수초어항에 필수품 이산화탄소, 요즘은 보통 고압이탄 혹은 화학이탄을 많이 사용합니다.
만약 최악의 상황이 발생해서 봄베의 모든 이산화탄소가 배출 된다면 위험할까?
현재 공기의 이산화탄소 농도 400ppm 즉 공기분자 백만개 중 400개가 이산화탄소 분자입니다.
공기 1리터가 있을 때( 공기분자가 모두 같은 부피를 차지하고 있다면 ) 이산화탄소 부피는 대략 0.04%입니다. (즉 0.4ml/L)
산업혁명 이전엔 240ppm 정도라고 하는데 몇 백년사이 35%가 늘어나 버렸습니다.
아무튼, 이산화탄소 봄베가 있는 방의 크기가 3m * 4m * 2m 이라고 가정하면 방의 부피는 24m^3이고 24000리터의 공기가 있으며 방에 있는 이산화탄소 총 용량은 대략 10리터 쯤 됩니다.
1kg 짜리 고압이탄이 유출 된다고 가정 해보겠습니다.
이산화탄소 1kg은 표준 대기압 (1 atm)에서 체적이 530L 가 됩니다.
즉 이산화탄소 부피가 53배 늘어나게 되고 이산화탄소 농도는 400*53 = 21,200 ppm 이 되는데 이는 생명이 위독할 수 있는 수치입니다.
보통 3kg짜리 통을 많이 사용하니 이산화탄소가 100% 기화되면 매우 위험합니다.
(물론 봄베나 레귤레이터에 금이 가서 이산화탄소 사고가 났다는 경우는 매우 드믑니다.)
그럼 요즘 인기있는 화학이탄 D701을 기준으로 화학이탄 봄베통이 깨졌을 때를 계산해 보겠습니다.
베이킹 소다 (과탄산소다) 400g + 구연산 (시트르산) 400& + 물 600g을 넣으면 화학 반응에 의해서 이산화탄소가 생성되는데, 이산화탄소가 가득 찼을 때 압력 50kg/cm^2 (kg/cm^2 == kgf.cm^2) 정도 나오더군요.
이상기체 상태 방정식 (PV = nRT)으로 D701내부에 있는 이산화탄소의 양을 구해보겠습니다.
일단 D701의 내부 용량은 2.3L 입니다.
1 atm = 1.033211 kgf/cm^2이기 때문에 50kgf/cm^2는 48.3atm이 됩니다.
n = PV/RT
= 48.3*2.3 / 0.082*298 ( P = 압력, V = 부피, R = 0.082 상수, T = 25 ℃ = 298K )
= 4.55 mol
이산화탄소 1 mol은 44g 이기 때문에 D701에는 200g의 이산화탄소가 있습니다.
이는 이론적인 값이기 때문에 정확한 값은 아닙니다, 실제론 아마 200g 보다 적을 겁니다.
이제 D701의 이산화탄소가 모두 유출되었다고 가정하면 2.3L의 용기안의 200g의 이산화 탄소는 1atm 압력에서는 부피가 106 L가 됩니다.
정상적인 상태일때 24m^3의 부피를 가진 방은 10L의 이산화탄소가 있는데 여기에 106L가 추가 되면 이산화탄소 농도는 4400ppm정도가 됩니다.
1,000 PPM : 일반적인 경우의 허용농도, 환기 필요
1,000~2,000 PPM : 건강 피해는 없지만 불쾌감을 느낄 수 있음
2,000~3,000 PPM : 졸림을 느끼는 등 컨디션 변화 초래
3,000~5,000 : 매우 불량한 공기조건, 경미한 두통 유발. 집중력 저하.
10,000 PPM 초과 : 호흡기, 순환기, 대뇌의 기능 저하
환경부 권고 기준 : 1,000 PPM
4400ppm이면 환경기준치를 넘어가긴 하지만 인체에 치명적인 영향을 주지 않기 때문에 고압이탄보단 안전할 것 같습니다.
한 가지 더 고려할 점은, 4,400 ppm은 공기가 골고루 섞일 때를 가정한 겁니다. 이산화탄소의 무게는 질소보다 무거워서 대부분 바닥에 깔리게 됩니다.
바닥은 4,400 ppm보다 높을테고 천정쪽은 이 보다 낮을 겁니다.
