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ISSN : 2288-9167(Print)
ISSN : 2288-923X(Online)

Journal of Odor and Indoor Environment Vol.18 No.1 pp.55-59
DOI : https://doi.org/10.15250/joie.2019.18.1.55

A comparative experiment of charcoal canister measurement sensitivity using super absorbent polymer

Min-Jun Kim, Seon-Hong Kim, Dong-Wook Cha, Seung-Jae Lee, Seung-Yeon Cho*

Department of Environmental Engineering, Yonsei University, Wonju

Corresponding author Tel : +82-33-760-5007 E-mail : sy.cho@yonsei.ac.kr

Received 19/02/2019 Review 25/03/2019 Accepted 27/03/2019

Abstract

Charcoal canisters are broadly used for radon detection because of their handiness and short sampling period. Radon detection using charcoal canisters are known to be susceptible to surrounding conditions such as temperature and humidity. Public radon inspectors cannot handle extreme temperature, and the relative humidity can differ in districts due to the use of different types of construction. Thus, if relative humidity can be controlled at the entrance of a charcoal canister, radon inspectors will be able to procure more reliable data. The purpose of this study was to assess the efficiency of existing filters in a charcoal canister and to apply a new type of filter (Super Absorbent Polymers, SAP) that can control the moisture penetrating into the charcoal canister. Based on adequate case studies using the new filter, radon data have shown over 98% close to the reference data irrespective of varying moisture levels. Meanwhile, basic filters showed 88% similarity compared to the reference data, which means that charcoal canisters were affected by moisture. The SAP filter is reasonably inexpensive and once it turns into its gel shape (which, in turn, is saturated by moisture), it can be easily replaced. This filter will not only be able to provide more accurate radon data, but also apply to other gas phase material detections that are sensitive to moisture in the air.

Key Words : Charcoal canister , Indoor air quality , Moisture control , Radon measurement , Super absorbent polymers

고흡수성 수지를 이용한 차콜캐니스터 측정감도 비교실험

김 민준, 김 선홍, 차 동욱, 이 승재, 조 승연*

연세대학교 환경공학과

초록

키워드 :

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Cited-By

Funding:

Ministry of Environment
2018002440001

1. 서 론

최근 국내는 물론 전 세계적으로 실내의 천연 방사 성 라돈 기체(Rn-222)에 대한 관심이 증가하고 있다. 라돈은 토양과 암석에 널리 존재하는 라듐(Ra-226)의 붕괴로부터 직접적으로 발생하는 비활성 방사성 가스 이다. 라돈은 우라늄(U-238) 붕괴계열의 산물이며, 방 출되어 자유표면으로 확산한 다음 공기 또는 물로 빠 져나간다(Jonathan and John, 1991). 라돈은 3.82일의 반감기를 가지며, Po-218, Pb-214, Bi-214 등의 단 반 감기의 방사성 동위원소로 Pb-206까지 붕괴된다(EPA, 2003). 일단 라돈이 방출되면, 라돈 기체와 그 붕괴 생 성물인 단 반감기의 자손핵종들은 장기간 누적하여, 호 흡을 통해 피폭될 경우 폐암의 위험이 있다는 사실이 과학적으로 밝혀졌다.

세계보건기구(WHO)에서는 라돈이 폐암을 유발하는 두 번째 원인 물질로 규명하고, 매년 수십만 명이 라돈 에 의한 폐암으로 사망하고 있다고 발표하였다. 다른 국가들도 라돈을 관리하기 위한 관련 기준을 세웠고, 한국의 경우에는 미국의 기준치와 같은 148 Bq/m³로 정하였다.

현재, 국내 다중이용시설 실내공기질 공정시험방법 에서는 라돈을 권고기준으로 설정하여, 매 2년마다 정 부기관에 보고하고 있다. 측정방법의 경우 주 시험법인 알파비적검출법과 부 시험법인 연속측정법이 있다. 연 속측정방법의 경우 현재 알파트랙 측정을 원칙으로 하 고 있다. 알파트랙 측정방법은 3개월이라는 긴 측정기 간 때문에 환영받지 못하는 것이 사실이다.

차콜캐니스터를 이용한 라돈 측정방법은 미국 환경 청(US EPA)에서 제안하는 방법으로 현재 미국에서 널 리 쓰이고 있는 방법이지만 국내에서는 아직 상용화되 지 않고 있는 측정방법이다. 구입 비용이 적고 재사용 이 가능하여 단시간의 대규모 조사에 적합한 차콜캐니 스터는 경제적이고 외부전원이 필요하지 않으며 취급 과 설치가 간편하고 우편송달이 용이한 장점을 가지고 있다. 반면, 측정기간 마지막 12~24시간 사이의 라돈 농도의 편향이 심하고 측정기간 동안 측정결과에 영향 을 미칠 수 있는 조건에 대한 정보를 파악할 수 없고 온도, 상대습도, 공기흐름에 민감하다는 단점이 있다 (Vargas et al., 2004).

이번 실험은 차콜캐니스터의 단점인 상대습도에 영 향이 크다는 점을 제어하기 위해 차콜캐니스터의 기존 필터 효율을 평가하고 새로운 수분제어필터(Super Absorbent Polymers, SAP)와 상대습도제어의 측정감 도를 비교하여 국내에서 사용 가능한 차콜캐니스터의 참조 값을 세우는 데 목적이 있다.

2. 실험재료 및 방법

2.1 측정 장비

2.1.1 Electronic Radon Detector

RAD7 (DURRIDGE, USA)을 기준데이터(Reference data)로 실제 라돈농도를 측정하였다. 본 연구에서 사 용한 RAD7은 2010년에 구입하여 매년 교정을 받고 있다. RAD7의 내부에는 전기 전도체가 코팅된 0.7 L 의 반구체 챔버를 가지고 있고, 2000~2500 V의 고전압 전원회로는 내부 도체를 검출하기 위해 전위로 충전되 어 챔버 전체에 전기장을 생성한다. 라돈은 붕괴되어 양전하 이온인 Po-218이 되는데, 검출단계에서 양전하 를 띈 입자를 검출하게 된다. 라돈 측정 데이터에 영향 을 줄 수 있는 수분을 제거하기 위해 RAD7 액세서리 중 하나인 건조제가 있으며, 건조제는 실험 전, 후 오 븐에서 건조하였다(Kim, 2012). 자체 상대습도조절이 가능한 건조제가 측정 시 상대습도에 의해 발생하는 오차 값을 줄여준다. 이번 연구에서는 차콜캐니스터를 사용하여 측정한 라돈 농도와 비교하기 위하여 RAD7 을 사용하였으며, 48시간 동안 연속 측정하였다.

2.1.2 Charcoal canister

본 연구에서 사용한 차콜캐니스터(RV40V)는 미국 F&J사에서 구입하였다. 금속용기와 고정링, 먼지필터, 입상활성탄(GAC)로 구성된다. 차콜캐니스터의 무게는 약 227 g이고 반경은 10.16 cm 높이는 2.86 cm이다. 용 기는 78 +/- 3.0 gram의 활성탄이 채워져 있다. 사용되는 입상 활성탄의 BET (brunauer emanett and teller) 표면 적은 약 916.6 m²/g (Micrometrics. ASAP2010, USA) 이다.

2.1.3 NaI Dtector

NaI Detecter는 NaI (Tl) 섬광장치, 광전 증배관, 제 어부로 구성되어있다. 제어부는 양극성의 ±9 V의 저전 압 전원공급 장치와 840 V의 고전압전원공급창치로 이루어져있다. 판별기준은, 250 keV- 1.03 V, 500 keV - 2.57 V and 700 keV - 3.61 V이다. 고에너지 판별기는 700 KeV 이상의 에너지를 갖는 감마선과 상응하는 신 호를 흘려준다. 저에너지 판별기는 두 구간 즉, 250 KeV와 500 KeV보다 큰 에너지를 갖는 감마선과 상응 하는 신호를 흘려줄 수 있다. Fig. 1

2.2 수분흡착

2.2.1 Super absorbent polymer, SAP

Super Absorbent Polymers (SAP)는 잘 알려져있는 기저귀, 생리대뿐만 아니라 농업이나 산업분야에서도 널리 쓰이고 있다. SAP는 탄소원자로 이루어진 고분 자 주쇄에 물을 좋아하는 이온분자를 붙여서 만든다. 자신의 질량에 비해 상당히 많은 양의 액체를 흡수할 수 있는 고분자 중합체이다(Horie et al., 2004). 본 연 구에서 사용된 SAP는 Sambo (Korea)에서 공급되었다. Fig. 2

2.3 챔버 실험

본 연구를 위해 챔버는 완벽하게 밀폐할 수 있도록 설계하였다. 챔버크기는 450 × 450 × 450 (mm)이다. 라 돈방출소스는 SRM 4968 (NIST, USA)을 사용하였다. 라돈방출소스와 세 개의 차콜캐니스터(SAP필터 1EA, 기존필터 2EA)를 챔버에 위치했다. RAD7은 샘플링 기간(2일 측정모드)동안 지속적으로 모니터링 하였다. 또한 온도계와 습도계(Testo Inc.)를 사용하여 실시간 온도 및 상대습도를 변화를 측정하였다. 위와 동일한 조건에서 총 6회 반복 실험을 수행하였다.

3. 결과 및 고찰

라돈농도는 NaI detector를 통해 계수 값을 얻은 후 다음식으로 산출하였다.

(N_{R} - N_{R B}) = ε C_{R} (1 - 2^{- λ t_{1 R}}) e^{- λ t_{2 R}} (1 - 2^{- λ t_{3 R}})

(1)

(N_{S} - N_{R B}) = ε C_{S} (1 - 2^{- λ t_{1 S}}) e^{- λ t_{2 S}} (1 - 2^{- λ t_{3 S}})

(2)

C_{S} = C_{R} \frac{(N_{S} - N_{S B}) (1 - 2^{- λ t_{1 R}}) e^{- λ t_{2 R}} (1 - 2^{- λ t_{3 R}})}{(N_{R} - N_{R B}) (1 - 2^{- λ t_{1 S}}) e^{- λ t_{2 S}} (1 - 2^{- λ t_{3 S}})}

(3)

여기서, $λ = \frac{0.693}{T_{1 / 2}}$ , T1/2는 91.68 h, 라돈(Rn-222)의 반감기이다. λ는 라돈의 붕괴상수로써 7.561*10³/h이 다. R은 레퍼런스, S는 샘플을 가리키며 N_R, N_S는 각 각 레퍼런스와 샘플의 계수 값이다. N_RB, N_SB는 레퍼 런스 배경 값과 샘플 배경 값의 계수이다. t_1R, t_1S은 레 퍼런스와 샘플의 샘플링 시간(h), t_2R, t_2S는 레퍼런스와 샘플의 샘플링 후 측정 전까지 놔둔 시간(3 h), t_3R, t_3S 는 레퍼런스와 샘플의 측정시간(sec)을 나타낸다. Table 1은 각 실험의 Reference 라돈농도, 온도 및 상 대습도 데이터를 보여준다. Table 2에서는 SAP필터를 사용한 차콜캐니스터와 기존필터를 사용한 차콜캐니스 터의 라돈농도 데이터를 보여준다. SAP필터 차콜캐니 스터는 Reference 데이터와 거의 동일한 농도를 확인 할 수 있다. 반면 기존필터 차콜캐니스터는 Reference 데이터보다 높은 농도를 나타내는 경향을 보인다.

Table 3과 Table 4는 각 실험에서 사용된 차콜캐니스 터에서 차콜의 무게 차이를 나타낸다. 모든 실험에서 차콜캐니스터 실험 전후의 무게를 측정하였다. 차콜캐 니스터의 실험 전후 무게 차이를 통해 기존필터의 수 분제어능력이 SAP필터와 비교하여 상당히 다른 수준 의 수분 조절 능력을 나타내었다.

Fig. 3에서는 SAP필터와 기존필터의 라돈농도 신뢰 도를 나타낸다.

기존필터 차콜캐니스터의 신뢰도는 약 88%를 보였 고 상대습도가 증가함에 따라, 라돈데이터의 불확도 또 한 증가하는 것을 확인할 수 있다. SAP필터 차콜캐니 스터는 평균 신뢰도는 98%를 나타냈다. 라돈 데이터 의 US EPA 일반적인 오차범위가 ±25%라는 것을 감 안한다면, SAP필터의 신뢰도는 상당히 높다고 판단할 수 있다.

4. 결 론

상대습도는 지역적 차이, 기상조건, 건물 구조, 지질 구조 등에 따라 다르기 때문에, 패시브 방식을 이용한 라돈 측정은 신뢰도가 높은 데이터를 보여주기 어렵다. 차콜캐니스터를 이용한 실내 라돈 측정시 상대습도는 검출효율에 큰 영향을 미친다. 주변 환경요인에 따라 변동이 심하기 때문에, 측정 장비들의 오차는 25%로 넓은 범위로 설정을 해놓는다. 차콜캐니스터는 라돈 측 정에 있어 매우 효율적인 방법이다. 그러나 상대습도에 따른 측정값이 변화하는 문제점을 가진다(Scarpitta and Harley, 1990). 이를 보완하고자 선행연구를 바탕 으로 발전시켜 본 연구는 SAP 필터를 이용한 차콜캐 니스터의 측정감도를 알아보고자 하였다.

본 연구는 차콜 캐니스터를 이용한 라돈 측정 시, SAP필터를 통해 상대습도를 조절하면 보다 정확한 라 돈농도를 측정할 수 있다는 것을 검증하였다. 비교실험 결과, 현재 사용되고 있는 차콜캐니스터의 경우 약 88%의 검출 정확도를 보여준 반면, SAP 수분흡착 필 터를 사용한 것만으로도 라돈 검출 정확도가 최대 98% 향상되었다. SAP필터의 사용은 분진뿐만 아니라 수분제어를 통해 차콜캐니스터의 라돈 검출 효율을 높 일 수 있다.

감사의 글

본 연구는 환경부의 “지중환경오염위해관리기술개발 사업(2018002440001)”으로 지원을 받았습니다.

Figure

Fig. 1.

Charcoal canister used in this study (RV40V, F&J, USA).

Fig. 2.

Scheme of chamber designed for the test.

Fig. 3.

The reliability of radon concentration according to usage of SAP filter and existing filter.

Table

Table 1.

Reference radon concentration, Temperature and Humidity

Table 2.

Radon concentration from each type of charcoal canister

Table 3.

Weight difference of charcoal in canister (SAP filter)

Table 4.

Weight difference of charcoal in canister (Existing filter)

Reference

Environmenatal Protection Agency (EPA), 2003. EPA assessment of risks from radon in homes, washington.
Horie, K. , Báron, M. , Fox, R. B. , He, J. , Hess, M. , Kahovec, J. , Kitayama, T. , Kubisa, P. , Maréchal, E. , Mormann, W. , Stepto, R. F. T. , Tabak, D. , Vohlídal, J. , Wilks, E. S. , Work, W. J. , 2004. Definitions of terms relating to reactions of polymers and to functional polymeric materials (IUPAC Recommendations 2003) , Pure and Applied Chemistry, 76(4), 889-906.
Jonathan, M. S. , John, D. S. , 1991. Indoor Air Pollution, Johns Hopkins University Press, 323-329.
Kim, B. C. , 2012. Absolute activity measurement of 222Rn radionuclide, Busan University, Doctoral thesis.
Scarpitta, S. C. , Harley, N. H. , 1990. Adsorption and desorption of noble gases on activated charcoal : II. 222Rn studies in a monolayer and packed bed . Health Physics.59(4), 393-404.
Vargas, A. , Ortega, X. , Serrano, I. , 2004. Response of a radon charcoal canister to climatic and radon variations in the INTE radon chamber, in Proceedings of the 11th International Congress of the International Radiation Protection Association, IRPA, Barcelona.