KR101631186B1 - 선택적 전극 활성화를 통한 수질오염물질 동시 검출 장치 및 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 측정할 물이 일정 경로로 흐르도록 하는 수 흐름 경로를 구비하고, 하나 이상의 반응센서 및 다수의 오염물질 측정센서들이 상기 수 흐름 경로 상에 순차적으로 구성되는 측정셀로 유입되는 물에서 상기 반응센서를 통해 산화환원 전류량을 측정하여 오염물질을 검출 및 분류하고, 분류된 오염물질에 대응하는 측정센서를 선택으로 활성화하여 동시에 물의 오염물질을 검출하는 선택적 전극 활성화를 통한 수질오염물질 동시 검출 장치 및 방법에 관한 것이다.
Description
본 발명은 수질 내 오염물질 검출 장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 반응센서에 의해 물의 오염도를 측정할 오염물질의 유무 및 오염물질 종류를 검출하고 검출된 오염물질에 대응하는 측정센서를 선택적으로 활성화하여 오염물질의 오염도를 측정하는 선택적 전극 활성화를 통한 수질오염물질 동시 검출 장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로 하천수, 호소수, 상수원수, 저수지, 지하수 등의 수역, 정수장, 수영장 등의 수 시설 등에 대해 설정되어진 환경기준이나 물(이하 "물"을 "수", "워터"등의 용어와 혼용하여 사용 함)의 이용 목적을 만족시키기 위해 수질관리를 수행한다.
수질관리를 수행하기 위해서는 물에 포함되어 있는 미량의 물질들을 검출하고, 검출된 물질들이 얼마나 포함되어 있는지를 측정하여야 한다.
다종의 미량 물질을 정량적으로 측정하기 위한 방법으로는 크로마토그래피(Gel Permeation Chromatography(GPC), Gas Chromatography(GC), High Performance Liquid Chromatography(HPLC) 등), 유도 플라즈마 분광법(ICP-MS), 원자방출분광법(AES) 등의 분광광도법 등이 있다.
그러나 상술한 방법들은 긴 분석시간과 전문 분석 인력을 필요로 할 뿐만 아니라 고가의 분석장비를 필요로 하고, 이러한 분석장비를 유지하는 데 많은 비용이 소요되는 문제점이 있다.
이러한 이유로 최근에는 전기화학적 분석방법을 적용하는 추세이다. 전기화학적 분석방법은 경제성, 비교적 짧은 분석시간, 높은 정확도 등으로 다양한 분야에서 이용되고 있다. 특히, 혈당센서, 바이오마커, 특정유해물질 검출 등 단일 물질의 측정에 많이 상용되고 있으나, 전기화학적 분석에 사용되는 대부분의 측정센서는 일회성의 장비로 사용되고 있다.
또한, 전기화학 센서는 검출하려는 종에 따라 측정전극표면에 다양하게 전극 개질을 변성시켜 전극의 감도를 높이고 검출의 선택성을 높일 수 있다. 하지만 센서전극에 전착시키는 물질, 변성방법, 전기화학측정방법에 따라 센서의 수명이 결정되므로 그의 수명을 극대화 시킬 수 있는 방안이 요구되어지고 있다.
또한, 전기화학적 방법을 이용하여 다종의 물질의 정량적 분석이 가능한 장치가 개발되었으나, 이는 채수 후 하나의 센서로 다종의 물질을 측정함으로써 검출 피크(Peak)들 사이의 간섭으로 인하여 분석 감도, 정확도 및 재현성이 떨어지는 문제점이 있다.
따라서 본 발명의 목적은 오염도를 측정할 물(이하 "측정할 물"을 "측정수", "시료", "샘플수" 등의 용어와 혼용하여 사용 함)이 일정 경로로 흐르도록 하는 수 흐름 경로를 구비하고, 하나 이상의 반응센서 및 다수의 오염물질 측정센서들이 상기 수 흐름 경로 상에 순차적으로 구성되는 측정셀로 유입되는 물에서 상기 반응센서를 통해 산화환원 전류량을 측정하여 오염물질을 검출 및 분류하고, 분류된 오염물질에 대응하는 측정센서를 선택으로 활성화하여 오염물질을 검출하는 선택적 전극 활성화를 통한 수질오염물질 동시 검출 장치 및 방법을 제공함에 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 선택적 전극 활성화를 통한 수질오염물질 통시 검출 장치는: 측정할 물이 소정 패턴으로 흐르는 경로를 형성하는 수 흐름 경로를 포함하는 측정셀; 및 상기 수 흐름 경로를 따라 흐르는 물에 닿도록 상기 수 흐름 경로에 결합되는 반응센서 및 측정센서를 구비하되, 상기 반응센서 및 측정센서 순으로 결합되어 상기 수 흐름 경로로 유입되는 물에서 상기 반응센서를 통해 측정된 산화환원전류값에 미리 설정된 정상범위 이상의 변화가 발생되는 경우 상기 변화를 가지는 산화환원전류값 측정 시 상기 반응센서로 공급된 산화환원공급전원값에 의해 오염물질을 검출 및 분류하고, 분류된 오염물질에 대응하는 측정센서를 선택으로 활성화한 후 오염물질을 검출하여 출력하는 수질오염물질 측정모듈을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 측정셀은, 측정할 물이 유입되는 수 유입구, 센서 결합구 및 상기 물을 배출하는 수 배출구를 구비하는 본체; 및 상기 본체의 수 유입구와 연결되고 상기 센서 결합구를 경유하여 상기 수 배출구에 연결되어 상기 패턴을 형성하는 상기 수 흐름 경로를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 수질오염물질 측정모듈은, 유입되는 물의 유입부에 반응센서를 구비하고 유입되는 물에 잠긴 상기 반응센서를 통해 상기 물에 산화환원공급전원을 가하여 산화환원을 일으키고, 상기 산화환원현상에 의해 발생되는 산화환원전류값을 측정하고 이전 산화환원공급전원 공급에 의해 측정된 산화환원전류값과의 차에 의한 산화환원전류 변화량을 계산하고, 계산된 산화환원전류 변화량이 미리 설정된 정상범위를 벗어나는 경우 상기 산화환원전류 변화량을 일으킨 해당 산화환원공급전원값을 출력하는 반응센서부; 상기 물의 유입 방향에 대해 반응센서의 후단에서 서로 다른 오염물질을 검출 및 검출된 오염물질의 오염도를 측정하는 오염측정센서를 구비하여 검출된 오염물질에 대한 오염도를 측정하여 출력하는 복수의 오염측정부를 포함하되, 제어를 받아 상기 오염측정부들 중 적어도 하나 이상의 오염측정부를 선택하고, 선택된 오염측정부를 구동하여 해당 오염물질 및 오염물질의 오염도를 측정하여 출력하는 오염측정센서부; 산화환원공급전원 범위별 오염물질과 오염물질별 오염측정부를 정의하고 있는 산화환원전원 범위별 오염물질 DB를 저장하고 있는 저장부; 및 상기 있는 산화환원전원 범위별 오염물질 DB를 참조하여 상기 반응센서부로부터 입력되는 산화환원공급전원값에 대응하는 오염물질을 판별하고, 상기 오염물질에 대응하는 오염측정센서부를 제어하여 판별된 오염물질을 검출 및 오염도를 측정할 수 있는 오염측정부를 선택적으로 구동시켜 해당 오염물질에 대응하는 오염물질을 검출 및 오염도를 측정하여 출력하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 반응센서가 상기 유입구에서 가장 가까운 수 흐름 경로상의 꼭짓점에 설치되고, 상기 측정센서가 상기 수 흐름 경로 상의 다른 꼭짓점 각각에 하나씩 설치되는 것을 특징으로 한다.
상기 수 흐름 경로의 패턴은 톱니 형상으로 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 장치는: 상기 측정셀의 앞단에 구성되어 상기 측정셀로 공급할 상기 물을 안정화시켜 공급하는 수 안정화부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 반응센서부는, 반응센서를 구비하여 유입되는 물의 산화환원전류값을 측정하고, 상기 산화환원전류 변화량이 상기 정상범위를 벗어나는 경우 상기 산화환원공급전원값을 출력하는 적어도 둘 이상의 산화환원전류 측정부; 및 상기 산화환원전류 측정부들과 연결되고 상기 산화환원전류 측정부로 공급할 측정전압인 산화환원공급전원을 입력받으며, 상기 제어부의 제어를 받아 상기 산화환원공급전원을 선택적으로 산화환원전류 측정부로 공급하는 반응센서 선택부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 오염측정센서부는, 복수의 상기 오염측정부; 및 상기 복수의 오염 측정부들과 연결되고 상기 제어부의 제어 측정전압 공급부로부터 공급되는 측정전압을 선택적으로 오염측정부로 공급하는 측정센서 선택부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 선택적 전극 활성화를 통한 수질오염물질 통시 검출 방법은: 측정할 물이 공급되면 반응센서부를 통해 공급되는 물의 산화환원공급전원을 가하여 발생하는 산화환원에 의한 산화환원전류값을 측정하고, 측정된 산화환원전류값과 이전 산화환원전류값을 비교하여 변화량이 미리 설정된 정상범위를 초과하는 경우 정상범위를 초과할 때의 산화환원공급전원값을 측정하는 산화환원공급전원값 측정 과정; 저장부의 산화환원공급전원별 오염물질 DB를 참조하여 상기 측정된 산화환원공급전원값에 대응하는 오염물질을 판별 및 분류하는 오염물질 분류 과정; 상기 판별되어 분류된 오염물질을 측정할 수 있는 오염 측정부를 식별하고, 측정센서 선택부를 제어하여 상기 식별된 오염 측정부로 측정전압을 공급하는 오염 측정부 선택 과정; 및 상기 측정전압이 공급된 오염 측정부를 통해 상기 판별 및 분류된 오염물질의 오염도를 측정하는 오염 측정 과정을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 방법은: 상기 반응센서 및 측정센서들이 구성되는 수 흐름 경로를 가지는 측정셀의 앞단에 구성되어 상기 측정셀의 수 흐름 경로로 공급할 물을 안정화시켜 공급하는 수 안정화 과정을 더 포함하되, 상기 안정화 과정을 통해 안정화되어 유입되는 물에 대해 상기 산화환원전원값 측정 과정 이후의 과정을 수행하는 것을 특징으로 한다.
상기 오염물질 분류 과정은, 상기 산화환원전류 변화량이 수 정상 범위의 값이면 상기 오염 측정부를 유휴상태로 설정하는 수 정상 유휴상태 설정 단계; 및 상기 산화환원전류 변화량이 수 정상 범위를 벗어나면 저장부의 산화환원공급전원별 오염물질 DB를 참조하여 상기 측정된 산화환원공급전원값이 속하는 산화환원공급전원 범위에 대응하는 오염물질을 판별 및 분류하는 오염물질 분류 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 오염물질 분류단계는, 상기 산화환원공급전원값이 -1.3V ~-0.9V 범위이면 오염물질인 아연(Zn)에 의한 오염도를 측정하는 제1오염측정부를 선택하는 아연 오염측정부 선택 단계; 상기 산화환원공급전원값이 -0.9V ~-0.3V이면 오염물질인 카드뮴(Cd)에 의한 오염도를 측정하는 제2오염측정부를 선택하는 카드뮴 오염측정부 선택 단계; 상기 산화환원공급전원값이 -0.3 ~ 0.2V이면 오염물질인 납(Pb) 및 구리(Cu)에 의한 오염도를 측정하는 제3오염측정부를 선택하는 납 및 구리 오염측정부 선택 단계; 상기 산화환원공급전원값이 0.2V ~ 0.5V이면 오염물질인 수은(Hg)에 의한 오염도를 측정하는 제4오염측정부를 선택하는 수은 오염측정부 선택 단계; 및 상기 산화환원전원값을 포함하지 않는 오염측정부들에 대해 유휴상태를 설정하는 수 이상 유휴상태 설정 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 측정셀의 수 흐름 경로의 물 유입 부분에 반응센서를 구비하여 유입되는 물이 해당 수질관리영역의 수질의 조건 만족 여부를 판단하고, 조건 만족 시에는 오염측정센서들을 유휴상태로 유지시켜 측정센서들의 재현성 및 수명을 극대화할 수 있는 효과를 갖는다.
또한, 본 발명은 시료의 수질상태가 좋은 경우 측정센서를 구동하지 않으므로 불필요한 전력소모를 방지할 수 있는 효과를 갖는다.
또한, 본 발명은 반응센서를 통해 일차적으로 측정할 오염 종류를 분석 판단하고, 분석결과에 따라 오염측정센서들을 선택적으로 구동하므로 불필요한 오염측정센서를 유휴상태로 유지시켜 측정센서들의 재현성 및 수명을 극대화할 수 있고, 전력소모를 최소화할 수 있는 효과를 갖는다.
도 1은 본 발명에 따른 선택적 전극 활성화를 통한 수질오염물질 동시 검출 장치의 구성을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 선택적 전극 활성화를 통한 수질오염물질 동시 검출 장치의 수질오염물질 측정모듈의 상세 구성을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 선택적 전극 활성화를 통한 수질오염물질 동시 검출 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 수질오염물질 동시 검출 방법의 전극 활성화 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 2는 본 발명에 따른 선택적 전극 활성화를 통한 수질오염물질 동시 검출 장치의 수질오염물질 측정모듈의 상세 구성을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 선택적 전극 활성화를 통한 수질오염물질 동시 검출 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 수질오염물질 동시 검출 방법의 전극 활성화 방법을 나타낸 흐름도이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 선택적 전극 활성화를 통한 수질오염물질 동시 검출 장치의 구성 및 동작을 설명한 후, 상기 장치에서의 선택적 전극 활성화를 통해 수질오염물질을 동시에 검출하는 방법을 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 선택적 전극 활성화를 통한 수질오염물질 동시 검출 장치의 구성을 나타낸 도면이다.
이하 도 1을 참조하면, 본 발명의 선택적 전극 활성화를 통한 수질오염물질 동시 검출 장치는 수질오염물질 측정모듈(100) 및 측정셀(200)을 포함하고, 실시예에 따라 수 안정화부(300)를 더 포함할 수 있을 것이다.
측정셀(200)은 측정할 물이 유입되고 물의 오염물질 검출 및 오염도 측정 후 배출되도록 구성된다.
본 발명의 측정셀(200)은 본체(210) 및 수 흐름 경로(220)를 포함한다.
상기 본체(210)는 수 유입구(211), 복수의 센서 결합구(212) 및 수 배출구(213)를 포함하며, 내측으로 수 흐름 경로(220)가 형성된다.
상기 수 흐름 경로(220)는 상기 수 유입구(211), 수 배출구(213), 복수의 센서 결합구(212)들을 경유하는 관으로 측정할 물이 흐르는 물 공급 관이다.
상기 센서 결합구(212)에는 반응센서(62) 및 측정센서(72)들이 결합된다.
상기 수 흐름 경로(220)는 측정셀(200)로 유입되는 물 반응센서(62) 및 측정센서(72)의 표면과 최적의 경로로 접촉되도록 하여 전기화학적 검출반응의 감도가 높아지도록 톱니 패턴 등의 형태로 구성될 수 있을 것이다.
상기 반응센서(62) 및 측정센서(72)는 수 흐름 경로(220)의 패턴의 상단 및 하단의 꼭짓점에 배치될 수 있을 것이다. 그러나 상기 반응센서(62) 및 측정센서(72)는 수 흐름 경로(220)의 꼭짓점이 본체(210)의 센서 결합구(212)에 연결되도록 구성되는 것이 바람직할 것이다.
수 안정화부(300)는 측정셀(200)의 앞단에 구성되어 측정할 물을 유입받고 유입되는 물을 안정화시킨 후 측정셀(200)의 수 유입구(211)를 통해 물을 공급한다. 여기서 물의 안정화란 측정 방해 요소를 제거하기 위한 동작으로, 물에 포함된 버블(기포)을 제거하고, 필터를 통해 부유물질을 제거하는 등의 동작을 의미한다.
수질오염물질 측정모듈(100)은 측정셀(200)의 센서 결합구(212)에 결합되는 적어도 하나 이상의 반응센서(62) 및 적어도 하나 이상의 측정센서(72)를 포함하여 수 흐름 경로(220)를 통해 흐르는 물에 포함된 오염물질의 종류를 검출하고, 검출된 오염물질에 의한 오염(농)도를 측정하여 출력한다. 상기 반응센서(62)는 도 1에서 나타낸 바와 같이 수 흐름 경로(220)의 맨 앞부분의 센서 결합구(212-1)에 결합될 것이다. 상기 수질오염물질 측정모듈(100)의 상세 구성 및 동작은 하기 도 2를 참조하여 설명한다.
도 2는 본 발명에 따른 선택적 전극 활성화를 통한 수질오염물질 동시 검출 장치의 수질오염물질 측정모듈의 상세 구성을 나타낸 도면이다.
수질오염물질 측정모듈(100)은 제어부(10), 저장부(20), 입력부(30), 측정전압 공급부(40) 및 센서모듈(50)을 포함하고, 실시예에 따라 출력부(80)를 더 포함한다.
제어부(10)는 본 발명에 따른 수질오염물질 측정모듈(100)의 전반적인 동작을 제어한다. 제어부(10)의 상세 동작은 후술할 도 3 및 도 4를 참조하여 상세히 설명한다.
저장부(20)는 본 발명에 따른 수질오염물질 측정모듈(100)의 동작을 제어하기 위한 제어프로그램을 저장하는 프로그램 영역과, 상기 제어프로그램 수행 중에 발생되는 데이터를 일시적으로 저장하는 임시 영역과, 데이터를 저장하는 데이터 영역을 포함한다.
본 발명에 따라 상기 저장부(20)의 데이터 영역에는 산화환원공급전원(전위) 범위별 오염물질을 정의하고 있으며, 오염물질별 해당 오염물질의 오염도를 측정할 수 있는 오염측정부(71)를 정의하고 있는 산화환원공급전원값 범위별 오염물질 데이터베이스(Database: DB)를 저장한다. 상기 산화환원공급전원은 반응센서부(60)의 반응센서(62)로 공급되는 전위이다. 상기 산화환원공급전원 범위별 오염물질 정의의 예를 들면, 오염물질인 아연에 대해 산화환원공급전원 범위는 -1.3V ~-0.9V 범위가 정의되어 있을 수 있으며, 오염물질인 카드뮴(Cd)에 대해 산화환원공급전원 범위는 -0.9V ~-0.3V가 정의되어 있을 수 있으며, 납(Pb) 및 구리(Cu)에 대해 산화환원공급전원 범위 -0.3 ~ 0.2V가 정의되고, 오염물질인 수은(Hg)에 대해 0.2V ~ 0.5V가 정의되어 있을 수 있을 것이다.
다시 설명하면, 반응센서(62)로 공급되는 산화환원공급전원이 -1.3V ~-0.9V의 범위에 있을 때 반응센서(62)를 통해 측정되는 산화환원전류의 변화량이 검출되면 해당 측정 물에는 아연이 포함되어 있음을 의미한다.
입력부(30)는 외부로부터 명령 및 정보를 입력받아 제어부(10)로 출력하는 수단으로써 키보드, 마우스 등의 입력장치(31)가 될 수도 있고, 원거리의 관리자로부터 통신을 통해 정보 및 명령을 수신하여 제어부(10)로 출력하는 통신부의 수신부(32) 등이 될 수 있을 것이다.
출력부(80)는 제어부(10)에서 출력되는 정보를 사용자 및 관리자에게 수질 오염도 측정결과를 출력하는 구성으로, 수질 오염도 측정 결과를 텍스트, 그래픽 등을 출력하는 표시부(81) 및 측정 결과를 외부의 컴퓨터 단말기 등으로 전송하여 출력하는 통신부의 송신부(82) 등이 될 수 있을 것이다.
측정전압 공급부(40)는 소스전원을 공급받고, 소스전원을 물에 포함된 오염물질을 측정하기 위해 반응센서부(60) 및 측정센서부(70)로 공급할 측정전압를 생성하여 출력한다. 상기 측정전압은 상기 반응센서(62)로 공급되는 상기 산화환원공급전원이 될 수 있고, 측정센서(72)로 공급되는 측정공급전원이 될 수도 있을 것이다. 상기 측정공급전원도 오염종류, 즉 중금속 종류에 따라 달라질 수 있을 것이다. 따라서 상기 반응센서(62) 및 측정센서(72)로 공급되는 측정전압의 범위는 다를 수 있으며, 상기 측정센서(72)로 공급되는 측정전압의 범위도 오염물질의 종류에 따라 달라질 수 있을 것이다.
센서모듈(50)은 반응센서부(60) 및 오염측정센서부(70)를 포함하여, 상기 측정셀(200)의 수 흐름 경로(220)로 흐르는 물에 포함된 오염물질의 종류를 검출하고, 검출된 오염물질에 대한 오염도를 측정하여 상기 제어부(10)로 출력한다.
반응센서부(60)는 유입되는 물의 유입부에 반응센서를 구비하여 유입되는 물에 산화환원공급전원을 가하여 산화환원을 일으키고, 발생되는 산화환원량에 따른 산화환원전류를 측정하고, 이전 측정 산화환원전류와 비교하여 산화환원전류 변화량을 측정하고, 상기 산화환원전류 변화량이 발생된 산화환원공급전원 범위값을 제어부(10)로 출력한다. 이때 반응센서부(60)는 상기 저장부(20)의 산환환원공급전원 범위별 오염물질 DB를 가지고 있도록 구성될 수 있으며, 이 경우 상기 계산된 산화환원공급전원 범위값에 대응하는 오염물질 정보를 직접 제어부(10)로 출력하도록 구성될 수도 있을 것이다. 즉, 상기 반응센서부(60)에서는 중금속류, 미량유기독성물질류, 일반 무기물류(질소, 인 등) 등의 수질오염물질의 존재유무를 판단하고, 검출된 수질오염물질에 대응하는 정보를 제어부(10)로 출력하도록 구성될 수도 있을 것이다. 또한, 반응센서부(60)는 제어부(10)의 제어를 받아 산화환원공급전원 범위의 산화환원공급전원을 측정전압 공급부(40)로부터 직접 입력받아 반응센서(62)로 공급하고, 이에 따라 측정되는 산화환원전류값을 제어부(10)로 출력하여 제어부(10)에 의해 산화환원전류 변화 여부 및 산화환원전류 변화를 발생시킨 산화환원공급전원 범위를 판단하고, 산화환원공급전원 범위에 대응하는 오염물질이 분류되도록 구성될 수도 있을 것이다.
반응센서부(60)는 하나의 산화환원전류 측정부(61)로 구성될 수도 있고, 복수의 산화환원전류 측정부(61) 및 상기 측정전압 공급부(40)로부터 공급되는 측정전압를 상기 복수의 산화환원전류 측정부(61)들 중 제어부(10)에 의해 선택된 산화환원전류 측정부(61)들로만 출력하기 위한 반응센서 선택부(63)를 포함하여 구성될 수도 있을 것이다.
상기 산화환원전류 측정부(61)는 반응센서(62)를 포함하고, 상기 반응센서(62)로 일정한 범위의 상기 측정전압, 즉 산화환원공급전원을 공급하며, 반응센서(62)에서는 상기 측정전압의 변화에 대응하는 산화환원반응으로 인해 물에 포함된 오염물질의 종류 및 유무에 따른 산화환원전류변화량이 측정될 수 있으며, 상기 산화환원전류에 변화를 가져온 산화환원공급전원 범위값(또는 오염물질 정보)을 제어부(10)로 출력할 것이다.
상기 산화환원전류 측정부(61)에 사용되는 전기화학적 방법으로는 크로노쿨롱법(Chronocoulmetry), 순환 전류법 등이 적용될 수 있으며, 크로노쿨롱법은 시간흐름에 따른 전하량을 측정하여 샘플 내 오염물질의 존재 여부를 판단한다.
상기 반응센서(62)는 수 흐름 경로(220)를 따라 흐르는 측정 대상물을 실시간으로 감시하여야 하므로 외부자극에 강하고 내구성이 뛰어나며 전기적 반성이 높아야 하므로 백금으로 구성되는 것이 바람직할 것이다.
오염측정센서부(70)는 복수의 오염 측정부(71)들 및 상기 측정전압 공급부(40)로부터 공급되는 측정전압을 상기 복수의 오염측정부(71)들 중 제어부(10)에 의해 선택된 오염측정부(71)들로만 출력하기 위한 측정센서 선택부(73)를 포함하여 구성된다.
상기 오염측정부(71)는 수 흐름 경로(220)상에서 반응센서(62)의 후단에 배치되는 측정센서(72)들을 구비하고, 각각의 오염물질에 대한 오염도를 측정하여 제어부(10)로 출력한다.
상기 오염측정부(71)에 적용되는 전기화학적 방법은 상술한 크로노쿨롱법, 네모파 전압전류법(Square Wave Voltammetry:SWV) 등이 적용될 수 있을 것이다. 상술한 크로노쿨롱법, 네모파 전압전류법 자체는 이 기술분야의 통상의 기술자에게 잘 알려져 있는 기술이므로 그 상세한 설명을 생략한다.
그리고 상기 측정센서(72)는 다종의 물질에 대해 안정하고, 경제성이 뛰어난 탄소(Carbon) 전극을 사용하는 것이 바람직하며, 감도를 높이기 위해 검출 종에 따라 탄소 전극 노출표면에 그래핀(Graphene)과 전도성고분자 혼합물질을 전착시켜 사용하는 것이 바람직할 것이다. 이는 전극의 표면적을 넓히고, 측정시료와의 전자전달반응을 높여 중금속 검출의 선택성, 안정성, 검출감도가 우수한 장점을 제공한다. 이때 오염물질 종에 따라 표면 전착 물질과 그의 형상은 상이하다. 예를 들면, 중금속 검출 센서의 경우 사용자가 설정한 주기에 따라 세정용액 주입 후 측정센서(72)의 전극에 산화전위를 걸어줌으로써 전극표면에 흡착된 중금속을 제거하고, 그래핀과 전도성 고분자 혼합물질을 재전착시켜줌으로써 전극의 수명을 연장시킴과 동시에 센서의 감도를 향상시킬 수 있다.
도 3은 본 발명에 따른 선택적 전극 활성화를 통한 수질오염물질 동시 검출 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 3을 참조하면, 제어부(10)는 수 공급장치(미도시)를 통해 샘플수, 즉 측정할 물을 측정셀(200)로 공급하고, 산화환원전류 측정부(61)를 구동한(S111) 후, 반응센서(62)로 산화환원공급전원을 공급하고, 상기 산화환원공급전원에 의한 산화환원전류값의 입력 여부를 검사하여 산화환원전류값을 측정하기 시작한다(S113).
산화환원 전류값이 측정되기 시작하면 제어부(10)는 상기 입력된 산화환원전류값과 이전 입력된 산화환원전류값을 비교하여 산화환원전류 변화량을 계산하고(S114), 계산된 산화환원전류 변화량이 정상범위를 초과하는지의 여부를 판단한다(S115).
판단결과, 산화환원전류 변화량에 의해 측정된 산화환원전류 정상범위를 초과하는 변화가 발생한 것으로 판단되는 경우 제어부(10)는 산화환원공급전원 범위별 오염물질 DB를 참조하여 상기 산화환원전류에 변화를 발생시킨 산화환원공급전원값이 속하는 산화환원공급전원 범위에 대응하는 오염물질을 분석 및 분류하고, 산화환원전원값 범위별 오염물질 DB를 참조하여 상기 분류된 오염물질에 대응하는 적어도 하나 이상의 오염측정부(71)를 검색하고 측정센서 선택부(73)를 제어하여 검색된 오염측정부(71)를 선택한다(S116).
오염측정부(71)가 선택되면 제어부(10)는 측정전압 공급부(40)를 제어하여 선택된 오염측정부(71)로 측정전압를 공급한다(S117). 이때 오염측정부(71)에 따라 각각의 측정 고유 전압을 가지는 측정전압를 공급할 수도 있을 것이다.
선택된 오염측정부(71)로 측정전압를 공급한 후, 제어부(10)는 상기 오염측정부(71)로부터 오염측정(전류)값이 입력되는지를 모니터링한다(S119). 상기 오염측정값은 전류변화량값이 될 수 있을 것이다.
상기 오염측정부(71)는 측정전압값이 입력되면 오염도에 따른 오염측정(전류)값을 출력할 것이다. 이때 제어부(10)는 선택된 오염측정부(71)가 둘 이상이면 모든 오염측정부(71)로부터 오염측정값이 입력되었는지를 판단한다(S121).
판단결과 모든 오염측정값이 입력되었으면 제어부(10)는 측정된 오염측정값들을 해당 오염물질에 대한 오염도로 변환하고, 오염물질 정보 및 해당 오염물질이 물에 얼마나 포함되어있는지를 출력할 것이다(S123). 상기 출력은 표시부(81)를 통해 이루어질 수도 있고, 원격지의 수질관리센터(미도시)의 서버(미도시)를 통해 관리자 단말기로 제공되어 출력될 수도 있을 것이다.
반면, 선택된 오염측정부(71)가 둘 이상이고 둘 모두로부터 오염측정값이 입력되지 않았으면 제어부(10)는 측정 취소 이벤트가 발생하는지를 검사한다(S125). 상기 측정 취소 이벤트는 일정 시간 이상 상기 선택된 오염측정부(71) 중 어느 하나로부터 오염측정값이 입력되지 않는 경우 발생될 수도 있고, 관리자에 의해 입력부(30)를 통해 발생될 수도 있을 것이다.
측정 취소 이벤트가 발생되면 제어부(10)는 입력된 오염물질 오염도를 출력하고, 미 측정된 오염물질과 관련된 관련정보를 출력한다(S127). 상기 관련정보는, 오염물질정보, 상기 오염물질의 오염도를 측정하는 오염측정부(71)의 정보 등이 될 수 있을 것이다. 이때, 제어부(10)는 해당 오염측정부(71), 반응센서(62) 및 산화환원전류 측정부(61)의 점검을 요청할 수도 있을 것이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 수질오염물질 동시 검출 방법의 전극 활성화 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 4를 참조하면 제어부(10)는 산화환원전류 변화량이 정상범위를 초과한 것으로 판단되면(S115) 산화환원전원값별 오염물질 DB를 참조하여 상기 산화환원전류 변화량을 발생시킨 산화환원공급전원값을 획득한다(S211).
산화환원공급전원 범위가 계산되면 제어부(10)는 산화환원공급전원(위)값이 -1.3V ~ -0.9V 범위의 값인지(S215), -0.9V ~ -0.3V 범위의 값인지(S217), -0.3V ~ 0.2V 범위의 값인지(S219), 0.2V ~ 0.5V 범위의 값인지(S221)를 판단한다.
제어부(10)는 산화환원공급전원(위)값이 -1.3V ~ -0.9V 범위의 값이면 오염물질인 아연(Zn)의 농도를 검출하여 출력하는 제1오염측정부(71-1)를 선택하고(S223), 상기 산화환원공급전원(위)값이 -0.9V ~ -0.3V 범위의 값이면 오염물질인 카드뮴(Cd)의 농도를 검출하여 출력하는 제2오염측정부(71-2)를 선택하고(S225), 상기 산화환원공급전원(위)값이 -0.3V ~ 0.2V 범위의 값이면 오염물질인 납(Pb) 및 구리(Cu)의 농도를 검출하여 출력하는 제3오염측정부(71-3)를 선택하고(S227), 상기 산화환원공급전원(위)값이 0.2V ~ 0.5V 범위의 값이면 오염물질인 수은(Hg)의 농도를 검출하여 출력하는 제4오염측정부(71-4)를 선택한다(S229). 만일, 측정된 산화환원공급전원(위)값이 0.2V라면 제어부(10)는 0.2V가 납 및 구리에 대한 산화환원 전위값 범위인 -0.3V ~0.2V에도 포함되고 수은에 대한 산화환원 전위값 범위인 0.2V ~0.5V에도 포함되므로 제3오염측정부(71-4) 및 제4오염측정부(71-5)를 선택한다.
한편, 본 발명은 전술한 전형적인 바람직한 실시예에만 한정되는 것이 아니라 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지로 개량, 변경, 대체 또는 부가하여 실시할 수 있는 것임은 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 용이하게 이해할 수 있을 것이다. 이러한 개량, 변경, 대체 또는 부가에 의한 실시가 이하의 첨부된 특허청구범위의 범주에 속하는 것이라면 그 기술사상 역시 본 발명에 속하는 것으로 보아야 한다.
10: 제어부 20: 저장부
30: 입력부 40: 측정전압 공급부
50: 센서모듈 60: 반응센서부
61: 산화환원전류 측정부 62: 반응센서
63: 반응센서 선택부 70: 오염측정센서부
71: 오염측정부 72: 측정센서
73: 측정센서 선택부 80: 출력부
81: 표시부 82: 통신부
100: 수질오염물질 측정모듈 200: 측정셀
300: 수 안정화부
30: 입력부 40: 측정전압 공급부
50: 센서모듈 60: 반응센서부
61: 산화환원전류 측정부 62: 반응센서
63: 반응센서 선택부 70: 오염측정센서부
71: 오염측정부 72: 측정센서
73: 측정센서 선택부 80: 출력부
81: 표시부 82: 통신부
100: 수질오염물질 측정모듈 200: 측정셀
300: 수 안정화부
Claims (12)
- 측정할 물이 소정 패턴으로 흐르는 경로를 형성하는 수 흐름 경로를 포함하는 측정셀; 및
상기 수 흐름 경로를 따라 흐르는 물에 닿도록 상기 수 흐름 경로에 결합되는 반응센서 및 측정센서를 구비하되, 상기 반응센서 및 측정센서 순으로 결합되어 상기 수 흐름 경로로 유입되는 물에서 상기 반응센서를 통해 측정된 산화환원전류값에 미리 설정된 정상범위 이상의 변화가 발생되는 경우, 상기 변화를 가지는 산화환원전류값 측정 시 상기 반응센서로 공급된 산화환원공급전원값에 의해 오염물질을 검출 및 분류하고, 분류된 오염물질에 대응하는 측정센서를 선택으로 활성화한 후 오염물질을 검출하여 출력하는 수질오염물질 측정모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 선택적 전극 활성화를 통한 수질오염물질 동시 검출 장치.
- 제1항에 있어서,
상기 측정셀은,
측정할 물이 유입되는 수 유입구, 센서 결합구 및 상기 물을 배출하는 수 배출구를 구비하는 본체; 및
상기 본체의 수 유입구와 연결되고 상기 센서 결합구를 경유하여 상기 수 배출구에 연결되어 상기 패턴을 형성하는 상기 수 흐름 경로를 포함하는 것을 특징으로 하는 선택적 전극 활성화를 통한 수질오염물질 동시 검출 장치.
- 제2항에 있어서,
상기 수질오염물질 측정모듈은,
유입되는 물의 유입부에 반응센서를 구비하고 유입되는 물에 잠긴 상기 반응센서를 통해 상기 물에 산화환원공급전원을 가하여 산화환원을 일으키고, 상기 산화환원현상에 의해 발생되는 산화환원전류값을 측정하고 이전 산화환원공급전원 공급에 의해 측정된 산화환원전류값과의 차에 의한 산화환원전류 변화량을 계산하고, 계산된 산화환원전류 변화량이 미리 설정된 정상범위를 벗어나는 경우 상기 산화환원전류 변화량을 일으킨 해당 산화환원공급전원값을 출력하는 반응센서부;
상기 물의 유입 방향에 대해 반응센서의 후단에서 서로 다른 오염물질을 검출 및 검출된 오염물질의 오염도를 측정하는 오염측정센서를 구비하여 검출된 오염물질에 대한 오염도를 측정하여 출력하는 복수의 오염측정부를 포함하되, 제어를 받아 상기 오염측정부들 중 적어도 하나 이상의 오염측정부를 선택하고, 선택된 오염측정부를 구동하여 해당 오염물질 및 오염물질의 오염도를 측정하여 출력하는 오염측정센서부;
산화환원공급전원 범위별 오염물질과 오염물질별 오염측정부를 정의하고 있는 산화환원전원 범위별 오염물질 DB를 저장하고 있는 저장부; 및
상기 있는 산화환원전원 범위별 오염물질 DB를 참조하여 상기 반응센서부로부터 입력되는 산화환원공급전원값에 대응하는 오염물질을 판별하고, 상기 오염물질에 대응하는 오염측정센서부를 제어하여 판별된 오염물질을 검출 및 오염도를 측정할 수 있는 오염측정부를 선택적으로 구동시켜 해당 오염물질에 대응하는 오염물질을 검출 및 오염도를 측정하여 출력하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 선택적 전극 활성화를 통한 수질오염물질 동시 검출 장치.
- 제2항에 있어서,
상기 반응센서가 상기 유입구에서 가장 가까운 수 흐름 경로상의 꼭짓점에 설치되고, 상기 측정센서가 상기 수 흐름 경로 상의 다른 꼭짓점 각각에 하나씩 설치되는 것을 특징으로 하는 선택적 전극 활성화를 통한 수질오염물질 동시 검출 장치.
- 제4항에 있어서,
상기 수 흐름 경로의 패턴은 톱니 형상으로 구성되는 것을 특징으로 하는 선택적 전극 활성화를 통한 수질오염물질 동시 검출 장치.
- 제1항에 있어서,
상기 측정셀의 앞단에 구성되어 상기 측정셀로 공급할 상기 물을 안정화시켜 공급하는 수 안정화부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 선택적 전극 활성화를 통한 수질오염물질 동시 검출 장치.
- 제3항에 있어서,
상기 반응센서부는,
반응센서를 구비하여 유입되는 물의 산화환원전류값을 측정하고, 상기 산화환원전류 변화량이 상기 정상범위를 벗어나는 경우 상기 산화환원공급전원값을 출력하는 적어도 둘 이상의 산화환원전류 측정부; 및
상기 산화환원전류 측정부들과 연결되고 상기 산화환원전류 측정부로 공급할 측정전압인 산화환원공급전원을 입력받으며, 상기 제어부의 제어를 받아 상기 산화환원공급전원을 선택적으로 산화환원전류 측정부로 공급하는 반응센서 선택부를 포함하는 것을 특징으로 하는 선택적 전극 활성화를 통한 수질오염물질 동시 검출 장치.
- 제3항에 있어서,
상기 오염측정센서부는,
복수의 상기 오염측정부; 및
상기 복수의 오염 측정부들과 연결되고 상기 제어부의 제어를 받아 측정전압 공급부로부터 공급되는 측정전압을 선택적으로 오염측정부로 공급하는 측정센서 선택부를 포함하는 것을 특징으로 하는 선택적 전극 활성화를 통한 수질오염물질 동시 검출 장치.
- 측정할 물이 공급되면 반응센서부를 통해 공급되는 물의 산화환원공급전원을 가하여 발생하는 산화환원에 의한 산화환원전류값을 측정하고, 측정된 산화환원전류값과 이전 산화환원전류값을 비교하여 변화량이 미리 설정된 정상범위를 초과하는 경우 정상범위를 초과할 때의 산화환원공급전원값을 측정하는 산화환원공급전원값 측정 과정;
저장부의 산화환원공급전원별 오염물질 DB를 참조하여 상기 측정된 산화환원공급전원값에 대응하는 오염물질을 판별 및 분류하는 오염물질 분류 과정;
상기 판별되어 분류된 오염물질을 측정할 수 있는 오염 측정부를 식별하고, 측정센서 선택부를 제어하여 상기 식별된 오염 측정부로 측정전압을 공급하는 오염 측정부 선택 과정; 및
상기 측정전압이 공급된 오염 측정부를 통해 상기 판별 및 분류된 오염물질의 오염도를 측정하는 오염 측정 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 선택적 전극 활성화를 통한 수질오염물질 동시 검출 방법.
- 제9항에 있어서,
상기 반응센서 및 측정센서들이 구성되는 수 흐름 경로를 가지는 측정셀의 앞단에 구성되어 상기 측정셀의 수 흐름 경로로 공급할 물을 안정화시켜 공급하는 수 안정화 과정을 더 포함하되,
상기 안정화 과정을 통해 안정화되어 유입되는 물에 대해 상기 산화환원공급전원값 측정 과정 이후의 과정을 수행하는 것을 특징으로 하는 선택적 전극 활성화를 통한 수질오염물질 동시 검출 방법.
- 제9항에 있어서,
상기 오염물질 분류 과정은,
상기 산화환원전류 변화량이 수 정상 범위의 값이면 상기 오염 측정부를 유휴상태로 설정하는 수 정상 유휴상태 설정 단계; 및
상기 산화환원전류 변화량이 수 정상 범위를 벗어나면 저장부의 산화환원공급전원별 오염물질 DB를 참조하여 상기 측정된 산화환원공급전원값이 속하는 산화환원공급전원 범위에 대응하는 오염물질을 판별 및 분류하는 오염물질 분류 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 선택적 전극 활성화를 통한 수질오염물질 동시 검출 방법
- 제11항에 있어서,
상기 오염물질 분류단계는,
상기 산화환원공급전원값이 -1.3V ~-0.9V 범위 내에 있으면 오염물질인 아연(Zn)에 의한 오염도를 측정하는 제1오염측정부를 선택하는 아연 오염측정부 선택 단계;
상기 산화환원공급전원값이 -0.9V ~-0.3V 범위 내에 있으면 오염물질인 카드뮴(Cd)에 의한 오염도를 측정하는 제2오염측정부를 선택하는 카드뮴 오염측정부 선택 단계;
상기 산화환원공급전원값이 -0.3 ~ 0.2V 범위 내에 있으면 오염물질인 납(Pb) 및 구리(Cu)에 의한 오염도를 측정하는 제3오염측정부를 선택하는 납 및 구리 오염측정부 선택 단계;
상기 산화환원공급전원값이 0.2V ~ 0.5V 범위 내에 있으면 오염물질인 수은(Hg)에 의한 오염도를 측정하는 제4오염측정부를 선택하는 수은 오염측정부 선택 단계; 및
상기 산화환원공급전원값을 포함하지 않는 오염측정부들에 대해 유휴상태를 설정하는 수 이상 유휴상태 설정 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 선택적 전극 활성화를 통한 수질오염물질 동시 검출 방법.
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