KR101244614B1

KR101244614B1 - 수용액내 암모니아성질소의 측정방법

Info

Publication number: KR101244614B1
Application number: KR1020100124990A
Authority: KR
Inventors: 조평대; 장현성
Original assignee: 서울특별시
Priority date: 2010-12-08
Filing date: 2010-12-08
Publication date: 2013-03-25
Also published as: KR20120063838A

Abstract

본 발명은 수용액내 암모니아성질소의 측정방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 발명은 수용액내 모노클로라민과 디클로라민의 양을 측정하는 것에 의해 암모니아성질소의 함량을 빠르고 정확하게 측정하는 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 염소 사용량을 줄이고, 소독부산물 제거에 투입되는 약품 및 시설에 대한 투자를 줄임으로써 비용 절감의 효과를 기대할 수 있다.

Description

수용액내 암모니아성질소의 측정방법{A METHOD OF MEASURING AMMONIUM NITROGEN IN SOLUTION}

본 발명은 수용액내 암모니아성질소의 측정방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 발명은 수용액내 모노클로라민과 디클로라민의 양을 측정하는 것에 의해 암모니아성질소의 함량을 빠르고 정확하게 측정하는 방법에 관한 것이다.

암모니아성질소는 수중에 용해되어 있는 암모늄염을 질소량으로 나타낸 것으로, 자연계에 존재하는 암모니아성질소는 유기물이 부패하면서 동시에 발생하는 CO₂와 결합하여 (NH₄)₂CO₃형으로 존재하고, 빗물 등의 암모니아성질소는 미량의 탄산염으로 존재하며, 또한 대기오염지역에서 SO₂의 양이 많은 경우에는 (NH₄)₂SO₄의 형을 포함하기도 한다. 일반적으로, 물이 유기성 질소로 오염된 경우 점차 부패, 발효, 산화 등에 의하여 분해되어 우선 암모니아를 생성하므로 암모니아성질소는 물의 오염도를 나타내는 하나의 지표로 쓰이고 있다.

최근, 갈수기에 초기강우에 의한 암모니아성질소가 원수로 유입되는 일이 빈번하게 발생하므로, 급변하는 원수수질에 즉각적인 대처가 필요하다. 원수내 암모니아성질소를 제거하기 위하여 일반적으로 파과점 염소주입(Breakpoint Chlorination) 방법이 사용되고 있다. 파과점 염소주입 방법은 원수에 파과점 이상으로 염소를 주입하여 암모니아성질소를 산화시켜 질소 가스나 기타 안정된 화합물로 바꾸는 방법이다. 따라서, 암모니아성질소의 완전파과처리를 위한 염소요구량을 정확하게 산정하기 위하여, 수중 암모니아성질소의 농도를 빠르고 정확하게 측정할 것이 요구되고 있다.

현재 널리 이용되고 있는 암모니아성질소의 분석방법으로는 흡광광도법(인도페놀법) 및 이온전극법이 있다. 흡광광도법은 암모니아성질소가 차아염소산나트륨의 존재하에 모노클로라민과 반응한 후, 페놀과 반응하여 생성되는 인도 페놀의 청색을 640nm에서 측정하는 방법이며, 비교적 깨끗한 하천수에 많이 적용되고 있다. 흡광광도법은 온라인 및 오프라인으로 계측 가능하지만, 분석시간이 1시간 이상 소요되며, 전염소처리한 원수를 분석하는 경우 모노클로라민이 발해물질로 작용하여 오차가 발생할 우려가 있다.

또한, 이온전극법은 시료에 수산화나트륨을 넣고 pH를 11~13으로 조정하여 암모늄이온을 암모니아로 변화시킨 다음 암모니아 이온전극을 이용하여 측정하는 방법이다. 이온전극법도 온라인 및 오프라인으로 계측 가능하지만, 온라인 측정시 12분 이상이 소요되어 급변하는 원수수질에 대처하기 힘들고, 저수온이나 저농도인 경우 오차가 발생한다는 단점이 있다.

따라서, 암모니아성질소의 함량을 빠르고 정확하게 측정하기 위하여 새로운 분석 방법의 개발이 필요한 실정이다.

본 발명자는 수용액내 모노클로라민과 디클로라민의 양을 측정하는 것에 의해 암모니아성질소의 함량을 빠르고 정확하게 측정할 수 있음을 발견하여 본 발명을 완성하기에 이르렀다.

본 발명에 따르면, 원수내 암모니아성질소의 양을 빠르고 정확하게 측정하여, 염소 사용량을 최적화하고 소독부산물의 생성을 최소화시킬 수 있다. 또한, 염소 사용량을 줄이고, 소독부산물 제거에 투입되는 약품 및 시설에 대한 투자를 줄임으로써 비용 절감효과가 크다.

본 발명에 따르면, 수용액내 암모니아성질소의 함량을 측정하는 방법이 제공되고, 상기 방법은:

수용액내 유리잔류염소의 함량을 측정하는 단계(I);

수용액내 유리잔류염소와 모노클로라민의 합량을 측정하는 단계(II);

수용액내 유리잔류염소, 모노클로라민 및 디클로라민의 합량을 측정하는 단계(III);

상기 I, II 및 III단계에서 측정된 합량으로부터 수용액내 모노클로라민 및 디클로라민의 함량을 각각 산출하는 단계(IV); 및

상기 IV단계에서 산출된 모노클로라민 및 디클로라민의 함량을 화학양론적으로 해석하여 암모니아성질소의 함량을 산출하는 단계(v)를 포함한다.

총잔류염소는 유리잔류염소와 결합잔류염소의 합으로 표현된다. 유리잔류염소는 수중에 존재하는 염소의 HOCI 또는 OCI^-형태를 의미하고, 결합잔류염소는 염소가 수중의 암모니아성질소와 반응하여 존재하는 클로라민 형태를 의미한다. 클로라민의 대표적인 형성반응은 다음과 같다:

·Cl₂ + H₂O → HOCl + HCl

·NH₃ + HOCl → NH₂Cl(모노클로라민) + H₂O : pH 7.5-8.3 (식 1)

·NH₂Cl + HOCl → NHCl₂ (디클로라민) + H₂O : pH 5.0-6.5 (식 2)

·NHCl₂ + HOCl → NCl₃ (트리클로라민) + H₂O : pH 4 이하 (식 3)

pH 7에서 모노클라라민과 디클로라민은 거의 같은 양으로 존재하지만, 트리클로라민은 거의 생성되지 않는다.

본 발명의 단계(I)에서, 수용액내 유리잔류염소의 함량은 N,N-디에틸페닐렌 디아민(DPD)을 사용하여 측정될 수 있다.

본 발명의 단계(I)에서, 수용액은 지표수, 지하수, 수돗물, 하천수, 호수수, 생활용수, 오염된 물, 식음수로부터 선택될 수 있다.

본 발명의 단계(I)에서, 수용액은 염소 처리된 것일 수도 있다.

본 발명의 단계(II)에서, 수용액내 유리잔류염소와 모노클로라민의 합량은 단계(Ⅰ)에서 유리잔류염소를 측정한 후 추가로 요오트칼륨(KI)을 사용하여 측정될 수 있다.

본 발명의 단계(III)에서, 수용액내 유리잔류염소, 모노클로라민 및 디클로라민의 합량은 DPD을 사용하여 측정될 수 있다.

본 발명의 단계(IV)에서, I, II 및 III단계에서 측정된 합량으로부터 수용액내 모노클로라민 및 디클로라민의 함량을 산출하는 방법은 다음과 같다:

·디클로라민의 함량: 단계(III)의 유리잔류염소, 모노클로라민 및 디클로라민의 합량 - 단계(II)의 유리잔류염소 및 모노클로라민의 합량

·모노클로라민의 함량: 단계(II)의 유리잔류염소 및 모노클로라민의 합량 - 단계(I)의 유리잔류염소의 양

본 발명의 단계(V)에서, IV단계에서 산출된 모노클로라민 및 디클로라민의 함량을 화학양론적으로 해석하여 암모니아성질소의 함량을 산출하는 방법은 다음과 같다:

·식 1 : NH₃ + HOCl → NH₂Cl + H₂O 이므로

질소 : 모노클로라민 = 14 : 51.5 이고,

·식 2 : NH₂Cl + HOCl → NHCl₂ + H₂O 이므로

모노클로라민 : 디클로라민 = 51.5 : 86 이다.

따라서, 암모니아성질소의 함량은 하기의 계산식으로부터 산출될 수 있다:

NH₃-N = 0.272 {모노클로라민 + (0.598 X 디클로라민)} (계산식 1)

원수내 암모니아성질소의 양을 빠르고 정확하게 측정할 수 있으므로, 염소 사용량을 최적화하고 소독부산물의 생성을 최소화시킬 수 있다. 또한, 암모니아성질소가 저농도(0.05mg/L이하)로 유입되는 경우에도 측정이 가능하다.

도 1은 본원발명과 종래 분석법을 비교한 분석 흐름도를 나타낸다.

본 발명은 하기의 실시예에 의해 구체적으로 설명될 것이다. 그러나, 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다.

1. 비교예

본 연구에서 사용된 시료는 서울시 소재 풍납취수장에서 채취하였다. 상기 시료내 암모니아성질소의 함량을 수질오염공정시험법 제11항에 따른 인도페놀법에 의해 측정하였다. 측정된 암모니아성질소의 함량은 0.38mg/L이었다.

2. 실시예

단계(I)

서울시 소재 풍납취수장에서 채취한 시료의 암모니아성질소의 함량을 인도페놀법에 의해 측정한 후(0.38 mg/L)를 암모니아성질소농도의 10배로 염소 처리하였다. 염소처리된 시료에 DPD을 첨가한 후, 잔류염소계측기 (HACH사 us/4670000)를 사용하여 유리잔류염소의 함량을 측정하였다. 측정된 유리잔류염소의 함량은 0.22mg/L이었다.

단계( II )

단계 I의 혼합물에 1000mg/L의KI 약 0.5ml를 첨가하여 유리잔류염소와 모노클로라민의 합량을 측정하였다. 측정된 유리잔류염소와 모노클로라민의 합량은 1.02mg/L이었다.

단계( III )

단계(II)의 혼합물에 DPD를 첨가하여 유리잔류염소, 모노클로라민, 및 디클로라민의 합량을 측정하였다. 측정된 유리잔류염소, 모노클로라민, 및 디클로라민의 합량은 2.03mg/L이었다.

단계( IV )

상기 단계(I) 내지 단계(III)으로부터 측정된 값으로부터 모노클로라민 및 디클로라민의 함량을 산출하였다. 산출된 모노클로라민과 디클로라민의 함량은 다음과 같았다:

·모노클로라민 : 1.02mg/L 0.22mg/L = 0.80mg/L

·디클로라민 : 2.03mg/L 1.02mg/L = 1.01mg/L

단계(V)

단계(IV)의 모노클로라민과 디클로라민의 함량을 이용하여 암모니아성질소의 함량을 계산식 1에 따라 산출하였다. 산출된 암모니아성질소의 함량은 다음과 같다:

·NH₃-N = 0.272 {0.08 + (0.598 X 1.01)} = 0.3818mg/L

시간 경과 및 염소주입농도에 따른 암모니아성질소의 함량 측정

상기의 실시예와 동일한 방법을 사용하여, 염소주입농도를 달리한 시간의 경과에 따른 암모니아성질소의 함량을 측정하였으며, 결과를 표 1에 나타내었다. 정확도는 98%로 나타났으며, 상대표준편차는 4.0%이었다.

3. 결과

원수내 암모니아성질소의 함량을 측정한 결과, 종래의 인도페놀법을 사용한 경우 0.38 mg/L로 측정되었고, 본원발명에 따른 방법을 사용한 경우에도 약 0.38 mg/L로 측정되었다. 본원발명에 따른 방법을 사용하여 측정한 경우, 온라인 계측시 약 2.5분 내에 암모니아성질소의 함량을 알 수 있었다.

본원발명에 따라 원수내 암모니아성질소의 양을 빠르고 정확하게 측정할 수 있으므로, 염소 사용량을 최적화하여 소독부산물의 생성을 최소화시킬 수 있었다. 앞으로, 염소 사용량을 줄이고, 소독부산물 제거에 투입되는 약품 및 시설에 대한 투자를 줄임으로써 비용 절감의 효과가 기대된다.

Claims

수용액내 암모니아성질소의 함량을 측정하는 방법에 관한 것으로, 상기 방법은:
수용액내 유리잔류염소의 함량을 측정하는 단계(I);
수용액내 유리잔류염소와 모노클로라민의 합량을 측정하는 단계(II);
수용액내 유리잔류염소, 모노클로라민 및 디클로라민의 합량을 측정하는 단계(III);
상기 I, II 및 III단계에서 측정된 합량으로부터 수용액내 모노클로라민 및 디클로라민의 함량을 각각 산출하는 단계(IV); 및
상기 IV단계에서 산출된 모노클로라민 및 디클로라민의 함량을 하기의 식에 대입하여 암모니아성질소의 함량을 산출하는 단계(v)를 포함하는 것인 방법:
NH₃-N = 0.272 {모노클로라민의 함량 + (0.598 X 디클로라민의 함량)}.
제1항에 있어서, 수용액내 유리잔류염소의 함량은 N,N-디에틸페닐렌디아민(DPD)을 사용하여 측정되는 것인 방법.
제1항에 있어서, 수용액내 유리잔류염소와 모노클로라민의 합량은 요오드칼륨(KI)을 사용하여 측정되는 것인 방법.
제1항에 있어서, 수용액내 유리잔류염소, 모노클로라민 및 디클로라민의 합량은 N,N-디에틸페닐렌디아민(DPD)을 사용하여 측정되는 것인 방법.
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