개념 한 쪽
공기 중 오염물질은 기체 상태와 입자 상태로 나뉘며, 입자상 물질은 흄·더스트·미스트 등으로 분류한다. 입자의 크기와 밀도는 침강속도에 영향을 주므로 스토크스 법칙으로 계산하여 작업환경 평가에 활용한다. 국제 분류나 계급(예: ACGIH 발암성 분류)은 유해성 판단에 중요한 기준이 된다.
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출제기준 단원 「입자상 물질의 모양 및 크기」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| ACGIH 분류 의미 판별 | 1 | ACGIH 발암성 등급 A4의 정의를 고르기 |
| 상태별 명칭 구분 | 1 | 증기와 흄·미스트·더스트의 구분을 묻기 |
| 침강속도 계산 | 1 | 주어진 입경과 비중으로 스토크스 법칙 적용해 속도 구하기 |
공기 중 오염물질의 상태 구분에서 '증기(vapor)'는 상온·상압에서 액체 또는 고체가 휘발하거나 승화하여 기체 상태로 존재하는 것을 말한다. 산업위생 분야에서는 고체의 승화로 생성된 기체 상태도 폭넓게 증기로 분류하는 경우가 있으므로 문맥에 따라 정의를 확인해야 한다.
입자상 물질은 공기 중에 고체나 액체의 미세 입자가 부유하는 상태를 의미한다. 전형적인 예로 흄(fume)은 금속 가열 등에서 생성된 미세 고체 입자이고, 더스트(dust)는 고체 입자, 미스트(mist)는 액체 방울이 분산된 상태이다. 증기는 분자 상태의 기체로 입자상 물질과 구분된다.
입자의 크기 분류는 호흡기 침착 성향과 직접 연관된다. 역사적 기준으로 BMRC 기준은 호흡성 먼지를 공기역학적 직경 7.1μm 이하로 정의하여 폐포 깊숙이 침착할 가능성이 있는 입자를 구분한다. 따라서 측정 목적에 따라 총먼지와 호흡성 먼지 등 표준 정의를 확인하여 적용해야 한다.
입자의 침강속도는 스토크스 법칙으로 계산하는 것이 기본이다. 스토크스 법칙은 작은 구형 입자가 점성 유체 중에서 중력에 의해 떨어지는 속도를 나타내며, 입자 지름의 제곱과 입자 밀도 차에 비례하고 유체 점성에 반비례한다. 실제 계산에서는 단위 변환과 공기 점성계수 값을 정확히 사용해야 올바른 결과를 얻는다.
입자 크기 측정에서는 현미경용 눈금판(예: Porton reticle)과 같은 도구를 쓰며, 눈금 번호는 배율에 따른 환산값을 의미하므로 번호를 그대로 입경으로 해석하면 오류가 발생한다. 표준 환산표나 배율 정보를 기반으로 실제 μm 값을 산출해야 한다.
입경 10μm, 비중 1.2인 입자의 침강속도 계산 예를 보인다. 스토크스 법칙을 이용하여 V = (ρ × g × d²) / (18 × μ)를 적용한다. d를 10μm = 0.001cm로 변환하고 ρ를 비중 1.2에 해당하는 1.2g/cm³로, g를 980cm/s², 공기 점성계수 μ를 1.8×10⁻⁴ poise로 대입하면 분자는 1.2×980×(0.001)² = 0.001176이 되고 분모는 18×0.00018 = 0.00324가 된다. 이를 나누면 V ≒ 0.363cm/s가 되어 약 0.36cm/s가 침강속도라는 결과를 얻는다. 계산 시 단위 통일과 μ 값의 사용에 주의해야 한다.
다른 예로 포톤 눈금에서 번호 8의 환산값은 일반적으로 약 16μm에 해당한다는 점을 확인한다. 눈금 번호를 그대로 입경으로 보는 오류를 피하고 배율에 따른 환산을 적용해야 올바른 입경을 얻는다.
ACGIH 에 의한 발암물질의 구분기준으로 'A4'에 해당되는 것은?
정답 ③ · ACGIH에서 지정한 발암물질 등급에 따르면, A1은 '인체 발암성 확인물질', A2는 '동물발암성 확인물질이나 인체 발암성은 모름(인체 발암성 의심물질)', A3은 '동물 발암성 확인물질이나 인체와의 관련성은 알려지지 않음', A4는 '인체 및 동물 발암성 모두 분류 불가(미분류) 물질', A5는 '인체 발암성 의심 안 됨'으로 구분됩니다. 따라서 A4는 인체 발암성 미분류 물질에 해당합니다.
ACGIH 발암물질 분류에서 A4는 인체 및 동물 발암성 모두 확인되지 않아 '인체 발암성 미분류 물질'로 정의된다.
공기 중 오염물질을 분류함에 있어 상온, 상압에서 액체 또는 고체(임계온도가 25℃ 이상)물질이 증기압에 따라 휘발 또는 승화하여 기체상태로 된 것을 무엇이라고 하는가?
정답 ② · 문항은 상온·상압에서 임계온도가 25℃ 이상인 물질이 기화된 상태를 묻고 있다. 이런 경우 기체상태로 된 것을 증기라고 부르며, 미스트는 분산된 액적, 더스트는 고체 입자를 가리킨다.
임계온도 25℃ 이상인 물질이 기화된 상태는 '증기'이며, 분산된 액적은 '미스트', 고체 입자는 '더스트'로 구분한다.
입경이 10㎛이고 비중 1.2인 입자의 침강속도 [cm/sec]는?
정답 ③ · 입자의 침강속도는 스토크스 법칙(Stokes' law)을 이용하여 계산합니다. 주어진 조건에서 입경(d)은 10㎛=0.001cm, 비중은 1.2이므로 밀도(ρ)는 1.2g/㎤입니다.
스토크스 법칙 V=ρgd²/18μ에 입경 0.001cm, 비중 1.2, g=980, μ=1.8e-4를 대입하면 약 0.36cm/sec이다.
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