폐침착부하지수(LDLIn)를 이용한 플라스틱 종류별 연기입자의 폐 침착부하 정량화

구재학(Jaehark Goo) 한국화재소방학회 2021 한국화재소방학회논문지 Vol.35 No.1

화재에 의한 사상자는 대부분 연기흡입에 의해 발생한다. 연기 속의 입자상물질(PM)은 호흡기 벽에 침착되어 호흡기계 또는 순환기계를 통해 인체에 악영향을 미친다. 연기입자가 인체에 미치는 악영향을 추정하려면 공기 중 연기입자의 질량농도보다 호흡기 각 영역에서의 유해물질 흡수량을 고려하는 것이 합리적이다. 왜냐하면 인체에 미치는 악영향과 직접적인 관계가 있는 흡수량은 원인 인자인 공기 중 질량농도만으로 결정되지 않고 다양한 요인에 의해서 달라지는 결과 인자이기 때문이다. 이 연구에서는 종류별로 플라스틱(LDPE, PA66, PMMA, PVC)에서 발생하는연기입자의 폐 침착부하를 폐침착부하지수(LDLIn)를 사용하여 정량화하고 이 값들을 PM10 및 PM2.5에 대한 기존의PM 질량농도지수를 사용한 계산결과와 비교하였다. LDLIn 값은 연소물질 및 화재조건에 따라 화재시 생성된 연기입자에 대해 호흡기 각 영역에 침착된 입자수를 이용하여 계산되었다. LDLIn 계산에서 입경별 표면적 농도와 함께입경 및 호흡조건에 따른 호흡기 내 침착특성을 반영하여 폐침착부하를 정량화하였다. 연구결과에 따르면 이들 연기입자는 각 재료 및 화재 조건에 따른 입자 직경별 농도분포의 변화에 따라서, 동일한 PM 질량농도지수 값에서도,서로 다른 LDLIn 값을 가지며 이 값은 호흡조건에 따라서도 달라진다. Many fire-related casualties are caused by smoke inhalation. The particulate matter in smoke is deposited on the wallsof the respiratory system, and adversely affects the human body through the respiratory and circulatory systems. In orderto estimate the adverse effects of smoke particles on the human body, it is reasonable to consider the quantity of harmfulsubstances from smoke particles that are absorbed by each region of the respiratory tract rather than the mass concentrationof smoke particles in the air. This is because the absorption amount is a consequent factor that depends on a wide varietyof other factors and is not solely determined by the causative factor, that is, the mass concentration in the air. In this study,the lung deposition loads of smoke particles from plastics, such as LDPE, PA66, PMMA, and PVC were quantified usingthe lung deposition load index (LDLIn), and the results were compared with the findings of conventional particulate matter(PM) mass concentration indices, such as PM2.5 mass and PM10 mass. The LDLIn value was calculated from the numberof smoke particles generated during a fire that were deposited in each region of the respiratory tract for the givencombustion materials and fire conditions. Herein, the LDLIn quantified the lung deposition load by reflecting the surfacearea concentration by particle size as well as the deposition characteristics in the respiratory tract according to particle sizeand breathing conditions. Even at the same PM mass concentration index value, each material and fire condition resultedin different LDLIn values according to the change in concentration distribution by particle size. The LDLIn values alsovaried depending on the breathing conditions.

등속 튜브연소로 출구에서의 직접 샘플링 방법을 이용한 연기입자 입경분포 측정

구재학(Jaehark Goo) 한국화재소방학회 2023 한국화재소방학회논문지 Vol.37 No.6

The size distribution of smoke particles, influenced by varying fire conditions, constitutes a significant research focus in the firefighting domain concerning fire detection and the impact on lung deposition which is a major contributor to both short- and long-term casualties among residents and firefighters. Currently, the ISO/TS 19700 method is commonly employed to measure characteristics of combustion products, including composition and concentration, primarily for gaseous substances. However, due to measurement challenges, limited research results exist on particulate substances using this method, and outcomes vary significantly among researchers. The particle size distribution which is the typical characteristics of particulate materials is crucial factor leading to discrepancies in measurements at the combustion furnace outlet. This distortion is influenced by factors such as particle collision, temperature changes, and residence time in the mixing chamber installed for cooling and dilution. This study unveils the disparity in particle size distribution between using a mixing chamber and direct sampling. A solution is proposed by replacing the mixing chamber at the outlet of the steady-state tube furnace specified in the existing ISO/TS 19700 method with a direct sampling approach. Smoke particles generated under combustion conditions at various temperatures and equivalence ratios were directly sampled at the furnace exit. These samples underwent a two-stage dilution process, and the real-time particle size distribution was measured using an electrostatic low-pressure impactor. This approach minimizes distortion of the particle size distribution attributable to the mixing chamber. 화재 조건에 따라 달라지는 연기 입자의 크기 분포는 화재 현장에서 발생하는 연기로 인한 거주자 및 소방관의 장단기 인명 피해의 주요 원인인 폐침전뿐만 아니라 화재 감지와 관련하여 소방 분야에서 중요한 연구 주제이다. 현재 연소 생성물의 성분, 농도 등의 특성은 ISO/TS 19700 방법을 이용하여 측정하는 경우가 많은데, 이 방법은 가스상 물질에 주로 사용되며 측정의 어려움으로 이 방법을 이용한 입자상 물질에 대한 연구 결과는 많지 않고 그 결과는 연구자에 따라 많은 차이를 보인다. 입자상 물질의 특성 중 대표적인 것이 크기분포이며 이 측정값이 연소로 출구에서의 실제 분포와 다르게 나타나는 이유로서 중요한 것 중 하나는 냉각, 희석을 위해 설치된 혼합상자에서 입자의 충돌, 온도 변화, 체류시간 등의 인자에 의해서 이 크기분포 특성이 왜곡되기 때문으로 판단된다. 본 연구에서는 기존의 ISO/TS 19700 방법에 명시된 등속 튜브연소로 출구에서의 혼합상자를 직접 샘플링 방법으로 대체함으로써 혼합상자를 사용하는 경우와 직접 샘플링하는 경우의 입경분포 차이를 밝히고 해결책을 제시하였다. 이를 위하여 각 온도 및 당량비 변화에 따른 연소조건에서 발생한 연기 입자를 등속연소로 출구에서 직접 샘플링한 후 2단 희석장치를 거쳐 정전저압임팩터로 실시간 입경분포를 측정함으로써 혼합상자로 인한 입자 크기분포 왜곡을 최소화하였다.

결절법을 이용한 전영역에서의 연기입자 응집체에 대한 브라운응집현상 해석

구재학(Jaehark Goo) 한국대기환경학회 2011 한국대기환경학회지 Vol.27 No.6

등속공급 튜브연소로를 이용한 각 연소조건에서의 연기입자 형상 분석

구재학(Goo, Jaehark) 한국화재소방학회 2014 한국화재소방학회논문지 Vol.28 No.1

화재현장에서 발생하는 연기는 일반적으로 연소가스와 더불어 여러 가지 성분의 유기증기 및 미연탄소로부터 생성된 미세입자로 되어 있다. 연기는 호흡기로 흡입되어 장단기 인체피해를 유발한다. 화재 시 발생하는 유독가스나 입자에 의한 피해를 예측하기 위해서는 연기입자의 호흡기관 내 이송과 침전, 그리고 입자를 매개로 한 유독가스의 흡수와 흡착등의 현상 파악이 필수적이며 이에 연기입자의 크기 및 형상은 이와 같은 현상의 변화에 중요한 변수로서 작용한다. 이 연구에서는 화재 시 발생하는 연기입자의 흡입에 의한 인체피해 특성을 예측하기 위하여 가연물 및 화재 조건에 따른 연기입자의 크기 및 형상에 대한 분석을 수행하였다. 국제표준에 따른 연소생성물 분석을 위하여 ISO/TS 19700 기준에 따라서 등속연소로를 제작하고 각 가연물에 대하여 연소로 온도 및 당량비 조건으로 정해지는 4가지 대표적인 화재조건, 즉, 저온불완전연소, 완전불꽃연소, 불완전불꽃연소, 고온불완전연소 조건에서 연기입자를 발생시켰다. 발생된 연기입자는 다단 충돌집진기를 이용하여 채집한 다음 투과전자현미경으로 크기 및 형상을 분석하였다. Smoke from fire is a mixture of combustion gases and particles which include micro-droplets formed from condensed organic vapors and carbonaceous agglomerates. The inhalation of smoke particles causes adverse health effects, and it is prerequisite for the hazard and risk analysis of the smoke particles to know how they behaviour in the respiratory tract. The characteristics of the absorption and adsorption of toxic gases and the amount and location of the particle deposition within the respiratory tract that determine the adverse health effects are related to the morphology and the size distribution of smoke particles. In the present work, as a preliminary study for the adverse health effects of smoke particles, the morphologies of the smoke particles from combustible materials were investigated for each fire stage: smouldering, well-ventilated flaming, small under-ventilated flaming, fully-developed under-ventilated fire. The steady-state tube furnace method given in ISO/TS 19700 was used for the generation of smoke particles. The fire stages were controlled by changing furnace temperature and equivalent ratio. The morphologies were analyzed by using Transmission Electron Microscope (Bio-TEM) by collecting the particles on TEM grids put on each stage of a cascade impactor.

대기오염 입자의 인테 호흡기내 비대칭 국부침전 특성에 관한 연구

구재학,김종숭 한국대기환경학회 2003 한국대기환경학회지 Vol.19 No.5

Particle deposition in human lungs was investigated theoretically by using asymmetric five-lobe lung model. The volumes of each of the five lobes were different, thereby forming and asymmetric lung structure. The tidal volume and flow rate of each lobe were scaled according to lobar volume. The total and regional deposition with various breathing patterns were calculated by means of tracking volume segments and accounting for particle loss during inhalation and exhalation. The deposition fractions were obtained for each airway generation and lung lobe, and dominant deposition mechanisms were investigated for different size particles. Results show that the tidal volume and flow rate have a characteristic influence on particle deposition. The total deposition fraction increases with an increase in tidal volume for all particle sizes. However, flow rate has dichotomous effects: a higher flow rate results in a sharp increase in deposition for large size particles, but decreased deposition for small size particles. Deposition distribution within the lung shifts proximally with higher flow rate whereas deposition peak shifts to the deeper lung region with larger tidal volume. Deposition fraction in each lobe was proportional to its volume. Among the three main deposition mechanisms, diffusion was dominant for particles<0.5㎛ whereas sedimentation and impaction were most influential for larger size particles. Impaction was particularly dominant for particles>8㎛. The results may prove to be useful for estimating deposition dose of inhaled pollutant particles at various breathing conditions.

사육면적 증가를 위한 반층돈사의 활용이 이유자돈의 성장 및 스트레스에 미치는 영향

정우림,이건일,홍진수,정재학,김유용,Chung, Woolim,Lee, Geonil,Hong, Jinsu,Jeong, Jaehark,Kim, Yooyong 한국축산환경학회 2016 한국축산시설환경학회지 Vol.22 No.1

The objective of this study was to increased breeding area in same size pig pen and growth performance of weaning pigs. A total of 330 crossbred ($6.68{\pm}0.36kg$) weaning pigs were subjected to a 42-day feeding trial(3 pens/treatment) in which effects of the semi-floor were compared : NC; Negative control ($0.23m^2/pig$; 40 pigs/pen), PC; Positive control($0.30m^2/pig$; 30 pigs/pen) and Semi-floor($0.30m^2/pig$; 40 pigs/pen). There was a significant effect on BW at 6 week along all treatment(P<0.01). There was a effect of Semi-floor treatment on ADG(average daily gain) only during the first 3 week after weaning(P<0.01). No significant effect was observed in the ADFI during the experiment period. NC treatment had significantly lower BUN value than other treatments(P<0.05). The results from immune and stress response with semi-floor suggest that no negative effects in their blood analysis. Consequently, semi floor treatments increased additional breeding area and also growth performance rather than other treatments in weaning pigs.