KR102456784B1 - 샘플가스의 지구 온난화 지수 산정을 위한 대기 중 수명 측정 시스템 - Google Patents

샘플가스의 지구 온난화 지수 산정을 위한 대기 중 수명 측정 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 질소가스(101)와 기준 물질인 pyrrole 가스(102)를 혼합하여, 샘플가스(105)를 실험자가 설정한 농도로 희석하여, 희석된 pyrrole 가스(104)를 제조한 후 유리반응기(114)에 주입하여 유량을 조절하는 MFC(103);
측정하려는 샘플가스(105)를 질소가스로 희석하여 유리반응기(114)에 주입하는 희석장치(106);
수증기(111)를 발생시켜 유리반응기(114)에 주입하는 H2O 버블 발생기(110);
상기 수증기(111)를 광분해하여 OH 라디칼(113)을 생성하는 UV-lamp(112);
발생한 OH 라디칼(113)과 주입된 가스들이 반응하는 유리반응기(114); 및
유리반응기(114)의 반응 후 잔여 pyrrole 가스(115)의 질량비를 측정하는 PTR-TOF-MS(116);를 포함하는 대기 중 수명 측정 시스템(100)에 관한 것이다.

Description

샘플가스의 지구 온난화 지수 산정을 위한 대기 중 수명 측정 시스템{ATMOSPHERIC LIFETIMES MEASUREMENT SYSTEM FOR CALCULATING GLOBAL WARMING POTENTIAL OF SAMPLE GAS}
본 발명은 샘플가스의 지구온난화지수 산정을 위한 대기 중 수명 측정 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 OH 발생기를 통하여 생성된 OH와 샘플가스의 반응속도를 알기 위하여 pyrrole 가스의 농도를 PTR-TOF-MS 분석 장치를 통하여 측정하고, 측정된 농도를 C3H6의 OH 라디칼 반응속도상수 측정결과와 비교를 통하여 샘플가스의 OH 라디칼 상수를 상대적으로 산출하고 이를 적용하여 샘플가스의 대기 중 수명을 산정하는 시스템에 관한 것이다.
물질의 지구온난화지수(Global Warming Potential, GWP)를 산정하기 위하여 필수적으로 물질의 분자량과 복사강제력과 대기 중 수명 등의 인자가 필요하다.
그 중 대기 중 수명이란, 전환시간(Turnover time)이라고도 하며 미량 가스의 농도에 영향을 주는 과정 속도를 특성화한 여러 시간범위를 부르는 용어로, 대기에 있는 가스 상 화합물과 대기에서 제거되는 속도의 비율로 나타낸다 (IPCC, 2007).
대기 중 수명은 물질의 성질에 대한 확실성을 나타내는 지표이기 때문에 지구온난화지수(Global Warming Potential, GWP) 산정에 있어 중요한 고려 요소이다. 대기 중 수명이 짧은 경우, 해당 물질은 알려진 일련의 반응을 일으키며 그 효과가 특성화되어 있음을 나타내지만 대기 중 수명이 길 경우, 해당 물질이 알려지지 않은 다른 반응을 일으킬 수 있는 가능성이 크다는 것을 의미한다.
세계기상기구(World Meteorological Organization, WMO) 및 미국 국립표준기술연구소(National Institute of Standards and Technology, NIST)에서 일반적인 물질의 대기 중 수명 데이터를 참고할 수 있다. 하지만, 신규개발 물질 등 미지시료의 대기 중 수명 데이터를 확보할 수 없는 경우 문헌(Pinnock et al., 1995, Myhre et al., 2006)에서 제시한 기준물질인 CHCCl3(MCF)의 OH 라디칼 상수와 대기 중 수명을 적용하여 미지의 샘플가스의 OH 라디칼 상수 측정을 통한 대기 중 수명을 추정할 수 있다.
따라서 본 발명에 적용되는 미지의 샘플가스의 OH 라디칼 상수를 측정하는 원리는 측정하고자 하는 물질을 투입하여 pyrroler과 OH와의 반응을 방해하는 만큼의 pyrrole 가스의 농도 변화를 측정하여 pyrrole 대비 측정물질의 OH 라디칼 상수를 산정하는 방식이다 (Sinha, V., et al., 2008). 먼저 pyrrole과 OH 발생기를 통하여 생성된 OH- 및 기준물질인 프로펜(propene, C3H6)의 반응에 의한 pyrrole의 변화하는 농도 값 측정을 통하여 측정하고, 그 이후 pyrrole, OH 발생기를 통하여 생성된 OH- 및 샘플가스의 화학반응에 의한 pyrrole의 농도 변화를 재측정하여 샘플가스의 OH와의 반응속도를 C3H6의 반응속도와 비교를 통하여 샘플가스의 OH 라디칼 상수를 산정하는 방식을 적용한다.
다음은 종래 알려진 대기 중 수명 산출 식이다.
(식 a)
Figure 112020132184218-pat00001
상기 (식 a)에서 τlifeitme,R 은 물질 R에 대한 대기 중 수명(atmospheric lifetime)을 뜻하며, 이는 대기 중에 있는 질량(Tg)과 대기에서 제거되는 평균 속도(Tg/yr)의 비율로 단위는 시간(yr)이다. 기준 물질의 대기 중 수명인 τlifeitme,CH3CCl3 와 기준물질의 OH 라디칼 상수 kOH+CH3CCl3는 문헌 값을 통하여 알고 있는 값이다. kOH+R은 샘플가스의 OH 라디칼 상수다.
이러한 대기 중 수명을 측정하기 위하여, 종래에는 도 1에서와 같이 OH 라디칼 상수를 측정하기 위하여 Sinha, V., et al.에서 제시하고 있는 상대 농도 측정을 통하여 OH와의 반응 속도 측정한 후, 도 2에서와 같이 reactivity를 비교하여 대기 중 수명을 특정하였다.
하지만 이러한 산출방법은 그 측정방법이 어렵고 복잡하여 개선의 필요성이 있었다.
Pinnock et al., 1995, (Pinnock, S., et al., (1995), Radiative forcing of climate by hydrochlorofluorocarbons and hydrofluorocarbons, J. Geophys. Res., 100( D11), 23227~23238, doi:10.1029/95JD02323.) Myhre et al., 2006, (Myhre, G., et al., (2006), Line by line calculations of thermal infrared radiation representative for global condition: CFC 12 as an example, J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer, 97, 317~331, doi:10.1016/j.jqsrt.2005.04.015.) Sinha, V., et al., 2008 (Sinha, V., et al., (2008), The Comparative Reactivity Method a new tool to measure total OH Reactivity in ambient air, Atmos. Chem. Phys., 8, 2213~2227, https://doi.org/10.5194/acp-8-2213-2008.)
상기와 같이 대두되고 있는 지구온난화 문제를 해결하기 위해 기존 사용하고 있던 지구온난화지수가 높은 물질의 대체하기 위해 신규 물질의 개발이 이루어지고 있으나, 개발된 신규 물질의 대기 중 수명을 산정할 수 있는 측정기반의 시스템이 부재한 실정이다.
본 발명은 실시간 연속측정이 가능한 질량 분석 장비를 사용하여 농도를 측정하고 측정된 농도를 활용하여 신뢰성 높은 대기 중 수명을 산정할 수 있도록 구성된 시스템을 제공할 수 있음을 확인하여 본 발명을 완성하게 되었다.
따라서, 본 발명의 목적은, 샘플가스와 OH 라디칼과의 반응 전후 pyrrole의 농도를 측정하고 측정된 농도를 기준물질(C3H6)과 상대 비교하여 OH 라디칼 상수를 측정하고, 이를 이용하여 대기 중 수명을 산정할 수 있도록 구성된 시스템을 제공함으로 지구온난화 문제를 해결하는데 기여하는 것에 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은
질소가스(101)와 기준 물질인 pyrrole 가스(102)를 혼합하여, 샘플가스(105)를 실험자가 설정한 농도로 희석하여, 희석된 pyrrole 가스(104)를 제조한 후 유리반응기(114)에 주입하여 유량을 조절하는 MFC(103); 측정하려는 샘플가스(105)를 질소가스로 희석하여 유리반응기(114)에 주입하는 희석장치(106); 수증기(111)를 발생시켜 유리반응기(114)에 주입하는 H2O 버블 발생기(110); 상기 수증기(111)를 광분해하여 OH 라디칼(113)을 생성하는 UV-lamp(112); 발생한 OH 라디칼(113)과 주입된 가스들이 반응하는 유리반응기(114); 및 유리반응기(114)의 반응 후 잔여 pyrrole 가스(115)의 질량비를 측정하는 PTR-TOF-MS(116);를 포함하는 대기 중 수명 측정 시스템(100)을 제공한다.
본 발명의 복사강제력 산정 시스템은 PTR-TOF-MS에서 측정된 농도를 통해 도출된 샘플가스의 농도를 활용하여 샘플가스의 OH 라디칼 상수 산정을 통한 대기 중 수명의 산정이 가능하기 때문에 기존의 문헌 등을 통해 대기 중 수명을 확인할 수 없었던 신규 개발 물질에 활용할 수 있다.
도 1은 종래 기술에 따라 대기 중 수명을 측정하기 위한 기본 반응식을 나타낸 그래프이다.
도 2는 종래 기술에 따라 대기 중 수명을 측정하기 위하여 이론치와 측정치의reactivity 관계를 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명에 따른 대기 중 수명 측정 시스템의 일실시예를 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 대기 중 수명 측정 시스템
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 샘플가스의 대기 중 수명 산정 시스템을 나타낸 개략도이다.
도 3에서 도시한 바와 같이, 본 발명의 대기 중 수명 측정 시스템은 pyrrole 가스(102)와 광분해를 통해 얻은 OH 라디칼(113)이 유리반응기(114)에서 반응하고 남은 잔여 pyrrole 가스(115)가 PTR-TOF-MS(116) 측정 장치에 주입되어 하이드로늄 이온과 양성자 반응을 하여 양성화된 샘플가스 분자를 질량-전하비에 따라 분석한 질량비를 산정 툴(118)에 활용하여 OH 라디칼 반응성, OH 라디칼 반응속도상수 및 대기 중 수명을 측정하는 시스템이다.
상기 대기 중 수명 측정 시스템(100)은 도 3에서 도시한 바와 같이, 질소가스(101)와 pyrrole 가스(102)를 혼합하여, 샘플가스(105)를 실험자가 설정한 농도로 희석하여, 희석된 pyrrole 가스(104)를 제조한 후 유리반응기(114)에 주입하여 유량을 조절하는 MFC(103); 측정하려는 샘플가스(105)를 질소가스로 희석하여 유리반응기(114)에 주입하는 희석장치(106); 수증기(111)를 발생시켜 유리반응기(114)에 주입하는 H2O 버블 발생기(110); 상기 수증기(111)를 광분해하여 OH 라디칼(113)을 생성하는 UV-lamp(112); 발생한 OH 라디칼(113)과 주입된 가스들이 반응하는 유리반응기(114); 및 유리반응기(114)의 반응 후 잔여 pyrrole 가스(115)의 질량비를 측정하는 PTR-TOF-MS(116);를 포함하여 구성된다.
본 발명에 있어서, 샘플가스의 OH 라디칼 반응속도상수(ksample)를 도출하기 위하여 하기 식 1과 같이 표현할 수 있다.
[식 1]
Figure 112020132184218-pat00002
(상기 식 1의 OH 라디칼 반응성 (Rsample)의 산출에서 C1은 희석 pyrrole 가스의 유입농도이며, C2는 희석 pyrrole 가스와 OH 라디칼의 반응 후 잔여 pyrrole 가스 농도이며, C3는 희석 pyrrole 가스와 희석 샘플가스와 OH 라디칼의 반응 후 잔여 pyrrole 가스 농도이며, kp는 정해진 pyrrole 가스의 OH 라디칼 반응속도상수이다.)
이는 샘플가스의 초기 농도 [Cinitial]sample과 샘플가스의 OH 라디칼 반응속도상수의 곱과 같다는 원리를 이용하여 샘플가스의 ksample을 산정한다.)
본 발명에 있어서, 미지시료인 샘플가스와 기준시료인 C3H6의 OH 라디칼 반응속도를 상대비교를 통하여 샘플가스의 반응속도상수를 산출하고자 식 2와 같이 샘플가스의 OH 라디칼 반응성 산출 식을 표현할 수 있다.
[식 2]
Figure 112020132184218-pat00003
(상기 식 2에서 RC3H6는 기준시료인 C3H6가스의 OH 라디칼 반응성을 나타내며, 상기
Figure 112020132184218-pat00004
중 C1은 희석된 pyrrole 가스(104)의 농도이며, C2는 희석된 pyrrole 가스(104)와 OH 라디칼(113)의 반응 후 잔여 pyrrole 가스(115)의 농도이며, C3는 희석된 pyrrole 가스(104)와 희석 C3H6가스와 OH 라디칼(113)의 반응 후 잔여 pyrrole 가스(115)의 농도를 나타내고, 상기
Figure 112020132184218-pat00005
는 상기 식 1에서 도출한 값이다.)
즉,
Figure 112020132184218-pat00006
는 C3H6가스의 측정한 희석 pyrrole 농도 값을 사용하여 도출 값으로 여기서 나타나는 C3는 희석 C3H6가스와 희석 pyrrole 가스와 OH 라디칼과 반응한 후의 잔여 pyrrole 가스의 농도를 나타낸다. 즉,
Figure 112020132184218-pat00007
는 상기 식 1에서 도출한 값이며 상기의 식 2를 이용하여 샘플가스의 OH 라디칼 반응성을 산정할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 식 1과 2를 통하여 샘플가스의 반응속도상수 값을 산출하는 하기 식 3을 도출할 수 있다.
[식 3]
Figure 112020132184218-pat00008
(상기 식 3에서, kC3H6와 [Cinitial]C3H6와 [Cinitial]sample는 시료의 초기농도이고,
Figure 112020132184218-pat00009
와
Figure 112020132184218-pat00010
는 상기 식 1 및 식 2에서와 같다.)
식 3에서 알고자 하는 샘플가스의 OH 라디칼 반응속도상수는 ksample이며, kC3H6와 [Cinitial]C3H6와 [Cinitial]sample는 MFC를 통하여 측정된 값이고,
Figure 112020132184218-pat00011
와
Figure 112020132184218-pat00012
는 상기 식 1,2에서 언급한 바와 같이 PTR-TOF-Mass의 측정을 통하여 산출한 pyrrole의 농도 값이다. 즉, C3H6의 OH 라디칼 반응성과 샘플가스의 초기 주입 농도를 이용하여 샘플가스의 OH 라디칼 반응속도상수를 산정한다.
본 발명은, 상기 식 1 내지 식 3을 통하여 샘플가스의 OH 반응속도상수를 C3H6와 상대비교를 통하여 산출하는 것을 특징으로 하는, 샘플가스의 대기 중 수명 산정 시스템을 제공할 수 있다.
구체적으로, 상기 식 3을 통하여 산출한 물질의 OH 라디칼 반응속도상수를 하기 식 4에 적용하여 미지시료 물질의 대기 중 수명을 계산할 수 있다.
[식 4]
Figure 112020132184218-pat00013
(식 4에서 τlifeitme,R 은 물질 R에 대한 대기 중 수명(atmospheric lifetime)으로 알려진 기준 물질의 대기 중 수명인 τlifeitme,CH3CCl3 와 기준물질의 OH 라디칼 반응 속도 상수 kOH+CH3CCl3는 문헌 값과 상기 식 3에서 구한 샘플가스의 OH 라디칼 반응속도 상수(ksample 혹은 kOH+R)이다.)
상기 식 1 내지 식 4에 있어서, kC3H6, kOH+ch3ccl3 값 및 CH3CCl3의 대기 중 수명은 정해진 문헌값으로 각각 2.64E-13 cm3mol-1s-1, 5.99E-15 cm3mol-1s-1, 5.7 year의 값을 활용한다.
본 발명에 있어서, 측정 대상인 샘플가스의 대기 중 수명을 산출하기 위하여 반응속도상수 값을 알아야 하며, 이는 C3H6과 상대비교로 산출하므로 측정 시스템을 통하여 상기 식 2 중의
Figure 112020132184218-pat00014
값을 산출하기 위하여 필요한 C3H6가스의 C1, C2, C3 농도 값을 측정한다.
상기 C1은 희석 pyrrole 가스의 농도의 측정값이며, 이는 MFC를 사용하여 pyrrole 가스를 질소가스와 희석하여 유리반응기에 주입하고, H2O 버블 발생기를 통하여 수증기는 생성되나 UV-lamp를 작동하지 않으므로 OH 라디칼을 생성하지 않도록 하여 희석 pyrrole 가스만을 PTR-TOF-MS에 주입하여 측정하며, 이는 희석된 pyrrole의 농도 값으로 가장 높은 농도 값을 가진다.
상기 C2는 희석 pyrrole 가스가 OH 라디칼과 반응하고 난 후의 잔여 pyrrole 가스를 측정한 값으로, MFC를 통한 희석 pyrrole 가스를 생성하여 유리반응기에 주입하고, UV-lamp를 작동하여 유리반응기안에서 수증기가 광분해로 OH 라디칼로 분해되어 주입된 희석 pyrrole 가스와 반응한다. 잔여 pyrrole 가스를 PTR-TOF-MS로 농도를 측정하면 희석된 pyrrole 가스가 OH 라디칼과 반응이 된 나머지의 농도로 C1, C2, C3 중 가장 낮은 값을 가진다.
상기 C3은 희석 pyrrole 가스, 희석 C3H6가스가 OH 라디칼과 반응한 후의 잔여 pyrrole 가스 농도 값이다. 유리반응기로 MFC에 의해 희석된 pyrrole 가스, 희석장치로 희석 C3H6가스, H2O 버블 발생기에서 발생된 수증기가 주입되며, 유리반응기에 설치된 UV-lamp에 의하여 수증기가 광분해 되어 OH 라디칼이 생성되어 주입된 희석 pyrrole 가스와 희석 C3H6가스와 반응하게 되고, 반응 후 잔여 pyrrole 가스가 측정기기인 PTR-TOF-MS로 측정하여 기존 희석 pyrrole 가스와 반응하던 OH 라디칼이 주입된 희석 C3H6가스에 의하여 일부 반응하여 pyrrole가과 반응하는 OH 라디칼이 감소함에 따라 pyrrole의 농도가 C2보다 높아진 값을 측정한다. pyrrole 가스와 C3H6가스로 측정된 C1, C2, C3 값에 의하여 식 2 중의
Figure 112020132184218-pat00015
값을 산출한다.
미지의 시료인 샘플가스의 대기 중 수명을 산정하기 위하여 상기 수식 2를 통한 샘플가스의 OH 라디칼 반응속도상수를 산정하여야 하며, 이는 샘플가스의 C1, C2, C3의 농도를 C3H6가스와 동일한 방법으로 측정하고, 샘플가스의 C3 농도 측정에는 C3H6가스 대신 샘플가스를 투입하여 측정을 진행한다. 측정된 샘플가스의 C1, C2, C3의 값에 의하여 식 2 중의
Figure 112020132184218-pat00016
값을 산출하고 산출된 값들을 상기 식 2를 통하여 산출된 샘플가스의 OH 라디칼 반응속도상수 k sample 값과 알고 있는 기준 물질인 CHCCl3의 OH 라디칼 반응속도상수와 대기 중 수명 값을 사용하여 상기 식 3을 도출하여 샘플가스의 대기 중 수명을 산출한다.
본 발명에 있어서 pyrrole 가스를 농도분석의 기준이 되는 물질로 선정한 사유는 V.Sinha et al. 2008에서 제시한 바와 같이 PTR-TOR-MS의 검출 원리에 따라 양성자 친화도(209.2 kcalmol-1)가 물(165.2 kcalmol-1)보다 높고 질량 68 (C4H5NH+)에서 단편화 없이 신호가 관찰되기 때문이다. PTR-TOF-MS 내 질량 68에서 간섭할 수 있는 물질이 대기 중 없기에 간섭 없이 관찰이 용이하다는 장점이 있다.
측정 원리는 pyrrole과 OH 라디칼과의 반응에 의한 pyrrole의 농도 변화를 측정하고, 측정하고자 하는 물질을 투입하여 pyrrole과 OH와의 반응을 방해하는 만큼의 pyrrole의 농도변화를 측정함으로서 pyrrole 대비 측정물질의 OH 라디칼 반응속도상수를 산정하는 방식을 적용하였으며, 기준 물질의 C3H6의 반응속도상수 값과의 상대비교를 통하여 샘플가스의 반응속도상수 값을 산출하도록 상기 식 1 내지 식 3을 도출하였고, 산출된 반응속도 값을 통하여 샘플가스의 대기 중 수명을 산정하기 위하여 상기 식 4를 도출한 것이다.
본 발명의 산정 툴(118)은 컴퓨터(117)에 의하여 구동되며, 상기 컴퓨터(117)는 연속적으로 측정된 데이터를 모니터링 및 기록하도록 구성된다. 여기서, 산정 툴(118)은 상기 측정된 농도를 식 1 내지 4에 적용하여 샘플가스의 OH 라디칼 반응속도상수 및 대기 중 수명을 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 대기 중 수명 측정
하기와 같은 방법으로, 샘플가스의 대기 중 수명 산정을 위한 OH 라디칼 반응속도상수를 측정하였다.
1. 질소가스(101)로 배관을 모든 배관 및 장비를 퍼지시켜 측정하고자 하는 샘플가스 이외의 물질에 대한 영향은 배제시켰다.
2. 질소가스(101)와 pyrrole 가스(102)를 MFC(103)를 통하여 희석하였다.
3 희석된 pyrrole 가스(104)를 유리반응기(114)를 통하여 PTR-TOF-MS(116)로 주입하여 희석 pyrrole 가스(104)의 농도를 측정하여 상기 식 1의 C1에 해당하는 농도 값을 측정하였다.
4. H2O 버블 발생기(110)를 통하여 수증기(111)를 발생시켜 유리반응기(114)에 주입하고 UV-lamp(112)에 의해 수증기(111)를 광분해하여 OH 라디칼(113)을 생성하였고, OH 라디칼(113)과 MFC(103)에 의한 희석 pyrrole 가스(104)가 유리반응기(114)에서 반응하도록 하여 반응 후 잔여 pyrrole 가스(115)의 농도를 PTR-TOF-MS(116)에 주입하여 상기 식 1의 C2에 해당하는 농도 값을 측정하였다.
5. 측정하고자 하는 농도로 설정한 희석장치(106)에서 질소가스로 C3H6 (105)를 희석하여 유리반응기(114)에 주입하고 MFC(103)로 희석한 희석 pyrrole 가스(104)도 유리반응기(114)에 주입하여 그 안에서 생성된 OH 라디칼(113)과의 반응이 진행되어, 반응 후 잔여 pyrrole(115)가스가 PTR-TOF-MS(116)로 주입하여 상기 식 1의C3에 해당하는 농도 값을 측정하였다.
6. 샘플가스의 OH 라디칼 반응속도상수를 상대비교하기 위하여 상기 과정 3-4와 동일하게, 희석 pyrrole 가스(104)의 농도 값 C1과 희석 pyrrole 가스(104)와 OH 라디칼의 반응 후 잔여 pyrrole 가스(115)의 농도 C2 값을 측정한다.
7. C3H6가스를 사용하여 C3 농도 값을 측정한 과정 5와 유사하게, 희석장치(106)로 측정하고자 하는 샘플가스를 질소가스로 희석하여 희석 샘플가스(107)를 유리반응기(114)에 주입하고 MFC(103)로 희석 pyrrole 가스(104)도 유리반응기(114)에 주입하여 H2O 버블 발생기(110)와 UV-lamp(112)를 통해 생성된 OH 라디칼(113)과 반응시켰다. 반응 후 잔여 pyrrole 가스(115)의 농도를 측정하여 C3값을 산출하였다.
8. C3H6 및 샘플가스와의 반응성 경쟁에 의한 pyrrole 가스의 변화하는 측정된 농도 값을 [C1, C2, C3]C3H6 및 [C1, C2, C3]샘플가스를 컴퓨터(117)에 저장한 후, 산정 툴(118)을 활용하여 C3H6와의 상대비교를 통하여 샘플가스의 OH 라디칼 반응속도상수를 산출하였다.
9. 산정된 샘플가스의 OH 라디칼 반응속도상수와 알고 있는 문헌 값을 활용하는 산정 툴(118)을 통하여 샘플가스의 대기 중 수명을 산정하였다.
실험예: 실험 결과
가스 별 측정된 농도 데이터를 활용하여 상기 식 1 내지 식 3의 값을 사용하여 계산한 OH 라디칼 반응속도 상수를 아래 표 1에 나타냈다.
물질명 No. 측정값
C3H6
(기준물질)		 C1 (nmol/mol) 111.5581
C2 (nmol/mol) 63.8951
C3 (nmol/mol) 70.8430
Figure 112020132184218-pat00017
(nmol/mol)		 19.0970
CH3F
(샘플가스)		 C1 (nmol/mol) 112.6123
C2 (nmol/mol) 61.7604
C3 (nmol/mol) 64.4632
Figure 112020132184218-pat00018
(nmol/mol)		 0.0561
주입 CH3F 초기농도 (nmol/mol) 6.3214
OH 라디칼 측정 반응속도상수 (cm3mol-1s-1) 1.59E-14
측정값에 따른 대기 중 농도 (year) 2.14
상기 표 1에서와 같이, CH3F의 OH 라디칼 반응속도상수는 1.59E-14로 측정되었으며, SPARC Lifetimes Report (2013)에서 제시한 CH3F의 라디칼 반응속도 상수는 1.80E-14로 측정값과 차이가 크지 않음을 확인하였다, 또한, 대기 중 수명을 산정한 결과 측정에 의한 대기 중 수명은 2.14년으로 산정되었으며, IPCC의 AR5에 제시된 CH3F의 대기 중 수명은 2.6년으로 측정에 의한 대기 중 수명이 큰 편차 없이 정확하게 산정됨을 확인하였다.
100: 대기 중 수명 산정 시스템
101: pyrrole 희석용 질소가스
102: pyrrole 가스
103: MFC(Mass Flow Control, 유량조절장치)
104: 희석 pyrrole 가스
105: 샘플가스 혹은 C3H6
106: 샘플가스 혹은 C3H6 희석장치
107: 희석 샘플가스 혹은 희석 C3H6가스
108: 수증기 발생용 질소가스
109: MFC(Mass Flow Control, 유량조절장치)
110: H2O 버블 발생기
111: 수증기
112: UV-lamp
113: OH 라디칼
114: 유리 반응기
115: 잔여 샘플가스
116: PTR-TOF-MS(Proton Transfer Reaction Time-of-Flight Mass Spectrometry)
117: 컴퓨터
118: 산정 툴

Claims (5)

  1. 질소가스(101)와 기준 물질인 pyrrole 가스(102)를 혼합하여, 샘플가스(105)를 실험자가 설정한 농도로 희석하여, 희석된 pyrrole 가스(104)를 제조한 후 유리반응기(114)에 주입하여 유량을 조절하는 MFC(103);
    측정하려는 샘플가스(105)를 질소가스로 희석하여 유리반응기(114)에 주입하는 희석장치(106);
    수증기(111)를 발생시켜 유리반응기(114)에 주입하는 H2O 버블 발생기(110);
    상기 수증기(111)를 광분해하여 OH 라디칼(113)을 생성하는 UV-lamp(112);
    발생한 OH 라디칼(113)과 주입된 가스들이 반응하는 유리반응기(114); 및
    유리반응기(114)의 반응 후 잔여 pyrrole 가스(115)의 질량비를 측정하는 PTR-TOF-MS(116);를 포함하고,
    하기 식 2의 샘플가스의 OH 라디칼 반응성 산출식을 이용하여,
    미지시료인 샘플가스와 기준시료인 C3H6의 상대비교를 통하여 샘플가스의 반응속도상수를 산출하는 것을 특징으로 하는, 대기 중 수명 측정 시스템(100).
    [식 2]
    Figure 112022058372508-pat00030

    (상기 식 2에서 RC3H6는 기준시료인 C3H6가스의 OH 라디칼 반응성을 나타내며, 상기
    Figure 112022058372508-pat00031
    중 C1은 희석된 pyrrole 가스(104)의 농도이며, C2는 희석된 pyrrole 가스(104)와 OH 라디칼(113)의 반응 후 잔여 pyrrole 가스(115)의 농도이며, C3는 희석된 pyrrole 가스(104)와 희석 C3H6가스와 OH 라디칼(113)의 반응 후 잔여 pyrrole 가스(115)의 농도를 나타내고, 상기
    Figure 112022058372508-pat00032
    는 상기 식 1에서 도출한 값이다.)
  2. 제1항에 있어서,
    상기 샘플가스의 OH 라디칼 반응속도상수(ksample)를 하기 식 1에 의하여 계산하는 것을 특징으로 하는, 대기 중 수명 측정 시스템(100).
    [식 1]
    Figure 112020132184218-pat00019

    상기 식 1의 OH 라디칼 반응성 (Rsample)의 산출에서 C1은 기준물질의 희석 pyrrole 가스의 유입농도이며, C2는 희석 pyrrole 가스와 OH 라디칼의 반응 후 잔여 pyrrole 가스 농도이며, C3는 희석 pyrrole 가스와 희석 샘플가스와 OH 라디칼의 반응 후 잔여 pyrrole 가스 농도이며, kp는 정해진 pyrrole 가스의 OH 라디칼 반응속도상수이다.)
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 샘플가스의 OH 라디칼 반응속도상수 ksample는 하기 식 3에 의하여 계산되는 것을 특징으로 하는, 대기 중 수명 측정 시스템(100).
    [식 3]
    Figure 112020132184218-pat00023

    (상기 식 3에서, kC3H6와 [Cinitial]C3H6와 [Cinitial]sample는 시료의 초기농도이고,
    Figure 112020132184218-pat00024
    와
    Figure 112020132184218-pat00025
    는 상기 식 1 및 식 2에서와 같다.)
  5. 제1항에 있어서,
    상기 샘플가스의 대기 중 수명은 하기 식 4에 의하여 계산되는 것을 특징으로 하는, 대기 중 수명 측정 시스템(100).
    [식 4]

    Figure 112020132184218-pat00026

    (상기 식 4에서 τlifeitme,R 은 물질 R에 대한 대기 중 수명(atmospheric lifetime)이고, τlifeitme,CH3CCl3 는 기준 물질의 대기 중 수명이고, kOH+CH3CCl3는 기준물질의 OH 라디칼 반응 속도 상수이고, kOH+R(277))은 상기 식 3에서 구한 샘플가스의 OH 라디칼 반응속도 상수인 ksample이다.)
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