KR101766231B1 - 휴대용 중금속 측정장치 - Google Patents

휴대용 중금속 측정장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 휴대용 중금속 측정장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 부피가 작고 무게가 가벼워서 휴대가 가능하며 현장에서 지중(in-situ) 또는 지상(ex-situ) 방식으로 시료 중의 중금속을 신속하게 측정할 수 있음과 동시에 실시간으로 모니터링이 가능한 휴대용 중금속 측정장치에 관한 것이다.
본 발명의 휴대용 중금속 측정장치는 상부에 연결포트가 설치된 캡과, 캡의 하부에 결합되는 하우징과, 하우징의 하방에 놓이는 전해질 용액에 하부가 잠길 수 있도록 상기 하우징의 내부에 장착되어 하방으로 길게 형성되며, 상기 전해질 용액 중의 중금속을 감지하는 센서모듈과, 하우징의 내부에 설치되어 상기 센서모듈에 전위를 인가하고 상기 센서모듈로부터 출력되는 전류 값을 통해 중금속의 농도를 측정하는 컨트롤러와, 전해질 용액을 교반하기 위해 상기 하우징의 내부에 설치되는 교반수단과, 하우징의 내부에 설치되어 상기 컨트롤러와 상기 교반수단에 전원을 공급하는 전원부를 구비한다.

Description

휴대용 중금속 측정장치{Portable measuring device for heavy metal}
본 발명은 휴대용 중금속 측정장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 부피가 작고 무게가 가벼워서 휴대가 가능하며 현장에서 지중(in-situ) 또는 지상(ex-situ) 방식으로 시료 중의 중금속을 신속하게 측정할 수 있음과 동시에 실시간으로 모니터링이 가능한 휴대용 중금속 측정장치에 관한 것이다.
산업발전에 따른 인구의 도시 집중화와 함께 유해한 독성물질(chemical hazardous)의 방출은 심각한 대기, 수질 및 토양오염 문제를 불러일으킨다.
비소(As), 납(Pb), 카드뮴(Cd), 크롬(Cr), 불소(F), 셀레늄(Se), 수은(Hg) 등 유해 중금속들은 물에 분해되거나 안정한 화합물로 되지 않고 혼합상태로 남아 수질과 토양을 오염시키며 먹이 연쇄에 따라 물고기 등 각종 음식물을 통하여 몸속으로 이동, 축적되어 질병을 가져올 수 있다.
중금속의 오염을 방지하기 위해서는 환경에 유입되는 유해 중금속들의 양을 정확히 측정할 수 있는 기술이 확보되어야 하며 이를 통하여 환경오염의 철저한 규제가 실시되어야 한다. 이에 따라 환경 예측, 감시, 평가 기술 개발에 대한 중요성이 크게 인식되고 있으며, 새로운 환경 측정 수요에 부응하고 복잡, 다양해지는 환경오염 문제에 효과적으로 대응함은 물론 국제적 기준에 부합하는 시험, 검사 능력을 확보하기 위해서는 측정기술의 신뢰도 및 정확도 향상을 위한 연구의 필요성이 제기되고 있다.
통상적으로 미량의 중금속을 정량하는 방법으로는 분광법과 전기화학적 방법으로 크게 나눌 수 있다.
분광법은 측정시간이 많이 소요될 뿐만 아니라, 측정 기기들이 매우 고가이고 유지비도 많이 들고, 측정을 위한 기기환경의 조절이 복잡하며, 분석 단가도 높은 문제점이 있었다. 또한, 크고 복잡한 분석 장비, 자동화 구성요소 및 데이터 시스템을 필요로 하기 때문에 현장 모니터링에 적용할 수 없다.
반면에 전기화학적 방법은 상기 분광법에 비해 비교적 신속하고 경제적인 분석방법이다.
전기화학적 방법의 하나로 벗김전압전류법이 주로 사용되고 있다. 벗김전압전류법(stripping voltammetry)은 중금속들이 개별적으로 가지는 산화 환원 전위의 특성을 이용하여 수중에 존재하는 중금속을 전극표면에 농축한 후, 다시 물속으로 방출시키면서 생성되는 특정한 전류변화(전압전류곡선)를 분석하여 용액내의 중금속을 정량 분석하는 방법이다.
이러한 벗김전압전류법은 반응물질을 미리 전극표면에 농축시키므로 감도가 아주 증대되어 미량의 물질도 정량이 가능하며, 또한 전해농축 과정을 특정한 전위에서 수행하므로 분석의 선택성을 증대시킬 수 있다.
일반적으로 전기화학적 방법으로 중금속을 측정하기 위해서는 작업 전극(working electrode), 기준 전극(reference electrode), 상대 전극(counter electrode)이 형성된 센서를 이용한다.
이러한 센서를 이용한 휴대용 중금속 검출 장치가 대한민국 등록특허 제 10-1424758호에 개시되어 있다.
상기 휴대용 중금속 검출장치는 여러 가지 기계적인 부품과 탱크들이 내장되어 있어서 부피와 무게를 줄이는데 한계가 있어서 휴대가 용이하지 않으며 장비의 사용이 복잡하다는 문제점이 있다.
또한, 상기 휴대용 중금속 검출장치는 현장에서 시료를 채취해와서 검출장치에 시료를 주입하여 측정하는 지상(ex-situ) 방식으로만 측정이 가능하여, 지중(in-situ) 방식으로는 측정이 불가능하다는 문제점이 있다.
그리고 대한민국 공개특허 제10-2014-0060868호에는 휴대용 중금속 검출용 센서가 개시되어 있다.
상기 휴대용 중금속 검출용 센서는 탄소전극으로 이루어진 센싱전극(작업전극)을 이용하고 있다. 이러한 통상적인 작업전극을 이용한 전기화학적 측정방법은 납과 카드뮴을 동시에 측정하기 위해 전해질 용액에 비스무스(bismuth)를 첨가하여 측정하고 있다. 하지만, 이러한 방법은 측정시마다 전해질에 비스무스를 첨가하여야 하는 불편함이 있다.
1. 대한민국 등록특허 제10-1424758호: 광산배수를 포함하는 지하수의 휴대용 중금속 검출 장치 및 이를 이용한 광산배수를 포함하는 지하수의 오염도 검출 방법 2. 대한민국 공개특허 제10-2014-0060868호: 휴대용 중금속 검출용 센서
본 발명은 상기의 문제점을 개선하기 위해 창출된 것으로서, 부피가 작고 무게가 가벼워서 휴대가 가능하며 현장에서 지중(in-situ) 또는 지상(ex-situ) 방식으로 시료 중의 중금속을 신속하게 측정할 수 있음과 동시에 실시간으로 모니터링이 가능한 휴대용 중금속 측정장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 작업전극의 표면에 다공구조를 갖는 비스무스(bismuth)층을 형성함으로써 전해질 용액에 비스무스를 첨가하지 않고도 전기화학적인 방법으로 시료 중의 중금속을 측정할 수 있는 휴대용 중금속 측정장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 휴대용 중금속 측정장치는 상부에 연결포트가 설치된 캡과; 상기 캡의 하부에 결합되는 하우징과; 상기 하우징의 하방에 놓이는 전해질 용액에 하부가 잠길 수 있도록 상기 하우징의 내부에 장착되어 하방으로 길게 형성되며, 상기 전해질 용액 중의 중금속을 감지하는 센서모듈과; 상기 하우징의 내부에 설치되어 상기 센서모듈에 전위를 인가하고 상기 센서모듈로부터 출력되는 전류 값을 통해 중금속의 농도를 측정하는 컨트롤러와; 상기 전해질 용액을 교반하기 위해 상기 하우징의 내부에 설치되는 교반수단과; 상기 하우징의 내부에 설치되어 상기 컨트롤러와 상기 교반수단에 전원을 공급하는 전원부;를 구비한다.
상기 하우징은 상기 캡의 하부와 결합하는 제 1삽입턱이 상부에 형성된 상부하우징과, 상기 제 1삽입턱에 형성된 장착홈에 설치되어 수밀을 유지하는 제 1실링부재와, 상기 상부하우징의 하부로 삽입되어 상기 컨트롤러가 장착되는 장착부가 상부에 형성된 하부하우징과, 상기 장착부의 하부에 형성된 장착홈에 설치되어 수밀을 유지하는 제 2실링부재를 구비한다.
상기 교반수단은 상기 하우징의 내부에 설치되어 상기 컨트롤러에 의해 구동이 제어되는 모터와, 상기 모터와 연결되어 상기 센서모듈과 나란하게 하방으로 길게 연장되는 회전축과, 상기 전해질 용액에 잠길 수 있도록 상기 회전축의 하부에 설치되는 교반날개를 구비한다.
상기 센서모듈을 보호하기 위해 상기 하우징의 하부에 나사결합되는 보호커버;를 더 구비한다.
사용자가 지중(in-situ) 방식 또는 지상(ex-situ) 방식으로 시료의 중금속을 검출할 수 있도록 상기 하우징의 하부에는 지중검출부 및 지상검출부 중 어느 하나가 선택적으로 결합된다.
상기 지상검출부는 상기 하우징의 하부와 결합하는 결합홀이 형성된 덮개부와, 상기 덮개부가 상부에 결합되며 상기 센서모듈의 하부가 내측으로 진입하는 함체부와, 상기 함체부의 내부에 장착되어 상기 전해질 용액이 수용되며 중금속을 검출하고자 하는 시료가 주입되는 버퍼용기를 구비한다.
상기 지중검출부는 상기 전해질 용액이 수용되어 상기 하우징의 하부에 결합되며 중금속을 검출하고자 하는 시료 중으로 잠기는 버퍼용기와, 상기 버퍼용기의 개방된 하부에 결합되어 상기 버퍼용기의 하부를 밀폐시키되 시료 중의 중금속 이온은 상기 버퍼용기 내부로 유입시킬 수 있는 밀폐수단을 구비하고, 상기 밀폐수단은 상기 버퍼용기에 나사결합하며 상하를 관통하는 센터홀이 형성된 바닥덮개와, 상기 센터홀을 막기 위해 상기 바닥덮개와 상기 버퍼용기 사이에 설치되며 중금속 이온을 투과시킬 수 있도록 이온투과성 수지로 형성된 맴브레인과, 상기 맴브레인의 가장자리를 상기 바닥덮개에 밀착시키기 위해 상기 맴브레인의 상부에 설치되는 가압링을 구비한다.
상기 센서모듈은 기판과, 상기 기판에 형성된 작업전극과 기준전극 및 상대전극을 구비한다.
상기 작업전극은 상기 기판의 일면에 형성된 탄소전극과, 상기 탄소전극의 표면에 형성된 다공성 비스무스층으로 구비된다.
상기 비스무스층은 상기 탄소전극의 표면에 주석(Sn)과 비스무스(Bi)가 함유된 도금액을 전기도금하여 상기 탄소전극 위에 주석-비스무스층을 형성한 다음 산 용액으로 에칭하여 상기 주석-비스무스층의 주석을 선택적으로 부식시켜 다공성 구조를 이룬다.
상술한 바와 같이 본 발명은 원통형의 하우징 내부에 센서모듈과, 교반수단, 전원, 컨트롤러를 설치함으로써 소형화 및 경량화가 가능하여 휴대가 매우 용이하며, 시료 중의 중금속을 신속하게 측정할 수 있음과 동시에 실시간으로 모니터링이 가능하다.
또한, 본 발명은 하우징의 하부에 지중검출부와 지상검출부를 선택적으로 결합할 수 있도록 구성하여 현장에서 지중(in-situ)과 지상(ex-situ) 방식 모두를 이용할 수 있도록 함으로써 사용자는 어느 하나의 방식을 이용하여 시료 중의 중금속의 측정이 가능하다.
또한, 본 발명은 작업전극의 표면에 다공구조를 갖는 비스무스층을 형성함으로써 전해질 용액에 비스무스를 첨가하지 않고도 전기화학적인 방법으로 시료 중의 중금속을 측정할 수 있으며 측정결과의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 휴대용 중금속 측정장치의 구성을 개략적으로 나타낸 블록도이고,
도 2는 도 1의 휴대용 중금속 측정장치의 사시도이고,
도 3은 도 2의 분리사시도이고,
도 4는 도 2의 단면도이고,
도 5는 도 1에 적용된 센서모듈의 평면도이고,
도 6은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 휴대용 중금속 측정장치의 분리사시도이고,
도 7은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 휴대용 중금속 측정장치의 사시도이고,
도 8은 도 7의 분리사시도이고,
도 9는 도 7의 단면도이고,
도 10은 에칭을 통해 다공성 구조를 갖는 비스무스층을 형성하기 위한 모식도이고,
도 11은 작업전극의 다공성 비스무스층의 모습을 나타낸 사진이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 휴대용 중금속 측정장치에 대하여 구체적으로 설명한다.
본 발명의 휴대용 중금속 측정장치는 지중(in-situ) 방식 또는 지상(ex-situ) 방식으로 시료 중의 중금속을 측정할 수 있다. 지중(in-situ) 방식은 현장에서 바로 시료를 측정하는 방식이고, 지상(ex-situ) 방식은 현장 밖에서 시료를 측정하는 방식이다.
가령 지상(ex-situ) 방식으로서, 현장에서 채취한 시료를 현장 밖에서 전해질 용액에 주입한 후 센서를 이용하여 전해질 용액 중에 중금속 이온을 전기화학적 방법으로 검출한다.
그리고 지중(in-situ) 방식으로서, 전해질 용액을 현장의 시료와 바로 접촉시켜 시료 중의 중금속 이온을 전해질 용액으로 유입시켜 센서를 이용하여 전해질 용액 중에 중금속 이온을 전기화학적 방법으로 검출한다.
본 발명의 일 실시 예를 도 1 내지 도 5에 나타내었다. 도 1 내지 도 5에 도시된 본 발명의 휴대용 중금속 측정장치는 지상(ex-situ) 방식으로 중금속을 검출하기 위한 것이다.
도 1 내지 도 5를 참조하면, 본 발명의 휴대용 중금속 측정장치(10)는 상부에 연결포트(25)가 설치된 캡(20)과, 캡(20)의 하부에 결합되는 하우징(30)과, 하우징(30)의 내부에 장착되어 하방으로 길게 형성되어 중금속을 감지하는 센서모듈(50)과, 하우징(30)의 내부에 설치되어 센서모듈(50)에 전위를 인가하고 센서모듈(50)로부터 출력되는 전류 값을 통해 중금속의 농도를 측정하는 컨트롤러(70)와, 하우징(30)의 내부에 설치되는 교반수단과, 하우징(30)의 내부에 설치되어 컨트롤러와 교반수단에 전원을 공급하는 전원부(75)를 구비한다.
캡(20)은 하우징(30)의 개방된 상부에 결합되어 하우징(30)의 상부를 밀폐시키는 역할을 한다. 캡(30)의 중앙에는 연결포트(25)가 설치된다. 도시되지 않았지만 연결포트(25)를 통해 전기케이블이 하우징(30)의 내부로 인입되어 컨트롤러(70)와 연결된다.
하우징(30)은 상부하우징(31)과 하부하우징(35)으로 분리되는 구조로 이루어진다.
상부하우징(31)의 상부에는 캡(20)과 결합하는 제 1삽입턱(32)이 형성된다. 제 1삽입턱(32)은 캡(20)의 하부를 통해 캡(20)의 내측으로 삽입된다. 제 1삽입턱(32)에는 외주면을 따라 장착홈(33a)이 형성되고, 장착홈(33a)에는 수밀을 유지하기 위한 제 1실링부재(33b)가 장착된다. 제 1실링부재(33b)는 고무링으로 이루어질 수 있다.
하부하우징(35)의 상부에는 상부하우징(31)과 결합하는 장착부(36)가 형성된다. 장착부(36)는 상부하우징(31)의 하부를 통해 상부하우징(31)의 내측으로 삽입된다. 장착부(36)의 하부에는 외주면을 따라 장착홈(38a)이 형성되고, 장착홈(38a)에는 수밀을 유지하기 위한 제 2실링부재(38b)가 장착된다. 제 2실링부재(38b)는 고무링으로 이루어질 수 있다.
장착부(36)에는 컨트롤러(70)와 전원부(75)가 장착될 수 있도록 컨트롤러장착홈(37b)과 전원장착홈(37a)이 각각 마련된다.
하부하우징(35)의 하부에는 나사산부(39)가 돌출되어 형성된다. 나사산부(39)는 후술할 보호커버(40)와 나사결합된다.
상술한 하우징(30)의 내부에는 센서모듈(50), 컨트롤러(70), 교반수단이 설치된다.
센서모듈(50)은 전기화학적 방법으로 시료의 중금속을 감지하기 위한 센서이다. 가령, 센서모듈(50)은 벗김전압전류법(stripping voltammetry)에 의해 중금속을 감지하며, 이는 산화 환원 전위의 특성을 이용하여 수중에 존재하는 중금속을 전극표면에 농축한 후, 다시 물속으로 방출시키면서 생성되는 특정한 전류변화(전압전류곡선)를 분석하여 용액 내의 중금속을 정량 분석한다.
센서모듈(50)은 도 5에 잘 도시된 바와 같이 기판(59)과, 기판(59)에 형성된 작업전극(working electrode)(51)과 기준전극(reference electrode)(52) 및 상대전극(counter electrode)(53)을 구비한다.
작업전극(51)에는 중금속 이온이 농축되거나 탈리되고, 기준전극(52)은 은/염화은(Ag/AgCl) 전극으로 구성되어 작업전극(51)의 전위를 제어하고 측정한다. 그리고 상대전극(53)은 백금(Pt) 전극으로 이루어지고 전류의 흐름이 원활히 이루어질 수 있도록 넓은 면적으로 형성되는 것이 바람직하다.
세개의 전극들은 도전라인(55)에 의해 연결단자(57)와 연결된다. 도전라인(55)은 절연층으로 피복될 수 있다.
작업전극(51)은 금전극 또는 탄소전극으로 이루어질 수 있다. 바람직하게 작업전극(51)은 탄소전극과, 탄소전극의 표면에 형성된 다공성 비스무스층으로 이루어질 수 있다.
다공성 비스무스층은 탄소전극의 표면에 주석(Sn)과 비스무스(Bi)가 함유된 도금액을 전기도금하여 탄소전극 위에 주석-비스무스층을 형성한 다음 산 용액으로 에칭하여 주석-비스무스층의 주석을 선택적으로 부식시켜 형성할 수 있다.
도금액은 염화주석(SnCl2), 질산비스무트(Bi(NO3)3), 시트릭산, 에틸렌다이아민테트라아세트산(ethylenediaminetetraacetic acid, EDTA), 폴리에틸렌 글리콜(polyethylen glycol, PEG)을 혼합하여 조성할 수 있다. 가령, 도금액은 SnCl2·H2O 0.01M, Bi(NO3)3·5H2O 0.01M, 시트릭산 0.3M, EDTA 0.01M, PEG 0.2M을 혼합하여 조성한다.
이러한 도금액을 통상적인 방법으로 전기도금하여 탄소전극 위에 주석-비스무스층을 형성할 수 있다. 도금액에 탄소전극을 침지시킨 후 전류를 가해 탄소전극의 표면에 주석 이온(Sn2 +)과 비스무스 이온(Bi3 +)을 흡착시켜 주석-비스무스층을 형성한다.
그리고 탄소전극 위에 주석-비스무스층을 형성시킨 다음 주석을 선택적으로 부식시키기 위해 산 용액으로 에칭을 한다. 가령, 농도 37.5%(w/w)의 염산 용액을 주석-비스무스층에 가해 주석을 부식시킨다. 에칭을 통해 주석-비스무스층에서 주석을 부식시켜 주석을 제거함으로써 다공성 구조를 갖는 비스무스층을 형성할 수 있다. 에칭을 통해 다공성 구조를 갖는 비스무스층을 형성하기 위한 모식도를 도 11에 나타내었다.
위와 같은 방법으로 표면에 다공성 비스무스층이 형성된 작업전극을 얻을 수 있다. 작업전극의 다공성 비스무스층 모습을 도 12에 사진으로 나타내었다. 도 12에 나타난 다공성 비스무스층은 에칭을 통해 주석이 제거되어 다공성 구조를 가져 표면이 매우 울퉁불퉁하게 형성되어 있음을 확인할 수 있다. 다공성 구조에 의해 중금속 이온의 흡착면적을 크게 증대시킬 수 있다. 또한, 다공성이 확보되면 작업전극의 크기도 상대적으로 더 작게 축소가 가능하다. 또한, 다공성 비스무스층을 열처리를 통해 압축을 하면 작업전극의 내구성 및 측정횟수를 증대시킬 수 있다.
위와 같이 작업전극(51)의 표면에 다공구조를 갖는 비스무스층을 형성함으로써 전해질 용액에 비스무스를 첨가하지 않고도 전기화학적인 방법으로 시료 중의 중금속을 측정할 수 있으며 측정결과의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
센서모듈(50)은 컨트롤러(70)와 전기적으로 연결되도록 하우징(30)에 장착된다. 전극들이 형성된 센서모듈(50)의 하부가 전해질 용액에 잠길 수 있도록 센서모듈(50)은 하우징(30)의 내부에 장착되어 하방으로 길게 형성된다.
컨트롤러(70)는 센서모듈(50)에 전위를 인가하고 센서모듈로부터 출력되는 전류 값을 통해 중금속의 농도를 측정한다. 이러한 컨트롤러(70)는 통상적인 구성을 갖는다. 컨트롤러(70)는 연결포트(25)를 통해 하우징(30)의 내부로 인입되는 케이블과 연결된다. 따라서 컨트롤러(70)는 케이블을 통해 외부기기와 연결될 수 있다. 가령, 컨트롤러는 케이블을 통해 디스플레이부와 연결되어 중금속 측정값을 디스플레이부로 출력할 수 있다. 디스플레이부(74)는 실시간으로 측정값 및 기기의 상태를 디스플레이할 수 있다.
컨트롤러에는 측정값을 외부로 전송하기 위한 범용 직렬 버스컨트롤(USB) 포트 등이 더 구비될 수 있음은 물론이다.
하우징(30)의 내부에는 교반수단이 설치된다. 교반수단은 전해질 용액을 교반하기 위함이다.
교반수단은 하우징(30)의 내부에 설치되어 컨트롤러(70)에 의해 구동이 제어되는 모터(60)와, 모터(60)와 연결되어 센서모듈(50)과 나란하게 하방으로 길게 연장되는 회전축(65)과, 전해질 용액에 잠길 수 있도록 회전축의 하부에 설치되는 교반날개(67)를 구비한다.
모터(60)는 하우징의 내부에 설치된 모터장착부에 장착될 수 있다. 회전축(65)은 모터(60)에 연결되어 하방으로 길게 연장된다. 이러한 회전축(65)의 하부는 하우징(30)의 하방으로 노출되어 전해질 용액 중으로 잠길 수 있다.
모터(60)에 전원이 인가되면 모터(60)의 구동에 의해 회전축(65)의 하부에 설치된 교반날개(67)가 회전하면서 전해질 용액을 교반한다.
전원부(75)는 하우징(30)의 내부에 설치되어 컨트롤러(70)와 교반수단의 모터(60)에 전원을 공급한다. 컨트롤러(70)는 모터(60)에 공급되는 전원을 제어한다. 전원부(75)는 건전지로 이루어질 수 있다.
하우징(30)의 하부에는 센서모듈(50)을 보호하기 위해 하우징(30)의 하부에 나사결합되는 보호커버(40)를 더 구비할 수 있다.
센서모듈(50)과 교반날개(67)가 하우징(30)의 하방으로 노출된 구조이므로 평상시에 보호커버(40)를 장착하여 센서모듈과 교반날개를 보호할 필요가 있다.
보호커버(40)는 상부가 개방된 통형 구조로 형성된다. 보호커버(40)의 내주면 상부에는 하우징(30)의 하부에 형성된 나사산부(39)와 나사결합될 수 있도록 나사산이 형성된다.
상술한 본 발명의 휴대용 중금속 측정장치를 사용하고자 하는 경우 보호커버(40)를 제거한 상태에서 전해질 용액이 수용된 버퍼용기의 상부에 올려놓고 지상(ex-situ) 방식으로 중금속을 검출할 수 있다. 이때 현장에서 채취한 시료는 전해질 용액에 일정량 주입된다.
시료는 지하수와 같은 액체시료일 수 있다. 또한, 토양 중의 중금속을 검출하고자 하는 경우에는 토양을 통상적인 전처리방법으로 처리하여 토양 중의 중금속이 용출된 처리액이 시료로 이용될 수 있다.
전해질 용액으로 아세테이트 버퍼용액을 이용할 수 있다.
버퍼용기에 본 발명의 휴대용 중금속 측정장치(10)를 올려놓으면 센서모듈(50)의 하부와 교반날개(67)가 전해질 용액에 침지된다. 컨트롤러(70)는 모터와 센서모듈에 전원을 인가하여 교반날개를 회전시키면서 센서모듈을 작동시킨다.
센서모듈(50)의 작업전극(51)에 음전위를 가하여 검출하고자 하는 화학종을 작업전극에 부착시키는 농축 단계인 환원과정 및 음전위에서 양전위로 전압을 올려줌으로 인해 작업전극(51)에 부착된 중금속 이온들이 용탈하는 산화과정을 통해 중금속 농도를 측정한다.
한편, 본 발명은 하우징(10)의 하부에 지중검출부 및 지상검출부 중 어느 하나를 선택적으로 결합시켜 사용자가 지중(in-situ) 방식 또는 지상(ex-situ) 방식을 용이하게 수행할 수 있도록 구성될 수 있다.
가령, 도 6에 본 발명의 다른 실시 예로 하우징의 하부에 지상검출부(80)가 결합되는 모습을 나타내고 있다.
도 6을 참조하면, 지상검출부(80)는 하부하우징(35)의 하부와 결합하는 결합홀(82)이 형성된 덮개부(81)와, 덮개부(81)가 상부에 결합되며 센서모듈(50)의 하부가 내측으로 진입하는 함체부(83)와, 함체부(83)의 내부에 장착되는 버퍼용기(83)를 구비한다.
덮개부(81)는 중앙에 결합홀(82)이 형성된다. 결합홀(82)의 주위에는 하부하우징(35)의 나사산부와 나사결합할 수 있도록 나사산이 형성된다.
함체부(83)는 상부가 개방된 사각형의 통구조로 이루어진다. 함체부(83)의 상부에 덮개부(81)가 착탈가능하게 결합된다.
함체부(83)의 내부에는 버퍼용기(85)가 장착된다. 버퍼용기(85)의 내부에는 전해질 용액이 수용된다. 덮개부(81)에 하부하우징(35)의 하부가 결합된 상태에서 덮개부(81)가 함체부(83)에 결합되면 센서모듈(50)의 하부와 교반날개(67)가 전해질 용액 중으로 침지된다.
상술한 지상검출부(80)에 의해 지상 방식으로 중금속을 검출하기가 매우 용이하다. 즉, 사용자는 현장에서 채취한 시료를 전해질 용액이 수용된 버퍼용기(85)에 일정량 주입한 후 하부하우징(35)의 하부를 덮개부(81)에 결합시킨 다음 덮개부(81)를 함체부(83)의 상부에 결합시킨다. 이에 따라 센서모듈(50)의 하부와 교반날개(67)는 버퍼용기(85)의 내부로 진입하여 전해질 용액에 잠긴다. 이 상태에서 중금속 검출이 이루어진다.
한편, 도 7 내지 도 10에 본 발명의 다른 실시 예로 하우징(30)의 하부에 지중검출부(90)가 결합된 모습을 나타내고 있다.
도 7 내지 도 10을 참조하면, 지중검출부(90)는 전해질 용액이 수용되어 하부하우징(35)의 하부에 결합되며 중금속을 검출하고자 하는 시료 중으로 잠기는 버퍼용기(91)와, 버퍼용기(91)의 개방된 하부에 결합되어 버퍼용기(91)의 하부를 밀폐시키되 시료 중의 중금속 이온은 버퍼용기(91) 내부로 유입시킬 수 있는 밀폐수단을 구비한다.
버퍼용기(91)는 상하부가 개방된 원통형 구조로 이루어진다. 버퍼용기(91)의 내주면 상부에는 하부하우징(35)의 하부에 형성된 나사산부(39)와 결합되는 나사산이 형성된다.
하부가 개방된 버퍼용기(91)는 밀폐수단에 의해 하부가 밀폐된다. 밀폐수단에 의해 하부가 밀폐된 버퍼용기(91)의 내부에는 전해질 용액이 수용된다.
밀폐수단은 버퍼용기(91)에 나사결합하며 상하를 관통하는 센터홀(94)이 형성된 바닥덮개(92)와, 센터홀(94)을 막기 위해 바닥덮개(92)와 버퍼용기(91) 사이에 설치되며 중금속 이온을 투과시킬 수 있도록 이온투과성 수지로 형성된 맴브레인(95)과, 맴브레인(95)의 가장자리를 바닥덮개(92)에 밀착시키기 위해 맴브레인(95)의 상부에 설치되는 가압링(96)을 구비한다.
바닥덮개(92)는 버퍼용기(91)의 개방된 하부에 결합된다. 바닥덮개(92)의 상부에는 돌출턱(93)이 마련된다. 돌출턱(93)의 외주면에 나사산이 형성된다. 바닥덮개(92)의 돌출턱(95)은 버퍼용기(91)의 하부에 나사결합된다.
바닥덮개(92)의 중앙에는 센터홀(94)이 형성된다. 센터홀(94)은 바닥덮개(92)의 상하를 관통하도록 형성된다.
맴브레인(95)은 바닥덮개(92)와 버퍼용기(91) 사이에 설치되어 센터홀(94)을 막는다. 따라서 맴브레인(95)은 시료가 버퍼용기(91)의 내부로 유입되는 것을 차단함과 동시에 전해질 용액이 외부로 유출되는 것을 차단한다.
맴브레인(95)은 시료 중의 중금속 이온이 전해질 용액으로 유입될 수 있도록 이온투과성 수지로 형성된다. 이러한 이온투과성 수지로 나피온(Nafion™)을 사용할 수 있으며, 이외에도 화학 및 물리적 강도가 높고 중금속 이온투과성 수지라면 공지된 어떠한 수지도 사용될 수 있다. 나피온은 듀퐁사에서 개발한 고분자 전해질막의 상품명이다(Nafion™). 나피온은 기본적으로 테프론 고분자에 과불소화기로 이루어진 긴 사슬에 술폰산기가 붙어있는 형태이다.
맴브레인(95)의 가장자리를 바닥덮개(92)에 밀착시키기 위해 맴브레인(95)의 상부에 가압링(96)이 설치된다. 가압링(96)은 중앙이 비어있는 환형의 판상으로 형성된다.
바닥덮개(92)와 버퍼용기(91)의 결합부위에서 수밀을 유지하기 위해 제 3실링부재(98)가 설치될 수 있음은 물론이다.
상술한 본 발명의 휴대용 중금속 측정장치를 이용하여 시료 중의 중금속을 측정하기 위해서, 본 발명의 휴대용 중금속 측정장치의 하부를 현장의 시료에 담가두면 시료 중의 중금속 이온이 맴브레인을 투과하여 전해질 용액으로 유입된다. 이 상태에서 중금속 검출이 이루어진다.
상술한 바와 같이 본 발명은 원통형의 하우징 내부에 센서모듈과, 교반수단, 전원, 컨트롤러를 설치함으로써 소형화 및 경량화가 가능하여 휴대가 매우 용이하며, 시료 중의 중금속을 신속하게 측정할 수 있음과 동시에 실시간으로 모니터링이 가능하다. 또한, 본 발명은 하우징의 하부에 지중검출부와 지상검출부를 선택적으로 결합할 수 있도록 구성하여 현장에서 지중(in-situ)과 지상(ex-situ) 방식 모두를 이용할 수 있도록 함으로써 사용자는 어느 하나의 방식을 이용하여 시료 중의 중금속의 측정이 가능하다.
이상, 본 발명은 일 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.
20: 캡 30: 하우징
40: 보호커버 50: 센서모듈
60: 모터 70: 컨트롤러
75: 전원부

Claims (10)

  1. 상부에 연결포트가 설치된 캡과; 상기 캡의 하부에 결합되는 하우징과; 상기 하우징의 하방에 놓이는 전해질 용액에 하부가 잠길 수 있도록 상기 하우징의 내부에 장착되어 하방으로 길게 형성되며, 상기 전해질 용액 중의 중금속을 감지하는 센서모듈과; 상기 하우징의 내부에 설치되어 상기 센서모듈에 전위를 인가하고 상기 센서모듈로부터 출력되는 전류 값을 통해 중금속의 농도를 측정하는 컨트롤러와; 상기 전해질 용액을 교반하기 위해 상기 하우징의 내부에 설치되는 교반수단과; 상기 하우징의 내부에 설치되어 상기 컨트롤러와 상기 교반수단에 전원을 공급하는 전원부;를 구비하고,
    사용자가 지중(in-situ) 방식 또는 지상(ex-situ) 방식으로 시료의 중금속을 검출할 수 있도록 상기 하우징의 하부에는 지중검출부 및 지상검출부 중 어느 하나가 선택적으로 결합되며,
    상기 지상검출부는 상기 하우징의 하부와 결합하는 결합홀이 형성된 덮개부와, 상기 덮개부가 상부에 결합되며 상기 센서모듈의 하부가 내측으로 진입할 수 있도록 상부가 개방된 통 구조로 형성된 함체부와, 상기 함체부의 내부에 장착되어 상기 전해질 용액이 수용되며 중금속을 검출하고자 하는 시료가 주입되는 제 1버퍼용기를 구비하고,
    상기 지중검출부는 상기 전해질 용액이 수용되어 상기 하우징의 하부에 결합되며 중금속을 검출하고자 하는 시료 중으로 잠기는 제 2버퍼용기와, 상기 제 2버퍼용기의 개방된 하부에 결합되어 상기 제 2버퍼용기의 하부를 밀폐시키되 시료 중의 중금속 이온은 상기 제 2버퍼용기 내부로 유입시킬 수 있는 밀폐수단을 구비하고,
    상기 밀폐수단은 상기 제 2버퍼용기에 나사결합하며 상하를 관통하는 센터홀이 형성된 바닥덮개와, 상기 센터홀을 막기 위해 상기 바닥덮개와 상기 제2 버퍼용기 사이에 설치되며 중금속 이온을 투과시킬 수 있도록 이온투과성 수지로 형성된 맴브레인과, 상기 맴브레인의 가장자리를 상기 바닥덮개에 밀착시키기 위해 상기 맴브레인의 상부에 설치되는 가압링을 구비하는 것을 특징으로 하는 휴대용 중금속 측정장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 하우징은 상기 캡의 하부와 결합하는 제 1삽입턱이 상부에 형성된 상부하우징과, 상기 제 1삽입턱에 형성된 장착홈에 설치되어 수밀을 유지하는 제 1실링부재와, 상기 상부하우징의 하부로 삽입되어 상기 컨트롤러가 장착되는 장착부가 상부에 형성된 하부하우징과, 상기 장착부의 하부에 형성된 장착홈에 설치되어 수밀을 유지하는 제 2실링부재를 구비하는 것을 특징으로 하는 휴대용 중금속 측정장치.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 교반수단은 상기 하우징의 내부에 설치되어 상기 컨트롤러에 의해 구동이 제어되는 모터와, 상기 모터와 연결되어 상기 센서모듈과 나란하게 하방으로 길게 연장되는 회전축과, 상기 전해질 용액에 잠길 수 있도록 상기 회전축의 하부에 설치되는 교반날개를 구비하는 것을 특징으로 하는 휴대용 중금속 측정장치.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 센서모듈을 보호하기 위해 상기 하우징의 하부에 나사결합되는 보호커버;를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 휴대용 중금속 측정장치.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제 1항에 있어서, 상기 센서모듈은 기판과, 상기 기판에 형성된 작업전극과 기준전극 및 상대전극을 구비하는 것을 특징으로 하는 휴대용 중금속 측정장치.
  9. 제 8항에 있어서, 상기 작업전극은 상기 기판의 일면에 형성된 탄소전극과, 상기 탄소전극의 표면에 형성된 다공성 비스무스층으로 구비되는 것을 특징으로 하는 휴대용 중금속 측정장치.
  10. 제 9항에 있어서, 상기 비스무스층은 상기 탄소전극의 표면에 주석(Sn)과 비스무스(Bi)가 함유된 도금액을 전기도금하여 상기 탄소전극 위에 주석-비스무스층을 형성한 다음 산 용액으로 에칭하여 상기 주석-비스무스층의 주석을 선택적으로 부식시켜 다공성 구조를 이루는 것을 특징으로 하는 휴대용 중금속 측정장치.
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