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연구 보고서
중장기적인 정책연구과제와 대안을 포괄적인 시각에서 이론적 · 실중적 분석을 통해 제시함으로써 연구원의 설립목표를 가장 잘 실행하고있는 보고서입니다.
나노입자 물질의 화재폭발 특성에 관한 연구(화학)
- 연구책임자
- 한우섭,한인수,이수희,이정석
- 수 행 연 도
- 2013년
- 핵 심 단 어
- 주 요 내 용
- , 1. 연구제목 : 나노입자 물질의 화재폭발 특성에 관한 연구 (Al금속입자를 중심으로) 2. 연구 필요성 및 목적 최근 나노기술의 급격한 발전으로 신규 나노물질의 개발 및 사용이 증가 추세에 있다. 나노입자 물질은 마이크론 이하의 미세 고체 미립자로서 물성 변화에 따른 화재폭발위험성이 높을 것으로 예상되지만 국내외적으로 나노 화학물질의 분진폭발특성에 관한 연구는 거의 없는 실정이다. 나노입자 물질에 의한 사고 예방을 위하여 2012년3월 나노물질 안전자료 작성지침(SDS ; Safety Data Sheet)이 ISO 나노기술위원회(TC229)의 국제표준으로 제정되었다. 나노물질 안전자료는 나노 화학물질의 제조자나 사용, 취급자 등이 나노 물질의 제조, 수입, 사용, 운반, 저장 시에 나노물질 안전자료지침(SDS)을 첨부하고 비치하여 안전성을 전달하는 수단으로 활용된다. 나노물질 안전자료지침(SDS)은 미국 산업안전보건법, EU의 REACH제도에서 화학물질의 유통 단계에서 의무적인 첨부가 요구될 것으로 예상된다. 따라서 나노물질을 취급하는 국내사업장에서는 나노 입자 물질에 의한 분진폭발 특성치 등의 안전성 자료의 확보가 필요할 것이다. 나노입자 물질과 같은 미세 분진은 일반적으로 입경의 감소와 함께 폭발 강도와 발생 확률이 증가하는데 이러한 주된 원인은 나노입자 크기의 화학물질에서는 표면적 증가에 따른 연소반응성이 높아지는 것에 기인한다. 또한 이러한 비표적의 변화 이외에도 입자 간의 흡착, 정전기 등의 다양한 물리적 요인도 증가하기 때문에 나노입자 물질의 화재폭발 위험성과 발화특성을 이론적으로 예측하는 것은 쉽지가 않다. 그러므로 나노입자 물질에 의한 화재폭발사고를 예방하고 피해를 최소화시키기 위해서는 화재폭발 특성 실험을 통한 정량적 위험성을 평가하고 안전기술자료를 확보하는 것이 우선적으로 필요하다. 이러한 안전기술 자료를 나노입자를 취급하는 관련 사업장에 제시하여 사고 예방대책에 활용될 수 있다. 최근 5년간 국내에서 발생하고 있는 분진폭발사고를 살펴보면 마그네슘, 알루미늄 등과 같은 금속분진에 의한 사고가 가장 많이 발생하고 있다. 특히 알루미늄(Al) 금속분진은 폭발위험성이 높아 사고 피해가 큰 특징을 가지고 있다. Al 분진이 급격히 산화되면 산화알루미늄(Al2O3)이 되는데 나노 입자의 산화 Al은 도료, 안료, 화장품 등의 원료로 많이 사용되고 있다. Al 분진이 나노 입자 상태가 되면 발화 위험성이 높다고 보고되고는 있지만 정량적 화재폭발 위험성에 대한 자료는 거의 찾아 볼 수 없다. 그러므로 안전한 나노 Al분진의 취급을 위해서는 실험을 통한 위험성의 조사가 요구된다. 본 연구에서는 Al 나노입자 물질의 화재폭발 특성을 실험적으로 상세히 조사하고 위험성을 평가하여 관련 사업장에서 예방대책을 강구하기 위한 안전기술자료로 활용되는 것을 목적으로 하고 있다. 실험에서는 Al분진이 마이크로 크기에서 나노입자로 입경이 감소하는 경우에 화재폭발 특성이 어떻게 변하는지를 조사하였다. 이를 위해 열중량분석장치를 사용하여 입경 크기에 따른 Al분진의 열적 분해특성 조사룰 통하여 발화온도를 예측하고자 하였으며, 부유상태에서의 폭발특성은 20 L 분진폭발실험장치를 활용하여 상세히 측정하였다. 이러한 연구를 통하여 나노물질안전자료지침(SDS)에 대비한 국내 사업장의 안전자료 제시와 나노입자 물질의 폭발특성의 측정 및 위험성평가에 관한 기술적 방법을 확보하여 관련 사업장에 대한 기술지원을 통하여 나노 Al분진의 폭발 사고 방지에 기여하고자 한다. 3. 연구내용 및 방법 (1) 국내외 나노 금속 취급 및 관련 연구조사 ○ 국내 사업장의 나노 금속분진 사용실태 조사 ○ 나노 금속분진의 화재폭발특성 선행연구 조사 (2) 연구내용 ○ 나노 화학물질의 화재폭발사고사례 및 사고원인 분석 ○ 국내 나노 화학물질의 사용 실태 조사 및 시험 분체의 선정 ○ 나노 화학물질의 폭발특성 및 발화위험성 평가를 위한 실험방법 및 장치 검토 ○ 나노 화학물질의 농도 변화에 따른 발화특성 조사 ○ 나노물질의 분진 화재폭발사고 예방대책 검토 (3) 연구방법 ○ 국내외 나노 화학물질의 화재폭발 사고 관련 문헌 조사 ○ 나노 화학물질의 발화특성을 조사하기 위한 실험장치 검토 ○ 동일 분체의 마이크론 및 나노 단위의 입경에서 화재폭발 특성 변화를 실험적으로 조사 ○ 나노 화학물질의 퇴적조건에서의 최저발화온도의 조사 ○ 나노 화학물질의 폭발특성값을 활용한 정량적 위험성평가의 검토 4. 연구결과 (1) 나노입자 입도분석장치(ZetaSizer Nano-ZS90)를 사용하여 2종의 나노 Al의 입도분포를 측정한 결과 체적 기준의 평균입경은 183 nm, 233 nm의 결과를 얻었으며, 2종의 마이크로 Al의 평균 입경은 각각 6 μm, 15 μm로 나타났다. 또한 입경 측정 결과는 TEM에 의한 입경 사진과 비교한 결과 타당한 값으로 판단되었다. (2) 퇴적 나노 Al분진(183nm, 233 nm)은 고온 분위기에서 초기에 중량이 감소하다가 발열 peak발생과 동시에 급격한 중량 증가가 발생하였다. 그러나, 마이크로 스케일의 퇴적 나노Al(6, 15 μm)에서는 산화로 추정되는 발열과 용융에 의한 흡열이 동시에 발생하면서 중량이 증가하는 경향을 나타냈다. (3) 동일 조건의 승온속도(5 ℃/min)에서 Al분진입경(183 nm, 233 nm, 6 μm, 15 μm)에 따른 중량개시온도는 각각 380, 450, 540, 560 ℃로서 승온속도가 일정한 조건에서 입경의 증가는 중량개시온도의 증가로 나타났다. 이러한 결과로부터 퇴적 나노Al의 입경이 감소할수록 발화온도가 감소하는 것으로 추정 된다. (4) 퇴적 분진층 조건에서 Al분진 입경이 감소할수록 중량증가가 급증하였으며 이러한 경향은 승온속도(5, 10, 20, 30 ℃/min)에 관계없이 나타났다. 이러한 결과로부터 입경의 감소가 산화반응속도에 큰 영향을 주는 것을 알 수 있었다. (5) 공기중 승온속도를 5, 10, 20, 30 ℃/min으로 변화시키는 조건에서의 나노 Al 분진의 중량개시온도를 조사한 결과, 입경 183 nm에서는 각각 380, 400, 410, 430 ℃로 나타났으며, 233 nm에서는 각각 450, 470, 480, 500 ℃가 얻어졌다. 승온속도의 증가에 따라 중량개시온도는 증가하는 경향을 나타냈다. (6) 입경(183 nm, 233 nm, 6 μm, 15 μm)에 따른 Al 폭발하한농도(Cmin)는 각 각 60, 60, 30, 30 g/m3이 얻어졌다. Al 입경이 마이크로 단위에서 나노 크기로 감소하면 Cmin은 증가 경향을 나타냈다. 마이크로 Al에서는 입경이 감소하면 Cmin은 감소하였으나, 나노 Al에서는 입경이 감소하여도 Cmin은 감소 경향을 나타내지 않았다. 나노 Al에서 입경 감소에 따른 영향이 작은 원인으로서는 입자 간의 정전기 발생 및 흡착 등이 증가하여 분진 비표면적의 증가가 마이크로 단위의 Al분진보다 크지 않거나 상대적으로 작기 때문인 것으로 추정된다. (7) 입경(183 nm, 233 nm, 6 μm, 15 μm)에 따른 최대폭발압력(Pmax)은 각각 9.8, 9.6, 9.9, 7.3 bar가 얻어졌으며, 최대폭발압력상승속도[(dP/dt)max]는 1116, 839.3, 1426.7, 225.1 [bar/s], 폭발지수(Kst)는 302.9, 227.8, 387.3, 61.1[m？bar/s]로 나타났다. Al 183 nm, 233 nm 및 6 μm의 분진폭발등급은 3등급(St 3)에 해당되는 매우 강한 폭발성을 가지고 있다. (8) Al 분진의 입경(183 nm, 233 nm, 6 μm, 15 μm)이 증가하면 분진의 연소시간(t1)이 63, 111, 176, 245 ms로 증가하였다. 이러한 경향은 분진의 연소 반응속도를 저하시켜 최대폭발압력상승속도[(dP/dt)max] 및 폭발지수(Kst)의 감소로 나타나는 것으로 판단된다. (9) Al 분진폭발로 인한 피해예측을 위하여 제안한 화염전파속도(Flame velocity, Vf)의 추정식 (Vf = V1/3？[(dP/dt)m / Pm ])을 사용하여 계산한 결과, 입경 183 nm, 233 nm, 6 μm, 15 μm에서의 최대화염전파속도는 각각 32.3, 25.3, 42.7, 8.9 m/s가 얻어졌다. (10) 투과형 전자현미경(TEM)에 의한 나노Al입자의 응집성이 높은 것으로 관찰되었으며, 이러한 분체 특성이 분진폭발성에 영향을 주었을 것으로 추정되었다. 5. 활용방안 및 기대성과 (1) 나노 화학물질 취급 사업장에 대한 안전정보기술을 제공하고 공단 지도원을 통한 관련 사업장의 안전교육 및 폭발사고조사 시에 활용 (2) 나노 화학물질의 화재폭발특성과 안전대책에 대한 내용을 안전기술자료를 관련 사업장의 안전대책 개선에 필요한 근거 자료 제시 (3) 나노 화학물질의 폭발특성의 측정기술 및 위험성평가기법을 활용하여 사업장에 대한 위험성평가보고서 작성에 활용하여 나노 화학물질의 화재폭발사고 저감에 기여 6. 중 심 어 알루미늄 분진, 나노 입자, 분진폭발, 폭발압력, 폭발하한농도, 화염전파속도 (Aluminium dust, Nano particles, Dustt explosions, Explosion pressure, Lower explosion limit, Flame velocity) 7. 참고문헌 및 연락처 - 참고문헌 한우섭 등, 부유성 금속분체의 발화위험성 연구, 2012-연구원-920, 한국산업안전보건공단 산업안전보건연구원 (2012) Bouillard J., Vortrag Nanosafe Konferenz Grenoble, Afsset Rapport, ;2008:2006-006. Eisenreich N. 2008: Safety aspects and approaches for fire hazard classification of metal nanopowders, International Annual Conference of ICT, ;2008:55(1)-55(8). Marmo, L., Cavallero, D., Debernardi, M.L., Aluminum dust explosion risk analysis in metal workings, J. of Loss Prev. in the Process Ind.,;2004:17:449-465. Gascoin, N., Gillard, P., Baudry, G., Characterization of oxidized aluminum powder: Validation of a new anodic oxidation bench, J. Hazard. Mater.,;2009:171:348-357. ▶ 연구책임자：화학물질센터 한우섭 연구위원 ▶ 연구원 담당자：산업안전보건연구원 화학물질센터 한우섭 연구위원
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