수동식 시료채취기(passive sampler)는 취급의 편리성과 간편성, 공기채취펌프의 불필요성, 그리고 근로자의 작업에 방해가 되지 않는 등의 여러 가지 장점으로 인해 현재 그 사용이 점차 증가되고 있으나 국내에서 사용되고 있고 채취기는 모두 값비싼 외국산 제품을 사용하고 있다.
본 연구의 목표는 휘발성유기화합물(VOCs)용 수동식 시료채취기의 국산화를 위하여 우선적으로 해결하여야 할 설계변수들에 대한 최적조건을 확립하는데 있으며, 이를 위해 수동식 시료채취기의 모양 및 구조, 흡착제 종류 및 사용량, 기류제어막, 확산길이와 같은 여러 변수들에 대한 조건을 검토하고 다양한 실험을 통해 최종 선정하고자 하였다.
먼저 시료채취기 설계변수 중 일부 변수들에 대한 조건들은 실험여건 및 시간경제적인 측면을 고려하여 연구문헌들의 검토 등을 통해 우선 선정 및 고안하였다. 이후 시료채취기 설계변수 중 하나인 확산길이 선정의 경우 앞서 선정된 설계변수 조건을 갖추고 확산길이만 달리한 4종류의 시료채취기를 제작하여 대상물질별 채취기의 시료채취율 평가를 통해 결정하였다. 평가실험은 기 개발하여 검증된 표준증기발생챔버를 이용하였으며, 실험대상 물질로는 벤젠, 톨루엔, 트리클로로에틸렌, n-헥산의 4가지 유기용제를 혼합하여 사용 하였다.
신뢰성 있는 평가를 위해 US-OSHA의 평가 protocol에 따라 채취기의 시료채취율 평가를 실시하였으며, 아울러 동 protocol에 따라 가장 적합한 모형의 시료채취기를 대상으로 역확산, 저습도 등 다양한 환경조건에 관한 실험실 평가도 실시하였다. 마지막으로 실험실 연구를 통해 최종 선정된 모형의 제품을 가지고 실제 사업장 측정에 따른 문제점 여부를 파악하기 위해 현장평가를 실시하였다. 주요 연구결과는 다음과 같다.

1. 수동식 시료채취기 개발을 위한 여러 설계변수들 중 일부 변수들에 대해서 먼저 실험여건 및 이전 연구문헌 결과들을 통해 가장 적합할 것으로 판단되는 조건들을 검토 및 고안하였다. 그 결과, 시료채취기 모양 및 구조는 직경이 25 mm, 확산표면적이 980 ㎟(단면적 490 ㎟)인 원통형 모양으로 양방향으로 공기가 들어오는 양면흡착형 구조로 선정하였다. 그리고 흡착제의 종류 및 사용량은 기존 상용화되고 있는 SKC사 제품의 입자상 활성탄 300 mg, 기류제어막은 Millipore사의 11 ㎛ 공극을 가진 나일론필터를 최종 선정하였다.

2. 시료채취기 설계변수 중 하나인 확산길이 선정을 위해 앞서 선정된 채취기 설계변수 조건을 갖추고 확산길이만 달리 한 4종류의 시료채취기를 제작하여 4가지 대상물질에 대하여 채취시간에 따른 시료채취율 평가를 실시하였다. 그 결과 대부분의 물질에서 양쪽 확산길이가 가장 짧은 모형은 시료채취율이 가장 높지만 각 채취시간대별 평균 시료채취율 간 변이가 커서 권고 채취시간이 가장 짧게 나타났다. 반면 양쪽 확산길이가 가장 긴 모형의 경우 각 채취시간대별 시료채취율 간 변이가 작아 권고 채취시간은 길지만 시료채취율이 가장 낮게 나타났다. 적절한 시료채취율을 보이면서 권고 채취시간이 길어 시간가중평균(TWA) 평가에도 적당한 모형은 A-3(양쪽 확산길이 각각 9.5 mm) 시료채취기였다. 이 모형에 대한 벤젠, 톨루엔, 트리클로로에틸렌, n-헥산 각 대상물질별 시료채취율은 각각 45.8, 41.5, 41.4, 40.3 mL/min으로 우수하였다.

3. 시료채취기의 성능에 영향을 미치는 변수 중 하나인 기류에 대한 시료채취기의 설치(채취)방향에 대한 평가 결과, 대상물질 모두 수동식 시료채취기의 확산길이에 관계없이 기류와 마주보는 수직 방향으로 채취기를 설치했을 때가 평형인 방향일 때보다 다소 높은 시료채취율을 보였다. 단, 확산길이가 짧을수록 기류방향에 따른 차이 및 변이가 크게 나타났다.

4. 시료채취기 모양, 확산길이 등 모든 설계변수 조건 검토결과 최종 선정된 A-3 모형의 수동식 시료채취기를 대상으로 역확산 여부를 평가한 결과, 모든 대상 물질들에서 OSHA 평가기준을 만족하여 역확산이 일어나지 않음을 알 수 있었다.

5. A-3 모형의 수동식 시료채취기를 대상으로 저습도 환경 및 저농도 환경에 따른 영향을 평가한 결과 모두 OSHA의 평가기준에 적합하여 저습도 및 저농도가 시료채취 및 포집에 영향을 거의 미치지 않음을 알 수 있었다.

6. A-3 모형에 대해 탈착(추출) 효율을 평가하기 위해 대상물질들을 각 노출기준의 약 0.05～2배 6개 수준의 양으로 첨가하여 평가한 결과 4가지 물질의 탈착효율은 평균적으로 각각 99.5%(벤젠), 101.9%(톨루엔), 103.7%(트리클로로에틸렌) 및 107.0%(n-헥산)으로 우수하게 나타났다.

7. A-3 모형을 가지고 톨루엔을 대상물질로 하여 2곳의 사업장에 대하여 노출챔버를 이용한 지역시료 채취형태의 현장평가 결과, 실험실의 결과와 유사한 시료채취율을 보였으며 활성탄관의 기준농도와도 큰 차이가 없어 현장측정에 따른 문제점이 크게 발견되지 않았다. 단, 저농도 환경에서 기류가 거의 없는 조건에서는 A-3 모형 포함 기존 상용화된 제품 모두 시료채취기의 시료채취율이 낮아지는 경향을 보였다.

이상의 연구결과들을 종합한 본 연구에서 확립

Passive samplers have been used for many years for the sampling of organic vapors in work environment atmosphere. In many cases, they are preferred because of their simplicity and easiness of use. Currently, all passive samplers used in domestic occupational monitoring are foreign products. This study was performed to evaluate parameters for the development of passive organic samplers, which include geometry of the device and diffusive length for the sampler design. First, some design parameters of sampler was determined for make test sampler through the literature reviews. Afterward to determine of diffusive length on passive sampler, four prototype diffusive lengths; A-1 (4.5 mm), A-2 (7.0 mm), A-3 (9.5 mm), A-4(12.0 mm) were tested for absorption performances(sampling rate) to a chemical mixture (benzene, toluene, trichloroethylene, and n-hexane) according to the US-OSHA''s evaluation protocol. A dynamic vapor exposure chamber developed and verified by the related researches was used for this study. Laboratory experiment was performed to find out the most suitable design factors of passive sampler to overcome reverse diffusion, low humidity, low concentration. Finally, field test was conducted to verify the laboratory results. The results are as follows:

1. As the result of literature reviews to determine conditions of some design parameters on passive sampler, geometry and structure of sampler were selected 25 mm diameter and 980 ㎟ diffusive surface area(490 ㎟ cross sectional area) with cylindrical form of two-sided opposite diffusion direction. And amount of adsorbent and wind screen were chosen 300 mg of activated charcoal, nylon net filters(11㎛ pore size) respectively.

2. The evaluation results of sampling rate to determine of diffusive length on passive sampler, sampling rate for A-1 (4.5 mm diffusive lengths on both sides) was best in tested all chemicals, but recommended sampling time appeared to be worst. In case of A-4 (12.0 mm diffusive lengths on both sides), recommended sampling time was longer than any others, while sampling rate showed the poorest. The most suitable model was A-3 (9.5 mm diffusive lengths on both sides) for passive sampler design in time weighted average(TWA) assessment, which has affordable sampling rates and recommended sampling times for tested chemicals in various concentrations. Sampling rates of this A-3 model were 45.8, 41.5, 41.4, 40.3 mL/min for benzene, toluene, trichloroethylene, and n-hexane, respectively. This result was comparable to the most available foreign passive samplers.

3. When passive samplers were placed on two airflow directions (parallel or perpendicular to the face of sampler) in the test chamber, perpendicular direction showed higher sampling rate than parallel one. When passive sampler''s diffusive length was short like an A-1, sampling rate differences and variations for both sampling directions reached high.

4. For evaluating the reverse diffusions, A-3 models that showed most suitable diffusive lengths were exposed to clean air for 3 hours after sampling of 2 times of TLVs for 1 hours. There was no significant loss of organic vapors by reverse diffusions.

5. The A-3 models were also tested in low humidity air (35% RH) and low concentrations (0.2 times of TLV). The conditions did not affect on the diffusion capacity of samplers. Desorption efficiencies (DE) were 99.5%, 101.9%, 103.7%, and 107.0% for benzene, toluene, trichloroethylene, and n-hexane, respectively.

6. The results of field test by using the exposure chamber for toluene at two workplaces, performance of A-3 models was similar to lab results and problems concerned with field conditions were not discovered. Just, sampling rate of sampler was decreased in case of extremely limited air flow of low concentration environment.

In conclusion, the most suitable design parameters of passive sampler for volatile organic compounds are:
- Geometry and structure : 25 mm diameter and 980 ㎟ diffusion surface area(490 ㎟ cross sectional area) with cylindrical form of two-sided opposit diffusion direction.
- Diffusive length : 9.5 mm in both faces
- amount of adsorbent : coconut shell charcoal of 300mg
- Wind screen : Nylon net filter (11 ㎛ pore size)