KR101636356B1

KR101636356B1 - 가스정량포집장치 및 가스정량포집방법

Info

Publication number: KR101636356B1
Application number: KR1020140066305A
Authority: KR
Inventors: 류지훈; 안향식; 고용권; 조호영; 권장순
Original assignee: 한국원자력연구원
Priority date: 2014-05-30
Filing date: 2014-05-30
Publication date: 2016-07-07
Also published as: KR20150137798A

Abstract

본 발명은 반응 시편과 반응 용액의 상호 반응에 의하여 생성되는 가스를 저장하는 공간을 형성하고, 상기 반응 시편을 투입할 수 있도록 개폐 가능한 상부 입구를 구비하는 반응챔버, 상기 반응챔버의 하부에 결합되고, 측정유체를 저장할 수 있는 측정챔버, 상기 측정유체가 내부로 유입되도록 상기 측정챔버의 어느 일 측에 결합된 유로와 연결되고, 상기 유로로부터 유입되어 축적되는 상기 측정유체의 부피를 측정하도록 형성되는 측정컬럼 및 상기 반응챔버와 상기 측정챔버의 사이에 배치되고, 상기 반응챔버의 내부 압력에 의해서 변형 또는 복원되도록 탄성을 갖는 재질로 형성되는 멤브레인을 포함하고, 상기 멤브레인은 상기 반응챔버의 내부에서 생성된 가스의 부피에 대응하는 부피의 상기 측정유체를 상기 측정컬럼 내부로 유입시킬 수 있도록 상기 반응챔버의 내부 압력의 상승에 의해서 상기 측정챔버를 향하여 탄성적으로 변형되는 것을 특징으로 하는 가스정량포집장치, 그리고 가스정량포집방법을 제공한다.

Description

가스정량포집장치 및 가스정량포집방법{A GAS COLLECTOR USING A CHAMBER AND A VOLUMETRIC COLUMN AND A GAS COLLECTING METHOD THEREOF}

본 발명은 가스정량포집장치 및 이의 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 특정반응에 의하여 생성되는 가스의 부피를 측정하고 채취하기 위한 장치 및 이의 방법에 관한 것이다.

특정 화학적 또는 생물학적 반응에 의하여 생성되는 가스를 측정하고 분석하는 것은 금속의 부식과정 등을 연구함에 있어서는 매우 중요한 부분이 된다. 특히, 실제 환경을 실험실에서 그대로 재현하기 어려운 경우, 예를 들면 지하 깊숙한 곳에 위치하는 저장용기의 부식 정도를 연구하는 분야의 경우에는 그 중요성이 더욱 커진다.

이러한 가스의 측정 및 분석을 위해서 종래에는 광물(또는 금속)과 지하수(또는 특정용액)의 상호 작용에 의하여 생성되는 가스를 포집하고 생성 부피를 측정하기 위해서 복잡한 장치와 방법들이 사용되었다. 그러나 기존의 방법은 몇 가지 문제점이 있었다.

우선 종래의 방법에 따르면 다단계로 이루어지는 복잡한 절차에 의해서 장치 내부에 공기가 존재할 가능성이 매우 높았다. 따라서 이러한 공기에 의해서 원치 않는 반응이 일어나거나 생성된 가스가 희석되거나 변질 될 우려가 크며, 특정 분자체와 가스가 결합함으로써 정확한 부피 측정이 불가능하였다.

또 다른 문제점은 생성되는 가스를 분석기로 이동시키는 과정에서 발생한다. 즉, 반응기에서 생성된 가스를 가스 콜렉터로 이동시켜 포집하는 경우에는 이동하는 과정에서 외부에 노출될 위험성이 있었다. 이외에도 종래의 방법 및 장치는 비용이 비싸고, 무엇보다도 농도 및 부피 측정에 있어서 여러 가지 외부 요인으로 인하여 측정의 불확실성이 매우 높은 문제가 있다.

본 발명의 일 목적은 특정 반응에 의하여 생성되는 가스의 분리과정을 단순화시킴으로써 가스 채취 및 분리과정에서 일어나기 쉬운 샘플의 오염 및 변질가능성을 제거하기 위한 것이다.

본 발명의 다른 일 목적은 특정 반응에 의하여 생성되는 가스의 부피를 서로 연동되는 구성하에서 실시간으로 측정함으로써 측정의 정확도를 높여 측정 오류를 최소화시키기 위한 것이다.

이와 같은 본 발명의 해결 과제를 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따르는 가스정량포집장치는, 반응 시편과 반응 용액의 상호 반응에 의하여 생성되는 가스를 저장하는 공간을 형성하고, 상기 반응 시편을 투입할 수 있도록 개폐 가능한 상부 입구를 구비하는 반응챔버; 상기 반응챔버의 하부에 결합되고, 측정유체를 저장할 수 있는 측정챔버; 상기 측정유체가 내부로 유입되도록 상기 측정챔버의 어느 일 측에 결합된 유로와 연결되고, 상기 유로로부터 유입되어 축적되는 상기 측정유체의 부피를 측정하도록 형성되는 측정컬럼; 및 상기 반응챔버와 상기 측정챔버의 사이에 배치되고, 상기 반응챔버의 내부 압력에 의해서 변형 또는 복원되도록 탄성을 갖는 재질로 형성되는 멤브레인을 포함하고, 상기 멤브레인은 상기 반응챔버의 내부에서 생성된 가스의 부피에 대응하는 부피의 상기 측정유체를 상기 측정컬럼 내부로 유입시킬 수 있도록 상기 반응챔버의 내부 압력의 상승에 의해서 상기 측정챔버를 향하여 탄성적으로 변형된다.

본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 반응챔버는 내부에서 생성된 후 상기 반응챔버의 상부로 모인 가스와 상기 상부 입구 사이에 충분한 높이차를 형성하여 포집을 용이하게 하도록 하부에서 상부로 갈수록 폭이 좁아지는 형상일 수 있다.

본 발명과 관련한 다른 일 예에 따르면, 상기 멤브레인은 신축성과 내구성을 가지는 라텍스로 형성된다.

본 발명과 관련한 다른 일 예에 따르면, 상기 가스정량포집장치는, 상기 반응챔버의 내부에서 생성된 후 상부에 모인 가스를 외부에 노출시키지 않고 압력차에 의하여 용이하게 채취하도록 상기 반응챔버의 상부에 장착되는 진공상태의 가스채취기를 더 포함한다.

본 발명과 관련한 다른 일 예에 따르면, 상기 가스정량포집장치는, 상기 반응챔버, 상기 측정챔버 및 상기 측정컬럼의 내부 압력을 측정하고 조절할 수 있도록 상기 반응챔버의 일 측 및 상기 측정컬럼의 일 측에 각각 장착되는 복수 개의 압력계를 더 포함한다.

본 발명과 관련한 다른 일 예에 따르면, 상기 반응챔버는 일측에 반응용액의 유출입을 조절하기 위하여 선택적으로 개폐되는 적어도 하나의 용액조절밸브를 구비한다.

본 발명과 관련한 다른 일 예에 따르면, 상기 용액조절밸브는 상기 반응챔버의 상부에 결합되고, 상기 반응용액의 유입을 조절하는 용액주입밸브; 및 상기 반응챔버의 하부에 결합되고, 상기 반응용액의 배출을 조절하는 용액배출밸브를 포함한다.

본 발명과 관련한 다른 일 예에 따르면, 상기 측정챔버는 일측에 상기 측정유체의 유입을 조절하기 위한 용액주입밸브를 구비하고, 상기 측정컬럼의 하부에는 상기 측정컬럼에 축적되는 측정유체의 배출을 조절하기 위한 용액배출밸브가 구비된다.

본 발명과 관련한 다른 일 예에 따르면, 상기 가스정량포집장치는, 상기 반응챔버의 상부에 장착되고, 상기 반응챔버의 내부에 존재하는 공기를 제거하도록 보조가스를 주입시키는 가스주입밸브; 및 상기 반응챔버의 하부에 장착되고, 상기 보조가스의 주입에 대응하여 상기 반응챔버 내부에 존재하는 공기를 배출하기 위한 가스배출밸브를 더 포함한다.

본 발명과 관련한 다른 일 예에 따르면, 상기 가스정량포집장치는, 상기 측정챔버의 일측에 장착되고, 상기 측정챔버와 상기 측정컬럼의 내부에 존재하는 공기를 제거하도록 보조가스를 주입시키는 가스주입밸브; 및 상기 측정컬럼의 상부에 장착되고, 상기 보조가스의 주입에 대응하여 상기 측정챔버와 상기 측정컬럼의 내부에 존재하는 공기를 배출하기 위한 가스배출밸브를 더 포함한다.

본 발명과 관련한 다른 일 예에 따르면, 상기 보조가스는 헬륨 또는 아르곤이다.

또한 상기와 같은 과제를 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따르는 가스정량포집방법은, 반응챔버의 상부 입구를 통하여 반응시편을 상기 반응챔버의 내부로 투입하고 상기 반응챔버를 밀폐시키는 단계; 상기 반응챔버, 측정챔버 및 측정컬럼의 내부에 존재하는 공기를 제거하기 하도록 가스조절밸브를 개방하는 단계; 용액조절밸브를 개방하여 상기 반응챔버와 상기 측정챔버에 반응용액과 측정유체를 각각 주입하는 단계; 상기 반응챔버, 상기 측정챔버 및 상기 측정컬럼 내부의 압력을 모두 동일하게 유지하도록 상기 가스조절밸브 및 상기 용액조절밸브를 이용하여 압력을 조절하는 단계; 및 상기 반응시편과 상기 반응용액의 상호 반응에 의해서 생성된 가스의 부피를 상기 측정컬럼에 축적되는 상기 측정유체의 부피를 이용하여 측정하고, 상기 반응챔버의 상부에 장착된 진공상태의 가스채취기를 이용하여 가스를 채취하는 단계를 포함한다.

상기와 같은 구성의 본 발명에 의하면, 외부와의 접촉이 차단되도록 모든 구성요소가 밀폐되어 반응이 진행되고 생성된 가스를 진공상태의 가스채취기를 이용하여 단일의 과정으로 분리 가능하게 구성됨에 따라 가스 샘플의 오염 및 변질을 최소화하는 가스정량포집장치가 제공될 수 있다.

또한 반응챔버, 측정챔버 및 측정컬럼은 멤브레인을 통하여 연동되도록 구성되어 반응챔버 내에서 생성되는 가스의 부피를 실시간으로 측정할 수 있으므로 측정의 정확도를 높일 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예와 관련된 가스정량포집장치의 개념도.
도 2는 본 발명의 다른 실시예와 관련된 가스정량포집장치의 개념도.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예와 관련된 가스정량포집장치에 반응용액 및 측정유체가 저장된 상태의 개념도.
도 4는 도 3의 가스정량포집장치에 보조가스가 주입되기 위한 구성을 나타내는 개념도.
도 5는 가스 생성의 반응이 완료된 상태에서 변형된 멤브레인을 보여주는 가스정량포집장치의 개념도.
도 6은 본 발명의 일 실시예와 관련된 가스정량포집방법에 대한 흐름도.

이하, 본 발명과 관련된 가스정량포집장치 및 이의 방법에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다.

본 명세서에서는 서로 다른 실시예라도 동일·유사한 구성에 대해서는 동일·유사한 참조번호를 부여하고, 그 설명은 처음 설명으로 갈음한다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예와 관련된 가스정량포집장치(100)의 개념도이다.

도 1을 참조하면, 가스정량포집장치(100)는 반응챔버(110), 측정챔버(120), 측정컬럼(130) 및 멤브레인(140)을 포함한다. 구체적으로, 본 실시예에서의 가스정량포집장치(100)는 특정 반응에 의하여 생성되는 가스를 저장할 수 있는 공간을 형성하는 반응챔버(110), 생성되는 가스의 부피를 실시간으로 측정할 수 있도록 반응챔버(110)와 연동되게 구성되는 측정챔버(120), 측정컬럼(130) 및 멤브레인(140)을 포함한다.

즉, 반응챔버(110)는 반응 시편과 반응 용액의 상호 반응에 의하여 생성되는 가스를 저장할 수 있는 공간을 형성하도록 구성되고, 반응 시편을 반응챔버(110)의 내부로 투입할 수 있도록 개폐 가능한 상부 입구(111)를 구비한다.

또한 측정챔버(120)는 반응챔버(110)의 하부에 결합되고, 이러한 측정챔버(120)의 내부에는 측정유체가 저장된다.

측정컬럼(130)은 측정챔버(120)의 내부에 저장되어 있는 측정유체가 측정컬럼(130)의 내부로 유입되도록 측정챔버(120)의 어느 일 측에 결합되는 유로(150)를 통하여 측정챔버(120)와 연결된다. 따라서 유로(150)를 통하여 측정유체는 측정컬럼(130)의 내부로 유입될 수 있고, 축적되는 측정유체의 부피를 측정할 수 있도록 측정컬럼(130)의 외부에는 기준 눈금 등이 표시되어 있다.

또한 본 실시예에서 가스정량포집장치(100)는 반응챔버(110)와 측정챔버(120)의 사이에 배치되는 멤브레인(140)을 포함한다. 멤브레인(140)은 반응챔버(110)의 내부 압력에 의해서 변형 또는 복원되도록 탄성을 갖는 재질로 형성된다. 멤브레인(140)은 신축성과 내구성을 가지는 라텍스로 형성될 수 있다.

다음에서는 각각의 구성요소, 즉 반응챔버(110), 측정챔버(120), 측정컬럼(130) 및 멤브레인(140)을 보다 구체적으로 살펴본다.

반응챔버(110)의 내부에서는 반응 시편과 반응 용액의 상호 반응이 일어난다. 즉, 반응챔버(110)는 화학적 또는 생물학적 반응이 일어나는 장소를 제공한다. 반응 시편은 광물 또는 금속이 될 수 있으며, 반응 용액으로는 지하수 또는 특정 용액이 사용될 수 있다. 이러한 반응 시편과 반응 용액의 화학적 또는 생물학적 반응에 의하여 가스가 생성된다.

또한 반응챔버(110)는 반응 시편과 반응 용액의 상호 반응에 의하여 생성되는 가스를 저장할 수 있도록 공간을 형성한다. 반응챔버(110)의 상부에 구비되는 상부 입구(111)를 밀폐시킴에 따라 반응챔버(110)의 내부는 밀폐되고, 반응 시편과 반응 용액의 상호 반응에 의하여 생성되는 가스는 외부로 유출되지 않고 반응챔버(110)의 내부에 저장될 수 있다.

도 1을 참조하면, 측정챔버(120)는 반응챔버(110)의 하부에 결합되어 있으나 이에 한정되는 것은 아니고 반응챔버(110)의 어느 일측에도 결합될 수 있다. 또한 측정챔버(120)는 내부에 유체를 저장할 수 있도록 밑면과 측면을 구비한다. 즉, 윗면은 구비하지 않은 채 개방되어 형성된다. 다른 실시예의 경우, 측정챔버(120)는 윗면을 구비할 수도 있으나, 윗면의 일부 영역은 관통되어 형성될 수 있다. 즉, 측정챔버(120)의 내부에 저장되는 측정유체는 멤브레인(140)과 접촉상태를 유지해야 하므로 측정챔버(120) 윗면의 적어도 일부 영역은 개방되어 있어야 한다.

또한 이와 대응하여, 측정챔버(120)가 결합되는 반응챔버(110)의 일 면의 일부 영역은 개방되어 있어야 한다. 측정챔버(120)가 반응챔버(110)의 하부에 결합되는 경우를 예로 들면, 반응챔버(110)의 밑면에는 멤브레인(140)의 폭보다 작은 폭을 갖는 관통 영역이 형성된다. 이때 멤브레인(140)은 반응챔버(110)의 관통 영역을 완전히 덮도록 반응챔버(110)의 하부에 결합된다.

측정챔버(120)는 반응챔버(110)의 하부에 기계적 체결 방식에 의하여 결합된다. 또한 멤브레인(140)은 멤브레인(140)의 가장자리를 따라 반응챔버(110)의 외부 밑면에 기계적 체결 방식에 의하여 결합된다. 멤브레인(140)은 반응챔버(110)의 내부 밑면에도 결합될 수 있으나, 실험준비단계 중에 발생할 수도 있는 반응챔버(110)의 내부 오염문제를 최소화할 수 있도록 멤브레인(140)은 반응챔버(110)의 외부 밑면에 결합되는 것이 바람직할 것이다.

한편 측정챔버(120)의 내부에는 측정유체가 저장된다. 측정유체로는 모든 유체가 사용될 수 있으나, 바람직하게는 점성이 낮은 유체, 예를 들면 증류수가 될 수 있다. 이러한 측정유체는 반응챔버(110)의 내부에서 생성되는 가스의 부피를 실시간으로 측정하는데 이용된다.

측정챔버(120)와 측정컬럼(130)은 유로(150)를 통하여 연결된다. 구체적으로, 측정챔버(120)와 측정컬럼(130)을 연결하는 유로(150)의 일 단은 측정챔버(120)의 어느 일 측에 결합되고, 다른 일 단은 측정컬럼(130)의 내부에 위치한다. 즉, 유로(150)는 측정컬럼(130)의 하부로 들어와 측정컬럼(130)의 높이 방향으로 연장되어 형성되고, 유로(150)의 일단은 측정컬럼(130)의 상부면으로부터 일정거리 이격되어 위치한다.

측정컬럼(130)의 내부에 위치하는 유로(150)의 일단이 밑면으로부터 멀리 위치할수록 생성되는 가스의 변질을 최소화할 수 있다. 또한, 가스의 생성량이 큰 경우 증류수의 축적량이 많아 질 수 있다. 이러한 경우에, 유로(150)의 높이가 낮게 형성된다면 측정유체의 역류현상이 발생할 수도 있으므로 유로(150)의 일단은 측정컬럼(130)의 밑면으로부터 멀리 위치하는 것이 바람직하다.

위와 같이 측정챔버(120)와 측정컬럼(130)이 유로(150)를 통하여 연결됨으로써 측정챔버(120)의 내부에 저장된 측정유체는 유로(150)를 따라 측정컬럼(130)의 내부로 유입되어 축적될 수 있다.

측정컬럼(130)은 내부에 축적되는 측정유체의 부피를 측정할 수 있도록 형성된다. 구체적으로 측정컬럼(130)은 유체의 부피측정을 위한 기준 눈금 등을 구비하는 관일 수 있다. 측정컬럼(130)의 형상은 다양할 수 있으며, 측정컬럼(130)의 지름 또는 폭이 작아질수록 측정의 정밀도는 향상될 것이다.

반응챔버(110)의 하부에는 멤브레인(140)과 측정챔버(120)가 결합되고, 측정챔버(120)와 측정컬럼(130)은 유로(150)를 통하여 연결되어 각각의 구성요소는 서로 연동되게 형성된다. 즉, 모든 구성요소는 하나의 in-line 시스템을 형성하도록 구성된다. 또한 모든 구성요소는 서로 결합됨으로써 외부와는 완전히 차단된 밀폐된 시스템을 형성하도록 구성 또는 배치된다.

보다 구체적으로 살펴보면, 반응챔버(110) 내에서 반응 시편과 반응 용액의 상호 반응에 의해서 가스가 생성되면 반응챔버(110)의 내부는 밀폐되어 있기 때문에 압력이 상승하게 된다. 이와 같이 반응챔버(110)의 내부 압력이 상승하게 되면, 탄성적으로 변형 가능한 멤브레인(140)은 반응챔버(110)의 외부로, 즉 측정챔버(120)를 향하여 변형된다. 이러한 멤브레인(140)의 변형은 반응챔버(110)와 측정챔버(120)의 압력이 동일해 질 때까지 계속된다.

위와 같이 멤브레인(140)이 측정챔버(120)를 향하여 변형되면, 측정챔버(120)를 가득 채우고 있던 측정유체는 측정컬럼(130)쪽으로 이동하게 된다. 멤브레인(140)이 변형되기 전에 유로(150)의 끝단까지 채워져 있던 측정유체는 측정컬럼(130)으로 유입되어 축적되고 이후 축적된 측정유체의 부피가 측정된다.

반응챔버(110) 내에서 반응에 의해서 가스가 생성되기 전에는 멤브레인(140)의 상하 압력(도 2 참조, P1 및 P2)은 모두 동일한 값을 갖는다. 따라서 반응챔버(110)의 내부에 가스가 생성되면 생성된 가스의 부피만큼 멤브레인(140)은 변형되고, 멤브레인(140)의 변형된 부피만큼 측정유체는 측정컬럼(130)쪽으로 이동하므로 축적된 측정유체의 부피는 결과적으로 생성된 가스의 부피와 동일해진다.

반응챔버(110)의 내부에 생성된 가스의 부피는 위와 같은 본 발명의 구성에 의하여 실시간으로 측정 가능하다. 생성된 가스의 부피를 측정하기 위하여 별도의 장치를 이용하는 경우에 비하여 정확도 높은 부피 측정이 가능하고 가스의 오염가능성을 제거할 수 있다.

도 1에 도시된 바와 같이 반응챔버(110)의 형상은 하부에서 상부로 갈수록 폭이 좁아지는 형상을 이룰 수 있다. 반응챔버(110)가 이러한 형상으로 형성되는 경우, 상부로 모인 가스와 반응챔버(110)의 상부 입구(111) 사이에는 충분한 높이차가 형성될 수 있다. 충분한 높이차가 형성됨으로써, 소량의 가스가 생성되는 경우에도 가스 포집을 용이하게 할 수 있다.

도 2는 본 발명의 다른 실시예와 관련된 가스정량포집장치(200)의 개념도이다.

도 2를 참조하면, 가스정량포집장치(200)는 진공상태의 가스채취기(212)를 더 포함한다. 즉, 가스채취기(212)는 반응챔버(210)의 상부에 장착된다. 반응챔버(210)의 내부에서 반응 시편과 반응 용액의 상호 반응에 의하여 생성된 가스는 상부로 모이게 되므로, 가스채취기(212)는 반응챔버의 상부에 장착되는 것이 바람직하다.

반응챔버(210)의 상부에 장착되는 가스채취기(212)의 내부는 진공상태이므로 가스채취기(212)의 밸브를 개방하여 가스를 용이하게 채취할 수 있다. 즉, 가스채취기(212)의 내부 압력은 반응챔버(210)의 내부 압력보다 낮으므로 생성된 가스는 반응챔버(210)에서 가스채취기(212) 내부로 이동된다. 이러한 과정하에서는 가스가 외부로 노출됨이 없이 채취 가능하므로, 가스 샘플이 오염되는 것을 최대한 방지할 수 있다.

한편, 가스채취기(212)에 의해서 채취된 가스는 가스채취기(212)를 반응챔버(210)로부터 분리함으로써 손쉽게 가스 분석기로 이동될 수 있다. 즉, 본 실시예에 관한 가스정량포집장치(200)는 가스의 포집, 채취 및 이동을 이전에 비하여 손쉽게 이루어질 수 있도록 하고, 보다 정확하고 정밀한 분석을 가능하게 한다.

또한 도 2에 도시된 바와 같이, 가스정량포집장치(200)는 복수 개의 압력계(213, 233)를 더 포함할 수 있다. 반응챔버(210)와 측정챔버(220) 사이에 배치되는 멤브레인(240)은 반응챔버(210)의 내부 압력과 측정챔버(220)의 내부 압력에 의하여 동시에 영향을 받는다. 즉 멤브레인(240)의 윗면은 반응챔버(210)의 내부 압력(P1)에 의해서, 멤브레인(240)의 밑면은 측정챔버(220)의 내부 압력(P2)에 의해서 영향을 받는다.

반응챔버(210)의 내부에서 반응이 시작되기 전에는, 생성될 가스의 부피를 정확히 측정하기 위하여 멤브레인(240)이 변형되어서는 안된다. 따라서 반응챔버(210)의 내부 압력(P1)과 측정챔버(이와 연결된 측정컬럼까지, 220)의 내부 압력(P2)은 동일하게 유지되어야 하므로 반응챔버(210)와 측정챔버(220)에는 압력계(213, 233)가 각각 장착된다.

도 2에는 반응챔버(210)의 상부 및 측정컬럼(230)의 상부에 압력계(213, 233)가 각각 장착된 가스정량포집장치(200)가 도시되어 있다. 그러나 압력계(213, 233)가 장작되는 위치는 도시된 것에 한정될 필요는 없으며, 반응챔버(210)의 어느 일 측 또는 측정컬럼(233)의 어느 일 측에 장착될 수도 있다. 측정컬럼(230)과 측정챔버(220)는 유로(250)를 통하여 서로 연결되어 있으므로 측정컬럼(230) 또는 측정챔버(220) 중 적어도 한 곳에 압력계가 장착되면 충분하다.

도 3은 본 발명의 또 다른 실시예와 관련된 가스정량포집장치(300)에 반응용액(315) 및 측정유체(325)가 저장된 상태의 개념도이고, 도 4는 도 3의 가스정량포집장치(300)에 보조가스(460)가 주입되기 위한 구성을 나타내는 개념도이다.

도 3을 참조하면, 반응챔버(310)의 일측에는 반응용액(315)의 유출입을 조절하기 위하여 선택적으로 개폐되는 적어도 하나의 용액조절밸브(314, 314')를 구비하는 가스정량포집장치(300)가 도시되어 있다.

반응챔버(310)의 내부에서는 반응시편과 반응용액(315)의 상호 반응이 일어난다. 반응시편은 반응챔버(310)의 상부에 구비되는 상부 입구를 통하여 투입이 가능하고, 반응 용액(315)은 용액조절밸브(314, 314')를 개방함으로써 반응챔버(310)의 내부로 투입될 수 있다.

한편, 용액조절밸브(314, 314')는 용액주입밸브(314)와 용액배출밸브(314')를 포함할 수 있다. 구체적으로 용액주입밸브(314)는 반응챔버(310)의 상부에 결합되고, 반응용액(315)의 유입을 조절한다. 또한 용액배출밸브(314')는 반응챔버(310)의 하부에 결합되고, 반응용액(315)의 배출을 조절한다.

반응용액(315)은 지하수 또는 특정 용액이 될 수 있으며, 공기에 의한 생성 가스의 오염 및 변질 가능성을 배제하고자 반응챔버(310)의 내부를 완전히 채우도록 유입된다.

도 3에 도시된 측정챔버(320)의 내부에는 측정유체(325)가 가득 채워져 있다. 측정유체(325)의 유출입을 조절하기 위하여 본 실시예에 관한 가스정량포집장치(300)는 측정챔버(320)의 일측에 측정유체(325)의 유입을 조절하기 위한 용액주입밸브(324)를 구비하고, 측정컬럼(330)의 하부에는 측정컬럼(330)에 축적되는 측정유체(325)의 배출을 조절하기 위한 용액배출밸브(334)가 구비된다.

도시된 바와 같이, 측정유체(325)는 측정챔버(320)와 유로(350)의 전체영역에 걸쳐 저장된다.

도 4에는 가스정량포집장치(400)의 내부에 보조가스(460)를 주입시키는 과정이 도시되어 있다. 가스정량포집장치(400)의 내부에 반응용액 및 측정유체를 주입하기 전에, 장치 전체에 보조가스(460)를 주입하여 장치 내부에 존재하는 공기를 제거해야 한다. 이러한 과정을 통해서 생성되는 가스의 오염을 막을 수 있고 측정의 정확도를 향상시킬 수 있다.

이와 같은 보조가스(460)를 주입시키기 위하여, 반응챔버(410)에는 가스주입밸브(416)와 가스배출밸브(416')가 구비된다. 구체적으로 가스주입밸브(416)는 반응챔버(410)의 상부에 장착되고, 반응챔버(410)의 내부에 존재하는 공기를 제거하도록 보조가스(460)를 주입시키기 위하여 개방된다. 또한 가스배출밸브(416')는 반응챔버(410)의 하부에 장착되고, 보조가스(460)의 주입에 대응하여 반응챔버(410) 내부에 존재하는 공기를 배출하기 위하여 구비된다.

또한 측정챔버(420)의 내부에도 보조가스(460)를 주입시키기 위하여 가스정량포집장치는 가스주입밸브(426) 및 가스배출밸브(436)를 더 포함한다. 구체적으로, 가스주입밸브(426)는 측정챔버(420)의 일 측에 장착되고, 측정챔버(420)와 측정컬럼(430)의 내부에 존재하는 공기를 제거하도록 보조가스(460)를 주입시키도록 개방된다. 또한 가스배출밸브(436)는 측정컬럼(430)의 상부에 장착되고, 보조가스(460)의 주입에 대응하여 측정챔버(420)와 측정컬럼(430)의 내부에 존재하는 공기를 배출하기 위하여 개방된다.

가스정량포집장치(400)의 내부에 존재하는 공기를 배출시키기 위하여 주입되는 보조가스(460)는 헬륨 또는 아르곤일 수 있다.

도 5는 반응챔버(510)의 내부에서 반응이 완료된 후 생성된 가스의 부피에 대응하여 변형된 멤브레인(540)을 보여주는 가스정량포집장치(500)의 개념도이다.

도 5를 참조하면, 반응챔버(510) 내부에서 생성된 가스는 반응챔버(510)의 상부에 축적된다. 이때 생성된 부피를 V1이라고 하면, 멤브레인(540)은 V1에 대응하여 V2만큼 변형이 된다. 멤브레인(540)이 측정챔버(520)를 향하여 변형됨으로써 측정챔버(520)의 내부에 저장되어 있던 측정유체는 유로(550)를 따라 측정컬럼(530)으로 유입되어 축적되고 축적된 부피 V3는 결과적으로 생성된 가스의 부피인 V1과 같은 값을 갖게 된다.

멤브레인(540)의 변형이 완료되면 반응챔버(510)의 내부 압력과 측정컬럼(530)의 내부 압력의 값은 동일할 것이다. 또한 변형된 멤브레인(540)은 반응챔버(510)와 측정컬럼(530)의 내부 압력을 조절함으로써 다시 복원될 수 있다.

도 6은 본 발명의 일 실시예와 관련된 가스정량포집방법에 대한 흐름도이다.

도 6을 참조하면, 가스정량포집방법은 다음의 다섯 단계를 포함한다. 아래에서 구체적으로 살펴본다.

제1 단계(S100)는 반응챔버의 상부 입구를 통하여 반응시편을 반응챔버의 내부로 투입하고 반응챔버를 밀폐시키는 것을 포함한다.

제2 단계(S200)는 반응챔버, 측정챔버 및 측정컬럼의 내부에 존재하는 공기를 제거하기 위하여 가스조절밸브를 개방하는 것을 포함한다. 구체적으로 반응챔버의 가스주입밸브와 가스배출밸브를 동시에 개방하고, 가스주입밸브를 통하여 보조가스를 주입하면 가스배출밸브를 통하여 내부에 존재하는 공기가 배출될 수 있다.

마찬가지로 측정챔버의 일 측에 장착되는 가스주입밸브를 개방하고, 측정컬럼에 장착되는 가스배출밸브를 개방하여 같은 과정을 반복한다.

제3 단계(S300)는 용액조절밸브를 개방하여 반응챔버와 측정챔버에 반응용액과 측정유체를 각각 주입하는 것을 포함한다. 즉 반응챔버의 용액주입밸브를 개방하여 반응챔버의 내부를 반응용액으로 가득 채우고, 측정챔버의 용액주입밸브를 개방하여 측정챔버의 내부 전체와 유로의 끝단까지 측정유체를 주입한다.

제4 단계(S400)는 반응챔버, 측정챔버 및 측정컬럼 내부의 압력을 모두 동일하게 유지하도록 가스조절밸브 및 용액조절밸브를 이용하여 압력을 조절하는 것을 포함한다.

제5 단계(S500)는 반응시편과 반응용액의 상호 반응에 의해서 생성된 가스의 부피를 측정컬럼에 축적되는 측정유체의 부피를 이용하여 측정하고, 반응챔버의 상부에 장착된 진공상태의 가스채취기를 이용하여 가스를 채취하는 것을 포함한다.

이와 같이 채취된 가스는 가스채취기를 반응챔버로부터 분리함으로써 가스샘플이 외부에 노출되어 오염될 가능성이 없이 가스 분석기로 옮겨질 수 있다. 또한 양 챔버와 측정컬럼의 가스 및 용액조절밸브를 적절히 이용하여 멤브레인을 원상태로 복원시킨 후 반복하여 사용할 수 있다.

이와 같이 본 발명은 외부와의 접촉이 차단되도록 모든 구성요소가 밀폐되어 반응이 진행되고 생성된 가스를 진공상태의 가스채취기를 이용하여 단일의 과정으로 분리 가능하게 구성됨에 따라 가스 샘플의 오염 및 변질을 최소화할 수 있다. 또한 반응챔버, 측정챔버 및 측정컬럼은 멤브레인을 통하여 연동되도록 구성되어 반응챔버 내에서 생성되는 가스의 부피를 실시간으로 측정할 수 있으므로 측정의 정확도를 높일 수 있다.

이상에서 설명한 가스정량포집장치 및 이의 방법은 위에서 설명된 실시예들의 구성과 방법에 한정되는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.

Claims

반응 시편과 반응 용액의 상호 반응에 의하여 생성되는 가스를 저장하는 공간을 형성하고, 상기 반응 시편을 투입할 수 있도록 개폐 가능한 상부 입구를 구비하는 반응챔버;
상기 반응챔버의 하부에 결합되고, 측정유체를 저장할 수 있는 측정챔버;
상기 측정유체가 내부로 유입되도록 상기 측정챔버의 어느 일 측에 결합된 유로와 연결되고, 상기 유로로부터 유입되어 축적되는 상기 측정유체의 부피를 측정하도록 형성되는 측정컬럼; 및
상기 반응챔버와 상기 측정챔버의 사이에 배치되고, 상기 반응챔버의 내부 압력에 의해서 변형 또는 복원되도록 탄성을 갖는 재질로 형성되는 멤브레인을 포함하고,
상기 멤브레인은 상기 반응챔버의 내부에서 생성된 가스의 부피에 대응하는 부피의 상기 측정유체를 상기 측정컬럼 내부로 유입시킬 수 있도록 상기 반응챔버의 내부 압력의 상승에 의해서 상기 측정챔버를 향하여 탄성적으로 변형되는 것을 특징으로 하는 가스정량포집장치.
제1항에 있어서,
상기 반응챔버는 내부에서 생성된 후 상기 반응챔버의 상부로 모인 가스와 상기 상부 입구 사이에 충분한 높이차를 형성하여 포집을 용이하게 하도록 하부에서 상부로 갈수록 폭이 좁아지는 형상인 것을 특징으로 하는 가스정량포집장치.
제1항에 있어서,
상기 멤브레인은 신축성과 내구성을 가지는 라텍스로 형성되는 것을 특징으로 하는 가스정량포집장치.
제1항에 있어서,
상기 반응챔버의 내부에서 생성된 후 상부에 모인 가스를 외부에 노출시키지 않고 압력차에 의하여 용이하게 채취하도록 상기 반응챔버의 상부에 장착되는 진공상태의 가스채취기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가스정량포집장치.
제1항에 있어서,
상기 반응챔버, 상기 측정챔버 및 상기 측정컬럼의 내부 압력을 측정하고 조절할 수 있도록 상기 반응챔버의 일 측 및 상기 측정컬럼의 일 측에 각각 장착되는 복수 개의 압력계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가스정량포집장치.
제1항에 있어서,
상기 반응챔버는 어느 일 측에 반응용액의 유출입을 조절하기 위하여 선택적으로 개폐되는 적어도 하나의 용액조절밸브를 구비하는 것을 특징으로 하는 가스정량포집장치.
제6항에 있어서,
상기 용액조절밸브는,
상기 반응챔버의 상부에 결합되고, 상기 반응용액의 유입을 조절하는 용액주입밸브; 및
상기 반응챔버의 하부에 결합되고, 상기 반응용액의 배출을 조절하는 용액배출밸브를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스정량포집장치.
제1항에 있어서,
상기 측정챔버는 일측에 상기 측정유체의 유입을 조절하기 위한 용액주입밸브를 구비하고,
상기 측정컬럼의 하부에는 상기 측정컬럼에 축적되는 측정유체의 배출을 조절하기 위한 용액배출밸브가 구비되는 것을 특징으로 하는 가스정량포집장치.
제1항에 있어서,
상기 반응챔버의 상부에 장착되고, 상기 반응챔버의 내부에 존재하는 공기를 제거하도록 보조가스를 주입시키는 가스주입밸브; 및
상기 반응챔버의 하부에 장착되고, 상기 보조가스의 주입에 대응하여 상기 반응챔버 내부에 존재하는 공기를 배출하기 위한 가스배출밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가스정량포집장치.
제1항에 있어서,
상기 측정챔버의 일측에 장착되고, 상기 측정챔버와 상기 측정컬럼의 내부에 존재하는 공기를 제거하도록 보조가스를 주입시키는 가스주입밸브; 및
상기 측정컬럼의 상부에 장착되고, 상기 보조가스의 주입에 대응하여 상기 측정챔버와 상기 측정컬럼의 내부에 존재하는 공기를 배출하기 위한 가스배출밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가스정량포집장치.
제9항 또는 제10항에 있어서,
상기 보조가스는 헬륨 또는 아르곤인 것을 특징으로 하는 가스정량포집장치.
제1항의 가스정량포집장치를 이용한 가스정량포집방법으로서,
반응챔버의 상부 입구를 통하여 반응시편을 상기 반응챔버의 내부로 투입하고 상기 반응챔버를 밀폐시키는 단계;
상기 반응챔버, 측정챔버 및 측정컬럼의 내부에 존재하는 공기를 제거하도록 가스조절밸브를 개방하는 단계;
용액조절밸브를 개방하여 상기 반응챔버와 상기 측정챔버에 반응용액과 측정유체를 각각 주입하는 단계;
상기 반응챔버, 상기 측정챔버 및 상기 측정컬럼 내부의 압력을 모두 동일하게 유지하도록 상기 가스조절밸브 및 상기 용액조절밸브를 이용하여 압력을 조절하는 단계; 및
상기 반응시편과 상기 반응용액의 상호 반응에 의해서 생성된 가스의 부피를 상기 측정컬럼에 축적되는 상기 측정유체의 부피를 이용하여 측정하고, 상기 반응챔버의 상부에 장착된 진공상태의 가스채취기를 이용하여 가스를 채취하는 단계를 포함하는 가스정량포집방법.