KR100305292B1 - 휘발성 유기화합물 분석장치의 열탈착 시료주입장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 토양, 수원 또는 대기중의 휘발성 유기화합물을 분석하는 장치에서 그 분석하고자 하는 시료를 주입하는 장치에 관한 것으로, 특히 대기중 또는 토양, 수원에서 배출되는 휘발성 시료를 열탈착분리관(20)에 포집하여 그 열탈착분리관(20)에 소정온도의 열을 가하여 시료를 탈착시키는 한편, 이 탈착된 시료를 나선관으로 이루어진 루핑장치(50)안으로 공급하여 시료가 루핑장치(50)의 체적만큼 일정량 수용되게 하고, 이 상태에서 이 루핑장치(50)의 뒤쪽으로 운반가스를 공급하면 이 운반가스의 추진력에 의해 시료가 시료분석장치안으로 주입되게 하는 것이다.

따라서 본 발명은 휘발성이 강한 시료를 분석하기 위해 액화농축장치와 같은 고가의 장비없이도 시료를 분석장치쪽으로 주입할 수 있고, 루핑장치(50)를 통하여 항상 일정량의 시료를 신속하게 시료분석장치로 공급하게 되므로 테일링현상을 방지하여 분석신뢰도를 향상시킬 수 있는 것이다.

Description

휘발성 유기화합물 분석장치의 열탈착 시료주입장치{Thermal desorption and fractional injection system}

본 발명은 휘발성 유기화합물 분석용 시료주입장치에 관한 것으로, 특히 대기,수질 또는 토양에서 배출되는 휘발성 유기화합물을 포집하여 분석장치로 주입하는 시료주입장치에 관한 것이다.

현재 휘발성 유기화합물을 분석하는 데에는 통상 가스 크로마토그래피(Gas Chromatography, 이하, 'GC'로 약칭함)를 이용하고 있다. 그리고 분석하고자 하는 휘발성 유기화합물 시료를 포집하여 그 포집된 시료를 GC에 일정량 만큼 주입함에 있어서는, 시료가 휘발성이 강하기 때문에 액체질소나 액체 아르곤을 사용하여 그 시료를 액화농축시킨 다음 주입하는 액화농축 시료주입법과, 기체시료를 액화농축시키지 않고 고체 흡착관에 포집한 뒤 그 흡착관에 열을 가하면서 GC에 주입하는 소위 열탈착방법이 사용되고 있다.

그런데 상기 액화농축 시료주입법은 고가의 액화농축장비가 필요하므로 비경제적이라는 단점이 있고, 상기 종래 열탈착방법은 포집관에서 시료를 승온탈착하는 과정에서 아무리 포집관을 신속하게 가열하더라도 가열시간에 대한 시료의 탈착이 일정치않는 소위 테일링(tailing)현상이 발생하고, 이로써 GC에서 시료가 오버랩(overlap)됨으로써 검출한계가 낮아지는 단점이 있었다. 이러한 문제를 해결하기 위해서 상기 종래의 열탈착방법은 고가의 특정 GC 칼럼을 사용하여야 하는 단점이 있었다.

이에 본 발명은 종래 공지된 상기 시료주입방법이 가진 단점을 해결하고자 고안된 것으로서, 시료주입시 테일링현상을 방지하여 측정의 신뢰도를 향상시키고, 동시에 일반적인 GC에도 적용가능한 경제적인 휘발성 유기화합물 분석장치의 열탈착 시료주입장치를 제공함에 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 시료의 탈착 및 건조용 기체를 저장한 탈착·건조기체 저장탱크와, 대기,수원 또는 토양중에서 배출되는 휘발성 유기화합물을 포집하여 수용하는 한편, 그 포집된 시료에 열을 가하면서 상기 탈착·건조기체 저장탱크로부터 탈착기체를 공급받아서 시료를 열탈착시키는 열탈착분리관과, 상기 열탈착분리관에서 열탈착된 시료를 통과시키면서 상기 탈착·건조기체 저장탱크로부터 공급되는 건조기체로 시료를 건조시키는 시료건조기와, 상기 시료건조기를 통과하면서 건조된 시료를 수용한 후, 배출하는 시료공급장치와, 시료공급장치에서 공급되는 시료를 일정량만큼 수용하도록 된 루핑장치와, 상기 루핑장치에 수용된 시료를 시료분석장치쪽으로 밀어서 내보내는 시료운반가스를 저장·공급하는 운반가스 저장탱크와, 상기 시료건조기를 통과한 시료를 루핑장치쪽으로 공급 또는 공급차단하거나 루핑장치에서 분배되는 시료를 시료루프쪽으로 공급 또는 공급차단하는 개폐밸브 및 상기 개폐밸브를 통과한 시료를 시료루프쪽으로 공급하거나 공급차단함과 아울러 운반가스를 루핑장치쪽으로 공급 또는 공급차단하는 제어밸브를 포함한 구성으로 되어 있다.

또한 본 발명은 상기 탈착·건조기체 저장탱크에서 열탈착분리관으로 공급되는 탈착기체를 공급하거나 차단하는 제1개폐밸브와, 공급되는 탈착기체의 유량과 속도를 조절하는 제1가변유량조절밸브와, 상기 탈착·건조기체 저장탱크에서 시료건조기 쪽으로 공급되는 건조기체를 공급하거나 차단하는 제2개폐밸브와, 이 제2개폐밸브를 통과한 건조기체의 유량과 속도를 조절하는 제2가변유량조절밸브를 더 포함할 수 있다.

따라서 본 발명에 따르면 열탈착분리관에서 분리된 시료를 일정한 량만큼씩 시료분석장치쪽으로 공급하므로 테일링현상을 방지하여 분석치의 정확도 및 신뢰도를 향상시킬 수 있다. 그리고 본 발명은 고가의 장비를 사용할 필요가 없으므로 경제적인 장점이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 시료주입장치의 개략적인 구성을 도시한 구성도,

도 2는 본 발명의 제어밸브의 작동상태를 도시한 도면으로서,

(a)는 시료가 시료공급장치에서 루핑장치안으로 공급되어 일정량 저장되는 상태의 제어밸브 위치를 도시한 개략도,

(b)는 시료공급장치로부터 공급되는 시료를 차단하고, 상기 도 2a의 상태에서 시료가 일정량 저장된 루핑장치쪽으로 운반가스를 공급하여 그 루핑장치안에 저장된 시료를 시료분석장치 쪽으로 밀어내는 상태의 제어밸브 위치를 도시한 개략도,

(c)는 시료공급장치에서 공급되는 시료를 차단한 상태에서 운반가스만을 루핑장치 안으로 공급하여 루핑장치 안에 잔류하고 있는 시료를 밀어내어 루핑장치를 세척하는 상태의 제어밸브 위치를 도시한 개략도이다.

※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10: 시료 탈착 및 건조기체 저장탱크 20: 열탈착분리관

21: 제1연결라인 22: 제 1가변유량조절밸브

23: 제2연결라인 24: 제 2가변유량조절밸브

27: 가열장치 28: 제 1개폐밸브

29: 제 2개폐밸브

30: 시료건조기 31: 제3연결라인

32: 제4연결라인 40: 시료공급장치

43: 제3개폐밸브 45: 가열장치

50: 루핑장치 60: 제어밸브

70: 운반가스 저장탱크

이하, 본 발명에 따른 실시예를 첨부도면에 따라 상세히 설명한다.

본 발명에 따른 시료주입장치는 그 구성이 도 1에 개략적으로 도시되어 있다. 도 1에 도시된 본 발명은 시료를 탈착하거나 시료를 건조하는 데 사용되는 탈착·건조기체를 저장해두는 탈착·건조기체 저장탱크(10)를 포함한다. 또 본 발명은 대기, 수원 또는 토양중에서 증발하는 휘발성 유기화합물 시료를 일정량 포집하는 열탈착분리관(20)을 포함하고, 이 열탈착분리관(20)은 상기 탈착·건조기체 저장탱크(10)와 제 1연결라인(21)을 통하여 한쪽에서 서로 연통된 구조로 되어 있다.

그리고 상기 열탈착분리관(20)을 외부에서 가열하면 그 내부에 포집된 휘발성 유기화합물의 시료가 증발하여 출구를 통하여 외부로 배출되게 되는 데, 이 열탈착분리관(20)은 제 2연결라인(23)을 통하여 시료건조기(30)에 연결된다. 따라서 상기 열탈착분리관(20)을 외부에서 가열장치(27)로 소정의 온도로 가열하면, 시료는 열탈착되어 상기 제 2연결라인(23)을 통하여 시료건조기(30)안으로 유입되게 된다.

여기서 상기 열탈착분리관(20)을 가열하는 온도는 시료의 종류에 따라 차이가 있지만, 대략 200∼350℃정도이다.

상기 시료건조기(30)는 소위 나피온 건조기(Nafion Dryer)가 통상 사용되며, 이 시료건조기(30)는 제 3연결라인(31)을 통하여 상기 탈착·건조기체 저장탱크(10)와 연통되게 되어 있다. 이 저장탱크(10)로부터 유입된 건조기체는 통상 헬륨이나 질소가스가 사용되며, 저장탱크(10)에서 공급되어 시료건조기(30)를 통과하여 외부로 배출되는 도중에 그 시료건조기(30)안으로 유입된 시료와 접촉하여 시료를 건조시키게 되는 것이다.

한편, 상기 제 1연결라인(21)과 제 3연결라인(31)상에는 각각 제 1가변유량조절밸브(22)와 제 2가변유량조절밸브(24)가 설치되어 그 각각의 연결라인(21,31)을 통하여 열탈착분리관(20) 또는 시료건조기(30)쪽으로 공급되는 유체의 량을 조절할 수 있게 되어 있다. 이는 시료의 종류에 따라 열탈착분리되는 량 및 시료종류에 따른 건조기체의 공급량을 조절하고, 각각의 기체의 속도를 조절하기 위함이다.

또한 상기 시료건조기(30)의 출구는 제 4연결라인(32)을 통하여 시료공급장치(40)의 입구측과 연결되어 있고, 이 제 4연결라인(32)에는 제 3개폐밸브(43)가 설치되어 있다. 상기 제 3개폐밸브(43)는 시료건조기(30)에서 시료공급장치(40)쪽으로 시료가 주입될 때에는 개방되고, 반대로 상기 시료공급장치(40)가 시료를 후술하는 루핑장치(50)로 공급할 때에는 상기 제 4연결라인(32)을 차단하여 시료공급장치(40)에서 배출되는 시료가 시료건조기(30)쪽으로 역류되지 않게 함과 동시에 시료건조기(30)쪽에서 시료공급장치(40)쪽으로 유입되는 것을 방지하는 역할을 하게 된다. 그리고 상기 시료공급장치(40)에 인접하여 가열장치(45)가 구비되어 있는 데, 이 가열장치(45)는 시료공급장치(40)에 열을 가하므로써 시료공급장치(40) 내부에 수용된 시료를 활성화시켜 밀도를 균일하게 한다. 이 가열장치(45)로서는 히터블로어가 사용된다.

또한 상기 시료공급장치(40)의 출구는 제어밸브(60)을 통하여 루핑장치(50)와 연결되어 있다. 상기 루핑장치(50)는 나선형의 루프관으로 이루어져 있으므로 그 루프관안에서는 직선형 관에 비하여 시료의 유동이 적어 뒤쪽에서 가압되지 않는 한 배출되지 않고 관 내부에 잔류하게 되므로 시료를 일정량 수용할 수 있게 되는 것이다.

동시에 상기 제어밸브(60)는 운반가스 저장탱크(70)와 루핑장치(50)를 서로 선택적으로 연결시킨다. 따라서 상기 운반가스 저장탱크(70)로부터 운반가스가 상기 루핑장치(50)쪽으로 공급되면 이 운반가스는 루핑장치(50)에 수용된 일정량의 시료를 시료분석장치쪽으로 밀어서 내보내게 된다. 상기 운반가스는 시료와 반응하지 않게 헬륨 등과 같은 불활성기체가 주로 사용된다.

그리고 상기 제어밸브(60)는 도 2a 내지 도 2c에 도시된 바와 같이, 6웨이 로터리밸브가 사용되면 바람직하다. 이 경우에 시료공급장치(40)에서 루핑장치(50)쪽으로 일정량 공급되고, 이 루핑장치(50)에 수용된 일정량의 시료를 운반가스로 밀어서 시료분석장치로 분배하는 작동과정을 설명하면 다음과 같다.

이하, 상기한 바와 같이 구성된 본 발명의 작동을 단계별로 상세히 설명한다.

시료포집단계;

열탈착분리관(20)을 본 발명의 장치에서 분리한 다음, 분석하고자 하는 휘발성 유기화합물이 배출되는 하천이나, 지면 위 또는 대기중에 설치하고, 그 상태로 일정시간동안 일정량의 공기를 통과시키면 토양이나 하천에서 배출되는 휘발성 유기화합물 또는 대기중 휘발성 유기화합물은 상기 열탈착분리관(20)으로 유입되어 포집된다. 이렇게 시료를 포집한 열탈착분리관(20)를 본 발명의 장치에 설치한다.

열탈착분리단계;

상기와 같이 시료가 포집된 열탈착분리관(20)을 본 발명의 장치에 장착한 상태에서 그 열탈착분리관(20)를 가열장치(27)로써 가열한다. 이때 열탈착분리관(20)을 가열하는 온도는 시료의 종류에 따라 약간 차이가 있지만 대략 200∼350℃ 정도이다. 이와 같이 열탈착분리관(20)이 가열되면 그 내부에 포집된 시료는 증발하면서 탈착되어 제 2연결라인(23)을 통하여 시료건조기(30)안으로 유입된다.

상기 열탈착분리과정에서는 상기 제 1연결라인(21)에 설치된 제 1개폐밸브(28)를 개방하고 동시에 제 1 가변유량조절밸브(22)를 조정하여 탈착가스를 열탈착분리관(20)안으로 일정량만큼 공급함으로써 상기 열탈착과정이 원활하게 이루어지게 한다. 이때 상기 제 1가변유량조절밸브(22)를 통과하는 탈착가스의 유량은 약 5 ㎖/min 정도가 되도록 셋팅하는 것이 바람직하다.

시료건조단계;

상기 제 3연결라인(31)에 설치된 제2개폐밸브(29)를 개방하고, 아울러 제 2가변유량조절밸브(24)를 조정하면 상기 탈착·건조기체 저장탱크(10)에 저장된 시료건조기체는 상기 제 3연결라인(31)을 통하여 시료건조기(30)안으로 유입되어 상기 시료건조기(30)내부의 시료와 접촉하면서 시료를 건조시켜 주게 된다. 이때 상기 제 2가변유량조절밸브(24)를 통과하는 건조기체의 유량은 100 ㎖/min가 적당하다.

시료공급 및 분배단계;

상기 시료건조기(30)를 거치면서 건조된 시료는 제 4연결라인(32)을 따라 상기 제 3개폐밸브(43)쪽으로 유동하다가 이 제 3개폐밸브(43)가 개방되어 있으면 시료공급장치(40)안으로 유입된다. 이와 같은 상태로 일정시간 경과시킨 다음, 상기제 3개폐밸브(43)를 차단하여 시료공급장치(40)로 유입되는 시료를 차단하고나서, 그 시료공급장치(40)에 인접배치된 가열장치(45)로 시료공급장치(45)에 열풍을 불어줌으로써 그 시료공급장치(40)에 수용된 시료를 가열하여 그 시료를 활성화시키고 동시에 분포밀도를 균일하게 한다.

그런 다음 상기 제 3개폐밸브(43)를 닫아 시료공급장치(40)안으로 유입되는 시료를 차단하고, 아울러 제어밸브(60)를 도 2a에 도시된 위치로 절환시킨다. 그리고 나서 시료공급장치(40)를 작동시켜 시료공급장치(40)안에 들어있던 시료를 배출하면, 이 시료는 도 2a의 실선 화살표 방향을 따라 제어밸브(60)를 거쳐 루핑장치(50)안으로 유입된다. 상기 시료가 루핑장치(50)의 체적만큼 일정량 충진되고 나면 상기 제어밸브(60)를 도 2b에 도시된 위치로 절환시킨다.

이와 같이, 상기 제어밸브(60)를 도 2b 위치로 절환시키면 루핑장치(50)안으로 유입되던 유로입구는 차단되어 시료공급장치(40)로부터 루핑장치(50)쪽으로는 더이상 시료가 유입되지 않는다. 그러나 상기 루핑장치(50)의 입구측은 상기 운반가스 저장탱크(70)쪽 유로와는 연통되고 동시에 루핑장치(50)의 출구측은 시료분석장치(도시안됨)측 유로와 연통되어 상기 운반가스 저장탱크(70)의 운반가스가 도 2b의 점선화살표방향을 따라 상기 루핑장치(50)안으로 유입되면서 그 내부에 충진된 시료를 시료분석장치쪽으로 밀어내게 된다. 따라서 이과정에서 시료의 일정량이 시료분석장치쪽으로 보내어지므로 시료분석장치는 일정한 량의 시료를 분석하게 되고 따라서 시료분석장치는 테일링현상의 발생없이 시료를 분석하게 된다.

이상과 같이 한 종류의 시료탈착 및 분배공급 그리고나서 분석작업이 끝나고나서 다른 시료를 분석하고자 하는 경우, 상기 본 발명의 장치에 잔류하고 있던 종전 시료를 세척하여야 하는 데, 이 때에는 상기 제어밸브(60)를 도 2c에 도시된 위치로 절환해둔 상태에서 운반가스를 제어밸브(60)안으로 보내면 운반가스는 도 2c에 도시된 점선화살표방향을 따라 제어밸브(60)와 루핑장치(50)를 차례로 거쳐 배출되면서 잔류 시료를 함께 외부로 배출시킴으로써 장치를 세척하게 되는 것이다.

한편, 상기 본 발명의 실시예에서는 시료포집단계, 시료탈착단계 등 일련의 과정을 수동으로 조작하는 것에 대하여 설명하였지만, 상기 열탈착분리관(20)을 본 장치에 설치한 상태에서 그 열탈착분리관(20)이 포집하고자 하는 대상지역에 배치되게 한 후, 상기 제 1 및 제 2 가변유량조절밸브(22,24)의 조절과, 제 1개폐밸브(28),제2개폐밸브(29) 및 제3개폐밸브(43)의 개폐작동 및 상기 제어밸브(60)의 절환작동을 제어부가 자동제어하게 하면 본 발명은 자동으로 시료를 포집, 탈착 건조, 분배하여 자동으로 시료분석장치에 주입하게 할 수도 있다.

상기한 바와 같이 구성된 본 발명은 분석하고자 하는 시료를 액화농축시키지 않고, 기체상태 그대로 열탈착분리관으로 직접 포집한 후, 그 열탈착분리관에 열을 가하여 탈착시키므로 고가의 장비를 사용할 필요가 없어 제조단가 및 유지비를 절감할 수 있다.

그리고 본 발명은 간단한 구조의 루핑장치를 사용하여 시료를 일정량 만큼균일하게 시료분석장치에 공급함으로써 시료분석장치에서 시료분석시 테일링현상을 방지할 수 있어 저렴한 비용으로 높은 신뢰도의 분석결과치를 얻을 수 있는 데 특장이 있는 것이다.

Claims (4)

1. 대기,수원 또는 토양에서 배출되는 휘발성 유기화합물의 시료를 포집하여 수용하는 열탈착분리관(20);

   상기 열탈착분리관(20)에 열을 공급하여 그 내부에 포집된 시료를 열탈착분리관으로부터 열탈착시키는 가열장치(27);

   상기 열탈착분리관(20)에서 열탈착된 시료를 건조기체와 접촉시켜 시료를 건조시키는 시료건조기(30);

   상기 열탈착분리관(20)과 연결되어 열탈착분리관(20) 내부로 시료 탈착용 기체를 공급하고 상기 시료건조기(30)와 연결되어 시료건조기(30) 내부로 시료 건조용 기체를 공급하는 탈착·건조기체 저장탱크(10);

   상기 시료건조기(30)에서 배출되는 건조된 시료를 수용하여 압출하는 시료공급장치(40);

   상기 시료건조기(30)와 시료공급장치(40)를 서로 연통시키는 제4연결라인(32)상에 설치되어 이 제4연결라인(32)의 유로를 선택적으로 개방 또는 차단하는 제3개폐밸브(43);

   상기 시료공급장치(40)에서 공급되는 시료를 일정량만큼 수용하도록 된 루핑장치(50);

   상기 루핑장치(50)에 수용된 시료를 시료분석장치쪽으로 밀어서 내보내는 시료운반가스를 저장·공급하는 운반가스 저장탱크(70); 및

   상기 시료공급장치(40)와 루핑장치(50)를 서로 연통 또는 차단함과 동시에 상기 운반가스 저장탱크(70)와 루핑장치(50)를 서로 연통 또는 차단하는 제어밸브(60)를 포함한 것을 특징으로 하는 휘발성 유기화합물 분석장치의 열탈착 시료주입장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 탈착·건조기체 저장탱크(10)와 열탈착분리관(20)을 서로 연통시키는 제1연결라인(21)상에는 열탈착분리관(20)쪽으로 탈착기체를 공급 또는 차단하는 제1개폐밸브(28)와, 상기 제1개폐밸브(28)를 통과한 탈착기체의 유량을 조절하는 제1가변유량 조절 밸브(22)가 서로 직렬로 설치되고, 상기 탈착·건조기체 저장탱크(10)와 시료건조기(30)를 서로 연통시키는 제 3연결라인(31)상에는 상기 탈착·건조기체 저장탱크(10)에서 시료건조기(30)쪽으로 시료건조기체를 공급 또는 차단하는 제2개폐밸브와, 상기 시료건조기(30)쪽으로 공급되는 시료건조기체의 량을 가변조절하는 제2가변유량조절밸브(24)가 서로 직렬로 설치된 것을 특징으로 하는 휘발성 유기화합물 분석장치의 열탈착 시료주입장치.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 제어밸브(60)는 6웨이 로터리밸브로 이루어진 것을 특징으로 하는 휘발성 유기화합물 분석장치의 열탈착 시료주입장치.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 루핑장치(50)는 나선관으로 이루어진 것을 특징으로 하는 휘발성 유기화합물 분석장치의 열탈착 시료주입장치.