KR101798972B1 - 먼지의 유기원소탄소 연속 자동 측정장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 일정시간동안 대기 중의 먼지를 포집한 후, 필터를 교체하지 않고, 수회 포집 및 연소를 반복적으로 이루어져 연속적으로 대기 중의 먼지의 유기원소탄소를 측정할 수 있는 먼지의 유기원소탄소 연속 자동 측정장치에 관한 것으로, 일측에 먼지가 유입되는 먼지 유입구(110)가 구비되며, 내부에 구비된 시료필터(10)를 통해 유입된 먼지를 포집하고, 먼지가 포집된 상기 시료필터(10)를 가열하는 연소 오븐(100); 상기 시료필터(10)로 레이저를 조사하며, 조사되는 상기 레이저의 광세기와 상기 시료필터(10)를 투과한 투과광 및 반사광을 감지하는 레이저부(200); 상기 연소 오븐(100)과 연결되며, 상기 연소 오븐(100)에서 기화되어 유입된 탄소 성분이 이산화탄소로 산화되는 산화 오븐(300); 상기 산화 오븐(300)과 연결되며, 상기 산화 오븐(300) 내의 이산화탄소를 검출하는 이산화탄소 검출기(400); 및 상기 레이저부(200)에서 조사되는 광세기에 따라 상기 감지된 투과광 및 반사광 중 적어도 하나를 보정하고, 상기 보정된 투과광 및 반사광 중 적어도 하나에 따라 상기 검출된 이산화탄소 함량 중에서 유기 탄소 함량 및 원소 탄소의 함량을 결정하는 탄소 함량 결정부(500);를 포함하여 구성된다.

Description

먼지의 유기원소탄소 연속 자동 측정장치{Apparatus of Measuringorganic carbon and elemental carbon in particulate matter}
본 발명은 먼지의 유기원소탄소 연속 자동 측정장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 일정시간동안 대기 중의 먼지를 포집한 후, 필터를 교체하지 않고, 수회 포집 및 연소를 반복적으로 이루어져 연속적으로 대기 중의 먼지의 유기원소탄소를 측정하기 위한 먼지의 유기원소탄소 연속 자동 측정장치에 관한 것이다.
대기 중에 있는 먼지는 입자의 크기에 따라 미세먼지, 초미세먼지 등으로 분류된다. 이때, 초미세먼지는 직경이 2.5㎛이하인 먼지로, 일부 광물 성분이 있으나 주로 탄소 또는 이온성분으로 구성된다. 초미세먼지는 코점막을 통해 걸러지지 않고 흡입시 폐포까지 직접 침투하여 천식, 폐질환, 두통 및 아토피 등을 증가 시키므로 헤파필터 등을 이용해서 제거하는 방법을 시행하고 있다.
뿐만 아니라, 미세먼지 및 초미세먼지 예보 등급을 시행하기 위해서는 공기 중의 미세먼지 및 초미세먼지의 농도와 성분을 분석하는 연구가 필요한데, 특히 초미세먼지에 포함된 유기원소탄소 측정 장치에 대한 선행문헌으로는 Judith C. Chow, et al, "The drithermal/optical reflectance carbon anlysis system : description, evaluation and applications in U.S. air qualitry studies", Atmospheric environment vol. 27A. no. 8, pp. 1185-1201, 1993 가 있다.
종래 기술에 따른 초미세먼지에 포함된 유기원소탄소 측정 방법은 석영필터에 포집된 초미세먼지를 휘발 및 산화시킨 후 메탄화시키는데, 이 때 생성된 메탄의 양을 측정하여 초미세먼지에 포함된 유기탄소와 원소탄소의 양을 구한다. 레이저의 투과도와 반사도를 이용하여 유기탄소와 원소탄소의 양을 구별할 수 있는데, 그 방법은 다음과 같다. 유기탄소와 원소탄소의 양을 측정하기 위해서는 먼저 휘발 및 산화 과정이 진행되는 동안 레이저를 석영필터에 조사(照射)하면서 반사도 및 투과도의 시간적 변화 및 생성되는 메탄의 시간적 변화를 각각 기록한다. 그 다음 기록된 결과로부터 초기 투과도와 반사도를 초과하지 않는 시점까지 생성된 메탄의 양을 계산하면 초미세먼지에 포함된 유기탄소의 양이 측정되고 상기 시점 이후에 생성된 메탄의 양을 계산하면 초미세먼지에 포함된 원소탄소의 양이 측정된다.
상기와 같은 유기원소탄소 측정방법은 석영필터에 존재하는 원소탄소보다는 유기탄소가 먼저 휘발 및 산화되어 감소되며, 석영필터에서 원소탄소가 감소할 때만 레이저에 대한 필터의 반사도 및 투과도가 증가하는 현상을 이용한 것이다.
하지만, 석영필터는 별도의 포집장치에서 대기 중의 먼지를 포집 후, 분석장치로 옮겨 분석하기 때문에, 시료를 이동시키는 중에 오염이 발생할 수 있는 문제점이 발생하기도 한다.
또한, 상기 석영필터는 일회용으로 포집장치에서 일회 포집 후, 분석장치에서 일회 분석 후 폐기되는 단점을 가지고 있다.
따라서, 최근에는 일회성이 아닌 다수 반복적으로 미세먼지를 포집 후 분석할 수 있는 유기원소 연속 자동 측정장치에 대해 요구하고 있는 실정이다.
Judith C. Chow, et al, "The drithermal/optical reflectance carbon anlysis system : description, evaluation and applications in U.S. air qualitry studies", Atmospheric environment vol. 27A. no. 8, pp. 1185-1201, 1993
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 일정시간동안 대기 중의 먼지를 포집한 후, 필터를 교체하지 않고, 수회 포집 및 연소를 반복적으로 이루어져 연속적으로 대기 중의 먼지의 유기원소탄소를 측정하기 위한 먼지의 유기원소탄소 연속 자동 측정장치를 제공함에 있다.
본 발명은 먼지의 유기원소탄소 연속 자동 측정장치에 관한 것으로, 일측에 시료가 유입되는 시료유입구(110)가 구비되며, 내부에 구비된 시료필터(10)를 통해 유입된 시료를 포집하고, 시료가 포집된 상기 시료필터(10)를 가열하는 연소 오븐(100); 상기 시료필터(10)로 레이저를 조사하며, 조사되는 상기 레이저의 광세기와 상기 시료필터(10)를 투과한 투과광 및 반사광을 감지하는 레이저부(200); 상기 연소 오븐(100)과 연결되며, 상기 연소 오븐(100)에서 기화되어 유입된 탄소 성분이 이산화탄소로 산화되는 산화 오븐(300); 상기 산화 오븐(300)과 연결되며, 상기 산화 오븐(300) 내의 이산화탄소를 검출하는 이산화탄소 검출기(400); 및 상기 레이저부(200)에서 조사되는 광세기에 따라 상기 감지된 투과광 및 반사광 중 적어도 하나 이상을 보정하고, 상기 보정된 투과광 및 반사광 중 적어도 하나에 따라 상기 검출된 이산화탄소 함량 중에서 유기 탄소 함량 및 원소 탄소의 함량을 결정하는 탄소 함량 결정부(500);를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 연소 오븐(100)은 시료를 상기 연소 오븐(100) 내로 흡입시키는 흡입펌프(130)가 연결되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 연소 오븐(100)은 상기 연소 오븐(100) 내로 가스를 주입하는 가스공급부(120)가 연결되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 가스공급부(120)는 상기 연소 오븐(100)으로 He, O2/He, CH4/He 중 어느 하나의 가스를 공급하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 연소 오븐(100)은 상기 시료 필터(10)를 가열하는 히터부(140)가 구비되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 레이저부(200)는 상기 시료필터(10)로 레이저를 조사하는 광원(210); 상기 광원(210) 및 시료필터(10)와 일직선상에 위치하며, 상기 시료필터(10)를 투과한 레이저의 투과광을 검출하는 투과광 검출기(220); 상기 시료필터(10)에서 반사되는 레이저의 반사광을 검출하는 반사광 검출기(230); 및 상기 광원(210)으로부터 조사되는 광세기를 측정하는 광세기 측정부(240);를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 레이저부(200)는 상기 광원(210)으로부터 조사되는 레이저의 일부를 상기 광세기 측정부(240)로 반사하는 빔 스프리터(250)를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 산화 오븐(300)은 내부에 탄소 성분을 이산화탄소로 산화시키는 촉매물질인 MnO2 가 수용되는 것을 특징으로 한다.
또한, 일측에 먼지가 유입되는 먼지유입구(110)가 구비되며, 내부에 구비된 시료필터(10)를 통해 유입된 상기 먼지를 포집하고, 먼지가 포집된 상기 시료필터(10)를 가열하는 연소 오븐(100); 상기 시료필터(10)로 레이저를 조사하며, 조사되는 상기 레이저의 광세기와 상기 시료필터(10)를 투과한 투과광 및 반사광을 감지하는 레이저부(200); 상기 연소 오븐(100)과 연결되며, 상기 연소 오븐(100)에서 기화되어 유입된 탄소 성분이 이산화탄소로 산화되는 산화 오븐(300); 상기 산화 오븐(300)과 연결되며, 상기 산화 오븐(300) 내의 이산화탄소를 검출하는 이산화탄소 검출기(400); 및 상기 레이저부(200)에서 조사되는 광세기에 따라 상기 감지된 투과광 및 반사광 중 적어도 하나 이상을 보정하고, 상기 보정된 투과광 및 반사광 중 적어도 하나에 따라 상기 검출된 이산화탄소 함량 중에서 유기 탄소 함량 및 원소 탄소의 함량을 결정하는 탄소 함량 결정부(500); 를 포함하고, 상기 연소 오븐(100)은 상기 먼지를 상기 연소 오븐(100) 내로 흡입시키는 흡입펌프(130)와, 상기 먼지 유입구(110)의 개폐를 제어하는 제1 밸브(111)를 포함하며, 상기 먼지 유입구(110) 폐쇄 시 상기 시료(10)가 위치되는 상기 연소 오븐(100)으로 먼지가 추가 유입되는 것이 제한되는 것을
상술한 바와 같이 본 발명은 먼지의 유기원소탄소 연속 자동 측정장치에 관한 것으로, 일정시간동안 대기 중의 먼지를 포집한 후, 필터를 교체하지 않고, 수회 포집 및 연소를 반복적으로 이루어져 연속적으로 대기 중의 먼지의 유기원소탄소를 측정할 수 있는 효과가 있다.
도1은 본 발명에 따른 바람직한 일실시예의 먼지의 유기원소탄소 연속 자동 측정장치의 개념도
도2a는 본 발명에 따른 먼지의 유기원소탄소 연속 자동 측정장치를 이용하여, 보정 전의 반사도 및 투과도를 측정한 결과값을 나타낸 그래프
도2b는 본 발명에 따른 먼지의 유기원소탄소 연속 자동 측정장치를 이용하여, 보정 후의 반사도 및 투과도를 측정한 결과값을 나타낸 그래프
도3은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 유기원소탄소 연속 자동 측정장치를 이용하여 연소오븐의 온도 측정값, 레이저 측정값 및 이산화탄소 측정값을 나타내는 그래프
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명을 하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다.
일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
먼저, 이하에서 사용되는 용어에 대하여 정의한다.
유기탄소는 광물질, 일산화탄소, 이산화탄소, 탄산염, 시안화수소와 그 염 및 이황화탄소 등의 무기탄소화합물을 제외한 모든 천언 동식물계에서 생성성분, 배출물, 발효생성물 등으로 얻어지는 유기화합물을 구성하는 탄소를 의미한다.
원소탄소는 탄소 원자들의 방향족 고리가 확장된 것으로, 검고 모든 가시광선을 흡수하는 물질을 의미한다. 원소탄소의 특성을 살펴보면, 섭씨 2000도가 넘는 고온에서도 녹지 않으며, 보통온도에서는 화학적으로 비활성인 것을 알 수 있다.
총탄소는 유기탄소와 원소탄소를 합한 것을 의미한다.
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.
도1은 본 발명에 따른 바람직한 일실시예의 먼지의 유기원소탄소 연속 자동 측정장치의 개념도이다.
도1에서 보는 바와 같이, 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 먼지의 유기원소탄소 연속 자동 측정장치에 관한 것으로, 연소 오븐(100), 레이저부(200), 산화 오븐(300), 이산화탄소 검출기(400) 및 탄소 함량 결정부(500)를 포함하여 구성된다.
연소 오븐(100)은 먼지가 유입되는 먼지 유입구(110)가 구비되며, 내부에 구비된 시료필터(10)에 상기 유입된 먼지가 포집된다. 또한, 상기 먼지 유입구(110)는 제1 밸브(111)가 구비되어, 대기 중 먼지의 유입을 조절한다. 이때, 상기 먼지는 대기 중의 미세먼지 및 초미세먼지일 수 있으며, 자동차 배기가스의 먼지 또는 굴뚝에서 배출되는 배출가스의 먼지일 수 있다. 즉, 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 먼지의 유기원소탄소 연속 자동 측정장치는 대기 중의 미세먼지 및 초미세먼지뿐만 아니라 자동차 배기가스의 먼지나, 굴똑에서 배출되는 배출가스의 먼지를 포집하여, 유기원소탄소를 측정할 수 있다. 이하 상세한 설명에서는 먼지를 대기 중의 미세먼지로 예를 들어 설명한다. 하지만, 본 발명의 먼지는 대기 중의 미세먼지로 한정하지 않고, 다양하게 적용할 수 있다.
또한, 상기 연소 오븐(100)은 흡입펌프(130)가 연결되어, 대기 중의 먼지를 연소 오븐(100) 내부로 흡입시켜, 시료필터(10)에 포집시킨다. 또한, 상기 흡입펌프(130)는 제2 밸브(131)가 구비되어, 대기 중 미세먼지 흡입 유량을 조절하기도 한다.
상기 연소 오븐(100)은 히터부(140)가 구비되어, 포집된 상기 시료필터(10)를 미리 설정된 온도 프로파일에 따라 가열한다. 이때, 상기 히터부(140)는 도3 그래프의 A 곡선과 같이, 연소 오븐(100) 내부의 온도를 상온부터 870℃ 정도까지 단계적으로 가열한다. 또한, 상기 연소 오븐(100)은 온도 센서(150)가 구비되어, 연소 오븐(100) 내부의 온도를 측정한다.
상기 연소 오븐(100)은 가스를 주입하는 가스공급부(120)가 연결된다. 이때, 상기 가스는 He, O2/He, CH4/He 등이다. 또한, 상기 가스공급부(120)는 가스의 유입을 조절하는 밸브(121)가 더 구비될 수도 있다.
또한, 상기 연소 오븐(100)은 유량조절부(미도시)가 더 구비될 수 있다. 상기 유량조절부는 상기 흡입펌프(130)와 가스공급부(120)와 연결되며, 흡입하는 대기의 포집유량과 상기 연소 오븐으로 주입하는 가스 유량을 조절한다.
레이저부(200)는 상기 시료필터(10)로 레이저를 조사하고, 상기 레이저의 광세기 상기 시료필터(10)를 투과한 투과광 및 반사광을 감지한다.
다음은 상기 레이저부(200)의 구체적인 실시예에 대해 설명한다.
상기 레이저부(200)는 광원(210), 투과광 검출기(220), 반사광 검출기(230) 및 광세기 측정기(240)로 구성될 수 있다.
광원(210)은 상기 시료필터(10)로 레이저를 조사한다. 즉, 상기 광원(210)은 시료필터(10)에 기 설정된 파장의 레이저를 조사할 수 있다.
초미세먼지에 포함된 원소탄소는 유기탄소와 달리 가시광선 영역의 레이저 빛(635nm)을 흡수 할 수 있으므로, 바람직하게는 630 내지 640nm 파장의 레이저를 조사한다. 이때, 레이저에 대한 시료필터(10)의 투과도 및 반사도를 측정하여 분석하면 원소탄소량을 측정할 수 있다. 자세한 설명은 후술한다.
투과광 검출기(220)는 상기 광원(210) 및 시료필터(10)와 일직선상에 위치하며, 상기 시료필터(10)를 투과한 레이저의 투과광을 검출한다. 즉, 상기 광원(210)과 시료필터(10) 및 투과광 검출기(220)는 일직선상에 위치되되, 시료필터(10)를 중심으로 한쪽에는 광원(210)이 위치하고, 다른 한쪽에는 투과광 검출기(220)가 위치하는 것이 바람직하다.
반사광 검출기(230)는 상기 시료필터(10)에서 반사되는 레이저의 반사광을 검출한다. 또한, 상기 연소 오븐(100)은 내부에 반사경(미도시)이 구비될 수 있는데, 하나일 수도 있고, 다수 개 형성될 수도 있다. 이러한, 상기 반사경은 시료필터(10)를 반사한 레이저 반사광을 반사광 검출기(230)로 다시 반사시키는 역할을 한다.
광세기 측정부(240)는 상기 광원(210)으로부터 조사되는 레이저의 광세기를 측정한다. 또한, 상기 레이저부(200)는 빔 스프리터(250)를 더 포함하여 구성될 수 있다. 상기 빔 스프리터(250)는 상기 광원(210)으로부터 조사되는 레이저의 일부를 상기 광세기 측정부(240)로 반사한다. 예를 들면, 상기 빔 스프리터(250)는 광원(210)으로부터 조사되는 레이저의 광세기 중 약 10% 정도를 광세기 측정부(240)로 반사하고, 나머지 90%를 투과시킬 수 있다. 이때, 상기 광세기 측정부(240)는 광원(210)으로부터 조사되는 레이저의 일부를 검출하며, 광원으로부터 조사되는 레이저의 광세기를 모니터링할 수 있다. 상기 광세기 측정부(240)에서 검출된 광세기는 투과광 검출기(220)와 반사광 검출기(230)에서 검출되는 레이저의 광세기 변화를 보정하기 위해 사용된다. 이러한, 광원에서 조사되는 레이저의 광세기 변화를 보정하게 되면, 유기탄소와 원소탄소 측정의 정확도를 높일 수 있다.
도2a는 본 발명에 따른 미세먼지의 유기원소탄소 연속 자동 측정장치를 이용하여, 보정 전 반사도 및 투과도를 측정한 결과값을 나타낸 그래프이며, 도2b는 본 발명에 따른 미세먼지의 유기원소탄소 연속 자동 측정장치를 이용하여, 보정 후 반사도 및 투과도를 측정한 결과값을 나타낸 그래프이다.
도2a를 참조하여 설명하면, 도2a의 그래프는 본 발명의 미세먼지의 유기원소탄소 연속 자동 측정장치에서 시료필터에 미세먼지가 없는 상태에서 측정한 데이터를 나타낸 그래프이다. 도2a에서 I1은 광세기 측정부(240)를 통해 검출한 레이저 측정값이며, I2는 투과광 검출기(220)를 통해 검출한 레이저 투과광의 측정값이고, I3은 반사광 검출기(230)를 통해 검출한 레이저 반사광의 측정값이다. 도2a에서 보는 바와 같이, 투과광(I2)과 반사광(I3)은 광원(210)에서 조사되는 레이저의 광세기 변화에 따라 변화되는 것을 볼 수 있다.
이를 보정하기 위해서, I2/I1 및 I3/I1의 식을 이용하여 계산하면, 도2b의 그래프와 같이 나타낼 수 있다. 즉, 레이저 광원 세기 변화를 보정하게 되면, 레이저 광세기가 변화하더라도 도2b에서와 같이 일정한 값을 나타낼 수 있다.
산화 오븐(300)은 상기 연소 오븐(100)과 연결되며, 상기 연소 오븐(100)에서 기화되어 유입된 탄소 성분이 이산화탄소로 산화된다. 이때, 상기 산화 오븐(300)은 내부에 탄소 성분을 이산화탄소로 산화시키는 촉매물질인 MnO2 가 수용되기도 한다. 또한, 상기 산화 오븐(300)과 연소 오븐(100) 사이에 제3 밸브(310)가 구비되어, 상기 연소 오븐(100)에서 산소 오븐(300)으로 이동하는 탄소 성분의 유량을 조절한다.
이산화탄소 검출기(400)는 상기 산화 오븐(300)과 연결되며, 산화 오븐(300)에서 산화된 이산화탄소를 검출한다.
탄소 함량 결정부(500)는 광원(210)에서 조사하는 광세기의 변화에 따라 투과광 및 반사광 중 적어도 하나 이상을 보정하고, 상기 보정된 투과광 및 반사광 중 적어도 하나에 따라 상기 측정된 이산화탄소 함량 중에서 유기 탄소 함량 및 원소 탄소의 함량을 결정한다. 도3을 참조하여 더욱 상세하게 설명하면, A 곡선은 연소 오븐(100)을 가열하여 측정한 온도 측정 값이다. B 곡선은 시료로 레이저를 조사하여 측정한 투과광 및 반사광의 측정값이다. C 곡선은 이산화탄소 검출기(400)에서 측정한 이산화탄소 측정값이다.
먼저, 상기 히터부(140)를 통해 연소 오븐(100)을 단계적으로 가열하게 되면, 도3 그래프의 A 곡선과 같이 나타난다. 이때, 가스 공급부(120)에서 연소오븐(100)으로 100%의 헬륨(He)가스를 주입하여, 레이저의 투과광 및 반사광을 측정하면, B 곡선과 같이, 선형적으로 낮아지는 것을 볼 수 있다. 이것은, 시료에 포함된 유기원소가 휘발되기 때문이다. 이후, B 곡선의 레이저 측정값이 최저값이 되면, 연소 오븐(100)의 온도를 낮추고, 2% O2/He 가스를 주입한다. 이때, 시료는 산소와 반응하여 연소되는데, B 곡선과 같이 레이저 측정값은 최저값에서 상승하기 시작한다. B 곡선에서 초기 레이저 측정값과 2% O2/He 가스를 주입 후 레이저 측정값 같아지는 P 지점을 중심으로 이전 C 곡선의 이산화탄소 측정값을 적분하여 계산하면, 유기탄소(OC, Organic carbon) 함량을 계산할 수 있다. 또한, B 곡선의 P 지점 이후 C 곡선의 이산화탄소 측정값을 적분하여 계산하면, 원소탄소(EC, Elemental carbon) 함량을 계산할 수 있다. 또한, 총 탄소(TC, Total carbon)는 유기탄소와 원소탄소 함량을 합하여 결정한다.
또한, 상기 탄소 함량 결정부(500)는 이산화탄소 검출기(400)와 레이저부(200)의 투과광 검출기(220), 반사광 검출기(230) 및 광세기 측정부(24)와 유무선으로 연결된다. 즉, 여러 곳에 본 발명의 미세먼지 유기원소탄소 연속 자동 측정장치를 설치하면, 중앙 관리 센터에서 여러 곳의 미세먼지 측정값을 확인 할 수 있다.
다음은 본 발명에 따른 미세먼지의 원기원소탄소 연속 자동 측정장치의 구동방법에 대해 설명한다.
먼저, 흡입펌프(130)를 가동시켜, 대기 중의 먼지를 흡입하여, 시료필터(10)에 포집한다. 이때, 일정 시간동안 지속적으로 포집한다. 예를 들어, 40분이나 1시간 정도 대기 중의 먼지를 포집한다.
더욱 상세하게 설명하면, 일정 시간 동안 대기 중의 먼지를 시료필터(10)에 포집 한 후, 제1 밸브(111)와 흡입펌프(130)를 Off 시켜 제2 밸브(131)를 닫는다. 이때, 가스공급부(120)에서는 100%의 He 가스를 연소오븐(100)으로 주입하여, 포집한 미세먼지 중 유기탄소를 휘발시킨다.
다음으로, 히터부(140)를 이용하여 시료필터(10)를 상온에서 870℃ 정도까지 단계적으로 가열한다. 이때, 가스공급부(120)에서는 2%의 O2/He 가스를 연소오븐(100)으로 주입하여, 포집한 미세먼지 중 원소탄소를 연소시킨다.
이때, 시료필터(10)를 가열하는 동시에, 광원(210)에서 시료필터(10)로 레이저를 조사한다. 상기 광원(210)에서 조사된 레이저는 빔 스프리터(250)에서 레이저의 일부가 광세기 측정부(240)로 반사되고, 나머지는 시료필터(10)로 조사된다. 또한, 조사된 레이저는 시료필터(10)를 투과한 투과광이 투과광 검출기(220)에서 검출된다. 또한, 상기 시료필터(10)를 반사한 반사광은 반사광 검출기(230)에서 검출된다. 검출된 데이터는 유무선으로 연결된 탄소 함량 결정부(500)로 전송된다.
또한, 상기 연소오븐(100)과 연결된 가스공급부(120)는 He, O2/He, CH4/He 등의 가스를 연소오븐(100) 내부로 주입한다.
또한, 시료필터를(10)을 가열하게 되면, 연소오븐(100)에서 시료필터(10)에 포집된 먼지가 열에 의해 기화되는데, 기화된 탄소 성분은 산화오븐(300)으로 이동한다. 이동한 탄소 성분은 산화오븐(300)에서 촉매물질인 MnO2 와 반응하여 이산화탄소로 산화된다.
이후, 산화오븐(300)에서 산화된 이산화탄소는 이산화탄소 검출기(400)에 의해 이산화탄소 중 탄소 함량을 측정된다.
측정된 탄소 함량 데이터는 유무선으로 연결된 탄소 함량 결정부(500)으로 전송된다. 다음으로, 탄소 함량 결정부(500)는 미세먼지의 총탄소, 원소탄소 및 유기탄소 함량을 산출할 수 있다. 도3을 참조하여 더욱 상세하게 설명하면, A 곡선은 연소 오븐(100)을 가열하여 측정한 온도 측정 값이다. B 곡선은 시료로 레이저를 조사하여 측정한 투과광 및 반사광의 측정값이다. C 곡선은 이산화탄소 검출기(400)에서 측정한 이산화탄소 측정값이다.
먼저, 상기 히터부(140)를 통해 연소 오븐(100)을 단계적으로 가열하게 되면, 도3 그래프의 A 곡선과 같이 나타난다. 이때, 가스 공급부(120)에서 연소오븐(100)으로 100%의 헬륨(He)가스를 주입하여, 레이저의 투과광 및 반사광을 측정하면, B 곡선과 같이, 선형적으로 낮아지는 것을 볼 수 있다. 이것은, 시료에 포함된 유기원소가 휘발되기 때문이다. 이후, B 곡선의 레이저 측정값이 최저값이 되면, 연소 오븐(100)의 온도를 낮추고, 2% O2/He 가스를 주입한다. 이때, 시료는 산소와 반응하여 연소되는데, B 곡선과 같이 레이저 측정값은 최저값에서 상승하기 시작한다. B 곡선에서 초기 레이저 측정값과 2% O2/He 가스를 주입 후 레이저 측정값 같아지는 P 지점을 중심으로 이전 C 곡선의 이산화탄소 측정값을 적분하여 계산하면, 유기탄소 함량을 계산할 수 있다. 또한, B 곡선의 P 지점 이후 C 곡선의 이산화탄소 측정값을 적분하여 계산하면, 원소탄소 함량을 계산할 수 있다.
또한, 일정 시간동안 포집한 먼지를 연소하여, 데이터를 산출한 후, 다시 대기 중의 먼지를 일정 시간동안 연속적으로 포집하여 데이터를 산출할 수 있다.
즉, 본 발명에 따른 미세먼지의 유기원소탄소 연속 자동 측정장치는 일정시간동안 대기 중의 미세먼지를 포집한 후, 필터를 교체하지 않고, 수회 포집 및 연소를 반복적으로 이루어져 연속적으로 대기 중의 미세먼지의 유기원소탄소를 측정할 수 있는 장점이 있다.
10 : 시료필터
100 : 연소 오븐
110 : 먼지유입구
111 : 제1 밸브
120 : 가스공급부
130 : 흡입펌프
131 : 제2 밸브
140 : 히터부
150 : 온도센서
200 : 레이저부
210 : 광원
220 : 투과광 검출기
230 : 반사광 검출기
240 : 광세기 측정부
250 : 빔 스프리터
300 : 산화 오븐
310 : 제3 밸브
400 : 이산화탄소 검출기
500 : 탄소 함량 결정부

Claims (8)

  1. 일측에 먼지가 유입되는 먼지유입구(110)가 구비되며, 내부에 구비된 시료필터(10)를 통해 유입된 상기 먼지를 포집하고, 먼지가 포집된 상기 시료필터(10)를 가열하는 연소 오븐(100);
    상기 시료필터(10)로 레이저를 조사하며, 조사되는 상기 레이저의 광세기와 상기 시료필터(10)를 투과한 투과광 및 반사광을 감지하는 레이저부(200);
    상기 연소 오븐(100)과 연결되며, 상기 연소 오븐(100)에서 기화되어 유입된 탄소 성분이 이산화탄소로 산화되는 산화 오븐(300);
    상기 산화 오븐(300)과 연결되며, 상기 산화 오븐(300) 내의 이산화탄소를 검출하는 이산화탄소 검출기(400); 및
    상기 레이저부(200)에서 조사되는 광세기에 따라 상기 감지된 투과광 및 반사광 중 적어도 하나 이상을 보정하고, 상기 보정된 투과광 및 반사광 중 적어도 하나에 따라 상기 검출된 이산화탄소 함량 중에서 유기 탄소 함량 및 원소 탄소의 함량을 결정하는 탄소 함량 결정부(500); 를 포함하고,
    상기 연소 오븐(100)은 상기 먼지를 상기 연소 오븐(100) 내로 흡입시키는 흡입펌프(130)와, 상기 먼지 유입구(110)의 개폐를 제어하는 제1 밸브(111)를 포함하며,
    상기 먼지 유입구(110) 폐쇄 시 상기 시료(10)가 위치되는 상기 연소 오븐(100)으로 먼지가 추가 유입되는 것이 제한되는 것을 특징으로 하는, 먼지의 유기원소탄소 연속 자동 측정장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 연소 오븐(100)은
    상기 연소 오븐(100) 내로 가스를 주입하는 가스공급부(120)가 연결되는 것을 특징으로 하는 먼지의 유기원소탄소 연속 자동 측정장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 가스공급부(120)는
    상기 연소 오븐(100)으로 He, O2/He, CH4/He 중 어느 하나의 가스를 공급하는 것을 특징으로 하는 먼지의 유기원소탄소 연속 자동 측정장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 연소 오븐(100)은
    상기 시료필터(10)를 가열하는 히터부(140)가 구비되는 것을 특징으로 하는 먼지의 유기원소탄소 연속 자동 측정장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 레이저부(200)는
    상기 시료필터(10)로 레이저를 조사하는 광원(210);
    상기 광원(210) 및 시료필터(10)와 일직선상에 위치하며, 상기 시료필터(10)를 투과한 레이저의 투과광을 검출하는 투과광 검출기(220);
    상기 시료필터(10)에서 반사되는 레이저의 반사광을 검출하는 반사광 검출기(230); 및
    상기 광원(210)으로부터 조사되는 광세기를 측정하는 광세기 측정부(240);
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 먼지의 유기원소탄소 연속 자동 측정장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 레이저부(200)는
    상기 광원(210)으로부터 조사되는 레이저의 일부를 상기 광세기 측정부(240)로 반사하는 빔 스프리터(250)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 먼지의 유기원소탄소 연속 자동 측정장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 산화 오븐(300)은
    내부에 탄소 성분을 이산화탄소로 산화시키는 촉매물질인 MnO2 가 수용되는 것을 특징으로 하는 먼지의 유기원소탄소 연속 자동 측정장치.
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