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[기획] 초임계탄산을 활용한 목재 예술품 세정DDT, PCP, 린덴 등 살충 및 방부 성분 제거능력 탁월
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승인 2004.10.15  
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<편집자주>

전세계의 모든 박물관과 예술품 전시장, 그리고 세계적인 명성을 얻고 있는 성당, 교회들에는 거의 예외없이 유구한 역사를 자랑하는 나무 재질의 조각상이나 각종 조각품들이 존재한다.

이러한 목재 예술품들은 짧게는 수천년에서 길게는 수만년, 수십만년의 세월을 견뎌내며 금전적으로는 평가할 수 없는 막대한 예술적 가치를 지니고 있으며 그 나라의 역사를 상징하는 보물이자 문화재로서 국가적 차원의 관리가 이루어지고 있다.

그러나 쇠나 돌과 달리 목재 예술품들은 온도 및 습도의 변화에 보다 민감하게 반응하기 때문에 세월의 흐름에 따라 필연적으로 각종 해충과 균류에 의한 크고 작은 손상을 피하기 어려운 실정이다.

이에 따라 지난 수십여년 이상 목재 예술품들에 대한 살충 및 방부처리는 유물 보존을 위해 반드시 시행해야하는 부득이한 조치로 인식되었으며 살충제인 DDT(dichloro-diphenyl-trichloroethane)를 비롯 방부제인 PCP(pentachlorophenol), 제초제의 일종인 린덴(lindane) 등 인체와 환경 모두에게 해가되는 강력한 살충.방충제들이 무분별하게 사용됐다.

하지만 수십년이 지난 지금에 이르러 이같은 화학물질들은 당초의 목적과는 반대로 목재 예술품들의 복원 및 보존을 저해(沮害)하는 요인이 되어 버렸다.

목재 예술품의 표면 및 내부에서 DDT 등이 기화(氣化)하여 독성가스를 내뿜는 것은 물론 예술품 자체에도 치명적 손상을 일으켜 외부 공기와 격리된 밀폐용기(또는 공간)에서만 보관이 가능해졌기 때문이다.

이와 관련 최근 인체에 무해하고 환경친화적이면서도 최상의 세정효과를 누릴 수 있는 초임계 탄산(Supercritical CO2)을 활용, 목재 예술품의 잔존 유독물질을 제거하는 세정공법이 개발됨으로서 많은 관심을 얻고 있다.


[화학물질 세정의 위험성]

나무를 비롯한 유기물질로 만들어진 예술품(공예품)들은 박물관과 같은 특정한 장소를 제외하면 일반적으로 온도와 습도조절시스템이 갖추어지지 않은 건물에 보관되어 있다.

이러한 공간에 위치한 목재 예술품들은 당연히 온도와 습도의 변화에 의해 공기중의 습기를 흡수하게 되며 자연스럽게 각종 균류들이 성장할 수 있는 최적의 조건을 갖추게 된다.

지난 1940년대 이후 각종 해충과 나무를 갉아먹는 균류들로부터 목재 예술품을 보호(보존)하기 위한 방법으로 DDT, PCP, 린덴 등 강력한 화학 살충제(방부제)를 사용했던 것도 이같은 이유에서 이다.

물론 이를 놓고 환경과 인체에 대한 유해성 논란이 일부 제기되기도 했지만 강력하고도 오랜기간 살충 및 방부효과를 지속할 수 있다는 점에서 DDT 등은 1980년대까지 가장 보편적인 예술품 보존처리제의 하나로 쓰여 졌다.

그러나 지난 20여 년간 DDT, PCP, 린덴 등에 대한 보다 정밀한 조사가 진행됐고 이 과정에서 과거에 비해 한층 진보된 분석평가기술을 통해 정확한 유해성 진단이 내려지면서 이들의 사용을 제한하는 법규들이 속속 제정되기 시작했다.

현재 독일에서는 DDT, PCP, 린덴 등을 사용한 목재품의 살균 및 세정처리를 법으로 금지하고 있으며 지난 91년에는 독일 연방보건복지부(FHO)에 의해 내부공간에서 DDT와 PCP의 최대 농도를 각각 1㎎/㎥, 1㎍/㎥로 제한하는 법률이 제정됐다.

또한 최근에는 유럽공동체(EC)에 소속된 다수의 국가들도 이와 유사한 법률제정을 추진하고 있는 상황이다.

DDT 등의 위험성은 대부분 이들이 목재 내부 및 표면에서 증발하면서 내뿜게 되는 가스에 의한 것으로 독성화학가스가 피부와 호흡을 통해 인체에 흡수되면 피(blood)와 지방조직에 축적되는데 인위적인 방법으로는 이들을 제거 또는 분해할 수 없다.

특히 DDT, PCP, 린덴 등의 사용이 문제시 되는 것은 보존과 복원이라는 기본 목적과는 반대로 이들과 접촉한 목재 예술품들이 돌이킬 수 없는 피해를 입는다는 사실이다.

실제로 과거에 DDT 등에 과도하게 노출된 많은 고대의 역사유물들이 지금은 온도와 습도를 정밀하게 조절하는 특수유리막에 갇혀있으며 공공장소에 전시될 수 없을 만큼 치명적인 손상을 입었다.

일례로 베를린 인류학박물관이 보관중인 유물 중에는 유기염소, 비소(As), 수은(Hg) 등의 유독성 화합물에 오염된 예술품이 무려 30만점에 달하고 있는 것으로 알려져 있다.

예술품의 복원과 보존을 위해 사용한 화학물질들이 예술품의 복원을 원천적으로 불가능하게 만든 것이다.

이에 따라 이렇게 오염된 목재 예술품들을 최적의 상태로 복원하기 위해서는 복원에 앞서 DDT, PCP, 린덴 등 멸균과 방부처리를 위해 과거에 사용된 독성화학물질들을 완벽히 제거하는 과정이 필수적으로 선행되어야 한다.

이는 인체의 건강과 환경보호 측면은 물론 복원작업의 원활한 진행을 위해서도 필수적인 공정이다.

그러나 현재 방부제 및 멸균제의 제거(추출)를 위해 사용하고 있는 용매(solvent, 특정물질을 녹이는 액체)들은 목재의 표면층에만 작용할 뿐 중심부에까지 충분히 침투하지 못한다는 근본적인 한계를 안고 있다.

이로 인해 세정작업을 거쳤음에도 목재 내부의 오염물질은 여전히 남아있게 되고 이러한 잔존 오염물은 일정시간이 흐른 후 예술품 전체를 재차 오염시키는 악순환이 발생한다.

결국 기존 방식으로는 완벽하고 지속성 있는 예술품 복원작업이 불가능했으며 복원성 및 보존성을 높이기 위해서는 세정작업을 주기적으로 반복해야만 했다.

특히 기존의 유기용매 세정법은 목재 표면에 여러 가지 색채의 그림이나 문양이 그려져 있는 경우 오염물질 제거과정에서 그림까지 함께 훼손할 수도 있다는 점이 최대 한계점으로 지적된다.

이에 따라 보다 영속성 있는 복원작업을 가능케 할 새로운 용매의 개발이 업계전문가들을 중심으로 대두되기 시작했으며 최근 들어 ‘초임계 탄산(Supercritical CO2)’이 유기용매를 대체할 최적의 세정물질로 대두되고 있다.


[용매로서의 초임계 탄산]

지구상에 존재하는 모든 물질은 온도와 압력의 변화에 따라 각각 고체, 액체, 기체로 외형이 변화하지만 온도와 압력이 특정 수치(임계치)를 넘어서면 고체도 액체도 기체도 아닌 초임계 상태가 발현(發現)된다.

이러한 초임계 상태의 물질을 ‘초임계 유체(Supercritical Fluid, SCF)’라고 칭하며 기체처럼 형태가 없고 점도는 낮지만 액체와 같은 비중과 밀도를 지니는 등 기체와 액체의 장점을 모두 보유하고 있어 산업적 활용가치가 지속적으로 확대되고 있다.

초임계 유체가 산업적으로 활용된 최초의 사례가 커피에서 카페인 성분을 제거하기 위한 것이었음에서 알 수 있듯이 초임계 유체는 어떤 물질이 함유하고 있는 특정 성분을 추출 또는 제거하는 용매로서 타의 추종을 불허할 만큼 탁월한 효용성을 자랑한다.

이는 위에 언급한 바와 같이 초임계 유체가 다른 물질을 쉽게 용해시킬 수 있는 액체의 특성과 미세한 공간까지 완벽하게 용해력을 미치는 기체의 특성을 모두 지닌 물질이기 때문이다.

또한 초임계 유체는 압력과 온도를 조절함으로서 밀도를 비롯 평형물성(용해도), 전달물성(점도, 확산계수, 열전도도), 용매화, 분자 클러스터링 상태 등의 인위적인 제어가 가능하다.

쉽게 말해 초임계 유체로 특정 성분을 용해시킨 후 온도를 임계점 이하로 낮추면 초임계유체는 액체가 되어 용해된 성분과 함께 외부로 유출되며 여기서 다시 압력을 저하시키면 초임계유체는 기체로 변화하여 증발하고 용해된 물질만 남게 되는 원리이다.

디카페인 커피, 무(無) 콜레스테롤 식품, 무 농약 식품, 저(低) 니코틴 담배 등 유해성분을 제거한 각종 제품과 토코페롤 제제(製劑), 아미노산 음료, EPA 및 DHA 식품, 은행잎 추출물, 천연향수 등과 같은 유익성분 함유 제품들이 바로 초임계 유체 추출법에 의해 탄생된 제품이다.

탄산(CO2)의 경우 임계온도 31.1℃, 임계압력 72.8atm(약 74bar)에서 초임계 상태가 되는데 물(H2O), 에탄(C2H6), 에틸렌(C2H4), 벤젠(C6H6) 등 여타 초임계 용매들과 비교해 고밀도, 불연성, 무극성, 무독성 등의 특징을 지녀 안전성과 환경 및 인체에 대한 무해성(無害性)을 동시에 확보할 수 있기 때문에 현존하는 최상의 초임계 용매로 꼽히고 있다.


[초임계 탄산 추출공정]

최근 독일의 UMSICHT(환경&#8228;안전&#8228;에너지기술연구소) 산하 Rathgen Forschungslabor에서는 이러한 초임계 탄산 추출법을 활용, 목재 예술품에 사용된 살충제 및 방부제를 완벽하게 제거할 수 있는 기술을 개발해냈다.

Rathgen Forschungslabor가 다양한 초임계 유체중 탄산을 선택한 것은 안전성, 무해성, 저렴성 등에 더해 탄산이 31℃라는 비교적 낮은 임계온도를 지니고 있어 열(熱)에 민감한 물질에도 사용이 가능하고 실온에서 즉시 기화하므로 별도의 폐용매 처리과정이 필요없기 때문이다.

특히 탄산은 대표적인 불활성 가스로 오염물질 제거과정에서 불필요한 화학반응을 일으키지 않는다는 점도 감안됐다.

<그림-1>은 초임계 탄산을 활용한 목재 예술품(조각물)의 오염물질 제거공정을 도식화한 것으로 오염물질을 함유한 목재 예술품을 압력용기(추출기, extractor)에 넣는 것으로 공정이 시작된다.

목재 예술품의 투입이 완료되면 탄산을 공급하는데 먼저 1차 열교환기를 거친 탄산가스를 수압식 고압펌프로 가압하여 임계압력(74bar) 이상의 조건을 만든후 다시 2차 열교환기를 통해 온도를 임계치(31.1℃) 이상으로 높임으로서 초임계 상태로 전환시켜 공급한다.

이렇게 만들어진 초임계 상태의 탄산이 추출기에 투입되면 탄산은 즉시 목재 예술품의 내부로 깊게 스며들어 목재가 함유하고 있는 독소(毒素)들을 용해시킨다.

물론 이때의 압력과 온도는 용해될 물질(오염물질)을 가장 잘 용해시킬 수 있는 최적의 수준으로 제어해야 하며 이같은 온도를 유지하기 위해 탄산 공급배관은 물론 추출기에도 열을 가할 수 있는 장치를 갖추어야 한다.

이후 용해를 위한 적정시간이 흐른 뒤 기존의 압력을 유지한 상황에서 추출기 내부의 온도만 임계치 이하로 낮추면 초임계탄산은 용해한 오염물질을 머금은 채 액체로 바뀌어 추출기의 하부에 모아지며 모아진 액체탄산을 별도의 고압저장탱크(분리기, separator)로 보내면 1차적인 오염물질 제거공정이 마무리되는 것이다.

분리기에서는 탄산과 오염물질을 분리하게 되는데 상온에서 기체로 존재하는 탄산의 특징을 살려 압력제어밸브를 통해 압력을 임계치 밑으로 저하시키기만 하면 탄산은 기화되어 탱크 상층부로 상승하고 DDT, PCP, 린덴 등 오염물질만이 분리기의 바닥에 남게 된다.

오염물질과 분리된 탄산가스는 원래의 깨끗한 순도로 돌아가기 때문에 포집한 후 저장탱크로 보내어 초임계 공정에 재활용할 수 있다.
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