KR102348572B1 - 이단계 고도산화를 이용한 온라인 총 유기탄소 분석기용 시약 및 이를 이용한 총 유기탄소 측정방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 이단계 고도산화를 이용한 온라인 총 유기탄소 분석기용 시약 및 이를 이용한 총 유기탄소 측정방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 (a) 이단계 고도산화를 이용한 온라인 총 유기탄소 분석기의 반응부 내 측정수를 주입하는 단계와, (b) 상기 측정수가 주입된 반응부 내 제1 시약인 인산 용액을 주입함으로써, 상기 측정수 내 무기탄소를 이산화탄소로 산화시켜 제거하는 단계와, (c) 상기 무기탄소가 제거된 측정수가 주입된 반응부 내 제2 시약인 1.2~4N 농도의 수산화나트륨(NaOH) 용액과 오존(O3)을 주입함으로써, 상기 무기탄소가 제거된 측정수 내 유기탄소를 무기탄소의 형태로 변환시키는 단계와, (d) 상기 유기탄소가 무기탄소의 형태로 변환된 측정수가 주입된 반응부 내 제1 시약인 인산 용액을 주입함으로써, 무기탄소를 이산화탄소로 산화시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의하면, 이단계 고도산화를 이용한 온라인 총 유기탄소 분석기용 시약으로 강산인 황산 용액을 약산인 인산 용액으로 대체함으로써, 인체 유해성 및 환경 유해성을 낮추면서도, 총 유기탄소를 안정적으로 정확하게 측정, 분석할 수 있다는 장점이 있다.
Description
본 발명은 이단계 고도산화를 이용한 온라인 총 유기탄소 분석기용 시약 및 이를 이용한 총 유기탄소 측정방법에 관한 것이다.
반도체용 처리수, 냉각수, 보일러수, 수돗물, 하폐수 처리수 등의 수질을 관리하기 위한 측정 항목으로 총 유기탄소((Total Organic Carbon; 이하 TOC)가 있다.
상기 TOC의 분석방법으로는 시료에 함유되어 있는 탄산이온과 같은 무기탄소를 제거하는 과정, 유기물질을 산화리액터를 이용하여 이산화탄소로 산화시키는 과정, 및 산화된 시료를 분석하는 과정으로 구성된다.
상기 무기탄소를 제거하는 방법은 시료에 황산을 첨가하여 pH를 낮춘 후, 기체로 버블링시켜 유리되는 무기탄소를 제거하는 것이 일반적이다.
그리고 상기 유기물질을 산화시키는 방법은 크게 습식산화법과 연소산화법으로 구분되는데, 상기 습식산화법은 기본적으로 시료에 자외선을 조사시켜 유기물을 산화시키는 방법으로 산화력을 높이기 위하여 퍼설페이트를 첨가하거나 온도를 높이거나 오존을 투입하는 수단이 보조적으로 사용되기도 한다. 상기 연소산화법은 650∼950℃의 중·고온에서 유기물을 산화시키는 방법이다.
상기 습식산화의 경우 저농도나 부유물이 적은 시료 분석에 적합하며, 연소산화의 경우 고농도나 부유물이 많은 시료 분석에 적합한 등 장단점이 있어 시료의 성상에 따라 선택하여 이용되고 있다.
그리고 상기 산화된 시료를 분석하는 방법은 산화과정에서 발생하는 이산화탄소를 비분산적외선센서(NDIR sensor)로 정량하는 방법과 산화 전후 시료의 전기전도도를 측정하여 비교하는 방법이 사용된다. 전기전도도를 측정하는 방법은 초저농도의 시료 분석에 적합하며 일반적으로는 비분산적외선센서가 많이 이용되고 있다.
그러나 이와 같은 총 유기탄소 측정방법은 유기물을 산화시키는 산화력이 약하여 정확한 측정이 곤란한 문제점이 있다.
이러한 단점을 개선하기 위하여, 이단계 고도산화방법을 이용한 산화방법이 이용되고 있다. 이러한 이단계 고도산화방법을 이용한 온라인 총 유기탄소 분석기가 BioTector(하크코리아) 등으로 시판되고 있다.
상기한 방법을 대략적으로 설명하면, 먼저 황산 시약을 이용하여 측정수 내 무기탄소를 제거하고, 상기 무기탄소가 제거된 측정수에 알칼리 시약과 오존을 주입하여 측정수 내 유기탄소를 산화시켜 중탄산염의 형태로 변화되도록 한 후, 이에 다시 황산 시약을 이용하여 측정수 내 중탄산염을 이산화탄소 형태로 산화시켜, 산화된 이산화탄소의 농도를 측정하는 방법이다.
상기한 방법에서는 시약으로 강산인 황산 용액을 적용하였는바, 강산인 황산은 인체뿐 아니라 환경에도 좋지 못한 영향을 주고, 취급 시 주의가 요구되므로, 강산인 황산의 대체 시약이 요구되고 있는 실정이다.
본 발명의 목적은, 이단계 고도산화를 이용한 온라인 총 유기탄소 분석기용 시약으로 황산 용액을 인산 용액으로 대체하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 이러한 시약을 이용하여 총 유기탄소를 안정적으로 정확하게 측정, 분석하는 데 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 이단계 고도산화를 이용한 온라인 총 유기탄소 분석기용 시약은, 제1 시약인 1.8~6N 농도의 인산(H3PO4) 용액을 포함하는 것을 특징으로 한다.
제1 시약인 6~20N 농도의 인산(H3PO4) 용액을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 총 유기탄소 측정방법은 (a) 이단계 고도산화를 이용한 온라인 총 유기탄소 분석기의 반응부 내 측정수를 주입하는 단계와, (b) 상기 측정수가 주입된 반응부 내 제1 시약인 인산 용액을 주입함으로써, 상기 측정수 내 무기탄소를 이산화탄소로 산화시켜 제거하는 단계와, (c) 상기 무기탄소가 제거된 측정수가 주입된 반응부 내 제2 시약인 1.2~4N 농도의 수산화나트륨(NaOH) 용액과 오존(O3)을 주입함으로써, 상기 무기탄소가 제거된 측정수 내 유기탄소를 무기탄소의 형태로 변환시키는 단계와, (d) 상기 유기탄소가 무기탄소의 형태로 변환된 측정수가 주입된 반응부 내 제1 시약인 인산 용액을 주입함으로써, 무기탄소를 이산화탄소로 산화시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 (d) 단계에서, 상기 인산 용액의 주입량은 상기 유기탄소가 무기탄소의 형태로 변환된 측정수를 기준으로 5~20%(v/v)인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 이단계 고도산화를 이용한 온라인 총 유기탄소 분석기용 시약으로 강산인 황산 용액을 약산인 인산 용액으로 대체함으로써, 인체 유해성 및 환경 유해성을 낮추면서도, 총 유기탄소를 안정적으로 정확하게 측정, 분석할 수 있다는 장점이 있다.
도 1은 종래 온라인 총 유기탄소 분석기의 개략도.
도 2는 본 발명에 의한 총 유기탄소 측정방법을 나타낸 순서도.
도 3 내지 도 8은 본 발명에 의한 시험예 1의 결과를 나타낸 그래프.
도 2는 본 발명에 의한 총 유기탄소 측정방법을 나타낸 순서도.
도 3 내지 도 8은 본 발명에 의한 시험예 1의 결과를 나타낸 그래프.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
먼저, 본 발명에서의 시약은 이단계 고도산화를 이용한 온라인 총 유기탄소 분석기에 적용되는 것으로, 이러한 이단계 고도산화를 이용한 온라인 총 유기탄소 분석기에 대해 간략하게 설명한다.
상기 분석기는, 도 1과 같이, 채취된 측정수를 공급하기 위한 측정수 공급부; 산화반응에 필요한 시약을 공급하기 위한 시약 공급부; 산화반응에 필요한 오존을 발생시켜 공급하는 오존 공급부; 상기 오존 공급부로부터 공급된 오존과 측정수 공급부로부터 공급된 측정수 및 시약 공급부로부터 공급된 시약을 반응시켜 유기물을 산화시킴으로써 이산화탄소를 발생시키기 위한 반응부; 및 상기 반응부에서 발생된 이산화탄소의 농도를 측정하여 총 유기탄소를 측정하기 위한 농도측정부;를 포함한다. 이러한 분석기는 이 기술이 속하는 분야에서 일반적으로 공지된 구성으로, 각 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.
이때, 상기 시약 공급부에서 공급되는 산화반응에 필요한 시약으로는 종래 황산 용액과 수산화나트륨 용액이 사용되었는바, 본 발명은 강산인 황산 용액의 대체물질로서 인산 용액을 사용한다는 데 특징이 있다.
즉, 본 발명에 의한 이단계 고도산화를 이용한 온라인 총 유기탄소 분석기용 시약은, 제1 시약인 1.8~6N 농도의 인산(H3PO4) 용액을 포함한다.
상기 제1 시약인 인산 용액인 강산인 황산을 대체하기 위한 약산으로써, 인체 유해성 및 환경 유해성을 낮추면서도, 강력한 산화력을 통해 총 유기탄소를 안정적으로 정확하게 측정, 분석할 수 있도록 한다.
이때, 그 농도는 1.8~6N임이 바람직하다. 상기 인산 용액의 농도를 1.8~6N로 한정하는 이유는, 무기탄소를 이산화탄소로 산화시키기 위한 강력한 산화력을 위한 것인바, 상기한 농도를 벗어나는 범위에서는 무기탄소의 산화가 어려워 정확한 총 유기탄소의 측정이 어렵기 때문이다.
상기 제1 시약을 제조하는 방법을 예시적으로 설명한다.
85%의 인산으로 4.5N 농도의 인산 용액을 제조하는 방법에 대해 설명하면, 인산 1M은 3N 이므로 4.5N는 1.5M이 된다. 이 몰농도(1.5mol/L)에 분자량(98g/mol)을 곱하고, 황산의 함량(0.85)을 나눠주면 172.941175g/L가 되고, 이에 비중으로 나눠 부피로 환산하면 102.635712ml/L가 된다. 즉, 용액 1L 당 85% 인산을 약 102.6mL 넣어야 4.5N 농도의 인산 용액을 만들 수 있게 된다.
또한, 본 발명은 제2 시약으로 1.2~4N 농도의 수산화나트륨(NaOH) 용액을 포함한다.
상기 제2 시약인 수산화나트륨 용액은 오존과 함께 주입되어 측정수 내 유기탄소를 탄산염 형태, 즉 무기탄소로 산화시키기 위한 것으로, 그 농도는 1.2~4N임이 바람직하다.
상기 수산화나트륨 용액의 농도를 1.2~4N로 제한하는 이유 역시 측정수의 pH를 높여 OH기의 생성을 도움으로써, 오존으로 인한 산화력을 높이기 위함이다.
상기 제2 시약을 제조하는 방법을 예시적으로 설명한다.
1.2N 농도의 수산화나트륨 용액을 제조하는 방법은 앞서 인산 용액의 제조방법과 동일한바, 1.2N 농도의 수산화나트륨 용액은 용액 1L 당 48g의 수산화나트륨으로 구성된다.
이때, 상기 제1 시약인 인산 용액과 제2 시약인 수산화나트륨 용액은 반응부 내 1: 0.5~2 부피비로 공급되어 사용될 수 있으나, 이를 반드시 제한하는 것은 아니다.
상기와 같은 시약을 이용하면, 측정수 내 TOC를 효율적으로 측정할 수 있는바, 이하 상기한 시약을 이단계 고도산화를 이용한 온라인 총 유기탄소 분석기에 적용하여 측정수 내 TOC를 효율적으로 측정하는 방법을 설명한다.
한편, 본 발명의 다른 실시예로서 본 발명에 의한 시약은, 제1 시약인 6~20N 농도의 인산(H3PO4) 용액을 포함하는 것을 특징으로 한다. 이는 농축 인산 용액을 통해 시약의 사용량을 줄이면서도, 강력한 산화력을 발휘하기 위함이다.
아울러, 이러한 다른 실시예에서도 제2 시약으로서는 수산화나트륨 용액을 사용함은 당연하다.
본 발명에 의한 측정 방법은, (a) 이단계 고도산화를 이용한 온라인 총 유기탄소 분석기의 반응부 내 측정수를 주입하는 단계와, (b) 상기 측정수가 주입된 반응부 내 상기 제1 시약인 인산 용액을 주입함으로써, 상기 측정수 내 무기탄소를 이산화탄소로 산화시켜 제거하는 단계와, (c) 상기 무기탄소가 제거된 측정수가 주입된 반응부 내 상기 제2 시약인 1.2~4N 농도의 수산화나트륨(NaOH) 용액과 오존(O3)을 주입함으로써, 상기 무기탄소가 제거된 측정수 내 유기탄소를 무기탄소의 형태로 변환시키는 단계와, (d) 상기 유기탄소가 무기탄소의 형태로 변환된 측정수가 주입된 반응부 내 상기 제1 시약인 인산 용액을 주입함으로써, 무기탄소를 이산화탄소로 산화시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하, 도 2를 참조하여 단계별로 상세히 설명한다.
(a) 이단계 고도산화를 이용한 온라인 총 유기탄소 분석기의 반응부 내 측정수를 주입하는 단계
먼저, 종래 게시된 이단계 고도산화를 이용한 온라인 총 유기탄소 분석기의 측정수 공급부에 측정수를 주입하고, 시약 공급부에 제1 시약인 1.8~6N 농도의 인산 용액 또는 6~20N 농도의 인산 용액과, 제2 시약인 제2 시약인 1.2~4N 농도의 수산화나트륨(NaOH) 용액을 각각 주입하여 저장한다.
그리고 상기 측정수 공급부에 저장된 측정수를 총 유기탄소 분석기의 반응부 내로 주입한다.
(b) 상기 측정수가 주입된 반응부 내 상기 제1 시약인 인산 용액을 주입함으로써, 상기 측정수 내 무기탄소를 이산화탄소로 산화시켜 제거하는 단계
다음으로, 상기 측정수가 주입된 반응부 내 상기 제1 시약인 인산 용액을 주입한다. 상기 제1 시약의 pH는 1.0이하, 더욱 구체적으로 0.1~1.0 정도로 상기 측정수 내 무기탄소를 효과적으로 이산화탄소로 산화시킨다. 이렇게 발생된 이산화탄소는 분석기 내 구비된 배관 및 기액분리기를 통하여 이동되어 배출된다. 이러한 이산화탄소의 배출은 이 기술이 속하는 분야에서 공지된 것이므로, 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
인산에 의한 무기탄소의 산화반응은 다음과 같다.
MeCO3+H3PO4 -----> MeHP4+CO2+H2O, MeHCO3+H3PO4 -----> MeH2PO4+CO2+H2O
이때, 주입되는 인산 용액의 양은 제한하지 않는바, 투입된 측정수를 기준으로 5~100%(v/v) 정도면 족하다.
(c) 상기 무기탄소가 제거된 측정수가 주입된 반응부 내 상기 제2 시약인 1.2~4N 농도의 수산화나트륨(NaOH) 용액과 오존(O
3
)을 주입함으로써, 상기 무기탄소가 제거된 측정수 내 유기탄소를 무기탄소의 형태로 변환시키는 단계
그리고 상기 무기탄소가 제거된 측정수가 주입된 상태의 반응부에 상기 시약 공급부에 저장된 제2 시약인 1.2~4N 농도의 수산화나트륨 용액을 주입한다. 그리고 이와 함께 오존 공급부로부터 오존을 공급한다.
상기 제2 시약인 수산화나트륨 용액은 pH를 높임으로써, 함께 공급된 O3가 OH를 만들어내도록 하고, 이러한 과정으로 유기탄소를 무기탄소의 형태로 변환시킨다.
수산화나트륨과 오존에 의한 유기탄소의 산화반응은 다음과 같다.
NaOH+Org Carbon+O3 -> Na2CO3+H2O
이때, 상기 제2 시약과 오존의 주입량은 제한하지 않는바, 종래 게시된 정도이면 족하다.
(d) 상기 유기탄소가 무기탄소의 형태로 변환된 측정수가 주입된 반응부 내 상기 제1 시약인 인산 용액을 주입함으로써, 무기탄소를 이산화탄소로 산화시키는 단계
다음으로, 상기 유기탄소가 무기탄소의 형태로 변환된 측정수에 상기 제1 시약인 인산 용액을 재주입함으로써, 상기 (b) 단계와 동일한 과정을 통해 무기탄소를 이산화탄소로 산화시킨다.
이때, 발생된 이산화탄소는 농도측정부로 이동하여 농도가 측정됨으로써, 총 유기탄소를 측정한다.
이 단계에서, 상기 인산 용액의 주입량은 상기 유기탄소가 무기탄소의 형태로 변환된 측정수를 기준으로 5~20%(v/v) 정도면 족하다.
이러한 방법에 의한 총 유기탄소 측정방법에 의하면, 총 유기탄소를 안정적으로 정확하게 측정, 분석할 수 있다는 장점이 있다.
이하, 본 발명을 구체적인 실시예를 통해 상세히 설명한다.
(실시예 1)
BiOtector TOC-B7000i를 준비하고, 상기 장치 내 측정수 공급부에 측정수를 투입하였다. 그리고 4.5N 농도의 인산(H3PO4) 용액과, 1.2N 농도의 수산화나트륨(NaOH) 용액을 준비하고, 이를 각각 시약 공급부에 투입하였다.
그리고 상기 장치를 작동시켜 반응부에 측정수와 인산 용액이 차례로 주입되도록 함으로써, 무기탄소를 제거하였다. 이때, 사용된 인산 용액의 양은 상기 처리수를 기준으로 약 10.3%(v/v) 였다.
다음으로, 상기 반응기 내 다시 1.2N 농도의 수산화나트륨(NaOH) 용액과 오존을 주입함으로써, 유기탄소를 무기탄소로 산화시킨 후, 다시 인산 용액을 주입하여 상기 무기탄소를 다시 이산화탄소로 산화시켜 이산화탄소의 농도를 측정하였다. 이때, 사용된 수산화나트륨 용액 및 인산 용액의 양은 앞서 사용된 인산 용액의 양과 동일하게 처리하였으며, 상기 오존은 10L/hr의 양으로 135~152초간 주입하였다.
(비교예 1)
실시예 1과 동일하게 실시하되, 인산 용액을 대신하여 1.8N 농도의 황산 용액을 사용하였으며, 그 사용량은 약 4.9%(v/v) 였다.
(시험예 1)
상기 실시예 1 및 비교예 1에 의해 측정된 총 유기탄소의 양을 하기 표 1 및 2, 도 3 내지 8에 나타내었다. 이때, 측정수의 종류는 하기 표 1 및 2와 같았으며, 다수회에 걸쳐 측정하여 그 결과를 나타내었다.
NO. | 처리수조 | P-BIO E | BIO AD | 중간처리수 | 유기TOC | 표준용액 (100ppm) |
1 | 3.12 | 3.12 | 2.43 | 3.22 | 121.3 | 99.05 |
2 | 3.11 | 3.31 | 2.48 | 3.28 | 115.3 | 98.92 |
3 | 3.20 | 3.48 | 2.40 | 3.33 | 112.6 | 102.53 |
4 | 3.30 | 3.57 | 2.46 | 3.25 | 107.1 | 99.69 |
5 | 3.68 | 3.49 | 2.42 | 3.14 | 105.4 | 100.56 |
6 | 3.86 | 3.44 | 2.46 | 3.19 | 112.4 | 99.39 |
7 | 4.36 | 3.40 | 2.49 | 3.31 | 116.7 | |
8 | 3.46 | 2.68 | 3.83 | 119.9 | ||
9 | 3.66 | 2.83 | 4.03 | 121.9 | ||
10 | 3.46 | 4.55 | ||||
11 | 3.66 |
NO. | 처리수조 | P-BIO E | BIO AD | 중간처리수 | 유기TOC | 표준용액 (100ppm) |
1 | 3.07 | 3.26 | 1.47 | 2.04 | 145.5 | 99.26 |
2 | 3.21 | 3.38 | 1.77 | 2.05 | 145.4 | 98.94 |
3 | 3.26 | 3.37 | 1.79 | 2.01 | 147.0 | 100.11 |
4 | 3.11 | 3.98 | 1.15 | 2.24 | 150.0 | 99.07 |
5 | 3.29 | 4.05 | 1.46 | 2.01 | 154.5 | 99.11 |
6 | 3.27 | 3.86 | 1.63 | 2.24 | 155.2 | 98.62 |
7 | 3.73 | 3.88 | 1.59 | 2.33 | 159.5 | |
8 | 4.17 | 1.43 | 2.17 | 160.3 | ||
9 | 3.07 | 1.52 | 2.14 | 166.2 | ||
10 | 3.21 | 1.97 | 2.73 |
상기 표 1, 2 및 도 3 내지 8에서와 같이, 황산 용액을 대체하여 인산 용액을 사용하더라도 안정적인 데이터의 확보가 가능함을 확인할 수 있었다.
본 명세서와 도면에는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 개시하였으며, 비록 특정 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명의 기술 내용을 쉽게 설명하고 발명의 이해를 돕기 위한 일반적인 의미에서 사용된 것이지, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 또한, 상기한 실시예는 예시적인 것에 불과한 것으로, 당해 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다.
Claims (4)
- 삭제
- 삭제
- (a) 이단계 고도산화를 이용한 온라인 총 유기탄소 분석기의 반응부 내 측정수를 주입하는 단계와,
(b) 상기 측정수가 주입된 반응부 내 1.8~6N 농도 또는 6~20N 농도의 제1 시약인 인산(H3PO4) 용액을 주입함으로써, 상기 측정수 내 무기탄소를 이산화탄소로 산화시켜 제거하는 단계와,
(c) 상기 무기탄소가 제거된 측정수가 주입된 반응부 내 제2 시약인 1.2~4N 농도의 수산화나트륨(NaOH) 용액과 오존(O3)을 주입함으로써, 상기 무기탄소가 제거된 측정수 내 유기탄소를 무기탄소의 형태로 변환시키는 단계와,
(d) 상기 유기탄소가 무기탄소의 형태로 변환된 측정수가 주입된 반응부 내 상기 1.8~6N 농도 또는 6~20N 농도의 제1 시약인 인산 용액을 주입함으로써, 무기탄소를 이산화탄소로 산화시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 총 유기탄소 측정방법.
- 제3항에 있어서,
상기 (d) 단계에서,
상기 인산 용액의 주입량은 상기 유기탄소가 무기탄소의 형태로 변환된 측정수를 기준으로 5~20%(v/v)인 것을 특징으로 하는 총 유기탄소 측정방법.
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