Journal Search Engine
Search Advanced Search Adode Reader(link)
Download PDF Export Citaion korean bibliography PMC previewer
ISSN : 1598-6616(Print)
ISSN : 2287-6731(Online)
Journal of Korean Society of Odor Research and Engineering Vol.11 No.3 pp.126-133
DOI :

스타일렌 및 알데하이드의 물질농도와 희석배수의 상관관계 연구

한 진 석, 박 상 진*
국립환경과학원, *우송대학교 철도건설환경공학과

A Study of the Correlation between the Concentration and Dilution Factor of Aldehyde Compounds and Styrene

Jin-Seok Han, Sang-Jin Park*
National Institute of Environmental Research
*Department of Railroad Civil and Environmental Engineering, Woosong University

Abstract

This study was aimed to evaluate the relationship between the concentration and dilution factor (ratio)using the Air Dilution Olfactory Method, which is suggested in the Standard Method of Odor Compounds,by measuring dilution factor for 5 types of aldehyde compounds and styrene. For the measurement, 13panelists were selected by several criteria through panel test. Panelists chosen for their closely similarsensitivities provide more reproducible values. The estimation showed that the correlation of the concentrationwith dilution factor for the 12 compounds including the sulfur compounds, ammonia, and trimethylaminecan be reasonably expressed by the equation log C=Af.logD+F(Af: material costant, F: constant).The result of this study is suggested to be used as a base data for research on measures to improve theregulation standards for complex odor concentration on site boundary in operation, as well as a correlationbetween the concentration and dilution factor for the designated foul odor substances, and their characteristics.

04-스타일랜(냄.환).152455.pdf279.9KB

1. 서 론

 국민들의 생활수준 향상과 쾌적한 환경에 대한 관심의 증대로 인하여 악취를 포함한 생활환경문제에 대한 관심과 민원이 증가하고 있다. 이에따라 환경부에서는 황화합물, 알데하이드류, 암모니아, 아민류, 그리고 휘발성유기화합물질(VOCs) 등 22종의 지정악취물질을 규제하고 있다.1) 일반적으로 악취의 세기 (강도)를측정하는 관능시험법은 현장에서 측정하는 직접관능법과 현장에서 시료를 채취한 후 실험실에서 시료를 단계별로 희석하여 관능시험하는 공기희석관능법이 사용되고 있다.2-9) 직접관능법은 주관적인 판단의 개입과 냄새에 대한 순응, 피로 등에 의해서 결과의 객관성에 대한 문제점이 지적되고 있어 많은 나라에서 주시험법으로 공기희석관능법을 활용하고 있는 실정이다.6-10)

 현행 악취방지법에서 개별 악취물질의 농도기준을 적용하는 지정악취물질별 규제는 부지경계선에만 적용되지만 희석배수에 의한 복합악취 규제는 부지경계선 뿐만 아니라 배출구에도 적용된다.1,9) 지자체의 실질적인 악취지도업무 역시 기기분석에 의한 물질농도 규제보다는 공기희석관능법에 의한 희석배수 규제가 더 실제적으로 활용되고 있다.10) 그러나 악취강도와 희석배수의 관계에 대한 연구는 일부 보고된 바 있으나,11-13) 악취원인물질 (지정악취물질)농도나 희석배수와의 관계에 대한 연구는 매우 미흡한 상황이다. 특히 관능적으로 나타내는 악취강도와 희석배수를 산출하기 위해 감지되는 최소감지농도는 민족이나, 성별, 직업 등의 주변환경 및 생활여건 등에 의해서 다른 특성을 나타내기도 하며 개인적인 차이를 나타내기도 한다.10) 또한, 악취문제를 물질농도로 접근하는 국가가 매우 제한적이기 때문에 이에 대한 연구가 더욱 제한적이다.

 국내적으로 복합악취에 대한 악취강도와 희석배수간의 실험자료를 바탕으로 한 상관관계에 대해서는 한 및 박 등11-13)에 의해서 시험결과를 제시한 바 있다. 이에 반하여 현행 악취방지법에 의해서 부지경계선에서 동시에 적용되고 있는 공기희석관능법에 의한 희석배수와 개별 물질별 물질농도와의 관계에 대한 보고는 매우 미흡한 상태이며, 한 등10)에 의해서 4종의 황화합물과 암모니아, 트리메틸아민에 대한 검토 결과를 보고한 바 있다. 따라서 본 연구에서는 스타일렌과 5종 알데하이드에 대하여 한국인의 후각을 이용하여 측정한 희석배수와 개별 물질별 물질농도간의 상관관계를 살펴보고자 하였다.

2. 연구 방법

2. 1. 지정악취물질 농도 및 희석배수 실험방법

 알데하이드화합물 가운데서 지정악취물질로 지정되어 있는 아세트알데하이드(Acetaldehyde: AA), 부틸알데하이드(Butylaldehyde: BA), 프로피온알데하이드(Propionaldehyde:PA), 발레르알데하이드 n-Valeraldehyde:n-VA), 이소발레르알데하이드 (i-Valeraldehyde: i-VA)를 선정하였고 스타일렌을 실험 대상으로 선정하였다. 물질농도 수준별 희석배수를 측정하기 위하여, 악취공정시험방법에서 제시하는 악취판정인 선정절차에 따른 판정인 선정실험7)과 악취강도에 대한 절대지표를 보완하기 위해 개발한 한국의 악취강도대조군(KOREAOdor Intensity Reference Scale, KOIRS)10,14,15) 실험을 통과한 13명을 악취판정인으로 선발하였다. 악취공정시험기준의 공기희석방법은 3의 지수형태로 희석배수를 증가해가면서 악취판정인별로 감지할 수 있는 희석배수를 측정하는 3점 하강법을 사용하도록 되어있다.9)

 지정악취물질 중 연구대상 항목인 알데하이드 5종과 스타일렌은 표준물질 (Rigas, Korea)을 이용하여 악취강도 0~5도의 범위에 해당하는 농도를 4~7단계로 만들어 개별 물질별 농도 수준별로 공기희석관능법을 실시하여 각각의 희석배수를 산정하였다.11-13)

2. 2. 물질농도와 희석배수와의 관계 (식)

 악취강도와 물질농도 사이에는 대수비례관계가 있는 것으로 알려져 있으며, 식 (1)과 같은 웨버-페히너(Weber-Fechner)법칙으로 표현되며, 한 등16)에 의해 물질농도와 공기희석관능법에 의한 희석배수의 관계는 식(1)~(4)와 같이 표현하였다.

 식 (1)에서 I는 악취강도, C는 개별물질의 물질농도, A는 개별 물질별 상수, B는 상수로 표현된다.

 공기희석관능법에 의해 시료를 희석하게 되면 시료의 물질농도는 희석배수에 따라 다음의 식(2)와 같이 표현된다.

 식 (2)에서 D는 희석배수, Ct 는 희석배수가 D일 때 개별물질의 물질농도이다.

 식(2)의 양변에 log를 취하면 식(3)과 같다

 개별물질에 따라서 희석배수에 해당하는 감지농도 (C*)는 일정한 농도라 할 수 있기 때문에 log C*는 상수이며 log C*=F라 하면 식(3)은 식(4)와 같이 표현된다.

 우리나라 공정시험기준의 공기희석방법에서 3배수로 무취공기로 시험하는 방법을 채택하고 있어 시험에서 얻어지는 물질농도과 희석배수값의 관계가 식(4)와 같이 log C와 log D의 관계식의 기울기가 1.0을 나타내지 못하게 된다. 따라서 시험 결과자료를 바탕으로 한 경험적 관계식은 식(5)로 산정하여 구할 수 있다.

 Af 는 물질별 상수임.

3. 결과 및 고찰

3. 1. 스타일렌의 물질농도와 희석배수 실험결과

 스타일렌의 농도를 0.279~279 ppm 범위의 6개 시료를 만들어 악취판정인 선정 실험을 통과한 13인에 의하여 공기희석관능법에 의한 희석배수 측정결과를 Table 1에 정리하였다. 실험결과, 스타일렌 농도 0.279ppm, 2.79 ppm, 279 ppm에 해당하는 희석배수는 각각 7, 71, 8,899를 나타내었다.

Table 1. Measurement results of dilution factor according to the concentration of Styrene

 실험결과, 물질농도가 0.279 ppm에서 10배 증가시에 희석배수도 약 10배 증가하였고 물질농도가 1,000배 증가시에는 희석배수가 약 1,271배 증가하는 것으로 나타났다. 물질농도의 증가에 대하여 희석배수가 비례적으로 증가는 하지만 단순한 선형 비례관계로 증가하는 모습을 나타내지는 않았다.

3. 2. 알데하이드 5종의 물질농도와 희석배수 실험결과

 아세트알데하이드는 0.0059 ppm~59.2 ppm 범위의 9개 시료, 부틸알데하이드는 0.0029 ppm~9.57 ppm 범위의 7개 시료, 프로피온알데하이드는 0.02 ppm~10.17ppm 범위의 8개 시료, 발레르알데하이드는 0.0027 ppm~26.7 ppm 범위의 6개 시료, 이소발레르알데하이드는 0.0031 ppm~1.037 ppm 범위의 7개 시료를 만들어 악취판정인 선정 실험을 통과한 13인에 의하여 감지된 희석배수 측정결과를 Table 2~6에 정리하였다. 실험결과, 아세트알데하이드는 0.0059 ppm일 때 희석배수는 1.22이며 물질농도가 10배, 100배 증가시에 희석배수도 각각 10배, 100배 증가하는 것으로 나타났으나 농도가 1,000배, 10,000배 증가시에는 각각 약 915배, 9,396배 증가하는 것으로 나타났다.

Table 2. Measurement results of dilution factor according to the concentration of Acetaldehyde (AA)

Table 3. Measurement results of dilution factor according to the concentration of Butylaldehyde (BA)

Table 4. Measurement results of dilution factor according to the concentration of Propionaldehyde (PA)

Table 5. Measurement results of dilution factor according to the concentration of n-Valeraldehyde (n-VA)

Table 6. Measurement results of dilution factor according to the concentration of i-Valeraldehyde (i-VA)

 부틸알데하이드의 경우는 농도 0.0096 ppm일 때 희석배수는 13이었으며, 농도가 약 10배, 1,000배 증가시에 각각의 희석배수는 약 10배, 223배 증가하는 것으로 나타났다. 프로피온알데하이드의 경우는 농도 0.02 ppm일 때 희석배수는 5.18이었으며, 농도가 10배, 100배 증가시에 각각의 희석배수는 10배, 100배 증가하고, 발레르알데하이드의 경우도 농도 10배, 100배, 1,000배 증가시에 희석배수도 각각 10배, 100배, 1,000배 증가하여 동 농도범위내에서 농도 증가와 희석배수의 증가가 선형적인 비례관계를 갖는 것으로 추정되었다.

 이소발레르알데하이드의 경우는 농도 0.0104 ppm일 때 희석배수는 14.91이었으며, 농도가 10배, 100배 증가시에 각각의 희석배수는 10배, 117배 증가하는 것으로 나타나 농도 증가에 비하여 희석배수의 증가율이 더욱 큰 것으로 추정된다.

3. 3. 스타일렌의 물질농도와 희석배수 상관관계

 물질농도와 희석배수의 관계는 식(4)에서와 같이 물질농도의 log 값과 희석배수의 log 값이 직선관계를 갖게된다. 따라서 스타일렌의 물질농도별로 공기희석관능법으로 측정한 희석배수의 실험결과를 이용하여 물질농도와 희석배수에 log를 취한 값을 사용하여 Fig. 1에 나타내었다. 식 (5)을 이용하여 물질별 농도와 희석배수의 관계식을 구하였고 그 결과는 Table 7과 같다.

Fig. 1. The Correlation of material concentration with dilution factor using equation (6).

Table 7. Correlation equation of concentration with dilution fac-tor using equation (5)

 물질농도와 희석배수의 상관관계를 나타낸 식 (5)의 물질별 상수 (기울기)값은 스타일렌 1.0182로 나타났다. 물질별 상수(기울기) 값이 1.0보다 크게 나타나 물질농도에 대한 희석배수가 약간 과소평가 되었을 가능성을 시사하고 있다. 상관관계식의 결정계수는 0.98 이상으로 물질농도와 희석배수의 관계를 비교적 잘 설명하고 있는 것으로 판단된다.

3. 4. 알데하이드 5종의 물질농도와 희석배수 상관관계

 알데하이드 5종의 물질농도별로 공기희석관능법으로 측정한 희석배수의 실험결과를 이용하여 물질농도와 희석배수에 log를 취한 값을 사용하여 Fig. 1에 나타내었다. 식 (5)을 이용하여 물질별 농도와 희석배수의 관계식을 구하였고 그 결과는 Table 7과 같다. 또한 Table 7에 한 등16) 에 의해 보고된 4종의 황화합물과 암모니아, 트리메틸아민에 대한 관계식을 나타내었다.

 물질농도와 희석배수의 상관관계를 나타낸 식 (5)의 물질별 상수(기울기)값은 아세트알데하이드 0.9748, 부틸알데하이드 1.2012, 프로피온알데하이드 1.1311, 발레르알데하이드 1.0198, 이소발레르알데하이드 0.9023로 나타났다. 물질별 상수(기울기) 값이 1.0보다 큰 부틸알데하이드, 프로피온알데하이드, 발레르알데하이드의 경우는 물질농도에 대한 희석배수가 약간 과소평가 되고, 1.0보다 낮은 값으로 나타난 아세트알데하이드, 이소발레르알데하이드 경우는 희석배수가 약간 과대평가 되었을 가능성을 시사하고 있다. 프로피온알데하이드와 발레르알데하이드의 경우는 1.0과 매우 유사한 값을 나타내고 있고, 상관관계식의 결정계수가 0.95 이상으로 물질농도와 희석배수의 관계를 비교적 잘 설명하고 있는 것으로 판단된다. 12종 지정악취물질의 물질농도와 희석배수에 대한 관계식에서 물질별 상수(기울기)값이 이소발레르알데하이드를 제외하고는 1.0±0.31 범위에 속하고 0.95 이상의 높은 결정계수를 나타내식(5)이 물질농도와 희석배수에 대한 관계식으로 적정함을 보여주고 있다.

3. 5. 규제 희석배수와 지정악취물질 배출허용기준의 비교 검토

 부지경계선에서 배출허용기준으로 규정하는 희석배수는 준공업지역 15, 공업지역 20이며, 지정악취물질로 규정된 스타일렌과 5종의 알데하이드화합물의 물질농도 기준은 Table 8과 같다.

Table 8. Comparison of material standards with concentrations calculated using equation (5) for odor dilution factor 15 and 20

 또한 한 등16) 에 의해 보고된 4종의 황화합물과 암모니아, 트리메틸아민에 대한 관계식으로부터 계산한 희석배수 15와 20에 해당하는 농도들을 Table 8에 나타냈으며, 희석배수를 기반으로 계산한 농도와 현행기준 농도와의 차이 및 두 농도간의 비율을 나타냈다. 지정악취물질의 설정 농도가 원래 낮은 농도 수준임으로 작은 농도 차이에도 두 개 농도의 비는 매우 큰 것처럼 보이며 0.5~2.0의 범위는 비교적 유사한 농도 수준으로 평가할 수 있다.16)

 희석배수 15에 해당되는 추정 농도들 중에서는 메틸멜캅탄이 0.00245 ppm으로 가장 낮고 다음이 황화수소, 트리메틸아민 순으로 각각 0.0025 ppm, 0.0042 ppm이었다. 암모니아는 약 28 ppm, 스타일렌이 0.63 ppm으로 높은 농도임을 알 수 있다. 희석배수를 기반으로 계산한 농도와 현행기준농도와의 비율 중에서는 암모니아의 현행기준치가 상대적으로 낮고, 황화수소와 뷰틸알데하이드, 디메틸설파이드, 트리메틸아민의 경우는 상대적으로 높은 것으로 나타났다. 희석배수 15와 20에 상응하는 지정악취물질에 대한 현행기준치의 적정여부는 각 지정악취물질의 최소감지농도와의 비교를 통하여 검토가 일부 가능할 것으로 판단된다.

 한 등17) 에 의해 보고된 12개의 지정악취물질의 최소감지농도와 희석배수에 해당되는 추정치와 현행기준치와의 비율을 살펴본 결과는 Table 9와 같다. 지정악취물질에 대한 최소감지농도가 신뢰성이 있다고 가정하면 최소감지농도보다 낮은 농도로 설정된 암모니아의 현행기준치는 너무 강화된 낮은 농도라 판단되며, 최소감지농도에 대한 비율이 큰 것으로 보이는 황화수소와 뷰틸알데하이드, 트리메틸아민의 경우는 기준치가 약간 높게 설정된 것으로 추정된다. 이에 반하여 관계식으로부터 계산된 각 지정악취물질의 농도는 비교적 적정 수준인 것으로 판단된다. 현행 지정악취물질에 대한 농도 기준치는 악취문제에 대하여 우리나라와 비교적 유사한 접근방법과 관리제도를 갖고 있는 일본의 자료를 근거로하여 도출된 자료이다.18)

Table 9. Ratios of material concentration standards for odor threshold values

 일본의 경우는 우리나라의 희석배수가 갖는 의미와 산출방법이 박과 한 등11-13)이 기술한 바와 같이 약간의 차이가 있으며, 민족별 관능특성이 다를수 있기 때문에 우리나라의 실험결과로부터 산정된 결과와 차이가 나타나는 것으로 추정된다. 또한 본 연구결과는 스타일렌과 5종의 알데하이드화합물 등 총 12개 지정악취물질 개별물질에 대한 희석배수와 농도와의 관계식으로부터 산출한 결과이며, 실제로 악취물질들이 혼재한 복합악취의 경우는 온∙습도 등의 기상요소에 의한 영향과 물질별 결합∙중화∙상승∙상쇄효과 등에 의한 영향 때문에 개별물질에 대한 희석배수와 농도의 관계와는 다른 양상을 보일 수 있다.19) 그러나, 지정악취물질의 물질농도에 대한 희석배수를 실제 실험결과를 토대로 마련할 수 있었다는데 의미가 있으며, 향후 복합악취의 희석배수와 물질관계 및 악취강도와의 관계 특성을 파악하는데 필수적인 연구자료로 활용될 수 있을 것으로 사료된다.

4. 결 론

 본 연구에서는 현재 악취공정시험방법에서 제시하고 있는 공기희석관능법에 의한 희석배수와 지정악취물질중 스타일렌과 5종의 알데하이드화합물 총 6종의 각 개별적 물질농도와의 관계를 살펴보고자 하였다.

 개별적 물질농도에 대하여 공기희석관능법에 의한 희석배수를 측정하였고 물질농도와 희석배수간의 상관관계 특성 및 관계식을 산출하여 제시하였다.

 1) 스타일렌과 5종의 알데하이드화합물의 물질농도에 따른 희석배수 측정을 위하여 악취공정시험기준에서 제시하는 판정인 선정실험을 통해 선발된 판정인에 의해 6종의 지정악취물질의 물질농도 수준별 희석배수를 산정하였다.

2) 지정악취물질농도와 희석배수의 상관관계는 logC=Af ∙logD+F (Af: 물질별상수, F: 상수)에 의해 적합하게 표현되었으며, 각 물질의 물질별상수값을 제시하였다. 

 3) 지정악취물질농도와 희석배수의 상관관계식을 이용하여 부지경계선에서 배출허용기준으로 규정하는 희석배수 준공업지역 15, 공업지역 20에 해당하는 개별물질별 물질농도를 산정하여 제시하였다.

 4) 희석배수를 기반으로 계산한 농도와 현행물질별기준농도를 비교한 결과 암모니아의 현행기준치가 상대적으로 낮고, 황화수소와 뷰틸알데하이드, 디메틸설파이드, 트리메틸아민의 경우는 상대적으로 높은 것으로 나타났다. 현행 지정악취물질에 대한 농도 기준치는 일본의 자료를 근거로하여 도출된 자료이므로 우리나라의 실험결과로부터 산정된 결과와 차이가 나타나는 것으로 추정된다.

 본 연구결과는 현재 적용되고 있는 부지경계선에서의 복합악취 농도 규제기준에 대한 개선방안 및 지정악취물질들의 물질농도, 희석배수간의 관계 및 특성연구 등의 기초 자료로 사용될 수 있을 것으로 판단된다.

 

Reference

1.환경부, “악취방지법” (2004).
2.환경부, “악취관리방안에 관한 연구” (1998).
3.양성봉, “우리나라의 악취 규제제도”, 냄새환경학회지 1(1), 6~15 (2002).
4.St. Croix Sensory Inc., “A review of the science and technology of odor measurement”, Air Quality Bureau of the Iowa Department of Natural Resources (2005).
5.ASTM International. E253-05, “Standard Terminology Relating Sensory Evaluation of Material and Products”, Philadelpia, PA, USA (2005).
6.일본 환경성 대기보전국, “3점 비교식 취대법 manual” (1989).
7.ASTM International. D1391-78, “Standard Method for Measurement of Odor in Atmospheres (Dilution Method)”, Philadelphia, PA (1978).
8.(사)한국냄새환경학회, “제1차 악취측정 및 분석기술 교육과정” (2005).
9.환경부, “악취공정시험방법” (2005).
10.(사)한국냄새환경학회, “악취원인물질 특성 및 최소감지 농도 조사연구” 국립환경과학원(2006).
11.박상진, 임용재, 이민도, 한진석, “황화합물의 악취강도와 희석배수의 상관관계 연구”, 냄새환경학회지, 8(4), 209~214 (2009).
12.박상진, 임용재, 한진석, “카르보닐화합물의 악취강도와 희석배수의 상관관계 연구”, 냄새환경학회지, 9(3), 157~163 (2010).
13.한진석, 박상진, “암모니아, 트리메틸아민, 스타일렌의 악 취강도와 희석배수의 상관관계 연구”, 냄새환경학회지, 9(4), 196~202 (2010).
14.박상진, 한진석, “악취강도의 객관적 기준설정을 위한 연구”, 냄새환경학회지, 8(3), 155~158 (2009).
15.박상진, 임용재, 최진수, 김만구, 이희성, 강인선, 한진석, “악취판정인 선정시약 중 Trimethylamine의 대체물질평 가”, 냄새환경학회지, 8(3), 151~154 (2009).
16.한진석, 박상진, “황화물 및 암모니아, 트리메틸아민의 물질농도와 희석배수의 상관관계 연구”, 냄새환경학회지, 11(2), 87~93 (2012).
17.한진석, 임용재, 박상진, “지정악취물질 최소감지농도의 산출방법과 평가에 관한 연구”, 냄새환경학회지, 11(1), 24~33 (2012).
18.(사)한국냄새환경학회, “지정악취물질 공정시험방법 개발 및 연구”, 국립환경과학원(2006).
19.김기현, 안지원, 홍원필, “개별 악취물질과 혼합 악취물질에 대한 농도와 악취강도의 연계성 연구: 황화수소와 아세트알데하이드를 중심으로”, 냄새환경학회지, 9(2), 72~79 (2010).