개념 한 쪽
공기 중 분진은 입경에 따라 침착 위치와 건강영향이 달라지므로 입자 크기 분류와 분포 분석이 중요하다. 입자별 포집 메커니즘, 침강속도 계산법, 그리고 입경별로 분리·포집하는 장비를 정확히 이해해야 한다. 시험에서는 간편식과 기준 컷오프 값을 적용한 계산과 기기 기능 구별을 묻는 문제가 흔하다.
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출제기준 단원 「입경 분포 분석」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 침강속도 계산 | 1 | 간편식 또는 Stokes 법칙을 적용해 침강속도를 산출하기 |
| 입자 분류 기준값 판별 | 1 | ACGIH의 흉곽성·호흡성 컷오프 입경을 구분하기 |
| 입경별 분리기기 식별 | 1 | 입경별 분리 포집 기능을 수행하는 장비를 고르기 |
입자의 공기동력학적 직경에 따라 흡입성, 흉곽성, 호흡성으로 분류하며 각 범위는 침착 부위와 관련된 기준값을 가진다. ACGIH 기준에서 흉곽성(Thoracic)은 10μm 이하, 호흡성(Respirable)은 4μm 이하로 정의한다. 이 수치들은 입자가 기도 어느 부위까지 도달하는지를 나타내는 컷오프 값으로 사용한다.
입자 크기별 포집 메커니즘은 크기에 따라 우세한 현상이 달라진다. 매우 작은 입자 영역에서는 Brownian 운동에 의한 확산(diffusion)이 주요 포집 기전으로 작용하고, 중간 크기 영역에서는 간섭(interception)이, 큰 입자 영역에서는 관성 충돌이 우세하다. 특히 약 0.3μm 부근에서 가장 낮은 포집 효율을 보이므로 해당 범위를 주의해야 한다.
침강속도는 입경의 제곱에 비례하고 입자 비중의 영향을 받으므로 간단한 근사식이나 Stokes 법칙을 적용해 계산한다. 산업위생 분야의 간편식으로 침강속도 V(cm/sec)=0.003×입경(μm)²×비중을 사용하며, 이를 통해 실무형 계산을 빠르게 수행할 수 있다. 보다 엄밀한 계산은 Stokes 법칙 v = g d²(ρp-ρf)/18μ 형태를 사용하되 단위 변환과 상수값 적용에 유의해야 한다.
입경 분포 분석을 위해서는 입경별로 분리·포집하는 장비를 사용한다는 점을 기억해야 한다. 다단계로 입자를 분리·포집하는 장비로 캐스케이드 임팩터(cascade impactor)가 있으며, 이는 각 단계에서 다른 크기 이상의 입자를 단계별로 포집하여 분포 분석에 적합하다. 사이클론과 임팩터는 설계 목적과 성능 차이가 있으므로 장비의 특징을 구별할 필요가 있다.
입경 18μm, 비중 1.2인 입자의 침강속도를 산업위생 간편식 V=0.003×d²×SG에 대입하여 계산하면 다음과 같이 수행한다. 먼저 d² = 18² = 324이고, 0.003×324 = 0.972이며 여기에 비중 1.2를 곱하면 1.1664가 되어 약 1.17cm/sec로 정리한다. 이 계산은 소수 둘째 자리에서 반올림하여 표기하는 유형으로 출제되므로 곱셈·제곱 연산을 정확히 수행하는 것이 핵심이다.
캐스케이드 임팩터는 입경별 분리 포집을 수행하므로 입경 분포 분석 문제에서 정답으로 선택해야 한다. 반면 사이클론은 특정 컷오프를 기준으로 호흡성 분진 등을 분리하는 데 유리하며, 임팩터와 비교한 장단점을 묻는 문제에서는 목적에 따른 기능 차이를 근거로 판단해야 한다.
미국에서 사용하는 먼지수를 나타내는 방법으로서 mppcf의 단위를 사용한다. 1 mppcf는 ㎖ 당 몇개의 입자를 나타내는가?
정답 ② · mppcf는 million particles per cubic foot의 약자로, 1세제곱피트(ft³) 당 백만 개의 입자 수를 나타내는 단위입니다. 이를 미터법 단위인 ㎖(밀리리터) 당 입자 수로 환산하면, 1세제곱피트는 약 28316.8㎖이므로 1 mppcf는 약 35개/㎖(1000000 / 28316.8 ≒ 35.3)에 해당합니다.
1 mppcf는 1세제곱피트당 백만 입자로, 이를 밀리리터 단위로 환산하면 약 35개/㎖가 된다.
공기역학적 입경에 따라 분진의 크기별로 분리포집하는 기기를 무엇이라 하는가?
정답 ① · 문제는 공기역학적 입경에 따라 입자 크기별로 분리·포집하는 장비를 묻고 있다. 캐스케이드 임팩터는 여러 단계의 임팩터를 사용해 서로 다른 임팩트 컷오프 입경별로 분진을 단계적으로 분리 포집하므로 입경별 분포 분석에 적합하다.
입경별 분진 분리 포집은 캐스케이드 임팩터가 담당한다.
입자의 크기를 고려한 측정기구 중 사이클론이 입경분립 충돌기에 비해 가지는 장점이 아닌 것은?
정답 ④ · 사이클론과 임팩터(입경분급 충돌기)는 모두 입자의 크기별로 나누어 측정하는 장치입니다. 사이클론은 사용이 간편하고 입자의 되튐 손실이 없으며 별도의 코팅 처리가 필요 없다는 장점을 가집니다.
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