KR101159078B1 - 흡착제 및 마이크로웨이브를 이용하는 원소 수은 및 산화 수은의 농도 측정 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 수은 함유 분석 대상 물질 중 원소 수은(Hg(0))과 산화 수은(Hg(II))을 흡착제로 흡착하는 단계; 상기 흡착제를 비활성 분위기 기체하에서 마이크로웨이브를 조사하여 탈착된 원소 수은의 양을 측정하는 단계; 및 상기 흡착제를 환원성 분위기 기체하에서 마이크로웨이브를 조사하여 탈착된 산화 수은의 양을 측정하는 단계; 를 포함하는 수은 농도의 측정 방법에 관한 것이다. 본 발명에서 분위기 기체의 조절에 따라서 원소 수은 또는 산화 수은을 각각 구별하여 탈착이 가능하기 때문에 원소 수은 및 산화 수은의 각각 종별 농도 측정이 가능하게 된다.
Description
본 발명은 배출원 현장에서 발생되는 배가스내 존재하는 원소 수은(Hg(0))과 산화 수은 (Hg(II))을 단일 건식 흡착제를 이용하여 흡착 농축하여 이를 제어된 탈착 조건에서 종별로 탈착시킴으로써 탈착된 수은 양을 측정하여 수은 종별 농도 분석을 통하여 총 수은 양을 구할 수 있는 단순한 고감도 수은 측정 방법에 관한 것이다.
수은 측정에 사용되는 수은의 분석기는 CVAAS(cold vapor atomic absorption spectrometry), CVAFS(cold vapor atomic fluorescence spectrometry), ICP-MS (inductively coupled plasma mass spectrometry) 등이 있으며 검출 한계 농도는 각각 50 ppt, 1 ppt, 1ppt이하이다. 또한 Zeeman장치가 부착된 Zeeman-CVAAS의 경우는 1ppt이하이다. 그러나 이들 분석기는 원소 수은만을 분석할 수 있다. 따라서 수은 종별 분석을 행하기 위해서는 숙련된 분석 전문가가 필요하다. 기존의 배가스 내 저농도 수은을 측정하는 방법은 습식방법인 EPA-29 방법에서부터 건식방법인 FAMS (flue gas adsorbent mercury speciation)에 이르기까지 많은 기상 수은 포집 방법이 있었다. 이러한 포집 방법은 일회용 트레인으로 여러 개 트랩으로 구성되어 있었다. 일반적으로 트레인의 구조는 필터를 통해서 입자상 수은을 포집하고 다음 트랩에서 산화 수은을 포집한 후 원소 기상 수은을 최종적으로 포집하는 형태를 갖고 있다. 원소 수은은 쉽게 포집되지 않는 성질이 있어 액상 수은 포집의 경우 산화 수은화 시켜서 포집하고 건식흡착제의 경우 할로겐화합물로 전환시켜 포집한다. 포집이 끝난 후 트레인을 실험실로 가져와서 습식 또는 건식 방법으로 포집된 트랩별로 원소 수은으로 전환하여 수은종별 분석을 행한다. 따라서 이러한 방법은 사용되는 트레인이 일회용이여서 비용이 많이 들고 현장에서 직접 분석하기 어렵다는 측면을 가지고 있으며 따라서 현장에서 배가스 오염 측정 및 제어가 동시에 이루어질 수 없다.
본 발명은 일회용 트레인 대신 흡착제를 사용하면서도, 원소 수은 및 산화 수은의 농도를 종별로 측정할 수 있는 방법을 제공하는 것에 그 목적이 있다.
본 발명은 흡착제를 이용하여 원소 수은 및 산화 수은을 흡착한 후에, 이를 탈착시켜 원소 수은 및 산화 수은의 농도를 측정하되, 탈착 시, 분위기 기체 종류의 조절 및 마이크로웨이브의 조사를 통해서 원소 수은 및 산화 수은을 각각 별개로 탈착시킴으로써, 원소 수은 및 산화 수은의 종별 농도 측정이 가능한 측정 방법을 제공한다.
본 발명에서 제공하는 방법은 기존의 일회용 트레인을 사용하지 않고 재생이 가능한 흡착제를 사용함으로써, 반영구적 및 주기적으로 사용이 가능하며, 원소 수은 및 산화 수은 각각의 종별 농도를 고감도로 구할 수 있다. 또한, 마이크로웨이브를 이용하여 가열함으로써 흡착제에서 수은 탈착이 신속하게 이루어지며, 전기로 및 시료 튜브 등이 고온으로 가열되지 않음으로써 재흡착을 위한 냉각 시간을 절약할 수 있어 분석 주기의 단축을 가져올 수 있다.
도 1은 실험예에서 각종 흡착제의 원소 수은 흡착 실험 결과이다.
도 2는 실시예 1의 원소 수은 탈착 실험 결과이다.
도 3은 실시예 2의 분위기 기체 종류별 산화 수은탈착 실험 결과이다.
도 2는 실시예 1의 원소 수은 탈착 실험 결과이다.
도 3은 실시예 2의 분위기 기체 종류별 산화 수은탈착 실험 결과이다.
본 발명은 수은 함유 분석 대상 물질 중 원소 수은(Hg(0))과 산화 수은(Hg(II))을 흡착제로 흡착하는 단계; 상기 흡착제를 비활성 분위기 기체하에서 마이크로웨이브를 조사하여 탈착된 원소 수은의 양을 측정하는 단계; 및 상기 흡착제를 환원성 분위기 기체하에서 마이크로웨이브를 조사하여 탈착된 산화 수은의 양을 측정하는 단계; 를 포함하는 수은 농도의 측정 방법에 관한 것이다.
분석 대상 물질을 흡착제로 흡착하면, 원소 수은은 아말감을 형성하고 산화 수은은 흡착제에 흡착되어 있다. 이 때 마이크로웨이브를 조사하여 에너지를 가함으로써, 원소 수은은 가열되어 탈착이 일어나거나 또는 산화 수은은 환원성 기체에 의해서 환원 탈착이 이루어진다. 다만, 불활성 기체 하에서는 산화 수은의 환원 탈착이 불가능하므로 불활성 기체 하에서 흡착된 원소 수은을 모두 탈착시켜 원소 수은의 농도를 측정한 이후에, 환원성 분위기 기체 하에서 산화 수은을 탈착 시켜 산화 수은의 농도를 측정함으로써, 원소 수은과 산화 수은을 구별하여 농도 측정이 가능하다. 본 발명에서 산화 수은이란 수은의 원자가 상태가 산화 상태(Hg(II))를 의미하는 것으로, HgO와 HgCl2, HgCl 등이 있다.
상기 흡착제는 활성탄소 또는 알루미나를 포함하는 것이 될 수 있다. 더욱 바람직하게 활성탄소 중 피치계(pitch) 활성탄소를 사용하는 것이 바람직하다.
상기 흡착제로는 수은과 아말감을 형성하는 금속이 담지된 흡착제를 사용하면 원소 수은을 더욱 쉽게 흡착시킬 수 있어 선호된다. 구체적으로 상기 수은과 아말감을 형성하는 금속은 금, 은, 구리, 주석 또는 납이 될 수 있다.
또한 수은과 아말감을 형성하는 금속이 0.1 ~ 10 중량% 담지될 수 있다. 상기 범위에서 담지체의 기공면적이 크게 줄지 않기 때문이다.
상기 비활성 분위기 기체는 헬륨, 질소, 아르곤 또는 이들의 혼합기체 등이 될 수 있으며, 상기 환원성 분위기 기체는 산화 수은을 환원 시킬 수 있는 환원제인 수소, 포름알데하이드, 하이드로카본 등이 포함된 기체가 될 수 있다. 바람직하기로는 1 ~ 10 부피%의 환원제를 포함하는 기체를 사용하는 것이 더욱 바람직하다.
상기 분석 대상이 되는 물질이 고온의 기체일 경우, 0 ~ 30℃로 냉각하여 수분을 제거한 후에 측정하는 것이 바람직하다. 흡착제에 수분이 흡착되어 흡착 성능에 저하가 될 수 있기 때문이다.
상기 마이크로웨이브는 300 ~ 30000MHz인 것이 바람직하며, 각 단계별로 1 ~ 10 분간 조사할 수 있다. 1분 미만으로 조사할 시, 원소 수은 및 산화 수은의 탈착이 일어나지 않을 수 있는 문제가 있을 수 있으며, 10분 이전에 대부분의 수은이 탈착되므로 10분을 초과하여 조사하는 것은 불필요할 수 있다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하기로 하나, 하기한 실시예는 본 발명을 예증하기 위한 것일 뿐, 본 발명을 제한하는 것은 아님을 이해하여만 할 것이다.
실험예
: 흡착제의 흡착 성능
금 또는 은을 담지한 흡착제를 사용하여 기상 원소 수은의 흡착 특성을 조사하였다. 담지체는 알루미나 담지체로 상용 담지체인 AlY(점토 바인더 이용 구상 알루미나), AlW(물유리 바인더 이용 구상 알루미나)와 활성탄소로 SPAC(이온교환수지로부터 제조), ESPAC(피치로부터 제조)를 사용하였다. 또한 AlY, AlW, SPAC, ESPAC에 금 또는 은을 5중량% 담지한 담지체를 사용하였다. 흡착 실험은 18 ng/min의 수은이 함유된 공기 300 cm3/min를 0.5 g의 흡착제가 있는 트랩을 통과시킨 후 공기 중 수은의 농도를 측정하는 방식으로 하였다. 도1에 AlY와 금이 담지된 AlY, 은이 담지된 AlY의 원소 수은 흡착 실험결과를 나타내었다. 원소 수은의 경우 금속이 담지된 흡착제 사용시 적은 양의 흡착제를 이용해서도 충분히 흡착이 이루어짐을 알 수 있다. 이는 저농도 수은 농축을 위해서는 금속이 담지된 흡착제를 이용하는 것이 바람직함을 알 수 있었다.
실시예
1 : 원소 수은의 탈착
흡착제는 금을 5 중량% 담지한 구상활성탄(ESPAC) 흡착제를 사용하였다. 흡착제 0.5 그램이 들어 있는 흡착 컬럼을 전자렌지에 장착하여 상기 실험예와 같이 원소 수은을 흡착시켰다. 원소 수은이 흡착된 흡착제를 질소 300 cm3/min로 흘려주면서 10000MHz의 마이크로웨이브를 10분간 조사하였다. 조사 시간에 따른 수은의 탈착량을 Zeeman-CVAA로 측정하여 도 2에서 나타내었다. 도 2에서 나타나듯이 3 분 내에 대부분의 원소 수은이 탈착되는 것을 확인할 수 있었다.
실시예
2 : 산화 수은의 탈착
흡착제는 은을 5 중량% 담지한 AlY 흡착제를 사용하였다. 상기 흡착제에 HgCl2를 액상 담지 방법으로 흡착하여 1 ppm 산화 수은을 흡착시켰다.
상기 산화 수은이 흡착된 흡착제를 각각 5 부피%의 수소-헬륨 환원성 분위기 기체 및 질소 비활성 분위기 기체 하에서 10000MHz의 마이크로웨이브를 10분간 조사하였다. 분위기 기체별 조사 시간에 따른 수은의 탈착량을 Zeeman-CVAA로 측정하여 도 3에서 나타내었다. 도 3에서 나타나듯이, 불활성 기체 하에서는 산화 수은이 전혀 탈착되지 아니한 반면, 환원성 기체 하에서는 대부분의 산화 수은이 5 분 내에 환원되면서 탈착됨을 확인할 수 있었다. 상기 실시예 1, 2의 결과에서 보듯이, 원소 수은과 산화 수은을 동시에 흡착한 흡착제를 먼저 비활성 분위기 기체 하에서 원소 수은을 탈착하고, 이후 환원성 분위기 기체 하에서 산화 수은을 탈착할 수 있음을 확인할 수 있었다. 즉, 분위기 기체의 종류를 조절함에 따라 원소 수은과 산화 수은의 종별 농도 분석이 가능함을 확인할 수 있었다.
Claims (8)
- 분석 대상 물질 중 원소 수은(Hg(0))과 산화 수은(Hg(II))을 흡착제로 흡착하는 단계;
상기 흡착제를 비활성 분위기 기체하에서 마이크로웨이브를 조사하여 탈착된 원소 수은의 양을 측정하는 단계; 및
상기 흡착제를 환원성 분위기 기체하에서 마이크로웨이브를 조사하여 탈착된 산화 수은의 양을 측정하는 단계;
를 포함하는 수은 농도의 측정 방법.
- 제 1항에 있어서, 상기 흡착제는 활성탄소 또는 알루미나를 포함하는 것을 특징으로 하는 수은 농도의 측정 방법.
- 제 1항에 있어서, 상기 흡착제는 금, 은, 구리, 주석 또는 납이 담지된 흡착제인 것을 특징으로 하는 수은 농도의 측정 방법.
- 제 3항에 있어서, 상기 흡착제는 금, 은, 구리, 주석 또는 납이 1 ~ 10 중량% 담지된 것임을 특징으로 하는 수은 농도의 측정 방법.
- 제 1항에 있어서, 상기 비활성 분위기 기체는 헬륨, 질소, 아르곤 또는 이들의 혼합 기체인 것을 특징으로 하는 수은 농도의 측정 방법.
- 제 1항에 있어서, 상기 환원성 분위기 기체는 수소, 포름알데하이드, 또는 하이드로카본을 포함하는 기체인 것을 특징으로 하는 수은 농도의 측정 방법.
- 제 1항에 있어서, 상기 마이크로웨이브의 조사는 300 ~ 30000MHz의 마이크로웨이브를 1 ~ 10분간 조사하는 것임을 특징으로 하는 수은 농도의 측정 방법.
- 제 1항에 있어서, 상기 분석 대상 물질을 0 ~ 30℃에서 수분을 제거하고, 흡착제로 흡착시키는 것을 특징으로 하는 수은 농도 측정 방법.
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