Nitrox Blending 나이트록스 블렌딩 (2013.5/6월호)

기술적으로 나이트록스라는 용어는 모든 질소/산소의 혼합기체를 말하며, 원래는 공기보다 산소함유율이 낮은 기체를 일컫는 말이다. 혼잡을 피하기 위해 스쿠바계에서는 Enriched Air Nitrox(EAN)라는 용어를 사용하며, 공기보다 산소 함유율이 높은 모든 질소/산소의 혼합기체를 일컫는다.

 

스쿠바용 기체(SCUBA Gasses)

 

이 글을 읽는 모든 다이버라면 우리가 마시는 공기는 약 21%의 산소와 79%의 질소로 이루어졌다는 것을 알고 있을 것이다. 물론 소량의 다른 기체들이 존재하지만 스쿠바에서는 주로 두 가지 기체만을 고려한다. 산소와 질소는 우리가 숨을 쉬는 공기를 구성하는 주된 기체이지만, 다이빙에서는 다이버에게 많은 영향을 준다.

 

산소는 어떤 스쿠바용 기체든지 가장 중요한 구성 기체로, 산소가 없으면 어떤 생물도 존재할 수 없다. 하지만 산소의 부분압이 증가한다면 산소 독성의 위험에 노출될 수 있다. 일반적인 공기를 사용하는 다이빙에서는 이러한 산소중독이 발생할 확률이 상당히 낮지만 산소성분비율이 높은 공기를 사용하게 되면 이런 영향은 낮은 수심에서도 발생할 수 있게 된다.

질소는 공기 중 79%를 차지하는 기체이며 2원자성 분자로 수면에서는 불활성기체이지만, 깊은 수심의 고압 환경에서는 질소 마취로 인해 다이버의 행동에 문제를 일으키기도 하고, 높은 부분압의 질소를 장시간 호흡하게 되면 감압병의 원인이 되기도 된다.

 

 

 

 

나이트록스(Nitrox)란?

기술적으로 나이트록스라는 용어는 모든 질소/산소의 혼합기체를 말하며, 원래는 공기보다 산소함유율이 낮은 기체를 일컫는 말이다. 혼잡을 피하기 위해 스쿠바계에서는 Enriched Air Nitrox(EAN)라는 용어를 사용하며, 공기보다 산소 함유율이 높은 모든 질소/산소의 혼합기체를 일컫는다. Enriched Air Nitrox는 레크리에이션 다이버들에게 많은 장점을 제공한다.

 

- 다이빙 직후 피로감소

- 짧은 수면휴식시간

- EAN을 공기처럼 이용하여 감압질환의 위험 감소

- 무감압 한계시간의 증가(잠수시간 연장)

- 더 많은 재잠수 가능

- 테크니컬 다이버는 EAN을 이용하여 감압시간을 단축시킬 수 있다.

 

위에서 잠시 언급을 하였듯이 높은 산소 성분의 기체는 낮은 수심에서도 산소 독성의 위험성을 내재하고 있으며, 그렇기 때문에 산소 성분이 공기보다 높은 EAN은 대심도 잠수에 사용하기에는 적합하지 않다. 일반적으로 EAN32의 제한수심은 40m, EAN36의 제한수심은 35m라고 교육한다. 즉, 산소비율이 높을수록 얕은 수심에서 사용해야 하며, 반드시 기체를 혼합한 후에 분석해야만 한다.

 

나이트록스 혼합자의 역할(The Nitrox Blender’s Role)

나이트록스 혼합자의 역할은 나이트록스 기체 혼합을 안전하게 수행하는 것이다. 이는 적절한 혼합기술, 필요한 장비, 스쿠바 기체 혼합의 위험성에 대해 충분히 이해하고 있어야 한다는 것을 의미한다.

더불어 나이트록스를 공급하는 리조트 운영을 한다면 사용하는 다이버가 나이트록스 사용을 위한 인증을 받았는지, 실린더의 표식은 정확히 기록되었는지, 장비의 산소 청소는 제대로 되었는지 확인할 책임도 가진다. 실린더를 반출하기 전에 반드시 사용자 본인의 정확한 기체분석과 공급처의 사용대장 서명이 전제조건이 되어야 한다. 사용자가 실린더를 수령해간 후에는 이미 충전자의 통제가 불가능하므로 앞에서 설명한 절차는 반드시 지켜야 한다.

 

 

 

산소의 가연성

우리는 어렸을 적 촛불에 비커를 씌우면 불이 점점 꺼져가는 실험을 해본 적이 있을 것이다. 이는 연소의 3요소 중 공기(산소)를 차단하여 불이 꺼지는 것을 알아보는 실험이었다. 산소는 자체가 타는 물질은 아니지만 연소를 도우며, 다량의 산소는 모든 물질이 공기 중에서보다 빠르고 쉽게 연소되게 한다.

 

일반적인 화재는 화재 트라이앵글(그림 4. 좌측)에 있는 세 가지 요소 즉, 공기, 연소물(연료), 열중에서 한 가지 요소를 제거하면 방지할 수 있다. 마찬가지로 산소 시스템의 화재 트라이앵글(그림 4. 우측)의 3요소는 산소, 연료, 발화이다. 하지만 산소시스템에서는 산소를 제거할 수 없으며, 또한 시스템 자체에 묻어있는 연소물 역시 100% 제거할 수 없다. 따라서 발화점 이상의 온도를 제거해 주는 것이 가장 중요하다. 순수 산소에서는 기체나 고체물질의 발화점이 급격히 하강하게 된다. 간단히 말해 모든 것이 더 쉽고 빨리 불에 타게 된다. 또한 눈에 띄지 않는 연소물(예를 들어 탄화수소 물질)의 미세한 폭발로 인해 일산화탄소 또는 기타 유독성 물질들이 실린더에 유입될 위험성도 있다.

 

 

 

 

단열압축(Adiabatic compression)이란 갑자기 기체의 압력이 증가할 때 열이 발생하는 것을 말한다. 이런 현상은 파이프 시스템의 밸브를 개방했을 때 고속으로 유입된 기체가 밸브의 폐쇄된 부분이나 굴곡부분(elbow), T자관(tee), 거친 부분 등에서 저항이 생기며 발생할 수 있다. 엉성하게 디자인된 산소 시스템에서는 병목 부분이나 구부러진 부분에서 발화의 원인이 되는 단열압축을 발생시킬 수 있다. 산소 충전 시스템에서 가장 중요하게 인식해야 할 법칙이 바로 천천히, 천천히 더 천천히 충전하는 것이다. 이것은 안전을 위한 것도 있지만, 정확한 기체혼합을 위한 것이기도 하다.

 

혼합 기술(BLENDING TECHNIQUES)

EAN을 혼합하는 시스템은 매우 다양한데, 몇 가지 혼합 방식에 대하여 알아보도록 하겠다.

 

1) 연속 흐름 방식 (Continuous Blend : 그림 5-1)

믹싱 박스(Mixing Box)를 이용하여 산소를 특별히 고안된 오일프리 컴프레서로 유입시킨다. 이 방식의 가장 큰 장점은 공급되는 대용량 실린더의 산소 잔압에 관계없이 완전히 사용할 수 있다는 점이다. 단, 이 시스템은 산소 40% 이상의 기체에는 적합하지 않다.

 

 

 

 

2) 질소 제거 방식 (DNAx : 그림 5-2)

‘DNAx’란 공기에 산소를 추가하는 대신 질소를 제거하는 것으로, 공기를 미세한 구멍이 있는 섬유가 들어 있는 판막통(membrane canister)에 여과한다. 이것은 산소가 질소보다 쉽게 섬유판막을 통과하는 성질을 이용한 것이다. 이 시스템은 매우 뛰어난 몇 가지 장점이 있다. 순수 산소를 이용하지 않고 공기를 이용하기 때문에 안전도가 뛰어나며, 스틸 실린더의 부식을 방지할 수 있는 질소를 얻을 수 있다는 점이다. 단점은 산소가 많이 포함되는 기체를 혼합할 수 없다는 것이다.

 

 

 

 

3) 분자 중량에 의한 혼합 (Molecular Weight)

분자중량에 의해 혼합기체를 제조하는 방법은 일반적으로 쓰이는 방법은 아니다. 모든 기체는 저마다 고유한 분자 무게를 갖는데, 이 정확한 무게를 계측하여 필요한 질량만큼 시스템을 통해 혼합하는 것이다.

 

4) ANx 슈프림/컴퓨터 혼합 시스템

(ANx Supreme/Computer Blending Systems)

이 시스템은 필요한 기체의 계산과 계량에 컴퓨터 콘솔을 이용하여 매우 정확한 혼합을 한다. 작동자가 필요한 기체비율을 설정하면, 컴퓨터가 계산하여 혼합기체를 만든다. ANx Supreme시스템은 100% 산소까지 혼합이 가능하고, 부스터를 이용하면 산소실린더를 완전히 사용할 수 있는 아주 편리한 시스템이다.

 

5) 부분압 방식 (Partial Pressure : 그림 5-3)

부분압 방식 혼합법은 가장 널리 사용되는 스쿠바용 EAN 기체 혼합방식이다. 그 이유는 설치비용이 저렴하므로 적절한 가격에 기체의 공급이 가능하기 때문이다.

부분압 방식은 순수산소(또는 사전에 혼합된 나이트록스)가 사용된다. 먼저 계산식 또는 컴퓨터를 이용하여 정확한 산소의 압력을 산출한 다음 실린더에 충전하고 순수산소와 혼합할 수 있는 공기로 원하는 압력만큼 충전한 후 산소 성분을 분석하면 된다. 가장 간단한 방법이다.

 

 

 

혼합 공식

부분압의 개념을 이해하는 것은 나이트록스 혼합의 기본이 된다. 부분압 개념의 기본은 산소와 공기가 합쳐졌을 때 어떤 성분의 나이트록스가 만들어질지 알 수 있게 해준다.

 

 

 

 

달톤의 법칙(Dalton’s Law)

실린더 내부 혼합기체의 총 압력은 구성기체의 부분압의 합과 같다는 달톤의 법칙 개념은 기체 혼합자에게 가장 중요하다. 즉, 개별의 합은 총합이 된다는 말과 같다.

 

P TOTAL = P GAS1 + P GAS2 + P GAS3… + P GASn

위 방정식을 응용하면, 200bar로 공기를 충전한 실린더의 산소와 질소의 부분압은

산소 : 21% × 200 bar = 42 bar

질소 : 200 bar - 42 bar = 158 bar

(또는 79% × 200 bar = 158 bar)

 

부분압 공식(Partial Pressure Formula)

빈 실린더에 나이트록스를 충전할 때, 혼합자는 원하는 충전 압력과 기체 비율 2가지를 알고 있어야 한다.

 

예를 들어, 고객이 240bar짜리 빈 실린더를 가져와서 EAN36을 충전해 달라고 한다면 원하는 기체비율은 36% 산소이고, 공기는 21%의 산소이므로 원하는 기체를 얻기 위해서 먼저 주입해야 할 순수산소의 압력을 산출하는 공식은 다음과 같다.

 

 

원하는 충전압력은 240bar이고 원하는 기체는 산소 36%, 그러면…

 

 

산소 36% 기체를 만들기 위해 먼저 45.6bar의 산소를 주입한 뒤 240bar까지 공기로 충전하면 된다. 부분압 방식을 이용하여 기체혼합을 할 경우 위와 같은 공식을 활용하여 혼합기체의 충전량을 계산하기도 하지만, 이미 계산되어져 있는 테이블을 이용하게 되면 아주 간단한 방법으로도 혼합기체의 충전량을 산정할 수 있다. 다음의 표1은 TDI에서 제공하는 부분압 방식 나이트록스 혼합 테이블이다. 상단은 총 충전 압력을 나타내고, 좌측은 산소 성분비를 나타낸다. 위와 동일한 혼합 계획을 세운다면 240bar에 EAN36을 충전할 때 위와 동일하게 45.6bar의 산소를 주입 하도록 나와 있다.

 

 

 

산소 분석, 실린더 표식과 확인(OXYGEN ANALYSIS, CYLINDER LABELLING & SIGN OUT)

나이트록스를 사용하기 전에는 사용자가 반드시 사용할 기체의 성분을 분석하고, 성분 기록지를 작성하여 혼동이 없도록 하여야 한다. 가장 중요한 것은 사용자가 나이트록스를 이용할 수 있는 인증이 있어야 하며, 산소비율(FO2)을 알아야 하며, 실린더를 인수하는 순간 사용기체에 대한 책임을 진다는 점이다. 기체 분석은 분석기의 기준점을 확인해야 하며, 제품 설명에 따라 실행하여야 한다. 기체 분석이 완료되면 성분기록지를 작성한다. 성분기록지의 내용으로는 Oxygen %, Nitrogen %, Helium %, 만약 실린더에 특별한 기체가 포함되어 있다면 Other %, 주어진 산소 부분압의 한계 수심인 MOD, PO2는 MOD에서의 산소부분압, 충전업체 상호 또는 인증번호, 다이버의 서명 및 날짜 등등이 있다.

 

 

 

일부 다이버들은 넓은 테이프를 이용하여 기록하기도 하는데 이 방법은 영구적으로 지워지지 않는 펜을 이용하여 기록할 수 있으며, 실린더 재충전시 또는 비었을 때 쉽게 제거할 수 있는 장점이 있다.

TDI 과정에서는 질소와 산소의 혼합 과정을 다루는 Nitox 혼합자 과정뿐만 아니라, 질소와 산소, 그리고 헬륨을 이용한 트라이믹스 기체를 혼합하기 위한 어드밴스드 기체 혼합자 과정까지 연계할 수 있다. 독자들이 Nitrox에 대한 혼합과정에 대하여 이해가 되었다면 이제는 Nitrox를 넘어 Trimix기체를 혼합할 수 있는 어드밴스드 기체 혼합자 과정에 관심을 가져 보는 것도 새로운 경험이 될 것이라 생각한다.

 

Blending 과정에 대하여 필자의 짧은 지식으로 간략하게 소개드리고자 하였다. 물론 필자가 언급한 부분이 블렌딩 과정의 전부는 아니지만 이 글을 통하여 블렌딩 과정이 겉보기엔 매우 복잡하고 위험한 것처럼 보이지만, 조금만 관심을 가지고 들여다보면 결코 어려운 작업이 아니라는 것을 독자들에게 전해주고 싶다. 산소의 위험성에 대하여 인식하고, 블렌더의 역할에 대하여 이해하게 된다면 누구나 블렌딩을 할 수 있을 것이다. 내가 호흡할 기체를 내가 만든다는 것. 그 얼마나 멋지지 아니한가

 

 

글 백승균

글쓴날 : [13-05-01 14:38] 스쿠바다이버기자[diver@scubamedia.co.kr]
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