KR102396696B1

KR102396696B1 - 초음파 진동을 이용한 toc 측정장치 및 toc 측정방법

Info

Publication number: KR102396696B1
Application number: KR1020220030010A
Authority: KR
Inventors: 서호
Original assignee: (주)아이티에이
Priority date: 2022-03-10
Filing date: 2022-03-10
Publication date: 2022-05-12

Abstract

본 발명은 TOC 측정장치 및 TOC 측정방법에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 TOC 측정장치는 내부에 액상 시료의 처리가 가능한 공간이 마련된 베셀; 상기 베셀 내부로 액상 시료를 공급하는 시료 공급부; 베셀 내부에 저장된 액상 시료의 수소 이온 농도를 낮추기 위한 산성 용액을 공급하는 용액 공급부; 상기 베셀 내부로 탄소 성분을 포함하지 않는 에어를 공급하여 에어레이션함으로써 액상 시료중의 무기탄소를 제거하는 에어 공급부; 초음파를 이용해 상기 베셀 내부로 주입된 액상 시료중의 부유물질을 분쇄하는 초음파 균질부; 상기 베셀에서 처리된 액상 시료를 산화시켜 이산화탄소를 발생시키는 산화부; 및 상기 산화부에서 발생된 이산화탄소를 검출하여 총유기탄소를 측정하는 검출부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

초음파 진동을 이용한 TOC 측정장치 및 TOC 측정방법 {TOC MEASURING APPARATUS AND TOC MEASURING METHOD USING ULTRASONIC VIBRATION}

본 발명은 초음파 진동을 이용한 TOC 측정장치 및 TOC 측정방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 액상 시료에 초음파 진동을 제공하여 시료 내에 존재하는 부유물질을 분쇄하고 균질화함으로써 측정 정밀도를 향상시키는 것은 물론, 이러한 초음파 진동을 무기탄소를 제거하기 위한 에어 공급과 함께 제공하여 액상 시료 내에 생성된 기포를 미세화시킴으로써 무기탄소의 제거를 촉진할 수 있는 초음파 진동을 이용한 TOC 측정장치 및 TOC 측정방법에 관한 것이다.

일반적으로, 물 속의 유기물을 측정하는 대표적인 지표 중에는 생물학적 산소요구량(Biochemical Oxygen Demand, BOD), 화학적 산소요구량(Chemical Oxygen Demand, COD), 총 유기탄소(Total Organic Carbon, TOC) 등이 소개되어 있다.

물 속의 유기물을 측정하는 대표적인 지표를 자동화된 방식으로 연속 측정하기 위한 장치로서, BOD 측정기, COD 측정기, TOC 측정기 등 다양한 수질연속자동측정기가 알려져 있다.

그런데 BOD 측정기는 미생물을 센서로 이용하기 때문에 독성물질에 의해 성능이 저하될 수 있으며, 난분해성 물질이 존재할 경우 정확한 유기물 측정이 어려운 단점이 있다. COD 측정기는 오염물질의 성상에 따라 분석오차가 큰 편이며, 염소 등의 간섭물질에 의해 측정에 영향을 받는 단점이 있다. 이에 따라, 최근에는 수중에 함유된 유기탄소 양을 측정하여 오염 정도를 분석하는 TOC 측정기(이하, TOC 측정 시스템이라 함)가 주로 이용된다.

TOC 측정 시스템은 보일러수, 발전소 냉각수, 반도체 공정, 정수장 및 하·폐수처리장 처리수의 유기물을 모니터링 하는데 사용된다.

이러한 TOC 측정을 위한 종래기술은 등록특허 제10-1528126호 '무촉매 열연소 산화 방식을 기반으로 하는 실시간 총유기 탄소 및 총질소 측정 장치'(특허문헌 1)가 있다.

이러한 종래기술은 캐리어 가스와 후단에서의 에어 버블링 처리를 위하여 일정한 압력의 에어를 공급하는 캐리어 가스 펌프; 시료수를 흡입하여 다음 단으로 제공하는 제1 펌프와, 저장탱크로부터 염산을 흡입하여 다음 단으로 제공하는 제2 펌프와 전처리 시료 저장 포트로부터 산 및 에어 버블링 처리된 시료수를 흡입하여 다음 단으로 공급하는 제3 펌프를 포함하는 펌프단; 상기 제1 펌프에 의하여 제공된 시료와 상기 제2 펌프에 의하여 제공된 염산을 실시간으로 혼합하여 염산이 혼합된 시료수를 다음 단으로 제공하는 3-웨이 혼합 커넥터; 상기 3-웨이 혼합 커넥터로부터 제공되는 시료수를 공급받는 제1 시료수 유입구와, 상기 캐리어 가스 펌프로부터 공급되는 에어를 받아들이는 에어 공급구와, 상기 에어 공급구로부터 받아들인 에어의 양압에 의하여 내부로 에어 버블을 배출하는 에어 버블 형성부, 및 염산이 혼합된 시료수에 에어 버블을 가함으로써 준비되는 균질한 시료수를 다음 단으로 공급하는 배출구를 포함하여 이루어지는 전처리 포트; 상기 전처리 포트의 배출구를 통하여 시료수를 공급받는 제2 시료수 유입구와, 잔여 시료수를 배출하는 제2 배출구를 구비하고, 상기 제3 펌프에 의하여 제공되는 산 및 에어 처리된 시료수를 흡입하여 다음 단에서의 측정을 위하여 무촉매 열연소 산화 반응기로 제공하는 시료 흡입 빨대가 포트 내부에 설치되는 전처리 시료 저장 포트; 상기 전처리 시료 저장 포트의 시료 흡입 빨대를 통하여 공급된 시료를 열 연소에 의하여 산화시키는 무촉매 열연소 산화 반응기; 및 산화된 가스를 공급받아 총유기 탄소 성분 또는 총질소 성분을 측정하는 측정부;를 포함하는 것으로 나타나 있다.

그러나, 종래의 측정장치는 시료 내에 존재하는 부유물질이 응집 및 침전됨에 따라 측정에 방해 요소로 작용하므로 측정 정확도가 떨어지는 문제가 있다.

또한, 시료 중의 무기탄소가 완전하게 제거되지 않는 경우 잔존하는 무기탄소가 총유기탄소의 측정에 방해요소로 작용함에 따라 시료에 에어 버블을 가하는 시간을 충분하게 제공해야 하는데, 이로 인해 총유기탄소 측정에 요구되는 시간이 증가하는 문제가 있다.

또한, 전처리포트와 산화반응기가 배관으로 연결되고, 전처리포트 내에 저장된 시료가 펌프에 의해 산화반응기로 이동하도록 구성되는데, 이러한 경우 시료 중에 포함된 유기물이 밸브나 배관 내에 축적되면서 유로가 막히거나 좁아짐에 따라 목적하는 유량이 이송되지 않아 측정 정확도가 떨어지는 것은 물론, 밸브나 배관 내에 축적된 유기물 찌꺼기가 후속하는 시료를 오염시켜 측정 정확도가 떨어지는 문제가 있다.

대한민국 등록특허 제10-1528126호(2015.06.12)

따라서, 본 발명의 목적은 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 액상 시료에 초음파 진동을 제공하여 시료 내에 존재하는 부유물질을 분쇄하고 균질화함으로써 측정 정밀도를 향상시킬 수 있는 초음파 진동을 이용한 TOC 측정장치 및 TOC 측정방법을 제공함에 있다.

또한, 무기탄소 제거를 위한 에어 공급과 동시에 초음파 진동을 제공하여 액상 시료 내에 생성된 기포를 미세화시킴으로써 무기탄소 제거를 촉진할 수 있는 초음파 진동을 이용한 TOC 측정장치 및 TOC 측정방법을 제공함에 있다.

또한, 시린지를 이용해 베셀에 저장된 시료를 산화부로 이송하는 방식을 채택함으로써 종래 베셀과 산화부 사이의 배관이나 밸브를 제거하여 유로 내에 축적된 유기물 찌꺼기에 의해 시료가 오염되는 것을 방지할 수 있는 초음파 진동을 이용한 TOC 측정장치 및 TOC 측정방법을 제공함에 있다.

또한, 소모품인 세라믹 튜브 및 세라믹 볼을 연소로의 하부에서 교환할 수 있도록 구성함으로써 유지보수 편의 및 작업 안전성을 개선할 수 있는 초음파 진동을 이용한 TOC 측정장치 및 TOC 측정방법을 제공함에 있다.

상기 목적은, 본 발명에 따라, 내부에 액상 시료의 처리가 가능한 공간이 마련된 베셀; 상기 베셀 내부로 액상 시료를 공급하는 시료 공급부; 베셀 내부에 저장된 액상 시료의 수소 이온 농도를 낮추기 위한 산성 용액을 공급하는 용액 공급부; 상기 베셀 내부로 탄소 성분을 포함하지 않는 에어를 공급하여 에어레이션함으로써 액상 시료중의 무기탄소를 제거하는 에어 공급부; 초음파를 이용해 상기 베셀 내부로 주입된 액상 시료중의 부유물질을 분쇄하는 초음파 균질부; 상기 베셀에서 처리된 액상 시료를 산화시켜 이산화탄소를 발생시키는 산화부; 및 상기 산화부에서 발생된 이산화탄소를 검출하여 총유기탄소를 측정하는 검출부;를 포함하는 초음파 진동을 이용한 TOC 측정장치에 의해 달성된다.

여기서, 상기 초음파 균질부는 상기 에어 공급부와 함께 구동하여 액상 시료 내에 생성되는 기포를 미세화시키는 것이 바람직하다.

또한, 상기 초음파 균질부는 초음파 전기신호를 발생시키는 발진기 및 상기 전기신호를 초음파로 변환시키는 진동프로브를 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 베셀에서 처리된 액상 시료를 산화부로 이송하는 이송부;를 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 이송부는 액상 시료를 흡입하거나 배출할 수 있는 시린지 및 상기 시린지를 베셀과 산화부 사이에서 이동시킬 수 있는 구동부를 포함하고, 상기 구동부는 상기 베셀의 상부영역과 상기 산화부의 상부영역 사이에서 상기 시린지를 이동시키거나, 상기 베셀과 산화부의 상부영역에서 상기 시린지를 각각 상하로 이동시킬 수 있도록 구성되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 구동부는 다축 로봇암으로 이루어지는 것이 바람직하다.

또한, 상기 산화부는 무촉매 열연소 산화 방식을 기반으로 상기 이송부에 의해 이송된 액상 시료를 연소시켜 이산화탄소 가스를 발생시키도록 구성되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 산화부는 연소로, 상기 연소로 내에 세로로 배치되고 상단에 유입구가 형성되고 하단에 유출구가 형성된 튜브, 상기 튜브를 가열하는 히터 및 상기 튜브 내에 배치되는 세라믹 볼을 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 튜브는 상기 연소로 내에 고정되는 제1튜브, 내부에 상기 세라믹 볼을 수용한 상태로 상기 제1튜브의 내에 배치되는 제2튜브를 포함하고, 상기 제2튜브는 상기 제1튜브의 하단 개구를 통해 탈착 가능하게 조립되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 제2튜브의 내측에는 세라믹 볼을 지지하기 위한 시브(sieve)가 배치되는 것이 바람직하다.

본 발명의 목적은, 일정량의 액상 시료를 베셀에 주입하는 시료 공급단계; 상기 베셀에 상기 액상 시료의 수소 이온 농도를 낮추기 위한 용액을 공급하는 용액 공급단계; 상기 베셀에 저장된 액상 시료를 에어레이션 함으로써 액상 시료중의 무기탄소를 제거하는 에어 공급단계; 상기 베셀에 저장된 액상 시료를 초음파로 진동시켜 액상 시료중의 부유물질을 분쇄하는 초음파 균질화 단계; 상기 베셀에서 처리된 액상 시료를 산화시켜 이산화탄소를 발생시키는 산화단계; 및 상기 산화단계에서 발생된 이산화탄소를 검출하여 총유기탄소를 측정하는 총유기탄소 측정단계;를 포함하는 초음파 진동을 이용한 TOC 측정방법에 의해서도 달성될 수 있다.

여기서, 상기 에어 공급단계와 초음파 균질화 단계는 동시에 수행되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 산화단계는 무촉매 열연소 산화 방식을 기반으로 연소로 내에서 액상 시료를 연소시켜 이산화탄소 가스를 발생시키는 것이 바람직하다.

또한, 시린지를 이용해 상기 베셀 내에서 처리된 액상 시료를 산화부로 이송하는 이송단계;를 포함하고, 상기 이송단계에서는 상기 시린지의 하단 개구가 상기 연소로의 길이방향 중심부에 위치하도록 위치제어되는 것이 바람직하다.

본 발명에 따르면, 액상 시료에 초음파 진동을 제공하여 시료 내에 존재하는 부유물질을 분쇄하고 균질화함으로써 측정 정밀도를 향상시킬 수 있는 초음파 진동을 이용한 TOC 측정장치 및 TOC 측정방법이 제공된다.

또한, 무기탄소 제거를 위한 에어 공급과 동시에 초음파 진동을 제공하여 액상시료 내에 생성된 기포를 미세화시킴으로써 무기탄소 제거를 촉진할 수 있는 초음파 진동을 이용한 TOC 측정장치 및 TOC 측정방법이 제공된다.

또한, 시린지를 이용해 베셀에 저장된 시료를 산화부로 이송하는 방식을 채택함으로써 종래 베셀과 산화부 사이의 배관이나 밸브를 제거하여 유로 내에 축적된 유기물 찌꺼기에 의해 시료가 오염되는 것을 방지할 수 있는 초음파 진동을 이용한 TOC 측정장치 및 TOC 측정방법이 제공된다.

또한, 소모품인 세라믹 튜브 및 세라믹 볼을 연소로의 하부에서 교환할 수 있도록 구성함으로써 유지보수 편의 및 작업 안전성을 개선할 수 있는 초음파 진동을 이용한 TOC 측정장치 및 TOC 측정방법이 제공된다.

도 1은 본 발명 초음파 진동을 이용한 TOC 측정장치의 구성을 나타낸 블럭도,
도 2은 본 발명 초음파 진동을 이용한 TOC 측정장치의 정면 구성도,
도 3은 본 발명 초음파 진동을 이용한 TOC 측정장치에 따른 산화부의 단면도,
도 4는 도 3에 도시된 산화부에서 튜브를 분리한 상태를 나타낸 단면도,
도 5는 본 발명 초음파 진동을 이용한 TOC 측정방법의 순서도이고,
도 6 내지 도 10은 본 발명 초음파 진동을 이용한 TOC 측정방법에 따른 공정별 작용도이다.

설명에 앞서, 여러 실시예에 있어서, 동일한 구성을 가지는 구성요소에 대해서는 동일한 부호를 사용하여 대표적으로 제1실시예에서 설명하고, 그 외의 실시예에서는 제1실시예와 다른 구성에 대해서 설명하기로 한다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 제1실시예에 따른 초음파 진동을 이용한 TOC 측정장치에 대하여 상세하게 설명한다.

첨부도면 중, 도 1은 본 발명 초음파 진동을 이용한 TOC 측정장치의 구성을 나타낸 블럭도, 도 2은 본 발명 초음파 진동을 이용한 TOC 측정장치의정면 구성도이고, 도 3은 본 발명 초음파 진동을 이용한 TOC 측정장치에 따른 산화부의 단면도이고, 도 4는 도 3에 도시된 산화부에서 튜브를 분리한 상태를 나타낸 단면도이다.

상기 도면에 도시된 바와 같은 본 발명 초음파 진동을 이용한 TOC 측정장치는 베셀(110), 시료 공급부(120), 용액 공급부(130), 에어 공급부(140), 초음파 균질부(150), 이송부(160), 산화부(170), 냉각부(180) 및 검출부(190)를 포함한다.

상기 베셀(110)은 내부에 액상 시료의 처리가 가능한 공간이 마련된 것으로, 상측이 개방된 용기 형태로 이루어지고, 측면 및 하부에는 시료 주입구, 용액 주입구, 에어 주입구, 드레인 배출구 및 오버플로우 배출구가 형성된다. 이러한 베셀(110)은 시료의 오염을 방지하는 동시에 작동 상태를 시각적으로 확인할 수 있도록 투명한 유리 재질로 이루어지는 것이 바람직하다.

상기 시료 공급부(120)는 검사 대상이 되는 액상 시료를 저장하는 시료 탱크(121), 상기 시료 탱크(121)와 베셀(110)의 시료 주입구를 연결하는 제1배관(122), 상기 제1배관(122) 상에 배치되는 제1펌프(123)를 포함한다.

아울러, 상기 시료 공급부(120)는 다양한 종류의 시료를 공급할 수 있도록 복수의 시료 탱크(121), 각각의 시료 탱크(121)와 상기 제1배관(122)을 연결하는 분기관, 상기 분기관을 개폐하는 밸브를 포함할 수 있다. 또한, 상기 제1배관(122) 및 베셀(110)의 세정을 위해 상기 복수의 시료 탱크(121) 중 어느 하나에는 세정액이 저장될 수 있다.

상기 용액 공급부(130)는 염산과 같이 액상 시료의 수소 이온 농도를 낮출 수 있는 산성 용액을 저장하는 용액 탱크(131), 상기 용액 탱크(131)와 베셀(110)의 용액 주입구를 연결하는 제2배관(132), 상기 제2배관(132) 상에 배치되는 제2펌프(133)를 포함한다. 한편, 본 실시예에서는 염산을 이용하여 액상 시료의 수소 이온 농도를 낮추는 것으로 설명하였으나 이에 한정하는 것은 아니며, 필요에 따라 인산, 황산 등을 이용하는 것도 가능할 것이다.

상기 에어 공급부(140)는 액상 시료 중의 무기탄소를 제거하기 위해 상기 베셀(110) 내부의 액상 시료에 탄소 성분을 포함하지 않는 에어를 주입하는 것으로서, 외기를 도입할 수 있는 제3펌프(142), 상기 제3펌프(142)와 상기 베셀(110)의 에어 주입구를 연결하는 제3배관(141) 및 도입된 외기 중에 포함된 이산화탄소를 제거하도록 상기 제3배관(141) 상에 배치되는 이산화탄소 필터(143)를 포함할 수 있다. 한편, 본 실시예에서는 상기 에어 공급부(140)가 제3배관(141)을 통해 외기를 도입하는 것으로 예를 들어 설명하였으나, 탄소 성분을 포함하지 않는 에어로서 산소를 공급하기 위해 상기 제3배관(141)에 산소 탱크 또는 산소 발생기를 연결하는 것도 가능하다. 아울러, 상기 에어 공급부(140)는 산소 이외에도 필요에 따라 질소와 같이 총유기탄소 측정에 영향을 끼치지 않는 성분의 에어를 공급하도록 구성될 수 있다.

또한, 상기 에어 공급부(140)에서 제공되는 에어의 유량은 MFC(Mass Flaw Controller)에 의해 제어될 수 있다. 예컨대, 상기 MFC는 TOC 검출 과정에서는 노멀한 유속으로 에어를 공급하고, 세정 과정에서는 상대적으로 빠른 유속으로 에어를 공급하도록 제어될 수 있다.

상기 초음파 균질부(150)는 상기 베셀(110) 내부로 주입된 액상 시료중의 부유물질의 분쇄 및 균질화를 수행하는 것으로서, 초음파 전기신호를 발생시키는 발진기(151) 및 상기 전기신호를 초음파로 변환시키는 진동프로브(152)를 포함하며, 상기 진동프로브(152)는 상기 베셀(110)의 상측 개구를 통해 상기 베셀(110)의 내부로 삽입 배치된다. 이러한 초음파 균질부(150)는 액상 시료 내에 포함된 부유물질을 분쇄하고 균질화 함으로써, 응집 및 침전 현상으로 인한 TOC 측정의 정확성 및 재현성의 저하를 방지하여 TOC 검사 신뢰도를 향상시킬 수 있다.

액상 시료 중의 무기탄소는 중탄산 이온, 탄산 이온, 이산화탄소 등으로 존재하게 되며, 중탄산 이온 및 탄산 이온과 같은 무기탄소는 유기탄소 측정에 방해 물질로 작용하게 되므로, 총유기탄소 측정을 위해서는 방해물질인 무기탄소를 반드시 제거해야 한다. 즉, 무기탄소 제거를 위해 액상 시료에 산성 용액을 공급하여 수소 이온 농도(pH)를 2이하로 낮추면 액상 시료 중의 중탄산 이온, 탄산 이온은 이산화탄소 분자로 변하게 되며, 이러한 상태에서 액상 시료를 에어레이션하면 이산화탄소 분자가 전부 대기중으로 제거되어 액상 시료에는 유기탄소 물질만 잔류하게 된다.

특히, 상기 초음파 균질부(150)는 에어 공급부(140)에 의한 에어레이션(aeration)과 동시에 액상 시료를 진동시키므로 에어레이션 과정에서 액상 시료 내에 생성된 기포를 미세화시킬 수 있으며, 이를 통해 탄소 성분을 포함하지 않는 에어와 액상 시료의 접촉 면적을 극대화시켜 무기탄소의 제거를 촉진할 수 있다. 이와 같이 무기탄소의 제거를 촉진하면 TOC 측정을 위한 액상 시료의 무기탄소 제거에 소요되는 시간을 단축할 수 있다.

또한, 상기 초음파 균질부(150)는 베셀(110) 내부로 세정액을 주입하여 베셀(110)을 세정하는 과정에서도 구동하여 베셀(110)의 세정 효과를 향상시킬 수 있다.

상기 이송부(160)는 상기 베셀(110) 내에 저장된 무기탄소가 제거된 액상 시료를 산화부(170)로 이송하기 위한 것으로서, 액상 시료를 흡입하거나 배출할 수 있는 시린지(161), 상기 시린지(161)를 베셀(110)과 산화부(170) 사이에서 이동시킬 수 있는 구동부(162)를 포함한다.

상기 시린지(161)는 튜브 형태로 이루어짐에 따라 정밀한 시료의 주입 제어가 가능하고, 상기 구동부(162)는 상기 베셀(110)의 상부영역과 상기 산화부(170)의 상부영역 사이에서 상기 시린지(161)를 왕복 이동시키거나, 상기 베셀(110)과 산화부(170)의 상부영역에서 상기 시린지(161)를 각각 상하로 이동시킬 수 있는 다축 로봇암으로 이루어질 수 있다. 이러한 시린지(161)는 고온의 산화부(170) 내에 직접 삽입되는 것이므로 스테인레스와 같은 내열성 재질로 이루어지는 것이 바람직하다.

상기와 같이 구동부(162)가 다축 로봇암으로 이루어지는 경우 정밀한 컨트롤이 가능한 것은 물론 심플한 시스템 구성이 가능하다. 특히, 상기 베셀(110)과 산화부(170) 사이에서 시린지(161)를 최적의 이동 경로로 이동시킬 수 있어 시료의 이동 시간을 최소화할 수 있을 뿐만 아니라, 시린지(161)의 말단부를 산화부(170)의 연소로(171), 구체적으로 튜브(172)의 길이방향 중심부까지 용이하게 삽입할 수 있어 시료가 일정한 온도에서 산화되도록 할 수 있다.

상기 산화부(170)는 상기 이송부(160)에 의해 이송된 액상 시료를 무촉매 열연소 산화 방식으로 산화시킬 수 있는 것으로서, 연소로(171), 상기 연소로(171) 내에 세로 방향으로 배치되고 상단에는 상기 시린지(161)가 삽입될 수 있는 유입구(I)가 형성되고 하단에는 산화가스가 배출될 수 있는 유출구(O)가 형성된 튜브(172), 상기 튜브(172)의 외측에 배치되고 상기 튜브(172)의 내부 온도가 대략 1,200±22℃로 유지될 수 있도록 발열 제어되는 히터(173) 및 상기 튜브(172) 내에 배치되는 세라믹 볼(174)을 포함한다.

가열된 세라믹 볼(174)에 액상 시료를 제공하여 액상 시료에 포함된 탄소 성분을 이산화탄소로 변환시키는 무촉매 열연소 산화 방식은 유기물의 종류와 농도에 상관없이 일정한 산화력의 확보가 가능하고, 고가의 백금 촉매 대신 저렴한 세라믹 볼(174)을 이용하므로 유지비용이 적게 들고, 독성물질인 백금 촉매를 사용하지 않으므로 2차 오염물질을 발생시키지 않을 수 있는 장점이 있다.

한편, 상기 유입구(I)는 별도의 밸브에 의해 개폐될 수 있으며, 상기 밸브는 시린지(161)의 삽입을 위해 유입구(I)를 개방하거나, 시린지(161)의 이탈 이후 유입구(I)를 폐쇄하도록 제어될 수 있다.

본 실시예에서 상기 튜브(172)는 연소로(171) 내에 세로 방향으로 고정되는 제1튜브(172a), 상기 세라믹 볼(174)을 지지하기 위한 세라믹 시브(sieve, 175)가 내부에 마련되고 상기 제1튜브(172a) 내에 배치되는 제2튜브(172b)를 포함할 수 있다.

또한, 상기 제2튜브(172b)는 상기 시브(175)의 고정을 위해 제1단위튜브와 제2단위튜브로 분할될 수 있으며, 상기 제1단위튜브와 제2단위튜브 사이에 시브(175)를 위치시킨 상태로 고정함으로써 상기 시브(175)와 일체화될 수 있다.

여기서, 상기 제1튜브(172a)와 제2튜브(172b)는 각각 세라믹 재질로 이루어지고, 상기 제1튜브(172a)는 연소로(171) 내에 고정되고, 상기 제2튜브(172b)는 상기 제1튜브(172a)의 하부 개구를 통해 탈착 가능하게 조립되도록 구성된다.

구체적으로, 상기 연소로(171)의 하단에는 제1캡(176a)이 마련되고, 상기 제2튜브(172b)의 하단을 지지하는 제2캡(176b)은 상기 제1캡(176a)에 마련된 출입공에 나사결합과 같은 방식으로 결합될 수 있다.

이에 따라, 도 4와 같이 상기 제1캡(176a)으로부터 제2캡(176b)을 분리하면 상기 제1튜브(172a)의 내에 삽입된 제2튜브(172b)를 제1캡(176a)의 출입공을 통해 인출할 수 있다. 이후 새로운 세라믹 볼(174)이 수용된 제2튜브(172b)를 제1캡(176a)의 출입공을 통해 제1튜브(172a) 내측으로 삽입한 다음 제2캡(176b)을 제1캡(176a)의 출입공에 조립하는 방식으로 소모품인 제2튜브(172b) 및 세라믹 볼(174)을 쉽게 교환할 수 있다.

종래의 측정장치는 세라믹 튜브 및 세라믹 볼의 교환이 연소로의 상측 공간에서 이루어지도록 구성됨에 따라 교환 작업시 상승 열기로 인해 작업이 어려울 뿐만 아니라 사고의 위험이 높다.

반면, 본 실시예의 산화부(170)는 세라믹 볼(174)을 수용하고 있는 제2튜브(172b)를 제1튜브(172a)의 하단 개구를 통해 교환할 수 있으므로, 소모품인 제2튜브(172b) 및 세라믹 볼(174)의 교환이 용이하다. 특히, 교환 작업이 연소로(171)의 하부 공간에서 이루어짐에 따라 상승 열기를 피해 교환 작업을 수행할 수 있어 작업 안전성을 개선할 수 있다.

상기 냉각부(180)는 상기 산화부(170)에서 배출되는 가스를 냉각시키고, 이 과정에서 발생하는 응축수는 수집하거나 배출하여 가스 중의 수분을 제거한다. 이러한 냉각부(180)는 가스 냉각 수단으로서 펠티에(Peltier) 소자를 이용할 수 있으나 이에 제한하는 것은 아니다.

상기 검출부(190)는 상기 산화부(170)의 액상 시료의 연소과정에서 유기탄소의 산화에 의해 발생된 이산화탄소를 비분산적외선(Non Dispersive Infra Red, NDIR) 검출기를 통해서 검출하여 총유기탄소를 산출하는 것으로서, 측정농도 범위가 서로 다른 복수의 채널을 구비하고, 농도에 따라 자동으로 채널이 변경되도록 함으로써, 저농도 시료 측정의 정확도를 향상시킬 수 있는 것은 물론 고농도 시료의 측정도 가능하다.

한편, 상기 냉각부(180)에서 냉각된 산화가스는 기액분리장치를 통과시켜 액체와 가스를 분리하고 드라이어를 통과시켜 산화가스에 함유된 수분을 제거한 다음, 스크러버를 통과시켜 할로겐 물질(플루오린, 염소, 브롬, 아이오딘, 이스타틴, 테네신 등)을 제거한 상태로 검출부(190)로 제공될 수 있다. 할로겐 물질은 비분산적외선 방식의 검출부(190)의 측정 감도를 낮추므로 제거하는 것이 바람직하다.

한편, 도면에는 도시하지 않았으나 총유기탄소 측정값과 장치의 제어상태를 표시하기 위한 디스플레이부가 장치 전면에 마련될 수 있다.

아울러, 본 실시예에서는 무촉매 열연소 산화 방식을 이용해 액상 시료를 산화시키는 것으로 예를 들어 설명하였으나, 필요에 따라 자외선 산화 방식, 오존 산화 방식, 초임계 산화 방식 등이 이용되는 것도 가능할 것이다.

다음으로 본 발명에 따른 초음파 진동을 이용한 TOC 측정방법에 대하여 설명한다.

첨부도면 중 도 5는 본 발명 초음파 진동을 이용한 TOC 측정방법의 순서도이고, 도 6 내지 도 10은 본 발명 초음파 진동을 이용한 TOC 측정방법에 따른 공정별 작용도이다.

상기 도면에 도시된 바와 같은 본 발명 초음파 진동을 이용한 TOC 측정방법은 시료 공급단계(S110), 산성 용액 공급단계(S120), 에어 공급단계(S130), 초음파 균질화 단계(S140), 시료 이송단계(S150), 시료 산화단계(S160), 산화가스 냉각단계(S170), 수분 및 할로겐 제거단계(S180) 및 총유기탄소 측정단계(S190)를 포함한다.

상기 시료 공급단계(S110)에서는 도 6과 같이 시료 공급부(120)의 제1펌프(123)를 구동시켜 시료 탱크(121)에 저장된 액상 시료를 제1배관(122)을 통해 베셀(110) 내부로 일정량 공급한다.

한편, 검사 정확도를 향상시키기 위해 상기 베셀(110) 내에 시료를 공급하고 이를 베셀(110)의 드레인 배출구를 통해 배출하는 과정을 2~3회 반복하는 것이 바람직하다.

상기 용액 공급단계(S120)에서는 도 7과 같이 용액 공급부(130)의 제2펌프(133)를 구동시켜 용액 탱크(131)에 저장된 산성 용액을 제2배관(132)을 통해 베셀(110) 내부로 일정량 공급함으로써, 상기 베셀(110) 내에 저장된 액상 시료의 수소 이온 농도를 낮춘다.

이어, 상기 에어 공급단계(S130)에서는 도 8과 같이 에어 공급부(140)의 제3펌프(142)를 구동시켜 제3배관(141)을 통해 에어를 도입하고, 이를 베셀(110) 내에 저장된 액상 시료에 공급하여 에어레이션 함으로써 액상 시료중의 무기탄소를 제거할 수 있다.

상기 초음파 균질화 단계(S140)에서는 도 8과 같이 발진기(151)를 구동시켜 베셀(110) 내에 저장된 액상 시료와 접촉하고 있는 진동프로브(152)를 대략 20~40kHz로 진동시킴으로써 액상 시료중의 부유물질을 분쇄하는 동시에 분산시켜 액상 시료를 균질화할 수 있다.

특히, 상기 초음파 균질화 단계(S140)는 상기 에어 공급단계(S130)와 동시에 수행함에 따라 상기 에어 공급단계(S130)를 통해 액상 시료에 제공되는 기포를 미세화할 수 있으며, 이로 인해 에어와 액상 시료의 접촉 면적을 극대화시켜 무기탄소의 제거를 촉진할 수 있으므로 액상 시료의 무기탄소 제거에 소요되는 시간을 단축할 수 있다.

상기 이송단계(S150)에서는 도 9의 (a)와 같이 구동부(162)를 이용해 시린지(161)를 베셀(110)의 상부영역으로 이동시킨 다음 하강시켜 시린지(161) 내부로 일정량의 액상 시료를 흡입한 다음 다시 상승시킨다. 이어 도 9의 (b)와 같이 구동부(162)를 이용해 시린지(161)를 산화부(170)의 상부영역으로 이동시킨 다음 하강시켜 시린지(161) 하단 개구를 연소로(171)의 길이방향 중심부에 위치시킨 다음 액상 시료를 배출하고, 액상 시료의 산화가 완료된 이후 시린지(161)를 다시 상승시킨다.

이와 같은 시린지(161)를 이용한 시료 이송 방식은 베셀(110)과 산화부(170) 사이의 시료 이송 과정에서 밸브와 같은 배관 연결 구조를 배제할 수 있으므로 유로 내에 누적되는 유기물 찌꺼기에 의해 유로가 막히거나 시료가 오염되는 것을 사전에 방지할 수 있다.

상기 산화단계(S160)에서는 도 10과 같이 연소로(171)의 길이방향 중심부에서 배출된 액상 시료를 대략 1,200±22℃로 가열된 세라믹 볼(174, 도 3참조)과 접촉시켜 액상 시료 중에 포함된 유기탄소를 산화시키고 이를 통해 이산화탄소(CO₂)가 포함된 산화가스를 제공한다.

상기와 같이 산화부(170) 내에서 생성된 이산화탄소를 포함하는 산화가스는 상기 에어 공급부(140)의 제3배관(141)으로부터 분기된 분기관(141')을 통해 상기 튜브(172)의 상부 유입구로 제공되는 탄소 성분을 포함하지 않는 에어의 공급 압력에 의해 연소로(171)의 하부 배출구로 배출되며, 상기 에어 공급부(140)로부터 제공되는 에어의 공급압력은 MFC(Mass Flaw Controller)에 의해 제어될 수 있다.

상기 냉각단계(S170)에서는 펠티에(Peltier) 소자로 이루어진 냉각부(180)를 이용해 상기 산화부(170)에서 배출되는 산화가스를 냉각시키고, 냉각 과정에서 산화가스 중에 포함된 수분을 제거한다.

상기 수분 및 할로겐 제거단계(S180)에서는 기액분리장치(미도시)와 드라이어(미도시)를 이용해 산화가스 중의 수분을 제거한 다음, 스크러버(미도시)를 이용해 산화가스 중에 포함된 할로겐 물질을 제거한다. 비분산적외선 검출기에 염소 이온 등의 할로겐 물질이 유입될 경우 비분산적외선 검출기의 측정 감도가 낮아질 수 있으므로, 산화가스를 검출부(190)에 공급하기에 앞서 할로겐 물질을 제거하는 것이 바람직하다.

이어, 상기 총유기탄소 측정단계(S190)에서는 상기 산화부(170)에서 배출되고 냉각부(180)에서 냉각된 산화가스 중의 이산화탄소를 비분산적외선(Non Dispersive Infra Red, NDIR) 검출기를 통해서 검출하여 총유기탄소로 산출한다.

한편, 상기와 같은 일련의 측정과정이 종료된 이후에는 세정액을 이용해 제1배관(122), 제1펌프(123) 및 베셀(110)을 세정하는 단계와, 상기 시린지(161)를 세정하는 단계를 수행할 수 있으며, 상기 베셀(110)을 세정하는 단계에서는 초음파 균질부(150)를 작동시켜 베셀(110)의 세정 효과를 향상시키는 동시에 세정 시간을 단축시킬 수 있다.

또한, 에어 공급부(140)를 통해 제공되는 탄소 성분을 포함하지 않는 에어를 산화부(170)로 통과시키는 단계를 수행하여 산화부(170)의 튜브(172) 내에 잔존하는 산화가스를 완전히 배출시킴으로써 총유기탄소 측정 정확도를 더욱 향상시킬 수 있다.

본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되는 것이 아니라 첨부된 특허청구범위 내에서 다양한 형태의 실시예로 구현될 수 있다. 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 변형 가능한 다양한 범위까지 본 발명의 청구범위 기재의 범위 내에 있는 것으로 본다.

110:베셀, 120:시료 공급부, 121:시료 탱크,
122:제1배관, 123:제1펌프, 130:용액 공급부,
131:용액 탱크, 132:제2배관, 133:제2펌프,
140:에어 공급부, 141:제3배관, 142:제3펌프,
143:이산화탄소 필터, 150:초음파 균질부, 151:발진기,
152:진동프로브, 160:이송부, 161:시린지,
162:구동부, 170:산화부, 171:연소로,
172:튜브, 172a:제1튜브, 172b:제2튜브,
173:히터, 174:세라믹 볼, 175:시브
176a:제1캡, 176b:제2캡, 180:냉각부,
190:검출부

Claims

내부에 액상 시료의 처리가 가능한 공간이 마련된 베셀;
상기 베셀 내부로 액상 시료를 공급하는 시료 공급부;
베셀 내부에 저장된 액상 시료의 수소 이온 농도를 낮추기 위한 산성 용액을 공급하는 용액 공급부;
상기 베셀 내부로 탄소 성분을 포함하지 않는 에어를 공급하여 에어레이션함으로써 액상 시료중의 무기탄소를 제거하는 에어 공급부;
초음파를 이용해 상기 베셀 내부로 주입된 액상 시료중의 부유물질을 분쇄하는 초음파 균질부;
상기 베셀에서 처리된 액상 시료를 이송하는 이송부;
상기 베셀에서 처리되고 상기 이송부에 의해 이송된 액상 시료를 산화시켜 이산화탄소를 발생시키는 산화부; 및
상기 산화부에서 발생된 이산화탄소를 검출하여 총유기탄소를 측정하는 검출부;를 포함하고,
상기 산화부는 무촉매 열연소 산화 방식을 기반으로 상기 이송부에 의해 이송된 액상 시료를 연소시켜 이산화탄소 가스를 발생시키도록, 연소로, 상기 연소로 내에 세로로 배치되고 상단에 유입구가 형성되고 하단에 유출구가 형성된 튜브, 상기 튜브를 가열하는 히터 및 상기 튜브 내에 배치되는 세라믹 볼을 포함하는 초음파 진동을 이용한 TOC 측정장치.
제 1항에 있어서,
상기 초음파 균질부는 상기 에어 공급부와 함께 구동하여 액상 시료 내에 생성되는 기포를 미세화시키는 초음파 진동을 이용한 TOC 측정장치.
제 2항에 있어서,
상기 초음파 균질부는 초음파 전기신호를 발생시키는 발진기 및 상기 전기신호를 초음파로 변환시키는 진동프로브를 포함하는 초음파 진동을 이용한 TOC 측정장치.
삭제
제 1항에 있어서,
상기 이송부는 액상 시료를 흡입하거나 배출할 수 있는 시린지 및 상기 시린지를 베셀과 산화부 사이에서 이동시킬 수 있는 구동부를 포함하고, 상기 구동부는 상기 베셀의 상부영역과 상기 산화부의 상부영역 사이에서 상기 시린지를 이동시키거나, 상기 베셀과 산화부의 상부영역에서 상기 시린지를 각각 상하로 이동시킬 수 있도록 구성되는 초음파 진동을 이용한 TOC 측정장치.
제 5항에 있어서,
상기 구동부는 다축 로봇암으로 이루어지는 초음파 진동을 이용한 TOC 측정장치.
삭제
삭제
제 1항에 있어서,
상기 튜브는 상기 연소로 내에 고정되는 제1튜브, 내부에 상기 세라믹 볼을 수용한 상태로 상기 제1튜브의 내에 배치되는 제2튜브를 포함하고, 상기 제2튜브는 상기 제1튜브의 하단 개구를 통해 탈착 가능하게 조립되는 초음파 진동을 이용한 TOC 측정장치.
제 9항에 있어서,
상기 제2튜브의 내측에는 세라믹 볼을 지지하기 위한 시브(sieve)가 배치되는 초음파 진동을 이용한 TOC 측정장치.
일정량의 액상 시료를 베셀에 주입하는 시료 공급단계;
상기 베셀에 상기 액상 시료의 수소 이온 농도를 낮추기 위한 산성 용액을 공급하는 용액 공급단계;
상기 베셀에 저장된 액상 시료를 에어레이션 함으로써 액상 시료중의 무기탄소를 제거하는 에어 공급단계;
상기 베셀에 저장된 액상 시료를 초음파로 진동시켜 액상 시료중의 부유물질을 분쇄하는 초음파 균질화 단계;
상기 베셀에서 처리된 액상 시료를 산화시켜 이산화탄소가 포함된 산화가스를 제공하는 산화단계; 및
상기 산화단계에서 제공된 산화가스 중의 이산화탄소를 검출하여 총유기탄소를 측정하는 총유기탄소 측정단계;를 포함하고,
상기 에어 공급단계와 초음파 균질화 단계는 동시에 수행되는 초음파 진동을 이용한 TOC 측정방법.
삭제
제 11항에 있어서,
상기 산화단계는 무촉매 열연소 산화 방식을 기반으로 연소로 내에서 액상 시료를 연소시켜 이산화탄소가 포함된 산화가스를 발생시키는 초음파 진동을 이용한 TOC 측정방법.
제 13항에 있어서,
시린지를 이용해 상기 베셀 내에서 처리된 액상 시료를 산화부로 이송하는 이송단계;를 포함하고,
상기 이송단계에서는 상기 시린지의 하단 개구가 상기 연소로의 길이방향 중심부에 위치하도록 위치제어되는 초음파 진동을 이용한 TOC 측정방법.