KR101113262B1

KR101113262B1 - 총수은측정장치

Info

Publication number: KR101113262B1
Application number: KR1020100046947A
Authority: KR
Inventors: 김경남
Original assignee: (주)마이크로디지탈
Priority date: 2010-05-19
Filing date: 2010-05-19
Publication date: 2012-02-20
Also published as: KR20110127452A

Abstract

본 발명은 급속 열처리 기술을 이용하여 보다 정확하게 시료 내의 수은 함량을 측정할 수 있는 총수은측정장치를 제공한다. 본 발명의 총수은측정장치는, 시료를 수용하는 하나 또는 그 이상의 보트들을 포함하는 샘플러부; 샘플러부로부터 보트를 제공받아, 보트 내에 수용된 시료를 열처리하여, 시료 내의 수은을 추출하는 열처리부; 및 열처리부에서 추출된 수은의 양을 광학을 이용하여 측정하는 광학 측정부를 포함하고, 열처리부는, 시료를 가열하여 수분을 증발시킨 후 열분해(thermal decomposition)하는 건조 및 열분해부; 하나 또는 그 이상의 할로겐 램프를 이용하여 열분해된 시료를 급속하게 가열하고, 촉매를 이용하여 열분해된 시료 내에 포함된 수은을 활성화하는 촉매 반응부; 및 아말감 부재를 포함하고, 아말감 부재를 이용하여 활성화된 수은을 아말감화하여 포집하고, 아말감화되어 포집된 수은을 다시 기상화하는 아말감 형성부;를 포함한다.

Description

총수은측정장치{Apparatus for measuring total mercury amount}

본 발명은 총수은측정장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 급속 열처리 기술을 이용하여 보다 정확하게 시료 내의 총수은 함량을 측정할 수 있는 총수은측정장치에 관한 것이다.

일반적으로 수은(Hg)은 독특한 물리적, 화학적 특성을 가진 중금속으로서 형광등, 온도계, 전지, 페인트, 화장품, 살충제, 용제, 의약품 및 보존제 등 다양한 용도로 사용되며, PVC생산과 같은 산업공정에서 촉매로도 사용된다.

수은은 환경내에서 무기 수은이 주된 존재 형태이지만, 무기 수은 혹은 유기 수은 등의 여러 가지 화학적 형태로 존재하고 있으며, 무기 수은과 유기 수은을 합계한 수은량을 총수은이라고 한다. 일반적으로 용해도가 작은 무기 수은은 인체에 미치는 해가 적으나, 가용성 무기 수은이나 수은 증기는 매우 유독하며, 무기 수은은 아세틸렌 등과의 화학 반응이나 박테리아의 작용에 의하여도 유기수은으로 변환할 수 있다.

수은은 생태계에 미치는 영향이 매우 큰 금속으로서, 독성이 높고 생물체에 쉽게 농축될 수 있다. 수은에 의한 보건 피해는 일본의 미나마타에서 발생한 중독 사고를 통해서도 널리 알려져 있으며, 소량으로도 인체의 신경 계통에 큰 장애를 일으킬 수 있다.

수은은 대기, 물, 토양, 퇴적물, 음식물 등 다양한 매질 내에 존재하고, 특히 수산물 섭취를 통하여 인체에 유입될 수 있다. 이에 따라 세계 각국에서는 음식물, 특히 수산물에 대하여 수은 함량에 대한 규제기준을 가지고 있다. 또한, 최근에는 RoHS 국제 규제에 의하여 수은을 함유하는 물질에 대한 수출입이 극도로 제한되고 있다. 그러므로, 매질 내에 포함된 무기 수은과 유기 수은의 합계인 총수은량을 보다 정확하고 신속하며 간편하면서도 안전하게 측정할 수 있는 장치가 요구된다.

본 발명의 목적은, 급속 열처리 기술을 이용하여 보다 정확하게 시료 내의 총수은 함량을 측정할 수 있는 총수은측정장치를 제공하는 것이다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 총수은측정장치는, 시료를 수용하는 하나 또는 그 이상의 보트들을 포함하는 샘플러부; 상기 샘플러부로부터 상기 보트를 제공받아, 상기 보트 내에 수용된 상기 시료를 열처리하여, 상기 시료 내의 수은을 추출하는 열처리부; 및 상기 열처리부에서 추출된 상기 수은의 양을 광학을 이용하여 측정하는 광학 측정부; 를 포함한다. 상기 열처리부는, 상기 시료를 가열하여 수분을 증발시킨 후 열분해하는 건조 및 열분해부; 하나 또는 그 이상의 할로겐 램프를 이용하여 상기 열분해된 시료를 촉매를 이용하여 상기 열분해된 시료 내에 포함된 상기 수은을 활성화하는 촉매 반응부; 및 아말감 부재를 포함하고, 상기 아말감 부재를 이용하여 활성화된 상기 수은을 아말감화하여 포집하고, 아말감화되어 포집된 상기 수은을 다시 기상화하는 아말감 형성부;를 포함한다.

본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 건조 및 열분해부, 상기 촉매 반응부 및 상기 아말감 형성부를 통하여 상기 수은을 이송시키는 캐리어 가스를 공급하는 캐리어 가스 공급부를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 열처리부는 유리, 강화 유리, 내열 유리, 파이렉스(PYREX) 유리, 또는 석영으로 구성된 반응관을 포함하고, 상기 반응관의 내부로 상기 시료가 수용된 상기 보트가 제공되어 상기 수은이 추출될 수 있다.

본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 건조 및 열분해부는 상기 열분해를 위하여 열을 제공하는 하나 또는 그 이상의 할로겐 램프 또는 니크롬선을 포함할 수 있다. 또한, 상기 아말감 형성부는 상기 아말감화 및 상기 기상화를 위하여 열을 제공하는 하나 또는 그 이상의 할로겐 램프 또는 니크롬선을 포함할 수 있다.

본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 아말감 부재는 복수의 금 호일들을 각각 말아서 형성한 복수의 금 세선들을 서로 꼬아서 이루어질 수 있다.

본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 보트는 석영 또는 니켈로 구성될 수 있다.

이상에서와 같이 본 발명의 총수은측정장치에 의하면, 할로겐 램프들을 이용하여 시료 내에 포함된 수은을 추출하므로, 빠른 가열과 빠른 냉각을 제공할 수 있고, 이에 따라 가열 및 냉각 시간이 길어져서 발생할 수 있는 원하지 않는 반응을 방지할 수 있으며, 시료의 총수은 함량을 보다 신속하고 정밀하게 측정할 수 있다

또한, 할로겐 램프들은, 제공되는 전력의 제어에 따라 발광량 및 이에 따른 발열량을 제어되므로, 본 발명의 총수은측정장치는 온도 제어가 매우 용이하며, 또한 원하는 가열 온도를 효율적이고 정밀하게 변화시킬 수 있고, 예를 들어 디지털 방식의 온도 제어를 제공할 수 있다. 또한, 할로겐 램프들은, 고장 시에 단지 램프를 교체하면 되므로 유지 및 관리가 편리한 장점을 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 총수은측정장치를 나타내는 개념도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 총수은측정장치를 나타내는 개념도이다.
도 3은 도 2의 할로겐 램프들의 배치 상태를 도시하는 개념도이다.
도 4는 도 1의 아말감 부재를 나타내는 사진이다.
도 5는 도 4의 아말감 부재를 형성하는 방법을 도시하는 개념도이다.
도 6은 본 발명에 따른 아말감 부재들을 이용하여 총수은 함량을 측정함으로써 얻은 보정 인수를 비교예의 경우와 비교한 표이다.
도 7은 본 발명에 따른 아말감 부재들을 이용하여 총수은 함량을 측정함으로써 얻은 수은 농도에 따른 측정 강도를 비교예의 경우와 비교한 그래프이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다. 도면에 도시된 요소들은 설명의 편의 및 명확성을 위하여 제시되는 것이며, 본 기술분야에 의한 변형 및 수정이 예상될 수 있다. 본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 또한, "및/또는"은 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.

수은측정방법은 여러 가지가 있으며, 예를 들어 자외선 분광법(UV Spectrophotometry), 벗김 전류전압법(Anodic Stripping Volametry), 동위원소 희석 및 유도플라즈마 질량분석법(Isotope Dilution/ICP-MS), 냉증기 원자형광분광법(Cold Vapor Atomic Fluorescence Spectrophotometry, CVAFS), 냉증기 원자흡광 분광법(Cold Vapor Atomic Absorption Spectrophotometry, CVAAS), 및 열분해 금아말감법을 이용한 직접 원자 형광법 등이 있다. 이중에서, 본 발명은 열분해 금아말감법을 이용한 직접 원자 형광법과 관련된다.

열분해 금아말감법을 이용한 직접 원자 형광법은 1 ppt 이상 1000 ppb 사이의 넓은 분석 범위를 가지고 있고, 액상 및 고상 시료의 측정에 모두 적용 가능하고, 화학 약품을 사용하는 전처리가 없으며, 다른 방법에 비하여 상대적으로 간단하며, 빠른 분석이 가능하면, 따라서, 환경, 식품, 의약품 등의 넓은 범위의 오염 관리에 적합한 장점이 있다.

수은은 무기 수은 혹은 유기 수은 등의 여러 가지 화학적 형태로 존재하고 있으며, 무기 수은과 유기 수은을 합계한 수은량을 총수은이라고 한다. 이하에서, 수은으로 지칭되는 용어들은 총수은을 함께 의미할 수 있음을 이해할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 총수은측정장치(1)를 나타내는 개념도이다.

도 1을 참조하면, 총수은측정장치(1)는 샘플러부(10), 열처리부(20), 및 광학 측정부(30)를 포함한다.

샘플러부(10)는 하나 또는 그 이상의 보트(12)를 포함하고, 열처리부(20)에 보트(12)를 제공한다. 보트(12)는 도 1에 도시된 실선 화살표를 따라서 샘플러부(10)에서 열처리부(20)로 이송되거나 또는 그 반대로 이송될 수 있다.

샘플러부(10)는 보트 수용부(14), 이송부재(16), 및 게이트(18)를 포함할 수 있다. 보트 수용부(14)는 하나 또는 그 이상의 보트들(12)을 수용할 수 있다. 이송부재(16)는 열처리부(20)에 검사하려는 시료를 제공하도록 상기 시료를 수용하는 보트(12)를 보트 수용부(14)로부터 열처리부(20)로 이송시킬 수 있다. 게이트(18)는 샘플러부(10)와 열처리부(20) 사이에 위치할 수 있다. 보트(12)가 열처리부(20)에 제공된 후에, 게이트(18)가 샘플러부(10)와 열처리부(20)를 차단함으로써, 열처리부(20)로의 원하지 않는 물질이동을 차단할 수 있고, 외부 영향을 방지할 수 있다.

보트(12)는 검사하려는 시료가 수용되도록 그 내부가 오목한 구조를 가질 수 있다. 상기 시료는 액상 또는 고상일 수 있고, 예를 들어, 혈액, 생체 조직, 음식물, 음료수, 해수, 토양, 지하수 등일 수 있다. 보트(12)는, 예를 들어 1.0ml 내지 2.0ml의 용량을 가질 수 있고, 바람직하게는 약 1.5ml(±0.1ml)의 용량을 가질 수 있다. 또는 보트(12)는 0.3g 내지 0.7g의 용량을 가질 수 있고, 바람직하게는 0.5g(±0.1g)의 용량을 가질 수 있다.

보트(12)는 석영 또는 니켈로 구성될 수 있다. 그러나, 이는 예시적이며, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니다. 석영으로 구성된 보트(12)는 저농도의 수은, 예를 들어 0ng(나노 그램) 내지 20ng 범위의 수은을 포함하는 포함하는 액상 시료를 검사하기 위하여 사용될 수 있다. 니켈로 구성된 보트(12)는 고농도의 수은, 예를 들어 20ng 내지 100ng 의 범위의 수은을 포함하는 액상 시료 또는 고상 시료를 검사하기 위하여 사용될 수 있다. 이러한 보트(12)는 750℃ 이상의 온도에서 복수회 사용할 수 있는 열적 내구성을 가지는 것이 바람직하다.

열처리부(20)는 샘플러부(10)로부터 보트(12)를 제공받아, 보트(12) 내에 수용된 상기 시료를 열처리하여, 상기 시료 내의 수은을 추출한다. 열처리부(20)는 상기 시료로부터 수은을 추출하도록 구성된 건조 및 열분해부(22), 촉매 반응부(24), 및 아말감 형성부(26)을 포함할 수 있다. 이때 추출되는 수은은 무기 수은과 유기 수은을 모두 포함하는 총수은일 수 있다.

열처리부(20)는 상기 시료가 수용된 보트(12)가 인입되고, 상기 시료로부터 수은을 추출하기 위하여 사용되는 공간을 제공하는 반응관(21)을 포함할 수 있다. 반응관(21)은 건조 및 열분해부(22)로부터 촉매 반응부(24) 및 아말감 형성부(26)로 연장되도록 구성될 수 있고, 하나의 관으로 형성된 일체형일 수 있다. 반응관(21)은 유리, 강화 유리, 내열 유리, 파이렉스(PYREX) 유리, 또는 석영 등으로 형성될 수 있다.

열처리부(20)는 반응관(21) 내로 캐리어 가스를 공급하는 캐리어 가스 공급부(28)를 더 포함할 수 있다. 선택적으로 캐리어 가스 공급부(28)는 상기 캐리어 가스의 공급을 제어하는 밸브(29)를 더 포함할 수 있다. 상기 캐리어 가스는 도 1에 도시된 점선 화살표를 따라 이동할 수 있다. 즉, 상기 캐리어 가스는 건조 및 열분해부(22), 촉매 반응부(24), 및 아말감 형성부(26)를 순차적으로 통과하도록 유동하며, 상기 시료로부터 추출된 수은을 이송시키는 기능을 한다. 이후에, 상기 캐리어 가스는 광학 측정부(30)를 거친 후 가스 배출부(38)를 통하여 외부로 배출된다. 상기 캐리어 가스는 수은과 반응하지 않는 기체를 포함하는 것이 바람직하며, 예를 들어 공기, 산소, 질소, 및 불활성 기체 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 상기 캐리어 가스의 유동 압력은 약 2 Bar 내지 약 5 Bar의 범위일 수 있고, 바람직하게는 약 4 Bar (±0.5 Bar) 일 수 있다. 또한, 상기 캐리어 가스의 유량은 약 0.1 slpm 내지 약 0.5 slpm의 범위일 수 있고, 바람직하게는 약 0.2 slpm(±0.05 slpm) 일 수 있다.

이하에서는, 열처리부(20)의 구성 요소인 건조 및 열분해부(22), 촉매 반응부(24), 및 아말감부(26)에 대하여 상세하게 설명하기로 한다.

건조 및 열분해부(22)는 상기 시료를 가열하여 수분을 증발시켜 건조시키고 또한 열분해(thermal decomposition)한다. 건조 및 열분해부(22)는 다양한 가열 부재를 포함할 수 있다. 예를 들어, 건조 및 열분해부(22)는 반응관(21)의 외측에 권취된 니크롬선(22a)으로 구성된 가열 부재를 더 포함할 수 있다. 니크롬선(22a)은 인가된 전압에 대하여 저항 발열하여 건조 및 열분해부(22)의 온도를 상승시킬 수 있다. 그러나 이러한 니크롬선(22a)은 예시적이며, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 건조 및 열분해부(22)는 통상적인 퍼니스(furnace)로 구성된 가열 부재를 포함할 수 있다. 도시되지는 않았지만, 건조 및 열분해부(22)는 그 내부의 온도 손실을 방지하기 위하여 단열 부재를 더 포함할 수 있다.

상기 시료를 건조하기 위하여, 건조 및 열분해부(22)는 약 150℃ 내지 약 250℃ 범위의 온도로 유지될 수 있고, 바람직하게는 약 200℃(±10℃)의 온도일 수 있다. 건조 시간은 약 30초 내지 약 2분 범위일 수 있고, 바람직하게는 약 60초(±5초)일 수 있다. 상기 건조에 의하여, 상기 시료로부터 수증기 및 휘발성 불순물이 제거될 수 있다. 이러한 수증기 및 휘발성 불순물은 상기 캐리어 가스에 의하여 이송되어 가스 배출부(38)를 통하여 외부로 배출될 수 있다.

이어서, 상기 시료를 열분해하기 위하여, 건조 및 열분해부(22)는 약 600℃ 내지 약 800℃ 범위의 온도로 유지될 수 있고, 바람직하게는 약 750℃(±10℃)의 온도일 수 있다. 또한, 열분해 시간은 약 1분 내지 약 5분 범위일 수 있고, 바람직하게는 약 3분(±10초) 일 수 있다.

건조 및 열분해부(22)에서 열분해된 상기 시료는 기체 상태로 변환될 수 있고, 상기 시료는 상기 캐리어 가스에 의하여 촉매 반응부(24)로 이송된다. 상기 시료가 촉매 반응부(24)로 이송된 후, 후속의 시료의 건조 및 열분해를 위하여 건조 및 열분해부(22)의 온도는 상온으로 냉각되는 것이 바람직하다. 도시되지는 않았지만, 이러한 냉각을 위하여 건조 및 열분해부(22)는 냉각 팬이나 냉각 관과 같은 냉각 부재를 더 포함할 수 있다.

촉매 반응부(24)는 하나 또는 그 이상의 할로겐 램프들(24b) 및 촉매 부재(24c)를 포함한다. 또한, 도시되지는 않았지만, 촉매 반응부(24)는 그 내부의 온도 손실을 방지하기 위하여 단열 부재를 더 포함할 수 있다. 촉매 부재(24c)는 반응관(21) 내부를 충진하며. 수산화칼륨 등으로 구성될 수 있다. 또한, 촉매 부재(24c)는 상기 열분해되어 기체 상태로 변환된 상기 시료를 산화 및 환원 반응을 통하여 상기 시료 내에 포함된 수은의 원자화를 촉진시키고, 동시에 상기 시료 내에 포함된 불순물들, 예를 들어 질소산화물(NOx) 또는 황산화물(SOx)과 같은 불순물을 제거할 수 있다.

상기 캐리어 가스에 의하여 건조 및 열분해부(22)로부터 촉매 반응부(24)로 이송된 상기 시료는 촉매 부재(24c)로 인입된다. 이러한 이송과 함께, 촉매 반응부(24)는 상기 시료를 할로겐 램프들(24b)을 이용하여 급속하게 가열한다. 이어서, 촉매 부재(24c)를 이용하여 상기 열분해된 시료 내에 포함된 상기 수은을 활성화한다. 활성화된 상기 수은은 상기 캐리어 가스에 의하여 아말감 형성부(26)로 이송된다.

촉매 반응부(24) 내의 온도는 건조 및 열분해부(22)에 비하여 고온으로 유지되어야 하며, 예를 들어 약 600℃ 내지 약 800℃ 범위의 온도일 수 있고, 예를 들어 약 700℃ 내지 약 800℃ 범위의 온도일 수 있다. 바람직하게는, 약 750℃(±10℃)의 온도로 유지될 수 있다. 시간은 30초 내지 2분의 범위일 수 있고, 바람직하게는 약 60초(±5초)일 수 있다.

촉매 반응부(24)는 상기 시료가 반응하는 동안 균일한 온도로 유지될 필요가 있으며, 상온으로부터 원하는 온도까지 신속한 가열이 요구될 수 있다. 할로겐 램프들(24b)를 이용하여 가열하는 경우, 수 초 내지 수 십초 내에 상온(약 20℃)에서 약 750℃의 온도로 가열될 수 있다. 예를 들어, 1.1 kW의 할로겐 램프를 이용하여 가열한 경우에, 약 3초 내지 약 5초 동안 상온에서 약 750℃의 온도로 촉매 반응부(24)가 가열됨을 확인하였다. 참고로, 할로겐 램프들(24b)을 대신하여 저항 가열을 이용하는 장치를 이용하여 가열하는 경우에는, 예를 들어 통상적인 퍼니스를 이용하거나 또는 니크롬선을 이용하여 가열하는 경우에는 750℃에 도달하기 위하여 적어도 5분 이상의 가열 시간이 요구됨을 확인하였으며, 상기 가열 시 750℃ 이상으로 더 가열되거나 덜 가열되는 등의 온도 변동의 폭이 ±30℃ 내지 ±50℃로 크게 나타남을 확인하였다. 따라서, 종래의 저항 가열을 이용하는 장치는 온도 제어에 곤란함이 있다.

그러므로, 본 발명의 총수은측정장치(1)에 의하면, 할로겐 램프들(24b)을 이용하여 시료 내에 포함된 수은을 추출하므로, 빠른 가열과 빠른 냉각을 제공할 수 있고, 이에 따라 가열 및 냉각 시간이 길어져서 발생할 수 있는 원하지 않는 반응을 방지할 수 있으며, 시료의 총수은 함량을 보다 신속하고 정밀하게 측정할 수 있다

또한, 할로겐 램프들(24b)은, 인가되는 전력의 제어에 따라 발광량 및 이에 따른 발열량을 제어되므로, 본 발명의 총수은측정장치(1)는 온도 제어가 매우 용이하며, 또한 원하는 가열 온도를 효율적이고 정밀하게 변화시킬 수 있고, 예를 들어 디지털 방식의 온도 제어를 제공할 수 있다. 또한, 할로겐 램프들(24b)은, 고장 시에 단지 램프를 교체하면 되므로 유지 및 관리가 편리한 장점을 제공할 수 있다.

아말감 형성부(26)는 아말감 부재(26c)를 포함하고, 아말감 부재(26c)를 이용하여 촉매 반응부(24)에서 활성화되어 이송된 상기 수은을 아말감화하여 포집한다. 이어서 아말감 형성부(26)는 포집된 상기 수은을 다시 기상화하여 상기 캐리어 가스를 이용하여 광학 측정부(30)로 이송한다. 아말감 형성부(26)에서 상기 수은의 포집은 저온, 예를 들어 약 20℃ 내지 약 120℃ 범위의 온도에서 수행되고, 상기 수은의 기상화는 고온, 예를 들어 약 600℃ 내지 약 900℃ 범위의 온도에서 수행된다.

아말감 형성부(26) 내의 반응관(21)은 건조 및 열분해부(22) 또는 촉매 반응부(24) 내에 위치하는 반응관(21)에 비하여 작은 직경을 가질 수 있고, 예를 들어 약 3 mm 내지 약 1 cm 이하의 직경을 가질 수 있고, 예를 들어 약 5 mm(±1mm)의 직경을 가질 수 있다.

아말감 부재(26c)는 신속하게 수은을 포집하고 또한 방출하는 기능을 수행한다. 따라서, 아말감 부재(26c)는 수은과 아말감을 형성할 수 있는 물질을 포함할 수 있고, 예를 들어 금(Au), 은(Ag), 주석(Sn), 구리(Cu), 아연(Zn), 또는 이들의 합금을 포함할 수 있다. 수은과의 아말감 형성을 효과적으로 하기 위하여, 아말감 부재(26c)는 단위 부피 단 (또는 단위 무게 당) 표면적이 큰 것이 바람직하다. 이러한 아말감 부재(26c)에 대하여는 하기에 도 4 및 도 5를 참조하여 상세하게 설명하기로 한다.

또한, 아말감 형성부(26)는 다양한 가열 부재를 포함할 수 있다. 예를 들어, 아말감 형성부(26)는 반응관(21)의 외측에 권취된 니크롬선(26a)으로 구성된 가열 부재를 더 포함할 수 있다. 니크롬선(26a)은 인가된 전압에 대하여 저항 발열하여 아말감 형성부(26)의 온도를 상승시킬 수 있다. 그러나 이러한 니크롬선(26a)은 예시적이며, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 아말감 형성부(26)는 통상적인 퍼니스로 구성된 가열 부재를 포함할 수 있다. 도시되지는 않았지만, 아말감 형성부(26)는 그 내부의 온도 손실을 방지하기 위하여 단열 부재를 더 포함할 수 있다.

아말감 부재(26c)가 상기 수은을 아말감화하여 포집하기 위하여, 아말감 형성부(26)는 상온(예를 들어 약 20℃) 내지 약 120℃ 범위의 온도로 유지될 수 있다. 아말감 부재(26c)에 포집된 상기 수은을 다시 기상화하기 위하여, 아말감 형성부(26)는 약 600℃ 내지 약 900℃ 범위의 온도로 유지될 수 있고, 바람직하게는 약 800℃(±10℃)의 온도일 수 있다. 이러한 기상화 시간은 약 1분 이내일 수 있고, 예를 들어 약 8초 내지 15초의 범위일 수 있고, 바람직하게는 10초(±1초)일 수 있다.

광학 측정부(30)는 열처리부(20)에서 상기 시료로부터 추출된 상기 총수은의 양을 광학을 이용하여 측정한다. 광학 측정부(30)는 균일하게 유동하는 캐리어 가스 내에 포함된 상기 수은의 양을 측정하며, 단일빔 분광광도계(single beam spectrophotometer)로 구성될 수 있다. 상기 측정된 수은의 양은 총수은의 양일 수 있다.

광학 측정부(30)는 열처리부(20)로부터 추출된 상기 수은을 수용하는 수은 경로부(32), 상기 수은의 양을 측정하기 위한 광을 제공하는 광원부(34), 및 상기 수은의 양을 측정하기 위하여 수은 경로부(32)를 통과한 광을 검출하는 광검출부(36)를 포함한다. 광원부(34)에서 제공된 광은 수은 경로부(32)를 통과하면서 상기 수은에 의하여 흡수되거나 및/또는 방출되며, 이에 따라 파장 및/또는 강도가 변하게 된다. 이와 같은 광의 파장 및/또는 강도의 변화를 광검출부(36)에서 측정함으로써, 수은 경로부(32) 내의 수은의 양을 측정할 수 있다. 상기 수은의 측정은 광을 이용하므로, 외부광이 차단될 필요가 있으며, 이에 따라 수은 경로부(32), 광원부(34), 및 광검출부(36)는 외부광을 차단할 수 있는 케이스(39) 내에 수용될 수 있다.

수은 경로부(32)는 하나 또는 그 이상의 경로관(32a)을 포함할 수 있고, 열처리부(20)로부터 추출된 상기 수은은 상기 캐리어 가스에 의하여 이송되어 경로관(32a)로 인입되며, 이어서 경로관(32a)의 일단부에 위치한 가스 배출부(38)를 통하여 외부로 배출된다. 경로관(32a)은 투명한 물질로 형성되며, 예를 들어 유리, 강화 유리, 내열 유리, 파이렉스(PYREX) 유리, 또는 석영 등으로 형성될 수 있다. 상술한 바와 같이, 경로관(32a)은 케이스(39) 내에 수용될 수 있고, 이에 따라 외부광으로부터 차단될 수 있다.

경로관(32a)은 다수의 구분된 영역을 포함하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 경로관(32a)은 장경로 셀(long cell, 32a1), 지연 셀(delay cell, 32a2) 및 단경로 셀(short cell, 32a3)을 포함하도록 구성될 수 있다. 장경로 셀(32a1)과 단경로 셀(32a3)은 서로 다른 광경로 길이를 가지며, 예를 들어 장경로 셀(32a1)은 상기 단경로 셀(32a3)에 비하여 긴 광경로 길이를 가진다. Beer-Lambert Law에 의하여, 수은에 의한 흡광도는 광경로의 길이에 따라서 달라진다. 예를 들어 고농도의 수은은 높은 흡광도를 가지며, 이는 장경로 셀(32a1)에 의하여 측정될 수 있다. 반면, 저농도의 수은은 낮은 흡광도를 가지며, 이는 단경로 셀(32a3)에 의하여 측정될 수 있다. 장경로 셀(32a1)과 단경로 셀(32a3) 사이에는 지연 셀(32a2)이 위치한다. 상기 수은은 장경로 셀(32a1)에서 측정된 후, 지연 셀(32a2)을 통과하고 이어서 단경로 셀(32a3)에서 측정된다. 따라서, 상기 수은이 지연 셀(32a2)을 통과하는 동안 측정 지연 시간을 가질 수 있고, 장경로 셀(32a1)에서 측정된 신호는 단경로 셀(32a3)에서 측정된 신호로부터 구분될 수 있다.

수은 경로부(32)는 약 100℃ 내지 약 150℃ 범위의 온도로 유지될 수 있고, 바람직하게는 약 120℃(±10℃)의 온도로 유지될 수 있다. 또한, 수은의 측정을 위하여 광학 측정 방식을 사용하므로, 외부의 광을 차단하여야 하므로, 광을 발생시키지 않고 열을 방출할 수 있는 가열 부재, 예를 들어 세라믹 가열 부재를 사용하여 상기 온도를 유지시킬 수 있다.

광원부(34)는 광원(34a)과 셔터(34b)를 포함할 수 있다. 광원(34a)은 수은이 흡수하기 용이한 파장을 가지는 광을 제공할 수 있고, 예를 들어 250 nm 내지 260 nm 범위의 파장을 가지는 광을 제공할 수 있고, 바람직하게는 253.65 nm의 파장을 가지는 광을 제공할 수 있다. 광원(34a)은, 예를 들어, 수은 램프, 발광다이오드(LED) 등으로 구성될 수 있다. 셔터(34b)는 10 msec 내지 100 msec의 셔터 속도를 가질 수 있다.

광검출부(36)는 광센서(36a) 및 간섭 필터(36b, interference filter)를 포함한다. 광센서(36a)는 실리콘 자외선 광센서(silicon UV photosensor)일 수 있다. 간섭 필터(36b)는 254 nm의 파장에 상응하도록 구성되고, 9 nm 밴드폭을 가질 수 있다. 또한, 도시되지는 않았지만, 광검출부(36)는 증폭기(amplifier), A/V 변환기(analog/digital converter), 및 카운터(counter) 등을 더 포함할 수 있다.

도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 총수은측정장치(1a)를 나타내는 개념도이다. 본 실시예의 간결하고 명확한 설명을 위하여, 상술한 실시예와 중복되는 부분의 설명은 생략하기로 한다.

도 2를 참조하면, 총수은측정장치(1a)의 건조 및 열분해부(22)는 도 1의 니크롬선(22a)을 대신하여 하나 또는 그 이상의 할로겐 램프들(22b)을 포함한다. 또한, 아말감 형성부(26)는 도 1의 니크롬선(26a)을 대신하여 하나 또는 그 이상의 할로겐 램프들(26b)을 포함한다. 이에 따라, 건조 및 열분해부(22) 및 아말감 형성부(26)는 할로겐 램프들(22b, 26b)에 의하여, 빠른 가열과 빠른 냉각을 제공할 수 있다. 또한, 할로겐 램프들(22b, 26b)은, 인가되는 전력의 제어에 따라 발광량 및 이에 따른 발열량을 제어되므로, 온도 제어가 매우 용이하며, 또한 원하는 가열 온도를 효율적이고 정밀하게 변화시킬 수 있고, 예를 들어 디지털 방식의 온도 제어를 제공할 수 있다. 또한, 할로겐 램프들(22b, 26b)은, 고장 시에 단지 램프를 교체하면 되므로 유지 및 관리가 편리한 장점을 제공할 수 있다.

또한, 본 기술분야의 당업자는 건조 및 열분해부(22) 및 아말감 형성부(26) 중 어느 하나에만 할로겐 램프를 사용하는 실시예들도 본 발명의 기술적 사상에 포함됨을 이해할 수 있다.

도 3은 도 2의 할로겐 램프들(22b, 24b, 26b)의 배치 상태를 도시하는 개념도이다.

건조 및 열분해부(22), 촉매 반응부(24), 및 아말감 형성부(26)는 각각 환형 고정부재(22d, 24d, 26d)를 포함할 수 있다. 환형 고정부재(22d, 24d, 26d)의 내측에는 반응관(21)이 위치할 수 있다. 환형 고정부재(22d, 24d, 26d)에는 각각 복수의 할로겐 램프들(22b, 24b, 26b)이 위치한다. 할로겐 램프들(22b, 24b, 26b)은 반응관(21)의 주위를 둘러싸도록 위치한다. 그러나, 이러한 할로겐 램프들(22b, 24b, 26b)의 위치는 예시적이며, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니다.

도 4는 도 1의 아말감 부재(26c)를 나타내는 사진이다.

도 4를 참조하면, 상측으로부터 0.4g, 0.3g 및 0.5g의 무게를 가지는 아말감 부재(26c)가 도시되어 있다. 아말감 부재(26c)는 순금일 수 있고, 예를 들어 약 99% 또는 그 이상의 순도를 가지는 순금으로 구성될 수 있고, 복수의 금 세선들이 서로 꼬아서 이루어질 수 있으며, 반응관(21) 내에 충진된다.

도 5는 도 4의 아말감 부재(26c)를 형성하는 방법을 도시하는 개념도이다.

먼저, 복수의 금 호일(26c1)을 준비한다. 금 호일(26c1)은 순금일 수 있고, 예를 들어 약 99% 또는 그 이상의 순도를 가지는 금일 수 있다. 금 호일(26c1)의 두께는, 예를 들어 약 0.005 mm 내지 약 0.02 mm 범위일 수 있고, 예를 들어 약 0.01 mm 일수 있다. 이어서, 금 호일(26c1)을 말아서 금 세선(26c2)을 형성한다. 이어서, 금 세선(26c2)을 서로 꼬아서, 아말감 부재(26c)를 형성한다. 이에 따라 단위 부피 당 (또는 단위 무게 당) 넓은 표면적을 가지는 아말감 부재(26c)를 형성할 수 있다. 또한, 반도체 기술 분야에 통상적으로 사용되는 본딩 와이어를 이용하여 아말감 부재(26c)를 형성할 수 있다.

도 6은 본 발명에 따른 아말감 부재들을 이용하여 수은 함량을 측정함으로써 얻은 보정 인수를 비교예의 경우와 비교한 표이다. 도 7은 본 발명에 따른 아말감 부재들을 이용하여 수은 함량을 측정함으로써 얻은 수은 농도에 따른 측정 강도를 비교예의 경우와 비교한 그래프이다.

본 실험에 사용한 본 발명에 따른 아말감 부재의 금함량은 0.3g, 0.4g, 및 0.5g이었다. 비교예는 CETAC 사로부터 상업적으로 이용가능한 아말감 기구를 선택하였다. 동일 농도 구간 (14.1, 26.7, 48.6, 102.7, 203.2 ppt)의 수은 표준용액을 환원 기화시킨 후, 본 발명의 아말감 부재들 및 비교예의 아말감 기구에 수은을 포집시킨 후, 다시 가열하여 상기 수은을 기상화하여 형광광도계를 이용하여 측정하였다.

도 6을 참조하면, 본 발명에 따른 아말감 부재들과 비교예의 수은 농도에 따른 측정값을 상기 수은 농도로 나누어 정규화한 값들로부터 구한 보정 인수들(calibration factor, CF)을 표시한다. 즉, 상기 보정 인수들은 상기 정규화한 값의 표준 편차를 상기 정규화한 값의 평균으로 나눈 값이다. 이러한 보정 인수의 값이 낮을수록 직선성(linearity)이 우수함을 의미하고 이에 따라 수은 아말감의 형성이 더 용이함을 의미한다. 본 발명에 따른 아말감 부재들의 보정 인수들은 0.3g의 금 함량에서 1.0, 0.4g의 금 함량에서 2.4, 0.5g의 금 함량에서 4.0으로 나타났으며, 비교예의 보정 인수는 7.3을 나타내었다. 본 발명에 따른 아말감 부재들이 비교예에 비하여 더 우수한 직선성을 나타내었다. 그러므로, 본 발명에 따른 아말감 부재들은 종래 기술에 비하여 더 정밀한 총수은 측정을 제공할 수 있다.

도 7을 참조하면, 수은 농도에 대한 측정 강도의 기울기는 0.3g의 금 함량에서 246, 0.4g의 금 함량에서 354, 0.5g의 금 함량에서 358로 나타났으며, 비교예의 기울기는 284를 나타내었다. 따라서, 0.4g 및 0.5g의 금 함량에서 비교예보다 큰 기울기를 나타내었고, 이는 더 우수한 감도를 가짐을 의미한다. 그러므로, 본 발명에 따른 아말감 부재들은 종래 기술에 비하여 더 정밀한 총수은 측정을 제공할 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명이 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다. 따라서, 본 발명에서 권리를 청구하는 범위는 상세한 설명의 범위 내로 정해지는 것이 아니라 후술되는 청구범위와 이의 기술적 사상에 의해 한정될 것이다.

1, 1a: 총수은측정장치, 10: 샘플러부, 12: 보트, 14: 보트 수용부,
16: 이송부재, 18: 게이트, 20: 열처리부, 21: 반응관,
22: 건조 및 열분해부, 22a: 니크롬선, 22b: 할로겐 램프,
22d: 환형 고정부재, 24: 촉매 반응부, 24b: 할로겐 램프,
24c: 촉매 부재, 24d: 환형 고정부재, 26: 아말감 형성부, 26a: 니크롬선,
26b: 할로겐 램프, 26c: 아말감 부재, 26c1: 금 호일, 26c2: 금 세선,
26d: 환형 고정부재, 28: 캐리어 가스 공급부, 29: 밸브, 30: 광학 측정부,
32: 수은 경로부, 32a: 경로관, 32a1: 장경로 셀, 32a2: 지연 셀,
32a3: 단경로 셀, 34: 광원부, 34a: 광원, 34b: 셔터, 36: 광검출부,
36a: 광센서, 36b: 간섭 필터, 38: 가스 배출부, 39: 케이스

Claims

시료를 수용하는 하나 또는 그 이상의 보트들을 포함하는 샘플러부;
상기 샘플러부로부터 상기 보트를 제공받아, 상기 보트 내에 수용된 상기 시료를 열처리하여, 상기 시료 내의 수은을 추출하는 열처리부; 및
상기 열처리부에서 추출된 상기 수은의 양을 광학을 이용하여 측정하는 광학 측정부;
를 포함하고,
상기 열처리부는,
상기 시료를 가열하여 수분을 증발시킨 후 열분해(thermal decomposition)하는 건조 및 열분해부;
하나 또는 그 이상의 할로겐 램프를 이용하여 상기 열분해된 시료를 급속하게 가열하고, 촉매를 이용하여 상기 열분해된 시료 내에 포함된 상기 수은을 활성화하는 촉매 반응부; 및
아말감 부재를 포함하고, 상기 아말감 부재를 이용하여 활성화된 상기 수은을 아말감화하여 포집하고, 아말감화되어 포집된 상기 수은을 다시 기상화하는 아말감 형성부;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 총수은측정장치.
제 1 항에 있어서, 상기 건조 및 열분해부, 상기 촉매 반응부 및 상기 아말감 형성부를 통하여 상기 수은을 이송시키는 캐리어 가스를 공급하는 캐리어 가스 공급부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 총수은측정장치.
제 1 항에 있어서, 상기 열처리부는 유리, 강화 유리, 내열 유리, 파이렉스(PYREX) 유리, 또는 석영으로 구성된 반응관을 포함하고,
상기 반응관의 내부로 상기 시료가 수용된 상기 보트가 제공되어 상기 수은이 추출되는 것을 특징으로 하는 총수은측정장치.
제 1 항에 있어서, 상기 건조 및 열분해부는 상기 열분해를 위하여 열을 제공하는 하나 또는 그 이상의 할로겐 램프 또는 니크롬선을 포함하는 것을 특징으로 하는 총수은측정장치.
제 1 항에 있어서, 상기 아말감 형성부는 상기 아말감화 및 상기 기상화를 위하여 열을 제공하는 하나 또는 그 이상의 할로겐 램프 또는 니크롬선을 포함하는 것을 특징으로 하는 총수은측정장치.
제 1 항에 있어서, 상기 아말감 부재는 복수의 금 호일들을 각각 말아서 형성한 복수의 금 세선들을 서로 꼬아서 이루어지는 것을 특징으로 하는 총수은측정장치.
제 1 항에 있어서, 상기 보트는 석영 또는 니켈로 구성된 것을 특징으로 하는 총수은측정장치.