KR101678175B1 - 중금속 시료 포집이 동시 가능한 미세먼지 자동 측정 장치 - Google Patents

중금속 시료 포집이 동시 가능한 미세먼지 자동 측정 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 베타선을 이용하여 공기 중의 미세먼지의 농도를 자동으로 측정함과 동시에 중금속 등의 성분 분석을 위한 시료 채취도 할 수 있는 중금속 시료 포집이 동시 가능한 미세먼지 자동 측정 장치에 관한 것으로, 상류측에 미세먼지가 포함된 일정 유량의 공기가 유입되는 유입구가 구비되고 하류측에 미세먼지가 제거된 공기가 배출되는 배출구가 구비되어 공기가 유동하는 유로가 형성된 몸체; 상기 유로 내에 구비되어 유동하는 공기에 포함된 미세먼지가 포집되는 포집여지; 상기 유로 내의 상기 포집여지 상측에 소정거리 이격되어 구비되며, 상기 포집여지를 향해 베타선을 조사하는 베타선 조사부; 및 상기 유로 내의 상기 포집여지 하측에 구비되며, 상기 포집여지를 투과한 베타선을 검출하는 베타선 검출부;를 포함하여 이루어진다.

Description

중금속 시료 포집이 동시 가능한 미세먼지 자동 측정 장치{Apparatus for automatically measuring particulate matter and simultaneously sampling of heavy metal}
본 발명은 중금속 시료 포집이 동시 가능한 미세먼지 자동 측정 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 베타선을 이용하여 공기 중의 미세먼지의 농도를 자동으로 측정함과 동시에 중금속 등의 성분 분석을 위한 시료 채취도 할 수 있는 중금속 시료 포집이 동시 가능한 미세먼지 자동 측정 장치에 관한 것이다.
미세먼지는 여러 가지 복합한 성분을 가진 대기 중 부유 물질로, 지름이 10㎛(마이크로미터, 1㎛=1000분의 1㎜) 이하의 먼지로 PM(Particulate Matter)10이라고 한다. 대부분 자동차 배출 가스나 공장 굴뚝 등을 통해 주로 배출되며 중국의 황사나 심한 스모그 때 날아오는 크기가 작은 먼지를 말한다.
또한 미세먼지 중 입자의 크기가 더 작은 미세먼지를 초미세먼지라 부르며 지름 2.5㎛ 이하의 먼지로서 PM2.5라고 한다. 초미세먼지는 미세먼지보다 훨씬 작기 때문에 기도에서 걸러지지 못하고 대부분 폐포까지 침투해 심장질환과 호흡기 질병 등을 일으키기 때문에 훨씬 유해하다.
세계 각국에서는 미세먼지 수치를 엄격하게 규제하고 있으며, 국내에서도 1995년부터 대기 중에 존재하는 미세먼지 기준을 PM10 기준(연평균 80㎍/㎥, 일평균 150㎍/㎥)로 설정하여 관리하고 있다. 그러나, 대기 중의 미세먼지가 증가하면서 국민건강에도 악영향이 누적됨에 따라 2011년 3월, '환경정책기본법 시행령 제2조 개정을 통하여 대기환경기준에 초 미세먼지인 PM2.5의 기준이 신설되었다. 이는 2015년도부터 시행될 예정이며, 24시간 기준으로 50 ㎍/㎥, 1년 기준으로는 25 ㎍/㎥의 농도를 설정하였다.
한편, 현재 국내에는 전국적인 대기 자동 측정망에 상당수의 PM10 부유분진 측정기가 보급되어 상시 측정 중에 있다.
입자상 물질(PM)의 농도를 측정하는 방법에는 전통적인 중력에 의한 측정(중량법), 광학적인 산란을 이용한 측정, 베타선의 감쇄원리에 의한 측정(베타선 흡수법) 등이 있다. 이 중 중량법에 의한 측정방법이 가장 정확하나 자동 측정이 불가능한 단점 때문에 베타선 흡수법을 이용한 방법이 미세먼지 측정 장치에 적용되어 널리 이용되고 있다. 이와 관련된 기술이 한국등록특허공보 제 10-1278289호 ("베타레이를 이용한 듀얼 미세먼지 측정 장치")에 개시되어 있다(도 1 참고).
그러나, 상기 선행기술은 두 가지 종류의 미세먼지(PM10 및 PM2.5)를 동시에 측정할 수 있는 장치이므로 그 면적이 상당하여 좁은 실내 공간 등에 설치하는데 제약이 따른다. 또한, 포집된 미세먼지의 중금속 등의 성분 분석이 용이하지 않고, 중량법을 이용한 정확한 무게 측정이 불가능하다는 단점이 있다.
한국등록특허공보 제 10-1278289호 ("베타레이를 이용한 듀얼 미세먼지 측정 장치")
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 협소한 실내 공간이나 열차 객실 등에도 설치 및 이동하여 사용할 수 있도록 장치를 소형화한 중금속 시료 포집이 동시 가능한 미세먼지 자동 측정 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 베타선 흡수법을 이용하여 실시간으로 미세먼지의 양을 자동 측정함과 동시에 포집된 미세먼지를 사용자가 직접 중량법을 이용해 정확한 미세먼지 양을 측정하거나 중금속 등의 성분 분석을 하기 위한 시료로 활용할 수 있는 중금속 시료 포집이 동시 가능한 미세먼지 자동 측정 장치를 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 중금속 시료 포집이 동시 가능한 미세먼지 자동 측정 장치는 상류측에 미세먼지가 포함된 일정 유량의 공기가 유입되는 유입구가 구비되고 하류측에 미세먼지가 제거된 공기가 배출되는 배출구가 구비되어 공기가 유동하는 유로가 형성된 몸체; 상기 유로 내에 구비되어 유동하는 공기에 포함된 미세먼지가 포집되는 포집여지; 상기 유로 내의 상기 포집여지 상측에 소정거리 이격되어 구비되며, 상기 포집여지를 향해 베타선을 조사하는 베타선 조사부; 및 상기 유로 내의 상기 포집여지 하측에 구비되며, 상기 포집여지를 투과한 베타선을 검출하는 베타선 검출부;를 포함하여 이루어질 수 있다.
또한, 상기 유입구를 통해 유입된 공기가 상기 베타선 조사부 하측으로 유동하여 공기 중의 미세먼지가 상기 포집여지에 포집되도록 하기 위해 상기 베타선 조사부의 상측에 구비되며, 밑면이 상기 베타선 조사부의 상측에 접하는 원뿔 형태로 구비되는 원뿔형 기재;를 더 포함할 수 있으며, 상기 원뿔형 기재의 밑면의 넓이는 상기 베타선 조사부의 수평방향 단면의 넓이와 같거나 클 수 있다.
또, 상기 몸체는 상기 포집여지가 위치한 부분을 기준으로 상부 몸체, 및 하부 몸체,로 구분되며, 상기 측정 장치는 상기 포집여지의 장착 또는 탈착을 위해 상기 상부 몸체와 상기 하부 몸체를 밀착시키거나 이격시키는 구동수단;을 더 포함할 수 있다.
마지막으로, 상기 포집여지는 상기 상부 몸체와 상기 하부 몸체의 사이에 끼워지는 질 수 있다.
본 발명은 베타선 조사부 및 베타선 검출부에 의한 미세먼지 농도를 베타선을 이용하여 실시간으로 자동 측정할 수 있으며, 동시에 미세먼지가 포집된 포집여지는 미세먼지 속 포함된 중금속 등의 성분 분석을 위한 시료로서 활용될 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명은 원뿔형 기재를 더 구비함으로써 유입된 공기 중의 미세먼지가 손실되지 않고 포집여지에 포집될 수 있다. 또한, 포집여지에 미세먼지가 균일하게 포집되는 효과도 있으며, 장치의 면적을 줄일 수 있는 장점이 있다.
또, 본 발명은 연속 롤 방식이 아닌 낱장 탈착식의 포집여지를 사용하여 종래보다 4분의 1 수준으로 장치의 소형화가 가능한 장점이 있다.
도 1은 종래의 듀얼 미세먼지 측정 장치
도 2는 본 발명에 따른 미세먼지 자동 측정 장치의 전체 단면도
도 3은 본 발명에 따른 미세먼지 자동 측정 장치의 부분 단면도(잠김 상태)
도 4는 본 발명에 따른 미세먼지 자동 측정 장치의 부분 단면도(풀림 상태)
도 2는 본 발명에 따른 미세먼지 자동 측정 장치의 전체 단면도이고, 도 3은 본 발명에 따른 미세먼지 자동 측정 장치의 부분 단면도(잠김 상태)이며, 도 4는 본 발명에 따른 미세먼지 자동 측정 장치의 부분 단면도(풀림 상태)이다.
이하, 본 발명의 기술적 사상을 첨부된 도면을 사용하여 더욱 구체적으로 설명한다.
첨부된 도면은 본 발명의 기술적 사상을 더욱 구체적으로 설명하기 위하여 도시한 일예에 불과하므로 본 발명의 기술적 사상이 첨부된 도면의 형태에 한정되는 것은 아니다.
도 2 내지 도 4에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 측정 장치(1000)는 크게 도입부(100), 몸체(200), 포집여지(300), 베타선 조사부(400) 및 베타선 검출부(500)를 포함하여 이루어진다.
도입부(100)는 일단이 외부에 노출되고 타단이 몸체(200)의 유입구(210)와 연통되도록 설치되며, 미세먼지가 포함된 외부의 공기를 유입시키고, 일정 사이즈 이하의 미세먼지만을 투과시켜 몸체(200)의 유입구(210)로 공급하는 역할을 담당한다. 아울러, 도입부(100)에는 몸체(200)의 유입구(210)로 공급하는 공기의 유량을 설정유량만큼 일정하게 공급하기 위해 펌프 등의 유량조절장치(미도시)가 구비되는 것이 바람직하다. 이 때, 도입부(100)는 공지된 EPA 방식에 의해 정해진 사이즈 이하의 미세 먼지가 포함된 공기만을 투과시키는 통상의 구성이므로 상세 구성에 대한 설명은 생략하기로 한다. 도입부(100)는 PM10 이하의 미세먼지만을 투과시키는 구성이 적용될 수 있으며, 추후 PM2.5 기준이 적용되어야 할 경우 도입부(100)만 교체하면 되므로 장치의 계속적인 사용이 가능한 장점이 있다.
이하, 도입부(100)를 제외한 본 발명의 측정 장치(1000)의 부분 단면도인 도 3 내지 도 4를 참고하여, 나머지 구성을 상세히 설명한다.
몸체(200)는 상류측에 미세먼지가 포함된 공기가 유입되는 유입구(210) 및 하류측에 미세먼지가 제거된 공기가 배출되는 배출구(220)가 구비되어 공기가 유동하는 유로가 형성된다.
또한, 유로 내에는 유동하는 공기에 포함된 미세먼지를 포집하는 포집여지(300)가 구비된다. 즉, 외부의 공기가 도입부(100)를 통과하면서 일정 사이즈 이상의 미세먼지가 걸러지고 나머지 공기는 설정된 유량만큼 유입구(210)로 유입된다. 유입된 공기가 포집여지(300)를 통과하면서 미세먼지는 포집여지(300)에 흡착되고 미세먼지가 제거된 나머지 공기는 유로를 따라 이동하여 배출구(220)로 배출된다. 이 때, 도면에 도시되지는 않았으나 배출구(220)에는 설정된 유량의 공기가 배출되도록 유량조절장치(미도시)가 더 구비될 수도 있다.
베타선 조사부(400)는 포집여지(300) 상측의 상부 유로 내에 포집여지(300)와 소정거리 이격되어 고정 설치된다. 베타선 조사부(400)는 베타선을 조사하기 위한 통상의 구성이 적용될 수 있으며 미세먼지가 포집된 포집여지(300)를 향해 베타선을 조사하도록 한다.
베타선 검출부(500)는 포집여지(300) 하측의 하부 유로 내에 고정 설치되며, 미세먼지의 양을 검출하기 위한 검출센서(PMT;Photo multiplier Tube)로, 공지된 기술을 이용하며, 예를 들어 플라스틱 신틸레이터(plastic scintillator)장착한 고감도의 PMT를 장착할 수 있다.
포집되는 미세먼지의 포집량을 측정하기 위해 베타선 조사부(400)에서 조사된 베타선이 포집여지(300)를 투과하면서 포집된 미세먼지 만큼 감쇄된 베타선을 측정하게 된다. 즉, 베타선의 감쇄량을 분석함으로써 포집여지(300)에 포집된 미세먼지 양을 파악할 수 있다.
한편, 몸체(200)는 포집여지(300)가 위치한 부분을 기준으로 상부 몸체(201) 및 하부 몸체(202)로 구분된다. 또한, 몸체(200)에 형성된 유로는 상부 몸체(201)에 형성되어 유입구(210)와 연결된 상부 유로와 하부 몸체(202)에 형성되어 배출구(220)와 연결된 하부 유로로 구분된다.
이때, 본 발명에 따른 측정 장치(1000)는 포집여지(300)의 장착 또는 탈착을 위해 상부 몸체(201)와 하부 몸체(202)를 밀착시키거나 이격시키는 구동수단(600)을 더 포함하여 구성된다. 이때, 포집여지(300)는 상부 몸체(201)와 하부 몸체(202)의 사이 구체적으로, 상부 유로와 하부 유로 사이에 끼워지도록 구성된다.
도면을 참고하여 본 발명에 따른 구동수단(600)의 일예를 설명한다. 구동수단(600)은 핸들(610), 연결막대(620), 힌지축(630) 및 스프링(640)으로 이루어질 수 있다. 핸들(610)은 케이스(C) 외측에 위치하며, 연결막대(620)는 핸들(610)과 케이스(C)를 관통하여 연결되고 케이스(C)의 내측에 설치되는 힌지축(630)을 중심으로 힌지 회동 가능하도록 설치된다. 또한 힌지축(630)은 브라켓 등을 이용하여 상부 몸체(201)와 결합된 상태이다. 평상시에는 도 3과 같이 핸들(610)을 상향 이동시키면 잠김 상태가 된다. 잠김 상태일 경우 상부 몸체(201) 및 하부 몸체(202)가 맞닿으며 포집여지(300)가 사이에 끼워진 채 상부 유로와 하부 유로가 연통되며, 이때, 상부 몸체(201)의 외면에 구비된 스프링(640)의 탄성에 의해 밀착된 상태가 유지되어 리크가 발생되지 않으며 미세먼지의 포집이 가능하다. 반면 도 4와 같이 핸들(610)을 하향 이동시키면 핸들(610)과 연결막대(620)로 연결된 힌지축(630)이 회전하면서 상부 몸체(201)를 상향 이동시키도록 힘이 가해진다. 이에 따라 스프링(640)이 압축되어 상부 몸체(201)와 하부 몸체(202)가 이격된 풀림 상태가 되며, 상부 몸체(201)와 하부 몸체(202) 사이의 틈을 통해 포집여지(300)의 교체가 가능하다. 이때, 상부 몸체(201)의 외면에 돌출부(201a)를 더 형성하고, 케이스(C) 내에 홈부(201b)를 형성함으로써 상부 몸체(201)가 상향 이동되었을 때 돌출부(201a)가 홈부(201b)에 걸리게 되어 풀림 상태를 유지시키도록 할 수 있다.
한편, 구동수단(600)은 상부 몸체(201) 및 하부 몸체(202)의 개폐 작용을 하는 다양한 수단을 이용할 수 있으며, 도면에 도시된 형태는 구동수단(600)의 일실시예를 설명하기 위한 것으로 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
한편, 본 발명은 베타선 조사부(400) 및 베타선 검출부(500)에 의한 미세먼지 농도를 실시간으로 자동 측정함과 동시에 중금속 시료 포집이 가능하다. 상부 몸체(201)와 하부 몸체(202) 사이에 포집여지(300)를 장착하기 전, 유리섬유나 쿼츠(quartz)로 이루어진 포집여지(300)의 수분을 제거하여 수분평형을 이루도록 한다. 이후, 포집여지(300)를 장착한 후 설정된 시간 동안 정유량으로 미세먼지를 포집한다. 포집이 완료되면 포집여지(300)를 분리하여 실험실로 이동시켜 앞서 실시한 수분 제거량 만큼 수분을 제거한 뒤 무게를 측정함으로써 중량법에 의한 정확한 미세먼지 농도를 확인할 수 있다. 또한, 미세먼지가 포집된 포집여지는 미세먼지 속 포함된 중금속 함유량 등의 성분 분석을 위한 시료로서 활용될 수 있다.
또한, 본 발명에 있어서, 도시된 바와 같이 유입구(210)를 통해 유입된 공기가 베타선 조사부(400) 하측으로 유동하여 공기 중의 미세먼지가 포집여지(300)에 포집되도록 하기 위해 베타선 조사부(400)의 상측에 구비되며, 밑면이 베타선 조사부(400)의 상측에 접하는 원뿔 형태로 구비되는 원뿔형 기재(700)가 더 구비되는 것이 바람직하다.
도 3에 도시된 공기의 흐름을 나타낸 화살표와 같이 유입구(210)를 통해 유입된 공기가 유로를 따라 급격한 경사를 이루는 원뿔형 기재(700)의 옆면을 따라 하강하고, 베타선 조사부(400)와 포집여지(300) 사이의 공간으로 유동하여 포집여지(300)를 통과하게 된다.
이 때, 유입된 공기 중의 미세먼지가 손실되지 않고 포집여지(300)까지 이동되기 위해서는 원뿔형 기재(700)의 밑면의 넓이는 베타선 조사부(400)의 수평방향 단면의 넓이와 같거나 큰 것이 바람직하다.
종래의 미세먼지 측정 장치의 경우, 포집여지의 중앙 부분에 미세먼지가 집중적으로 흡착되면서 포집여지의 교체 주기가 단축되고 측정 시 오차가 발생될 확률이 비교적 커질 수밖에 없었다. 그러나 본 발명은 원뿔형 기재(700)를 더 구비함으로써, 유입된 공기가 베타선 조사부(400)의 가장자리를 통과하여 포집여지(300) 로 모이게 되는데 있어서, 공기 중의 미세먼지가 보다 균일하게 포집여지(300)에 포집되는 효과가 있다.
이와 더불어 종래의 미세먼지 측정 장치는 미세먼지가 포함된 공기를 마주보는 베타선 조사부와 베타선 검출부 사이의 측면으로 공급하기 때문에 'J'자 형태로 유로가 형성될 수밖에 없었다. 반면, 본 발명은 일자 형태로 유로를 형성할 수 있기 때문에 종래의 장치보다 면적을 줄일 수 있는 장점이 있다.
또한, 전술한 바와 같이 종래기술은 포집여지를 두 개의 축을 이용하여 일정 시간을 두고 이동하여 자동 포집함으로써 측정하는 방식이다(도 1 참고). 이러한 방식은 장기간 포집여지를 교환하지 않아도 되는 장점이 있으나, 중량법에 의한 정확한 무게 측정이나 성분 분석이 용이하지 않은 단점이 있다. 또한 연속 롤 방식 및 듀얼 미세먼지 측정 장치이므로 장치의 면적이 크기 때문에 협소한 실내 공간 등에는 설치가 부적합하다. 그러나, 본 발명에 따른 측정 장치(1000)는 연속 롤 방식이 아닌 낱장 탈착식의 포집여지(300)를 사용하며, 일자 형태로 유로가 형성되는 구성으로 종래보다 4분의 1 수준으로 장치의 소형화가 가능한 장점이 있다.
한편, 도면에 도시하지는 않았으나, 본 발명에 따른 측정 장치(1000)는 하기의 역할을 하는 제어부(미도시)의 구성을 더 포함할 수 있다.
제어부를 통해 사용자는 도입부(100) 및 배출구(220)의 유량조절장치를 제어하여 유입구(210)로 공급되는 공기의 유량 및 외부로 배출되는 공기의 유량을 설정할 수 있다. 또한, 실시간 또는 설정된 주기마다 자동으로 미세먼지의 농도를 측정하여 실시간으로 모니터링이 가능하다.
한편, 포집여지(300)에 포집되는 미세먼지는 시간이 지남에 따라 두꺼워지며, 일정 두께 이상 포집되면, 베타선의 투과율이 떨어져 정확한 베타선의 감쇄량을 측정하기 어렵다. 이를 위해 제어부는 측정된 결과를 바탕으로 포집여지의 교체시기 알람을 발생시키도록 할 수 있다. 아울러, 미세먼지의 포집 시간을 설정함으로써 설정된 시간 동안 미세먼지를 포집하고, 이후 포집여지를 꺼내어 중량법을 이용해 무게를 측정하거나 성분 분석을 할 수도 있다.
본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.
1000 : 측정 장치
100 : 도입부 200 : 몸체
201 : 상부 몸체 202 : 하부 몸체
210 : 유입구 220 : 배출구
300 : 포집여지 400 : 베타선 조사부
500 : 베타선 검출부 600 : 구동수단
610 : 핸들 620 : 연결막대
630 : 힌지축 640 : 스프링
700 : 원뿔형 기재

Claims (5)

  1. 상류측에 미세먼지가 포함된 일정 유량의 공기가 유입되는 유입구가 구비되고 하류측에 미세먼지가 제거된 공기가 배출되는 배출구가 구비되어 공기가 유동하는 유로가 형성되는 몸체;
    상기 유로 내에 구비되어 유동하는 공기에 포함된 미세먼지가 포집되는 포집여지;
    상기 유로 내의 상기 포집여지 상측에 소정거리 이격되어 구비되며, 상기 포집여지를 향해 베타선을 조사하는 베타선 조사부;
    상기 유로 내의 상기 포집여지 하측에 구비되며, 상기 포집여지를 투과한 베타선을 검출하는 베타선 검출부; 및
    상기 베타선 조사부의 상측에 구비되되, 밑면이 상기 베타선 조사부의 상측에 접하는 원뿔 형태로 구비되며, 상기 밑면의 넓이가 상기 베타선 조사부의 수평방향 단면의 넓이와 같거나 크게 형성되는 원뿔형 기재;
    를 포함하되,
    상기 유입구, 상기 베타선 조사부 및 상기 포집여지가 일직선상에 배치되어, 상기 유입구를 통해 유입된 공기가 상기 원뿔형 기재의 옆면을 따라 하강하고, 상기 베타선 조사부의 가장자리를 통과하여 상기 베타선 조사부 하측에 구비된 상기 포집여지에 공기 중의 미세먼지가 포집되는 것을 특징으로 하는 중금속 시료 포집이 동시 가능한 미세먼지 자동 측정 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 몸체는 상기 포집여지가 위치한 부분을 기준으로 상부 몸체, 및 하부 몸체, 로 구분되며,
    상기 측정 장치는 상기 포집여지의 장착 또는 탈착을 위해 상기 상부 몸체와 상기 하부 몸체를 밀착시키거나 이격시키는 구동수단; 을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 중금속 시료 포집이 동시 가능한 미세먼지 자동 측정 장치.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 포집여지는,
    상기 상부 몸체와 상기 하부 몸체의 사이에 끼워지는 것을 특징으로 하는 중금속 시료 포집이 동시 가능한 미세먼지 자동 측정 장치.
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