KR102110170B1 - 샘플가스의 지구 온난화 지수 산정을 위한 복사강제력 측정 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 질소가스(101)와 샘플가스(102)를 혼합하여 설정된 농도로 희석된 샘플가스(104)를 희석하는 MFC(103); MFC(103)로부터 이송되는 희석된 샘플가스(104)의 흡광도를 측정하는 FTIR(105); 희석된 샘플가스(104)의 온도를 조절하는 히터(106); 희석된 샘플가스(104)의 압력을 조절하는 압력조절밸브(107); MFC(103) 및 FTIR(105)을 거쳐 유입된 희석된 샘플가스(104)에 적외선을 투과시켜 가스별 대역폭을 출력하는 가스 셀(108); FTIR(105)에 희석된 샘플가스(104)를 일정한 유량으로 유입시키기 위해 FTIR(105)의 배출구 측에 연결 된 오리피스(109); 오리피스(109)의 배출구 측에 연결 형성되어 희석된 샘플가스(104)를 이송시키는 이송펌프 (110); 및 상기 FTIR(105)을 통해 측정된 희석된 샘플가스(104)의 흡광도와 수밀도를 이용하여 계산된 흡수단면적을 통해 복사강제력을 산정하는 복사강제력 산정 툴(112);을 포함하는, 샘플가스(102)의 지구온난화지수 산정을 위한 복사강제력 측정 시스템(100)에 관한 것이다.
Description
본 발명은 샘플가스의 지구 온난화 지수 산정을 위한 복사강제력 측정 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 농도 조절이 가능한 자동희석시스템을 이용하여 제조된 샘플가스의 흡광도를 FTIR 분석장치를 통해 측정하고, 측정된 흡광도에 수밀도를 적용하여 흡수단면적을 도출한 후, 산정 툴에 적용하여 샘플가스의 복사강제력을 측정하는 시스템에 관한 것이다.
FTIR(Fourier Transform Infrared Spectrometer) 기반의 분석장치에서 획득된 분광신호에는 측정된 배경 신호 외에 적외선 광선을 분광하는 과정에서 장치 내의 검출기, 투과창, 간섭계 등 광학부품 특성에 의해 생기는 신호가 포함되어 있다.
이때 기준이 되는 이상적인 광원인 흑체에 대한 적외선 분광 응답율을 측정하여 보정 계수를 얻고, 임의의 적외선 신호를 보정하여 스펙트럼 신호를 처리한다.
근거리 적외선 스펙트럼의 개별 파장영역에서 샘플이 흡수한 빛을 측정하기 위해서, 부과된 파장을 분리한다.
한편, 지구온난화지수란 임의의 화학물질 1 kg이 지구의 대류권으로 방출되었을 때, 일정한 기간 동안 지구온난화에 미치는 영향에 대해 CO2를 기준물질로 하여 환산한 수치이다 (IPCC, 2007). 필연적으로 지구온난화지수는 해당 물질의 대기 중 수명인자를 포함하기 때문에 다른 화학종 간의 온실효과 영향을 상대적으로 평가할 수 있는 지표가 된다.
다음은 일반적으로 알려진 지구온난화지수의 산출 식이다.
(식 a)
상기 (식 a)에서 RFx는 단위 기준 당 화학물질 x 분자에 대하여 얻어진 복사강제력(Radiative forcing)이며, 이는 지구 적외선 복사에너지를 기체상 분자 단위기준 당 흡수하는 에너지로써 단위는 에너지/면적(Wm- 2)이다. RFx는 화학물질 x의 적외선 영역의 흡수스펙트럼으로부터 구할 수 있다.
RFCO2는 1.1E- 5(Wm-1ppb)을 사용하여 계산되고 MW는 분자량으로 단위는 g/mol이다. 시간한계를 나타내는 TH는 100년을, 대기 중 수명을 나타내는 τ은 대상이 되는 물질의 특성에 따라 상이하나 CO2는 150년을 기준으로 한다.
(식 b)
(식 b)의 복사강제력의 산출에서 σ은 흡수단면적(cm2molecule-1cm-1)을 나타내며, F는 평균 환경에서의 복사강제력으로 1015Wmoleculecm-1m- 2을 고정값으로 한다.
(식 c)
(식 c)에 따라 흡수단면적을 산출할 수 있으며, A는 흡광도(Absorbance)이며, l은 물질 내 빛이 투과하는 가스셀의 길이이며, N은 부피당 화합물의 개수인 수밀도(number density)이다.
(식 d)
(식 d)의 수밀도는 이상 기체 상태 방정식에 따라 산출할 수 있으며, 압력 P는 1atm(760mmhg, 760torr)이며, 기체상수인 R은 0.082atm1mol-1K-1이고, 온도 T는 +273℃이고, 아보가드르수는 6.02Х1023mole-1molecule를 활용할 수 있다.
이처럼, 복사강제력을 알 수 있다면 지구온난화지수를 산출할 수 있으나 분리된 파장을 통해 측정된 흡광도를 활용하여 복사강제력을 도출하는데 있어 일률적인 측정 및 산정방법의 부재로 신뢰성 있는 복사강제력을 산정하는데 어려움이 존재한다.
상기와 같이 대두되고 있는 지구온난화 문제를 해결하기 위해 기존 사용하고 있던 지구온난화지수가 높은 물질을 지구온난화지수가 낮은 신규물질로 대체하고자 하는 연구개발이 이루어지고 있으나, 개발된 신규 물질의 지구온난화지수를 도출하기 위한 지구복사강제력을 산정할 수 있는 일률적인 시스템이 부재한 실정이다.
본 발명자들은 다각적인 연구를 수행한 끝에, 종래 기술과 대비할 때, 흡광도를 측정하고 측정된 흡광도를 활용하여 신뢰성 높은 복사강제력을 산정할 수 있도록 구성된 시스템을 제공할 수 있음을 확인하여 본 발명을 완성하게 되었다.
따라서, 본 발명의 목적은, 흡광도를 측정하고 측정된 흡광도를 활용하여 신뢰성 높은 복사강제력을 산정할 수 있도록 구성된 시스템을 제공함으로써 지구온난화 문제를 해결하는데 기여하는 것에 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은
질소가스(101)와 샘플가스(102)를 혼합하여 설정된 농도로 희석된 샘플가스(104)를 희석하는 MFC(103);
MFC(103)로부터 이송되는 희석된 샘플가스(104)의 흡광도를 측정하는 FTIR(105);
FTIR(105)에 희석된 샘플가스(104)를 일정한 유량으로 유입시키기 위해 FTIR(105)의 배출구 측에 연결 형성된 오리피스(109);
오리피스(109)의 배출구 측에 연결 형성되어 희석된 샘플가스(104)를 이송시키는 이송펌프 (110);
희석된 샘플가스(104)의 온도를 조절하는 히터(106);
희석된 샘플가스(104)의 압력을 조절하는 압력조절밸브(107);
MFC(103) 및 FTIR(105)을 거쳐 유입된 희석된 샘플가스(104)에 적외선을 투과시켜 가스별 대역폭을 출력하는 가스 셀(108); 및
상기 FTIR(105)을 통해 측정된 희석된 샘플가스(104)의 흡광도와 수밀도를 이용하여 계산된 흡수단면적을 통해 복사강제력을 산정하는 복사강제력 산정 툴(112);을 포함하는,
샘플가스(102)의 지구온난화지수 산정을 위한 복사강제력 측정 시스템(100)을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 흡수단면적은 하기 식 1을 사용하여 계산되는 것을 특징으로 하는, 샘플가스(102)의 지구 온난화 지수 산정을 위한 복사강제력 측정 시스템(100)을 제공한다.
[식 1]
(식 1의 흡수단면적(σ)의 산출에서 A는 흡광도(Absorbance)이며, l은 물질 내 빛이 투과하는 가스셀의 길이이며, N은 부피당 화합물의 개수인 수밀도(number density)이다.)
또한, 본 발명은 상기 계산된 흡수단면적을 하기 식 2에 적용하여 복사강제력을 구하는 것을 특징으로 하는, 샘플가스(102)의 지구온난화지수 산정을 위한 복사강제력 측정 시스템(100)을 제공한다.
[식 2]
(식 2의 복사강제력(RF, Radiative forcing)의 산출에서 σ은 흡수단면적(cm2molecule-1cm-1)을 나타내며, F는 평균 환경에서의 복사강제력으로 1015Wmoleculecm-1m-2을 고정값으로 한다.)
또한, 본 발명은 상기 샘플가스(102)의 농도가 200ppm 이하이고, 제조 불확도는 1.0% 이하인 것을 특징으로 하는, 샘플가스(102)의 지구 온난화 지수 산정을 위한 복사강제력 측정 시스템(100)을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 FTIR(105)을 통해 측정된 희석된 샘플가스(104)의 흡광도가 1 이하이고, 측정범위는 지구의 적외선복사에너지영역과 동일한 500~1500cm-1인 것을 특징으로 하는, 샘플가스(102)의 지구 온난화 지수 산정을 위한 복사강제력 측정 시스템(100)을 제공한다.
본 발명의 복사강제력 산정 시스템에 따르면, FTIR에서 측정된 흡광도를 통해 도출된 흡수단면적을 활용하여 샘플가스의 복사강제력의 산정이 가능하기 때문에 기존의 문헌 등을 통해 복사강제력을 확인할 수 없었던 신규 개발 물질에 활용할 수 있다는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 샘플가스의 지구 온난화 지수 산정을 위한 복사강제력 측정 시스템을 나타낸 모식도이다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 첨부한 도면을 참고로 하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 본 명세서에 한정되지 않는다.
도면에서는 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분을 생략하였고, 명세서 전체를 통해 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 사용하였다. 또한, 도면에서 표시된 구성요소의 크기 및 상대적인 크기는 실제 축척과는 무관하며, 설명의 명료성을 위해 축소되거나 과장된 것일 수 있다.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적인 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
샘플가스의 지구 온난화 지수 산정을 위한 복사강제력 측정 시스템
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 샘플가스의 복사강제력 산정 시스템을 나타낸 개략도이다.
도 1에서 도시한 바와 같이, 본 발명의 샘플가스의 복사강제력 측정 시스템(100)은 샘플가스(104)에 적외선을 투과하여 흡광도를 측정하고 측정된 흡광도에 수밀도를 적용하여 흡수단면적을 도출한 후 산정 툴에 적용하여 샘플가스의 복사강제력을 산정하는 시스템이다.
상기 복사강제력 산정 시스템(100)은 도 1에서 도시한 바와 같이, 질소가스(101)와 샘플가스(102)를 혼합하여 설정된 농도로 희석된 샘플가스(104)를 희석하는 MFC(103, Mass Flow Control, 유량조절장치)와, 희석된 샘플가스(104)의 측정 환경조건을 유지하는 히터(106)와 압력조절밸브(107) 및 유입된 샘플가스(104)에 적외선을 투과시켜 가스별 대역폭을 출력하는 가스 셀(108)이 포함된 FTIR(105)로 구성된다.
먼저 측정 대상인 샘플가스(102)와 질소가스(101)를 MFC(103, Mass Flow Control, 유량조절장치)로 이송한 후, 이를 혼합하여 설정된 농도로 희석된 샘플가스(104)를 제조한다.
본 발명에 있어서, 상기 샘플가스(102)는 농도가 200ppm 이하이고, 제조 불확도는 1.0% 이하인 것을 사용할 수 있고, 바람직하게는 농도가 150ppm 이하인 것을 사용할 수 있다. 상기 샘플가스(102)의 농도가 200ppm을 초과하면 필요이상의 노이즈가 포함된 흡광도 측정결과를 얻을 수 있는 문제점이 발생할 수 있고, 상기 샘플가스(102)의 제조불확도가 1.0%를 초과하면 측정된 흡광도에 내포된 불확도가 지나지게 높아짐에 따라 신뢰성이 떨어지는 문제점이 발생할 수 있다.
이 후, 희석된 샘플가스(104)를 FTIR(105)에 유입시킨다. 이 때, FTIR(105)의 배출구 측에 연결 형성된 오리피스(109)를 사용하여 이송되는 희석된 샘플가스(104)의 유량을 일정하게 유지할 수 있으며, 오리피스(109)의 배출구 측에 연결 형성된 이송펌프 (110)를 이용하여 희석된 샘플가스(104)를 이송시킬 수 있다.
이 후, FTIR(105)에 유입된 희석된 샘플가스(104)는, 상기 FTIR(105)을 통해 흡광도를 측정하게 되며, 희석된 샘플가스(104)의 수밀도를 적용하여 흡수단면적으로 도출한다.
본 발명에 있어서, 상기 FTIR(105)을 통해 측정된 희석된 샘플가스(104)는 흡광도가 1 이하인 것을 사용할 수 있다. 상기 희석된 샘플가스(104)의 흡광도가 1을 초과하면 샘플가스(102)의 농도와 마찬가지로 필요 이상의 노이즈를 포함한 흡광도를 측정하는 결과는 얻을 수 있는 문제점이 발생할 수 있다.
또한, 희석된 샘플가스(104)의 측정범위는 지구의 적외선복사에너지영역과 동일한 500~1500cm-1가 되도록 사용할 수 있다.
상기 흡수단면적으로의 도출은 하기 식 1을 사용하여 계산될 수 있다.
[식 1]
(식 1의 흡수단면적(σ)의 산출에서 A는 흡광도(Absorbance)이며, l은 물질 내 빛이 투과하는 가스셀의 길이이며, N은 부피당 화합물의 개수인 수밀도(number density)이다.)
또한, 상기에서 도출된 흡수단면적은 산정 툴(112)에 의해 복사강제력으로 산정된다.
상기 산정 툴(112)은 컴퓨터(111)에 의하여 구동되며, 상기 컴퓨터(111)는 연속적으로 측정된 데이터를 모니터링 및 기록하도록 구성된다
여기서, 산정 툴(112)은 상기 계산된 흡수단면적을 하기 식 2에 적용하여 복사강제력을 구할 수 있다.
[식 2]
(식 2의 복사강제력(RF, Radiative forcing)의 산출에서 σ은 흡수단면적(cm2molecule-1cm-1)을 나타내며, F는 평균 환경에서의 복사강제력으로 1015Wmoleculecm-1m-2을 고정값하고, 상기 σ은 하기 식 3으로 나타낸다.)
[식 3]
(식 3의 흡수단면적(σ)의 산출에서 A는 흡광도(Absorbance)이며, l은 물질 내 빛이 투과하는 가스셀의 길이이며, N은 부피당 화합물의 개수인 수밀도(number density)이고, 상기 N은 하기 식 4로 나타낸다.)
[식 4]
(식 4의 수밀도는 이상 기체 상태 방정식에 따라 산출할 수 있으며, 압력 P는 1atm(760mmhg, 760torr)이며, 기체상수인 R은 0.082atm1mol-1K-1이고, 온도 T는 +273℃이고, 아보가드르수는 6.02Х1023mole- 1molecule를 활용할 수 있다.)
상기 산정 툴은 상기 식 2를 통해 산출된 복사강제력과 지구 연평균 복사강제력을 중첩하여 지구온난화 지수를 산출할 수 있다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연한 것이다.
실시예
샘플가스의 지구 온난화 지수 산정을 위한 복사강제력 측정
하기와 같은 방법으로, 샘플가스의 지구 온난화 지수 산정을 위한 복사강제력을 측정하였다.
1. 질소가스(101)로 배관을 모든 배관 및 장비를 퍼지시켜 측정하고자 하는 샘플가스 이외의 물질에 대한 영향은 배제시켰다.
2. 원하는 농도로 설정한 MFC(103)로 질소가스(101)와 샘플가스(102)를 각각 유입시켜 측정하고자 하는 샘플가스의 농도를 희석하였다.
3. 희석된 샘플가스(104)를 FTIR(105)로 유입시켜 흡광도를 측정하였다. 이때, 온도와 압력은 히터와 압력조절밸브를 통해 조정할 수 있으며, 이송펌프를 활용하여 샘플가스를 원활하게 흐를 수 있도록 하였다.
4. 측정된 흡광도는 컴퓨터(111)에 저장되고, 산정툴(112)을 활용하여 복사강제력을 산정하였다.
실험예
: 실험 결과
농도별 측정된 흡광도 데이터를 활용하여 복사강제력을 아래 실험결과의 표에 나타냈다.
상기 표 1 내지 표 2에서와 같이, 농도가 낮아질수록 복사강제력이 점차 증가하는 것을 알 수 있었으며, 특히 100ppm에서 레퍼런스와 유사한 것을 확인할 수 있었다. 또한, 비교예 1 및 2와 같이 농도가 200ppm을 초과하는 경우, 레퍼런스와 큰 차이를 나타냄을 알 수 있었다.
Claims (5)
- 질소가스(101)와 샘플가스(102)를 혼합하여 설정된 농도로 희석된 샘플가스(104)를 희석하는 MFC(103);
MFC(103)로부터 이송되는 희석된 샘플가스(104)의 흡광도를 측정하는 FTIR(105);
희석된 샘플가스(104)의 온도를 조절하는 히터(106);
희석된 샘플가스(104)의 압력을 조절하는 압력조절밸브(107);
MFC(103) 및 FTIR(105)을 거쳐 유입된 희석된 샘플가스(104)에 적외선을 투과시켜 가스별 대역폭을 출력하는 가스 셀(108);
FTIR(105)에 희석된 샘플가스(104)를 일정한 유량으로 유입시키기 위해 FTIR(105)의 배출구 측에 연결 형성된 오리피스(109);
오리피스(109)의 배출구 측에 연결 형성되어 희석된 샘플가스(104)를 이송시키는 이송펌프 (110); 및
상기 FTIR(105)을 통해 측정된 희석된 샘플가스(104)의 흡광도와 수밀도를 이용하여 계산된 흡수단면적을 이용하여 복사강제력을 산정하는 복사강제력 산정 툴(112);을 포함하고,
상기 샘플가스(102)는 농도가 200ppm 이하이고, 제조 불확도는 1.0% 이하인 것을 특징으로 하는, 샘플가스(102)의 지구 온난화 지수 산정을 위한 복사강제력 측정 시스템(100). - 제1항에 있어서,
상기 흡수단면적은 하기 식 1을 사용하여 계산되는 것을 특징으로 하는, 샘플가스(102)의 지구 온난화 지수 산정을 위한 복사강제력 측정 시스템(100).
[식 1]
(식 1에 있어서, A는 흡광도(Absorbance)이며, l은 물질 내 빛이 투과하는 가스셀(108)의 길이이며, N은 부피당 화합물의 개수인 수밀도(number density)이고, σ는 화학물질 x에 대하여 얻어진 고유값인 흡수단면적(Absorption Cross Section, 단위: cm2molecule-1cm-1)이다.) - 제2항에 있어서,
상기 계산된 흡수단면적을 하기 식 2에 적용하여 복사강제력을 구하는 것을 특징으로 하는, 샘플가스(102)의 지구 온난화 지수 산정을 위한 복사강제력 측정 시스템(100).
[식 2]
(식 2의 복사강제력의 산출에서 σ은 흡수단면적(cm2molecule-1cm-1)을 나타내며, F는 평균 환경에서의 복사강제력으로 1015Wmoleculecm-1m-2을 고정값으로 한다.)
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 FTIR(105)을 통해 측정된 희석된 샘플가스(104)의 흡광도가 1 이하이고, 측정범위는 500~1500cm-1인 것을 특징으로 하는, 샘플가스(102)의 지구 온난화 지수 산정을 위한 복사강제력 측정 시스템(100).
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20220080391A (ko) * | 2020-12-07 | 2022-06-14 | 재단법인 한국화학융합시험연구원 | 샘플가스의 지구 온난화 지수 산정을 위한 대기 중 수명 측정 시스템 |
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| KR101782260B1 (ko) * | 2016-04-26 | 2017-09-26 | (주)세성 | 샘플가스의 안정화 시스템이 접목된 ftir 측정 시스템 |
| KR101793376B1 (ko) * | 2016-04-26 | 2017-11-02 | (주)세성 | 샘플가스의 수분 제거 시스템이 접목된 ftir 측정 시스템 |
-
2019
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