KR100712189B1 - 디젤 배기 입자형 물질의 가용성 유기성분 분석장치 - Google Patents

디젤 배기 입자형 물질의 가용성 유기성분 분석장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 디젤 배기 입자형 물질의 가용성 유기성분 분석장치에 있어서, 캐리어 가스 주입수단, 상기 주입수단으로부터 연장된 연결라인, 상기 연결라인과 연통되며 디젤 배기 입자형 물질이 포집된 필터를 장착하기 위한 탈착수단, 상기 탈착수단으로부터 연장되어 가용성 유기성분을 분석하기 위한 분리·분석유닛을 포함하여 구성된, 디젤 배기 입자형 물질의 가용성 유기성분 분석장치에 관한 것으로서, 버스, 트럭, 선반 및 발전기 등의 디젤엔진으로부터 배출되는 배기가스 입자형 물질(PM) 중 가용성 유기성분(SOF)을 간단하고도 효율적으로 분석하기 위한 디젤 배기 입자형 물질의 가용성 유기성분 분석장치에 관한 것이다.
PM, SOF, 분석장치

Description

디젤 배기 입자형 물질의 가용성 유기성분 분석장치{Apparatus for analyzing SOF of PM emitted from diesel engine}
도 1은 본 발명에 의한 가용성 유기성분 분석장치 개략 구성도이며,
도 2는 본 발명에 의한 가용성 유기성분 분석장치 개략 작동도이며,
도 3은 본 발명에 의한 가용성 유기성분 분석장치에 적용되는 가용성 유기성분 탈착도구에 PM 필터를 장착하기 위한 단계 설명도이다.
도 4는 PM 필터를 이용한, 디젤 엔진 배출 PM 포집을 설명하기 위한 개략 구성도이다.
*도면 부호의 간단한 설명*
10: 분석장치, 20: PM 필터, 30: 탈착도구, 31: 히팅코일, 40: 제어밸브, 50: 시료주입부, 80: 제1 연결라인, 81: 제2 연결라인, 90: 모세분리관, 91: 검출기, 100:분리·분석유닛, 120: 디젤엔진, 121: 배기파이프, 122: 프로브, 123: 희석터널, 124: 에어주입부, 125: 제1 유체통로, 129: 더미 필터, 126, 127: 분기 유체통로, 200: 캐리어 가스 도입부
본 발명은 버스, 트럭, 선반 및 발전기 등의 디젤엔진으로부터 배출되는 배기가스 입자형 물질(PM) 중 가용성 유기성분(SOF)을 간단하고도 효율적으로 분석하기 위한 디젤 배기 입자형 물질의 가용성 유기성분 분석장치에 관한 것이다.
디젤엔진으로부터 배출되는 배기가스 중에는, 입자형 물질(Particulate Matter, PM), 휘발성 유기화합물(VOCs) 또는 질소산화물(NOx) 등이 포함되어 있다. 상기 입자형 물질중에는 수트(soot, 탄소성분) 또는 경유 중의 유황성분이 산화되어 생성되는 황산염(sulfate) 등의 불용성 유기성분(Insoluble Organic Fraction, IOF) 및 미연 탄화수소(hydrocarbons, HC) 또는 윤활유 HC 등의 가용성 유기성분(Soluble Organic Fraction, SOF) 등이 포함된다. 상기 성분들은 대기 중에 배출되면 대기오염 또는 인체에 악영향을 미치기 때문에 이들을 정화하기 위한 다양한 수단이 개발되고 있다. 최근에는 버스 또는 트럭 등의 디젤 차량에 대하여, 배기가스 중의 PM 등을 저감 및 제거하는 장치를 장착하는 것이 법령이나 조례 등에 의해 의무화되는 방향으로 환경정책이 진행되고 있다.
배기가스 중의 PM이 환경기준에 충족되는지를 결정하기 위하여는 PM 성분을 정확하게 분석하는 방법이 요구된다. 현재, 디젤 입자형 물질 등은 몇몇 방법, 예 를들면 무게 측정 등을 통한 방법에 의하여 배출 PM 량이 분석되고 있으며, 이에 대한 기술적 배경은 미국특허 제4,391,338호에 기재된다. 그러나, PM 성분 중 특정성분, 본 발명자가 주목하는 SOF 성분에 대한 분석방법에 대하여는 언급이 없다. 종래 SOF 분석을 위한 방법을 살펴보면, PM 필터를 4 등분하여 GC 인젝터(injector)에 충진하여 분석하는 고체시료 주입방법(solid sampling)이 수행되고 있으나, 필터 포집 PM이 처리과정 중 이탈되어 손실되거나 시료 취급방법이 용이하지 못해 정확한 SOF 분석이 어려울 뿐 아니라 상당한 분석시간이 요구된다는 단점이 있었다. PM 고체시료 주입방법은 GC 인젝터 구조 변형에 의하여 실시되며, 이에 대한 기술적 배경은 Journal of Chromotographic Science (pp 106- 112, Vol 26, March, 1988)에 상세하게 기재된다. PM 중 SOF 분석을 위한 다른 방법은 상용화된 열탈착시스템(Thermal Desorption System, TDS)를 이용하는 것으로서, PM 필터를 특정 탈착도구를 이용하여 가열탈착한 후, 흡착제, 예를들면 Tenax-TA에 재흡착시켜 TDS 장치로 SOF 성분을 분석하는 것이다. 그러나, 상기 TDS 시스템을 이용하는 방법에 있어서는 PM 중 SOF가 고분자 물질이므로 흡착제에 흡착된 후, 탈착과정에 상당한 어려움이 따르고, 이로 인한 메모리 이펙트(Memory effect, 분석후 분석대상 물질이 여전히 잔존하여 고스트 피크(ghost peak)로 작용하는 현상) 등의 문제점이 있었다. 한편, TDS 분석과는 별도로 SOF 탈착을 위한 별도의 탈착도구가 필요하다는 점 및 TDS 전처리 과정 및 분석에 상당한 시간이 소모된다는 단점이 있었다.
본 발명자는 상기와 같은 문제점을 예의 주시하여, 최근 필요성이 증대되고 있는 SOF 분석시스템을 개발하고자 노력한 결과, 종래 가스크로마토그래피(Gas chromatography, GC)를 이용하되, 간단한 탈착도구가 개재된 간단하고도 정확한 분석이 가능한 SOF 분석장치를 완성하였다.
본 발명의 목적은 PM 시료 취급이 용이한, 디젤 배기 입자형 물질의 가용성 유기성분 분석장치를 개시하는 것이다. 본 발명의 다른 목적은 정확도가 개선된, 디젤 배기 입자형 물질의 가용성 유기성분 분석장치를 제공하는 것이며, 본 발명의 또 다른 목적은 전처리 과정이 없이 간단하게 단시간내 SOF 성분 분석이 가능한, 디젤 배기 입자형 물질의 가용성 유기성분 분석장치를 공개하는 것이다.
상기 본 발명의 목적들은, 디젤 배기 입자형 물질의 가용성 유기성분 분석장치에 있어서, 캐리어 가스 주입수단, 상기 주입수단으로부터 연장된 연결라인, 상기 연결라인과 연통되며 디젤 배기 입자형 물질이 포집된 필터를 장착하기 위한 탈착수단, 상기 탈착수단으로부터 연장되어 가용성 유기성분을 분석하기 위한 분리/분석유닛을 포함하여 구성된, 디젤 배기 입자형 물질의 가용성 유기성분 분석장치에 의하여 달성된다. 특히, 상기 탈착수단은 깔대기 형상의 내 공간부를 가지며, 상기 내 공간부를 히팅하기 위한 수단이 내장된 장치가 바람직하며, 상기 분리유닛 은 가스크로마토그라피인 것이 바람직한 구성이다.
이하, 본 발명에 따른 실시예를 첨부도면에 따라 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명에 의한 가용성 유기성분 분석장치 개략 구성도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 의한 분석장치(10)는 디젤 엔젠으로부터 배출되는 배기가스 PM 포집 필터(20)를 내부에 장착할 수 있는, SOF 탈착도구(30)가 통상의 GC 연결라인(80, 81) 간에 개재된 통상의 GC를 포함한 시스템으로 구성된다. 통상의 GC 시스템은 시료주입부, 상기 주입부를 통하여 주입된 시료를 모세분리관(고정상)으로 이동시키기 위하여 일정한 압력의 운반기체(Carrier Gas, CG)가 도입되는 CG 도입부를 포함하나, 본 발명에 의한 시스템은 종래 시료주입부를 통한 PM 필터 주입의 상기 문제점을 해결하기 위한 수단으로서 PM 필터의 내부장착이 가능한 SOF 탈착도구를 도입한 것이다. 상기 SOF 탈착도구(30)는 직경 70 또는 140 mm PTFE-코팅된 유리섬유 필터(PTFE-coated glass fiber filter)를 깔대기(cornical) 형상으로 접어서 수납할 수 있도록, 내 공간부가 이와 동일한 형상으로 설계되며, 상기 깔대기 내 공간부에 소정의 온도를 유지하기 위한 히팅수단, 바람직하게는 내 공간부 주변부에 히팅코일이 장착된 히팅블록(heating block)으로 구성된다. 상기 SOF 탈착도구 일측, 바람직하게는 상부 리드(lid)에 CG 유입 연결라인(81)이 연통되며, SOF 탈착도구 타측, 바람직하게는 바닥면에는 모세분리관(90)으로 연통되는 연결라인(81)이 실링된다. 한편, CG 유통로를 제어하기 위한 제어밸브(40), 모세분리관(90) 및 검출기(91)는 분리·분석유닛(100)에 내장된다. 통상 검출기는 GC와 연결되어 시료 성분 분석이 가능한 다양한 검출기가 적용될 수 있으나, 바람직하게는 FID(Flame Ion Detector)가 선택될 수 있다.
이하, 본 발명의 작동과정을 도 1, 2 및 3을 참조하여 설명하도록 하나, 우선 디젤 엔진으로부터 방출되는 배기가스 중 필터(20)를 이용한 PM 포집방법을 추가로 기술하여 본 발명의 이해를 돕도록 한다. 도 4는 PM 포집 필터(20)를 가지는, 디젤 엔진으로부터 배출되는 배기가스 샘플링 장치의 개략도이다. 샘플링 장치는 디젤엔진(120), 배기파이프(121), 상기 배기파이프에 삽입되어, 배기파이프로 배출되는 배기가스를 샘플링하는 프로브(probe, 122), 상기 프로브 하부에 연결된 희석터널(dilution tunnel, 123), 상기 희석터널 업스트림부(upstream)에 연통되어 희석용 공기를 주입하기 위한 에어주입부(124), 상기 희석터널 다운스트림부(downstream)에 연결되고 희석시료를 유도하는 제1 유체통로(125), 상기 제1 유체통로에서 분기되며, 각각의 필터(20, 129)를 가지고 각각 시료가스를 통과시키거나 또는 시료가스를 포집하지 않을 때 바이패스시키는 두 유체통로(126, 127)로 구성되며, 상기 샘플링 장치의 구동을 통하여 소망하는 PM 포집 필터(20)를 입수할 수 있다.
상기 입수된 PM 필터는 도 3에서와 같이 깔대기 모양으로 말아서 히팅블록(30) 내 공간부로 수납된다. 작동과정을 설명한다. 도 1은 분석 개시전의 상태를 도시한 것으로서, CG 도입부(200)와 연통된 제1 연결라인(80)은 회전되는 제어밸브(40)에 의하여 탈착도구(30)를 거치지 아니하고 모세분리관(90)으로 연결되며, 운반된 CG는 연결라인 내부에 잔존하는 시료를 세척함과 동시에 분리·분석유닛을 기기적으로 안정시킨다. 도 2는 분석 개시된 상태도이며, 상기 탈착도구(30)는 히팅코일(31)을 통하여 소정온도, 400℃까지 상승됨에 따라 PM 필터(20)에 포집된 SOF는 탈착되어 CO2로 산화되며 CG에 의하여 운반되어 모세분리관(90)으로 유입된다. 이후 검출기(91)에 의하여 CO2는 분석된다.
본 발명에 의한 분석장치를 이용하여 PM 필터 성분 중 SOF 성분은 신속 정확하게 분석될 수 있었으며, SOF 탈착후 blank를 수행한 결과, 미탈착에 의한 메모리 이펙트가 사라짐을 확인할 수 있었다.
상기와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명되었지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
본 발명은 디젤엔진으로부터 배출되는 배기가스 입자형 물질(PM) 중 가용성 유기성분(SOF)을 간단, 신속하게 그리고 효율적으로 분석하기 위한 디젤 배기 입자형 물질의 가용성 유기성분 분석장치에 관한 것으로서, 특수한 형태의 탈착도구를 개재하여 통상 GC의 간단한 변형을 통하여 메모리 이펙트가 없는 정확한 SOF 성분 분석이 가능할 뿐 아니라, 입수된 PM 필터로부터 PM 손실없이 용이한 취급으로 분석 정확도를 개선할 수 있는 매우 유용한 발명이다.

Claims (3)

  1. 캐리어 가스 주입수단, 상기 주입수단으로부터 연장된 연결라인 및 가용성 유기성분을 분석하기 위한 분리·분석유닛을 포함하는 디젤 배기 입자형 물질의 가용성 유기성분 분석장치에 있어서, 디젤 배기 입자형 물질이 포집된 PTFE-코팅 유리섬유 필터가 깔대기 형상으로 접혀서 수납될 수 있는 깔대기 형상의 내 공간부를 가지며, 상기 내 공간부를 히팅하기 위한 수단이 내장된, 상기 연결라인 및 상기 분리·분석유닛 사이에 탈착수단이 더욱 장착된 것을 특징으로 하는, 디젤 배기 입자형 물질의 가용성 유기성분 분석장치.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서, 상기 분리유닛은 가스크로마토그라피인 것을 특징으로 하는, 디젤 배기 입자형 물질의 가용성 유기성분 분석장치.
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