KR100338124B1 - 활성탄 첨가에 의한 토양내 질산염 정량방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 활성탄 첨가에 의한 토양내 질산염 정량방법에 관한 것으로 본 발명은 토양에 활성탄을 첨가하여 증류수 또는 염화가리로 침출한 침출액 중의 질산염을 자외선파장영역에서 분광광도계로 흡광도를 측정하여 정량하는 방법으로 유기물에 의한 흡광방해로 인한 오차를 줄이고 단시간에 간단한 방법으로 정확하게 정량하는 뛰어난 효과가 있고 또 본 발명 질산염 정량방법은 폐수가 거의 발생하지 않아 환경오염을 방지하는 뛰어난 효과가 있다.

Description

활성탄 첨가에 의한 토양내 질산염 정량방법{Method of measuring the amount of nitrate in soil by adding activated carbon}

본 발명은 활성탄 첨가에 의한 토양내 질산염 정량방법에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 본 발명은 토양에 활성탄을 첨가한 후 증류수 또는 염화가리(KCl)로 토양내 질산염을 침출하고 이를 자외선 파장대에서 분광광도계로 흡광도를 측정하여 정량하는 방법에 관한 것이다.

토양내 질산염은 작물에 가장 필요한 성분으로 질소비료를 사용하는데 기준이 되며, 토양에 과량으로 존재하는 경우에는 빗물에 의해 용탈되어 지하수를 오염시킬 수 있기 때문에 정확하고 신속하게 분석할 필요가 있는 성분이다.

지금까지 토양내 질산염을 측정하는 표준방법은 증류수로 침출하거나 염화가리로 침출시킨 후 부루신법(Brucine method)으로 발색시킨 다음 분광광도계로 흡광도를 측정하는데, 이 방법의 발색시약은 황산브루신(brucine sulfate), 술퍼닐산(sulfanilic acid), HCl, H₂SO₄, 이비산나트륨(sodium arsenite)을 혼합하여 제조하기 때문에 시약 소요량이 많아 시약 구입비가 많이 소요되며 폐시약의 처리가 곤란할 뿐만 아니라 시약 중에 중금속인 비소(As)가 함유되어 있어서 환경을 오염시킬 수 있다. 또한, 발색과정에서 95℃ 이상의 조건에서 20분 이상 가열하여야 하기 때문에 측정과정이 매우 복잡하여 분석능률이 매우 낮은 문제점이 있다.

토양내 질산염을 측정하는 다른 방법으로는 질산염이 214 nm의 자외선을 흡광하는 원리를 사용하여 분광광도계로 측정하는 방법이 있다. 이 방법은 수질분석에 많이 사용되며 사용하는 시약의 양도 적은 장점이 있다. 그러나, 물에 유기물이 많은 경우에는 질산염 흡광대와 유기물 흡광대가 겹치기 때문에 유기물함량이 많은 경우에는 질산염이 높게 측정되는 오차가 발생된다. 이와 같은 유기물에 의해 발생되는 오차를 없애기 위해 질산염 최대 흡광대인 214nm와 유기물의 최대 흡광대인 275 nm에서 흡광도를 측정하여 상기 측정한 각각의 흡광도 차이로부터 질산염 함량을 구하였다. 그러나, 상기 방법은 한 개 시료의 질산염 함량을 구하기 위해 두 번의 측정을 해야 하기 때문에 측정과정이 복잡하고 직접 질산염 함량을 측정하는 것이 아니라 유기물과 질산염의 흡광도를 측정하고 여기에서 유기물의 흡광도를 감하여 질산염으로 계산하기 때문에 분석오차가 큰 단점이 있다.

특히, 수질이 아닌 토양을 증류수 또는 염화가리로 침출하는 경우에는 토양에 존재하는 3% 내외의 유기물 중에 일부가 질산염과 함께 추출되어 나오기 때문에 오차는 더욱 커져서 정확한 분석을 수행하기가 어렵다. 예를들면, 도 1에 도시한 것과 같이 토양내 질산염을 측정할 경우 질산염의 농도가 낮고 유기물 함량이 높은 경우에는 질산염의 흡광파장대인 214 nm에서의 흡광도가 유기물이 질산염보다 더 큰 경우가 있어서 자외선 흡광대에서 토양내 질산염을 측정하는 것은 분석오차가 매우 커진다.

상기와 같이 지금까지 국내 표준방법으로 사용하여 온 부루신법은 다량의 시약을 사용하기 때문에 시약 구입비가 많이 소요되어 경제적이지 못하고 측정과정이 매우 복잡할 뿐만 아니라 비소와 같은 유해 중금속이 함유된 폐시약이 다량 발생하여 환경오염을 일으키는 많은 단점이 있으며, 질산염이 자외선을 흡광하는 원리를 이용한 측정방법은 시약을 적게 사용하는 잇점은 있으나 토양에 함유된 유기물의 일부가 침출하는 과정에서 용액에 함유되기 때문에 분석오차가 매우 크며 측정과정이 매우 복잡한 단점이 있었다.

본 발명자들은 상기와 같은 단점을 극복하기 위해 연구한 결과, 토양에 활성탄을 첨가하여 증류수 또는 염화가리 침출시에 유기물이 침출되지 않도록 흡착, 제거시킨 후 자외선 흡광원리를 이용하여 분광광도계로 흡광도를 측정할 경우 토양내 함유된 질산염의 양을 단시간에 간단한 방법으로 정확하게 정량할 수 있음을 확인하고 본 발명을 완성하였다.

따라서, 본 발명의 목적은 토양에 활성탄을 첨가하여 유기물이 침출되지 않도록 흡착, 제거시킨 후 증류수 또는 염화가리로 토양내 질산염을 침출한 후 자외선 흡광대에서 분광광도계로 흡광도를 측정하여 단시간에 간단하게 토양내 질산염을 정확하게 정량하는 방법을 제공함에 있다.

본 발명의 상기 목적은 토양에 활성탄을 첨가한 후 증류수 또는 염화가리를 첨가하여 토양내 질산염 침출액을 제조한 후 분광광도계를 사용하여 220nm에서 흡광도를 측정하고 미리 농도를 알고있는 질산염 표준용액의 흡광도를 측정하여 작성한 표준곡선에 상기 측정한 흡광도 값을 적용시켜 질산염을 정량하고 이 결과를 기존의 부루신법에 의해 측정한 토양내 질산염 정량 결과와 비교하여 본 발명 질산염정량방법이 측정 신뢰도 및 정확도가 높음을 확인함으로써 달성하였다.

이하, 본 발명의 구성을 설명한다.

도 1은 토양 침출액내 함유된 질산염 단독의 흡광파장과 질산염과 유기물이 혼합되어 있는 혼합물의 흡광파장을 나타낸 그래프이다.

도 2는 토양에 활성탄을 첨가하여 유기물을 흡착, 제거한 후 단독으로 침출된 질산염의 흡광파장을 나타낸 그래프이다

도 3은 질산염 표준용액을 220nm에서 분광광도계로 흡광도를 측정하여 작성한 질산염의 표준곡선 그래프이다.

도 4는 토양에 활성탄을 첨가한 후 증류수로 질산염을 침출한 후 이 침출액내 질산염을 본 발명 토양내 질산염 정량법으로 분석한 결과와 종래 부루신법으로 정량한 분석결과를 비교한 분석절대값을 나타낸 그래프이다.

도 5는 토양에 활성탄을 첨가한 후 2M 염화가리 용액으로 질산염을 침출한 후 이 침출액내 질산염을 본 발명 토양내 질산염 정량법으로 분석한 결과와 종래 부루신법으로 정량한 분석결과를 비교한 분석절대값을 나타낸 그래프이다.

본 발명은 토양에 활성탄을 첨가한 후 증류수 또는 염화가리를 첨가하여 유기물이 함유되어 있지 않은 토양내 질산염 함유 침출액을 제조하는 단계; 증류수 또는 염화가리 용액에 농도를 알고 있는 질산염 표준용액과 염산을 첨가하고 220nm에서 흡광도를 측정하여 표준곡선을 제조하는 단계; 토양내 질산염 침출액에 염산을 첨가하고 220nm에서 흡광도를 측정한 후 표준곡선에서 상기 측정한 흡광도값에 해당하는 질산염 농도를 구하여 질산염을 정량하는 단계; 본 발명 토양내 질산염 정량방법에 의해 얻은 정량값과 종래 부루신법에 의해 얻은 토양내 질산염 정량값을 비교하여 본 발명 토양내 질산염 정량방법이 측정신뢰도 및 정확도가 우수함을 확인하는 단계로 구성된다.

이하, 본 발명의 구체적인 방법을 실시예를 들어 상세히 설명하고자 하지만 본 발명의 권리범위는 이들 실시예에만 한정되는 것은 아니다.

실시예 1: 토양내 질산염 정량

본 실시예에서는 19점의 국내 일반 토양을 시료로 사용하여 토양에 활성탄을 처리한 후 증류수 또는 염화가리로 침출액을 제조하여 질산염을 정량하였다.

제 1 단계; 토양내 질산염 침출

토양내 질산염을 침출하는 방법은 토양 5 g에 활성탄 1 g 내외를 첨가하고 증류수 25 mL 또는 2M 염화가리(KCl) 용액 25 mL를 첨가하여 30분간 진탕시킨 후에 여과하였다. 이때, 활성탄은 활성탄과 유기물이 결합하여 증류수 또는 염화가리 용액에 유기물이 침출되지 않도록 하기 위해 넣는 것으로 토양내 활성탄의 첨가량은 토양:활성탄의 비가 1:0.04 ∼ 1:1의 범위내에서 사용하며 상기 범위내에서 유기물이 많을 것으로 예상되는 토양은 활성탄의 첨가량을 많게 하고 적을 것으로 예상되는 토양에는 활성탄을 적게 첨가할 수 있다. 또한, 시료로 취하는 토양과 침출액은부피비로 1:5를 유지하며 이 비율이 변할 경우엔 계산과정에서 감안하여 계산하여야 한다. 상기의 방법으로 19점의 토양시료를 취하여 침출액을 얻었다.

제 2 단계 : 표준곡선 작성

토양내 질산염을 증류수 또는 염화가리 침출액으로 침출하여 분광광도계로 정량하기 위해서는 우선 농도를 알고 있는 표준용액을 사용하여 표준곡선 그래프를 작성한 후에 침출액 중 질산염의 흡광도를 측정하여 표준곡선 그래프에 적용시켜 농도로 계산하고 실험과정에 따라 일정 계수를 곱하여 토양함량으로 계산해야 한다. 질산염은 200 ∼ 240 nm 파장에서 흡광도를 나타내는 성질을 갖고 있으므로 200 ∼ 240nm 범위에서는 어느 파장에서나 흡광도 측정이 가능하다. 그러나 국내 일반 토양에 활성탄 1 g을 첨가하여 흡광도를 측정한 결과 도 2와 같은 그래프를 얻었으며 이는 질산염과 유기물 혼합물의 흡광도인 도 1과 비교해 볼 때 유기물에의한 흡광파장이 제거되었음을 알 수 있었다. 따라서, 질산염 최대 흡광파장은 214 nm이지만 214 nm에서는 급격한 변곡점을 나타내므로 최적 측정파장은 220 nm로 결정하였다. 따라서, 질산염 희석용액으로 증류수와 2M 염화가리 용액을 사용하여 질산염 표준용액의 농도를 0, 10, 20, 30, 40, 50, 60 mg/L로 만들고 5 mL 씩 취하여 시험관에 넣고 0.02N 염산 5 mL를 첨가하여 잘 혼합한 후 분광광도계를 사용하여 최적 흡광파장인 220 nm에서 흡광도를 측정하였다.

실험결과, 증류수로 희석하거나 2M 염화가리 용액으로 희석한 표준용액의 흡광도는 모두 도 3에 나타낸 바와 같이 흡광도와 질산염 표준용액 농도와의 관계가 곡선을 나타냈으며 상관계수가 r=0.9999로서 흡광도와 표준용액의 농도와는 일정한 비례관계가 있었다. 따라서 토양 침출액의 흡광도를 측정하여 농도로의 계산이 가능하였다.

표준곡선 그래프는 토양내 질산염 함량에 따라 표준용액의 농도와 취하는 표준용액의 양을 임의로 변경할 수 있으며, 첨가하는 염산은 토양 중에 존재할 수 있는 탄산염에 의한 방해요인을 제거하기 위한 것이므로 임의로 증감하여 사용할 수 있다

제 3 단계 : 질산염 정량

제 1 단계에서 제조한 증류수 또는 염화가리를 이용하여 제조한 토양 질산염 침출액 각각에 0.02N 염산을 5mL 첨가하고 잘 혼합한 후 220nm에서 흡광도를 측정하였다. 이 흡광도 값을 상기 제 2 단계의 표준곡선에 대입하여 질산염 농도를 구한 후 하기 계산식에 그 값을 대입하여 토양내 질산염 함량을 구하였다. 결과는 표 1에 나타낸 바와 같았다.

토양내 질산염 함량(mg/kg) = 표준곡선에서 구한 질산염 농도(mg/L) × 토양침출액의 양(mL)/토양 무게(g)

(단, 상기 계산식에서 질산염 농도가 높아 희석하여 측정하는 경우에는 희석배수를 곱해준다)

본 발명의 방법으로 측정한 토양침출액 중의 질산염 함량(mg/L)

시료	활성탄 처리후증류수로 침출	활성탄 처리후염화가리로 침출
1	0.02	0.1
2	0.06	0.3
3	18.12	20.4
4	0.46	0.46
5	0.9	0.96
6	0.84	1.02
7	29.6	43.6
8	0.9	1.22
9	4.46	1.66
10	3.52	4.7
11	3.64	5
12	4.38	5.2
13	4.64	6.24
14	9.18	12
15	19.4	23.78
16	24	30.06
17	21.6	26.04
18	28	33.16
19	35	46.1

비교실시예 1: 부루신법에 의한 질산염 정량값과 비교

본 비교실시예에서는 상기 제 1, 2, 3 단계에서 얻은 토양내 질산염 정량값을 동일한 토양을 가지고 종래 부루신법에 의해 측정한 질산염 정량값과 비교함으로써 본 발명 질산염 정량방법의 정확도를 확인하였다. 즉, 토양에 증류수 또는 염화가리를 첨가하여 침출한 질산염 침출액에 황산부루신 시약을 첨가하여 발색시킨 후 흡광도를 측정하는 종래 부루신법에 의해 정량한 질산염 정량값과 본 발명의 방법에 의해 얻은 질산염 정량값을 분석하여 두 방법간의 분석절대값을 그래프로 작성하여 비교하였다.

실험결과, 종래 부루신법에 의해 측정한 결과는 표 2에 나타낸 바와 같으며 이 결과와 본 발명 방법에 의해 정량한 결과(표 1)의 분석절대값은 도 4에 나타낸 바와 같았다. 즉, 종래 부루신법에 의해 정량한 결과와 본 발명 방법에 의해 정량한 결과는 1 : 0.99의 관계를 갖고 있었으며, 상관계수도 r=0.9949(R²=0.9899)로 매우 높아 본 발명의 방법과 종래의 방법 사이에는 차이가 없었다. 또한, 2M 염화가리 용액으로 침출한 침출액의 질산염 정량 결과와 본 발명 제 1, 2, 및 3 단계의 과정을 거쳐 정량한 결과의 분석절대값은 도 5에 나타낸 바와 같으며 1 : 1의 관계를 갖고 있었으며, 상관계수도 r=0.9993(R²=0.9987)로 매우 높아 본 발명의 방법과 종래의 방법 사이에는 차이가 없음을 알 수 있었다.

종래 부루신법으로 측정한 토양침출액 중의 질산염 함량(mg/L)

시료	종래 부루신법
1	0.45
2	1.14
3	98.00
4	2.51
5	4.28
6	5.16
7	221.00
8	5.70
9	7.87
10	22.29
11	28.00
12	26.48
13	29.05
14	58.60
15	121.60
16	154.30
17	126.50
18	172.37
19	225.50

이상, 상기 실시예를 통하여 설명한 바와 같이 본 발명은 토양에 활성탄을 첨가하여 증류수 또는 염화가리로 침출한 침출액 중의 질산염을 자외선파장영역에서 분광광도계로 흡광도를 측정하여 정량하는 방법으로 유기물에 의한 흡광방해로 인한 오차를 줄이고 단시간에 간단한 방법으로 정확하게 정량하는 뛰어난 효과가 있고 또 본 발명 질산염 정량방법은 폐수가 거의 발생하지 않아 환경오염을 방지하는 뛰어난 효과가 있으므로 토양시료 분석산업상 매우 유용한 발명인 것이다.

Claims (2)

1. 토양에 활성탄을 첨가하여 유기물을 흡착, 제거한 후 토양부피의 5배의 증류수 또는 2M 염화가리 용액으로 질산염을 침출하고 0.02M 염산 5 mL를 가한 후에 침출액의 자외선 흡광도를 200 ∼ 240nm에서 분광광도계로 측정한 후 질산염 농도에 따른 흡광도 변화의 표준곡선에 상기 분광광도계로 측정한 흡광도값을 대입하여 질산염 농도를 하기 식에 대입하여 토양내 질산염 함량을 정량함을 특징으로 하는 활성탄 첨가에 의한 토양내 질산염 정량 방법.

   토양내 질산염 함량(mg/kg) = 표준곡선에서 구한 질산염 농도(mg/L) × 토양침출액의 양(mL)/토양 무게(g)

   (단, 상기 계산식에서 질산염 농도가 높아 희석하여 측정하는 경우에는 희석배수를 곱해준다)
2. 제 1항에 있어서, 상기 활성탄의 토양내 첨가량은 토양:활성탄의 비가 1:0.04 ∼ 1:1의 범위내임을 특징으로 하는 활성탄 첨가에 의한 토양내 질산염 정량 방법.