KR101156668B1

KR101156668B1 - 가스 유량 제어에 따라 액상 시료 운송이 가능한 글로우 방전 장치

Info

Publication number: KR101156668B1
Application number: KR1020100093533A
Authority: KR
Inventors: 심창현; 김종환; 이수형; 신우진
Original assignee: 주식회사 케이엔알
Priority date: 2010-09-28
Filing date: 2010-09-28
Publication date: 2012-06-15
Also published as: KR20120032097A

Abstract

본 발명은 가스 유량 조절에 의한 액상 시료 이송이 가능한 글로우 방전 장치에 관한 것이고, 더욱 상세하게는 액상 시료를 글로우 방전 반응기에 이송 및 주입함에 있어서 가스 유량 제어를 이용하여 시료 맥동을 제거할 수 있는 글로우 방전 장치에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 전해액 액상 시료 산도 (pH)를 자동으로 조절할 수 있는 산도 자동 조절 장치가 부가되어 글로우 방전 장치의 온라인 처리를 가능하게 한다.

Description

가스 유량 제어에 따라 액상 시료 운송이 가능한 글로우 방전 장치{A GLOW DISCHARGE EMPLOYING GAS CONTROLMENT FOR TRANSFERRING LIQUID SAMPLE}

액상 시료에 함유된 중금속을 측정하는 다양한 기술로는 AAS, ICP, 및 글로우 방전(Glow-Discharge, 이하 GD) 등의 방법이 있다. 이중 AAS 및 ICP 방법은 전처리 과정이 복잡하며, 온라인 자동분석을 하기가 어렵다는 단점이 있다. 이에 반하여, GD는 액상 시료에 존재하는 중금속을 분석하는 방법으로, 액상 시료에 산을 첨가하여 일정한 pH의 전해질 용액을 만들어 고전압이 인가될 때 발생하는 플라즈마(plasma)를 측정하는 기술이다. 구체적으로는, 플라즈마 형성으로 발생하는 강한 에너지로 인하여 중금속은 여기(excitation) 후 다시 평형상태로 에너지 준위가 떨어질 때, 방출하는 빛을 통해 액상 시료에 포함된 중금속을 정량 및 정성하는 기술이다.

대한민국 등록특허공보 제0156628 및 공개공보 제2003-0064069호에는 상기 글로우 방전을 이용한 분석 장치가 개략적으로 기술되어 있고, 특히, 미국특허 US6,852,969호는 반응기가 대기압에서 작동되는 글로우 방전장치에 대하여 기술되어 있다. 도 1을 참조하여 글로우 방전장치 작동을 요약하면 다음과 같다.

흐르는 액상 시료를 모세관을 통하여 반응기(Cathode Vessel)로 일정량을 주입하고, 상기 시료가 반응기 위로 넘쳐흐를 때 음극성을 갖도록 하고, 그 위로 수 mm 간극 간격으로 떨어져있는 끝이 날카로운 금속에 양극이 흐르게 함에 있어, 상기 액상의 음극과 금속의 양극 사이에 1000V 정도의 전압을 가해주면 글로우 방전이 일어나게 되고, 이러한 글로우 방전시에 시료에 함유되어 있는 각종 중금속의 다양한 파장의 빛이 포함되어 있어, 이 빛이 분광기(Polychromator 또는 Monochromator)를 통하여 분석한다. 즉, 액상 시료를 pH 1-2에 맞추어 놓은 상태에서 음극 스퍼터링 (Cathodic Sputtering)에 의해서 시료 속에 존재한 중금속 이온이 튀어져 나오게 되고, 이 금속 이온은 전자와 충돌, 결합하여 중성인 상태가 되고, 다시 다른 전자와 충돌하여 여기상태로 된다. 이러한 상태에서 다시금 바닥상태(평행상태)로 될 때 광자가 나오게 되며, 이 광자는 중금속마다 고유의 파장을 가진 상태로 나오게 되므로 이 파장의 위치와 높이 또는 면적 등을 계산하게 되면 그 중금속의 종류와 농도를 알 수 있게 되는 것이다.

현재 상업적으로 판매되고, 또한 상기 인용 특허문헌들에서 기술된 글로우 방전장치에 있어서, 액상 시료를 반응기 (대기압 하에 작동하는 장치에서의 반응기 포함)에 이송, 주입하는 기구로는 통상 정량이 가능한 연동펌프 (HPLC 펌프 등)를 이용한다. 그러나 액상 시료가 반응기에 주입되는 유량이 0.5ml/분~10ml/분으로 매우 낮아 이를 정밀하게 조절하기 위해서는 고가의 정량펌프가 필요할 뿐 아니라, 고가의 정밀펌프 또한 펌프동작 시 발생하는 시료의 맥동은 완벽히 제거할 수 없다. 이러한 시료 맥동의 문제점을 해소하기 위하여 댐퍼(damper, 예를들면 라인을 연장시키거나 내경이 작은 라인을 사용하여 펌프의 맥동을 최소화)를 사용하기도 한다. 하지만, damper의 사용으로 인해 시료가 통과하는 라인이 길어지게 되어, 오염, 장기간 사용 시 라인 막힘 등의 문제점이 있었다.

또한, 글로우 방전 액상 시료는 pH가 일정하게 전처리 되어야 하나, 현재까지 글로우 방전의 온라인 처리에 의한 자동화 지연 원인으로는 전처리 과정에서 필요한 pH 조절을 위한 방법이 적절하지 않았기 때문이다. 즉, 증류수의 pH는 일정하기 때문에 산 첨가량이 일정할 수 있으나, 예를들면 피분석 대상인 하천수의 경우 pH가 제각각이기 때문에 일정한 산을 첨가하여도 pH를 조절할 수 없으므로, 글로우 방전장치의 온라인 자동화에 장애가 되었다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하고자 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 가스 유량 조절에 의한 액상 시료 운송이 가능한 글로우 방전 장치를 제안하는 것이다. 즉, 시료 맥동의 원인이 되는 펌프를 배제시키고, 시료가 유입되는 용기에 가스를 주입하여 가스 압력에 의해 용기 내에 포함된 시료를 반응기로 이송, 주입하는 글로우 방전장치를 제공하는 것이다. 본 발명의 다른 목적은, 상기 시료 유입 용기에 산도 측정기를 장착하여 연속하여 용기 내 pH를 측정하여 용기 내로 투입되는 산을 자동으로 제어할 수 있는 산도 자동 조절 장치가 부가된 글로우 방전 장치를 제공하는 것이다. 이에 따라 글로우 방전장치의 온라인-처리를 통한 자동화가 가능하다.

본 발명은 액상 시료를 반응기로 주입함에 있어서, 고가의 정량펌프의 사용을 배제할 수 있으며, 펌프 사용에 따른 맥동을 근원적으로 제거하여 정확한 분석이 가능하다. 또한, pH를 밀폐시료용기 내부에서 자동으로 전처리가 가능하여 글로우 방전장치의 온라인 처리에 의해 무인 자동화가 실현될 수 있다.

이하, 본 발명을 첨부된 도면에 의하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 종래 글로우 방전 시스템 개락도이다.
도 2는 본 발명이 적용된 글로우 방전 시스템 개략도이다.

글로우 방전장치 (100)은 글로우 방전을 유도하기 위한 고전압발생기 (104), 전해질 시료가 유입되고 방전이 발생되는 반응기(101), 상기 반응기 내부로 전해질 시료를 모세관을 통하여 주입하기 위한 밀폐시료용기 (102), 글로우 방전에 따라 시료 중 중금속 분석을 위하여 반응기에 인접하게 배치되는 검출기를 포함한 분광기 (103), 및 이들 각 단위를 제어하는 마이크로프로세서 유닛 (MCU, 107)로 구성된다. 상기 밀폐 시료용기에는 3개의 유입단 및 1개의 유출단이 포함되며, 각각의 단에는 연결라인 및 모세관이 연통된다. 구체적으로는, 시료 유입단, 산 유입단 및 가스 유입단이 각각 ST 밸브, 산 용기 (105) 및 가스용기 (130)와 라인들에 의해 연통된다. 또한, 전해질 시료는 유출단 모세관을 통하여 반응기 (101)로 주입된다. 전해질 시료는 밀폐시료용기 (102) 내부에서 시료 유입단을 통해 유입된 시료 및 산 유입단을 통하여 유입된 산이 혼합되어 적절한 pH의 시료가 형성되어, 가스 유입단을 통하여 유입되는 가스 압력에 의해 유출단 모세관을 통해 반응기 (101)로 주입된다. 이러한 구성으로 종래 정량펌프에 의해 직접 반응기로 시료를 주입함으로써 발생되었던 시료 맥동의 문제가 해결될 수 있으며, 추가적인 댐퍼 요소가 불필요하게 된다. 이와 같이 밀폐시료용기 (102) 내의 전해질 시료를 압력에 의해 이송시키는 가스가 포함되는 가스용기 (130)는 에어 봄베 또는 압축기일 수 있으나, 이에 국한되지 않고 불활성 가스용기가 적용될 수 있으며, 가스용기로부터 가스 유입 여부는, 도시된 바와 같이, MCU (107)에 의해 제어되는 니들 밸브 (131)에 의해 조절될 수 있다. 도 2에 의하면, 3개의 유입단에는 연결라인들이 밀폐시료용기 (102) 내부로 연장되지 아니한 것으로 도시되나, 이는 예시적인 것이며, 연결라인들이 밀폐시료용기 내부 전해질 시료와 접촉되지 않는 한, 밀폐용기내부로 연장될 수 있음은 물론이다. 이와는 반대로 유출단 모세관 및 이하 기술되는 산도측정기 검출부는 밀폐용기 하부까지 연장되어, 각각 이를 통하여 소정의 목적이 달성될 수 있다. 다시 언급하면, 유출단 모세관은 전해질 시료 내부에 담겨져 전해질 시료 표면 상부에서 주입되는 가스 압력에 의해 모세관을 통하여 시료가 반응기로 이송, 주입되는 것이다.

도 2를 참조하면, 시료는 예를들면 ST 밸브에 의해 밀폐시료용기(102)로 유입되는 것으로 도시되나, 이에 국한하지 않고 시료는 정량펌프 (110)에 의해 솔레노이드 밸브 (120)을 통하여 직접 밀폐시료용기 (102)에 유입될 수 있다. 물론, 밀폐시료용기로 유입되기 전, 상기된 바와 같이 MCU (107)에 의해 솔레노이드 밸브가 작동되어 유입 여부를 제어할 수 있다. 공지된 바와 같이 ST 밸브는 제어부의 전기적 신호에 의한 회전수단(미도시)에 의하여 상단이 회전되면서 유로를 변경할 수 있는 장치이며, 이러한 ST 밸브의 구성, 기능, 작동 및 시퀀스 제어는 일반적이 사항이다. 한편, 산 용기 (105)에는 밀폐시료용기 (102) 내부에서 전해질 시료 pH를 1-2로 유지할 수 있는 산, 바람직하게는 질산이 포함되어 정량펌프 (110)에 의해, MCU(107)에 의해 제어되는 솔레노이드 밸브 (120)을 통하여 밀폐시료용기 (102)에 유입될 수 있다. 바람직하게는 밀폐시료용기 (102)에는 추가적인 연통단이 존재하며, 이를 통하여 산도측정기 (106) 검출구가 연장된다. 산도측정기 (106)로부터 검출되는 밀폐시료용기 (102) 내부의 산도는 연속하여 MCU (107)에서 확인되고, 필요에 따라, 즉 일정한 pH를 유지하기 위하여 산 용기 (105)에 인접한 솔레노이드 밸브를 제어하거나, 밀폐시료용기 (102) 일측에 구성된 벤트구 인접한 솔레노이드 밸브 (120)를 조절할 수 있다.

본 발명에 따른 글로우 방전장치 작동을 설명한다. 예로써 자연 하천수 시료에 포함된 중금속 정량 및 정성 분석을 예시하지만, 이에 한정되는 것은 아니다.

먼저, 자연 하천수 시료는 ST 밸브를 통하여 또는 직접 정량펌프 (110)의 작동에 의해 라인을 거쳐 밀폐시료용기 (102)에 유입된다. 상기된 바와 같이, 적정한 시료 분석을 위하여 전해질 시료는 pH 1-2를 유지하여야 하므로, 산 용기 (105) 내부에 보관된 산 용액은 정량펌프 (110) 작동에 따라 개방된 솔레노이드 밸브 (120)를 통하여 밀폐시료용기 (102)에 유입된다. 이때, 산도측정기 (106)에 의해 전해질 시료의 산도가 결정되고, 소망하는 산도에 이르지 못하는 경우 여러 옵션이 선택될 수 있다. 시료 유입단에 인접한 솔레노이드 밸브를 조절하여 시료 유입을 일시적으로 중지시키거나, 산 유입단에 인접한 솔레노이드 밸브를 제어하여 산 유입량을 높이거나, 이러한 시료 및 산 용액 유입량 제어에 의해 원하는 pH를 유지하지 못하는 경우, 벤트구에 인접한 솔레노이드 밸브를 조절하여 원하는 않는 시료를 제거할 수 있다. MCU (107)에 의해 소망하는 pH 범위로 전해질 시료가 생성되며, 니들 밸브 (131)이 개방되어 에어 압축기에 있는 가스가 서서히 가스 유입단을 통하여 밀폐시료용기 (102) 내부로 유입된다. 유입 가스는 전해질 시료 표면을 압축하고 감소된 부피만큼의 전해질 시료는 유출단 모세관을 따라 반응기 (101)로 유입된다. 이러한 가스 유량 제어에 의한 전해질 시료의 반응기 주입에 의해 종래 맥동으로 인한 문제점이 해결될 수 있다. 모세관을 통하여 반응기로 일정량 시료가 주입되며, 1000V 정도의 전압이 고전압발생기 (104)에 의해 가해지면 반응기(101)에서 글로우 방전이 일어나게 되고, 이러한 글로우 방전시에 시료에 함유되어 있는 각종 중금속의 다양한 파장의 빛이 포함되어 있어, 이 빛이 분광기(103)를 통하여 분석된다.

Claims

글로우 방전을 유도하기 위한 고전압발생기 (104), 전해질 시료가 유입되고 방전이 발생되는 반응기(101), 글로우 방전에 따라 시료 중 중금속 분석을 위하여 반응기에 인접하게 배치되는 검출기를 포함한 분광기 (103), 및 이들 각 단위를 제어하는 마이크로프로세서 유닛 (MCU, 107)을 포함하는 글로우 방전장치 (100)에 있어서, 상기 반응기 내부로 전해질 시료를 모세관을 통하여 주입하기 위한 밀폐시료용기 (102)를 더욱 포함하며, 상기 밀폐 시료용기에는 3개의 유입단 및 1개의 유출단이 포함되고, 각각의 유입단에는 시료 유입 연결라인, 산 유입 연결라인 및 가스 유입 연결라인이 연통되어 구성되며, 상기 유출단에는 반응기 내부로 이어지는 모세관이 연통된 것을 특징으로 하는, 글로우 방전장치.
제1항에 있어서, 상기 시료 유입 연결라인, 산 유입 연결라인 및 가스 유입 연결라인은 각각 ST 밸브, 산 용기 (105) 및 가스용기 (130)와 연결되는 것을 특징으로 하는, 글로우 방전장치.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 가스 유입단을 통하여 유입되는 가스 압력에 의해 유출단 모세관을 통해 전해질 시료가 반응기 (101)로 주입되는 것을 특징으로 하는, 글로우 방전장치.
제2항에 있어서, 가스용기 (130)는 에어 봄베 또는 압축기인 것을 특징으로 하는, 글로우 방전장치.
제1항에 있어서, 밀폐시료용기 (102)에는 추가적인 연통단이 존재하며, 이를 통하여 산도측정기 (106) 검출구가 연장되는 것을 특징으로 하는, 글로우 방전장치.
제1항에 있어서, 밀폐시료용기 (102) 일측에는 벤트구가 더욱 구성되는 것을 특징으로 하는, 글로우 방전장치.