KR101244068B1 - 대기 및 수질 오염물질의 농도 측정 방법 - Google Patents

대기 및 수질 오염물질의 농도 측정 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 대기 및 수질 오염물질의 농도 측정 방법을 공개한다. 이 방법은 (a) 발색 측정키트로 대기 또는 물에 함유된 오염물 농도에 따른 색도 변화를 실험하는 단계; (b) 상기 발색 측정키트의 색 및 참조색지의 색을 촬상 장치로 촬영하여 영상을 획득하는 단계; (c) 상기 발색 측정키트의 색 및 상기 참조색지의 색의 색도를 영상 분석 프로그램을 이용하여 수치화하는 단계; 및 (d) 선형보간법을 이용하여 상기 발색 측정키트 색의 수치로부터 오염물 농도 값을 계산하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다. 따라서 본 발명에 의할 경우, 고가의 별도 분석 장비가 필요 없어 현장에서 측정하기가 간편하고 측정 비용이 저렴하고, 발색 측정키트와 참조색지가 하나의 영상으로 얻어지기 때문에 영상을 정규화하기 용이하며, 영상을 획득하는 과정에서 발생할 수 있는 조명 환경과 측정 기기 성능의 영향을 최소화 할 수 있다.

Description

대기 및 수질 오염물질의 농도 측정 방법{A method for measuring concentration of air and water pollutants}
본 발명은 오염물질의 농도 측정 방법에 관한 것으로서, 특히 기존의 장비를 활용하여 현장에서 간편하게 대기 및 물에 들어있는 오염물 농도를 측정할 수 있는 대기 및 수질 오염물질의 농도 측정 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 공기 및 물에 들어있는 소량의 오염 물질 농도를 측정하는 방법에는 농도에 따른 색변화를 이용하는 발색 측정키트의 간편한 육안 검사 방법에서부터 발색 측정키트 색도 변화의 정밀한 흡광도 분석 그리고 고가의 전용 분석 방법에 이르기 까지 다양한 방법들이 이용되고 있다.
특히, 포름알데히드(HCHO)는 자극성 발암 물질로 그 농도를 엄격히 제한하여야 하는 실내공기의 주 오염물 중 하나로서, 공기 중의 포름알데히드 농도의 정밀한 측정은 다음과 같은 방법이 이용된다.
즉, 포름알데히드를 포집할 수 있는 시약을 포함하는 포집키트로 현장 시료를 포집하고, 이 키트에 포집된 각 화학종들을 실험실에서 추출한 후에, 크로마토그라피(HPLC 혹은 GC)로 분리하고 분광법으로 포름알데히드의 농도를 알아낸다.
이때, 분광법으로 포름알데히드의 농도를 쉽게 검출될 수 있도록 하기 위하여 화학적 유도체를 이용하기도 하는데, 이 방법은 정밀한 농도 측정이 가능하지만 시료 채취, 추출, 크로마토그라피 분석 등의 조작이 번거로워 많은 시간과 경비가 소요되는 문제점이 있었다.
한편, 간이 포름알데히드 농도 측정 방법도 몇몇 개발되어 있다. 그 중 하나는 포름알데히드의 강한 반응성을 이용하는 것으로 포름알데히드와 반응하여 산을 만들어내고 이 산의 산성도에 따라 발색하는 방법으로서(N. Nakano, K. Nagashima, "An automatic monitor of formaldehye in air by a monitoring tape method", J. Environ. Monit., 1, 255-258, 1999; 정상진, 장재철, “Methyl yellow와 Methyl orange 지시약을 이용한 실내공기중의 포름알데히드 간이측정기에 대한 연구”, 한국대기환경학회지, 20, 793-801, 2004), 반응시약과 발색시약이 함침된 종이 착색여지를 이용하고, 스캐너로 영상을 획득하여 포토샵6.0으로 색도를 분석한다.
하지만, 이 방법은 오존 같은 다른 기체에 영향을 많이 받고, 착색여지의 보관성이 떨어지며, 색도 분석이 표준화되지 않아 감도에 한계가 있었다.
또한, 간이 포름알데히드 농도 측정 방법 중 다른 하나는 포름알데히드에 선택적으로 반응하는 효소반응과 발색반응을 이용하는 방법이 제안되어 있다 (N. Shinohara, T. Kajiwara, M. Ohnishi, K. Kodama, Y. Yanagisawa, "Passive emission colorimetric sensor (PECS) for measuring emission rates of Formaldehyde based on an enzymatic reaction and reflectance photometry", Environ. Sci. Technolo., 42, 4472-4477, 2008).
이 방법은 반응 시약이 측정키트 형태로 구현되어 있고, 효소의 포름알데히드에 대한 강한 선택적 반응으로 다른 기체의 영향을 받지 않고 농도를 측정할 수 있으며, 현장에서 간이 농도를 측정하는 데는 측정키트의 색도 변화를 참조색지의 색도와 비교하여 농도의 근사값을 얻는다.
하지만, 이 방법은 육안으로 색도를 검사하기 때문에 농도 측정에 많은 개인차가 있고, 정밀한 농도 측정을 위해서는 고가의 측광 (photometry) 분석 장비가 필요하다. 또한, 같은 효소 반응을 이용하는데 발색반응을 이용하지 않고 전압을 발생하는 반응을 이용하는 방법도 제안되어 있는데(S. Achmann, M. Hammerle, R. Moos, "Amperometric enzyme-based biosensor for direct detection of Formaldehyde in the gas phase: Dependence on electrolyte composition", Electroanalysis, 20, 410-417, 2008), 이 방법은 전압을 측정하기 위한 고 정밀 증폭기가 필요한 단점이 있었다.
본 발명의 목적은 기존의 촬상 장치 및 단말기를 활용하여 현장에서 발색 측정키트의 색 변화와 참조색지의 색에 대한 영상을 함께 또는 동일한 환경에서 얻고 수치화하여 대기 및 물에 들어있는 오염물 농도를 측정할 수 있는 대기 및 수질 오염물질의 농도 측정 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 대기 및 수질 오염물질의 농도 측정 방법은 (a) 발색 측정키트로 대기 또는 물에 함유된 오염물 농도에 따른 색도 변화를 실험하는 단계; (b) 상기 발색 측정키트의 색 및 참조색지의 색을 촬상 장치로 촬영하여 영상을 획득하는 단계; (c) 상기 발색 측정키트의 색 및 상기 참조색지의 색의 색도를 영상 분석 프로그램을 이용하여 수치화하는 단계; 및 (d) 선형보간법을 이용하여 상기 발색 측정키트 색의 수치로부터 오염물 농도 값을 계산하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 대기 및 수질 오염물질의 농도 측정 방법의 상기 영상 분석 프로그램은 상기 참조색지의 색도 값을 수식 Y = kRR + kGG + kBB 을 이용하여 회색 영상으로 변환하여 RGB 수치 값을 얻고, 상기 kR, 상기 kG 및 상기 kB는 획득된 상기 발색 측정키트의 색 및 상기 참조색지의 색의 영상을 구별하는 변수로서 실험을 통하여 결정되는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 대기 및 수질 오염물질의 농도 측정 방법의 상기 참조색지의 색의 색도는 상기 영상의 중심에서 주변 영상들의 평균값을 이용하여 계산하고, 상기 평균값을 얻는 범위는 상기 영상의 크기에 따라 가변적인 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 대기 및 수질 오염물질의 농도 측정 방법의 상기 선형보간법은 상기 영상을 획득하는 과정에서 발생할 수 있는 조명 환경과 상기 촬상 장치의 성능의 영향을 상쇄시키는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 대기 및 수질 오염물질의 농도 측정 방법의 상기 오염물 농도 값은 수식 QE = Q1 + (Q2-Q1)*(YE-Y1)/(Y2-Y1) 에 의해 계산되고, 상기 QE는 구하려는 오염물 농도 값, 상기 YE는 상기 측정키트의 색도 값, 상기 Y1 및 상기 Y2는 상기 YE의 양 옆에 있는 참조색지 영상의 색도 값, 그리고 상기 Q1 및 상기 Q2는 각각 상기 Y1 및 상기 Y2와 관계된 오염물 농도들인 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 대기 및 수질 오염물질의 농도 측정 방법의 상기 촬상 장치는 디지털 카메라 또는 디지털 카메라 기능이 있는 휴대용 단말기인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 대기 및 수질 오염물질의 농도 측정 방법은 고가의 별도 분석 장비가 필요 없어 현장에서 측정하기가 간편하고 측정 비용이 저렴하다.
또한, 발색 측정키트와 참조색지가 하나의 영상으로 얻어지기 때문에 영상을 정규화하기 용이하고, 영상을 획득하는 과정에서 발생할 수 있는 조명 환경과 측정 기기 성능의 영향을 최소화 할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 대기 및 수질 오염물질의 농도 측정 방법에 따른 동작을 나타내는 순서도이다.
도 2는 본 발명에 따른 대기 및 수질 오염물질의 농도 측정 방법에 의해 촬상 장치로 촬영된 영상으로서, A, B, C, D는 참조색지의 영상이고, E는 측정키트의 시료 영상을 나타낸다.
도 3은 도 2에 도시된 영상 A, B, C, D의 Y 값과 각각의 오염물 농도와의 관계를 나타내는 그래프이다.
도4는 본 발명의 제1 실시예에 따라 측정된 건축자재에서의 포름알데히드의 방출량을 색도의 변화로 나타내는 측정키트와 참조색지의 영상이다.
도5는 본 발명의 제2 실시예에 따라 측정된 건축자재에서의 포름알데히드의 방출량을 색도의 변화로 나타내는 측정키트와 참조색지의 영상이다.
도6 및 도7은 본 발명의 제3 실시예에 따라 측정된 건축자재에서의 포름알데히드의 방출량을 색도의 변화로 나타내는 측정키트와 참조색지의 영상이다.
도8은 본 발명의 제4 실시예에 따라 측정된 건축자재에서의 포름알데히드의 방출량을 색도의 변화로 나타내는 측정키트와 참조색지의 영상이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 대기 및 수질 오염물질의 농도 측정 방법을 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명에 따른 대기 및 수질 오염물질의 농도 측정 방법에 따른 동작을 나타내는 순서도이다.
도 2는 본 발명에 따른 대기 및 수질 오염물질의 농도 측정 방법에 의해 촬상 장치로 촬영된 영상으로서, A, B, C, D는 참조색지의 영상이고, E는 측정키트의 시료 영상을 나타낸다.
도 3은 도 2에 도시된 영상 참조색지(A, B, C, D)의 색도 값과 각각의 오염물 농도와의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 1 내지 도 3을 참조하여 본 발명에 따른 대기 및 수질 오염물질의 농도 측정 방법의 동작을 설명하면 다음과 같다.
먼저, 상용 발색 측정키트로 공기 혹은 물에 들어있는 오염물 농도에 따른 색도 변화를 실험한다(S120). 즉, 상용의 발색법에 근거한 측정키트를 측정하고자 하는 시료에 노출시켜 색 변화가 나타나도록 한다.
발색 측정키트의 색과 이것과 같이 공급되는 참조색지의 색을 디지털 카메라 또는 디지털 카메라 기능이 있는 휴대용 단말기와 같은 촬상 장치로 촬영하여 영상을 획득한다(S140).
발색 측정키트 색과 참조색지 색의 색도를 PC와 같은 단말기에 저장된 영상 분석 프로그램을 이용하여 수치화한다(S160).
즉, 도2의 영상에서 A, B, C, D, E의 색도 값을 수식(1)에 의해 회색 영상으로 변환하는 영상 분석 프로그램으로 RGB 수치 값을 얻는다.
Y = kRR + kGG + kBB (1)
여기에서, kR, kG, kB는 영상 A, B, C, D, E를 가장 잘 구별하는 수치로서 실험을 통하여 결정하는데, 영상신호 처리에 자주 사용되는 값으로서, kR=0.3, kG=0.59, kB=0.11로 설정할 수 있다.
또한, Y값은 영상 획득 노이즈가 포함되어 있는데, 영상 중심에서 주변 몇몇 영상의 평균값을 이용하고, 평균값을 얻는 범위는 영상 크기에 따라 적절히 설정한다.
도 3에서 보는 바와 같이, 도 2에 도시된 영상 A, B, C, D의 Y 값은 각각의 오염물 농도와 선형 관계를 나타낸다.
즉, 오염물 농도 값은 수식(2)에 의해 발색 측정키트 색 값으로부터 선형보간법을 이용하여 계산한다(S180).
QE = Q1 + (Q2-Q1)*(YE-Y1)/(Y2-Y1) (2)
여기서 QE는 구하려는 오염물 농도, YE는 측정키트의 색도 값, Y1과 Y2는 측정키트의 양 옆에 있는 참조색지 영상의 색도 값, 그리고 Q1과 Q2는 각각 Y1과 Y2와 관계된 오염물 농도들이다. 도 3에서 검은 네모로 나타난 점이 상기 수식(2)로 계산된 오염물 농도 값이다.
이때, 측정키트의 색도 값(YE) 및 YE의 양 옆에 있는 참조색지 영상의 색도 값(Y1, Y2) 는 영상을 획득하는 과정에서 조명, 촬상 장치와 시료 사이의 환경, 촬상 장치의 설정 값 및 성능 등 여러 인자의 영향을 받는다.
촬상 장치로 영상을 얻는 과정에서 상기와 같은 영향을 배제하기 위해서는 고가의 전용 분석기를 사용해야 하지만, 본 발명에 따른 대기 및 수질 오염물질의 농도 측정 방법에서는 수식(2)를 통하여 이들 인자들의 영향이 서로 상쇄되어 오차가 최소화된다.
예를 들면, 밝은 조명의 영상인 경우, R, G, B 값이 같이 커지게 되는데, 이는 일정한 값이 곱해진 Y가 얻어 지며 수식 (2)의 (YE-Y1)/(Y2-Y1)의 계산에서 서로 상쇄되어 오염물 농도에서 오차로 작용하지 않는다.
또한, 어두운 조명의 영상인 경우에도 같은 이유로 농도에서 오차로 나타나지 않는다.
한편, 상기 수식 (2)의 Y값에서 참조색지 사이의 색도 값 차이가 작은 경우에는 수식(1)에 의해 컬러 영상을 회색 영상으로 변환하는 대신에 다음과 같은 수식(3)에 의해 색깔의 변화를 나타내는 H값을 이용할 수도 있다.
Figure 112011037530622-pat00001
(3)
이 값은 조명의 밝기에 영향을 받지 않고 색깔이 바뀌는 발색 반응에 매우 적합하다. 이 경우 오염물 농도는 상기 수식(2)의 Y 대신에 H값을 사용하여 산출한다.
따라서, 본 발명에 따른 대기 및 수질 오염물질의 농도 측정 방법은 획득한 영상이 극단적으로 밝거나 어두운 경우가 아니라면 고가의 영상 장비 없이 결과의 정확도와 재현성을 기대할 수 있게 된다.
도4는 본 발명의 제1 실시예에 따라 측정된 건축자재에서의 포름알데히드의 방출량을 색도의 변화로 나타내는 측정키트와 참조색지의 영상이다.
도4에서 참조색지는 농도 범위가 SE0(농도: 0~0.3mg/L), E0(농도: 0.31~0.50 mg/L), E1(농도: 0.51~1.50 mg/L), E2(농도: 1.51 mg/L 이상)의 4단계로 주어져 있다.
육안으로 판독하면 E0로 판독되는데, 본 발명의 농도 측정 방법에 따라 색도를 수치화한 결과, SE0가 0.5366, E0가 0.4501 그리고 키트가 0.4646의 영상 값이 얻어졌다.
상기 수식(2)의 선형보간법을 적용하면 키트의 색도는 SE0와 E0 사이에서 거리가 83:17로 E0에 가까운 것을 알 수 있다.
따라서, 본 발명의 농도 측정 방법에 의할 경우, E0에 가깝다는 육안 판독이 별 무리가 없음을 알 수 있다.
이때, 참조색지가 농도 구간이 아니고 농도 값으로 주어지면 육안으로는 판독이 불가능한 키트의 색도가 어느 농도에 해당하는 가를 계산할 수 있다.
도5는 본 발명의 제2 실시예에 따라 측정된 건축자재에서의 포름알데히드의 방출량을 색도의 변화로 나타내는 측정키트와 참조색지의 영상이다.
본 실시예에서는 포름알데히드에 노출된 키트의 색과 같이 공급되는 참조색지가 나타나 있다.
도5에서 보는 바와 같이, 측정키트에 대하여 육안 판독을 하면 오염물 농도는 0.08mg/m3에 해당하는 것으로 판독된다. 도5에 있는 키트와 참조색지의 영상으로부터 색도 값을 얻으면 키트의 색도는 0.6560, 참조색지 영상은 0mg/m3이 0.7108, 0.08mg/m3이 0.6812, 0.20mg/m30이 0.6290, 그리고 0.30mg/m3이 0.5213 등으로 얻어졌다.
상기 수식(2)에 의한 선형보간법을 이용하여 키트의 색으로부터 얻어지는 농도는 0.137mg/m3가 된다.
이와 같은 농도 값은 육안으로는 판독이 불가능하나, 본 발명의 결과를 인지하고 육안 판독을 다시 하면 키트의 색도가 0.08mg/m3의 색도보다는 약간 더 진한 것을 알 수 있다.
도6 및 도7은 본 발명의 제3 실시예에 따라 측정된 건축자재에서의 포름알데히드의 방출량을 색도의 변화로 나타내는 측정키트와 참조색지의 영상이다.
본 실시예에서는 본 발명의 제2 실시예에 따라 측정된 측정키트와 참조색지의 영상을 동일한 촬상 장치로 각각 밝은 조명과 어두운 조명 하에서 촬영하여 영상을 획득한다.
도6에서 보는 바와 같이, 밝은 조명 하에서 촬영한 경우, 참조색지 색도는 0mg/m3이 0.8153, 0.08mg/m3이 0.7843, 0.20mg/m30이 0.7373, 그리고 키트의 색도는 0.7660으로 얻어졌다.
상기 수식(2)에 의한 선형보간법을 이용하여 키트의 색으로부터 얻어지는 농도는 0.126mg/m3가 된다.
도7 에서 보는 바와 같이, 어두운 조명 하에서 촬영한 경우, 참조색지 색도는 0mg/m3이 0.5195, 0.08mg/m3이 0.4887, 0.20mg/m30이 0.4407, 그리고 키트의 색도는 0.4675로 얻어졌다.
마찬가지로, 상기 수식(2)에 의한 선형보간법을 이용하여 키트의 색으로부터 얻어지는 농도는 0.132mg/m3가 된다.
본 발명의 상기 제2 실시예의 결과와 비교해 볼 때, 각 색도는 매우 다른 값이 얻어지지만 예측되는 포름알데히드 농도는 각각 0.137, 0.126, 0.132mg/m3로 10 % 이내의 일정한 값이 얻어짐을 알 수 있다.
도8은 본 발명의 제4 실시예에 따라 측정된 건축자재에서의 포름알데히드의 방출량을 색도의 변화로 나타내는 측정키트와 참조색지의 영상이다.
본 실시예에서는 포름알데히드에 노출된 키트의 색과 같이 공급되는 참조색지가 나타나 있다.
도8에서 보는 바와 같이, 측정키트에 대하여 육안 판독을 하면 오염물 농도는 0.20mg/m3에 해당하는 것으로 판독된다. 도8에 있는 키트와 참조색지의 영상으로부터 색도 값을 얻으면 키트의 색도는 0.6427, 참조색지 영상은 0mg/m3이 0.8686, 0.08mg/m3이 0.7703, 0.20mg/m3이 0.6638, 그리고 0.40mg/m3이 0.4573 등으로 얻어졌다.
상기 수식(2)에 의한 선형보간법을 이용하여 키트의 색으로부터 얻어지는 농도는 0.230mg/m3가 된다. 이와 같은 농도 값은 육안 판독이 별 무리가 없음을 알 수 있다.
이와 같이, 본 발명에 따른 대기 및 수질 오염물질의 농도 측정 방법은 기존의 촬상 장치 및 단말기를 활용하여 현장에서 발색 측정키트의 색 변화와 참조색지의 색에 대한 영상을 함께 또는 동일한 환경에서 얻고 수치화하여 대기 및 물에 들어있는 오염물 농도를 측정함으로써, 고가의 별도 분석 장비가 필요 없어 현장에서 측정하기가 간편하고 측정 비용이 저렴하다.
또한, 발색 측정키트와 참조색지가 하나의 영상으로 얻어지기 때문에 영상을 정규화하기 용이하고, 영상을 획득하는 과정에서 발생할 수 있는 조명 환경과 측정 기기 성능의 영향을 최소화 할 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 당업계에서 통상의 지식을 가진 자라면 이하의 특허 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (6)

  1. (a) 발색 측정키트로 대기 또는 물에 함유된 오염물 농도에 따른 색도 변화를 실험하는 단계;
    (b) 상기 발색 측정키트의 색 및 참조색지의 색을 촬상 장치로 촬영하여 영상을 획득하는 단계;
    (c) 상기 발색 측정키트의 색 및 상기 참조색지의 색의 색도를 영상 분석 프로그램을 이용하여 수치화하는 단계; 및
    (d) 선형보간법을 이용하여 상기 발색 측정키트의 색의 수치로부터 오염물 농도 값을 계산하는 단계;
    를 포함하고,
    상기 영상 분석 프로그램은
    상기 참조색지의 색의 색도 값을 수식 Y = kRR+kGG+kBB을 이용하여 회색 영상으로 변환하여 RGB 수치 값을 얻고,
    상기 kR,상기 kG및 상기 kB는 획득된 상기 발색 측정키트의 색 및 상기 참조색지의 색의 영상을 구별하는 변수로서 실험을 통하여 결정되는
    것을 특징으로 하는 대기 및 수질 오염물질의 농도 측정 방법.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 참조색지의 색의 색도는
    상기 영상의 중심에서 주변 영상들의 평균값을 이용하여 계산하고, 상기 평균값을 얻는 범위는 상기 영상의 크기에 따라 가변적인 것을 특징으로 하는 대기 및 수질 오염물질의 농도 측정 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 선형보간법은
    상기 영상을 획득하는 과정에서 발생하는 조명 환경과 상기 촬상 장치의 성능의 영향을 상쇄시키는 것을 특징으로 하는 대기 및 수질 오염물질의 농도 측정 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 오염물 농도 값은
    수식 QE = Q1 + (Q2-Q1)*(YE-Y1)/(Y2-Y1) 에 의해 계산되고,
    상기 QE는 구하려는 오염물 농도 값, 상기 YE는 상기 측정키트의 색의 색도 값, 상기 Y1 및 상기 Y2는 상기 측정키트의 양 옆에 있는 참조색지 영상의 색도 값, 그리고 상기 Q1 및 상기 Q2는 각각 상기 Y1 및 상기 Y2와 관계된 오염물 농도 값인 것을 특징으로 하는 대기 및 수질 오염물질의 농도 측정 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 촬상 장치는
    디지털 카메라 또는 디지털 카메라 기능이 있는 휴대용 단말기인 것을 특징으로 하는 대기 및 수질 오염물질의 농도 측정 방법.

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