산소(O2)의 유해위험성

공기의 성분은 질소(N2) 78%, 산소(O2) 21%, 나머지는 아르곤(Ar), 이산화탄소(CO2) 등으로 이루어져 있다. 다시 말해 공기는 산소가 21% 포함된 여러 기체가 모여 있는 집합을 말하는 것이며, “공기=산소” 의미는 결코 아니다.

 

 

산소(O2)의 유해위험성

 

 

산소는 불소 다음으로 반응성이 크며, 철이 녹스는 이유도 산소 때문이다. 산소는 지구 모든 생물체의 생명의 근원이기도 하지만 반대로 독이 되는 두 얼굴을 가지고 있다. 과거 지구를 지배했던 혐기성 세균들을 대부분 멸종시킨 것도 산소이고, 체내에 있는 백혈구 역시 세균을 죽일 때 산소를 넣어 죽인다. 에너지 생산 과정에서 물과 이산화탄소 및 산소가 발생하는데, 이 산소를 활성산소라 한다. 활성산소는 몸 안의 병균이나 이물질을 없애는 면역 기능과 신호전달 물질로 작용한다. 세균, 바이러스, 곰팡이와 같은 병원체와 니코틴 같은 몸에 해로운 이물질을 없애는 생체방어 기능을 가지고 있다. 그러나, 활성산소가 많이 발생하게 되면 돌변하여 세포질을 공격하게 되고 노화나 질병의 원인으로 작용한다.

산업안전보건 측면에서 산소의 부족과 과잉은 화재·폭발, 질식 등 근로자의 생명에 밀접한 영향을 끼치는 매우 중요한 위험 요소이기 때문에 항상 적정 농도가 유지되도록 관리하여야 한다.

 

산소가 부족할 경우

 

지구상에 존재하는 생명체는 산소를 유기물 분해에 사용해서 에너지를 만들기 때문에 부족하거나 없다면 죽게 된다. 인간은 물 없이 3일, 음식 없이 3주가량은 생존 가능하지만, 산소가 없으면 3분을 버티기가 불가능하다. 특히, 뇌세포는 산소가 30초만 공급되지 않아도 파괴되기 시작한다. 산소가 부족할 때 나타나는 증상으로 대표적인 것이 두통이다. 두뇌는 전체 산소 소모량의 30% 이상을 사용하기 때문에 스트레스를 많이 받거나 신경을 많이 쓰면 산소 소모량이 늘고 이를 공급하기 어려워지면 두통이 발생한다. 또한, 에너지를 많이 소비할 경우 산소를 보충해주기 위해 수시로 하품을 하게 되고, 산소가 더 많이 부족하면 기억력과 기력이 떨어질 수도 있다.

공기 중 산소농도가 15% 까지 떨어지면 현기증이 나고 시력이 저하되며, 몸은 부족한 산소를 보충하기 위해 호흡수가 급격하게 증가한다. 이보다 더 떨어지면 지능이 급격하게 떨어지고 운동능력이 급격하게 감소한다. 12% 미만이 되면 단시간만 노출되도 위험해지며 의식을 잃을 수 있고 7% 이하면 사망한다.

 

 

이와 반대로 화재 측면에서는 산소농도를 낮추는 것이 화재예방 설계나 소화활동에 활용된다. 어떤 물질이 화염을 전파하기 위해서는 최소한의 산소농도가 필요하며 이를 최소산소농도(MOC: minimum oxygen concentration)라 한다. 폭발 및 화재는 연료의 농도와 무관하게 산소의 농도를 감소시킴으로써 방지 가능한데 이때 최소산소농도가 유용한 값이 된다.

최소산소농도(MOC) = 연소하한계 x 산소몰수

화재 폭발을 방지하기 위해서 불활성 기체로 치환하는 것을 이너팅(inerting)이라 하며, 최소산소농도 보다 약 4% 낮게 유지한다. 예를 들면 인화성 가스의 최소산소농도는 10%, 분진은 8% 인데 불활성화를 위해서는 이보다 약 4% 낮은 최소산소농도가 유지되도록 설계를 한다. 즉, 인화성 가스는 6%, 분진은 4%의 최소산소농도가 유지되도록 해야 한다. 가스계 소화설비의 설계농도를 결정할 때도 공기 중 산소농도 보다 낮은 값이 기준이 된다. 예를 들면 이산화탄소 소화설비의 경우에는 질식소화 목적 달성을 위해 실내의 산소농도가 15% 이하가 되도록 이산화탄소 방사량을 결정한다.

 

산소가 과잉일 경우

 

프랑스의 생화학자인 폴 베르는 산소가 생명을 유지하는데 필수적인 물질이나 고압의 공기에 노출된 동물이 경련을 일으키고, 그보다 낮은 압력이라도 100% 산소를 호흡할 경우에는 경련을 일으키는 것을 밝혀냈다. 이처럼 고농도 산소나 고압 산소는 인체 장기에 악영향을 끼치게 되는데 이를 “산소 중독”이라 한다. 잠수부의 경우 수심이 깊어질수록 압력이 올라가 산소중독 위험이 높기 때문에 호흡을 위해 산소를 사용하지 않고 일반 공기를 사용하도록 하고 있다. 고농도 산소는 중증 환자의 생명 유지나 일반인도 피로 개선·활력 증진 등의 효과를 위해 흡입하기도 한다. 그러나, 매일 고농도 산소를 장시간 흡입할 경우 과다 흡입된 산소가 신진대사를 거치는 동안 형성되는 유해 산소가 세포 손상과 노화 등을 유발할 수 있으므로 치료 목적일 경우 의사의 지시에 따라 고농도 산소에 잠깐 노출되는 정도로만 이용하는 것이 바람직하다.

 

산소농도가 21% 보다 높아지는 과잉 산소 분위기에서 연소현상은 평소와 크게 달라진다. 산소가 충분하면 산화할 수 있는 모든 물질이 폭발적인 연소가 가능하다는 의미이며, 우리가 생각할 수 있는 모든 물건에 작은 스파크만 주어지더라도 급속한 화재가 발생하게 된다. 철은 평소에는 공기와 접촉하여 산화되더라도 녹이 스는 정도지만 과잉 산소가 공급되면 일반 목재처럼 연료 역할을 하여 격렬하게 타오른다. 심지어 비닐 튜브에 산소를 공급하면서 불을 붙인 후 물속에 호스를 넣어도 불은 꺼지지 않고 계속 타 들어가기도 한다.

 

다음 그림에서 보듯이 섬유의 연소속도는 산소 농도가 35% 이상일 경우 공기 중일 때보다 거의 수직으로 급속하게 빨라진다.

<그림 1> 산소농도별 연소속도

 

 

이처럼 고농도 산소는 많고 적음에 따라 우리의 건강이나 화재·폭발에 커다란 영향을 미친다. 그러나 안타깝게도 우리들은 ‘산소=공기’로 생각하며 숨을 쉴 때 들이마시는 공기가 위험하다 느끼지 못하는 것처럼 산소 역시 위험성을 느끼지 못하고 있는 경우가 허다하다.

 

산소의 물리·화학적 특성

유해성·위험성 분류

 

기체 산소는 산화성 가스, 고압가스로 분류되어 있으며, 화재를 일으키거나 강렬하게 하는 산화제로 분류되어 있다. [CAS번호 7782-44-7]

<그림 2> 산소 그림문자

 

특성

 

산소는 공기보다 무겁기 때문에 트렌치, 지하 등과 같이 낮은 지역에 축적될 수 있다. 액체산소에 의해 생성된 기체산소는 공기보다 3배 더 무겁다. 즉, 쉽게 확산이 되지 않는 무거운 가스다.

다음 표는 산소의 물리화학적 특성이다.

 

<표 1> 산소의 물리화학적 특성

법적규제 현황

 

액체산소와 고체산소는 산업안전보건법에서 산화성 액체 및 고체 위험물로 분류되지만, 기체 산소는 해당되지 않는다. 화학물질관리법 등 타 법령 규제에도 해당되지 않는다. 법에 의한 위험물은 아니나 고농도 기체 산소는 산화성 고체나 액체와 같은 위험물과 동일하게 취급하는 것이 바람직하다.

 

Reference : KOSHA 기술자료(중대사고 이슈 리포트)