Emission characteristics and risk assessment of hazardous air pollutants (HAPs) in a briquette combustion

Abstract

연탄연소가스 중 유해대기오염물질 배출특성 및 위해성 평가

이 석 형

부경대학교 대학원 지구환경공학연협동과정

요 약

연탄 사용 시 발생하는 유해대기오염물질 (hazard air pollutants ; HAPs)이 사용자에게 미치는 영향을 평가하고자, 국내에서 사용되고 있는 가정용 연탄 연소 시 발생하는 가스 중 유해대기오염물질의 배출 특성을 조사하고, 배출되는 유해대기오염물질을 발암성 화합물과 비발암성 화합물로 구분하고, Monte Carlo 시뮬레이션을 사용하여 각각의 유해성 평가를 실시하였다. 유해대기오염물질 측정 및 분석을 위하여 소형 연탄난로를 이용하여 실험실 규모의 연소실험을 실시하였다. 27개 유해대기오염물질을 선정하고, 열탈착 튜브를 이용하여 시료 채취 후, 열탈착 시스템을 갖춘 가스크로마토그래피/질량분석기를 이용하여 분석을 실시하였다. 검출된 화합물 대상 유해대기오염물질은 Benzene을 비롯한 BTEX 화합물이 지배적인 화학종으로 조사되었다. 각 실험 회차의 평균 농도를 비교하였을 때, BTEX 화합물이 배출되는 유해대기오염물질의 90% 이상을 차지하였다. 해당 화합물은 착화 후 연소가 안정화되기 전, 불완전 연소가 이루어지는 구간에서 대부분 배출되었다. 연소 초기에 고농도로 배출되는 BTEX화합물을 비롯한 유해대기오염물질은 연소온도가 증가함에 따라 배출이 급격히 감소하였다. 온도 구간별 배출되는 화합물의 변화를 알아본 결과, 400~500℃ 구간에서는 주로 toluene을 제외한 대부분의 발암성 화합물이 나타났고, 연소 온도가 증가함에 따라 500℃이상의 구간에서는 benzene을 제외한 대부분의 비발암성 화합물의 배출이 높아지는 것이 확인되었다. 따라서 연소 초기 배기가스에 노출 될 경우 연소 중기보다 발암성 화학종에 노출될 위험이 상대적으로 큰 것으로 판단된다. 연소 온도와 유해대기오염물질 농도와의 상관성을 알아보기 위하여 총 유해대기오염물질 농도와 BTEX화합물 농도 그리고 기타 화합물간의 상관관계를 조사하였다. 결정계수 값, R2은 각각 0.3976, 0.4019 그리고 0.3144 로 낮은 값으로 나타났으며, 또한 발암성 및 비발암성 화합물과 연소 온도의 관계에서도 결정계수 값이 낮게 나타났다. 따라서 연소 온도에 따라 배출 농도를 예상하는 것은 어려움이 있는 것으로 판단된다. 연탄 연소 시 발생되는 유해대기오염물질에 대한 위해성을 노출기간에 따라 각각 평가하였다. 위해성 평가는 조사된 대기오염물질 화합물의 농도 결과를 바탕으로 오염물질 별 유해 정도에 대한 정보 및 독성 수치 평가 자료를 결합하고, 오염물질에 대한 노출 계수를 산출하여 Monte Carlo simulation 방법으로 최종적인 위해도를 검증하였다. 오염물질에 대한 정보의 확률분포와 추정을 사용하여, 선택된 각 화합물 및 노출빈도 등의 자료를 사용하여 100,000회 반복 모의를 통해 결과를 산출하였다. 위해성평가는 발암성 물질인 Benzen, Naphthalene의 경우, 초과 발암 위해도 (Excess cancer risk)를 산정하여 평가하였고, Toluene의 경우 비발암 위해도 (Hazard quotient) 로 위해성 평가를 실시하였다. 선택된 화학종에 각각 1년, 5년, 10년 노출되었을 경우, Benzen은 10년 동안 노출되었을 경우에 1.55E-6의 초과 발암 위해도를 초과하는 것으로 평가되었으며 Naphthalene과 toluene의 초과 발암 위해도와 비발암 위해도는 각각 제시된 허용 위해도보다 크게 낮은 것으로 나타났다.