Clean Agent(구 청정소화약제)의 출현과 배경

 

국가화재평가원

여용주 원장(소방기술사 / 공학박사)

 

그림1. 역사적 배경

 

가스계소화설비는 1920년에 NFPA에서 CO2소화설비 규정을 마련한 후 상용화가 시작되었으니 거의 100년 정도의 긴 역사를 가졌습니다. 그 후 하론이 개발되면서 같이 사용하다 프레온 계열 화합물이 오존층 파괴 물질로 분류되면서 하론은 사용 중지되었고 현재는 CO2 만 사용하고 있습니다. 그러나 최근에는 CO2가스의 위험성으로 신규소화설비로는 거의 사용을 하지 않고 있으며, 대부분 Clean Agent 가스 설비를 사용하고 있습니다.

 

하론의 경우 1947년부터 1202, 1211, 1301, 2402를 많이 사용하였는데, 원래 하론 104(사염화탄소)가 있었으나 독성이 강하여 1950년대 사용이 중단되었습니다. 소화 성능은 1202가 가장 낫지만 독성이 강하여, 1301을 가장 많이 사용하게 되었습니다.

현재 사용하고 있는 Clean Agent의 환경적특성은 표 1과 같이 IG계열을 제외한 할로겐화합물 계열은 ODP(오존층파괴지수)에만 대부분 초점이 맞추어져 있으며, 하론을 대체할 완벽한 물질이 아닌 중간단계의 물질로 규정하고 있어, 향후 새롭고 진보된 소화 약제가 지속적으로 개발될 것으로 보입니다.

 

표1. Clean agent의 환경적 특성

 

Clean agent의 출현 배경을 다시 설명 드리면, 1974년 미국대학에서 프레온류(CFC 화합물)에 의한 오존층 파괴 가능성 발표 후 국제협약을 통해 CFC화합물 규제가 이루어졌으며, 소화 약제인 하론도 선진국을 중심으로 규제대상에 포함되었습니다. 이에따라 ODP가 낮으면서 하론을 대체할 소화 약제가 필요 해짐에 따라 Clean agent가 탄생하게 된 것입니다.

사실 개인적으로는 소화약제로서 하론을 규제 물질에 포함 시킨것은 다른 의도가 있지 않나 싶습니다. 당시 하론을 생산할 수 있는 나라가 많지 않았던 시기에 우리나라를 비롯한 일부 국가에서 하론생산능력을 가지게 되면서 규제가 시작되었던 것을 보면... 새롭게 개발된 약제는 거의 대부분 수입에 의존하고 있으니 말입니다.

 

그림2. 하론1301의 오존층 파괴 메커니즘

 

하론과 같은 프레온계열의 화학물질이 오존층을 파괴하는 메커니즘은 그림 2와 같이, 염소와 브롬이 오존과 화학반응을 하기 때문입니다. 따라서 이런 문제를 해결하기 위해 Clean agent의 개발 중 한가지는, 아예 염소와 브롬을 함유하지 않도록 하거나(HFC, FC, FIC계열 : HFC-125, FM-200...) 두번째는, 함유하더라도 성층권에 도달하기 전에 분해되도록 수소H를 첨가하는 방법으로 개발되었습니다. 두번째 방법은 불완전한 구조여서 최근에는 대부분이 염소와 브롬을 함유하지 않는 방식으로 개발 (HCFC, HBFC계열 : NAF S –III) 하거나, 불활성기체를 이용하는 방식을 사용하고 있는 것으로 알고 있습니다.

대부분의 Clean agent 소화 성능이 하론에 비해 떨어지는 이유가 화학적소화에 가장 중요한 염소와 브롬이 함유되지 않은 원인도 있지 않을까 생각해봅니다.

참고로 주요 가스계소화약제의 소화 원리는 다음과 같습니다.

 

CO₂

CO₂ 소화작용의 주된 메커니즘은 산소감소에 의한 질식 작용이며 냉각작용은 비교적 효과가 적다. 그러나 CO2가 연소되는 물질에 직접 적용될 때는 냉각작용도 효과를 발휘하게 된다.

냉각효과는 국소방출에 의해 연소물질 위에 직접 방출될 때 가장 분명하게 나타나는데 이 경우에는 화학적 냉각작용이 일어난다.

CO₂＋C → 2CO – 297.6 cal(흡열반응)

 

Halon

연소과정의 연쇄반응을 차단하여 소화한다.

하론의 소화 메커니즘은 아직 완전히 이해되지 않고 있지만, 연소반응을 방해하는 화학반응이 일어난다는 사실은 분명하다. 하론 원자는 화염 연쇄반응과 관련된 활성 화학기를 제거하는 역할을 한다. 모든 할로겐이 이러한 역할을 하지만, 그중에서도 브롬은 염소나 불소에 비해 효과가 더 크다. 하론 1301(무게비로 브롬의 함량 54 %)의 경우에는 브롬 라디칼이 화재 소화의 억제자 역할을 하게 된다. 반면에 분자구조 내의 불소는 소화약제에 열적 안정성을 부여하고, 약 480 ℃에 이를 때까지 하론 1301의 분해를 억제하는 역할을 수행한다.

 

할로겐화합물 계열 청정소화약제

할로겐화탄소 청정소화약제는 해당 화합물에 따라 화학적 메커니즘과 물리적 메커니즘의 조합을 통해 화재를 진압한다. 일부약제를 제외하고 주된 작용은 냉각에 의한 물리적 소화 메커니즘을 가진다.

1) 화학적 소화

HBFC 및 HFIC 화합물의 경우는 할론 1301과 같이 Br 및 I화학종이 화염 라디칼을 제거하고 이에 따라 화학적인 연쇄반응을 방해하는 화학적 소화 메커니즘을 가지고 있다.

2) 물리적 소화

사용 중인 할론 1301 대체용 할로겐화탄소 화합물들의 화재를 진압하는 주된 원리는 연소반응영역 으로부터 열을 빼앗아 냉각한다.

 

- 본 칼럼은 국가화재안전저널 제 23호에 기고된 글입니다.