동전도금 잔여물의 자연발화 위험성에 관한 연구
Study on Spontaneous Combustion Risk of Coin Plating Experiment Residue
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Abstract
본 연구논문은 동전도금 실험 과정에서 나온 잔여물(찌꺼기)에 의한 자연발화 위험성을 조사하였다. 본 연구를 위하여 최근(2017~2018년) 강원도 내 중학교 및 고등학교에서 동전도금 실험 잔여물(찌꺼기) 무단 폐기로 화재가 발생한 사례 3건을 검토하고 화재재현실험을 실시하였다. 학교화재 사례 검토결과, 실험에 참여한 학생들은 동전도금 실험 중에 탁자 위에 흘러내린 수용액, 비커 내부의 수용액 잔여물(찌꺼기), 실험에 사용된 동전을 화장지로 닦은 후 폐화장지를 실험실 내에 방치하거나 플라스틱 쓰레기통에 버렸으며, 수용액이 묻은 화장지를 쓰레기통에 버린 후 짧게는 1시간 18분, 길게는 8시간 15분이 지난 후에 화재가 발생하였다. 또한, 화재재현실험 결과, 수산화나트륨 5 g과 분말아연 5 g을 일부분(1/3) 겹치도록 한 상태에서 물 0.25 ㎖를 투여하였을 때 실험시작 20분이 지나자 온도가 549 ℃까지 상승하면서 화재가 발생하였다. 특히, 동전 실험 잔여물(찌꺼기)을 화장지 위에 올려놓고 헤어드라이기를 이용하여 5분간 건조시켰을 때에도 잔여물(찌꺼기)에서 불꽃이 튀면서 화재가 발생하였다. 따라서 학교 실험실 화재예방을 위해서는 ① 실험과정에서 나온 잔여 폐기물(찌꺼기)은 실험 종료 즉시 담당 지도교사의 책임 하에 지정된 안전한 소각장에서 소각해야 한다. ② 화학실험 지도교사들을 대상으로 정기적인 전문 안전교육을 실시해야 한다. ③ 실험실에 비치하는 폐기물 용기 등은 내화성능을 인정받은 재질로 견고하게 제작해야 하고, 반드시 자동 소화기능을 갖추어야 한다.
Trans Abstract
This study examines the risk of spontaneous combustion caused by the residue of the coin plating experiment. In this study, three cases of recent fires due to the unauthorized disposal of the residues left from coin plating experiments in middle and high schools of the Gangwon-do Province (2017～2018) were analyzed and an experiment to recreate the fire was conducted. As a result of the analysis of the three cases of school fires, it was shown that the students who participated in the coin plating experiment wiped the aqueous solution that spilled onto the table during the procedure as well as the residue of the solution inside the beaker with a tissue and disposed of it on the classroom floor or in a plastic trash can along with the coin that was used. If short, 1 h and 18 min, if long, 8 h and 15 min after the tissues with the residues were thrown away in the trash can, a fire broke out. In addition, when the fire experiment was recreated, in a state where 5 g of sodium hydroxide and 5 g of powdered zinc were partially overlapped, 0.25 ml of water was added. After 20 min since the start of the experiment, a fire occurred as the temperature rose to 549 ℃. In particular, when the coin experiment residue was put on toilet paper and dried for 5 min using a hair dryer, a fire occurred as flames started to appear from the residue. Therefore, in order to prevent fires, it is safe to dispose of the residues after conducting the coin plating experiments in waste incinerator machines. Fire safety education must also be enforced upon teachers who are in charge of instructing chemical experiments at school, and science laboratories must be equipped with automatic fire extinguishing facilities, e.g., trash cans that are placed in the classrooms must be made of steel to ensure complete safety.
1. 서 론
동전도금 실험은 비교적 단순하여 학생들이 수월하게 참여할 수 있어 대부분의 초등학교, 중학교, 고등학교에서 산화와 환원반응에 대한 이해를 돕기 위한 실험으로 자주 시행되고 있다.
최근 강원도 내 중학교와 고등학교에서 동전도금 실험 후 정리⋅정돈하는 과정에서 실험 잔여물(찌꺼기)을 아무런 안전조치 없이 쓰레기통에 무단 폐기하여 화재가 발생하였다. 실험을 지도하고 있는 교사들과 인터뷰 결과, 동전도금 실험에서 나오는 잔여물(찌꺼기)의 자연발화 위험성을 전혀 알지 못하였다.
본 연구는 2017년과 2018년 강원도 내 중학교와 고등학교에서 동전도금 실험 잔여물(찌꺼기) 취급 소홀에 의한 자연발화 화재사례 3건을 검토하였고, 화재재현실험을 통하여 동전도금 실험 잔여물(찌꺼기)의 자연발화 위험성을 증명하여 화재예방에 기여하고자 하였다.
2. 이론적 배경
2.1 학교 화재발생 현황
2018년 전국 학교화재 발생현황을 살펴보면(Table 1), 대학교에서 65건의 화재가 발생하여 가장 많았으며, 그 다음은 초등학교 54건, 중학교 38건, 고등학교 38건, 특수학교 2건, 직업훈련소 2건, 기타 학교 6건 순이다. 인명피해 현황을 보면, 사망자는 없었으나 부상자가 15명 발생하였다. 부상자는 대학교 6명, 중학교 5명, 고등학교 1명, 직업훈련소 3명이다(National Fire Data System, 2019).
School Fires in 2018
학교화재의 원인별 현황을 살펴보면, Table 2에 제시한 바와 같이 전기적 요인이 94건으로 가장 많았으며, 그 다음은 부주의 56건, 기계적 요인 24건, 화학적 요인 5건, 방화의심 2건, 가스누출(폭발) 1건 순이다. 화학적 요인 5건은 화학적 폭발 1건, 금수성 물질과 물의 접촉 2건, 자연발화 1건, 혼촉발화 1건이다.
School Fires by Cause in 2018
2.2 동전도금 실험
2.2.1 동전도금 실험 개요
동전도금 실험은 초등학교, 중학교, 고등학교에서 학생들의 산화와 환원 반응에 대한 이해를 돕기 위해 ‘방과 후 학교’, ‘과학 동아리 활동’, ‘영재수업’ 등에서 자주 시행되고 있다.
실험과정은 ① 아연가루(Zn)에 수산화나트륨(NaOH) 용액을 넣어 용해시킨 후 알코올램프를 사용하여 가열한다. ② 구리가 주성분인 10원짜리 동전을 수용액에 넣고 동전의 색이 은색으로 변하면 꺼낸 후 흐르는 물에 씻는다. ③ 은색으로 변한 구리를 알코올램프 불꽃에 3~4초 정도 가열하면 동전의 색이 금색으로 변한다.
10원짜리 동전이 은색으로 변한 것은 화학도금을 이용한 것이다. 아연은 구리보다 이온화 경향이 강하다. 이온화된 아연이 구리표면에 붙어 구리를 산화시키고 자기 자신은 환원되어 구리 표면에 석출된다. 아연산나트륨(Na2ZnO2)이 동전과 반응하면서 아연 산화막이 도금이 되어 은색으로 변하게 된다. 은색이 된 동전에 알코올램프의 불꽃으로 가열하면 금색으로 변하는 것은 동전표면에 도금된 아연이 녹아 동전의 구리와 반응하여 황동합금이 생겼기 때문이다(Fig. 1; Group of Chemical Lover, 2010).
Chemical Reaction Formula
2.2.2 동전도금 실험 후 폐기물 처리 및 관리실태
다음에 제시한 학교 화재사례를 통해 확인해 본 결과, 대부분 동전도금 실험을 마친 후에 폐수용액은 실험실에 비치한 폐수통에 처리했으며, 비커 내부는 일반화장지를 이용하여 닦아내고 폐화장지는 비닐봉투에 담아 실험실 내에 방치하거나 플라스틱 쓰레기통에 담아 그대로 두었다. 아연 및 수산화나트륨 등 화학약품은 잠금장치가 설치된 수납함에 넣어 화학 담당교사가 특별 관리하고 있음을 알 수 있었다.
3. 동전도금 실험 잔여물(찌꺼기)에 의한 화재사례
3.1 중학교 화재사례
3.1.1 화재개요
2018년 12월 17일 21:32경 속초시 소재 모 중학교 과학실에서 화재가 발생하여 플라스틱 쓰레기통이 소실되어 11천 원의 재산피해가 발생하였다.
화재가 발생한 건물은 철근콘크리트조 지상4층, 지하1층 구조로 연면적은 6,004 ㎡이며, 화재는 4층 과학실에서 발생하였다. 기상상태는 날씨는 맑음, 온도는 2.9 ℃, 풍향은 북서, 풍속은 2.3 ㎧이었다.
3.1.2 화재발생 전 상황
화재 당일 13:30부터 15:10까지 과학담당 교사와 함께 학생 5명이 ‘방과 후 학교’ 동전도금 실험을 실시하였다. 실험과정에서 수용액이 탁자에 흘러내리자 학생들이 화장지로 닦은 후 실험실 내에 비치된 플라스틱 쓰레기통에 버렸다.
3.1.3 화재발견 및 119신고 상황
21:02경 자동화재탐지설비가 작동되어 보안경비업체 직원이 출동하여 교실 내부를 확인하는 과정에서 21:32경 화재를 발견하여 소방서(119)에 신고하고 소화기를 이용하여 자체 진압하였다.
3.2 고등학교 화재사례(1)
3.2.1 화재개요
2017년 11월 15일 22:15경 강릉시 소재 모 고등학교 과학실에서 화재가 발생하여 현미경 등이 소실되어 5,384천 원의 재산피해가 발생하였다.
화재가 발생한 건물은 철근콘크리트조 지상3층 구조로 연면적은 4,792 ㎡이며, 화재는 1층 과학실에서 발생하였다. 기상상태는 날씨는 맑음, 온도는 2.3 ℃, 풍향은 서북서, 풍속은 3.1 ㎧, 습도는 27%이었다.
3.2.2 화재발생 전 상황
화재 당일 11:00부터 13:00시까지 과학담당 교사와 함께 학생 8명이 ‘동아리 활동’으로 동전도금 실험을 하였다. 실험을 마치고 사용한 수용액은 폐기물통에 버렸고, 비커를 세면대에서 씻은 후 실험책상에 올려놓았다. 또한 실험에 사용된 동전은 화장지로 깨끗이 닦은 후 비닐봉투에 담아 책상 인근 실험실 바닥에 두었다. 교사와 학생들은 14:00경 실험실 출입문을 잠그고 나왔다.
3.2.3 화재발견 및 119신고 상황
학교 경비원(남, 72세)이 당직실에서 근무 중 22:15경 자동화재탐지설비 비상벨 소리를 듣고 복도에 나와 보니, 연기가 자욱하여 소방서(119)에 신고하였다. 출동한 소방차에서 40 ㎜호스 1본(15 m)을 전개하여 화재를 진압하였다.
3.3 고등학교 화재사례(2)
3.3.1 화재개요
2017년 4월 20일 13:58경 춘천시 소재 모 고등학교 과학실에서 화재가 발생하여 장식장 등이 소실되어 10,473천 원의 재산피해가 발생하였다.
화재가 발생한 건물은 철근콘크리트조 지상3층, 지하1층 구조로 연면적은 1,872 ㎡이며, 화재는 2층 과학실에서 발생하였다. 기상상태는 날씨는 맑음, 온도는 18.1 ℃, 풍향은 남서, 풍속은 8 ㎧, 습도는 33%이었다.
3.3.2 화재발생 전 상황
화재발생 전일(4월 19일) 15:40부터 16:30까지 실험실에서 지도교사와 함께 1~2학년 학생 18명이 동전도금 실험을 진행하였다. 화재발생 당일(4월 20일) 12:35부터 12:40까지 지도교사가 전일 실험 후 탁자 위에 놓아두었던 비커 수용액을 폐수통에 버린 후 두루마리 화장지를 이용하여 비커 내부를 닦았다. 그리고 화장지를 키친타월로 여러 겹 감싼 상태로 플라스틱 쓰레기통에 버렸다.
3.3.3 화재발견 및 119신고 상황
실험실 맞은편 사무실에서 근무 중이던 교사가 13:58경 자동화재탐지설비 비상벨 소리를 듣고 복도에 나와 연기와 화염을 목격하고 소방서(119)에 신고하였다. 출동한 소방차에서 40 ㎜호스 7본(105 m)을 전개하여 화재를 진압하였다.
4. 화재재현 실험
4.1 개요
본 실험은 2019년 8월 27일 오후(13:00~16:00) 강원도소방학교 실험실에서 이루어 졌으며, 날씨는 맑음, 온도는 28 ℃, 습도는 72%, 풍향은 남서풍이었다.
동전도금 실험 세트는 알코올램프, 시료용기, 비커(50 ㎖), 스포이드(5 ㎖), 미량저울 등이 사용되었고, 수산화나트륨은 CAS 1310-73-2 500 g 분말과 아연분말은 7440-66 500 g 분말을 사용하였다. 온도측정 장비는 디지털 온도측정기(GL820; k-type / 열전대와 노트북 포함), 적외선 온도계(AR862A), 습도계, 디지털카메라, 초시계 등이 사용되었다.
4.2 [실험1] 수산화나트륨과 아연 혼합 실험
수산화나트륨 5 g과 분말아연 5 g을 혼합하였다. 실험시작 3초가 되었을 때 57 ℃까지 상승하였고, 그 이후에는 점차 온도가 내려가 20초가 되었을 때에는 46 ℃가 되었다(Fig. 8). 이때 화재는 발생하지 않았다.
Temperature Graph
4.3 [실험2] 수산화나트륨과 아연을 혼합 후 물 투여 실험
수산화나트륨 5 g과 분말아연 5 g을 혼합 후 물 0.25 ㎖를 투여하였다. 실험시작 3초가 되었을 때 88 ℃까지 급격히 상승하였다. 그 이후에는 점차 온도가 내려가 20초가 되었을 때에는 48 ℃가 되었다(Fig. 9). 이때 화재는 발생하지 않았다.
Temperature Graph
4.4 [실험3] 수산화나트륨과 아연의 일부분 겹친 상태에서 물 투여 실험
수산화나트륨 5 g과 분말아연 5 g을 각각 1/3 가량을 겹치도록 한 상태에서 물 0.25 ㎖를 투여하였다. 실험시작 3초가 되었을 때 100 ℃가 조금 넘었다. 그 이후에는 온도가 계속해서 상승하다가 20초가 되었을 때에는 549 ℃가 되면서 화재가 발생하였다(Fig. 10).
Temperature Graph
4.5 [실험4] 실험 잔여물(찌꺼기) 가열 실험
실험 후 남겨진 잔여물(찌꺼기)을 화장지 위에 올려놓고 헤어드라이기를 이용하여 5분간 건조시켰다. 그리고 헤어드라이기를 정지한 상태에서 30초가 지났을 때 화장지위 잔여물(찌꺼기)에서 불꽃이 튀면서 화재가 발생하였다.
5. 결 론
본 연구는 학교 실험실에서 동전도금 실험 후 남겨진 잔여물(찌꺼기)에 의한 자연발화 위험성 확인을 위해 학교 실험실 화재사례 3건을 검토하고 화재재현실험을 진행하였다. 연구결과는 다음과 같다.
5.1 학교 실험실 동전도금 실험 잔여물(찌꺼기)에 의한 자연발화 화재 전이 양상
지난 2년(2017~2018) 동안 강원도 내 중학교(1개교)와 고등학교(2개교) 실험실에서 발생한 동전도금 실험 잔여물(찌꺼기)에 의한 자연발화 화재 전이 양상을 살펴보면 다음과 같다. 첫째, 화재가 발생하기 전 실험실에서 지도교사와 학생들이 수산화나트륨과 아연을 이용한 동전도금 실험을 실시하였다. 둘째, 탁자 위에 흘러내린 수용액이나 비커 내부에 남은 수용액 잔여물(찌꺼기), 그리고 실험에 사용된 동전을 화장지로 닦아 마무리 후 화장지를 교실의 바닥 또는 플라스틱 쓰레기통에 버렸다. 셋째, 수용액이 묻은 화장지를 쓰레기통에 버린 후 짧게는 1시간 18분, 길게는 8시간 15분이 지난 이후에 화재가 발생하였다(Table 3).
Fire Delayed Time
5.2 화재재현실험 결과
실험1, 수산화나트륨 5 g과 분말아연 5 g을 혼합하였을 때 실험시작 3초가 지나자 온도가 57 ℃까지 상승하였으나 화재는 발생하지 않았다. 실험2, 수산화나트륨 5 g과 분말아연 5 g을 혼합한 상태에서 물 0.25 ㎖를 투여하였을 때 실험시작 3초가 지나자 온도가 88 ℃까지 상승하였으나 화재는 발생하지 않았다. 실험3, 수산화나트륨 5 g과 분말아연 5 g을 각각 1/3 가량을 겹치도록 한 상태에서 물 0.25 ㎖를 투여하였을 때 실험시작 20초가 지나자 온도가 549 ℃까지 상승하면서 화재가 발생하였다. 실험4, 실험 후 남겨진 잔여물(찌꺼기)을 화장지 위에 올려놓고 헤어드라이기를 이용하여 5분간 건조시켰을 때 잔여물(찌꺼기)에서 불꽃이 튀면서 화재가 발생하였다(Table 4).
Result of Fire Reproduction Experiment
화재사례 3건과 화재재현실험 4건에 대한 결과를 종합해 보면, 자연 발화되는 이유는 동전도금 실험결과 생성된 과산화나트륨(Na2O2)이 가연성 물질이 있는 곳에서 적정한 농도의 물(H2O)과 반응하였을 때 발열, 화재가 발생하는 것으로 확인되었다.
따라서 동전도금 실험 잔여물(찌꺼기)에 의한 학교 실험실 화재예방법을 제시하면 다음과 같다.
첫째, 실험과정에서 나온 잔여 폐기물(찌꺼기)은 실험 종료 즉시 담당 지도교사의 책임 하에 지정된 안전한 소각장에서 소각해야 한다.
둘째, 화학실험 지도교사들을 대상으로 정기적인 전문 안전교육을 실시해야 한다. 본 연구과정에서 실제 화재가 발생한 학교의 실험 지도교사들과 인터뷰 결과 동전도금 잔여물(찌꺼기)에 의한 자연발화 위험성을 전혀 모르는 실정이었다.
셋째, 실험실에 비치하는 폐기물 용기 등은 내화성능을 인정받은 재질로 견고하게 제작해야 하고, 반드시 자동 소화기능을 갖추어야 한다. 즉, 내부에서 발화시에 이를 감지하여 소화 약제를 방사하는 기능이 있어야 한다.