연기(연소생성물)의 유해성
1. 연기의 정의
1) 연소 생성물
① 연소 및 열분해에 의하여 생성되는 고체 및 응축한 액체 입자
- 크기: 0.01 ~ 10 ㎛
- 무염연소 경우 크기가 작고 (1㎛ 이내),
유염연소・불완전연소 경우 크기가 크다(1㎛ 이상).
② 연소에 의해 생성된 고온의 연소가스
2) 일반적으로 상승기류에 흡인된 공기등도 연기로 간주한다.
2. 연기의 특성
1) 특성
① 연료종류에 따라 특성이 변하며, 특유의 냄새를 갖는 것이 많다.
② 독성을 갖는 물질들이 존재
③ 탄소화합물들이 대부분으로 검은색 계통을 보여준다.
2) 유해성
① 시각적 유해성 : 가시도 저하로 Bench mark, 유도표지, 유도등에 의한 피난 방향의 확인이 어려워
피난시간 지연을 초래
② 심리적 유해성 : 생리적・시각적인 자극으로 인해 불안감・공포심 (Panic현상)을 유발시켜 판단력
저하, 심리적 위축 등 유발
③ 생리적 유해성 : CO2, CO, 산성가스 등으로 인한 중독, 호흡 장해, 심신 기능 장해 등 유발
3. 연기의 독성
1) 화재 시 유해가스 발생 상황
① Flashover 직후 산소 농도는 약 2%로 저하, CO2농도는 최고 15%까지 증가, CO는 최고 6%까지 상
승 가능
② 화재 초기에는 CO가 가장 위험한 독성 가스이고 Flashover 이후에는 HCN, HF, HCl, HBr, 황화물 등
이 급격히 증가
2) 독성가스 종류별 특성
① 이산화탄소(CO2)
가) 공기 중의 산소부족과 인체에 대한 호흡 방해 작용에 따른 질식효과
나) 고농도에서 중추신경 마취작용
다) 저농도에서 호흡 중추 자극하여 호흡 속도를 촉진시켜 유독성 가스의 흡입량 증가시키므로 위험
이 가속화
라) 농도에 따른 인체 영향
- 9% 이상 : 10분 이내에 무의식화
- 20% 이상 : 10회 이상의 호흡으로 사망
② 일산화탄소(CO)
가) 연기흡입 사망의 주요 원인
나) 흡입된 CO가스는 혈액중의 헤모글로빈과 결합하여 COHb 생성, 산소 운반 기능을 저해함으로써
결국 질식사 (COHb의 결합력은 O2Hb의 결합력의 210배) 하게 된다.
다) 농도에 따른 인체 영향
- 1500ppm 이상 : 장시간 노출 시 무의식화
- 4000ppm 이상 : 1시간 이상 노출 시 사망
라) 산소부족, 저온연소 등에 의한 불완전연소시 발생량 증가
③ 산소결핍
가) 혈액 내 산소 흡수량을 저하시켜 판단력과 합리적 행동을 저해
나) 농도에 따른 인체 영향
- 15% 이하 : 근육 움직임 불편, 피로감
- 10% 이하 : 무의식화 진행
④ 시안화수소(HCN)
가) 세포내에서의 산화반응을 저해하는 작용으로 세포호흡 정지 초래
나) HCN의 독성은 CO보다 급성으로 흡입시 거의 순간적으로 호흡 정지
다) 질소를 구성성분으로 함유하는 고분자 연소시 발생
- 아크릴수지(Polyacrylonitrile), 나일론(Polyamide), 폴리우레탄, 모직
⑤ 자극성가스
가) 물에 쉽게 녹는 성질이 있어 노출 기간동안 눈・코・목의 점막을 자극, 통증을 유발하며, 폐에도
영향을 준다.
나) 대표적인 자극성 가스: HCl, HF, HBr, H2S, 황산화물 등의 산성가스와 포름알데히드 같은 탄화수소
부산물등
다) 장시간 노출 후유증으로 부종이나 염증에 의한 급성폐질환 자극반응이 되어 호흡곤란을 일으키고
24시간 이내에 사망에 이르기도 한다.
라) PVC, 불소계합성수지, 난연제 첨가 플라스틱, 고무류 등의 연소 시 발생
마) 호흡기반응의 영향은 축적량에 의존되며 한계치 이하에서는 영향 경미
바) 저농도 자극의 경우 피난 속도를 느리게 한다.
4. 연기의 가시도 저하
1) 연기의 고체・응축 액체 입자들은 빛을 차단・산란시켜 가시도를 떨어뜨린다.
2) Lambert-Beer 법칙 : I = I0exp(-Ksℓ) I : 연기층 통과후의 빛의 강도(lux)
⇒ 감광계수 Ks = 1/ℓ・ln(I0/I) I0 : 빛의 원래 강도(lux)
ℓ : 빛의 통과 길이(연기층두께: m)
Ks : 감광계수(1/m)
3) 질량 광학밀도(Mass optical density, Dm)
① 가연물의 발연량(연기입자생성량)에 관련되며 가연재료의 특성값이다.
② 단위: ㎡/g
4) 감광계수와 질량광학밀도와의 관계
① 감광계수(Ks)는 질량 광학밀도(Dm)와 연소 속도(m)와 연기의 부피 흐름 속도 (V)에 의존된다.
② 표현식 : 유동상태 : Ks = mDm/V
정지상태 : Ks = mDm/V
5) 한계 가시거리(Lv)와 연기의 감광계수(Ks)와의 관계
Lv(m) = Cv/Ks(1/m)
{Cv: 물체의 조명도에 의존하는 계수 ; 발광체 : 5~10
반사체 : 1~4 }
※ 1. 피난을 위한 최소 한계 가시거리
㉮ 건물 내부 거리에 익숙한 사람 : 3~5 m
㉯ 일반적인 사람 : 15~20 m
※ 2. 일반인이 심리적 동요 일으키는 감광계수 : 0.15(1/m)
5. 유해가스 발생에서 본 재료의 위험성평가
1) 발연계수
① 정의 : 발연계수 K(Cs㎥/kg 또는 ㎡/kg) = CsV/W
K : 단위 질량 당의 발연량 : 발연계수 (Cs㎥/kg 또는 ㎡/kg)
V : 발생한 연기의 체적 (㎥)
W : 재료의 분해 또는 연소 질량 (kg)
② 온도와의 관계
발연계수는 다음과 같이 온도에 대한 직선성을 가지고 있다.
K = A-BT ｛ A,B : 재료에 따라 달라지는 상수
T : 연소 온도(K) ｝
③ 건축 재료 난연 시험 방법 중 표면 시험방법에서 단위 면적당의 발연계수
CA = 240log(I0/I)
｛ 불연재 : 30 이하, 준불연재 : 60 이하, 난연재 : 120 이하｝
2) 발연속도
① 화재 연기의 위험성에 발연량과 함께 발연 속도도 중요
② 발연 속도와 발연 계수・온도의 관계식
발연속도 = KdW/dt = (A-BT)〔k0W0exp(-E/RT)〕
W : 가연시료 중량 W0 : 연료의 최초중량
t : 연소 시간 k0 : 반응의 빈도계수
E : 활성화에너지 R : 기체상수
3) 독성지수
① 정의 : 재료 단위 질량당 발생 유해 가스량,
일반적으로 1~1200 사이의 값
② 표현식 : 독성지수 T(l/g) = t・v/w = (C/Cf)v/w
｛ t : 독성분위기(C/Cf)
C f: 가스가 30분간 폭로로 인간에게 치명적인 영향을 주는 농도
v : 유해가스 체적, w : 연료의 중량 ｝