가습기 사용 물의 종류에 따른 공기중 유해물질 농도 평가

서론

최근 우리 나라에서는 가습기 살균제로 인한 수 많은 피해자가 발생하여 소비자 제품의 화학물질 사용을 안전하게 하려는 시민사회의 노력이 본격화되었으며, 소비자 생활화학제품 및 살생물제에 관한 법률이 국회를 통과하여 2019년부터 발효되었다[1].

가습기는 분무 발생방식에 따라 분류되는데, 가열을 통한 수증기 발생방식인 가열식(evaporation), 진동자를 이용하여 미스트를 발생하는 초음파(sonication)식과 이들의 복합식이 있다. 가열식은 물의 가열로 인한 미생물의 사멸을 예상하여 살균제를 첨가하지 않는 장점이 있는 반면, 어린이가 있는 가정에서는 화상 등 안전상의 이유로 사용을 꺼리기도 한다. 초음파식과 복합식에서 살균제가 사용된 이유는 가습기 물탱크의 살균을 위한 것과 수증기가 공기 중으로 분사되어 실내의 습도가 높아지면 이로 인해 세균이나 곰팡이가 번식할 수 있는데 이를 억제하기 위한 목적도 있다.

그러나 가습기 살균제를 사용할 경우 공기 중 분사되어 단지 세균이나 곰팡이의 번식 억제하는 것뿐 아니라 인체 흡입으로 인해 건강위험성을 일으키기도 한다. 한편, 더 이상 가습기에 살균제 성분을 사용하지 않는다 하더라도, 사용하는 물에 유해성분이 존재하고 이것이 공기 중으로 의미있는 비산을 하게 된다면 사용자의 건강위험성이 증가하게 될 것이다. 국내에서는 가습기 살균제 사건으로 인해 살균제에 대한 인식과 관리가 증대되고, 가습기에 사용하는 물에 대한 관심 또한 증가되었다.

국제적으로 가습기에 사용되는 물이 어떤 것이 적합한가에 대한 기존 논문은 수 편에 지나지 않는다. 초음파 가습기에 수돗물과 실리카 함량이 높은 시판용 미네랄 음용수, 증류수를 넣어 쥐를 이용해 흡입독성실험를 한 결과, 수돗물과 미네랄 음용수의 공기 중 질량 농도가 증류수보다 높았고, 폐포 대식세포의 반응(유사분열, 세포부착분자, MHC 분자 및 엔도사이토시스에 관련된 유전자의 조절기능이상)을 야기시키지만 호흡기계의 급성이나 아급성 독성(폐의 염증이나 조직손상)을 야기시키지는 않았다. 결론적으로 문헌의 저자는 미네랄 함량이 높은 물 대신 미네랄이 없는 물의 사용을 권장하고 있다[2].

미국의 가정에서 연구한 결과에서도 수돗물을 사용한 초음파식이 증기식이나 다른 방식보다 유의하게 입자상 물질의 농도가 높고(예, 증기 식보다 공기 중 입자 농도가 10배이상 높은426-658 µg/m³), 대부분 (89-90%) 크기가 2.5 ㎛보다 작다고 보고하였다[3]. 이외에도 수돗물을 사용할 때 가정에서의 입자상 물질 농도가 높아지고, 수돗물에 석면이 있으면 공기 중에서 석면이 검출된다는 연구도 있다[4] [5].

미국 환경 보호 청(US EPA)에서도 가습기의 사용으로 인한 미네랄 성분이 공기 중에서 검출되나 이것이 심각한 건강 영향을 주는 지는 결론 내릴 수 없다고 하였지만, 오히려 수돗물 사용으로 인한 가습기 물탱크의 백화현상(흰 가루가 탱크와 초음파 진동자 주변에 쌓이는 현상)과 찌꺼기 잔류현상 또는 이런 찌꺼기를 먹이로 하여 미생물 번식이 심해질 수 있다고 보고하였다. 미생물의 번식을 막기 위해서는 탱크를 잘 청소하는 것이 중요하고(예, 3일마다 청소), 습도를 50%이상 높게 하지 말라고 권고하였으며, 미네랄 함량이 적은 물을 사용할 것을 추천하였다[6].

위와 같은 연구들이 주로 미국에서 1990년대까지 이루어졌으나, 이후 연구가 잘 진행되지 않았고, 최근에 초음파 가습기를 사용하면서 입자상 물질농도를 입자 수 농도로 연구한 것이 발표되었다. 이 연구에서는 공기 중 입자 수 농도가 3.01- 5.91 × 10⁴ 개/㎤인데, 사용되는 물의 미네랄 함량이 적을수록 공기 중 입자 수 농도가 줄어들며, 사용되는 물의 미네랄 조성과 공기 중 미네랄 조성이 같다고 하였다[7]. 이상의 결과를 요약하면 초음파 식 가습기는 증기 식에 비해 미생물과 입자상 물질을 공기 중으로 잘 비산할 수 있는 데 특히 물의 미네랄 함량이 많으면 더 문제가 된다는 점이다.

국내에서는 가습기에 사용하는 물은 수돗물이 일반적인데, 이는 대부분 국내 가습기 제조회사가 수돗물의 사용을 권장하였기 때문이다. 제조사들은 그 근거로 수돗물 소독에 사용되었던 잔류 염소이온이 미생물의 생장을 억제하여 도움을 준다는 이유를 언급하고 있다. 그런데 수돗물에 염소성분을 비롯한 여러 다른 미량 성분이 있다면 이것이 미스트 형태로 공기 중에 비산된 후 물이 증발되면 공기 중 입자상 물질로 존재하게 될 것이라고 가정할 수 있다.

한편, 국내에서 가습기 살균제로 인한 이슈가 논란이 되는 와중에 사용하는 물이 어떤 것이 적정한가에 대한 논란도 되었으나 이에 대한 연구는 이루어지지 않았다. 따라서 본 연구의 목적은 가정에서 사용하는 초음파식 가습기를 대상으로 수돗물과 정수기물, 그리고 증류수를 이용하여 공기 중으로 비산되는 입자의 농도, 입자의 크기 특성 및 성분을 규명하는데 있다.

방법

본 연구는 가정용 초음파 가습기(Model H-U977, Ohsung, Korea )를 이용하여 클린룸 (Class 1,000, 7 m (L) x 2.4 (W) m x 2.4 m (H)에서 수행되었다. 가습기에는 각각 수돗물, 정수기 물 및 멸균증류수를 6.5 L 크기의 가습기 물탱크에 넣고 가습기의 분무강도를 강으로 하여 320 ml/hr로 8시간 가동하였다. 수돗물은 서울시에서 공급하는 수돗물을 수분동안 흘려 보내고 받아서 사용하였으며, 정수기 물은 시판용 정수기(CHP-590N, Coway, Korea)의 필터식 정수기 물을 수분 흘려 보낸 후 사용하였다. 해당 정수기는 주기적으로 유지관리 및 청소를 받는 제품이다. 멸균증류수는 시중에서 구입 한 제품(USP, jw pharmaceutical, Korea)을 사용하였다. 가습기탱크는 사용 물이 바뀔 때마다 수회 비우고, 증류수와 또 해당 물로 세척하여 교차 오염이 되지 않도록 하였다.

가습기를 클린룸 한쪽에 1 m 높이에 놓고, 길이 방향으로 가습기 분무방향을 향하게 하였으며, 가습기에서 1 m떨어진 곳에서 동일 높이에서 공기 중 농도를 평가하였다.

입자 수 농도를 평가하기 위하여 Scanning mobility particle sizers (SMPS, Model Nanoscan 3910, TSI Inc., Shoreview, MN, USA)와 optical particle spectrometer (OPS, Model3330, TSI Inc., Shoreview, MN, USA)를 사용하였다. 이 두 실시간 기기를 이용하여 10~10,000nm (SMPS; 10−420 nm, OPS; 300−10,000 nm)를 측정하였다. 공기 중 입자의 농도를 평가하는데 습도가 높거나 또는 물 분자가 입자로 계수될 수 있으므로 이 영향을 배제하는 것이 중요하며, 본 연구에서는 본 연구실에서 검증한 방법으로 입자 수 농도를 측정하는데 이의 영향을 최대한 배제하였다[8]. Park JH et al. 의 연구에서는 수분제거를 위한 Thermal desorber (가열관과 흡착관으로 구성) 를 사용하면 수분의 영향을 거의 배제하면서도 입자상 물질은 거의 손실이 되지 않음을 증명 하였다.

입자의 질량 농도 및 입자 중 중금속 분석을 위하여 PVC(polyvinyl chloride)여과지 (37 mm, 5, SKC, USA)로 하여 시료채취펌프 (GilAir, Sensidyne, USA)의 유량을 약 2.0 LPM으로 유량보정계 (Defender 510, MesaLabs, USA)를 이용하여 정확히 보정하여 사용하였다. PVC여과지는 시료채취 전후에 항온항습실(25 ± 1 ℃, RH 50 ± 5%)에 1일 이상 방치하여 미량저울 (XP 6, Mettler, Toledo, USA)로 칭량한 후 중금속 분석을 위하여 초음파오븐(Mars 6, CEM Corp., US)으로 시료를 전 처리한 후 유도결합플라스마 질량분석기(NexIon 350D, Perkin Elmer, USA)로 분석하였다. 사용된 물도 동일한 과정을 거쳐서 중금속을 분석하였는데 수돗물은 농도가 높아 100배 희석하였고, 정수기물과 증류수는 희석하지 않았다. 분석대상 중금속은 Fe, Zn, Cu, Mn, Cr, Na, K, Pb, Ca 였다. 각 중금속의 검출한계는 각 금속별로 1-5 µg/L의 저농도를 7번 분석하여 그 표준편차를 3배하는 방법으로 구하였으며 그 값은 Fe 0.180, Zn 0.114, Cu 0.131, Mn 0.091, Cr 0.096, Na, 0.794, K 0.211, Pb 0.076, Ca 0.622, Si 1.052 µg/시료이다.

또한 사용한 증류수, 정수기 물, 수돗물에 불순물이 얼마나 함유되어 있는지 보기 위하여 각 물을 500 ml를 취하여 MCE 여과지가 부착된 여과장치를 이용하여 여과한 후 MCE(37 mm, 0.8 μm, SKC, USA)여과지의 무게를 여과 전후에 비교하여 여과지에 잔유하는 물질의 질량을 계산하였다.

결과 및 고찰

1. 공기 중 입자수 농도와 입자의 크기

Fig 1. 은 멸균증류수, 정수기물, 수돗물을 사용했을 때 공기 중에서 측정한 입자상 물질의 입자 수 농도를 요약한 것이다. 이 농도는 방법에서 기술한 대로 수분의 영향을 배제한 것이다. Fig. 1에서 보는 바와 같이 공기중의 입자수 농도는 수돗물>정수기>증류수로 로 유의하게 차이가 났으며(p<0.01) SMPS로 측정한 작은 입자(10~420 nm)가 OPS로 측정한 큰 입자(300~10,000 µm)보다 유의하게 많았다. 즉, 멸균 증류수를 사용했을 때는 작은 입자가 704±180 개/㎤, 큰 입자는 7±2 개/㎤, 정수기물은 각각 2,997±658 개/㎤, 50±12 개/㎤, 수돗물은 5,835±889 개/㎤, 332 ±50개/㎤였다.

Fig 1.

Comparison of airborne particle number concentration during use of distilled water, purified water and tap water in humidifier. Left y axis for 10-420 nm and right y axis for >300 nm.

입자의 발생은 가습기 가동 시간 동안 지속되며 가습기의 사용이 중단되면 공기 중 농도가 한 시간 이내에 급격히 감소하였다 (Fig. 2). 가습기 가동시간의 농도도 Fig. 2에서보는 것처럼 수돗물>정수기물>멸균증류수 순이었다. 일반적으로 수분이 제거된 작은 입자는 공기 중에 오랫동안 머무를 수 있는데, 본 실험에서는 가습기의 가동이 중지된 후 농도가 급격히 감소하는 이유는 측정위치가 가습기로부터 1 m인데 비해 실험실 공간이 넓어 해당 측정장소로부터 주위로 입자상 물질이 빠르게 확산되기 때문인 것으로 추정된다. 매우 작은 공간이라면 가습기사용기간 농도가 지속적으로 상승할 것이나 Fig. 2에서 보는 것처럼 가동시간에 농도가 지속적으로 일정하게 유지되는 것은 그만큼 빠르게 주위로 확산이 된다는 것을 의미한다. 만일 더 오랫동안 가동된다면 방 전체의 농도가 높아지는 효과를 가져오게 될 것이다.

Fig. 3은 가습기에 사용하는 물의 종류에 따른 공기 중 입자의 크기분포를 나타낸다. Fig. 3에서 보듯이 수돗물을 사용할 때는 중심 직경이 120 nm, 정수기물 일 때는 85 nm이고 증류수 사용시에는 특징적인 입자 크기가 보이지 않았다. 수돗물을 사용할 때는 120 nm의 주 피크 외에도 25 nm에 약한 피크와 400 nm에 이보다 더 작은 피크가 보이기도 하였다. 증류수를 사용할 때는 특별한 입자의 크기가 나타나지 않는 이유는 전반적으로 농도가 낮고, 입자가 발생되지 않는다는 것을 의미한다. 그래도 입자의 농도가 0보다 높은 것은 본 연구를 수행한 클린 룸이 Class 1,000으로 배경농도의 변동 수준이라 추정된다. 증류수일 때 입자의 수가 완전히 0이 아닌 것은 Fig. 1, Fig. 2에서도 확인되는데 이 정도가 배경농도 수준이거나 아니면 습도의 영향을 배제하였지만 일부 영향이 있을 가능성도 있다고 추정할 수 있다.

Fig 2.

Airborne particle number concentration during use of distilled water, purified water and tap water in humidifier.

Fig 3.

Size distribution of airborne particle during use of distilled water, purified water and tapwater in humidifier.

Fig. 4는 중량 법으로 측정한 공기 중 입자상 물질의 질량농도를 표시한 것으로 Fig. 1과 같이 질량농도도 수돗물 (114 µg/m³)>정수기 (10 µg/m³) > 증류수 (0.7 µg/m³) 유의한 차이가 났다(p<0.001). 따라서 본 연구에서는 두 가지 다른 원리로 측정한 수 농도 (Fig. 1)와 질량농도 (Fig. 4) 모두 유의하게 수돗물이 가장 높고, 다음 정수기 물을 사용할 때 그리고 증류수를 사용할 경우농도가 가장 낮았다. 이로서 수돗물을 사용할 때 공기 중으로 입자상 물질이 더 나온다는 것은 확실하다고 판단할 수 있었다.

Fig 4.

Mass concentration of airborne particle during use of distilled water, purified water and tap water in humidifier.

2. 원액과 공기중 중금속 농도

실험에 사용되었던 물의 불순물 함량을 측정하기 위하여 미리 칭량된 여과지에 물을 일정량 여과하여 건조한 후 다시 칭량하여 여과지에 여과된 물질(잔유물)의 중량을 비교한 것이 Fig. 5이다. 그림에서 보듯이 같은 500 ml의 물을 여과했을 때 여과지에 남아 있는 잔류물의 양도 수돗물>정수기>증류수 순이며, 수돗물에 대하여 여과 양을 증가하였을 때 잔류물의 질량도 비례적으로 증가함을 잘 보여주고 있다.

Fig 5.

Mass of residue after filtration of distilled water, purified water and tap water.

가습기에 사용되는 물과 해당 물을 사용하였을 때 나오는 입자상 물질을 채취하여 몇 가지 금속성분을 분석한 결과를 요약한 것이 Table 1이다.

Table 1.

Concentration of metals in water used in humidifier and airborne metal concentrations during the humidifier use

금속을 원액 중에서 비교하여 보았을 때 중금속함량은 수돗물>정수기물>증류수 순이었다. 증류수에서는 Si만이 매우 낮은 농도로 검출되었고 다른 분석대상금속은 전혀 검출되지 않았다. 가장 높은 농도로 가장 많은 금속이 함유된 수돗물에서는 특히 나트륨, 칼륨, 칼슘이 1~9 mg/L수준으로 검출되고 있으며, Zn, Cu, Si, 가 수십~수백 µg/L수준으로, Mn, Pb는 1 µg/L이하로 검출되었고 크롬은 검출되지 않았다. 정수기물에서 검출되는 중금속의 농도는 수돗물보다는 낮았으나 증류수 보다는 훨씬 높은 농도를 보이고 있다.

가습기를 사용할 때 물의 종류에 따른 중금속도 증류수를 사용할 때는 대부분 검출되지 않았고, Fe, Si만 1 µg/m³미만 수준으로 검출되었다. 정수기 물을 사용할때는 크롬과 구리를 제외하고는 다른 금속이 모두 검출되었는데 그 농도는 매우 낮아 2 µg/m³ 미만이었다. 수돗물을 사용할 때는 크롬은 검출되지 않았고, 다른 금속은 대체적으로 증류수나 정수기물을 사용할 때와 다소 농도는 높았으나 모두 10 µg/m³미만이었다.

Fig. 6는 가습기 사용 중 공기 중에서 빈번하게 검출된 Cu, Fe, K, Na, K의 공기중 농도를 물의 종류에 따라 표시한 것이다. 그림에서 보듯이 수돗물을 사용할 때 표시한 금속성분의 농도가 증류수나 정수기 물을 사용할 때 비해 상대적으로 높음을 알 수 있다. 그러나 Table 1과 Fig. 5에서 보듯이 가장 높은 농도를 보이는 수돗물의 Ca, Na인 경우도 각각 8.6 µg/m³, 7.8 µg/m³에 불과하다. 이런 금속에 대한 공기 중 기준은 마련되어 있지 않아서 이런 농도가 공기중에서 건강영향이 얼마나 있을지는 판단하기 어려우나 높지는 않을 것으로 추정한다. 예를 들어 독성이 매우 높은 납의 대기환경기준은 0.5 µg/m³ 이고 작업장 노출 기준은 50 µg/m³인데 비해 본 연구에서 검출된 농도는 0.01~0.04 µg으로 이에 비해 매우 낮다.

Fig 6.

Airborne metal concentrations during use of distilled water, purified water and tap water in humidifier.

결론

본 연구는 초음파식 가습기에 사용하는 물의 종류에 따라 공기 중으로 발생하는 입자상 물질과 중금속에 대하여 평가하였으며 다음과 같은 결론을 얻었다.

초음파 식 가습기에 사용하는 물에 따라 공기 중으로 발생하는 입자상 물질은 현저하게 차이가 났다. 입자 수 농도와 질량농도를 보면 수돗물>정수기물>증류수 순서로 입자수가 현저한 차이를 보였으며 발생되는 입자의 크기도 99%이상이 0.4 ㎛이하로 폐포로 들어오기 쉬운 입자크기를 갖고 있었다. 사용되는 물의 원액 중 중금속의 농도도 수돗물>정수기물>증류수 순서였으며 공기 중 농도도 전체적으로 같은 경향을 보였으나 그 농도가 낮아 공기 중으로 발생된 중금속이 건강영향을 줄 수 있는지는 판단하기 어렵다.

본 연구는 입자상 물질과 해당 성분인 중금속을 분석하였고 그 결과 공기 중 입자상 물질농도와 중금속 농도는 수돗물이 가장 높았고, 다음 정수기물, 다음 증류수였다. 입자상 물질의 발생 경향으로 추정하여 보면 본 연구에서 평가하지 아니한 다른 성분도 비슷한 경향을 보일 것으로 추정된다. 따라서 초음파 가습기에 사용하는 물을 선택할 때에는 발생된 수증기에 함유된 불순물의 정도가 수돗물>정수기 물> 증류수 순서임을 고려하는 것이 필요하다.

Acknowledgments

This study was supported by the China Medical Board (CMB) and the BK21 Plus Project.

References

• Park, DU, et al., Relationship between Exposure to Household Humidifier Disinfectants and Risk of Lung Injury: A Family-Based Study, PLoS ONE, (2015), 10(5), e0124610. [https://doi.org/10.1371/journal.pone.0124610]
• Umezawa, M, et al., Effect of aerosol particles generated by ultrasonic humidifiers on the lung in mouse, Part Fibre Toxi, (2013), 10(64), p1-10, http://www.particleandfibretoxicology.com/content/10/1/64. [https://doi.org/10.1186/1743-8977-10-64]
• Highsmith, VR, Rodes, CE., Indoor Particle Concentrations Associated with Use of lap Water in Portable Humidifiers, Environ Sci Technol, (1988), 22, p1109-1112. [https://doi.org/10.1021/es00174a019]
• Highsmith, VRj, et al., Physical and Chemical Characterization of Indoor Aerosols Resulting from the Use of Tap Water in Portable Home Humidifiers, Environ Sci Technol, (1992), 26(4), p673-679. [https://doi.org/10.1021/es00028a003]
• Hardy, RJ, et al., Indoor Asbestos Concentrations Associated with the Use of Asbestos-Contaminated Tap Water in Portable Home Humidifiers, Environ Sci Technol, (1992), 26(4), p680-689. [https://doi.org/10.1021/es00028a004]
• United States Environmental Protection Agency (US EPA), Indoor Air Facts No. 8-Use and Care of Home Humidifiers, (1991), (assessed on 0319, 2019, https://www.epa.gov/sites/production/files/2014-08/documents/humidifier_factsheet.pdf).
• Sain, AE, et al. Dietrich, AM., Size and mineral composition of airborne particles generated by an ultrasonic humidifier, Indoor Air, (2018), 28, p80-88. [https://doi.org/10.1111/ina.12414]
• Park, JH, et al., Spatial−Temporal Dispersion of Aerosolized Nanoparticles During the Use of Consumer Spray Products and Estimates of Inhalation Exposure, Environ Sci Technol, (2017), 51, p7624. [https://doi.org/10.1021/acs.est.7b00211]