 10~310 nm 입자의 질량농도는 초
기에 PM
10농도에 비해 낮으나, 흡연 후 일정시간이
경과하면 PM
10농도와 비슷하고 피크농도는 더 높아
지는 경향을 나타낸다. 또한, 개수농도로부터 환산한
Fig. 5. Particle size distributions during the 15-20 min.
질량농도의 합은 흡연 초기에는 PM
10농도와 유사하 나 일정시간이 경과하면 PM
10농도보다 훨씬 높아진 다. 이것은 앞에서 언급한 바와 같이 흡연실에서 안정 된 상태의 담배연기의 크기가 약 100 nm로 PAS에서 측정할 수 없는 크기이므로 PM
10농도를 낮게 추정하 는 것으로 판단된다. 따라서 PAS로 PM
10농도를 측정 할 경우 측정대상 입자의 크기를 고려하여 적합성 여 부를 사전에 검토할 필요가 있다.
Nanoscan 과 PAS로 측정한 개수농도로부터 질량농 도를 추정하여 흡연 전후 시간경과에 따른 농도 변화 를 Fig. 7에 나타냈다. 질량농도는 뚜렷한 변화 경향을 나타내지 않지만, 오염도가 일정한 구간에서 300~500 µg/m
3범위로 매우 높음을 알 수 있다.
4. 결 론
최근 삶의 질 향상과 건강에 대한 관심의 증가로 모 든 건물에서 금연을 실시함에 따라 흡연실의 수요가
준에서 20~30분까지 비교적 안정적으로 농도가 유지 된 후 감소하는 경향을 나타내었다. 흡연 시 생성되는 담배입자는 대부분 약 100 nm로 매우 작고, 흡연이 시 작되면 10~420 nm 범위인 입자의 개수농도는 최대 176,000~1,115,000 particles/cm
3로 매우 높아지며, 0.25~
32 µm 범위인 입자의 개수농도는 최대 3,700~5,200 particles/cm
3로 높아진다. 흡연 초기의 입자 발생 패턴 은 일정하지 않지만 10분 정도 경과하면 매우 일정한 농도 수준을 나타낸다. CO와 입자 모두 흡연 초기에 불안정한 발생 경향을 나타내지만 어느 정도 시간이 경과하면 흡연실 내 균일하게 확산되어 거의 일정한 농도 수준을 유지하는 패턴을 나타내었다. 단, 이러한 특징은 사람이 흡연한 것이 아니고, 흡연기의 높이도 50 cm 로 낮아 실제 사람들이 흡연한 경우의 오염 패턴 과 다를 수 있다.
본 연구에서는 국산담배를 사용하여 흡연 시 흡연실 내 입자 및 CO의 오염 특징을 실험적으로 조사한 사 례를 보고하였다. 흡연실 내 공기질을 쾌적하게 유지하 기 위하여 환기나 공기정화의 용량 설정 또는 오염도 저감 효과를 사전에 파악하기 위하여 다양한 흡연 조 건을 모사하는 연구들이 추가적으로 수행될 필요가 있 다고 생각된다.
감사의 글
이 논문은 미래창조과학부의 재원으로 한국연구재단 의 지원을 받아 수행된 연구(2015, 특화전문대학원 연 계 학연협력지원사업)이며, 이에 감사드립니다.
References
