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혼합기체
혼합기체(混合氣體 , gas mixture)는 여러 가지 기체가 섞여 있는 혼합물이다. 혼합가스라고도 한다. 예를 들어 공기는 질소와 산소, 이산화탄소가 섞인 혼합기체이다. 공기는 혼합물로, 질소와 산소는 단체이고, 이산화탄소는 산소와 탄소로 이루어진 화합물이다.
목차
혼합기체의 특징
혼합기체에서 기체 분자는 매우 빠른 속도로 불규칙적인 운동을 하고 있기 때문에, 기체의 혼합물은 균일한 상태를 가지는 것으로 생각할 수 있다. 즉, 기체 상태의 용액으로 볼 수 있는 것이다. 혼합기체가 거시적으로 나타내는 물리적 성질은 단일기체가 나타내는 것과 같지만 화학적 성질은 성분기체의 성질을 그대로 나타낸다.
혼합기체의 압력
혼합물 내에서 가스 성분의 농도는 그 성분의 부피를 결정하고, 이는 압력으로 나타낼 수 있다. 이 때의 압력을 부분압력이라 한다. 즉, 부분압력은 혼합기체의 각 성분의 농도에 따라 정해진다.
혼합기체가 나타내는 압력은 단일 기체처럼 기체의 몰수에 의존한다. 예를 들어, 서로 반응하지 않는 기체 A·B·C가 각각 1몰·2몰·3몰로, 부피가 22.4L인 용기 속에 섞여 있을 때 이 혼합기체가 0℃에서 나타내는 압력은 6기압이 된다. 만약 혼합기체가 아닌 단일기체라고 해도 같은 조건이라면 그 압력은 6기압이 된다.
그리고 각 성분기체가 나타내는 압력은, 기체 A는 1기압·기체 B는 2기압·기체 C는 3기압이 되며 이 압력을 모두 더한 값은 혼합기체가 나타내는 전체 압력과 같다. 이때 각 성분기체가 나타내는 압력을 부분 압력이라 하며 성분기체의 부분 압력을 모두 더한 값이 전체 기체가 나타내는 압력과 같게 된다는 것을 부분압력법칙이라고 한다.
PT = PA + PB + PC
PT : 전압력 PA, PB, PC : 성분 기체 A, B, C의 부분 압력
한편 혼합기체의 화학적 성질은 성분기체의 성질을 잃어버리지 않고 그대로 나타낸다.
혼합기체의 압축성
가스는 보통상태에서 압력에 의해 압축되는 성질을 가지고 있다. 또한 온도가 낮아져도 가스는 압축되려는 성질이 있다. 이는 저온상태(겨울철)에서 혼합기체를 운반 또는 저장할 때 가스가 압축되어 혼합된 가스 성분의 변화를 가져올 수 있다.
혼합기체의 요건
- 균질성: 혼합기체 성분의 균질성은 혼합기체의 가장 중요한 요건으로 완전히 균질화되어 있는 것이어야 한다.
- 정밀성
- 제조정밀도: 희망하는 농도와 실제로 얻어진 농도와의 최대 편차를 말한다.
- 분석정밀도: 분석결과와 실제의 농도로서 추정되는 실제값과의 최대편차를 말한다.
- 표시값의 정확성: 분석기기의 정밀도를 의미하며 ±2% 이내로 한다.
혼합기체의 종류
- 석유화학공정용, 천연가스분석용, 열량측정용 : C₂H₆, C₂H8, C₄H₁₀ , C₅H₁₂, O₂, CO₂, N₂, CO, CH₄
- 레이저용 : CO₂+N₂, CO+CO₂+N₂
- 연구실험용 : CO₂, C₂H₃Cl, C₂H₆, C₃H8, C₂H₂, Ar O₂, N₂, C₂H₄
- 납사분해용 : O₂, N₂, CO, CO₂, C2H₆, I-C₂H₁₀ , 1.3 C4h₆, 1-c₄h₁₀
- 조명광원용 : Ar, N₂, Kr, Ne, Xe, CH₂Br₂
- 전력, 가스산업용 화학, 철강산업용 : CO, H₂, CH₄
- 잠수호흡용 : O₂, He
혼합기체 취급 시 주의사항
- 온도변화: 일반적으로 용기를 고온 하에서 저장하는 것을 피하여야 한다. 하절기에 직사광선이나 동절기의 장시간 추운곳은 피하도록 해야 한다. 저농도의 혼합기체나 응축이 쉽게 되는 경우 특히 온도변화에 민감하다.
- 압력변화: 가스 사용시 응축의 위험성을 배제하기 위해서 유량은 100L/Hr이하로 사용하며, 용기내 압력이 최초 압력의 10%선에 도달했을 때 가스사용을 중지하는 것이 좋다.
- 공급사양: 특별한 언급이 없는 한 모든 혼합기체는 몰(Mole) 농도를 기준으로 한다.
- 용기 저장 온도 범위:-10℃∼50℃
- 사용온도: 15℃∼25℃
혼합기체의 용도
LASER용 가스
LASER란 Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation의 머릿글자를 따서 만든 글로서 "복사선의 유도방출에 의한 빛의 증폭"이란 뜻이다.
- LASER의 응용
- 정보산업: Audio Compact Disc, Product Code Scanner 등
- 검사, 계측: Flow Detector 등
- 의학: Cutting, Drilling-Welding, Marking 등
- 군사: 무기
조명기구용 가스
의료용 혼합기체
- 혈중 가스농도 측정용 가스: 혈액중 산소와 이산화탄소의 량을 측정하는 분석장비 교정을 위해 Zero 가스와 Span 가스로 사용된다.
- 혐기성 가스: 혐기성 세포 배양시 산소로부터 보호하고자 사용한다.
- 살균용 가스: 상업적인 살균용 가스로 쓰인다.
- 폐 기능 측정용 가스: 폐기능 검사 및 분석기 교정용으로 사용한다.
- 마취용 가스: 산소와 병용하여 흡기 중 산소농도는 30%이상이어야 한다.
- 그 밖에 뇌기능 검사용 가스 등이 있다.
탈가스(Degassing)용 혼합기체
용융된 상태의 알루미늄은 수소와 나트륨, 칼슘, 리튬 등의 알카리금속과 고체 상태의 입자들이 불순물로 존재한다. 이러한 불순물은 알루미늄 제련후 내부의 공간을 생성시킨다. 이를 방지하기 위해 제련시 몇가지 특수가스를 사용하여 Bubbling을 통해 수소와 기타 불순물을 제거하는 방법이 사용되어지고 있다.
- 염소가스(Cl₂) : 염소가스는 알루미늄 탈가스 공정에서 가장 좋은 효과를 얻을 수 있는 탈가스제로 쓰인다. 알루미늄 용탕내에서 염소가스는 염화알루미늄(AlCl₃)을 생성하고 이것은 190℃ 이상에서 가스상태로 알루미늄내의 수소를 제거시킨다. 그러나 염소가스는 공기중에서 부식성과 독성이 강한 염산을 생성하므로 위험성이있어 사용상 주의를 요한다.
- 순수가스(Ar, N₂) : 아르곤이나 질소는 알루미늄 탈가스제로 미국 EPA나 OSHA등에서 사용이 허가된 가스로 현재 많이 사용되어지고 있다. 그러나 이들 가스는 용융된 상태가 염소가스에 비해 깨끗하지 못하고 수소 등 불순물의 제거효과가 떨어지는 단점이 있다.
- Freon-12(CCl₂F₂)/N₂또는 Ar 혼합기체
이 혼합기체는 염소 및 염소의 혼합기체 대체품으로 사용되어지고 있었으나 가스 혼합기술의 어려움과 오존층 파괴를 막기 위한 몬트리올 의정 협정으로 선진국을 시작으로 사용이 금지되고 있는 추세이다.
- RG-46, AGA MiX 14 등의 특수가스
위에서 열거한 탈가스제의 대체품으로 1980년대 후반부터 사용되어지기 시작한 특수가스로 그 조성비 또는 혼합성분을 알 수 없으며, 기존의 탈가스제와 비교, 성능이 좋을 뿐만아니라 사용상 어려울이 없고 무독성이며 취급방법이 용이한 특수가스이다.
마그네슘 주조(Magnesium Diecasting)용 혼합기체
마그네슘은 매우 반응성이 좋은 금속으로 800℃이상에서 주조 공정중 산화 또는 질산화물을 형성한다. 이를 막기 위해 지금까지는 용융 염과 SO₂또는 분말황등이 사용되어졌다. 그러나 이러한 장점에 비해 2차반응으로 부식성이며 고약한 냄새를 내는 유해물을 생성시킨다. 이러한 유해 부반응을 줄이기 위한 대체품으로 SF₆의 혼합기체가 사용되고 있다.
SF₆의 사용은 기존의 방식에 비해 작업상의 안정성과 더불어 환경보호측면에서도 우수하기 때문에 그 사용이 더욱 늘어나고 있는 추세이다. 이 때 사용되어지는 혼합기체의 비율은 시행착오를 거쳐 결정되어지고 있지만 보통 SF6 1%와 Carrier Gas로 사용되어지고 있다. 이러한 기술은 미국을 비롯 캐나다, 유럽 등지에서 사용되어지고 있다.
누출검지 및 Gas-Air Tracers용 혼합기체
SF₆는 점도가 매우 낮고, 검출하기가 쉬워 장비의 누출감지에 적합하다. 또한 기상학적 연구에서 공기의 흐름을 위한 Gas-Air Tracer로 사용되어지고 있다. 이때 필요한 장비로는 SF₆를 0.01ppb까지 검출 할 수 있는 장비와 1X10^-10cc/sec정도의 적은 누출을 검지할 수 있는 장비가 필요하다.
혼합가스 허가 요건
모든 고압가스의 판매허가는 가스의 종류별로 관할 시·군·구에 등록해 왔다. 그러나 고압가스 가운데 필요에 따라 수 백 가지, 수 천 가지도 만들 수 있는 혼합가스의 경우 일일이 허가증에 모두 표기할 수 없다는 맹점이 있었다. 수도권의 한 고압가스 충전 및 판매사업자가 새로운 개념을 적용한 고압가스판매 시설의 변경허가관련 기술검토서를 가스안전공사에 제출, 통과되었다. 허가 받은 가스의 혼합은 물론이고 각기 다른 혼합비율의 혼합가스를 보관, 판매할 수 있도록 했다는 점이 핵심내용이다. 혼합가스를 혼합되는 가스의 혼합비에 따라 가연성가스, 조불연성가스, 독성가스 등에 편입시키는 등 일정한 기준을 적용했다는 점도 눈에 띈다.
경기동부지역의 한 지자체에 등록한 고압가스판매허가증의 허가품목 현황을 보면 수소, 메탄, 에틸렌, 에탄, 프로판 등의 가연성가스 혼합비가 4% 이상인 가스를 '가연성 혼합가스'로 표기하고, 이를 가연성가스용기보관실에 보관하도록 했다. 또 독성이 미량 포함된 혼합가스를 '조불연성혼합가스'로 칭하고 그 종류를 일정한 기준에 따라 분류함으로써 독성혼합가스와 명확하게 구분했다
이번 판매허가 품목현황 가운데 혼합가스에 독성이 혼합된 경우 LC50 계산 결과가 5000ppm 미만이면 '독성혼합가스'로, LC50 계산 결과가 5000ppm 이상이면 '조불연성혼합가스'로 구분했다는 것 또한 합리적이라는 평가를 받을 것으로 보인다. 독성혼합가스의 밸런스가스는 헬륨, 질소, 에어, 탄산, 아르곤 등 조불연성가스이다.
또 조불연성가스의 경우 아르곤, 네온, 제논, 삼불화질소, 공기, 팔불화프로판 등을 '일반 조불연성가스'로 칭했으며, 이밖에 조불연성혼합가스의 종류를 △일반 조불연성혼합가스 △가연성가스가 미량(4% 미만) 포함된 조불연성혼합가스 △시약류가 미량 포함된 조불연성혼합가스 △독성이 미량 포함된 조불연성혼합가스 등으로 분류했다.
시약류가 미량 포함된 '조불연성혼합가스’라는 혼합가스의 종류를 새로운 틀에서 도입하게 된다. 에탄올, 아세톤, 벤젠, 톨루엔 등의 시약류는 대부분 공기(Air)를 밸런스가스로 한 혼합가스로, 시약류의 혼합비가 대부분 5ppm이다.
이밖에 이번에 허가 받은 독성가스의 종류를 보면 디보란, 아르신, 모노실란, 암모니아, 이산화황 등 허가 받은 24종 외에도 독성가스가 미량 포함된 밸런스가스(헬륨, 질소, 에어, 탄산, 아르곤)의 혼합가스와 산화에틸렌(C₂H50)이 미량 포함된 밸런스가스(HF(C₂H40+CHCLF-CF₃))의 혼합가스의 LC50 계산 결과가 5000ppm 미만인 경우의 혼합가스 등 2가지를 추가로 해 총 26종이다.
하지만 독성혼합가스도 각종 밸런스가스와 함께 얼마든지 많은 종류로 제조할 수 있으므로 그 가짓수도 수 백 가지로 늘어날 수 있다.
특히 독성혼합가스는 개별 고유의 독성가스허가를 받은 품목 내에서 혼합해야 하며 이를 독성가스용기보관실에 보관해야 하므로 해당 독성가스판매허가를 받은 사업자만 허가를 받아 판매할 수 있음을 분명히 하고 있다.
참고자료
- 〈혼합기체〉, 《두산백과》
- atom, 〈특수가스-혼합가스〉, 《다음카페》, 2009-05-01
- 한상열 기자, 〈포커스 수많은 종류의 혼합가스와 관련한 허가요건 어떻게 바뀌었나〉, 《가스신문》, 2016-09-22
- 〈혼합가스〉, 《티알아이 머트리얼즈㈜》
같이 보기
