유해화학물질 노출 시 인체 제독을 위한 중화 장치의 개발 및 효과 검증
Development and Verification of the Effectiveness of Neutralization Devices for Human Body Detoxification in Cases of Hazardous Chemical Exposure
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Abstract
최근 크고 작은 화학사고의 발생에 따른 예방 및 대응에 관심이 높아지며 관련 연구들이 진행되고 있으나 사고 시 직접적으로 노출될 가능성이 높은 근로자들이 우선적으로 대응할 수 있는 방안은 부족한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 사고 발생 시 근로자가 노출된 화학물질을 신속하게 제독할 수 있는 중화 장치의 개발과 검증을 실시하고자 한다. 전신이 염산(10%)에 오염되었을 경우 15 s, 20 s에서 각각 80%, 90% 이상의 제독력을 확인할 수 있었다. 이러한 중화 장치의 개발은 화학사고 시 인명피해를 감소시킬 수 있는 안전장치로 작용할 수 있을 것으로 판단된다.
Trans Abstract
Large and small chemical accidents have recently increased interest in prevention and response, and associated research continues. However, there are limited ways for workers who are likely to be directly exposed to accidents to protect themselves. Therefore, the purpose of this study is to develop and verify a neutralization device that, in the event of an accident, employees exposed to chemicals can use straight away. In the 15 s, 20 s, respectively, decontamination of 80% and 90% or higher was confirmed when the whole body was contaminated with hydrochloric acid (10%). In the case of a chemical accident, it is believed that the development of such a neutralize device could serve as a safety device to lessen human damage.
1. 서 론
2012년 경상북도 구미에서 발생한 불화수소 누출로 23명의 사상자 발생과 산단 인근 지역의 주민 및 농작물, 가축까지 광범위한 범위에 걸쳐 막대한 피해가 발생하였다. 이를 계기로 정부는 기존 시행되고 있던 ｢유해화학물질관리법｣의 문제점을 보완하기 위해 ｢화학물질관리법｣과 ｢화학물질의 등록 및 평가 등에 관한 법률｣로 전면 개정하였다(Kim et al., 2019). 또한, 화학사고 예방관리계획서를 통해 인적 피해 예방과 사업장에서의 잠재적 위험성을 사전에 평가하여 비상대응 체계를 마련하고자 하였다(Lee, 2022).
Table 1에서 법 개정 이후 2015년 114건, 2016년 78건, 2017년 88건, 2018년 66건, 2019년 57건으로 감소하는 추세를 보였으나 2020년과 2021년 각각 75건과 93건의 사고 건수를 기록하며 다시금 증가하였다. 특히 2020년의 사고 건수는 2019년도 대비 32% 가량 증가했으며 인명피해 또한 2019년 32명에서 61명으로 2배 가까이 늘어나 2015년 129명 이후 가장 많은 피해를 기록하였다(Jeon et al., 2021).
Statistics by Year of Chemical Accidents
2017년부터 2022년 상반기(5월)까지 64개의 한국 산업단지공단 관할 산단에서 발생한 약 70%의 중대재해가 40년 이상 된 노후산단에서 발생한 것으로 나타났다. 이처럼 우리나라 화학산업의 성장과 함께 노후화된 시설 등으로 인한 사고 위험성이 증대되고 있다. 위와 같은 화학사고 대응을 위해 화학재난 합동방재센터를 설치하여 운영하고 있으나 1개소에서 많은 시⋅군을 담당하는 어려움과 물리적 거리로 인해 골든타임(30분)을 지키지 못하는 경우가 다수로 2019년 전국의 화학사고 57건에 대한 출동소요시간은 평균 1시간이 소요된 것으로 나타났다(Kim et al., 2020).
이처럼 화학사고 발생 시 유관기관이 도착하기까지 유해화학물질에 노출되는 시간을 최소화하기 위한 시설물 또는 하드웨어적 장치가 요구되는 실정이다. 따라서, 본 연구에서는 화학사고 발생 시 유관기관 도착 전 1차적인 대응과 제독으로 근로자의 안전을 도모하기 위해 중화 장치의 기계적 요구 성능을 정립하고 이에 대한 효과 검증을 진행하고자 한다.
2. 선행연구 검토
Cho et al. (2021)은 국내 화학사고 조사분석을 통해 효율적 대응 방안을 연구하고자 하였다. 화학사고 특성 분석결과 2020년 기준 국내 화학사고의 경우 8월(38건), 6⋅7월(각각 24건)로 주로 기온이 높은 여름날에 집중되는 것으로 나타났다. 주된 문제점으로 설비의 체계적인 관리 소홀을 도출하였으며 이에 대한 대책으로 시설점검, 안전의식 개선, 현장 대처 가능 매뉴얼 작성을 제시하였다.
Lee et al. (2022)은 유해대기오염물질 우선순위 모니터링 지역 선정 기법을 개발하였다. 이는 지리정보시스템을 이용하여 유해대기오염물질농도, 대기 배출량, 배출원별 기여도, 인구밀도의 상세 분포 지도를 작성하였고 항목별 분포지도를 격자화한 후, 항목별로 표준화 점수를 산정하여 상위 격자를 파악하였다. 위와 같은 우선순위 모니터링 지점 선정기법의 적절성을 평가하고 보완하기 위해 현장 모니터링을 실시하였다.
Kim et al. (2022)은 빅데이터 플랫폼과 화학물질 사고 현황 및 사례를 기반으로 화학물질 사고원인 및 사고유형 등의 특성 분석 연구를 진행하였다. 총 8년(‘14~‘18년) 동안 발생한 화학사고 정보 데이터를 활용하여 화학물질 사고원인 및 사고유형 등에 대하여 분석하고 화학물질 사고의 특성에 대한 결과를 도출하였다. 그 결과 시설 결함이 267건으로 가장 많은 수를 차지하여 사업장의 시설 노후 개선과 주기적 안전점검으로 화학 사고 예방을 강조하였다.
James et al. (2022)은 화학사고 발생 시 오염부위를 물과 비누로 세척하는 일반적인 제독방식의 위험성에 대하여 기존 문헌들을 분석하고 논의하였다. 분석결과 세척으로 인한 위험을 크게 6가지의 위험으로 구분하였으며 세척 시 화학물질의 피부 침투 위험성이 향상하고 사망 및 질병률이 증가할 가능성이 높음을 도출했다. 또한, 다양한 유해화학물질에 대해 물과 비누로 씻어내는 세척이 아닌 적절한 제염방식으로 인명피해를 감소시켜야 함을 강조하였다.
Raja et al. (2019)은 화학 공정에서 가연성 액체가 유출될 경우 최대 면적을 예측하고자 하였다. 이를 위해 기존 개발된 6개의 모델을 분석하였으며 그중 가장 적은 오차범위의 Meel and Khajehnajafi (2012) 모델을 연료 누출에 의한 면적 예측 모델로 선정하였고 해당 모델이 가중치와 보정계수를 추가하여 연료 누출 면적의 신뢰성을 증가시키고자 했다.
Thors et al. (2017)은 신경계 독성 물질 VX에 인체의 피부가 노출된 후 제독제의 효과를 평가하고자 RSDL, Fuller’s Earth, alldecontMED, Pas104 제독제 4개의 효과를 분석하였다. 그 결과 반응성 피부제독 로션(RSDL)이 가장 큰 제독효과를 보이는 것으로 나타났으며 물에 20%까지 희석하여 사용하여도 피부를 통한 VX의 오염을 감소시키는 것으로 분석되었다.
최근 국내의 화학 사고가 증가함에 따라 관련 연구가 활발히 진행되고 있으나 피해 영향 범위 산정과 주민대피 지원 등의 매뉴얼 및 체계에 대한 연구로서 직접적인 피해의 대상인 근로자에 대한 연구는 부족한 실정이다. 또한, 일반적으로 권장되는 인체 제독방법인 물과 비누로 오염부위를 세척하는 방안은 화학물질의 피부 침투를 증가시킬 위험성이 존재하여(Chiang et al., 2022; Kashetsky et al., 2022) 제독약품을 활용한 제염방안이 필요하다 사료 된다. 화학사고는 비가시성, 유해성, 확산성, 잔류성의 특성으로 인해 화학물질 노출 시 치명적인 영향을 줄 수 있어 신속한 대응이 필요하다(Son and Lee, 2018). 그러나 현재 화학사고 발생시 대응 매뉴얼의 다수는 화학사고 발생에 따라 유관기관의 초동대응 방안을 토대로 작성된 매뉴얼로 실제 근로자 피난 시 화학사고 노출을 최소화하기 위한 인프라 및 기술이 부족하여 실제 사고 발생 시 이동과정에서의 인명피해 확산 등이 우려된다. 따라서 본 연구에서는 제독약품을 활용한 분사장치 기술의 개발로 신속성이 요구되는 화학사고에서 근로자의 골든타임을 확보하고 인명피해를 감소시키고자 한다.
3. 실험장치 제작 및 설계
3.1 인체 제독을 위한 제독제 선정
현재 국내 화학사고 대응에 일반적으로 사용되는 제독약제(DS-2)의 경우 미국에서는 사용이 제한된 약품으로 인체 유해성 및 금속 부식성이 있는 약품이다. 독성으로 인해 용액 취급 시 방독면 등의 보호장비를 착용해야 하고 금속 부식성으로 제독작업 30분 뒤 물로 세척이 필요하다. 개인제독제(KD-1)키트의 경우 패드 형태로 노출된 부위를 두드리고 문질러 사용하는 방식이다. 그러나 주로 화학테러 및 화생방에 대응하기 위한 군사용으로 활용되어 개인에 대한 유해화학물질 제독에 적용되기에는 어려운 실정이다.
유럽의 일부 국가에서는 분말 형태의 흡착제인 Dutch Powder와 Fuller’s Earth가 사용되고 있으며 이는 건조하고 독성이 없어 흡착하여 제독을 진행할 수 있는 약품이다. 주로 화학작용제 제독에 사용되며 물 또는 다른 제독제를 사용할 수 없는 영하의 날씨에 사용된다. 캐나다에서 개발된 반응성 피부 제독 로션(Reactive Skin Decontamination Lotion, RDSL)은 스펀지 패드에 제독액을 적셔 피부에 직접적으로 사용하는 형태로 유기인 신경작용제와 같은 군사용 화생작용제들에 효과가 있는 것으로 나타났다(Elsinghorst et al., 2015).
본 연구에서는 방호복을 착용하지 못한 근로자가 긴급하게 피난한다고 가정하였을 때 닦아내거나 흡착하여 사용하는 것이 아닌 신속하게 씻어낼 수 있는 형태의 제독약제 선정이 필요하다고 판단되어 Easy Decon DF-200을 적용하고자 하였다.
대부분의 화학물질에 대해 효과적인 용액인 DF-200은 생화학 및 방사능 제독제로 알려져 있으며 운반 및 보관에 위험하지 않아 화학사고 시 초동대처 약품으로 적합하다 판단했다. DF-200은 약품 3개를 혼합하여 사용하는 액체형태의 제독제로 노즐 종류에 따라 살수 및 폼 형태로 사용이 가능하나 살수 형태의 경우 살포 시 제염액이 흘러내려 많은 양을 소모하게 되고 효과가 감소하여 포 형태의 분사를 권장하기에 장치는 포 형태에 적합하게 설계하였다.
3.2 노즐 선정을 통한 최적 분사각 및 거리 산출
중화 장치를 설계 이전 우선적으로 약제 분사를 위한 노즐 선정 및 특성반영을 위한 분사각과 최대 분사거리를 산출하였다. 노즐의 경우 폼(form) 형태를 위해 일반적으로 사용되는 Fig. 1(a)의 포워터스프링클러헤드를 사용했으나 약제송출장치에 비하여 유량이 커 제독을 위한 최소시간을 충족시키기에 어려움이 있었으며 분사 형태 또한 포로 분사되지 않았다. 따라서 본 연구에서는 일반 포노즐이 아닌 Fig. 1(b)의 원형 전면형 스프레이 형상의 스프레이 노즐을 채택하여 실험을 진행하였다.
Nozzle
선정된 노즐의 분사각과 최대 분사거리 분석을 위해 노즐을 수평으로 고정 후 영상분석을 진행하였으며 제독제 분석 시 흰색을 띠는 포의 특성을 적용하여 블랙라이트를 사용해 분석하였다.
그 결과, 물과 제독제의 분사각도는 Fig. 2에서 각각 50°, 40°로 분석되었으며 약제의 경우 물에 비해 분사각도가 약 10° 가량 감소하는 것으로 나타났다.
Angle Analysis for the Nozzle Injection
물과 약제의 최대 분사 거리는 Fig. 3과 같이 각각 3.2 m, 2.4 m로 분석되었다. 점도가 있는 약제의 경우 물에 비해 약 0.8 m 감소하는 차이가 발생되는 것으로 측정되었다.
Max Spray Distance of the Nozzle
3.3 인체 제독을 위한 중화 장치 설계
폼형 제독제의 분사를 위해 약제혼합장치와 분사장치의 설계를 Fig. 4와 같이 진행하였다. 제독약제로 선정한 Easy Decon DF-200은 Part1 (계면활성제), 2 (과산화수소), 3 (다이아세틴, 혼합촉매제)로 구성되어 있고 혼합될 시 8시간 이후부터 고체화가 진행되는 특성상 약제 투입구 및 보관함의 경우 각각 별도의 통으로 구성하였다. 이후 Table 2의 순서로 각 용액함에서 공기압을 통해 약제가 보관함에서 혼합함으로 이동하여 혼합이 이루어지도록 하였으며 에어펌프(컨프레셔)로 압력을 가해 송출장치로 이동하도록 설계하였다. 송출장치와 분사장치를 연결하는 배관에 솔레노이드밸브를 설치하여 가압된 혼합약제의 분사가 진행되도록 했다.
Design of the Decontamination Mixing Device
Operation Procedure of the Decontamination Mixing Device
배관의 경우 양 끝단 노즐의 압력손실 우려로 가지배관의 형식이 아닌 Fig. 5와 같이 각각의 고무 튜브를 노즐에 직접적으로 연결되어 분사되도록 했다.
Connection Between the Nozzle and the Decontamination Mixing Device
분사장치 프레임의 경우 Fig. 6과 같이 제작되었고 키 180 cm의 성인이 서서 제독을 실시하는 경우를 가정하여 폭 1,800 mm, 높이 2,200 mm로 제작하였다. 또한, 하향식 노즐이 수직으로 설치될 경우 노즐의 분사 압력이 측면 노즐의 분사를 방해하는 것을 확인 후 이를 개선하기 위해 사선으로 배치하였다.
Operation Procedure of the Decontamination Spray Device
앞서 실행한 노즐 분사각(40°)을 적용하여 성인 남성 기준 인체 전신의 제독을 위한 분사 장치의 경우 상부 2개, 측면 4개로 총 6개의 노즐을 적용하였다.
4. 중화효과 분석
4.1 시편 분석 방법
제작된 중화장치의 인체의 분사효과 검증을 위해 제독 범위 및 효과 분석을 실시하였다. 오염 및 중화효과에 따른 pH값 변화 영상분석을 통해 분사효과를 검증하고자 마네킹에 시편(100 mm × 100 mm) 100개를 부착하는 실험을 구상하였다. 시편의 경우 비교적 면적이 작은 머리는 제외하였으며 서 있는 자세를 유지할 때 노출되어있는 부분을 중심으로 시편을 부착하였다. 각 부위당 시편은 Fig. 7의 구성과 같이 팔(20개), 다리(40개), 몸(40)으로 산성, 염기성 물질이 닿을 시 변색이 되도록 BTB용액을 염색하였다.
Composition of the Experimental Samples
실험의 경우 최악의 상황을 가정하여 유해화학물질 노출 시 시편 전체가 오염됨을 가정하였고 산성으로 인체에 악영향을 미치는 일반적인 유해물질인 염산(10%)을 오염물질로 선정하였다.
마네킹에 부착된 시편 전체에 염산(10%) 200 ml를 도포하여 시편 100개가 빠짐없이 오염될 수 있도록 하였다. 이후 제독제인 DF-200을 최소 제독 완료 시간 도출을 위해 5 s 간격으로 20 s까지 분사 후 시편의 pH 농도를 분석하였다.
pH 측정의 경우 Fig. 8의 순서로 영상분석 프로그램의 natural break 기능을 이용해 주변 환경(시간, 온도)으로부터 영향을 최소화 했다. 중화가 되었다고 판단할 수 있는 값인 pH 7을 기준으로 분석하기 위해 각 시편을 rasterisation하여 중화효과와 경계구분을 실시하였다. 유사한 색상에 따른 각 시편의 경계 구분을 위해 rasterisation된 시편을 영상분석프로그램의 natural break를 이용하여 1차적 분류 후 gray scale로 변환하여 pH 분류를 하였다.
Image Analysis Method for Determining Neutralization Range
이후 범위 경계를 도형으로 변환하는 과정인 Polygon화를 통해 오염의 농도별 경계범위의 면적과 전체 오염범위 대비 중화면적(%)을 도출하였다. 제독이 완료되었음을 판단하는 중화면적(%)의 기준은 인명피해가 우려되는 화학사고의 특성상 신속하게 다수의 피난자를 제독하기 위해 80%와 90%의 중화면적이 도출되는 시간을 최적 분사시간으로 채택하고자 하였다.
4.2 장치의 분사 시간 및 거리에 따른 중화 효과 분석
중화 장치의 분사 시간에 따른 중화효과 분석을 위해 시편 전체에 염산(10%) 200 ml를 오염시킨 후 제독제를 5 s 간격으로 분사하는 실험을 5회차 반복하여 진행하였다. pH 분석을 위한 Range 값은 10가지 단계로 나눠 중화면적(%)을 도출하였다.
본 연구에서 제독이 되었음을 판단하는 기준은 선행연구에서 중화작용이 일어난 것으로 검증된 Break Values (0~225) 범위 내의 175 gray pixel value 지점을 지정하여 분석하였고(Kang, 2022) 이후 도출된 pixel을 각각의 경계에 따른 비율(%)로 정의하여 Table 3과 같이 정의했다.
Decontamination Area of Easy Decon DF-200 according to the Injection Time of 1800 mm Wide Device [Unit : %]
평균적으로 5 s에서 제독면적이 약 18%를 나타내며 미비한 중화작용을 보였으나 10 s, 15 s에서 각각 약 46%, 82%로 급격한 중화반응이 일어나는 것으로 분석되었다.
시간에 따른 중화 효과 분석 결과 15 s 분사 시 80% 이상의 제독효과를 보이며 20 s 분사 시 90% 이상의 제독효과를 보이는 것으로 나타났다. 따라서 노출시간을 최소화해야 하는 화학사고 발생 시 해당 분사 장치를 적용할 경우 15 s, 20 s의 분사 시간이 적합하다 판단하였다.
최적 분사 시간(15, 20 s) 도출 후 약제의 최대 분사거리인 2,200 mm를 기존 장치에 적용하여 중화 장치의 분사 거리에 따른 중화효과를 분석했다.
위와 같은 실험 진행을 위해 제독제의 최대분사거리를 적용한 폭 2,200 mm, 높이 2,200 mm로 기존 장치의 폭을 조정하였으며 분사 시간 15 s, 20 s을 적용하여 각각 5회차 반복하여 실험을 진행하였다.
그 결과, Table 4의 15 s, 20 s에서 각각 평균 80%, 90% 이상의 제독면적으로 최대이격폭 적용 시에도 동일한 중화효과를 보이는 것으로 분석되었다. 따라서 본 연구에서 진행된 실험들을 바탕으로 해당 분사장치의 경우 최소 1,800 mm에서 최대 2,200 mm까지의 이격폭을 적용할 수 있음을 도출하였다.
Decontamination Area of Easy Decon DF-200 according to the Injection Time of 2200 mm Wide Device [Unit : %]
시간 초당 제독장치의 중화면적을 구함으로써 본 장치가 화학물질에 오염된 인체를 중화시키는데 있어 효과가 있음을 확인하였다. 또한, 분사장치 노즐의 최대 분사 거리 적용 실험을 통해 분사장치 제작 시 노즐의 분사거리를 적용할 수 있음을 확인하였다.
5. 결 론
지속적으로 성장하는 추세의 국내 화학산업과 함께 크고 작은 유해화학물질 사고 또한 증가함에 따른 예방 및 대응의 중요성이 주목받고 있다. 이에 화학사고에 대응하기 위한 방안들과 예방, 대책들이 연구되고 있으나 직접적인 현장에 노출될 수 있는 근로자들이 1차적으로 대응할 수 있는 방안은 부족한 실정이다.
따라서, 본 연구에서는 사고 현장에서 근로자 대피 시 즉각적인 대응으로 노출된 화학물질을 신속하게 제독하기 위한 중화 장치의 제작 및 중화효과를 분석하였다.
인체와 장비에서 혼용이 가능한 Easy Decon DF-200 제독제를 선정하였고 장치를 제작하기 위해 노즐의 분사각(40°) 및 최대분사거리(2,200 mm)를 도출하였다. 이를 적용한 제독제 혼합장치와 분사 장치를 설계 및 제작하였으며 해당 장치의 최적 분사 시간을 도출함으로써 효과를 검증하였다.
최소 분사시간의 경우 개개인의 정밀한 완전제독이 아닌 짧은 시간 안에 다수의 인원이 적용 가능한 긴급제독을 적용하였다. 장치 검증의 경우 염산(10%)을 적용하여 5회차 실험을 진행한 결과 최소 분사 시간인 15 s, 20 s에서 각각 평균 80%, 90% 이상의 제독력을 기대할 수 있는 것으로 판단하였다. 또한, 노즐의 최대 분사거리(2,200 mm)를 적용하여 기존 중화 장치와 동일한 제독효과를 검증하는 실험을 각각 5회차씩 진행하였다.
그 결과 평균적으로 15 s에서 83.642%, 20 s에서 93.608%의 제독 면적으로 기존 장치와 동일한 80%, 90% 이상의 제독효과를 보이는 것으로 분석되어 중화 장치 너비의 경우 최소 1,800 mm에서 2,200 mm까지 적용이 가능함을 도출하였다.
본 연구에서는 제독제의 경우 Easy Decon DF-200만을 적용하여 실험이 진행됨과 노즐의 분사실험의 경우 최소 거리와 최대 거리만으로 한정되었다는 한계점이 존재하며 다양한 유해화학물질 중 염산(10%)을 연구범위로 한정하였으나 지정가능한 유해화학물질에 따라 약제의 최적 분사 시간이 다르게 도출될 수 있다.
그러나 중화 장치의 개발 및 중화 효과 분석을 기반으로 차후 중화 장치의 설계에 있어 기초연구로 활용할 수 있다 사료되며 유관기관이 사고지점에 도착하기 전까지 근로자들의 긴급제독을 통해 인명피해를 감소에 도움을 줄 수 있을 것으로 기대한다.
감사의 글
본 연구는 국토교통부 국토교통기술사업화지원사업의 연구개발비지원(22TBIP-C162427-02)에 의해 수행되었습니다.