KR102540068B1 - Uv-vis 스펙트럼의 푸리에 변환 기법을 이용한 고농도 유기폐수 처리 실시간 모니터링 시스템 및 방법 - Google Patents
Uv-vis 스펙트럼의 푸리에 변환 기법을 이용한 고농도 유기폐수 처리 실시간 모니터링 시스템 및 방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 고농도 유기폐수로부터 수집된 샘플의 UV-VIS 스펙트럼을 푸리에 변환하여 추출된 푸리에 계수를 추출하며, 추출한 푸리에 계수를 모니터링 수질 지표로 활용하여 고농도 유기폐수를 모니터링할 수 있는 UV-VIS 스펙트럼의 푸리에 변환 기법을 이용한 고농도 유기폐수 처리 실시간 모니터링 시스템 및 방법에 관한 것으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 UV-VIS 스펙트럼의 푸리에 변환 기법을 이용한 고농도 유기폐수 처리 실시간 모니터링 시스템은, 고농도 유기폐수로부터 샘플을 수집하는 수집수단이 구비된 샘플 수집부; 상기 샘플 수집부가 수집한 샘플을 UV-VIS 분광기의 셀에 주입하는 주입부; 상기 UV-VIS 분광기에서 UV-VIS 스펙트럼을 출력하도록 상기 UV-VIS 분광기를 동작시키는 제어부; 상기 UV-VIS 분광기에서 출력되는 UV-VIS 스펙트럼을 푸리에 변환하여 복수개의 푸리에 계수를 추출하는 변환부; 상기 변환부에서 추출된 복수개의 푸리에 계수와 유기물 지표와 상관관계를 분석하여 상기 유기물 지표와 상관관계가 가장 높은 모니터링용 푸리에 계수를 판단하는 분석부; 및 상기 분석부로부터 판단된 모니터링용 푸리에 계수를 모니터링 수질 지표로 활용하여 상기 고농도 유기폐수를 모니터링하는 모니터링부;를 포함할 수 있다.
Description
본 발명은 고농도 유기폐수로부터 수집된 샘플의 UV-VIS 스펙트럼을 푸리에 변환하여 추출된 푸리에 계수를 추출하며, 추출한 푸리에 계수를 모니터링 수질 지표로 활용하여 고농도 유기폐수를 모니터링할 수 있는 UV-VIS 스펙트럼의 푸리에 변환 기법을 이용한 고농도 유기폐수 처리 실시간 모니터링 시스템 및 방법에 관한 것이다.
소화슬러지 탈리액 등 고농도 유기폐수를 처리하는 과정에서 고농도 유기폐수의 유기물질의 모니터링을 위해 수질 지표가 사용되는데, 주로 화학산소요구량(Chemical Oxygen Demand ;COD), 총유기탄소(total organic carbon; TOC), 유기성질소(Org-N) 등이 수질 지표로 사용되는 실정이다.
그러나 상기 수질 지표들을 이용한 종래의 수질분석방법은 분석 시간에 수시간을 요하며, 뿐만 아니라 수작업과 약품이 요구되는 등의 이유로 인해 고농도 유기폐수의 유기물질을 실시간으로 모니터링하기 어려운 문제점이 있었다.
상기 수질 지표들의 문제점을 개선하는 것이 가능한 실시간 모니터링 지표로는 UV 254, 자외선 투과율(UV transmittance ;UVT), 탁도 등이 있으며, 이 중에서 UV 254가 유기물질 모니터링의 가장 적합하나 단일 파장 및 분광장치의 특성상 노이즈가 나타나게 되어 모니터링의 정확도가 떨어지는 문제점이 있었다.
이에 따라, 일정 농도 이상의 유기폐수의 수질 인자를 안정적으로 감지하는 것이 가능한 실시간 모니터링 기술이 개발될 필요가 있다.
본 발명은 고농도 유기폐수를 실시간 모니터링하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 고농도 유기폐수로부터 수집된 샘플의 UV-VIS 스펙트럼을 푸리에 변환하여 추출된 복수개의 푸리에 계수 중 수질지표와 상관관계가 가장 높은 푸리에 계수를 모니터링 수질 지표로 활용하여 고농도 유기폐수를 모니터링할 수 있는 UV-VIS 스펙트럼의 푸리에 변환 기법을 이용한 고농도 유기폐수 처리 실시간 모니터링 시스템 및 방법을 제공함에 있다.
다만, 본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 UV-VIS 스펙트럼의 푸리에 변환 기법을 이용한 고농도 유기폐수 처리 실시간 모니터링 시스템은, 고농도 유기폐수로부터 샘플을 수집하는 수집수단이 구비된 샘플 수집부; 상기 샘플 수집부가 수집한 샘플을 UV-VIS 분광기의 셀에 주입하는 주입부; 상기 UV-VIS 분광기에서 UV-VIS 스펙트럼을 출력하도록 상기 UV-VIS 분광기를 동작시키는 제어부; 상기 UV-VIS 분광기에서 출력되는 UV-VIS 스펙트럼을 푸리에 변환하여 복수개의 푸리에 계수를 추출하는 변환부; 상기 변환부에서 추출된 복수개의 푸리에 계수와 유기물 지표와 상관관계를 분석하여 상기 유기물 지표와 상관관계가 가장 높은 모니터링용 푸리에 계수를 추출하는 분석부; 및 상기 분석부로부터 판단된 모니터링용 푸리에 계수를 모니터링 수질 지표로 활용하여 상기 고농도 유기폐수를 모니터링하는 모니터링부;를 포함할 수 있다.
상기 UV-VIS 스펙트럼의 푸리에 변환 기법을 이용한 고농도 유기폐수 처리 실시간 모니터링 시스템에 의해 수행되는 본 발명의 일 실시예에 따른 UV-VIS 스펙트럼의 푸리에 변환 기법을 이용한 고농도 유기폐수 처리 실시간 모니터링 방법은, a) 샘플 수집부가 수집수단을 통해 고농도 유기폐수로부터 샘플을 수집하는 단계; b) 주입부가 상기 샘플 수집부가 수집한 샘플을 UV-VIS 분광기의 셀에 주입하는 단계; c) 제어부가 상기 UV-VIS 분광기에서 UV-VIS 스펙트럼을 출력하도록 상기 UV-VIS 분광기를 동작시키는 단계; d) 상기 상기 UV-VIS 분광기가 UV-VIS 스펙트럼을 출력하는 단계; e) 변환부가 상기 UV-VIS 분광기에서 출력되는 UV-VIS 스펙트럼을 푸리에 변환하여 복수개의 푸리에 계수를 추출하는 단계; f) 분석부가 상기 변환부에서 추출된 복수개의 푸리에 계수와 유기물 지표와 상관관계를 분석하여 상기 유기물 지표와 상관관계가 가장 높은 모니터링용 푸리에 계수를 추출하는 단계; 및 g) 모니터링부가 상기 분석부로부터 판단된 모니터링용 푸리에 계수를 모니터링 수질 지표로 활용하여 상기 고농도 유기폐수를 모니터링하는 단계;를 포함할 수 있다.
본 발명은 각 장치가 자동으로 동작되어 수작업으로 진행되던 종래의 수질분석방법보다 고농도 유기폐수를 모니터링하는데 시간 및 비용을 절감할 수 있다.
또한, 본 발명은 UV 254보다 넓은 범위의 UV-VIS 스펙트럼을 푸리에 변환하여 추출된 푸리에 계수를 모니터링 수질 지표로 활용함으로써, UV 254보다 고농도 유기폐수를 정확히 모니터링할 수 있다.
다만, 본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 고농도 유기폐수의 오존 처리시간에 따른 수질 변화를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 UV-VIS 스펙트럼의 푸리에 변환 기법을 이용한 고농도 유기폐수 처리 실시간 모니터링 시스템의 구성요소를 나타내는 도면이다.
도 3은 UV-VIS 분광기에서 측정된 UV-VIS 스펙트럼 및 흡광도의 변화를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 UV-VIS 스펙트럼의 푸리에 변환 기법을 이용한 고농도 유기폐수 처리 실시간 모니터링 방법의 과정을 나타내는 도면이다.
도 5는 각 푸리에 계수와 총유기탄소 및 화학산소요구량의 상관함수를 나타내는 도면이다.
도 6은 각 푸리에 계수와 총유기탄소 및 화학산소요구량의 결정계수를 나타내는 그래프이다.
도 7은 일부 푸리에 계수와 고농도 유기폐수의 실제 화학산소요구량을 비교한 결과를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 UV-VIS 스펙트럼의 푸리에 변환 기법을 이용한 고농도 유기폐수 처리 실시간 모니터링 시스템의 구성요소를 나타내는 도면이다.
도 3은 UV-VIS 분광기에서 측정된 UV-VIS 스펙트럼 및 흡광도의 변화를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 UV-VIS 스펙트럼의 푸리에 변환 기법을 이용한 고농도 유기폐수 처리 실시간 모니터링 방법의 과정을 나타내는 도면이다.
도 5는 각 푸리에 계수와 총유기탄소 및 화학산소요구량의 상관함수를 나타내는 도면이다.
도 6은 각 푸리에 계수와 총유기탄소 및 화학산소요구량의 결정계수를 나타내는 그래프이다.
도 7은 일부 푸리에 계수와 고농도 유기폐수의 실제 화학산소요구량을 비교한 결과를 나타내는 도면이다.
이하에서는, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명에 관한 설명은 구조적 내지 기능적 설명을 위한 실시예에 불과하므로, 본 발명의 권리범위는 본문에 설명된 실시예에 의하여 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 된다. 즉, 실시예는 다양한 변경이 가능하고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 본 발명의 권리범위는 기술적 사상을 실현할 수 있는 균등물들을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 본 발명에서 제시된 목적 또는 효과는 특정 실시예가 이를 전부 포함하여야 한다거나 그러한 효과만을 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 본 발명의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.
본 발명에서 서술되는 용어의 의미는 다음과 같이 이해되어야 할 것이다.
"제1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위한 것으로, 이들 용어들에 의해 권리범위가 한정되어서는 아니 된다. 예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결될 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다고 언급된 때에는 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 한편, 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이며, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
여기서 사용되는 모든 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미를 지니는 것으로 해석될 수 없다.
UV 스펙트럼은 용액 내 유기물질을 실시간으로 모니터링하는 것이 가능하며, 특정 화학적 결합 뿐만 아니라 용액 내 유기물질에 대한 전반적인 특성을 나타내는 지표이다.
또한, UV 스펙트럼은 UV 파장 내 254 nm을 대표로 용액 내 유기물질을 실시간으로 모니터링할 수 있으나, 노이즈가 심할 경우 대표값으로 사용하기 부적합하며, 광원 상태에 따라 수치가 달라지는 상대값이다.
한편, 본 발명의 고농도 유기폐수(예: 소화탈리액)를 오존(O3)으로 처리할 때 시간에 따른 수질 변화는 도 1에 도시된 바와 같다.
도 1은 고농도 유기폐수의 오존 처리시간에 따른 수질 변화를 나타내는 도면이다.
도 1a를 참조하면, 고농도 유기폐수는 오존처리 시간이 증가될수록 화학산소요구량(CODmn, CODcr)과 총유기탄소(TOC)가 각각 감소될 수 있다.
도 1b를 참조하면, 고농도 유기폐수는 오존처리 시간이 증가될수록 암모니아성 질소(NH3-N), 총 질소(T-N), 유기성질소(Org-N)가 각각 감소될 수 있다.
도 1a 및 도 1b에 도시된 각 지표는 샘플링(sampling) 후 화학적 방법에 따라 분석 결과의 확인 가능하여 수십분으로부터 수시간까지 분석 시간을 요하며, 이에 따라 고농도 유기폐수의 실시간 모니터링에 어려움이 있다.
모니터링 시스템
본 발명의 일 실시예에 따른 UV-VIS 스펙트럼의 푸리에 변환 기법을 이용한 고농도 유기폐수 처리 실시간 모니터링 시스템(1, 이하에서는 '모니터링 시스템')은 수십분으로부터 수시간까지 분석 시간이 소요되는 수질 지표가 아닌 수질 지표를 활영하여 고농도 유기폐수를 실시간으로 모니터링할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 UV-VIS 스펙트럼의 푸리에 변환 기법을 이용한 고농도 유기폐수 처리 실시간 모니터링 시스템의 구성요소를 나타내는 도면이다.
도 2를 참조하면, 모니터링 시스템(1)은 샘플 수집부(10), 주입부(20), 제어부(30), 변환부(40), 분석부(50) 및 모니터링부(60)가 구비된다.
일 실시예에서, 샘플 수집부(10)는 고농도 유기폐수로부터 샘플을 수집하기 위한 수집수단(미도시)이 구비되어 고농도 유기폐수로부터 샘플을 수집할 수 있다.
일 실시예에서, 샘플 수집부(10)는 고농도 유기폐수의 샘플(이하, '샘플')을 수집하는 것으로 동작이 종료될 수 있으나 이를 한정하는 것은 아니며, 수집한 샘플을 전처리(산화처리)하기 위한 전처리수단(미도시)이 구비되어 샘플에 포함된 유기물을 저감시킬 수 있다.
즉, 샘플 수집부(10)가 수집한 샘플은 유기물이 저감되거나 유기물의 저감가 생략된 유체일 수 있으며, 일 실시예에서 샘플은 전처리수단에 의해 유기물이 저감된 유체인 것으로 설명하도록 하겠다.
또한, 전처리수단은 일 실시예에서 샘플이 UV-VIS 분광기의 셀에 주입되기 전에 샘플에 포함된 유기물을 저감시키는 것이 바람직하다.
일 실시예에서, 샘플 수집부(10)에 구비된 전처리수단은 고도산화처리법(Advanced Oxidation Process, AOP)에 따라 자외선(UV)과 오존의 상호반응을 통해 생성되는 OH라디칼을 기반으로 유기물을 저감하는 장치일 수 있다. 다만, 전술한 전처리수단의 산화처리 방식은 고도산화처리법에 한정되니 아니하며, 유기물의 저감를 위한 다양한 방식으로 대체될 수 있다.
일 실시예에서, 주입부(20)는 샘플 수집부(10)가 수집한 샘플을 UV-VIS 분광기(미도시)에 구비된 셀(cell)에 주입할 수 있다.
일 실시예에서, 주입부(20)는 샘플을 UV-VIS 분광기의 셀에 주입하기 위해 샘플을 흡입하기 위한 흡입수단(미도시)이 구비되며, 흡입수단은 샘플을 흡입할 뿐만 아니라 흡입한 샘플을 UV-VIS 분광기의 셀에 배출할 수 있다.
일 실시예에서, 제어부(30)는 UV-VIS 분광기의 전원을 온/오프(ON/OFF)시킬 수 있으며, 전원이 온(ON) 상태가 된 UV-VIS 분광기가 샘플의 파장별 흡광도를 이용하여 샘플의 UV-VIS 스펙트럼을 출력하도록 UV-VIS 분광기를 제어할 수 있다.
이때, UV-VIS 스펙트럼은 고농도 유기폐수의 수질을 간접적으로 나타내는 수질 지표이며, 일 실시예에서는 도 3에 도시된 바와 같이 출력될 수 있다.
도 3은 UV-VIS 분광기에서 측정된 UV-VIS 스펙트럼 및 흡광도의 변화를 나타내는 도면이다.
UV-VIS 스펙트럼을 구성하는 각 파장의 변화는 도 3a에 도시된 바와 같고, 시간에 따른 각 파장에서의 흡광도는 도 3b에 도시된 바와 같다.
다시 도 2를 참조하면, 일 실시예에서, 변환부(40)는 UV-VIS 분광기에서 출력되는 UV-VIS 스펙트럼을 푸리에 변환(Fourier-Transform)시킬 수 있다.
일 실시예에서, 변환부(40)는 도 3a에 도시된 UV-VIS 스펙트럼을 이하의 [수학식 1]을 기반으로 푸리에 변환하여 푸리에 계수를 추출하며, 이때 하나의 푸리에 계수를 추출할 수 있으나 둘 이상의 복수개의 푸리에 계수를 추출하는 것이 바람직하며, 이하에서는 복수개의 푸리에 계수를 추출하는 것으로 설명하도록 하겠다.
상기 [수학식 1]에서, A는 상대 흡광도이며, resolution(해상도)은 UV-VIS 분광기의 성능에 준하여 변경되고, λi는 100~800 nm에 해당하는 파장의 기호로 광원이나 UV-VIS 분광기의 성능에 따라 범위가 달라지며, i는 UV-VIS 분광기가 제공하는 해상도(resolution)이고, λmax는 UV-VIS 분광기의 최대 파장의 기호이며, λmin는 UV-VIS 분광기의 최소 파장의 기호이다.
일 실시예에서, 변환부(40)는 상기 [수학식 1]을 기반으로 산출된 푸리에 계수(an)을 이용하여 다시 빌드업하여 UV-VIS 스펙트럼을 출력하는데, UV-VIS 스펙트럼은 이하의 [수학식 2]을 기반으로 출력될 수 있다.
일 실시예에서, 분석부(50)는 상기 [수학식 2]을 기반으로 산출된 복수개의 푸리에 계수(an)와 유기물 지표의 상관관계를 분석하며, 복수개의 푸리에 계수 중 유기물 지표와 상관관계가 가장 높은 모니터링용 푸리에 계수를 추출할 수 있다.
일 실시예에서, 분석부(50)는 주입부(20)를 통해 UV-VIS 분광기의 셀에 주입된 샘플을 분석하여 샘플의 유기물 저감 정도를 분석할 수 있다.
일 실시예에서, 모니터링부(60)는 분석부(50)에서 판단된 모니터링용 푸리에 계수를 모니터링 수질 지표로 활용하여 고농도 유기폐수를 모니터링할 수 있다.
한편, 모니터링 시스템(1)은 주입부(20)를 통해 UV-VIS 분광기의 셀에 주입된 샘플의 유기물 저감 정도에 따라 폐수의 공급량, 폐수의 유속, 폐수의 방류수량, 샘플의 전처리 시간 등과 같은 샘플 수집부(10)의 전처리 과정을 포함하는 모니터링 시스템(1)의 동작을 제어할 수 있는 제어장치(미도시)가 더 구비될 수 있다.
일 실시예에서, 제어장치는 인공지능 모델이 탑재되는데, 인공지능 모델은 샘플 수집부(10)의 상태를 '적정', '미흡', '미처리', '수질 변동' 중 적어도 하나인 것으로 판단하도록 학습 및 검증이 이루어진 후에 제어장치에 탑재될 수 있다.
일 실시예에서, 제어장치는 이하의 [표 1]과 같이, 분석부(50)로부터 판단된 샘플의 유기물 저감 정도에 따라 모니터링 시스템(1)의 동작을 제어할 수 있다.
| 상태 | 원인 | 자동제어 |
| 적정 | - | 동작 유지 |
| 미흡 | 전처리 강도(시간) 감소 유량 증가 첨가제(촉매) 감소 |
전처리 강도(시간) 증가 유량 감소 첨가제(촉매) 주입 |
| 미처리 | 샘플 수집부 동작 불량 | 샘플 수집부 또는 전체 구성 운전 정지 |
| 수질 변동 | 폐수의 수질 변동 | 폐수 저장조로 리턴 |
상기 [표 1]과 같이, 분석부(50)가 UV-VIS 분광기에 주입된 샘플의 유기물 저감 정도를 적정으로 판단하는 경우, 제어장치는 모니터링 시스템(1)의 전체 동작을 고농도 유기폐수를 모니터링하는 상태로 유지될 수 있다.
또한, 분석부(50)가 UV-VIS 분광기에 주입된 샘플의 유기물 저감 정도를 미흡으로 판단하고, 유기물 저감 정도가 미흡으로 판단된 원인을 전처리 강도(시간)가 감소한 것으로 판단하는 경우, 제어장치는 샘플 수집부(10)가 수집한 샘플의 유기물 저감이 추가 진행하기 위해 샘플 수집부(10)의 전처리 강도(시간)를 증가시킬 수 있다.
그리고 분석부(50)가 UV-VIS 분광기에 주입된 샘플의 유기물 저감 정도를 미흡으로 판단하고, 유기물 저감 정도가 미흡으로 판단된 원인을 샘플의 유량 증가라고 판단하는 경우, 제어장치는 샘플 수집부(10)가 수집한 샘플의 유량이 감소되도록 샘플 수집부(10)를 제어하여 샘플의 일부를 외부로 배출시킬 수 있다.
또한, 분석부(50)가 UV-VIS 분광기에 주입된 샘플의 유기물 저감 정도를 미흡으로 판단하고, 유기물 저감 정도가 미흡으로 판단된 원인을 샘플에 첨가제(촉매)가 기설정된 투입량만큼 투입되지 않은 것으로 판단하는 경우, 제어장치는 샘플 수집부(10)를 제어하여 샘플에 첨가제(촉매)를 추가적으로 투입시킬 수 있다. 이때, 첨가제(촉매)는 샘플 수집부(10)가 고도산화처리를 통해 샘플의 유기물을 저감하는 것이라면, 자외선과 오존일 수 있다.
그리고 분석부(50)가 UV-VIS 분광기에 주입된 샘플의 유기물 저감 정도를 미처리로 판단하고, 유기물 저감 정도가 미처리로 판단된 원인을 샘플 수집부(10)의 동작 불량인 것으로 판단하는 경우, 제어장치는 샘플 수집부(10) 또는 모니터링 시스템(1)의 전체 동작을 정지시킬 수 있다.
또한, 분석부(50)가 UV-VIS 분광기에 주입된 샘플의 유기물 저감 정도를 수질 변동으로 판단하고, 유기물 저감 정도가 수질 변동으로 판단된 원인을 폐수의 수질 변동으로 판단하는 경우, 제어장치는 샘플 수집부(10)를 제어하여 수집한 샘플의 전부를 외부로 배출시킬 수 있다.
모니터링 방법
이하에서는, 상기 모니터링 시스템(1)에 의해 수행되는 UV-VIS 스펙트럼의 푸리에 변환 기법을 이용한 고농도 유기폐수 처리 실시간 모니터링 방법(S1, 이하에서는 '모니터링 방법')의 과정에 대해 자세히 설명하도록 하겠다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 UV-VIS 스펙트럼의 푸리에 변환 기법을 이용한 고농도 유기폐수 처리 실시간 모니터링 방법의 과정을 나타내는 도면이다.
도 4를 참조하면, 모니터링 방법(S1)은 샘플 수집 단계(S10), 샘플 주입 단계(S20), UV-VIS 분광기 동작 단계(S30), UV-VIS 스펙트럼 출력 단계(S40), 푸리에 변환 단계(S50), 모니터링용 푸리에 계수 추출 단계(S60) 및 고농도 유기폐수 모니터링 단계(S70)를 포함한다.
먼저, 샘플 수집부(10)는 고농도 유기폐수로부터 샘플을 수집할 수 있다(S10).
그 후, 주입부(20)는 샘플을 UV-VIS 분광기의 셀에 주입할 수 있다(S20).
그 후, 제어부(30)는 UV-VIS 분광기에서 UV-VIS 스펙트럼을 출력하도록 전원을 온(ON)시킬 수 있다(S30).
그 후, UV-VIS 분광기는 제어부(30)에 의해 동작이 제어되어 샘플의 UV-VIS 스펙트럼을 출력할 수 있다(S40).
그 후, 변환부(40)는 샘플의 UV-VIS 스펙트럼을 푸리에 변환하여 복수개의 푸리에 계수를 추출할 수 있다(S50).
그 후, 분석부(50)는 복수개의 푸리에 계수 중 유기물 지표와 상관관계가 가장 높은 모니터링용 푸리에 계수를 추출할 수 있다(S60).
그 후, 모니터링부(60)는 모니터링 푸리에 계수를 모니터링 수질 지표로 활용하여 고농도 유기폐수를 모니터링할 수 있다(S70).
실시예 1
실시예 1에서는 분석부(50)가 상기 [수학식 2]을 기반으로 복수개의 푸리에 계수를 제1~10 푸리에 계수('A1'~'A10', 도 5 및 도 6에서 '1'~'10')을 산출하였으며, 복수개의 푸리에 계수 중 모니터링용 푸리에 계수를 산출하기 위해 복수개의 푸리에 계수와 유기물 지표의 상관관계를 분석하였다.
또한, 실시예 1에서 복수개의 푸리에 계수와 상관관계를 비교하기 위한 유기물 지표는 총유기탄소(도 5 및 도 6에서 'TOC')와, 산화제 및 산화수의 종류와 비율이 상이한 제1 화학산소요구량(도 5 및 도 6에서 'CODcr') 및 제2 화학산소요구량(도 5 및 도 6에서 'CODMn')일 수 있다.
도 5는 각 푸리에 계수와 총유기탄소 및 화학산소요구량의 상관함수를 나타내는 도면이며, 도 6은 각 푸리에 계수와 총유기탄소 및 화학산소요구량의 결정계수를 나타내는 그래프이다.
도 5 및 도 6를 참조하면, 복수개의 푸리에 계수는 평균적으로 유기물 지표 중 제1 화학산소요구량과 상관관계가 높은 것으로 도출되었다.
특히, 복수개의 푸리에 계수 중 하나인 제3 푸리에 계수('A3', 도 5 및 도 6에서 '3')은 제1 화학산소요구량과 상관함수(Correlation function)가 '0.706', 결정계수(RSQ)가 '0.499'으로서 다른 푸리에 계수와 비교하여 제1 화학산소요구량과 상관관계가 가장 높은 모니터링용 푸리에 계수인 것으로 도출되었다.
실시예 2
실시예 2에서는 상기 실시예 1에서 도출된 모니터링용 푸리에 계수가 실제 모니터링 수질 지표로 활용가능한지 여부를 증명하기 위해, 모니터링용 푸리에 계수와 제1 화학산소요구량의 실제 지표를 비교하였다.
또한, 실시예 2에서는 상기 실시예 1에서 도출된 모니터링용 푸리에 계수가 다른 푸리에 계수와 비교하여 어느 정도로 제1 화학산소요구량의 실제 지표와 유사한지를 비교하기 위해 푸리에 계수와 제1 화학산소요구량의 실제 지표를 비교하였다.
도 7은 일부 푸리에 계수와 고농도 유기폐수의 실제 화학산소요구량을 비교한 결과를 나타내는 도면이다.
도 7a는 분석부(50)가 산출한 복수개의 푸리에 계수 중 하나인 제1 푸리에 계수('A1', 도 5 및 6에서 '1')와 제1 화학산소요구량의 실제 지표를 비교한 결과이며, 도 7b는 모니터링용 푸리에 계수인 제3 푸리에 계수(A3)와 제1 화학산소요구량의 실제 지표를 비교한 결과이다.
도 7a 및 도 7b를 참조하면, 모니터링 푸리에 계수인 제3 푸리에 계수(A3)가 모니터링 수질 지표로 활용가능한지 여부를 증명하기 위한 제1 푸리에 계수(A1)보다 제1 화학산소요구량의 실제 지표에 근접한 것으로 확인되었으며, 이에 따라 제3 푸리에 계수(A3)는 모니터링 수질 지표로 활용가능하다는 결과가 도출되었다.
상술한 바와 같이 개시된 본 발명의 바람직한 실시예들에 대한 상세한 설명은 당업자가 본 발명을 구현하고 실시할 수 있도록 제공되었다. 상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 본 발명의 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 예를 들어, 당업자는 상술한 실시예들에 기재된 각 구성을 서로 조합하는 방식으로 이용할 수 있다. 따라서, 본 발명은 여기에 나타난 실시형태들에 제한되려는 것이 아니라, 여기서 개시된 원리들 및 신규한 특징들과 일치하는 최광의 범위를 부여하려는 것이다.
본 발명은 본 발명의 기술적 사상 및 필수적 특징을 벗어나지 않는 범위에서 다른 특정한 형태로 구체화될 수 있다. 따라서, 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니 되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다. 본 발명은 여기에 나타난 실시형태들에 제한되려는 것이 아니라, 여기서 개시된 원리들 및 신규한 특징들과 일치하는 최광의 범위를 부여하려는 것이다. 또한, 특허청구범위에서 명시적인 인용 관계가 있지 않은 청구항들을 결합하여 실시예를 구성하거나 출원 후의 보정에 의해 새로운 청구항으로 포함할 수 있다.
1: 모니터링 시스템,
10: 샘플 수집부,
20: 주입부,
30: 제어부,
40: 변환부,
50: 분석부,
60: 모니터링부.
10: 샘플 수집부,
20: 주입부,
30: 제어부,
40: 변환부,
50: 분석부,
60: 모니터링부.
Claims (12)
- 고농도 유기폐수로부터 샘플을 수집하는 수집수단이 구비된 샘플 수집부;
상기 샘플 수집부가 수집한 샘플을 UV-VIS 분광기의 셀에 주입하는 주입부;
상기 UV-VIS 분광기에서 UV-VIS 스펙트럼을 출력하도록 상기 UV-VIS 분광기를 동작시키는 제어부;
상기 UV-VIS 분광기에서 출력되는 UV-VIS 스펙트럼을 푸리에 변환하여 복수개의 푸리에 계수를 추출하는 변환부;
상기 변환부에서 추출된 복수개의 푸리에 계수와 유기물 지표와 상관관계를 분석하여 상기 유기물 지표와 상관관계가 가장 높은 모니터링용 푸리에 계수를 추출하는 분석부; 및
상기 분석부로부터 판단된 모니터링용 푸리에 계수를 모니터링 수질 지표로 활용하여 상기 고농도 유기폐수를 모니터링하는 모니터링부;를 포함하고,
상기 변환부는,
이하의 수학식 1을 기반으로 상기 UV-VIS 스펙트럼을 푸리에 변환하여 푸리에 계수를 추출하고,
상기 수학식 1에서 A는 상대 흡광도이며, resolution(해상도)은 UV-VIS 분광기의 성능에 준하여 변경되고, λi는 100~800 nm에 해당하는 파장의 기호로 광원이나 UV-VIS 분광기의 성능에 따라 범위가 달라지며, i는 UV-VIS 분광기가 제공하는 해상도(resolution)이고, λmax는 UV-VIS 분광기의 최대 파장의 기호이며, λmin는 UV-VIS 분광기의 최소 파장의 기호인 것을 특징으로 하는 UV-VIS 스펙트럼의 푸리에 변환 기법을 이용한 고농도 유기폐수 처리 실시간 모니터링 시스템. - 제 1 항에 있어서,
상기 샘플 수집부는,
상기 고농도 유기폐수가 상기 UV-VIS 분광기에 주입되기 전에, 상기 고농도 유기폐수의 샘플을 전처리하여 상기 샘플에 포함된 유기물을 저감시키는 전처리수단;을 포함하는 것을 특징으로 하는 UV-VIS 스펙트럼의 푸리에 변환 기법을 이용한 고농도 유기폐수 처리 실시간 모니터링 시스템. - 제 2 항에 있어서,
상기 전처리 수단은,
자외선과 오존의 상호반응을 통해 생성되는 OH라디칼을 기반으로 상기 고농도 유기폐수 샘플의 유기물을 저감시키는 것을 특징으로 하는 UV-VIS 스펙트럼의 푸리에 변환 기법을 이용한 고농도 유기폐수 처리 실시간 모니터링 시스템. - 삭제
- 제 1 항에 있어서,
상기 변환부는,
이하의 수학식 2을 기반으로 상기 수학식 1을 기반으로 추출된 푸리에 계수를 이용하여 빌드업된 UV-VIS 스펙트럼을 출력하고,
상기 수학식 2에서 an은 푸리에 계수인 것을 특징으로 하는 UV-VIS 스펙트럼의 푸리에 변환 기법을 이용한 고농도 유기폐수 처리 실시간 모니터링 시스템. - 제 5 항에 있어서,
상기 분석부는,
상기 수학식 2을 기반으로 산출된 각 푸리에 계수와 유기물 지표의 상관관계를 분석하며, 복수개의 푸리에 계수 중 유기물 지표와 상관관계가 가장 높은 모니터링용 푸리에 계수를 판단하는 것을 특징으로 하는 UV-VIS 스펙트럼의 푸리에 변환 기법을 이용한 고농도 유기폐수 처리 실시간 모니터링 시스템. - a) 샘플 수집부가 수집수단을 통해 고농도 유기폐수로부터 샘플을 수집하는 단계;
b) 주입부가 상기 샘플 수집부가 수집한 샘플을 UV-VIS 분광기의 셀에 주입하는 단계;
c) 제어부가 상기 UV-VIS 분광기에서 UV-VIS 스펙트럼을 출력하도록 상기 UV-VIS 분광기를 동작시키는 단계;
d) 상기 상기 UV-VIS 분광기가 UV-VIS 스펙트럼을 출력하는 단계;
e) 변환부가 상기 UV-VIS 분광기에서 출력되는 UV-VIS 스펙트럼을 푸리에 변환하여 복수개의 푸리에 계수를 추출하는 단계;
f) 분석부가 상기 변환부에서 추출된 복수개의 푸리에 계수와 유기물 지표와 상관관계를 분석하여 상기 유기물 지표와 상관관계가 가장 높은 모니터링용 푸리에 계수를 추출하는 단계; 및
g) 모니터링부가 상기 분석부로부터 판단된 모니터링용 푸리에 계수를 모니터링 수질 지표로 활용하여 상기 고농도 유기폐수를 모니터링하는 단계;를 포함하고,
상기 e) 단계는,
상기 변환부가 이하의 수학식 1을 기반으로 상기 UV-VIS 스펙트럼을 푸리에 변환하여 푸리에 계수를 추출하는 단계;를 포함하고,
상기 수학식 1에서 A는 상대 흡광도이며, resolution(해상도)은 UV-VIS 분광기의 성능에 준하여 변경되고, λi는 100~800 nm에 해당하는 파장의 기호로 광원이나 UV-VIS 분광기의 성능에 따라 범위가 달라지며, i는 UV-VIS 분광기가 제공하는 해상도(resolution)이고, λmax는 UV-VIS 분광기의 최대 파장의 기호이며, λmin는 UV-VIS 분광기의 최소 파장의 기호인 것을 특징으로 하는 UV-VIS 스펙트럼의 푸리에 변환 기법을 이용한 고농도 유기폐수 처리 실시간 모니터링 방법. - 제 7 항에 있어서,
상기 a) 단계는,
상기 고농도 유기폐수가 상기 UV-VIS 분광기에 주입되기 전에, 상기 샘플 수집부가 전처리수단을 통해 상기 고농도 유기폐수의 샘플을 전처리하여 상기 샘플에 포함된 유기물을 저감시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 UV-VIS 스펙트럼의 푸리에 변환 기법을 이용한 고농도 유기폐수 처리 실시간 모니터링 방법. - 제 8 항에 있어서,
상기 전처리 수단은,
자외선과 오존의 상호반응을 통해 생성되는 OH라디칼을 기반으로 상기 고농도 유기폐수 샘플의 유기물을 저감시키는 것을 특징으로 하는 UV-VIS 스펙트럼의 푸리에 변환 기법을 이용한 고농도 유기폐수 처리 실시간 모니터링 방법. - 삭제
- 제 7 항에 있어서,
상기 e) 단계는,
상기 변환부가 이하의 수학식 2을 기반으로 상기 수학식 1을 기반으로 추출된 푸리에 계수를 이용하여 빌드업된 UV-VIS 스펙트럼을 출력하는 단계;를 포함하고,
상기 수학식 2에서 an은 푸리에 계수인 것을 특징으로 하는 UV-VIS 스펙트럼의 푸리에 변환 기법을 이용한 고농도 유기폐수 처리 실시간 모니터링 방법. - 제 11 항에 있어서,
상기 f) 단계는,
상기 분석부가 상기 수학식 2을 기반으로 산출된 각 푸리에 계수와 유기물 지표의 상관관계를 분석하며, 복수개의 푸리에 계수 중 유기물 지표와 상관관계가 가장 높은 모니터링용 푸리에 계수를 판단하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 UV-VIS 스펙트럼의 푸리에 변환 기법을 이용한 고농도 유기폐수 처리 실시간 모니터링 방법.
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|---|---|---|---|
| KR1020220169643A KR102540068B1 (ko) | 2022-12-07 | 2022-12-07 | Uv-vis 스펙트럼의 푸리에 변환 기법을 이용한 고농도 유기폐수 처리 실시간 모니터링 시스템 및 방법 |
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