공기 중 납·먼지 개인노출농도 산정

본 보고서는 한국방송통신대학교 보건환경안전학과 3학년 작업환경측정 교과의 추가과제물로, 공기 중 납이 발생하는 작업환경에서 근로자 개인이 노출되는 먼지 농도와 납 농도를 산정하는 과정을 다룬다. 방통대 교재와 강의 내용에서 제시된 중량분석법과 원자흡광광도법의 기본 원리를 토대로, 가상의 작업환경을 설정하고 측정 조건을 부여한 뒤 단계별 풀이를 통해 노출 농도를 정량적으로 계산한다. 작업환경측정은 근로자가 실제로 호흡하는 공기 중 유해인자의 농도를 객관적으로 파악하여 건강장해를 예방하고 작업환경 개선의 근거를 마련하는 핵심 절차이므로, 측정값의 정확한 산출과 그 의미의 해석이 매우 중요하다.

문제 1. 공기 중 납이 발생하는 가상 작업환경

전기·전자 부품을 제조하는 한 사업장의 납땜(솔더링) 작업장을 가상의 환경으로 설정한다. 이 작업장에서는 근로자가 인두를 이용해 납 성분이 포함된 땜납을 가열·용융하여 기판에 부품을 접합하는 작업을 하루 8시간 동안 반복하며, 이 과정에서 가열된 땜납으로부터 미세한 납 흄(fume)과 분진이 발생하여 근로자의 호흡기 주변 공기 중으로 확산된다. 작업대에는 국소배기장치가 설치되어 있으나 후드의 포집 효율이 충분하지 않아 근로자의 호흡영역에 납이 포함된 먼지가 일정 농도로 부유하는 상황이다.

이러한 환경에서 근로자의 실제 노출 수준을 파악하기 위해, 근로자의 옷깃(호흡영역, breathing zone)에 개인시료채취기와 필터가 장착된 시료채취장치를 부착하여 작업시간 동안 공기를 포집한다. 포집된 시료는 실험실로 옮겨 먼지의 총량과 그 안에 함유된 납의 양을 각각 분석함으로써, 동일한 채취 시료로부터 공기 중 먼지 농도와 납 농도를 산정하게 된다. 아래 문제 2와 문제 3은 각각 이 두 가지 농도를 산정하는 구체적 계산 과정을 제시한다.

문제 2. 공기 중 먼지 농도 산정

측정 원리

공기 중 먼지 농도는 중량분석법(gravimetric method)으로 구한다. 핵심 개념은 일정 유량으로 일정 시간 동안 공기를 빨아들여 필터에 먼지를 포집한 뒤, 채취 전과 후의 필터 무게 차이로 포집된 먼지의 질량을 구하고, 이를 채취한 공기의 총 부피로 나누어 단위 부피당 질량, 즉 농도로 환산하는 것이다. 이때 필터를 다루는 과정이나 보관·운반 중에 생기는 무게 변화를 보정하기 위해 동일한 조건으로 처리하되 공기를 통과시키지 않은 공시료(blank, 공필터)를 함께 측정하여 그 무게 변화를 빼 준다.

농도 산정의 기본식은 다음과 같다.

농도(µg/m³) = [(채취 후 필터 무게 − 채취 전 필터 무게) − (공시료 채취 후 무게 − 공시료 채취 전 무게)] ÷ 채취 공기량(m³)

여기서 채취 공기량은 채취 유량(L/min)에 채취 시간(min)을 곱한 뒤 부피 단위를 m³로 환산하여 구한다.

가상 문제

앞서 설정한 납땜 작업장에서 근로자 1명의 호흡영역에 개인시료채취기를 부착하여 먼지를 포집하였다. 측정 조건은 다음과 같다.

• 채취 전 필터 무게: 26.4640 mg
• 채취 후 필터 무게: 26.4820 mg
• 공시료(공필터) 무게 변화: 채취 전 26.3210 mg, 채취 후 26.3225 mg
• 공기 채취 유량: 2.0 L/min
• 채취 시간: 480 min(8시간)

이때 이 근로자가 노출된 공기 중 먼지 농도(µg/m³)를 구하시오.

풀이 과정

먼저 시료 필터에 포집된 먼지의 무게 변화를 계산한다. 채취 후 필터 무게에서 채취 전 필터 무게를 빼면 다음과 같다.

26.4820 mg − 26.4640 mg = 0.0180 mg

이를 µg 단위로 환산하면 0.0180 mg × 1,000 = 18.0 µg이다.

다음으로 공시료의 무게 변화를 계산한다. 공시료는 공기를 통과시키지 않았으므로 이 무게 변화는 필터 자체의 흡습이나 취급 과정에서 생긴 오차에 해당하며, 시료 무게에서 반드시 빼 주어야 한다.

26.3225 mg − 26.3210 mg = 0.0015 mg = 1.5 µg

따라서 실제 포집된 먼지의 순 무게는 시료 무게 변화에서 공시료 무게 변화를 뺀 값이다.

18.0 µg − 1.5 µg = 16.5 µg

이어서 채취한 공기의 총 부피를 구한다. 채취 유량 2.0 L/min에 채취 시간 480 min을 곱하면 다음과 같다.

2.0 L/min × 480 min = 960 L

이를 m³ 단위로 환산하면, 1 m³는 1,000 L이므로 다음과 같다.

960 L ÷ 1,000 = 0.96 m³

마지막으로 순 먼지 무게를 채취 공기량으로 나누어 농도를 구한다.

농도 = 16.5 µg ÷ 0.96 m³ ≈ 17.19 µg/m³

결과 해석

이 근로자가 8시간 작업 동안 노출된 공기 중 먼지 농도는 약 17.19 µg/m³로 산정되었으며, 이는 문제에서 요구한 15~20 µg/m³ 범위 안에 든다. 중량분석에서는 시료 무게에서 공시료 무게 변화를 반드시 보정해야 하며, 만약 공시료 보정을 생략했다면 농도가 18.0 µg ÷ 0.96 m³ ≈ 18.75 µg/m³로 과대평가되었을 것이다. 이처럼 공시료 보정은 측정값의 신뢰성을 확보하는 데 결정적인 역할을 한다. 또한 농도 산정의 정밀도는 천칭(저울)의 감도, 필터의 항량 처리, 유량 보정의 정확성에 크게 의존하므로, 실제 측정에서는 이들 조건을 표준 절차에 따라 엄격히 관리해야 한다.

문제 3. 공기 중 납 농도 산정

측정 원리

공기 중 납 농도는 필터에 포집된 먼지 시료를 산 등의 용매로 추출하여 납 성분을 용액 상태로 전처리한 뒤, 원자흡광광도법(AAS) 등으로 추출액 중 납의 양을 분석하여 구한다. 먼지 농도 계산과의 가장 큰 차이는 두 가지 보정이 추가된다는 점이다. 첫째, 시료를 추출 용매에 녹여 분석하므로 분석으로 얻은 농도에 추출 용매의 부피를 곱하여 시료 중 납의 총 질량을 환산해야 한다. 둘째, 추출·분석 과정에서 분석 대상 물질의 일부가 손실될 수 있으므로, 표준물질을 동일하게 처리하여 얻은 회수율(%)로 측정값을 보정한다. 회수율이 100%보다 낮으면 실제 양보다 적게 측정되므로, 측정된 양을 회수율(소수)로 나누어 보정값을 키워 준다. 공시료에 대한 분석값도 마찬가지로 빼 주어야 한다.

납 농도 산정의 기본식은 다음과 같다.

납 농도(µg/m³) = [(시료 분석 납량 − 공시료 분석 납량) ÷ 회수율(소수)] ÷ 채취 공기량(m³)

여기서 시료 분석 납량은 분석으로 얻은 추출액 중 납 농도에 추출 용매 부피를 곱하여 구한 시료 중 납의 총 질량(µg)을 의미한다.

가상 문제

문제 2와 동일한 납땜 작업장에서 동일 근로자의 호흡영역에 부착한 시료채취기로 포집한 먼지 시료를 추출·분석하였다. 측정 및 분석 조건은 다음과 같다.

• 추출 용매 부피: 10 mL
• 회수율: 95%
• 시료 추출액의 납 분석 결과(추출 용매 부피 환산 후 시료 중 납 총량): 4.10 µg
• 공시료 분석 납량: 0.10 µg
• 공기 채취 유량: 1.5 L/min
• 채취 시간: 360 min(6시간)

이때 이 근로자가 노출된 공기 중 납 농도(µg/m³)를 구하시오.

풀이 과정

먼저 시료에서 분석된 납의 양에서 공시료에서 분석된 납의 양을 빼 순수하게 포집된 납의 양을 구한다. 공시료 분석값은 시약이나 필터, 전처리 과정에서 유래한 납을 나타내므로 반드시 보정해야 한다.

4.10 µg − 0.10 µg = 4.00 µg

이 값은 추출 용매 10 mL에 녹여 분석한 추출액 농도를 시료 중 총량으로 환산한 결과(추출 용매 부피가 이미 반영된 값)로서, 분석 과정에서 손실이 없었다고 가정했을 때의 값이 아니라 실제 측정으로 얻은 값이다. 따라서 추출·분석 과정의 손실을 보정하기 위해 회수율로 나눈다. 회수율 95%는 소수로 0.95이므로 다음과 같이 계산한다.

4.00 µg ÷ 0.95 ≈ 4.21 µg

이 값이 근로자가 노출된 공기로부터 실제 필터에 포집되었을 것으로 추정되는 납의 보정된 총 질량이다.

다음으로 채취한 공기의 총 부피를 구한다. 채취 유량 1.5 L/min에 채취 시간 360 min을 곱한다.

1.5 L/min × 360 min = 540 L

이를 m³ 단위로 환산하면 다음과 같다.

540 L ÷ 1,000 = 0.54 m³

마지막으로 회수율 보정된 납의 질량을 채취 공기량으로 나누어 납 농도를 구한다.

납 농도 = 4.21 µg ÷ 0.54 m³ ≈ 7.80 µg/m³

결과 해석

이 근로자가 6시간 작업 동안 노출된 공기 중 납 농도는 약 7.80 µg/m³로 산정되었으며, 이는 문제에서 요구한 5~10 µg/m³ 범위 안에 든다. 납 농도 계산에서는 추출 용매 부피를 통한 시료 중 총량 환산, 공시료 값 차감, 회수율 보정의 세 가지 단계가 핵심이다. 특히 회수율 보정은 분석 과정에서 불가피하게 발생하는 손실을 반영하여 실제 노출 수준을 과소평가하지 않도록 하는 장치이다. 만약 회수율 보정을 생략했다면 4.00 µg ÷ 0.54 m³ ≈ 7.41 µg/m³로 다소 낮게 평가되어, 근로자의 실제 노출 위험을 과소평가할 수 있다.

산정된 납 농도와 먼지 농도는 동일한 시료채취 결과로부터 얻은 값으로, 작업환경 내 먼지 중 상당 부분이 납 성분을 포함하고 있음을 시사한다. 이러한 측정 결과는 노출기준과의 비교, 국소배기장치의 성능 점검, 개인보호구 착용 등 작업환경 개선 대책 수립의 정량적 근거가 된다. 측정의 신뢰성을 높이기 위해서는 채취 유량의 정확한 보정, 시료의 적절한 보관과 운반, 분석 기기의 검정과 표준곡선 관리, 그리고 공시료와 회수율 시험을 통한 품질관리가 함께 이루어져야 한다.

결론

본 보고서에서는 공기 중 납이 발생하는 납땜 작업장을 가상 환경으로 설정하고, 근로자 개인의 호흡영역에서 포집한 시료를 토대로 먼지 농도와 납 농도를 각각 산정하였다. 먼지 농도는 중량분석법으로 필터 무게 차이와 공시료 보정, 채취 공기량을 이용해 약 17.19 µg/m³로 구하였고, 납 농도는 추출 용매 부피 환산, 공시료 차감, 회수율 보정을 거쳐 약 7.80 µg/m³로 구하였다. 두 결과 모두 요구된 농도 범위에 부합하며, 산정 과정에서 공시료 보정과 회수율 보정이 측정값의 신뢰성에 미치는 영향을 함께 확인하였다. 이와 같은 정량적 측정과 보정 절차는 근로자의 유해인자 노출 수준을 객관적으로 평가하고 작업환경 개선의 근거를 마련하는 작업환경측정의 핵심임을 알 수 있다.

참고문헌

1. 한국방송통신대학교 출판문화원, 『작업환경측정』 교재.
2. 한국방송통신대학교 작업환경측정 강의 영상.