KR101307971B1 - 무촉매 열연소 산화법을 기반으로 하는 총유기 탄소 및 총질소 함유량 측정 장치 - Google Patents
무촉매 열연소 산화법을 기반으로 하는 총유기 탄소 및 총질소 함유량 측정 장치 Download PDFInfo
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Abstract
무촉매 열연소 산화법을 기반으로 하는 총유기 탄소 및 총질소 함유량 측정 장치가 개시된다. 본 발명에 따른 무촉매 열연소 산화법을 기반으로 하는 총유기 탄소 및 총질소 함유량 측정 장치는 측정 시료에 포함되어 있는 탄소 성분을 CO2로 산화시키고 모든 질소화합물들을 NO2로 산화, 변환시키는 방식을 적용하고 있는 무촉매 열연소 산화법을 기반으로 하는 총유기 탄소 및 총질소 함유량 측정 장치에 있어서, 전 시료 영향을 최소화하기 위해 운반가스(Carrier Gas: 100)를 동반하고 3 방향 순환밸브(102) 및 순환 세척을 위하여 순환 경로상의 밸브를 제어하는 순환 세척 제어부(104)를 구비하여 시료 주입 라인에 대한 순환 세척을 수행하는 순환 세척 장치(10)와, 주사기 형태를 가지며 반응기의 내부로 측정 시료수를 연속적으로 정량 주입하는 시료 주입 장치(11)와, 원통형의 몸체를 구비하고 상기 몸체의 하부는 하단으로 갈수록 좁아지는 튜브 형태로 이루어지는 리액터(120)와, 상기 리액터(120)의 내부에 삽입되고 그 하단에는 세라믹 볼(122)이 아래로 흘러 떨어지지 않도록 하면서 기화된 가스는 빠져 나갈 수 있도록 하기 위한 것으로 세라믹 볼(122)의 직경보다 작은 다수의 관통홀(124)이 형성된 시브(126)가 설치되는 원통형의 프로텍션 튜브(128)와, 상기 원통형의 프로텍션 튜브(128)에 충진되는 세라믹 볼(122), 및 프로텍션 튜브(128)내의 온도를 섭씨 1,200 ± 200℃로 조절하는 히터(130)와 상기 히터(130)에 전류를 공급하는 온도 조절 장치로 이루어지는 무촉매 열연소 산화 반응기(12)와, 기화된 수분 및 질소산화물을 냉각시켜주는 냉각부(13)와, 상기 냉각부(13)에 의하여 냉각됨으로써 응축된 수분을 배출하는 배출 장치(14)와, 운반가스(100)의 오염물질을 제거하기 위한 필터 장치(101), 및 산화된 질소산화물 및 총유기탄소를 검출하는 검출기(15)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 무촉매 열연소 산화법을 기반으로 하는 총유기 탄소 및 총질소 함유량 측정 장치에 관한 것으로, 특히 화학물질이나 금속 촉매를 사용하지 않아 유지보수 비용 부담이 거의 없으며 전 시료 영향을 제거하여 빠른 연속 측정이 가능하며 측정 정밀도가 향상된 무촉매 열연소 산화법을 기반으로 하는 총유기 탄소 및 총질소 함유량 측정 장치에 관한 것이다.
질소의 순환 과정 중에 대기에서 고정화되는 질소량과 질산성 질소가 질소가스로서 대기 중으로 돌아가는 양은 원래, 자연의 기본적인 순환과정으로서 균형을 이루고 있었으나, 현재에는 대규모로 화학비료를 사용하고, 화석연료를 연소하는 등의 인간 활동에 의하여 다량의 질소가 축적되고 있다.
환경에 과잉으로 축적된 질소는 그 형태를 변화시켜 가면서 토양이나 강, 하천 등을 경유하여 바다로 유출되는데 이러한 질소는 물속의 생물 특히, 플랑크톤이나 식물이 성장함에 있어 기본적으로 요구되는 필수 영양소이기 때문에 호수나 강, 하천, 해역에 과잉으로 들어오면 부영양화가 진행되고 플랑크톤이 급격히 증식함에 따라 나타나는 녹조나 적조 현상 등에 의한 독성이나 부패 등의 문제를 일으킨다. 또한 플랑크톤의 대량 증식은 수중의 산소를 다량으로 소비하기 때문에 저층의 빈산소화를 유발하여 저서생물의 폐사까지 이르게 한다.
이와 같은 부영양화나 빈산소화는 부착 조류 및 유해한 수생식물의 증가를 야기하고 이로써 발생되는 악취로 인하여 호수나 강, 하천, 해역의 미관상 가치를 떨어뜨리고, 강이나 하천의 물을 수도원수로 사용할 경우에는 수돗물을 생산할 때, 생산 라인에 이물질의 부착이나 여과 장치를 손상시킬 수 있으므로 음용 시에 불쾌한 냄새의 원인이 되기도 한다. 또한, 호수나 강, 하천, 해역에 존재하는 다양한 어류 및 플랑크톤, 수생 식물들의 폐사 원인이 되고 이러한 어류, 플랑크톤 및 수생 식물들이 폐사될 때 급속히 분해부패되어 악취를 발생시키고 다량의 용존 산소를 소비하게 되는데 이를 기반으로 조류나 유해한 수생 식물들이 급격히 증식하는 악순환이 반복되므로 수질을 더욱 악화시킨다.
상기 부영양화나 빈산소화에 따른 조류나 유해한 수생 식물들의 증식에는 탄소화합물(무기탄소, 유기탄소) 외에 질소(N), 인(P), 칼륨(K), 나트륨(Na), 칼슘(Ca), 황(S) 등의 염류를 필요로 하고, 철(Fe), 구리(Cu), 아연(Zn), 마그네슘(Mg), 망간(Mn), 코발트(Co) 등의 전이금속의 착염들도 필요한 경우가 있으나 그 양은 미미하므로, 상기 탄소화합물(무기탄소, 유기탄소)와 인(P)을 제외하면 비교적 다량으로 필요로 하는 성분은 질소(N)이다.
따라서, 현재는 호수나 강, 하천, 해역의 자정능력을 감안하여 지속적인 수질관리를 하고 있으며 호수나 강, 하천, 해역으로 배출되는 처리수에 포함되어 있는 질소의 양을 측정하기 위하여 자외선 흡광광도법이나 금속촉매 열연소 산화법을 적용한 수질측정 장치들이 사용되고 있다.
하지만, 종래의 흡광광도법이 적용된 총질소 측정 장치는 측정 시료를 준비하는 과정에서 가열 및 여러 단계의 전처리 공정을 거침으로 인해 측정시간이 길고 10ppm의 브롬이온이나 0.1ppm의 크롬과 같은 유리이온들에 의해 측정 데이터가 영향을 받고 해수와 같은 시료에는 적용할 수 없을 뿐만 아니라 금속염, 강산, 강염기 등과 같은 다량의 독성 화학물질들을 사용하기 때문에 측정 후 2차 환경오염을 발생시키는 문제점들이 있다.
또 다른 종래 방식인 금속 촉매를 사용한 열연소 산화법이 적용된 총질소 측정 장치는 백금등과 같은 고가의 금속 촉매를 사용하고 있고 이러한 고가의 금속 촉매들이 시료 내에 들어있는 산이나 염기, 무기염 등의 다양한 물질들에 의해 점차 부식되고 부식된 촉매에 직접 시료가 부착하게 되어 촉매의 열화가 진행되기 때문에 정확한 측정값이 얻어지지 않게 되거나 촉매의 사용 시간이 줄어들어 고가의 촉매를 자주 교환해 주어야 하므로 유지보수 비용이 크게 증가한다, 또한, 상기 금속 촉매 산화 방식은 촉매를 사용하기 때문에 촉매 산화 반응기의 온도를 비교적 낮은 600 ~ 1,000℃로 유지하고도 산화 반응을 유지할 수 있다는 장점은 있으나 시간이 지날수록 촉매 산화 반응기 내에 염분이 쌓이게 되는 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 개발된 것으로 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는
특히 화학물질이나 금속 촉매를 사용하지 않아 유지보수 비용 부담을 줄일 수 있으면서도 전 시료 영향을 제거하여 정확하면서도 빠른 연속 측정이 가능한 무촉매 열연소 산화법을 기반으로 하는 총유기 탄소 및 총질소 함유량 측정 장치를 제공하는 것이다.
상기 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명에 따른 무촉매 열연소 산화법을 기반으로 하는 총유기 탄소 및 총질소 함유량 측정 장치는,
측정 시료에 포함되어 있는 탄소 성분을 CO2로 산화시키고 모든 질소화합물들을 NO2로 산화, 변환시키는 방식을 적용하고 있는 무촉매 열연소 산화법을 기반으로 하는 총유기 탄소 및 총질소 함유량 측정 장치로서,
전 시료 영향을 최소화하기 위해 운반가스(Carrier Gas: 100)를 동반하고 3 방향 순환밸브(102) 및 순환 세척을 위하여 순환 경로상의 밸브를 제어하는 순환 세척 제어부(104)를 구비하여 시료 주입 라인에 대한 순환 세척을 수행하는 순환 세척 장치(10)와;
주사기 형태를 가지며 무촉매 열연소 산화 반응기의 내부로 측정 시료수를 연속적으로 정량 주입하는 시료 주입 장치(11)와;
상기 시료 주입 장치(11)로부터 시료를 공급받는 것으로 원통형의 몸체를 구비하고 상기 몸체의 하부는 하단으로 갈수록 좁아지는 튜브 형태로 이루어지는 리액터(120)와, 상기 리액터(120)의 내부에 삽입되고 그 하단에는 세라믹 볼(122)이 아래로 흘러 떨어지지 않도록 하면서 기화된 가스는 빠져 나갈 수 있도록 하기 위한 것으로 세라믹 볼(122)의 직경보다 작은 다수의 관통홀(124)이 형성된 시브(126)가 설치되는 원통형의 프로텍션 튜브(128)와, 상기 원통형의 프로텍션 튜브(128)에 충진되는 세라믹 볼(122), 및 프로텍션 튜브(128)내의 온도를 섭씨 1,200 ± 200℃로 조절하는 히터(130)와 상기 히터(130)에 전류를 공급하는 온도 조절 장치로 이루어지는 무촉매 열연소 산화 반응기(12)와;
기화된 수분 및 질소산화물을 냉각시켜주는 냉각부(13)와;
상기 냉각부(13)에 의하여 냉각됨으로써 응축된 수분을 배출하는 배출 장치(14)와;
운반가스(100)의 오염물질을 제거하기 위한 필터 장치(101); 및
산화된 질소산화물 및 총유기탄소를 검출하는 검출기(15);를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 시료 주입 장치(11)는,
장치 내부로 유입시킬 것인지 외부로 주입시킬 것인지를 절환시키는 절환부(110)와;
상기 절환부(110)에 의하여 유입 또는 주입될 시료를 가두는 공간부(112)와;
상기 공간부(112)를 따라 승하강함으로써 내부로 유입 또는 외부로 주입하기 위한 외력을 제공하는 피스톤(114); 및
상기 피스톤(114)을 승하강 시키는 구동부(116)을 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 순환 세척 제어부(104)는,
운반 가스 밸브를 닫는 과정(S300);
증류수 밸브 및 증류수가 통과되어질 경로상의 밸브들을 여는 과정(S302);
증류수 밸브를 닫는 과정(S304);
운반 가스 밸브를 열어 증류수를 밀어주는 과정(S306);
운반 가스 밸브를 닫는 과정(S308);
시료수 밸브 및 시료수가 통과되어질 경로상의 밸브들을 여는 과정(S310); 및
운반 가스 밸브를 열어 시료수를 밀어 넣어주는 과정(S312);를 수행하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 세라믹 볼은 상기 프로텍션 튜브에 충진될 때 그 직경이 서로 다른 복수개의 층을 이루는 것이 보다 바람직하다.
또한, 상기 세라믹볼(122)의 최상부 또는 중간부 일정 위치에 완충용 시브(123)가 추가로 설치된 것이 보다 바람직하다.
본 발명에 따른 무촉매 열연소 산화법을 기반으로 하는 총유기 탄소 및 총질소 함유량 측정 장치는 총유기탄소와 총질소를 측정하는 것이 가능하며 특히 총질소를 측정하는데 있어서 종래의 흡광 광도법을 적용한 총질소 측정 장치가 전 시료의 영향을 크게 받으면서 시료의 정량 주입이 어렵고, 균일한 측정값을 얻을 수 없고, 측정 시에 과량 사용하기 때문에 화학 약품 사용 비용의 증가 및 측정 후에 2차 환경오염을 발생시키는 문제점이 있고, 또 다른 방식인 금속촉매 열연소 산화법을 적용한 총질소 측정 장치는 고가의 금속 촉매를 사용하여 산화 반응기의 온도를 600 ~ 1,000℃로 유지하기 때문에 시간이 지날수록 내부에 불완전 연소된 불순물이나 염분이 축적되므로써 장치의 성능이 저하되는 문제점이 있는 것을 해결하여, 순환 세척 장치와 시료 주입 장치 및 열연소 산화 반응기 내부에서 1,200± 200℃로 고온을 일정하게 유지할 수 있도록 하는 여러 층의 세라믹 볼(기능성 세라믹)이 충진된 산화 반응기를 사용함으로써 다량의 독성 화학약품을 사용하지 않아 측정 후 2차 환경 오염의 문제가 없을 뿐만 아니라 백금과 같은 고가의 금속 촉매를 사용하지 않기 때문에 유지 보수 비용 부담도 획기적으로 개선한다.
또한, 본 발명에 따르면 측정값에 영향을 줄 수 있는 불순물이나 염분이 산화 반응기 내부에서 결정을 형성하거나 축적되지 않도록 하고 질소의 산화를 촉진시켜 완전 연소를 가능하게 함으로써 해수와 같은 시료에 대해서도 정확하게 총질소를 연속적으로 측정하는 것이 가능하다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 무촉매 열연소 산화법을 기반으로 하는 총유기 탄소 및 총질소 함유량 측정 장치의 구조를 나타낸 블록도,
도 2는 도 1의 총유기 탄소 및 총질소 함유량 측정 장치에 구비되는 특징적인 구성 요소인 주사기형 시료 주입부의 구조를 나타낸 단면도,
도 3은 도 1의 총유기 탄소 및 총질소 함유량 측정 장치에 구비되는 특징적인 구성 요소인 순환 세척 제어부의 제어 수순의 일 예를 나타낸 흐름도,
도 4는 도 1의 총유기 탄소 및 총질소 함유량 측정 장치에 구비되는 가열로(furnace)의 구조의 일예를 나타낸 분해사시도,
도 5는 도 4의 조립 완성 상태도, 및
도 6은 도 4의 가열로에 각기 다른 직경을 가지는 세라믹 볼을 장착한 상태를 나타낸 도면.
도 2는 도 1의 총유기 탄소 및 총질소 함유량 측정 장치에 구비되는 특징적인 구성 요소인 주사기형 시료 주입부의 구조를 나타낸 단면도,
도 3은 도 1의 총유기 탄소 및 총질소 함유량 측정 장치에 구비되는 특징적인 구성 요소인 순환 세척 제어부의 제어 수순의 일 예를 나타낸 흐름도,
도 4는 도 1의 총유기 탄소 및 총질소 함유량 측정 장치에 구비되는 가열로(furnace)의 구조의 일예를 나타낸 분해사시도,
도 5는 도 4의 조립 완성 상태도, 및
도 6은 도 4의 가열로에 각기 다른 직경을 가지는 세라믹 볼을 장착한 상태를 나타낸 도면.
이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 보다 상세히 설명하기로 한다.
도 1에는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 무촉매 열연소 산화법을 기반으로 하는 총유기 탄소 및 총질소 함유량 측정 장치의 구조를 블록도로써 나타내었다. 도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 무촉매 열연소 산화법을 기반으로 하는 총유기 탄소 및 총질소 함유량 측정 장치는 측정 시료에 포함되어 있는 탄소 성분을 CO2로 산화시키고 모든 질소화합물들을 NO2로 산화, 변환시키는 방식을 적용하고 있는 무촉매 열연소 산화법을 기반으로 하는 총유기 탄소 및 총질소 함유량 측정 장치로서,
전 시료 영향을 최소화하기 위해 운반가스(Carrier Gas: 100)를 동반하고 3 방향 순환밸브(102) 및 순환 세척을 위하여 순차적으로 순환 경로상의 밸브를 제어하는 순환 세척 제어부(104)를 구비하여 시료 주입 라인에 대한 순환 세척을 수행하는 순환 세척 장치(10)와,
주사기 형태를 가지며 무촉매 열연소 산화 반응기의 내부로 측정 시료수를 연속적으로 정량 주입하는 시료 주입 장치(11)와,
상기 시료 주입 장치(11)로부터 시료를 공급받는 것으로 원통형의 몸체를 구비하고 상기 몸체의 하부는 하단으로 갈수록 좁아지는 튜브 형태로 이루어지는 리액터(120)와, 상기 리액터(120)의 내부에 삽입되고 그 하단에는 세라믹 볼(122)이 아래로 흘러 떨어지지 않도록 하면서 기화된 가스는 빠져 나갈 수 있도록 하기 위한 것으로 세라믹 볼(122)의 직경보다 작은 다수의 관통홀(124)이 형성된 시브(126)가 설치되는 원통형의 프로텍션 튜브(128)와, 상기 원통형의 프로텍션 튜브(128)에 충진되는 세라믹 볼(122), 및 프로텍션 튜브(128)내의 온도를 섭씨 1,200 ± 200℃로 조절하는 히터(130)와 상기 히터(130)에 전류를 공급하는 온도 조절 장치로 이루어지는 무촉매 열연소 산화 반응기(12)와,
기화된 수분 및 질소산화물을 냉각시켜주는 냉각부(13)와,
상기 냉각부(13)에 의하여 냉각됨으로써 응축된 수분을 배출하는 배출 장치(14)와,
운반가스(100)의 오염물질을 제거하기 위한 필터 장치(101), 및
산화된 질소산화물 및 총유기탄소를 검출하는 검출기(15)를 포함하여 이루어진다.
상기 장치를 이용하여 TOC 및 TN을 측정하기 위해서 먼저 측정하고자 하는 시료를 펌프를 사용하여 시료 저장 용기로 이동시킨다. 시료를 이동시킨 후에 일정한 양을 연속적으로 유입하고 배출이 가능한 주사기 형태의 시료 주입 장치를 사용하여 정량을 유입하고 필터장치를 통과한 운반가스를 동반하여 전 시료 영향을 최소화하기 위해 장착된 순환 세척 라인을 통해 시료 주입 라인을 여러 차례 세척한다. 다음으로, 다시 측정 시료를 정량 유입하여 무촉매 열연소 산화 반응기 내부에 주입한다.
주입된 시료는 가열 장치를 사용하여 1,200± 200 ℃ 로 조절되어 있는 무촉매 열연소 산화 반응기의 내부에 장착되어 있는 원통형의 프로텍션 튜브[세라믹 볼(기능성 세라믹)이 여러 층으로 충진되어 있고 그 하단에 세라믹 시브가 설치되어 있음]를 지나면서 수분과 모든 질소화합물 및 유기탄소는 연소되고 산화된다. 무촉매 열연소 산화 반응기를 빠져나온 기화된 수분과 질소산화물 및 유기탄소들은 4℃로 일정하게 유지되어 있는 냉각장치의 냉각관으로 통해 흐르면서 냉각되어 수분은 배출 라인을 통해 배출되고 질소산화물은 운반가스(Carrier Gas)와 함께 제습 장치 및 가스 여과 장치를 거쳐 전기화학 검출기로 이동하여 흐르면서 검출되어 총질소 및 총유기탄소 측정값이 얻어진다.
도 2에는 도 1의 총유기 탄소 및 총질소 함유량 측정 장치에 구비되는 특징적인 구성 요소인 주사기형 시료 주입부의 구조를 단면도로써 나타내었다. 도 2를 참조하면, 시료 주입 장치(11)는,
장치 내부로 유입시킬 것인지 외부로 주입시킬 것인지를 절환시키는 절환부(110)와,
상기 절환부(110)에 의하여 유입 또는 주입될 시료를 가두는 공간부(112)와,
상기 공간부(112)를 따라 승하강함으로써 내부로 유입 또는 외부로 주입하기 위한 외력을 제공하는 피스톤(114), 및
상기 피스톤(114)을 승하강 시키는 구동부(116)을 포함하여 이루어진다.
이러한 시료 주입 장치는 순환 세척 장치와 함께 결합되면서 무촉매 열연소 산화 반응기(12)의 내부로 측정 시료수를 동일한 양으로 연속적으로 정량 주입하여 무촉매 열연소 산화 반응기(12)내에서 시료수에 포함된 성분을 산화시켜 검출기(15)에서 산화된 총유기탄소 또는 질소산화물의 양을 주사기 형태로 정량 주입함에 따라 정확한 양을 측정할 수 있고 순환 세척에 의하여 연속적으로 검출하게 될 수 있다는 것에 주목할 필요가 있다.
한편, 본 발명에 따른 무촉매 열연소 산화법을 기반으로 하는 총유기 탄소 및 총질소 함유량 측정 장치는 순환 세척 장치(10)를 구비하며, 상기 순환 세척 장치(10)는 전 시료 영향을 최소화하기 위해 운반가스(Carrier Gas: 100)를 동반하고 3 방향 순환밸브(102) 및 순환 세척을 위하여 순환 경로상의 밸브를 제어하는 순환 세척 제어부(104)를 구비하여 시료 주입 라인에 대한 순환 세척을 수행한다. 이러한 밸브 제어를 위하여 n을 시료 주입 라인에 구비되는 밸브의 갯수라 할 때 밸브 제어 신호(C1 ~ Cn)를 순차적으로 출력하여 해당 밸브들이 열리거나 닫히도록 제어한다. 이로써, 측정이 시작되기 전에 운반 가스(100)를 시료 주입 라인으로 통과시켜 배출시킴으로써 전 측정에서의 시료에 의한 오염을 제거한다.
도 3에는 도 1의 총유기 탄소 및 총질소 함유량 측정 장치에 구비되는 특징적인 구성 요소인 순환 세척 제어부의 제어 수순의 일 예를 흐름도로써 나타내었다. 도 3을 참조하면, 먼저 운반 가스 밸브를 닫고(단계 S300), 증류수 밸브를 열어(단계 S302) 시료 주입 장치(11) 전단의 시료 주입 라인을 따라 증류수가 시료 주입 장치(11)로 유입되도록 한다. 다음으로, 증류수 밸브를 닫고(단계 S304), 운반가스 밸브를 열어(단계 S306) 시료 주입 장치(11)내에 유입된 증류수를 무촉매 열연소 산화 장치(12)쪽으로 밀어 넣는다. 이러한 단계(S300 ~ S306)은 여러차례 반복하도록 설정할 수 있다.
또한 본 발명의 장치에 구비되는 순환 세척 장치(10)의 순환 세척 제어부(104)는 증류수가 차있는 시료 주입 장치(11)와 밸브들 및 주입 라인을 측정할 시료수로 완충시키는 과정을 수행하기 위하여 운반 가스 밸브를 닫고(단계 S308), 시료수 밸브를 열어(단계 S301) 시료 주입 장치(11) 전단의 시료 주입 라인을 따라 시료수가 시료 주입 장치(11)로 유입되도록 한다. 다음으로, 시료수 밸브를 닫고(단계 S310), 운반가스 밸브를 열어(단계 S312) 시료 주입 장치(11)내에 유입된 시료수를 무촉매 열연소 산화 장치(12)쪽으로 밀어 넣는다. 이러한 단계(S308 ~ S312) 역시 여러 차례 반복하도록 설정할 수 있다.
도 4 및 도 5에는 도 1의 총질소 함유량 측정 장치에 구비되는 열연소 산화 반응기를 나타내었으며, 도 4 및 도 5를 참조하면, 무촉매 열연소 산화 반응기(12)는 상기 시료 주입 장치(11)로부터 시료를 공급받는 것으로 원통형의 몸체를 구비하고 상기 몸체의 하부는 하단으로 갈수록 좁아지는 튜브 형태로 이루어지는 리액터(120)와, 상기 리액터(120)의 내부에 삽입되고 그 하단에는 세라믹 볼(122)이 아래로 흘러 떨어지지 않도록 하면서 기화된 가스는 빠져 나갈 수 있도록 하기 위한 것으로 세라믹 볼(122)의 직경보다 작은 다수의 관통홀(124)이 형성된 시브(126)가 설치되는 원통형의 프로텍션 튜브(128)와, 상기 원통형의 프로텍션 튜브(128)에 충진되는 세라믹 볼(122), 및 프로텍션 튜브(128)내의 온도를 섭씨 1,200 ± 200 ℃로 조절하는 히터(130)와 상기 히터(130)에 전류를 공급하는 온도 조절 장치(미도시)로 이루어진다.
본 발명에 따르면 일반적으로 백금 촉매를 사용하는 시스템에서 사용하는 온도인 800 ~ 1,000℃ 보다는 높은 1,200 ± 200 ℃로 설정되어 운영되나 세라믹 볼(400)에 의하여 열을 받는 표면적을 증가시켜 촉매를 사용하지 아니하고도 충분한 산화가 이루어져 소기의 목적을 달성할 수 있는 것임에 주목할 필요가 있다.
도 6에는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 무촉매 열연소 산화 방식의 총질소 함유량 측정 장치의 산화 반응기의 구조를 단면도로 나타내었다. 도 6을 참조하면, 본 발명에 따른 무촉매 열연소 산화 방식의 총질소 함유량 측정 장치는 세라믹 볼이 상기 프로텍션 튜브의 바닥에 깔리어진 제1 세라믹 볼이 가장 입자 크기가 크며, 그 상부층에 깔리는 제2 세라믹 볼은 바닥에 깔리어진 제1 세라믹 볼에 비히여 입자 크기가 작아지고, 그 상부층에 깔리는 제3 세라믹 볼는 제2 세라믹 볼에 비하여 입자 크기가 작아진다. 다음으로 최상부에 깔리어지는 제4 세라믹 볼은 제3 세라믹 볼의 입자 크기에 비하여 작게 된다.
상기와 같은 본 발명에 따른 무촉매 열연소 산화 방식의 총질소 함유량 측정 장치는 종래의 금속 촉매 방식이 산화 반응기의 온도를 600 ~ 1,000℃로 유지하는 것에 비하여 1,200± 200℃로 온도를 높게 유지하고 세라믹 볼을 프로텍션 튜브내에 삽입함으로써 백금과 같은 촉매를 사용하지 않으면서도 온도가 균일하게 프로텍션 튜브내에서 분포되도록 하여 염분과 같은 불순물이 결정을 형성하지 않도록 하고 연소를 촉진시켜 큰 편차없이 TOC 뿐만 아니라 TN 측정에 문제가 없다.
상기와 같은 본 발명에 따른 무촉매 열연소 산화 방식의 총질소 함유량 측정 장치는 촉매를 사용하지 않고 1,200± 200℃ 정도의 고온이 고르게 분포할 수 있도록 하여 연소가 완전히 이루어지고 내부에서 염분과 같은 불순물이 응결되지 않는 특징을 갖는 장치로써 유지 보수에 대한 비용 부담이 거의 없고 측정 데이터는 기존의 촉매 방식과 별다른 차이가 없다.
한편, 측정 시료수가 니들(needle)을 통하여 투입될 때 상기 측정 시료수를 에어를 사용하여 밀어주는 과정에서 측정값에 변동이 발생할 수 있다. 이를 방지하기 위하여 상기 세라믹볼(122)의 최상부 또는 중간부 일정 위치에 완충용 시브(123)가 추가로 설치되는 것이 보다 바람직하다. 이러한 완충용 시브(123)가 설치되면 니들을 통하여 에어로 밀어주면서 측정시료수를 분출할 때 상기 완충용 시브(123)가 에어의 흐름을 완충해주어 측정값이 변동되지 않도록 한다. 에어의 영향을 가장 많이 받는 곳은 세라믹볼(122)의 최상부이나 필요에 따라 중간부 일정 위치에도 추가로 설치할 수 있을 것이다.
10 : 순환 세척 장치
100 : 운반가스 101 : 필터
102 : 3 방향 순환밸브 104 : 순환 세척 제어부
11 : 시료 주입 장치
110 : 절환부 112 : 공간부
114 : 피스톤 116 : 구동부
12: 무촉매 열연소 산화 반응기
120 : 리액터 122 : 세라믹 볼
123 : 완충용 시브
124 : 다수의 관통홀 126 : 시브
128 : 프로텍션 튜브 130 : 히터
13 : 냉각부
14 : 배출 장치
15 : 검출기
100 : 운반가스 101 : 필터
102 : 3 방향 순환밸브 104 : 순환 세척 제어부
11 : 시료 주입 장치
110 : 절환부 112 : 공간부
114 : 피스톤 116 : 구동부
12: 무촉매 열연소 산화 반응기
120 : 리액터 122 : 세라믹 볼
123 : 완충용 시브
124 : 다수의 관통홀 126 : 시브
128 : 프로텍션 튜브 130 : 히터
13 : 냉각부
14 : 배출 장치
15 : 검출기
Claims (5)
- 측정 시료에 포함되어 있는 탄소 성분을 CO2로 산화시키고 모든 질소화합물들을 NO2로 산화, 변환시키는 방식을 적용하고 있는 무촉매 열연소 산화법을 기반으로 하는 총유기 탄소 및 총질소 함유량 측정 장치에 있어서,
전 시료 영향을 최소화하기 위해 운반가스(Carrier Gas: 100)를 동반하고 3 방향 순환밸브(102) 및 순환 세척을 위하여 순환 경로상의 밸브를 제어하는 순환 세척 제어부(104)를 구비하여 시료 주입 라인에 대한 순환 세척을 수행하는 순환 세척 장치(10);
주사기 형태를 가지며 무촉매 열연소 산화 반응기의 내부로 측정 시료수를 연속적으로 정량 주입하는 시료 주입 장치(11);
상기 시료 주입 장치(11)로부터 시료를 공급받는 것으로 원통형의 몸체를 구비하고 상기 몸체의 하부는 하단으로 갈수록 좁아지는 튜브 형태로 이루어지는 리액터(120)와, 상기 리액터(120)의 내부에 삽입되고 그 하단에는 세라믹 볼(122)이 아래로 흘러 떨어지지 않도록 하면서 기화된 가스는 빠져 나갈 수 있도록 하기 위한 것으로 세라믹 볼(122)의 직경보다 작은 다수의 관통홀(124)이 형성된 시브(126)가 설치되는 원통형의 프로텍션 튜브(128)와, 상기 원통형의 프로텍션 튜브(128)에 충진되는 세라믹 볼(122), 및 프로텍션 튜브(128)내의 온도를 섭씨 1,200 ± 200℃로 조절하는 히터(130)와 상기 히터(130)에 전류를 공급하는 온도 조절 장치로 이루어지는 무촉매 열연소 산화 반응기(12);
기화된 수분 및 질소산화물을 냉각시켜주는 냉각부(13);
상기 냉각부(13)에 의하여 냉각됨으로써 응축된 수분을 배출하는 배출 장치(14);
운반가스(100)의 오염물질을 제거하기 위한 필터 장치(101); 및
산화된 질소산화물 및 총유기탄소를 검출하는 검출기(15);를 포함하고
상기 시료 주입 장치(11)는,
장치 내부로 유입시킬 것인지 외부로 주입시킬 것인지를 절환시키는 절환부(110);
상기 절환부(110)에 의하여 유입 또는 주입될 시료를 가두는 공간부(112);
상기 공간부(112)를 따라 승하강함으로써 내부로 유입 또는 외부로 주입하기 위한 외력을 제공하는 피스톤(114); 및
상기 피스톤(114)을 승하강 시키는 구동부(116)을 포함하는 것을 특징으로 하는 무촉매 열연소 산화법을 기반으로 하는 총유기 탄소 및 총질소 함유량 측정 장치. - 삭제
- 제1항에 있어서, 상기 순환 세척 제어부(104)는,
운반 가스 밸브를 닫는 과정(S300);
증류수 밸브 및 증류수가 통과되어질 경로상의 밸브들을 여는 과정(S302);
증류수 밸브를 닫는 과정(S304);
운반 가스 밸브를 열어 증류수를 밀어주는 과정(S306);
운반 가스 밸브를 닫는 과정(S308);
시료수 밸브 및 시료수가 통과되어질 경로상의 밸브들을 여는 과정(S310); 및
운반 가스 밸브를 열어 시료수를 밀어 넣어주는 과정(S312);를 수행하는 것을 특징으로 하는 무촉매 열연소 산화법을 기반으로 하는 총유기 탄소 및 총질소 함유량 측정 장치. - 제1항에 있어서, 상기 세라믹 볼은 상기 프로텍션 튜브에 충진될 때 그 직경이 서로 다른 복수개의 층을 이루는 것을 특징으로 하는 무촉매 열연소 산화법을 기반으로 하는 총유기 탄소 및 총질소 함유량 측정 장치.
- 제1항, 제3항, 또는 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 세라믹볼(122)의 최상부 또는 중간부 일정 위치에 완충용 시브(123)가 추가로 설치된 것을 특징으로 하는 총유기 탄소 및 총질소 함유량 측정 장치.
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2013
- 2013-03-20 KR KR1020130029646A patent/KR101307971B1/ko active IP Right Grant
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