KR20030038681A - 유기 성분의 트레이스량을 검출하는 장치 및 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 유기 트레이스 성분을 검출하는 장치를 제공하며, 이 검출 장치는 기체에 포함된 유기 할로겐 물질을 검출하는데 이용된다. 검출 장치는, 수집된 샘플 (51) 을 누설 분자 빔 (53) 의 형태로 진공 챔버 (52) 로 연속적으로 도입하는 모세관 기둥 (54 ; 샘플 도입 수단); 누설 분자 빔 (53) 을 레이저 빔 (55) 으로 조사함으로써 이온화를 수행하는 레이저 조사 수단 (66); 레이저 조사를 통해 이온화된 분자를 수렴하며, 복수의 이온 전극을 포함하는 수렴부 (56); 상기-수렴된 분자를 선택적으로 트래핑하는 이온 트랩 (57); 및 소정 간격으로 방출되고 리플렉트론 (58) 에 의해 반사되는 이온들을 검출하는 이온 검출기 (59) 를 포함하는 TOFMAS (60) 를 구비한다.
Description
기술 분야
본 발명은, 처리 장비 또는 자연 환경에서, PCB 및 다이옥신과 같은 유기 트레이스 성분을 검출하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
배경 기술
근래에, 강한 독성 때문에, PCB (polychlorinated biphenyls : 염소처리된 비페닐 이성질체의 일반명) 의 생산 및 수입이 금지되고 있다. 일본에서는, 1954 년 경에 PCB 의 생산이 시작되었다. 그러나, Kanemi Yusho 사건은 생명체 및 자연 환경에 대한 PCB 의 부작용을 드러내었고, 1972 년에, 일본 정부는 PCB 제품의 생산은 중단되어야 하고 PCB 제품은 회수되어야 한다 (안전한 보관 의무) 는 명령을 내렸다.
PCB 는, 비페닐의 수소 원자를 1 내지 10 개의 염소 원자로 치환함으로써 생성되는 화합물이다. 이론적으로, PCB 는, 치환된 염소 원자의 수와 위치에 따라 달라지는 209 개의 이성질체를 포함한다. 현재, 약 100 개 이상의 PCB 이성질체가 PCB 제품으로서 상업적으로 입수 가능하다. PCB 이성질체들은 상이한물리적 및 화학적 특성, 생명체에서의 상이한 안정성 레벨 (levels of stability), 및 다양한 환경적 작용 (environmental behaviors) 을 나타낸다. 따라서, PCB 의 화학적 분석은 어렵다. 또한, PCB 는 댜앙한 형태의 환경 오염을 야기시칸다. PCB 는 분해가 어려운 유기 오염 물질 (persistent organic pollutants) 이어서, 자연 환경 중에서 쉽게 분해되지 않는다. PCB 는 지용성 (fat solubility) 과 높은 생체 농축 팩터 (bioconcentration factor) 를 나타낸다. 또한, PCB 는, PCB 의 반-휘발성 (semi-volatility) 때문에, 공기를 통해 이동할 수 있다. 또한, PCB 는, 예를 들어, 물 또는 생체와 같은 자연 환경에 잔류하는 것으로 알려져 있다.
PCB 는 생체내에서 아주 안정하기 때문에, 생체에 축적이 되며, 이렇게-축적된 PCB 는 만성 중독 (예를 들어, 피부병 및 간질환) 을 야기하며, 발암성 및 생식과 발육상의 독성 (reproductive and developmental toxicity) 을 나타낸다.
통상적으로, PCB 는, 예를 들어, 트랜스포머 및 커패시터용 절연 오일 (insulating oil) 로서 널리 이용되어 왔다. 거기에 포함된 PCB 를 해독하기 위해서, 본 발명자들은 이전부터 PCB 해독용 열수 분해 장치 (hydrothermal decomposition apparatus for detoxifying PCBs) 를 제안해 왔다 (예를 들어, 일본 특개평 (kokai) 제 11-253796 호 및 제 12-126588 호 참조). 도 32 는 이러한 열수 분해 장치의 구조를 개략적으로 나타낸다.
도 32 에 나타낸 바와 같이, 열수 분해 장치 (120) 는 원통형 제 1 반응기 (122); 오일 (123a), PCB (123b), NaOH (123c), 및 물 (123d) 을 가압하는 가압 펌프 (124a 내지 124d); NaOH (123c) 와 물 (123d) 의 액체 혼합물을 예비적으로 가열하는 예열히터 (125 ; preheater); 나선형 파이프를 가진 제 2 반응기 (126); 냉각기 (127); 및 감압 밸브 (128) 를 구비한다. 기체-액체 분리 장치 (129) 및 활성탄 배스 (130 ; activated carbon bath) 가 감압 밸브 (128) 의 하류 부분에 제공된다. 도관 기체 (flue gas ; CO2; 131) 는 굴뚝 (132) 에서 외부로 배출되고, 폐기액 (133 ; H2O, NaCl) 는 원한다면 어떤 처리도 받을 수 있다. 산소 공급 파이프 (139) 는 제 1 반응기 (122) 에 직접적으로 접속된다.
상술한 장치 (120) 에서, 제 1 반응기 (122) 의 내부 압력은 가압 펌프 (124) 에 의해 26 MPa 까지 상승한다. 예열히터 (125) 를 이용하여 PCB, H2O, 및 NaOH 의 액체 혼합물 (123) 을 약 300 ℃ 까지 예비적으로 가열한다. 산소기 제 1 반응기 (122) 로 공급되며, 제 1 반응기 (122) 의 내부 온도는 반응기에서 발생하는 반응열에 의해 380 ℃ 내지 400 ℃ 까지 상승한다. 제 1 반응기 (122) 에서, PCB 는 탈염소 반응 및 산화성 분해 반응을 거쳐, NaCl, CO2, 및 H2O 로 분해된다. 이어서, 제 2 반응기 (126) 로부터 배출되는 유체 (fluid) 는 냉각기 (127) 에서 약 100 ℃ 로 냉각되고, 유체의 압력은 냉각기 (127) 의 하류 부분에 제공된 감압 밸브 (128) 에 의해 대기압 (atmospheric pressure) 으로 감소한다. 그 후, 유체는 기체-액체 분리 장치 (129) 를 이용하여 CO2, 증기, 및 처리된 물 (treated water) 로 분리된다. 얻어진 CO2및 증기는 활성탄 배스 (130)를 통과하여, 자연 환경으로 배출된다.
상술한 처리 장치를 이용하여 PCB-수용 컨테이너 (예를 들어, 트랜스포머 및 커패시터) 를 처리함으로써, 컨테이너의 완전한 해독을 실현한다. 이러한 처리 동안, 설비 (facility) 의 PCB 농도를 신속하게 모니터링하는 것이 중요하다. 통상적으로, PCB 는 기체 형태로 샘플링되어 액체에 농축되며, PCB-포함 액체 (PCB-containing liquid) 를 분석하게 된다. 그러나, 이러한 기술에 의한 PCB 농도의 측정은 수 시간 내지 수십 시간을 필요로 하며, 따라서, PCB 농도의 신속한 모니터링은 불가능하다.
상술한 관점에서, 종래에는, 기체에 포함된 PCB 의 트레이스량 (trace amount) 을 모니터링 하기 위한 장치로서, 다중-광자 이온화 검출기 (multi-photon ionization detector) 및 TOFMAS (time-of-flight mass spectrometer) 가 통합된 질량 분석기가 제안되어 왔다.
도 33 을 참조하여, 종래의 분석 장치를 설명한다.
도 33 에 나타낸 바와 같이, 샘플 기체 (1) 가 펄스 노즐 (2) 을 통해 초음속 자유 제트 (supersonic free jet) 로서 진공 챔버 (3) 로 공급된다. 자유 제트는 단열 팽창 (adiabatic expansion) 을 통해 냉각된다. 이렇게-냉각된 기체의 진동 및 회전 레벨은 낮아지며, 이로써 기체의 파장 선택성 (wavelength selectivity) 은 향상된다. 따라서, 기체는 레이저 빔 (4 ; 공명 다중-광자 ; resonance multi-photon) 을 효율적으로 흡수하며, 기체의 이온화 효율은 향상된다. 이렇게-이온화된 기체에 포함된 분자들은 가속 전극 (5) 에 의해 가속되며,분자의 질량에 반비례하는 가속이 분자에 가해진다. 이렇게-가속된 분자는 비행 튜브 (6) 를 통해 비행한다. 분자들은 리플렉트론 (7 ; reflectron) 에 의해 반사되어, 검출기 (8) 로 진입한다. 분자들의 비행 튜브 (6) 에서의 비행 시간을 측정할 경우, 분자를 구성하고 있는 입자들의 질량이 계산된다. PCB 의 농도 (즉, 측정 목표) 는 검출기 (8) 로부터 출력되는 신호의 강도를 비교함으로써 얻을 수 있다.
상술한 분석 장치가 트레이스 물질을 검출할 수는 있지만, 이 장치는 나노초 (nanoseconds) 오더 (order) 의 펄스폭을 가진 레이저를 이용하기 때문에, 장치의 감도는 낮다.
이러한 관점에서, 본 발명의 목적은, 기체에 포함된 PCB 의 농도를 모니터링할 경우, 신속한 고감도 분석을 가능하게 하는, 유기 트레이스 성분을 검출하는 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
상술한 열수 분해 장치 (120) 에서는, PCB 를 완전히 분해하기 위해서, 다양한 화학 물질 및 PCB (즉, 분해 목표) 의 공급량을 포함하여, 다양한 반응 파라미터들을 제어한다.
종래에, 분해 처리는, 예를 들어, 처리된 액 (treated liquid) 에 잔류하는 PCB 의 양 및 분해 처리의 과정 동안에 생성된 분해 산물 (decomposition products) 의 특성을 측정함으로써 얻어지는 데이터에 기초하여 제어되어 왔다. 그러나, 이러한 측정은 수시간 내지 하루 또는 이틀의 시간을 필요로 한다.
따라서, 분해 처리 과정 동안의 열수 분해 장치 (120) 를 효율적으로 피드백제어하기 위한 필요가 대두되어 왔다.
이러한 관점에서, 본 발명의 다른 목적은, PCB 와 같은 독성 물질을 분해하는 장치에서 신속한 피드백 제어를 가능하게 하는, 독성 물질의 분해 처리를 제어하는 방법을 제공하는 것이다.
유기 할로겐 물질을 분해하기 위해 상기 장치를 이용할 경우, 작업 환경의 PCB 농도는 소정 레벨 이하임이 항상 보장되어야 한다. 따라서, PCB 의 트레이스량을 측정하는 장치는, 이 장치가 적절히 동작하도록 하기 위해, 소정 간격으로 눈금이 조정되어야 한다.
이러한 관점에서, 본 발명의 또 다른 목적은, PCB 와 같은 트레이스 성분의 농도를 모니터링할 경우, 신속한 고감도 분석을 가능하게 하는, 유기 할로겐 물질 농도 정정 장치 (organic halogenated substance concentration correction apparatus) 를 제공하는 것이다.
발명의 개시
본 발명은 유기 트레이스 성분을 검출하는 장치에 관한 다음의 발명들을 포함한다.
제 1 발명은,
수집된 샘플을 진공 챔버로 계속적으로 도입하는 샘플 도입 수단 (sample introducing means);
이렇게-도입된 샘플에 레이저 빔을 조사함으로써, 샘플을 이온화하는 레이저조사 수단;
레이저 조사를 통해 이온화된 분자들을 수렴하는 수렴부;
이렇게-수렴된 분자들을 트래핑 (trapping) 하는 이온 트랩; 및
소정 간격으로 (at predetermined intervals) 방출되는 이온들을 검출하는 이온 검출기가 통합된 TOFMAS (time-of-flight mass spectrometer) 를 구비하는 유기 트레이스 성분의 검출 장치를 제공한다.
제 2 발명은, 제 1 발명에 따른 유기 트레이스 성분의 검출 장치에 있어서, 샘플 도입 수단이 모세관 기둥이고, 이 모세관 기둥의 선단이 수렴부로 돌출되어 있는 유기 트레이스 성분의 검출 장치를 제공한다.
제 3 발명은, 제 1 발명에 따른 유기 트레이스 성분의 검출 장치에 있어서, 모세관 기둥이 석영 또는 스테인레스 스틸로 이루어진 유기 트레이스 성분의 검출 장치를 제공한다.
제 4 발명은, 제 1 발명에 따른 유기 트레이스 성분의 검출 장치에 있어서, 레이저 조사 수단으로부터 방사되는 레이저 빔이 300 nm 이하의 파장을 갖는 유기 트레이스 성분의 검출 장치를 제공한다.
제 5 발명은, 제 1 발명에 따른 유기 트레이스 성분의 검출 장치에 있어서, 레이저 조사 수단으로부터 방사되는 레이저 빔이 피코초 (picoseconds) 오더의 펄스폭을 갖는 유기 트레이스 성분의 검출 장치를 제공한다.
제 6 발명은, 제 1 발명에 따른 유기 트레이스 성분의 검출 장치에 있어서, 레이저 조사 수단으로부터 방사되는 레이저 빔이 1 MHz 이상의 펄스 주파수를 갖는유기 트레이스 성분의 검출 장치를 제공한다.
제 7 발명은, 제 1 발명에 따른 유기 트레이스 성분의 검출 장치에 있어서, 유기 트레이스 성분이, PCB 분해 처리가 수행된 처리 장비 (treatment equipment) 내의 기체에 포함된 PCB 인 유기 트레이스 성분의 검출 장치를 제공한다.
제 8 발명은, 제 1 발명에 따른 유기 트레이스 성분의 검출 장치에 있어서, 유기 트레이스 성분이, PCB 분해 처리가 수행된 처리 장비로부터 배출되는 도관 기체 또는 폐기액에 포함된 PCB 인 유기 트레이스 성분의 검출 장치를 제공한다.
제 9 발명은, 제 1 발명에 따른 유기 트레이스 성분의 검출 장치에 있어서, 레이저 조사 수단으로부터 방사되는 레이저 빔이 300 nm 이하의 파장, 1,000 피코초 이하의 펄스폭, 및 1 GW/cm2이하의 에너지 밀도를 가지고, 유기 트레이스 성분의 분해를 억제하면서 유기 트레이스 성분을 검출하는 유기 트레이스 성분의 검출 장치를 제공한다.
제 10 발명은, 제 9 발명에 따른 유기 트레이스 성분의 검출 장치에 있어서, 레이저 빔이 1 내지 0.01 GW/cm2의 에너지 밀도를 갖는 유기 트레이스 성분의 검출 장치를 제공한다.
제 11 발명은, 제 9 발명에 따른 유기 트레이스 성분의 검출 장치에 있어서, 유기 트레이스 성분이 적은 수의 염소 원자를 가진 PCB (이하에서는, 이러한 PCB 를 "저-염소 PCB (low-chlorine PCB)" 라 한다) 일 경우, 레이저 빔은 250 내지 280 nm 의 파장, 500 내지 100 피코초의 펄스폭, 및 1 내지 0.01 GW/cm2의 에너지밀도를 갖는 유기 트레이스 성분의 검출 장치를 제공한다.
제 12 발명은, 제 9 발명에 따른 유기 트레이스 성분의 검출 장치에 있어서, 유기 트레이스 성분이 많은 수의 염소 원자를 가진 PCB (이하에서는, 이러한 PCB 를 "고-염소 PCB (high-chlorine PCB)" 라 한다) 일 경우, 레이저 빔은 270 내지 300 nm 의 파장, 500 내지 1 피코초의 펄스폭, 및 1 내지 0.01 GW/cm2의 에너지 밀도를 갖는 유기 트레이스 성분의 검출 장치를 제공한다.
제 13 발명은, 제 1 발명에 따른 유기 트레이스 성분의 검출 장치에 있어서, 레이저 빔이 라만 셀 (Raman cell) 을 통과하는 유기 트레이스 성분의 검출 장치를 제공한다.
제 14 발명은, 제 13 발명에 따른 유기 트레이스 성분의 검출 장치에 있어서, 라만 셀이 수소를 포함하는 유기 트레이스 성분의 검출 장치를 제공한다.
제 15 발명은, 제 1 발명에 따른 유기 트레이스 성분의 검출 장치에 있어서, 이온 트랩이, 이온화된 분자가 진입하는 작은 홀을 가진 제 1 엔드 캡 (end cap) 전극, 트래핑된 분자가 방출되는 작은 홀을 가지며, 제 1 엔드 캡 전극과 서로 대향하는 제 2 엔드 캡 전극, 및 이온 트랩에 고-주파 전압을 공급하는 고-주파 전극을 구비하고; 제 1 엔드 캡 전극의 전압은 이온화된 분자를 수렴하는 이온 수렴부의 전압보다 낮고, 제 2 엔드 캡 전극의 전압은 제 1 엔드 캡 전극의 전압보다 높으며; 이온 트랩 내의 분자들을 선택적으로 감속하면서, 이온화된 분자들을 고-주파 전압의 인가하에 트래핑하는 유기 트레이스 성분의 검출 장치를 제공한다.
제 16 발명은, 제 15 발명에 따른 유기 트레이스 성분의 검출 장치에 있어서, 이온 트랩 내에 비활성 기체가 흐르는 유기 트레이스 성분의 검출 장치를 제공한다.
제 17 발명은, 제 15 발명에 따른 유기 트레이스 성분의 검출 장치에 있어서, 이온화 영역 (ionization zone) 이 1 ×10-3torr 의 진공을 갖고, 이온 수렴부와 이온 트랩은 1 ×10-5torr 의 진공을 가지며, TOFMAS 는 1 ×10-7torr 의 진공을 갖는 유기 트레이스 성분의 검출 장치를 제공한다.
제 18 발명은, 제 1 발명에 따른 유기 트레이스 성분의 검출 장치에 있어서, 레이저 조사 수단으로부터 방사되는 레이저 빔은 반복적으로 반사되어, 이렇게-반사된 레이저 빔이 이온화 영역 내에서 서로 오버랩 되지 않는 유기 트레이스 성분의 검출 장치를 제공한다.
제 19 발명은, 제 18 발명에 따른 유기 트레이스 성분의 검출 장치에 있어서, 레이저 조사 수단으로부터 방사되는 레이저 빔은 대향 프리즘 (facing prisms) 에 의해 반복적으로 반사되어, 이렇게-반사된 레이저 빔이 동일한 경로를 통과하지 않는 유기 트레이스 성분의 검출 장치를 제공한다.
또한, 본 발명은 유기 트레이스 성분을 검출하는 방법에 관한 이하의 발명을 포함한다.
제 20 발명은, 수집된 샘플을 연속적으로 진공 챔버로 도입하는 단계; 이렇게-도입된 샘플을 레이저 빔으로 조사함으로써, 샘플을 이온화하는 단계; 레이저조사를 통해 이온화된 분자들을 수렴하면서, 분자들을 이온 트랩에 선택적으로 트래핑하는 단계; 및 이온 트랩으로부터 소정 간격으로 방출된 이온들을, TOFMAS 를 이용하여 검출하는 단계를 포함하는 기체의 유기 트레이스 성분을 검출하는 방법을 제공한다.
제 21 발명은, 제 20 발명에 따른 유기 트레이스 성분의 검출 방법에 있어서, 상기 기체가, PCB 분해 처리가 수행된 처리 장비내의 기체인 유기 트레이스 성분의 검출 방법을 제공한다.
제 22 발명은, 제 20 발명에 따른 유기 트레이스 성분의 검출 방법에 있어서, 이온 트랩이, 이온화된 분자가 진입하는 작은 홀을 가진 제 1 엔드 캡 (end cap) 전극, 트래핑된 분자가 방출되는 작은 홀을 가지며, 제 1 엔드 캡 전극과 서로 대향하는 제 2 엔드 캡 전극, 및 이온 트랩에 고-주파 전압을 공급하는 고-주파 전극을 구비하고; 제 1 엔드 캡 전극의 전압은 이온화된 분자를 수렴하는 이온 수렴부의 전압보다 낮고, 제 2 엔드 캡 전극의 전압은 제 1 엔드 캡 전극의 전압보다 높으며; 이온 트랩 내의 분자들을 선택적으로 감속하면서, 이온화된 분자들을 고-주파 전압의 인가하에 트래핑하는 유기 트레이스 성분의 검출 방법을 제공한다.
제 23 발명은, 제 22 발명에 따른 유기 트레이스 성분의 검출 방법에 있어서, 이온 트랩 내에 비활성 기체의 흐름이 야기되며, 이온화 영역이 1 ×10-3torr 의 진공을 갖고, 이온 수렴부와 이온 트랩은 1 ×10-5torr 의 진공을 가지며, TOFMAS 는 1 ×10-7torr 의 진공을 갖는 유기 트레이스 성분의 검출 방법을 제공한다.
제 24 발명은, 제 21 발명에 따른 유기 트레이스 성분의 검출 방법에 있어서, 상기 기체가, PCB 분해 처리가 수행된 처리 장비내의 기체인 유기 트레이스 성분의 검출 방법을 제공한다.
제 25 발명은, 제 21 발명에 따른 유기 트레이스 성분의 검출 방법에 있어서, 레이저 조사 수단으로부터 방사되는 레이저 빔은 반복적으로 반사되어, 이렇게-반사된 레이저 빔이 이온화 영역 내에서 서로 오버랩 되지 않는 유기 트레이스 성분의 검출 방법을 제공한다.
제 26 발명은, 제 25 발명에 따른 유기 트레이스 성분의 검출 방법에 있어서, 레이저 조사 수단으로부터 방사되는 레이저 빔은 대향 프리즘에 의해 반복적으로 반사되어, 이렇게-반사된 레이저 빔이 동일한 경로를 통과하지 않는 유기 트레이스 성분의 검출 방법을 제공한다.
또한, 본 발명은, 유기 트레이스 성분의 검출 장치를 이용하여, 독성 물질의 분해 처리를 제어하는 방법에 관한 이하의 발명을 제공한다.
제 27 발명은, 제 1 발명에 언급한 TOFMAS 를 이용하여, 독성 물질을 분해하는 반응기를 구비하는 독성 물질 분해 장치에서 분해 처리가 수행된 후의 폐기액에 포함된 독성 물질 및/또는 이 독성 물질의 분해를 통해 생성된 산물 (product) 의 농도 분포를 측정하는 단계; 및 이렇게-측정된 독성 물질 및/또는 독성 물질 분해 산물의 농도 분포에 기초하여, 독성 물질의 분해 처리 조건을 최적화하는 단계를 포함하는, 독성 물질의 분해 처리를 제어하는 방법을 제공한다.
제 28 발명은, 제 27 발명에 따른 독성 물질 분해 처리의 제어 방법에 있어서, 독성 물질 분해 산물이, 예를 들어, 디클로로벤젠, 프탈산염 (phthalate), 휘발성 유기 화합물, 페놀, 비페닐, 벤젠 또는 비페닐의 유도체, 알데히드, 유기산, 또는 방향족 탄화수소인 독성 물질 분해 처리의 제어 방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 유기 트레이스 성분의 검출 장치가 통합된 독성 물질 분해 처리 시스템에 관한 이하의 발명을 포함한다.
제 29 발명은, 유기 할로겐 물질이 탄산나트륨 (Na2CO3) 존재하의 탈염소 반응 및 산화-분해 반응 (dechlorination and oxidation-decomposition) 을 통해, 예를 들어, 염화나트륨 (NaCl) 과 이산화탄소 (CO2) 로 분해되는 가열, 가압된 반응기를 포함하는 열수 산화-분해 장치 (hydrothermal oxidation-decomposition apparatus); 열수 산화-분해 장치로부터 배출되는 폐기액에 포함된 독성 물질 및/또는 이 독성 물질의 분해를 통해 생성된 산물의 농도를 측정하는, 제 1 발명에서 언급한 바와 같은 유기 트레이스 성분의 검출 장치; 및 유기 트레이스 성분의 검출 장치로부터 얻은 측정 결과에 기초하여, 열수 산화-분해 장치의 동작을 제어하는 동작 제어 수단을 구비하는 독성 물질 분해 처리 시스템을 제공한다.
제 30 발명은, 제 29 발명에 따른 독성 물질 분해 처리 시스템에 있어서, 열수 산화-분해 장치가 원통형 제 1 반응기; 오일 또는 유기 용매, 독성 물질, 물 (H2O), 및 수산화나트륨 (NaOH) 을 가압하는 가압 펌프; 물을 예비적으로 가열하는 예열히터; 나선형 파이프를 가진 제 2 반응기; 제 2 반응기로부터 배출되는 처리된액 (treated liquid) 을 냉각하는 냉각기; 처리된 액을 가스-액체로 분리하는 가스-액체 분리 수단; 및 감압 밸브를 구비하는 독성 물질 분해 처리 시스템을 제공한다.
제 31 발명은, 제 29 발명에 따른 독성 물질 분해 처리 시스템에 있어서, 동작 제어 수단이, 독성 물질 분해 처리 시스템의 가열, 상기 시스템의 가압, 독성 물질 처리용 액체의 공급량, 산화제 (oxidizing agent) 의 공급량, 및 수산화나트륨 (NaOH) 의 공급량들 중에서 선택된 하나 이상을 제어하는 독성 물질 분해 처리 시스템을 제공한다.
또한, 본 발명은 복수의 샘플링 포인트로부터 얻은 기체 샘플들의 농도를 동시에 측정하는 장치에 관한 이하의 발명들을 포함한다. 이 측정 장치는 유기 트레이스 성분의 검출 장치를 통합한다.
제 32 발명은, 제 1 발명에서 언급한 바와 같은 유기 트레이스 성분의 검출 장치; 기체가 통과하는 기체 경로 상에 제공된 샘플링 포인트로부터 기체를 샘플링하는 복수의 샘플링 파이프; 각 샘플링 파이프 상에 제공된 밸브; 샘플링 파이프를 검출 장치의 레이저 조사 수단에 접속하는 결합 파이프; 기체를 순환시키며, 결합 파이프에 접속되는 기체 흡입 수단 (gas suction means); 및 각 샘플링 파이프 상에 제공된 밸브와 검출 장치 사이 부분에 잔류하는 기체를 외부로 배출하며, 결합 파이프에 접속되는 정화 수단 (cleanup means) 을 구비하는 유기 트레이스 성분 측정 장치를 제공한다.
제 33 발명은, 제 32 발명에 따른 유기 트레이스 성분 측정 장치에 있어서,밸브와, 각 샘플링 파이프와 기체 경로가 접속되는 포인트 사이에 제공되며, 기체 경로에 접속되는 복귀 파이프 (return pipe); 및 기체를 순환시키며, 복귀 파이프 상에 제공되는 기체 순환 수단 (gas circulation means) 을 더 구비하는 유기 트레이스 성분 측정 장치를 제공한다.
제 34 발명은, 제 32 발명에 따른 유기 트레이스 성분 측정 장치에 있어서, 기체 흡입 수단이 결합 파이프에 접속된 다이어프램 (diaphragm) 펌프를 구비하고, 결합 파이프와 다이어프램 펌프 사이에 밸브가 제공되는 유기 트레이스 성분 측정 장치를 제공한다.
제 35 발명은, 제 32 발명에 따른 유기 트레이스 성분 측정 장치에 있어서, 정화 수단이 결합 파이프에 접속된 로터리 스크롤 (rotary scroll) 펌프를 구비하고, 결합 파이프와 로터리 스크롤 펌프 사이에 밸브가 제공되는 유기 트레이스 성분 측정 장치를 제공한다.
제 36 발명은, 제 32 발명에 따른 유기 트레이스 성분 측정 장치에 있어서, 밸브가 진공 전자식 밸브 (vacuum electromagnetic valve), 전기 볼 밸브 (electric ball valve), 및 벨로스 밸브 (bellows valve) 들 중에서 선택되는 임의의 밸브인 유기 트레이스 성분 측정 장치를 제공한다.
또한, 본 발명은 유기 트레이스 성분 측정 장치를 교정하는 (calibrating) 장치에 관한 이하의 발명들을 포함한다.
제 37 발명은, 소정 농도의 유기 할로겐 물질을 수용하는 표준 컨테이너 (standard container); 및 유기 할로겐 물질을 정화하는 정화 기체 (purge gas) 를표준 컨테이너로 공급하는 표준 기체 공급 튜브를 구비함으로써, 정화 기체를 수반하는 유기 할로겐 물질을 질량 분석기로 공급하는, 제 1 발명에서 언급한 바와 같은 유기 트레이스 성분의 검출 장치를 정정하는 유기 할로겐 물질 농도 정정 장치를 제공한다.
제 38 발명은, 제 37 발명에 따른 유기 할로겐 물질 농도 정정 장치에 있어서, 표준 컨테이너의 온도를 컨테이너를 둘러싸고 있는 대기 온도보다 5 내지 100 ℃ 높은 온도로 유지하는 온도-유지 수단을 더 구비하는 유기 할로겐 물질 농도 정정 장치를 제공한다.
제 39 발명은, 제 37 발명에 따른 유기 할로겐 물질 농도 정정 장치에 있어서, 표준 기체 도입 튜브의 온도를 150 ℃ 이상으로 유지하는 온도-유지 수단을 더 구비하는 유기 할로겐 물질 농도 정정 장치를 제공한다.
제 40 발명은, 제 37 발명에 따른 유기 할로겐 물질 농도 정정 장치에 있어서, 복수의 세공 (pores) 을 가진 디스크가 표준 컨테이너 내에 제공되는 유기 할로겐 농도 정정 장치를 제공한다.
제 41 발명은, 제 37 발명에 따른 유기 할로겐 물질 농도 정정 장치에 있어서, 표준 컨테이너가 유리 섬유 또는 구슬 (glass fiber of beads) 로 채워지는 유기 할로겐 농도 정정 장치를 제공한다.
제 42 발명은, 제 40 발명에 따른 유기 할로겐 물질 농도 정정 장치에 있어서, 정화 기체를 공급하는 공급 튜브가, 그 출구가 표준 컨테이너의 저부 (bottom) 를 면하도록 표준 컨테이너의 저부에 제공되고, 공급된 정화 기체는 컨테이너의 상부로부터 배출되는 유기 할로겐 물질 농도 정정 장치를 제공한다.
제 43 발명은, 제 37 발명에 따른 유기 할로겐 물질 농도 정정 장치에 있어서, 표준 컨테이너의 내벽이 폴리테트라플루오르에틸렌 (polytetrafluoroethylene) 또는 실리콘 산화물 (silicon oxide) 로 이루어진 코팅층으로 덮여있는 유기 할로겐 물질 농도 정정 장치를 제공한다.
제 44 발명은, 제 37 발명에 따른 유기 할로겐 물질 농도 정정 장치에 있어서, 표준 컨테이너가 제거가능하게 (removably) 제공되는 유기 할로겐 물질 농도 정정 장치를 제공한다.
제 45 발명은, 제 44 발명에 따른 유기 할로겐 물질 농도 정정 장치에 있어서, 제거가능한 표준 컨테이너가 밀폐 (hermetic) 컨테이너에 제공되는 유기 할로겐 물질 농도 정정 장치를 제공한다.
제 46 발명은, 제 45 발명에 따른 유기 할로겐 물질 농도 정정 장치에 있어서, 검출 물질이 표준 컨테이너로 공급되며, 검출 물질을 검출하는 센서가 밀폐 컨테이너에 제공되는 유기 할로겐 물질 농도 정정 장치를 제공한다.
제 47 발명은, 제 46 발명에 따른 유기 할로겐 물질 농도 정정 장치에 있어서, 검출 물질이 수소인 유기 할로겐 물질 농도 정정 장치를 제공한다.
제 48 발명은, 제 37 발명에 따른 유기 할로겐 물질 농도 정정 장치에 있어서, 샘플이 PCB 를 포함하는 유기 할로겐 물질 농도 정정 장치를 제공한다.
제 49 발명은, 제 37 발명에서 언급한 바와 같은 유기 할로겐 물질 농도 정정 장치를 이용하여, 유기 할로겐 물질의 농도를 소정 간격으로 정정하면서, 유기할로겐 물질을 검출하는 단계를 포함하는 유기 트레이스 성분의 검출 방법을 제공한다.
제 50 발명은, 제 49 발명에 따른 유기 트레이스 성분의 검출 방법에 있어서, 샘플이 PCB 를 포함하며, 유기 할로겐 물질이 PCB 인 유기 트레이스 성분의 검출 방법을 제공한다.
도면의 간단한 설명
도 1 은 제 1 실시예에 따른, 유기 할로겐 물질을 검출하는 장치를 나타내는 개략도이다.
도 2 는 저-염소 PCB 의 측정 결과는 나타낸다.
도 3 은 제 2 실시예에 따른, PCB 농도 측정 시스템을 나타내는 개략도이다.
도 4 는 제 3 실시예에 이용된 레이저 빔의 파장, 펄스폭, 및 에너지 밀도 사이의 관계를 나타낸다.
도 5 는 0.05 GW/cm2의 에너지 밀도를 가진 레이저 빔이 이용된 경우의 저-염소 PCB 측정 결과를 나타낸다.
도 6 은 0.5 GW/cm2의 에너지 밀도를 가진 레이저 빔이 이용된 경우의 저-염소 PCB 측정 결과를 나타낸다.
도 7 은 제 4 실시예에 따른, 유기 트레이스 성분을 검출하는 장치를 나타내는 개략도이다.
도 8 은 라만 셀을 통과한 레이저 빔의 라만 효과 (Raman effects) 를 나타낸다.
도 9 는 라만 효과하에서 레이저 빔의 파장과 에너지 사이의 관계를 나타낸다.
도 10 은 1 내지 6 개의 염소 원자를 가진 PCB 에 대한 파장과 이온화 효율 사이의 관계를 나타낸다.
도 11 은 라만 셀을 통과한 레이저 빔이 이용되는 경우의 PCB 측정 결과를 나타낸다.
도 12 는 제 5 실시예에 따른, 유기 트레이스 성분을 검출하는 장치를 나타내는 개략도이다.
도 13 은 이온 트랩을 나타내는 개략도이다.
도 14 는 전위와, 이온 트랩의 중심부로 접근하는 이온들 사이의 관계를 나타낸다.
도 15 는 제 6 실시예에 따른, 유기 트레이스 성분을 검출하는 장치를 나타내는 개략도이다.
도 16 은 진공이 1 ×10-5torr 로 조절된, 제 6 실시예에 따른 장치의 이용에 의한 PCB 분석 결과를 나타낸다.
도 17 은 진공이 1 ×10-4torr 로 조절된, 제 6 실시예에 따른 장치의 이용에 의한, 비교를 위한 PCB 분석 결과를 나타낸다.
도 18 은 제 7 실시예에 따른, 유기 할로겐 물질을 검출하는 장치를 나타내는 개략도이다.
도 19 는 레이저 빔의 다중 반사 (multiple reflection) 를 나타내는 개략도이다.
도 20 은 레이저 빔을 생성하는 광학 장치를 나타내는 개략도이다.
도 21A 는 도 20 에 나타낸 장치의 측면도이고, 도 21B 는 도 20 에 나타낸 장치의 평면도이다.
도 22 는 제 8 실시예에 따른, PCB 해독 처리 시스템을 나타내는 개략도이다.
도 23 은 제 9 실시예에 따른, 유기 할로겐 물질 분해 처리 시스템을 나타내는 개략도이다.
도 24 는 분해 산물의 측정 결과를 나타낸다.
도 25 는 제 10 실시예에 따른, 멀티-포인트 (multi-point) 측정 시스템의 구성을 나타내는 개략도이다.
도 26 은 제 11 실시예에 따른, 유기 할로겐 물질 농도 정정 장치를 나타내는 개략도이다.
도 27 은 유기 할로겐 물질 농도 정정 장치의 핵심 부분을 나타내는 개략도이다.
도 28 은 표준 컨테이너를 나타내는 개략도이다.
도 29 는 다른 표준 컨테이너를 나타내는 개략도이다.
도 30 은 또 다른 표준 컨테이너를 나타내는 개략도이다.
도 31 은 표준 교정 (standard calibration) 이 수행된 후의 PCB 측정 결과를 나타내는 도표이다.
도 32 는 열수 분해 장치를 나타내는 개략도이다.
도 33 은 레이저 빔을 이용하는 종래의 측정 장치를 나타내는 개략도이다.
발명을 실시하기 위한 최상의 모드
본 발명을 보다 잘 나타내기 위해, 이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본원의 최상 모드들을 설명한다. 그러나, 본 발명은 이하에서 설명하는 실시예들에만 한정되지 않는다.
[제 1 실시예]
도 1 은 제 1 실시예에 따른, 유기 할로겐 물질을 검출하는 장치를 나타내는 개략도이다. 본 실시예의 유기 할로겐 물질 검출 장치 (50) 는 기체에 포함된 유기 할로겐 물질을 검출하는데 이용된다. 도 1 에 나타낸 바와 같이, 검출 장치 (50) 는, 수집된 샘플 (51) 을 누설 분자 빔 (leakage molecular beam ; 53) 형태로 진공 챔버 (52) 로 연속적으로 도입하는 모세관 기둥 (capillary column ; 54 ; 샘플 도입 수단); 레이저 빔 (55) 으로 누설 분자 빔 (53) 을 조사함으로써 이온화를 수행하는 레이저 조사 수단 (66); 레이저 조사를 통해 이온화된 분자들을 수렴하며, 복수의 이온 전극을 포함하는 수렴부 (56); 이렇게-수렴된 분자들을 선택적으로 트랩핑하는 이온 트랩 (57); 및 소정 간격으로 방출되어 리플렉트론(reflectron ; 58) 에 의해 반사되는 이온들을 검출하는 이온 검출기 (59) 를 구비한다.
PCB 의 농도 (즉, 측정 목표) 는 검출기 (59) 로부터 출력되는 신호의 강도 비교를 통해 얻을 수 있다.
이렇게-얻은 PCB 농도 데이터는, 예를 들어, 모니터-제어 챔버로, 그리고, 예를 들어, 검출 장치 (50) 의 외부에 제공된 (나타내지 않은) 모니터링 장치에 의해 외부로 송신될 수 있다.
바람직하기는, 기둥의 선단 (tip) 이 이온 수렴부 (56) 로 돌출하도록 모세관 기둥 (54) 이 제공되는 것이다. 구체적으로, 모세관 기둥의 선단은 모세관 기둥에 인접한 이온 수렴부 (56) 를 구성하는 전극과 동일 평면으로 만들어지거나; 그 선단이 전극으로부터 측정했을 때 소정 길이 만큼 이온 트랩 쪽의 수렴부로 돌출하도록 모세관 기둥이 제공된다.
바람직하기는, 모세관 기둥이 석영 또는 스테인레스 스틸로 형성되는 것이다. 모세관 기둥이 스테인레스 스틸로 형성될 경우, 이온 수렴부 (56) 로 전압을 인가하여 누설 분자 빔을 조절할 수 있다.
모세관 기둥의 지름은 1 mm 이하인 것이 바람직하다. 바람직하기는, 그 선단이 레이저 빔으로부터 약 3 mm 떨어져 위치하도록 모세관 기둥을 제공하는 것이다. 바람직하기는, 모세관의 출구가, 레이저 빔으로 분자 빔이 조사되는 위치로부터 짧은 거리 떨어져 위치하는 것이다. 그러나, 출구와 조사 위치 (irradiation position) 사이의 거리가 너무 작을 경우, 모세관 기둥의 선단이 레이저 빔에 의해 파손된다. 따라서, 바람직하기는, 선단의 파손이 발생하지 않도록 거리를 감소시키는 것이다; 예를 들어, 거리를 약 1 내지 2 mm 로 감소시킴으로써, 이온화 효율을 향상시킨다.
레이저 조사 수단 (66) 으로부터 방사되는 레이저 빔 (55) 의 펄스 파장은 300 nm 이하이되, 266 ±10 nm 인 것이 바람직하다. 펄스 파장이 300 nm 를 초과할 경우, 유기 할로겐 물질 (즉, 측정 목표) 은 효율적으로 이온화되지 않는다.
레이저 조사 수단 (66) 으로부터 방사되는 레이저 빔 (56) 의 펄스폭은 피코초 (picoseconds) 의 오더인 것이 바람직하다. 나노(10-9)-초 오더의 펄스폭을 가진 레이저 빔을 이용할 경우, 검출 감도가 저하된다.
따라서, 피코(10-12)-초 오더의 펄스폭을 가진 레이저 빔을 이용할 경우, 레이저 빔에 의한 PCB 분해가 억제되어, 검출 감도가 향상될 수 있다.
표 1 은, 상이한 펄스폭을 가진 레이저 빔을 이용하는 경우에 대한 PCB 검출 감도의 측정 결과를 나타낸다.
이 측정은, 1 내지 4 개의 염소 원자를 가진 PCB (이하에서는, n 개의 염소 원자를 가진 PCB 를 간단하게 "n-Cl PCB" 라 할 수 있다) 그 중에서도 2-Cl PCB 와 3-Cl PCB 를 주로 포함하는 PCB 샘플을 이용하였다.
신호 강도는, 100 피코초의 펄스폭을 가진 레이저 빔과 50 나노초의 펄스폭을 가진 레이저 빔을 이용하여 측정되었다.
본 실시예에서는, 측정을 위해 피코-초 레이저 (고정 파장 : 266 nm) 를 이용하였다.
도 2(a) 및 도 2(b) 는, PCB 를 검출한 이온 검출기로부터 출력되는 신호를 나타내는 도표이다. 각 도표에서, 수평축은 비행 시간 (초) 을 나타내고, 수직축은 이온 신호 강도 (V) 를 나타낸다. 또한, 4-Cl PCB 에 해당되는 신호를 도 2(b) 에 나타내는데, 이는 도 2(a) 의 확대도이다.
상술한 측정 장치의 이용을 통해, 예를 들어, PCB 분해 처리 장비내의 기체 또는 이 장비로부터 배출되는 폐기액 (waste liquid) 에 남아 있는 PCB 의 농도를 빠르고 정확하게 측정할 수 있다. 예를 들어, 측정 결과에 기초하여, 처리 공정의 모니터링을 수행할 수 있다.
폐기액에 남아 있는 PCB 농도를 측정할 경우, 폐기액를 측정 장치로 도입하거나, 폐기액를 증발시켜 얻어진 증기를 장치로 도입한다.
[제 2 실시예]
도 3 은 기체에 포함된 PCB 농도를 측정하는 장치를 나타내는 개략도이다.
도 3 에 나타낸 바와 같이, PCB 농도 측정 시스템 (61) 은 검출 장치 (50) 의 진공 챔버 (52) 에 접속된 기체 샘플링 라인 (62) 을 구비한다. 도 1 에 나타낸 바와 같이, 샘플은 누설 분자 빔으로서 라인 (62) 을 통해 진공 챔버 (52) 로 도입되어, 레이저 조사 수단 (66) 으로부터 방사되는 레이저 빔 (55) 에 의해 이온화되고, 얻어진 이온은 TOFMAS (time-of-flight mass spectrometer ; 60) 에 의해 검출된다. 도 3 에서, 참조 번호 63 은 진공 챔버 (52) 를 비우는 비움 장치 (evacuation apparatus) 를 나타내고, 참조 번호 64 는 상기 장치를 제어하는 제어기를 나타낸다.
측정 시스템 (61) 의 이용을 통해, 신속한 고감도의 PCB 분석을 수행할 수 있는데; 구체적으로, 1 분 내에 0.01 mg/Nm3의 감도로 PCB 를 검출할 수 있다.
[제 3 실시예]
본 실시예에서는, 제 1 실시예에 이용된 레이저 조사 조건을 좀더 상술한다.
본 실시예에 따른 측정 장치는 제 1 실시예의 측정 장치 구조와 유사한 구조를 가진다. 따라서, 도 1 을 참조하여 본 실시예의 장치를 설명한다.
제 1 실시예에서는, 레이저 조사 수단 (66) 으로부터 방사되는 레이저 빔 (55) 의 파장이 300 nm 이하이되, 266 ±10 nm 인 것이 바람직하다. 본 실시예에서는, 유기 할로겐 물질 (즉, 분석 목표) 이 저-염소; 즉, 1 내지 3 개의 염소 원자를 가진 PCB 일 경우, 레이저 빔의 파장은 250 내지 280 nm 로 조절되는 것이보다 바람직하다.
한편, 유기 할로겐 물질 (즉, 분석 목표) 이 고-염소 PCB; 즉, 4 개 이상의 염소 원자를 가진 PCB 일 경우, 레이저 빔의 파장은, 다음의 이유로 인해, 270 내지 300 nm 로 조절되는 것이 보다 바람직하다. PCB 의 염소 원자수가 증가할 경우, PCB 의 흡수 파장은 300 nm 쪽으로 이동한다.
본 실시예에서는, 레이저 조사 수단 (66) 으로부터 방사되는 레이저 빔 (55) 의 펄스폭 (레이저 펄스폭) 이 500 피코(10-12)-초 (ps) 이하인 것이 바람직하다. 나노(10-9)-초 오더의 펄스폭을 가진 레이저 빔이 이용될 경우, 검출 감도가 저하된다.
본 실시예에서는, 레이저 조사 수단 (66) 으로부터 방사되는 레이저 빔 (55) 의 에너지 밀도 (GW/cm2) 가 1 내지 0.01 GW/cm2인 것이 바람직하고, 0.05 내지 0.01 GW/cm2인 것이 보다 바람직하다. 레이저 에너지 밀도 (GW/cm2) 가 1 GW/cm2를 초과할 경우, PCB 분해 산물 (PCB decomposition products) 의 양이 증가한다.
상술한 바와 같이, 본 실시예에서는, 레이저 빔의 파장이 300 nm 이하로 조절되고, 레이저 빔의 펄스폭은 500 피코초 이하로 조절되며, 레이저 에너지 밀도는 1 GW/cm2이하로 조절된다. 따라서, 레이저 빔에 의한 PCB 분해가 억제될 수 있어, 검출 감도가 크게 향상될 수 있다.
에너지 밀도는 대략 0.1 GW/cm2로 조절되는 것이 특히 바람직하다.
도 4 는 상술한 파장, 펄스폭, 및 에너지 밀도 사이의 관계를 나타낸다.
TOFMAS 를 이용하여 PCB 표준 샘플 및 N2기체 샘플의 질량 스펙트럼을 측정하였다. 그 결과를 도 5 및 도 6 에 나타낸다. 이 측정에는, 100 피코초의 펄스폭을 가진 레이저 빔을 이용하였다. 도 5 는 레이저 빔의 에너지 밀도가 0.05 GW/cm2인 경우에 대한 측정 결과를 나타내고, 도 6 은 레이저 빔의 에너지 밀도가 0.5 GW/cm2인 경우에 대한 측정 결과를 나타낸다.
이 측정에는, 1- 내지 4-Cl PCB 그중에서도 2-Cl PCB 및 3-Cl PCB 를 주로 포함하는 PCB 샘플을 이용하였다.
도 5 에 나타낸 바와 같이, 레이저 빔의 에너지 밀도가 0.05 GW/cm2인 경우에는, PCB 에 대응되는 선명한 피크가 얻어진다. 이와 대조적으로, 도 6 에 나타낸 바와 같이, 레이저 빔의 에너지 밀도가 0.5 GW/cm2인 경우에는, 대량의 PCB 분해 산물이 생성되어, PCB 에 대응되는 선명한 피크가 얻어지지 않는다.
상술한 측정 장치의 이용을 통해, 예를 들어, PCB 분해 처리 장비내의 기체에 남아 있는 PCB 농도를 높은 감도로 빠르고 정확하게 측정할 수 있다. 측정 결과에 기초하여, 처리 공정의 모니터링을 수행할 수 있다.
[제 4 실시예]
본 실시예에서는, 제 1 실시예의 레이저 조사 조건을 좀더 상술하는데; 구체적으로, 라만 셀을 통과한 레이저 빔을 이용한다.
도 7 은 본 실시예에 따른, 유기 트레이스 성분의 검출 장치를 나타내는 개략도이다. 본 실시예의 유기 트레이스 성분의 검출 장치 (50) 는 폐기액 또는 도관 기체에 포함된 유기 트레이스 성분을 검출하는데 이용된다. 도 7 에 나타낸 바와 같이, 검출 장치 (50) 는, 수집된 샘플 (51) 을 누설 분자 빔 (53) 형태로 진공 챔버 (52) 로 연속적으로 도입하는 모세관 기둥 (54 ; 샘플 도입 수단); 라만 셀 (41) 을 통과한 레이저 빔 (55) 으로 누설 분자 빔 (53) 을 조사함으로써 이온화를 수행하는 레이저 조사 수단 (66); 레이저 조사를 통해 이온화된 분자들을 수렴하며, 복수의 이온 전극을 포함하는 수렴부 (56); 이렇게-수렴된 분자들을 선택적으로 트래핑하는 이온 트랩 (57); 및 소정 간격으로 방출되어 리플렉트론 (58) 에 의해 반사된 이온들을 검출하는 이온 검출기 (59) 를 포함하는 TOFMAS (60) 를 구비한다.
라만 셀 (41) 이 제공될 경우, 도 8 에 나타낸 바와 같이, 레이저 조사 수단 (66) 으로부터 방사되는 레이저 빔 (55 ; 파장 λ1) 은 스토크스 광 빔 (Stokes light beams ; 파장 λ1+ M1, λ1+ M2ㆍㆍㆍ) 과 안티-스토크스 광 빔 (anti-Stokes light beams ; 파장 λ1- M1, λ1- M2ㆍㆍㆍ) 으로 분리된다. 이와 같이, 단일 파장을 가진 레이저 빔 (55) 으로부터 상이한 파장을 가진 복수의 광 빔이 얻어진다. 따라서, 이렇게-얻어진 상이한 파장의 광 빔에 의해, 치환된 염소 원자의 수가 상이한 PCB 를 동시에 여기시킬 수 있다.
상기 라만 셀의 예에는, 고압 (예를 들어, 약 50 atm) 에서, N2, H2, 또는 CH4와 같은 기체를 포함하는 라만 셀이 포함된다. 이러한 라만 셀로 266 nm 의 레이저 빔이 도입될 경우, 셀에 포함된 기체 분자들 간의 상호 작용을 통해, 셀로부터 특정 파장의 광 빔이 방출되는데; 예를 들어, 셀이 N2를 포함할 경우에는 283 nm 의 광 빔이 방출되고, 셀이 H2를 포함할 경우에는 301 nm 의 광 빔이 방출되며, 셀이 CH4를 포함할 경우에는 288 nm 의 광 빔이 방출된다.
도 9 는, 레이저 빔 (55) 이 라만 셀 (41) 을 통과할 경우에 얻어지는 광 빔의 파장과 에너지 사이의 관계를 나타낸다.
도 10 에 나타낸 바와 같이, PCB 의 치환된 염소 원자 수가 증가할 경우, PCB 의 흡수 파장은 낮은 레벨에서 높은 레벨로 이동한다. 따라서, 라만 셀 (41) 을 통과한 레이저 빔으로부터 얻어진 상이한 파장의 복수의 광 빔을 이용하여, PCB 의 농도를 효율적으로 측정할 수 있다.
도 11 은 도 7 에 나타낸 장치를 이용한 PCB 의 측정 결과는 나타내는데, 이 경우, 레이저 빔은 라만 셀에 의해 상이한 파장의 광 빔으로 분리된다. 도 11 의 도표에서, 수평축은 비행 시간 (초) 을 나타내고, 수직축은 이온 신호 강도 (V) 를 나타낸다.
이 결과는, 도 7 에 나타낸 장치를 이용하여 효율적인 측정이 수행될 수 있음을 나타낸다.
상술한 측정 장치의 이용을 통해, 예를 들어, PCB 분해 처리 장비로부터 배출되는 폐기액에 남아 있는 PCB 농도를 빠르고 정확하게 측정할 수 있다. 측정 결과에 기초하여, 처리 공정의 모니터링을 수행할 수 있다.
[제 5 실시예]
본 실시예에서는, 제 1 실시예의 레이저 조사를 통해 이온화된 분자에 대한 트래핑 조건을 좀더 상술한다.
도 12 는 본 실시예에 따른 유기 트레이스 성분의 검출 장치를 나타내는 개략도이다. 본 실시예의 유기 트레이스 성분의 검출 장치 (50) 는 폐기액 또는 도관 기체에 포함된 유기 트레이스 성분을 검출하는데 이용된다. 도 12 에 나타낸 바와 같이, 검출 장치 (50) 는, 수집된 샘플 (51) 을 누설 분자 빔 (53) 의 형태로 진공 챔버 (52) 로 연속적으로 도입하는 모세관 기둥 (54 ; 샘플 도입 수단); 레이저 빔 (55) 으로 누설 분자 빔 (53) 을 조사함으로써 이온화를 수행하는 레이저 조사 수단 (66); 레이저 조사를 통해 이온화된 분자들을 수렴하며, 복수의 이온 전극 (56-1 내지 56-3) 을 포함하는 수렴부 (56); 이렇게-수렴된 분자들을 선택적으로 트래핑하는 이온 트랩 (57); 및 소정 간격으로 방출되어 리플렉트론 (58) 에 의해 반사되는 이온들을 검출하는 이온 검출기 (59) 를 포함하는 TOFMAS (60) 를 구비한다.
도 13 은 이온화 영역 및 이온 트랩을 나타내는 개략도이다.
도 13 에 나타낸 바와 같이, 이온 트랩 (57) 은, 이온화된 분자가 진입하는 작은 홀 (81a) 을 가진 제 1 엔드 캡 전극 (81); 트래핑된 분자가 방출되는 작은 홀 (82a) 을 가지며, 제 1 엔드 캡 전극과 서로 대향하는 제 2 엔드 캡 전극 (82); 및 이온 트랩 영역 (83) 에 고-주파 전압을 인가하는 고-주파 전극 (84) 을 구비한다.
제 1 엔드 캡 전극 (81) 의 전압은 이온화된 분자들을 수렴하는 이온 수렴부 (56) 의 전압 (예를 들어, 6 V) 보다 낮게 조절되는데; 예를 들어, 전극 (81) 의 전압은 0 V 로 조절된다. 제 2 엔드 캡 전극 (82) 의 전압은 제 1 엔드 캡 전극 (81) 의 전압 (예를 들어, 0 V) 보다 높게 조절되는데; 예를 들어, 전극 (82) 의 전압은 12 V 로 조절된다.
제 1 엔드 캡 전극 (81) 의 전압이 이온화된 분자들을 수렴하는 이온 수렴부 (56) 의 전압 (예를 들어, 6 V) 보다 낮게; 예를 들어, 전극 (81) 의 전압은 0 V 로 조절되기 때문에, 이온화된 분자는 제 1 엔드 캡 전극 (81) 쪽으로 가속되고, 분자들은 제 1 엔드 캡 전극 (81) 의 작은 홀 (81a) 을 통과하여 효율적으로 이온 트랩 (57) 으로 진입한다. 제 2 엔드 캡 전극 (82) 의 전압이 제 1 엔드 캡 전극의 전압 (예를 들어, 0 V) 보다 높게; 예를 들어, 전극 (82) 의 전압은 12 V 로 조절되기 때문에, 분자들은 이온 트랩 (57) 에서 신속하게 감속된다. 고-주파 전극 (84) 에 의해 이온 트랩 (57) 에 고-주파 전압이 인가될 경우, 분자들은 회전하며 이온 트랩 (57) 의 중심 부근에 트래핑된다.
고-주파 전극 (84) 에 의한 고-주파 전압의 인가가 중단된 후, 제 1 엔드 캡 전극 (81) 에 고전압 (예를 들어, 400 V) 인가되고 제 2 엔드 캡 전극 (82) 에 저전압 (예를 들어, -400 V) 가 인가될 경우, 상기 트래핑된 이온들은 작은 홀 (82a) 로부터 방출되어, TOFMAS (60) 에 제공된 이온 검출기 (59) 에 의해 검출된다.
측정 목표 (예를 들어, PCB) 의 농도는 검출기 (59) 로부터 출력된 신호의 강도 비교를 통해 얻어질 수 있다.
본 발명에서는, 고-주파 전극의 전압과 주파수가 각각 1,000 내지 1,500 V 및 1 MHz 이상으로 조절되는 것이 바람직하다. PCB 가 측정 목표일 경우에는, 전압과 주파수가 상기 값들로 조절될 때, 이온 트랩 영역에 효율적인 이온 트래핑이 실현된다.
이온 트랩의 형태 및 측정 목표의 타입에 따라 전압과 주파수를 적절히 변경하여, 이온 트래핑 조건을 최적화할 수 있기 때문에, 고-주파 전극의 전압과 주파수에 대해 특별한 제한은 부여되지 않는다.
도 14 는, 제 1 전극 (56-1) 의 전압, 제 2 전극 (56-2) 의 전압, 및 제 3 전극 (56-3) 의 전압이 각각 6 V, 6 V, 및 5 V 이고; 제 1 엔드 캡 전극 (81) 의 전압은 0 V 이며; 제 2 엔드 캡 전극 (82) 의 전압은 12 V 인 경우에, 전위와, 이온 트랩의 중심부로 접근하는 이온들 사이의 관계를 나타낸다.
도 14 에 나타낸 바와 같이, 이온화된 분자들은 수렴부 (56) 의 렌싱 효과 (lensing effect) 에 의해 가속되고, 분자의 속도는 제 1 엔드 캡 전극 (81) 에서 최대가 되며, 이렇게-가속된 분자는 제 1 엔드 캡 전극 (81) 의 작은 홀 (81a) 을통과한다. 제 2 엔드 캡 전극 (82) 의 전압이 12 V; 즉, 전극 82 의 전압이 전극 81 의 전압 보다 높기 때문에, 분자들은 이온 트랩에서 신속히 감속된다. 따라서, 분자의 운동은 이온 트랩 (57) 의 중심 부근에서 중단된다.
트래핑된 분자의 운동은, 분자의 이온화가 개시된 위치에서의 전위와 거의 동일한 전위인 위치 부근에서 중단된다. 따라서, 제 2 엔드 캡 전극 (82) 의 전압을 결정하여, 트래핑된 분자의 중단 위치를 조절할 수 있다.
바람직하기는, 제 2 엔드 캡 전극 (82) 의 전압이 제 1 전극 (56-1) 전압의 약 2 배가 되도록 조절되는 것이다. 본 실시예에서는, 제 1 전극 (56-1) 의 전압이 6 V 로 조절되고, 제 2 엔드 캡 전극 (82) 의 전압이 12 V 로 조절된다.
제 2 엔드 캡 전극 (82) 의 전압이 반드시 제 1 전극 (56-1) 전압의 2 배가 되도록 조절될 필요는 없으며, 제 2 엔드 캡 전극의 전압은 이온 트랩의 형상 및 트래핑될 분자의 질량에 따라 임의적으로 결정될 수 있다.
상술한 바와 같이, 이온화된 샘플의 운동을 이온 트랩에서 중단시키기 위해, 제 2 엔드 캡 전극 (82) 의 전압은 제 1 엔드 캡 전극 (81) 의 전압보다 높게 조절되어야 한다.
샘플을 이온화하는 수단에 대한 특별한 제한은 없다. 예를 들어, 이온화 수단은 레이저 빔으로 샘플을 조사함으로써 샘플을 이온화하는 레이저 조사 수단일 수 있다. 다른 방법으로, 샘플은, 예를 들어, 전자총 (electron gun) 또는 플라즈마를 이용하여 이온화될 수 있다.
[제 6 실시예]
도 15 는, 본 실시예에 따른 유기 트레이스 성분의 검출 장치를 나타내는 개략도이다. 본 실시예의 유기 트레이스 성분의 검출 장치 (50) 는 폐기액 또는 도관 기체에 포함된 유기 트레이스 성분을 검출하는데 이용된다. 도 15 에 나타낸 바와 같이, 검출 장치 (50) 는, 샘플을 이온화하는 이온화 영역 (90); 이온화된 분자들을 수렴하고 이 분자들을 이온 트랩 (57) 쪽으로 가속하는 이온 수렴부 (56) 와 이온들을 트래핑하는 이온 트랩 (57) 을 포함하는 영역 (91); 및 TOFMAS (60) 를 구비한다. 이온화 영역 (90), 영역 (91), 및 분석기 (60) 는 분리벽 (partition wall) 에 의해 서로 분리된다. 이온화 영역 (90) 의 진공은 1 ×10-3torr 로 조절되고, 이온 수렴부와 이온 트랩을 포함하는 영역 (91) 의 진공은 1 ×10-5torr 로 조절되며, TOFMAS (60) 의 진공은 1 ×10-7torr 로 조절된다.
도 13 및 도 14 에 나타낸 장치에 이용된 구성요소와 유사한 상기 장치의 구성요소는 공통의 참조 번호로 나타내고, 그에 대한 반복 설명은 생략한다.
본 실시예에서는, 이온화 영역 (90) 및, 이온 수렴부와 이온 트랩을 포함하는 영역 (91) 이 서로 분리된다. 따라서, 불필요한 기체가 아온 수렴부와 이온 트랩을 포함하는 영역 (91) 으로 공급되지 않으며, 따라서, 효율적인 분석이 수행된다.
이온 수렴부와 이온 트랩을 포함하는 영역 (91) 의 진공이 1 ×10-5torr 정도로 낮게 조절되기 때문에, 비활성 기체의 양을 줄일 수 있어, 손쉽게 분해되는 목표 물질의 분해를 방지할 수 있다.
도 16 은, 이온 수렴부와 이온 트랩을 포함하는 영역 (91) 의 진공이 1 ×10-5torr 로 조절된 경우의 PCB 측정 결과를 나타낸다. 도 16 에 나타낸 바와 같이, 1-Cl PCB, 2-Cl PCB, 및 3-Cl PCB 에 대응되는 선명한 피크가 얻어졌다.
도 17 은, 이온 수렴부와 이온 트랩을 포함하는 영역 (91) 의 진공이 1 ×10-4torr 로 조절된 경우의 PCB 측정 결과를 나타낸다.
도 17 에 나타낸 바와 같이, PCB 에 대응되는 선명한 피크는 얻어지지 않았고; 피크는 PCB 분해 산물에 대응된다.
[제 7 실시예]
도 18 은 본 실시예에 따른 레이저-타입 측정 장치를 나타내는 개략도이다. 도 18 에 나타낸 바와 같이, 본 실시예의 레이저-타입 측정 장치 (50) 는, 수집된 샘플 (51) 을 누설 분자 빔 (53) 의 형태로 진공 챔버 (52) 로 연속적으로 도입하는 모세관 기둥 (54 ; 샘플 도입 수단); 레이저 빔 (55) 으로 누설 분자 빔 (53) 을 조사함으로써 이온화를 수행하는 레이저 조사 수단 (66); 레이저 조사를 통해 이온화된 분자들을 수렴하며, 복수의 이온 전극을 포함하는 수렴부 (56); 이렇게-수렴된 분자들을 선택적으로 트래핑하는 이온 트랩 (57); 및 소정 간격으로 방출되어 리플렉트론 (58) 에 의해 반사되는 이온들을 검출하는 이온 검출기 (59) 를 포함하는 TOFMAS (60) 를 구비한다. 측정 목표의 농도는 검출기 (59) 로부터 출력되는 신호의 강도 비교를 통해 얻을 수 있다.
도 18 에서, 참조 번호 77 및 78 은 렌즈창 (lens windows) 을 나타내고, 참조 번호 79 는 반사 거울을 나타낸다.
도 19 에 나타낸 바와 같이, 레이저 조사 수단 (66) 으로부터 방사되는 레이저 빔 (55) 은, 대향하는 프리즘 수단 (71 및 72) 에 의해 반복적으로 반사되어, 반사된 레이저 빔들이 이온화 영역 (73) 내에서 서로 오버랩되지 않고, 영역 (73) 으로 도입된 샘플은 레이저 빔으로 조사된다. 프리즘 수단 (71 및 72) 은 복수의 프리즘을 통합하지만, 프리즘 수단에 대해 부과되는 특별한 제한은 없다.
복수의 펄스 레이저 빔이 도입된 샘플의 동일한 부분에 동시에 충돌하지 않기 때문에, 샘플의 분해가 방지된다. 또한, 레이저 조사를 통한 샘플의 이온화 효율이 향상된다.
도 20 및 도 21 은 레이저 빔의 오버랩이 방지되도록 레이저 빔을 생성하는 광학 장치를 개략적으로 나타낸다. 도 20 은 광학 장치의 투시도이고; 도 21A 는 장치의 측면도이며; 도 21B 는 장치의 평면도이다.
도 20 및 도 21 에 나타낸 바와 같이, 광학 장치는 서로 대향하는 프리즘들 (74 및 75) 을 포함한다. 레이저 빔 (55) 의 입사각을 조절할 경우, 반사된 레이저 빔은 서로 오버랩되지 않는다. 본 실시예에서는, 반사 거울 (76) 이 제공되기 때문에, 샘플은 반사된 레이저 빔에 의해 반복적으로 여기된다.
6 mm 의 이온화 영역 내에서 레이저 조사가 수행되는 경우, 1 mJ 의 레이저빔이 상기 프리즘에 의해 10 회 반사된다면, 10 mJ 의 레이저 빔을 이용하는 경우와 동일한 효과가 얻어진다. 따라서, 측정 장치에 필요한 비용을 저감할 수 있다.
레이저 빔이 반복적으로 반사되는 경우에, 이렇게-반사된 레이저 빔이 서로 오버랩된다면, 레이저 빔에 의해 이온화된 측정 목표 분자가 다른 레이저 빔으로 다시 조사됨으로써 분자의 분해가 활성화된다.
본 발명에서, 레이저 빔은, 반복적으로 반사되어서 반사된 레이저 빔이 서로 오버랩되지 않는다.
반사된 레이저 빔이 서로 오버랩되지 않도록 레이저 빔을 반복적으로 반사하기 위해, 예를 들어, 도 19 에 나타낸 바와 같은 기술, 즉, 복수의 프리즘 및 하나의 반사 거울을 이용하는 기술이 이용된다. 다른 방법으로, 한쌍의 대향 프리즘을 이용하여 입사 레이저 빔을 조절하는 기술이 이용될 수도 있다. 레이저 빔을 반복적으로 반사하여 이렇게-반사된 레이저 빔이 서로 오버랩되지만 않는다면, 어떠한 기술도 본 발명에 이용될 수 있다.
유기 할로겐 물질 (예를 들어, PCB) 을 분석하는 경우에, 저-염소 PCB (즉, 2 내지 4 개의 염소 원자를 가진 PCB) 의 이온화 효율을 향상시키기 위해, 입사 레이저 빔의 펄스폭을 증가시킨다. 한편, 고-염소 PCB (즉, 5 내지 7 개의 염소 원자를 가진 PCB) 의 이온화 효율을 향상시키기 위해서는, 입사 레이저 빔의 펄스폭을 감소시킨다.
상이한 펄스폭을 가진 2 가지 타입의 레이저 빔을 이용함으로써, 저-염소PCB 및 고-염소 PCB 의 농도를 동시에 측정할 수 있다.
상술한 실시예에서는, 측정 목표로서 PCB 가 선택되었다. 그러나, 본 발명이 PCB 의 측정에 한정되지는 않으며; 본 발명은 쓰레기 소각로와 같은 소각로나 보일러와 같은 연소 장비로부터 배출되는 폐기액에 포함된 다이옥신 또는 환경 호르몬의 측정에도 적용될 수 있다.
[제 8 실시예]
이하에서는, 본 발명의 장치가 통합된 PCB 해독 처리 장비의 기체를 모니터링하는 시스템을 설명한다.
본 실시예에 따른 독성 물질 처리 시스템은, 독성 유기 할로겐 물질 (예를 들어, PCB) 이 부착되는 처리될 산물 (이하에서는 "처리 산물 (treatment product)" 이라 할 수 있다), 이러한 물질을 포함하고 있는 처리 산물, 또는 이러한 물질이 저장되어 있는 처리 산물을 해독하는데 이용된다. 도 22 에 나타낸 바와 같이, 처리 시스템은, 독성 물질 (1002 ; 예를 들어, PCB) 을 수용하는 컨테이너 (1003 ; 즉, 처리 산물 1001) 로부터 독성 물질 (1002) 을 제거하는 제거 수단 (1004) 및 처리 산물 (1001) 을 구성 요소 (constitutive members ; 1001a, 1001b, 등) 로 폐기하는 폐기 수단 (1005 ; scrapping means) 중의 하나를 또는 양자를 포함하는 예비 처리 수단 (1006); 예비 처리 수단 (1006) 에서의 처리를 거친 처리 산물의 구성 요소인 코어 (1001a ; core) 를 코일 (1001b) 및 철 코어 (1001c) 로 분리하는 코어 분리 수단 (1007); 상기-분리된 코일 (1001b) 을 구리선(copper wire ; 1001d) 과 종이/나무 (1001e) 로 분리하는 코일 분리 수단 (1008); 코어 분리 수단 (1007) 에서 분리된 철 코어 (1001c), 폐기 수단 (1005) 에서 폐기된 금속 컨테이너 (1003 ; 컨테이너 메인 바디 및 뚜껑 포함), 코일 분리 수단 (1008) 에서 분리된 구리선 (1001d) 를 세척액 (1010) 으로 세척하는 세척 수단 (1011); 세척 수단 (1011) 으로부터 배출되는 폐기액 (1012) 과 예비 처리 수단에서 제거된 독성 물질 (1002) 중의 하나 또는 양자를 분해하는 독성 물질 분해 처리 수단 (1013); 독성 물질 분해 처리 수단 (1013 ; 즉, PCB 처리 장비) 으로부터 배출되는 폐기액 (133) 에 포함된 PCB 의 농도를 측정하는 폐기액 모니터링 수단 (1201); 및 처리 산물을 폐기하는 예비 처리 수단 내의 PCB 농도 및 독성 물질 분해 처리 수단 (1013) 으로부터 배출되는 도관 기체 (131) 에 포함된 PCB 농도를 측정하는 도관 기체 모니터링 수단 (1200) 을 구비한다.
상기 독성 물질이 액체 형태일 경우, 독성 물질은 독성 물질 분해 처리 수단 (1013) 으로 직접 공급되어, 해독된다. 독성 물질이 저장되어 있던 컨테이너의 구성 요소들 또한 해독된다.
처리 장비로부터 배출되는 도관 기체를 활성탄 필터에 통과시키고, 도관 기체 모니터링 수단 (1200) 에 의해, 얻어진 도관 기체에 포함된 PCB 의 농도를 측정함으로써, PCB 농도가 PCB 배출 표준 (PCB discharge standard) 이하임을 확인한다.
처리 장비 내부 뿐만 아니라 처리 장비 외부 환경의 PCB 농도 또한, 도관 기체 모니터링 수단 (1200) 을 이용하여 모니터링할 수 있다.
상기 독성 물질 처리 수단 (1013) 은 도 32 에 나타낸 열수 산화-분해 수단, 초임계수 (supercritical water) 산화 수단, 또는 배치형 (batch-type) 열수 산화-분해 수단일 수 있다.
본 발명의 처리 시스템을 이용하여, 환경 오염을 유발하는 독성 물질을 해독할 수 있다. 이러한 독성 물질의 예로는 PCB, 염화비닐 시트 (vinyl chloride sheets), 독성 폐기 페인트, 폐기 연료, 독성 화학 약품, 폐기 수지, 및 처리되지 않은 폭발물 (untreated exploisives) 을 들 수 있지만, 이들에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 시스템에 의해 처리되는 처리 산물의 예로는, 절연 오일로 사용되는 PCB 를 포함하는 트랜스포머와 커패시터, 및 페이트와 같은 독성 물질이 저장되어 있는 컨테이너를 들 수 있지만, 이들에 한정되는 것은 아니다.
종래부터, PCB 가 형광등용 안정기 (ballasts for fluorescent lamps) 에 이용되어 왔으므로, 이러한 안정기를 해독해야 한다. 이러한 안정기는 부피가 작기 때문에, 예비 처리를 수행하지 않고, 안정기를 직접 분리 수단 (1007) 으로 도입함으로써, 안정기를 해독할 수 있다.
상기 독성 물질이 액체 형태인 경우, 독성 물질은 독성 물질 분해 처리 수단 (1013) 으로 직접 공급되어, 해독된다. 독성 물질이 저장되어 있던 컨테이너의 구성 요소 또한 해독된다. 이렇게-해독된 액체에 포함된 PCB 의 농도는 3 ppb (PCB 배출 표준) 이하임이 보장되어야 한다.
도 32 에 나타낸 장치의 구성 요소와 유사한 독성 물질 처리 수단 (1013) 의구성 요소는 공통의 참조 번호로 나타내며, 그에 관한 반복 설명은 생략한다.
본 실시예의 도관 기체 모니터링 수단 (1200) 은, 도 3 에 나타낸 측정 장치 (50) 를 포함하는 측정 시스템 (61) 을 이용하며, 처리 수단 (1013) 으로부터 배출되어 활성탄에 의해 정화된 도관 기체 (131) 에 포함된 PCB 농도를 모니터링한다.
본 실시예의 폐기액 모니터링 수단 (1201) 은, 도 3 에 나타낸 측정 장치 (50) 를 포함하는 측정 시스템 (61) 을 이용하며, 처리 수단 (1013) 으로부터 배출되어 활성탄에 의해 정화된 폐기액 (133) 에 포함된 PCB 농도를 모니터링한다.
상기 측정 시스템이 제공될 경우, PCB 농도를 빠르고 효율적으로 모니터링할 수 있다. 따라서, 처리 공정의 적절한 성능을 모니터링하는 동안 분해 처리를 수행함으로써, 환경에 관련된 조치 (environment-conscious measures) 를 취할 수 있다.
상기 측정 장치를 이용하여, 소정 간격에서 PCB 분석을 수행함으로써, PCB 농도가 PCB 배출 기준 이하인지를 모니터링할 수 있다. 따라서, 위급한 상황인 경우에는; 예를 들어, PCB 농도가 배출 기준을 초과하는 경우에는, 예를 들어, 활성탄을 이용하여 도관 기체를 더 정화하고, 동작 과정을 재검토함으로써, 처리 시스템 외부의 환경 오염을 방지한다.
[제 9 실시예]
도 23 은 유기 할로겐 물질 분해 처리 시스템을 나타내는 개략도이다.
PCB 의 분해 처리를 예로 들어, 본 실시예의 유기 할로겐 물질 분해 처리 시스템을 설명한다.
도 23 에 나타낸 바와 같이, 본 실시예의 유기 할로겐 물질 분해 처리 시스템은, PCB 가 탄산나트륨 (Na2CO3) 존재하의 탈염소 반응 및 산화-분해 반응을 통해, 예를 들어, 염화나트륨 (NaCl) 과 이산화탄소 (CO2) 로 분해되는 가열, 가압된 반응기를 포함하는 열수 산화-분해 장치 (120); 및 기체-액체 분리 장치 (129) 로부터 배출되는 폐기액 (133) 에 남아 있는 PCB 및/또는 PCB 분해 산물의 농도 분포를 측정하며, 레이저형 TOFMAS 를 이용하는 측정 시스템 (61) 을 구비한다.
측정 시스템 (61) 은 제 1 내지 제 7 실시예에 따른 측정 장치들 중의 하나일 수 있다.
도 23 에 나타낸 바와 같이, 유기 할로겐 물질 분해 처리 시스템의 열수 산화-분해 장치 (120) 는, PCB 분해 처리부 (PCB decomposition treatment area ; 120A) 및 공급부 (feed area ; 120B) 를 포함한다. 열수 산화-분해 장치 (120) 는 도 32 에 나타낸 열수 산화-분해 처리 수단일 수 있다. 그러나, 장치가 탄산나트륨 (Na2CO3) 의 존재하에서 PCB 를 분해할 수만 있다면, 열수 산화-분해 장치에 대해 특별한 제한이 부여되지는 않는다.
도 23 에 나타낸 바와 같이, 유기 할로겐 물질 (PCB) 분해 처리 시스템은 분석-동작 제어부 (analysis-operation control area ; 120C) 를 포함한다. 분석-동작 제어부 (120C) 에서는, 측정 시스템 (61) 을 이용하여 폐기액 (133) 에 남아 있는 PCB 및/또는 PCB 분해 산물의 농도 분포를 측정하고, 이렇게-측정된 농도 분포를 계산 수단 (111) 에 의한 계산 공정에 제공함으로써, 열수 산화-분해 장치 (PCB 분해 처리 장치 ; 120) 의 피드백 제어를 위한 조건을 최적화한다.
상기 장치에 의해 검출되는 PCB 의 예로는, 1-Cl PCB (monochlorobiphenyl), 2-Cl PCB (dichlorobiphenyl), 및 3-Cl PCB (trichlorobiphenyl) 와 같은 저-염소 PCB; 및 4-Cl PCB (tetrachlorobiphenyl) 및 5-Cl PCB (pentachlorobiphenyl) 와 같은 고-염소 PCB 를 들 수 있다. 이러한 PCB 들이 검출되어 계산 공정 (calculation processing) 에 제공된다.
본 발명의 시스템에 의해 처리되는 처리 산물의 예로는, 예를 들어, 트랜스포머 및 캐패시터에 이용된 PCB-포함 절연 오일 (저농도 내지 고농도의 PCB 를 포함하는 다양한 오일들); 및 PCB-포함 페인트를 들 수 있지만, 이들에 한정되는 것은 아니다.
PCB 는 다양한 산물로 분해된다. 이러한 PCB 분해 산물의 예로는, 디클로로벤젠, 프탈산염, 휘발성 유기 화합물, 페놀, 비페닐, 벤젠과 비페닐의 유도체, 알데히드, 유기산, 및 방향족 탄화수소를 들 수 있다. 이하에서 이러한 PCB 분해 산물의 구체적인 예들을 설명하지만, 분해 산물이 이 예들에 한정되는 것은 아니다.
디클로로벤젠의 예에는o-디클로로벤젠 및p-디클로로벤젠이 포함된다.
프탈산염의 예에는 디메틸 프탈산염, 디에틸 프탈산염, 디부틸 프탈산염, 및 디-2-에틸헥실 (di-2-ethylhexyl) 프탈산염이 포함된다.
휘발성 유기 화합물 (VOC) 의 예에는 1,1-디클로로에틸렌, 디클로로메탄, 트랜스-1,2-디클로로에틸렌, 시스-1,2-디클로로에틸렌, 클로로폼, 1,1,1-트리클로로에탄, 사염화탄소, 벤젠, 1,2-디클로로에탄, 트리클로로에틸렌, 1,2-디클로로프로판, 디클로로브로모메탄, 시스-1,3-디클로로프로펜, 톨루엔, 트랜스-1,3-디클로로프로펜, 1,1,2-트리클로로에탄, 테트라클로로에틸렌, 디브로모클로로메탄,p-크실렌,m-크실렌,o-크실렌, 브로모포름 (bromoform), 및p-디클로로벤젠이 포함된다.
알킬벤젠의 예에는 에틸벤젠, 1,3,5-트리메틸벤젠, 1,2,4-트리메틸벤젠, 이차-부틸벤젠, 이소-부틸벤젠, 및 n-부틸벤젠이 포함된다.
페놀 산물 (phenol products) 의 예에는 페놀, 2-메틸페놀, 4-메틸페놀, 2,6-디메틸페놀, 2-에틸페놀, 2,5-디메틸페놀, 3-에틸페놀, 2,3-디메틸페놀, 3,4-디메틸페놀, 2,4,6-트리메틸페놀, 2,3,6-트리메틸페놀, 2,3,5-트리메틸페놀, 및 4-노닐페놀이 포함된다.
벤젠과 비페닐 유도체의 예에는 스티렌 모노머,α-메틸스티렌, 벤질 알콜, 아세토페논, 4´-에틸아세토페논, 2-메틸나프탈렌, 비페닐, 1,3-디아세틸벤젠, 디벤조푸란 (dibenzofuran), 플루오렌 (fluorene), 벤조페논 (benzophenone), 및 크산톤 (xanthone) 이 포함된다.
알데히드의 예에는 포름알데히드, 아세트알데히드, 및 벤즈알데히드가 포함된다.
유기산의 예에는 포름산, 아세트산, 및 락트산이 포함된다.
상기 디클로로벤젠 중에서는,p-디클로로벤젠 또는o-디클로로벤젠이 검출 목표인 것이 특히 바람직하며; 즉, 이들 물질 중 하나의 농도 분포를 얻는다.
상기 프탈산염 중에서는, 디메틸 프탈산염이 검출 목표인 것이 특히 바람직하며; 즉, 이 프탈산염의 농도 분포를 얻는다.
상기 휘발성 유기 화합물 (VOCs) 중에서는, 벤젠 또는 톨루엔이 검출 목표인 것이 특히 바람직하며; 즉, 이들 물질 중 하나의 농도 분포를 얻는다.
상기 알킬벤젠 중에서는, 에틸벤젠, 1,3,5-트리메틸벤젠, 또는 1,2,4-트리메틸벤젠이 검출 목표인 것이 특히 바람직하며; 즉, 이들 물질 중 하나의 농도 분포를 얻는다.
상기 페놀 산물 중에서는, 페놀, 2-메틸페놀, 4-메틸페놀, 또는 4-노닐페놀이 검출 목표인 것이 특히 바람직하며; 즉, 이들 물질 중 하나의 농도 분포를 얻는다.
비페닐 산물 중에서는, 모노클로로비페닐, 디클로로페닐, 또는 트리클로로비페닐이 검출 목표인 것이 특히 바람직하며; 즉, 이들 물질 중 하나의 농도 분포를 얻는다.
벤젠과 비페닐의 유도체 중에서는, 벤질 알콜, 아세토페논, 디벤조푸란, 또는 벤조페논이 검출 목표인 것이 특히 바람직하며; 즉, 이들 물질 중 하나의 농도 분포를 얻는다.
알데히드 중에서는, 포름알데히드, 아세트알데히드, 또는 벤즈알데히드가 검출 목표인 것이 특히 바람직하며; 즉, 이들 물질 중 하나의 농도 분포를 얻는다.
상기 측정 장치의 검출기 (59) 를 이용하여 PCB 및/또는 PCB 분해 산물을 검출한다.
도 24 는 이렇게-검출된 PCB 분해 산물의 농도 분포를 나타낸다.
도 24 는 상기 열수 분해 장치 (120) 에 의한 PCB 분해를 통해 얻어진 폐기액 (133) 에 포함된 PCB 분해 산물의 농도 분포를 나타낸다. 분해 산물에는 비페닐, 방향족 탄화수소, 모노클로로비페닐, 디클로로비페닐, 트리클로로비페닐, 및 C12H24, C15H28, 및 C15H30과 같은 탄화수소가 포함된다.
도 24 에 나타낸 바와 같이, PCB 는 검출되지 않는다.
[제 10 실시예]
상기 모니터링 시스템이 동작될 경우, 복수의 샘플링 포인트로부터 분석 샘플을 수집해야 한다. 이하에서는, 본 실시예와 관련하여, 멀티-포인트 측정의 일례를 설명한다.
도 25 는 본 실시예에 따른 유기 트레이스 성분 측정 장치의 전체적인 구조를 나타내는 개략도이다.
도 25 에 나타낸 바와 같이, 도관 기체 (51) 를 샘플링하는 샘플링 파이프 (11a 내지 11e) 의 제 1 단 (end) 은 도관 기체 (51) 가 통과하는 도관 기체 경로 (200) 상에 제공된 5 개의 샘플링 포인트 (200a 내지 200e) 에 접속된다. 샘플링 파이프 (11a 내지 11e) 의 제 2 단은 결합 파이프 (12) 의 제 1 단에 접속된다. 결합 파이프 (12) 의 제 2 단은 도 1 에 나타낸 검출 장치 (50) 의 샘플 도입 수단에 접속된다. 흡입 파이프 (13) 의 제 1 단 및 배출 파이프 (14) 의 제 1 단은결합 파이프 (12) 에 접속된다.
흡입 파이프 (13) 의 제 2 단 및 배출 파이프 (14) 의 제 2 단은 도관 기체 경로 (200) 에 접속된 배출 파이프 (15) 에 접속된다. 샘플링 파이프 (11a 내지 11e) 는 브랜치 파이프 (16a 내지 16e) 를 통해 배출 파이프 (15) 에 접속된다. 상기 검출 장치 (50) 의 진공 챔버 (52) 는 배출 파이프 (17) 를 통해 배출 파이프 (15) 에 접속된다. 검출 장치 (50) 의 TOFMAS (60) 는 배출 파이프 (18) 를 통해 배출 파이프 (15) 에 접속된다.
진공 전자식 밸브 (19a 내지 19e ; vacuum electromagnetic valves) 가 샘플링 파이프 (11a 내지 11e) 상에 각각 제공된다. 진공 전자식 밸브 (20) 및 다이어프램 펌프 (21) 가 흡입 파이프 (13) 상에 제공된다. 진공 전자식 밸브 (22) 및 로터리 스크롤 펌프 (23) 가 배출 파이프 (14) 상에 제공된다. 유량계 (24a 내지 24e) 및 다이어프램 펌프 (25a 내지 25e) 가 브랜치 파이프 (16a 내지 16e) 상에 각각 제공된다. 로터리 스크롤 펌프 (26) 가 배출 파이프 (17) 상에 제공된다. 고-진공 펌프 (27) 가 배출 파이프 (18) 상에 제공된다.
도 1 에 나타낸 바와 같이, 본 실시예에 이용된 검출 장치 (50) 는, 배출 파이프 (17) 에 접속되며 약 10-1torr 로 비워진 진공 챔버 (52); 결합 파이프 (12) 로부터 배출되는 도관 기체 (51) 를, 누설 분자 빔 (53) 으로서, 진공 챔버 (52) 로 연속적으로 도입하는 모세관 기둥 (54 ; 샘플 도입 수단); 누설 분자 빔 (53) 을 레이저 빔 (55) 으로 조사함으로써 이온화를 수행하는 레이저 조사 수단 (66);레이저 조사를 통해 이온화된 분자들을 수렴하며 복수의 이온 전극을 포함하는 수렴부 (56); 이렇게-수렴된 이온들을 선택적으로 트래핑하는 이온 트랩 (57); 및 진공 챔버 (52) 및 배출 파이프 (18) 에 접속되고, 약 10-7내지 약 10-8torr 의 높은 진공 레벨로 비워지며, 이온 트랩 (57) 으로부터 소정 간격으로 방출된 이온들을 반사하는 리플렉트론 (58) 및 이 이온들을 검출하는 이온 검출기 (59) 를 포함하는 TOFMAS (60) 를 구비한다.
검출 장치 (50) 의 TOFMAS (60) 이온 검출기 (59) 는 (나타내지 않은) 제어 챔버에 제공된 제어-동작 장치 (28) 의 입력부에 전기적으로 접속된다. 진공 전자식 밸브 (19a 내지 19e, 20, 및 22), 다이어프램 펌프 (21), 로터리 스크롤 펌프 (23 및 26), 고-진공 펌프 (27), 및 검출 장치 (50) 의 레이저 조사 수단 (66) 은 제어-동작 장치 (28) 의 출력부에 전기적으로 접속된다. 입력 장치 (29a) 및 디스플레이 장치 (29b) 가 제어-동작 장치 (28) 에 접속된다.
본 실시예에서는, 흡입 파이프 (13), 진공 전자식 밸브 (20), 및 다이어프램 펌프 (21) 가 기체 흡입 수단을 구성하고; 배출 파이프 (14), 진공 전자식 밸브 (22), 및 로터리 스크롤 펌프 (23) 가 정화 수단을 구성하며; 배출 파이프 (15) 및 브랜치 파이프 (16a 내지 16e) 가 복귀 파이프를 구성하고; 유량계 (24a 내지 24e) 및 다이어프램 펌프 (25a 내지 25e) 가 기체 순환 수단을 구성한다.
상기 구조를 가진 유기 트레이스 성분 측정 장치 (201) 는 다음과 같이 동작한다.
우선, 다이어프램 펌프 (25a 내지 25e) 를 작동시키고; 유량계 (24a 내지 24e) 를 이용하여, 파이프 (11a 내지 11e) 를 통과하는 도관 기체 (51) 각각의 유속을 확인하면서, 도관 기체 경로 (200) 를 통과하는 도관 기체 (51) 를 샘플링 포인트 (200a 내지 200e) 에서 샘플링하여, 샘플링 파이프 (11a 내지 11e) 로 도입하며; 도관 기체 (51) 를 브랜치 파이프 (16a 내지 16e) 를 통해 흐르게 하여 배출 파이프 (15) 를 통해 도관 기체 경로 (200) 로 복귀하게 한다. 상기 과정 동안, 진공 전자식 밸브 (19a 내지 19e, 20, 및 22) 는 잠겨 있다.
그 다음, 제어 동작 장치 (28) 가 동작할 때, 진공 전자식 밸브 (19a 및 20) 를 열고, 다이어프램 펌프 (21), 로터리 스크롤 펌프 (23 및 26), 및 고-진공 펌프 (27) 를 작동시킨다.
검출 장치 (50) 의 레이저 조사 수단 (66) 이 동작할 때, 도관 기체 경로 (200) 의 샘플링 포인트 (200a) 에서 샘플링되어 샘플링 파이프 (11a) 를 통과하는 도관 기체 (51) 가, 누설 분자 빔 (53) 으로서, 결합 파이프 (12) 및 검출 장치 (50) 의 모세관 기둥 (54) 을 통해 진공 챔버 (52) 로 도입된다. 분자 빔 (53) 을 레이저 빔 (55) 으로 조사함으로써 이온화를 수행하고, 관심 이온들 (ions of interest) 을 이온 트랩 (57) 내에 트래핑하며, 이렇게-트래핑된 이온들은 질량 분석기 (60) 의 이온 검출기 (59) 에 의해 검출된다. 이온 검출기 (59) 로부터 출력되는 신호에 기초하여, 제어-동작 장치 (28) 는, 도관 기체 경로 (200) 의 샘플링 포인트 (200a) 에서 샘플링된 도관 기체 (51) 에 포함된 독성 물질 (예를 들어, PCB) 과 같은 유기 트레이스 성분의 농도를 계산한다.
도관 기체 경로 (200) 의 샘플링 포인트 (200a) 에서 샘플링된 도관 기체 (51) 에 포함된 독성 물질의 농도를 상술한 바와 같이 계산한 후, 제어-동작 장치 (28) 를 이용해, 진공 전자식 밸브 (19a alc 20) 는 잠그고 진공 전자식 밸브 (22) 는 열어서, 도관 기체 경로 (200) 의 샘플링 포인트 (200a) 에서 샘플링되어 결합 파이프 (12) 에 잔류하는 도관 기체 (51) 를 배출 파이프 (15) 를 통해 도관 기체 경로 (200) 로 배출함으로써, 결합 파이프 (12) 의 내부를 정화한다.
상술한 바와 같이 결합 파이프 (12) 의 내부를 정화한 후, 제어-동작 장치 (28) 을 이용해, 진공 전자식 밸브 (22) 는 잠그고, 진공 전자식 밸브 (19b 및 20) 열어서, 도관 기체 경로 (200) 의 샘플링 포인트 (200b) 에서 샘플링되어 샘플링 파이프 (11b) 를 통과하는 도관 기체 (51) 를 결합 파이프 (12) 를 통해 검출 장치 (50) 의 레이저 조사-이온화 영역으로 도입한다. 그 다음, 상술한 것과 유사한 방법으로, 도관 기체 경로 (200) 의 샘플링 포인트 (200b) 에서 샘플링된 도관 기체 (51) 에 포함된 독성 물질의 농도를 측정한다. 그 후, 진공 전자식 밸브 (19b 및 20) 는 잠그고, 진공 전자식 밸브 (22) 는 열어서, 도관 기체 경로 (200) 의 샘플링 포인트 (200b) 에서 샘플링되어 결합 파이프 (12) 에 잔류하는 도관 기체 (51) 를 배출 파이프 (15) 를 통해 도관 기체 경로 (200) 로 배출함으로써, 결합 파이프 (12) 의 내부를 정화한다.
그 다음, 진공 전자식 밸브 (19c 내지 19e) 각각을 상술한 바와 유사한 방식으로 작동시킴으로써, 도관 기체 경로 (200) 의 각 샘플링 포인트 (200c 내지 200e) 에서 샘플링된 도관 기체 (51) 의 분석을 수행한다. 그 후, 도관 기체(51) 를 결합 파이프 (12) 로부터 배출함으로써, 파이프 (12) 의 내부를 정화한다.
본 실시예에 따르면, 단순히 검출 장치 (50) 를 이용하여, 도관 기체 경로 (200) 의 샘플링 포인트 (200a 내지 200e) 에서 샘플링된 도관 기체 (51) 에 포함된 독성 물질의 농도를 측정할 수 있다. 따라서, 이러한 측정에 필요한 비용을 절감할 수 있다.
각 샘플링 포인트 (200a 내지 200e) 로부터 도관 기체 (51) 를 샘플링한 후, 로터리 스크롤 펌프 (23) 를 이용하여 결합 파이프 (12) 내부를 정화하기 때문에, 각 샘플링 포인트 (200a 내지 200e) 에서 샘플링된 도관 기체 (51) 에 포함된 독성 물질의 농도를 정확하게 측정할 수 있다.
본 실시예에서는, 진공 전자식 밸브 (19a 내지 19e, 및 22) 를 이용한다. 그러나, 이러한 전자 밸브 대신에, 예를 들어, 전기 볼 밸브 또는 벨로스 밸브를 이용할 수도 있다.
본 실시예에서는, 진공 전자식 밸브 (20) 및 다이어프램 펌프 (21) 가 기체 흡입 수단을 구성하고, 진공 전자식 밸브 (22) 및 로터리 스크롤 펌프 (23) 가 정화 수단을 구성한다. 그러나, 개구를 미세하게 조절할 수 있는 밸브를 로터리 스크롤 펌프와 조합하여 이용할 경우, 기체 흡입 수단과 정화 수단은 통합될 수 있다.
본 실시예에 이용되는 검출 장치는 제 2 내지 제 8 실시예에 따른 장치 중 하나일 수 있다
[제 11 실시예]
상술한 모니터링 시스템을 이용하여, 긴 시간에 걸쳐 연속적으로 트레이스 성분을 측정할 경우, 정정 장치를 이용해야 한다. 이하, 본 실시예와 관련하여 정정 장치의 일례를 설명한다.
도 26 은, 본 실시예에 따른 유기 활로겐 물질 농도 정정 장치를 나타내는 개략도이다. 도 26 에 나타낸 바와 같이, 본 실시예의 유기 할로겐 물질 농도 정정 장치 (310) 는, 소정 농도의 유기 할로겐 물질 (311) 을 수용하는 표준 컨테이너 (312); 표준 컨테이너 (312) 에 수용된 유기 할로겐 물질 (311) 을 정화하는 정화 기체 (313) 를 공급하는 정화 기체 공급 튜브 (314); 및 정화 기체 (313) 를 수반하며, 소정 농도의 유기 할로겐 물질 (311) 을 포함하는 표준 기체 (315) 를 질량 분석기 (50) 로 도입하는 표준 기체 도입 튜브 (316) 를 구비한다.
정화 기체 공급 튜브 (314) 는 정화 기체를 표준 컨테이너로 공급하는 브랜치된 공급 라인 (321 ; branched feed line) 을 갖는다. 공급 라인 (321) 과 기체 배출 라인 (322) 상에 밸브 (323 및 324) 가 각각 제공된다. 정화 기체 공급 튜브 (314) 와 표준 기체 도입 튜브 (316) 사이에 밸브 (325) 를 제공하여 경로의 개폐 (opening and closure) 에 영향을 준다.
(나타내지 않은) 온도-유지 수단을 이용하여, 표준 컨테이너 (312) 의 내부 온도를 컨테이너 주위의 대기 온도보다 5 내지 30 ℃ 높은 온도로 유지함으로써, 컨테이너에 수용된 유기 할로겐 물질 (311) 의 포화 농도 (saturation concentration) 를 유지한다.
표 2 는, 상술한 유기 할로겐 물질 (311) 이 PCB 인 경우에 대한 포화 증기압과 PCB 농도 사이의 관계를 나타낸다.
상기 할로겐 물질이 2- 내지 4-Cl PCB 인 경우에는, 항온조 (thermostatic bath) 를 이용하여, 표준 컨테이너의 온도를 35 ℃ (즉, 실온 (25℃) + 10 ℃) 로 유지하는 것이 바람직하다.
상기 할로겐 물질이 5- 내지 7-Cl PCB 인 경우라면, 항온조를 이용하여, 표준 컨테이너의 온도를 50 ℃ (즉, 실온 (25℃) + 25 ℃) 로 유지하는 것이 바람직하다.
상업적으로 이용가능한 PCB 제품인 Kanechlor KC300 (Kanegafuchi Chemical Industry Co., Ltd 의 제품) 은 2-Cl PCB, 3-Cl PCB, 및 4-Cl PCB 를 포함한다. Kanechlor KC400 (Kanegafuchi Chemical Industry Co., Ltd 의 제품) 은 3-Cl PCB, 4-Cl PCB, 및 5-Cl PCB 를 포함한다. Kanechlor K60 (Kanegafuchi Chemical Industry Co., Ltd 의 제품) 은 5-Cl PCB, 6-Cl PCB, 및 7-Cl PCB 를 포함한다.
PCB 포화 농도를 소정 레벨로 유지하게 위해, 표준액 (standard liquid ; 예를 들어, n-헥산) 에 PCB 를 용해함으로써 준비된 PCB 용액을 표준 컨테이너로 공급하고; 이 컨테이너를 진공에서 1 시간 동안 화성 처리 (degassing treatment) 하여 n-헥산을 제거하며; 컨테이너를 밀폐하여 컨테이너의 온도를 1 시간동안 100 ℃ 로 유지함으로써, 컨테이너 내부의 PCB 농도를 균일하게 한다.
튜브 (316) 내부의 온도를 150 ±20 ℃ 로 유지하여 튜브 내벽에 유기 할로겐 물질이 부착되는 것을 막기 위해, 표준 기체 도입 튜브 (316) 상에 온도-유지 수단 (326 ; 예를 들어, 히터) 을 제공한다.
표준 기체 도입 튜브 (316) 와 표준 컨테이너 (312) 사이의 거리 (D) 는, 거리 (D) 가 표준 기체 도입 튜브 (316) 내경 (inner diameter ; φ) 의 약 10 배가 되도록 조절하는 것이 바람직하다.
거리 (D) 가 짧은 경우에는, 밸브 (324) 가 열리면, 가열된 기체가 표준 컨테이너로 진입한다. 따라서, 이러한 문제를 방지하기 위해, 상술한 바와 같이 거리 (D) 를 조절한다.
현재, 상술한 PCB 처리 장비로부터 배출되는 도관 기체의 조절 한계 (regulation limit) 는 0.15 mg/Nm3(즉, 15 ppb/V) 이다. 따라서, 상기 수치의 1/5 양의 PCB 를 포함하는 표준 기체를 질량 분석기의 농도 정정에 이용한다. 도 27 에 나타낸 바와 같이, 희석 기체 (327 ; dilution gas ; 예를 들어, 공기 또는 질소) 를 공급하는 희석 기체 공급 파이프 (328) 가 표준 기체 도입 튜브 (316) 상에 제공된다. 표준 기체 (315) 는 희석 기체 (327) 로 희석되어 소정 농도를 갖게 된다.
도 28 에 나타낸 바와 같이, 표준 컨테이너 (312) 는, 각각이 복수의 세공(pores) 을 가진 복수의 디스크 (331); 컨테이너의 저부 (bottom) 에 정화 기체 (313) 를 공급하는 공급 라인 (321) 을 구비한다. 정화 기체 (313) 는 컨테이너 (312) 의 저부에 주입된 다음, 디스크 (331) 의 많은 세공을 통과함으로써, 포화된 PCB 를 컨테이너의 외부로 운반한다.
이와 같이, 균일한 농도의 PCB 표준 샘플을 질량 분석기로 도입할 수 있다.
도 28 에서, 참조 번호 332 는 온도계를 가리킨다.
도 29 에 나타낸 바와 같이, 디스크 (331) 를 이용하는 대신에, 표준 컨테이너를 유리 섬유 또는 구슬 (333) 로 채울 수도 있다.
표준 컨테이너 (312) 의 내벽은, 예를 들어, 폴리테트라플루오르에틸렌 (polytetrafluoroethylene) 또는 실리콘 산화물로 이루어진 코팅층으로 덮여있다. 이러한 코팅층은 PCB 가 컨테이너의 내벽으로 침투하는 것을 방지하기 위해 제공된다.
도 30 에 나타낸 바와 같이, 표준 컨테이너 (312) 는 분리가능 구성 요소 (341 ; detachable member) 를 가진 분리가능한 카트리지 타입 (detachable cartridge type) 일 수 있다.
이와 같이, 표준 컨테이너 (312) 의 분리는 용이하게 실현되며, 임의적 타입의 표준 컨테이너가 제공될 수 있다.
도 30 에 나타낸 바와 같이, 분리가능 표준 컨테이너 (312) 가 밀폐된 컨테이너 (342 ; hermetic container) 에 제공될 수 있다. 컨테이너 (312) 가 밀폐 컨테이너 (342) 에 제공될 경우, 컨테이너 (312) 부착/분리 과정 동안 외부로의PCB 누설을 방지할 수 있다.
검출 물질이 표준 컨테이너 (312) 로 공급되며, 검출 물질을 검출하는 센서가 밀폐 컨테이너 (342) 에 제공될 경우, 컨테이너 (342) 의 부적절한 부착을 초기 단계에서 발견할 수 있다.
상기 검출 물질은 다른 물질들 중에서 수소인 것이 바람직하다. 수소를 몇 % 양으로 (in an amount of about some percent) 포함하는 정화 기체 (313) 가 컨테이너 (312) 로 공급되고, 공지된 검출 수단이 밀폐 컨테이너 (342) 내벽 상에 제공될 경우, 수소의 누설을 신속하게 검출할 수 있다. 그 결과, 수소 (검출 물질) 의 검출을 통해, 컨테이너의 부적절한 부착을 발견할 수 있다. 정화 기체의 수소량은 100 % 일 수 있다. 그러나, 수소의 누설을 고려하면, 정화 기체의 수소량은 4 % (즉, 수소의 저폭발성 제한 ; the lower explosive limit of hydrogen) 이하인 것이 바람직하다.
유기 할로겐 물질을 샘플링하는 라인 (300) 이 카트리지-타입 표준 컨테이너 (312) 를 포함하는 밀폐 컨테이너에 제공될 경우, 제 1 내지 제 7 실시예 중의 어느 하나에 따른 측정 장치 (50) 를 구비하는 측정 시스템 (61) 을 이용하여 유기 할로겐 물질의 농도에 대한 온-라인 측정 (on-line measurement) 을 수행할 수 있다.
상기 할로겐 물질 농도 정정 장치 (310) 가 제공될 경우, PCB 처리 장비의 PCB 농도를 연속적으로 측정한다면, TOFMAS (60) 에서 측정 조건의 변경이 발생하더라도, 이러한 변경을 신속하게 정정할 수 있다.
모니터링을 위한 소정 농도의 내부 표준 기체 (35 ; 예를 들어, 모노클로로벤젠) 를 샘플 도입 튜브 (51) 및 정화 기체 공급 튜브 (314) 로 공급한다. 측정 조건의 변경은 기체 (35) 의 농도를 모니터링하는 것에 의해 확인될 수 있다.
일반적으로, 상기 장치를 이용하여 측정된 PCB 농도는 거의 0 에 가깝다. 따라서, 이렇게-측정된 PCB 농도가 실제로 0 인지 또는 측정 장치의 비정상적인 동작 또는 파이프의 막힘 (stuffing) 으로 인해 부정확하게 0 으로 결정된 것인지를 판단하기가 어렵다. 그러나, 상기 모니터링 기체가 공급될 경우, 이렇게-공급된 모니터링 기체에 대응되는 피크의 강도가 변한다면 - 일반적으로 피크의 강도는 일정하지만 -, 측정 장치의 비정상적인 동작 또는 파이프의 막힘을 신속하게 발견할 수 있다.
모니터링 기체 (35) 에 대응되는 피크 강도와 표준 기체 (315) 에 대응되는 피크 강도 사이의 비 (ratio) 를 확인함으로써, 표준 기체 (315) 의 농도를 정정할 수 있다.
도 31 은 표준 기체 및 모니터링 기체의 측정 결과를 나타내는 도표이다.
본 발명의 정정 장치에 이용될 수 있는 측정 장치는 상기 측정 장치로 제한되지 않는다.
상기 측정 장치를 이용하여 소정 간격으로 PCB 의 농도를 측정할 경우, 소정 주기 (예를 들어, 1 주일 또는 10 일) 가 지난 후, 농도 정정용 기체를 정정 장치로부터 측정 장치로 공급한다면, 측정 장치가 적절히 동작할 수 있다.
산업상 이용가능성
상술한 바와 같이, 본 발명은 기체에 포함된 유기 할로겐 물질을 검출하는 장치를 제공한다. 검출 장치는, 수집된 샘플을 진공 챔버로 연속적으로 도입하는 샘플 도입 수단; 이렇게-도입된 샘플을 레이저 빔으로 조사하여 샘플을 이온화하는 레이저 조사 수단; 레이저 조사를 통해 이온화된 분자들을 수렴하는 수렴부; 이렇게-수렴된 분자들을 선택적으로 트래핑하는 이온 트랩; 및 소정 간격으로 방출되는 이온들을 검출하는 이온 검출가 통합된 TOFMAS 를 구비한다. 검출 장치는, PCB 및 다이옥신과 같은 유기 할로겐 물질의 신속한 분석을 가능하게 한다.
Claims (50)
- 수집된 샘플을 진공 챔버로 연속적으로 도입하는 샘플 도입 수단;상기-도입된 샘플을 레이저 빔으로 조사하여 상기 샘플을 이온화하는 레이저 조사 수단;레이저 조사를 통해 이온화된 분자들을 수렴하는 수렴부;상기-수렴된 분자들을 선택적으로 트래핑하는 이온 트랩; 및소정 간격으로 방출되는 이온들을 검출하는 이온 검출기가 통합된 TOFMAS (time-of-flight mass spectrometer) 를 구비하는 것을 특징으로 하는 유기 트레이스 성분의 검출 장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 샘플 도입 수단은 모세관 기둥이고,상기 모세관 기둥의 선단은 상기 수렴부로 돌출한 것을 특징으로 하는 유기 트레이스 성분의 검출 장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 모세관 기둥은 석영 또는 스테인레스 스틸로 이루어진 것을 특징으로 하는 유기 트레이스 성분의 검출 장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 레이저 조사 수단으로부터 방사되는 레이저 빔은 300 nm 이하의 파장을 갖는 것을 특징으로 하는 유기 트레이스 성분의 검출 장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 레이저 조사 수단으로부터 방사되는 레이저 빔은 피코초 오더의 펄스폭을 갖는 것을 특징으로 하는 유기 트레이스 성분의 검출 장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 레이저 조사 수단으로부터 방사되는 레이저 빔은 1 MHz 이상의 펄스 주파수를 갖는 것을 특징으로 하는 유기 트레이스 성분의 검출 장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 유기 트레이스 성분은 PCB (polychlorinated biphenyl) 분해 처리가 수행된 처리 장비내의 기체에 포함된 PCB 인 것을 특징으로 하는 유기 트레이스 성분의 검출 장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 유기 트레이스 성분은 PCB 분해 처리가 수행된 처리 장비로부터 배출되는 도관 기체 또는 폐기액에 포함된 PCB 인 것을 특징으로 하는 유기 트레이스 성분의 검출 장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 레이저 조사 수단으로부터 방사되는 레이저 빔은 300 nm 이하의 파장, 1000 피코초 이하의 펄스폭, 및 1 GW/cm2이하의 에너지 밀도를 가지고;상기 유기 트레이스 성분의 분해를 억제하면서 상기 유기 트레이스 성분을 검출하는 것을 특징으로 하는 유기 트레이스 성분의 검출 장치.
- 제 9 항에 있어서,상기 레이저 빔은 1 내지 0.01 GW/cm2의 에너지 밀도를 갖는 것을 특징으로 하는 유기 트레이스 성분의 검출 장치.
- 제 9 항에 있어서,상기 유기 트레이스 성분이 저-염소 PCB 일 경우, 상기 레이저 빔은 250 내지 280 nm 의 파장, 500 내지 100 피코초의 펄스폭, 및 1 내지 0.01 GW/cm2의 에너지 밀도를 갖는 것을 특징으로 하는 유기 트레이스 성분의 검출 장치.
- 제 9 항에 있어서,상기 유기 트레이스 성분이 고-염소 PCB 일 경우, 상기 레이저 빔은 270 내지 300 nm 의 파장, 500 내지 1 피코초의 펄스폭, 및 1 내지 0.01 GW/cm2의 에너지 밀도를 갖는 것을 특징으로 하는 유기 트레이스 성분의 검출 장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 레이저 빔은 라만 셀을 통과한 것을 특징으로 하는 유기 트레이스 성분의 검출 장치.
- 제 13 항에 있어서,상기 라만 셀은 수소를 포함하는 것을 특징으로 하는 유기 트레이스 성분의 검출 장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 이온 트랩은, 이온화된 분자가 진입하는 작은 홀을 가진 제 1 엔드 캡 전극, 트래핑된 분자가 방출되는 작은 홀을 가지며, 상기 제 1 엔드 캡 전극과 대향하는 제 2 엔드 캡 전극, 및 상기 이온 트랩에 고-주파 전압을 인가하는 고-주파 전극을 구비하고;상기 제 1 엔드 캡 전극의 전압은 상기 이온화된 분자들을 수렴하는 이온 수렴부의 전압보다 낮고, 상기 제 2 엔드 캡 전극의 전압은 상기 제 1 엔드 캡 전극의 전압보다 높으며;상기 이온 트랩 내의 분자들을 선택적으로 감속하면서, 상기 이온화된 분자들을 상기 고-주파 전압의 인가하에 트래핑하는 것을 특징으로 하는 유기 트레이스 성분의 검출 장치.
- 제 15 항에 있어서,상기 이온 트랩 내에 비활성 기체가 흐르는 것을 특징으로 하는 유기 트레이스 성분의 검출 장치.
- 제 15 항에 있어서,이온화 영역은 1 ×10-3torr 의 진공을 가지고, 상기 이온 수렴부 및 상기 이온 트랩은 1 ×10-5torr 의 진공을 가지며, 상기 TOFMAS 는 1 ×10-7torr 의 진공을 갖는 것을 특징으로 하는 유기 트레이스 성분의 검출 장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 레이저 조사 수단으로부터 방사되는 레이저 빔은 반복적으로 반사되어, 상기 반사된 레이저 빔이 상기 이온화 영역 내에서 서로 오버랩되지 않는 것을 특징으로 하는 유기 트레이스 성분의 검출 장치.
- 제 18 항에 있어서,상기 레이저 조사 수단으로부터 방사되는 레이저 빔은 대향하는 프리즘을 이용하여 반복적으로 반사되어, 상기 반사된 레이저 빔이 동일한 경로를 통과하지 않는 것을 특징으로 하는 유기 트레이스 성분의 검출 장치.
- 수집된 샘플을 연속적으로 진공 챔버로 도입하는 단계;상기-도입된 샘플을 레이저 빔으로 조사함으로써 상기 샘플을 이온화하는 단계;레이저 조사를 통해 이온화된 분자들을 수렴하면서, 상기 분자들을 이온 트랩에 선택적으로 트래핑하는 단계; 및TOFMAS 를 이용하여, 상기 이온 트랩으로부터 소정 간격으로 방출되는 이온들을 검출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 기체의 유기 트레이스 성분 검출 방법.
- 제 20 항에 있어서,상기 기체는, PCB 분해 처리가 수행된 처리 장비내의 기체인 것을 특징으로 하는 기체의 유기 트레이스 성분 검출 방법.
- 제 20 항에 있어서,상기 이온 트랩은, 상기 이온화된 분자가 진입하는 작은 홀을 가진 제 1 엔드 캡 전극, 상기 트래핑된 분자가 방출되는 작은 홀을 가지며, 상기 제 1 엔드 캡전극과 대향하는 제 2 엔드 캡 전극, 및 상기 이온 트랩으로 고-주파 전압을 인가하는 고-주파 전극을 구비하고;상기 제 1 엔드 캡 전극의 전압은 상기 이온화된 분자들을 수렴하는 이온 수렴부의 전압보다 낮고, 상기 제 2 엔드 캡 전극의 전압은 상기 제 1 엔드 캡 전극의 전압보다 높으며;상기 이온 트랩내의 분자들을 선택적으로 감속하면서, 상기 고-주파 전압의 인가하에 상기 이온화된 분자들을 트래핑하는 것을 특징으로 하는 기체의 유기 트레이스 성분 검출 방법.
- 제 22 항에 있어서,상기 이온 트랩 내에는 비활성 기체가 흐르고, 이온화 영역은 1 ×10-3torr 의 진공을 가지며, 상기 이온 수렴부와 상기 이온 트랩은 1 ×10-5torr 의 진공을 가지고, 상기 TOFMAS 는 1 ×10-7torr 의 진공을 갖는 것을 특징으로 하는 기체의 유기 트레이스 성분 검출 방법.
- 제 21 항에 있어서,상기 기체는 PCB 분해 처리가 수행된 처리 장비내의 기체인 것을 특징으로 하는 기체의 유기 트레이스 성분 검출 방법.
- 제 21 항에 있어서,상기 레이저 조사 수단으로부터 방사되는 레이저 빔은 반복적으로 반사되어, 상기 반사된 레이저 빔이 상기 이온화 영역 내에서 서로 오버랩되지 않는 것을 특징으로 하는 기체의 유기 트레이스 성분 검출 방법.
- 제 25 항에 있어서,상기 레이저 조사 수단으로부터 방사되는 레이저 빔은 대향하는 프리즘을 이용하여 반복적으로 반사되어, 상기 반사된 레이저 빔이 동일한 경로를 통과하지 않는 것을 특징으로 하는 기체의 유기 트레이스 성분 검출 방법.
- 제 1 항에 기재된 TOFMAS 를 이용하여, 독성 물질을 분해하는 반응기를 구비하는 독성 물질 분해 장치에서 분해 처리가 수행된 후의 폐기액에 포함된 독성 물질 및/또는 상기 독성 물질의 분해를 통해 생성된 산물의 농도 분포를 측정하는 단계; 및측정된 상기 독성 물질 및/또는 상기 독성 물질 분해 산물의 농도 분포에 기초하여, 독성 물질의 분해 처리에 대한 조건을 최적화하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 독성 물질 분해 처리의 제어 방법.
- 제 27 항에 있어서,상기 독성 물질 분해 산물은, 예를 들어, 디클로로벤젠, 프탈산염, 휘발성유기 화합물, 페놀, 비페닐, 벤젠 또는 비페닐의 유도체, 알데히드, 유기산, 또는 방향족 탄화수소인 것을 특징으로 하는 독성 물질 분해 처리의 제어 방법.
- 유기 할로겐 물질이 탄산나트륨 (Na2CO3) 존재하의 탈염소 반응 및 산화-분해 반응 (dechlorination and oxidation-decomposition) 을 통해, 예를 들어, 염화나트륨 (NaCl) 및 이산화탄소 (CO2) 로 분해되는 가열, 가압된 반응기를 포함하는 열수 산화-분해 장치;상기 열수 산화-분해 장치로부터 배출되는 폐기액에 포함된 독성 물질 및/또는 상기 독성 물질의 분해를 통해 생성된 산물의 농도를 측정하는 제 1 항에 기재된 유기 트레이스 성분의 검출 장치; 및상기 유기 트레이스 성분의 검출 장치로부터 얻어진 측정 결과에 기초하여, 상기 열수 산화-분해 장치의 동작을 제어하는 동작 제어 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 유기 물질 분해 처리 시스템.
- 제 29 항에 있어서,상기 열수 산화-분해 장치는,사이클론 분리기 (cyclone separator) 를 포함하는 실린더형의 제 1 반응기;오일 또는 유기 용매, 독성 물질, 물 (H2O), 수산화나트륨 (NaOH) 을 가압하는 가압 펌프;상기 물을 예비적으로 가열하는 예열히터;나선형 파이프를 가진 제 2 반응기;상기 제 2 반응기로부터 배출되는 처리된 액 (treated liquid) 을 냉각하는 냉각기;상기 처리된 액을 기체-액체로 분리하는 기체-액체 분리 수단; 및압력 저감 밸브를 구비하는 것을 특징으로 하는 유기 물질 분해 처리 시스템.
- 제 29 항에 있어서,상기 동작 제어 수단은, 상기 독성 물질 분해 처리 시스템의 가열, 상기 시스템의 가압, 상기 독성 물질 처리용 액체의 공급량, 산화제의 공급량, 및 수산화나트륨 (NaOH) 의 공급량 중에서 선택되는 하나 이상을 제어하는 것을 특징으로 하는 유기 물질 분해 처리 시스템.
- 제 1 항에 기재된 유기 트레이스 성분의 검출 장치;기체가 통과하는 기체 경로 상에 제공된 샘플링 포인트로부터 상기 기체를 샘플링하는 복수의 샘플링 파이프;상기 샘플링 파이프 각각에 제공되는 밸브;상기 샘플링 파이프를 상기 검출 장치의 레이저 조사 수단에 접속하는 결합 파이프;상기 결합 파이프에 접속되며, 상기 기체를 순환시키는 기체 흡입 수단; 및상기 결합 파이프에 접속되며, 상기 샘플링 파이프 각각에 제공된 밸브와 상기 검출 장치 사이 부분에 잔류하는 기체를 외부로 배출하는 정화 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 유기 트레이스 성분 측정 장치.
- 제 32 항에 있어서,상기 밸브와, 상기 각 샘플링 파이프와 상기 기체 경로가 접속되는 포인트 사이에 제공되며, 상기 기체 경로에 접속되는 복귀 파이프; 및상기 복귀 파이프 상에 제공되어 기체를 순환시키는 기체 순환 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 유기 트레이스 성분 측정 장치.
- 제 32 항에 있어서,상기 기체 흡입 수단은 상기 결합 파이프에 접속된 다이어프램 펌프, 및 상기 결합 파이프와 상기 다이어프램 펌프 사이에 제공되는 밸브를 구비하는 것을 특징으로 하는 유기 트레이스 성분 측정 장치.
- 제 32 항에 있어서,상기 정화 수단은 상기 결합 파이프에 접속된 로터리 스크롤 펌프, 및 상기 결합 파이프와 상기 로터리 스크롤 펌프 사이에 제공되는 밸브를 구비하는 것을 특징으로 하는 유기 트레이스 성분 측정 장치.
- 제 32 항에 있어서,상기 밸브는 진공 전자식 밸브, 전기 볼 밸브, 및 벨로스 밸브 중에서 선택되는 어느 하나의 밸브인 것을 특징으로 하는 유기 트레이스 성분 측정 장치.
- 제 1 항에 기재된 유기 트레이스 성분의 검출 장치를 정정하는 유기 할로겐 물질 농도 정정 장치로서,소정 농도의 유기 할로겐 물질을 수용하는 표준 컨테이너; 및상기 유기 할로겐 물질을 정화하는 정화 기체를 상기 표준 컨테이너에 공급함으로써, 상기 정화 기체를 수반하는 유기 할로겐 물질을 질량 분석기로 도입하는 표준 기체 도입 튜브를 구비하는 것을 특징으로 하는 유기 할로겐 물질 농도 정정 장치.
- 제 37 항에 있어서,상기 표준 컨테이너의 온도를 상기 컨테이너를 둘러싸고 있는 대기 온도보다 5 내지 100 ℃ 높은 온도로 유지하는 온도-유지 수단을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 유기 할로겐 물질 농도 정정 장치.
- 제 37 항에 있어서,상기 표준 기체 도입 수단의 온도를 150 ℃ 이상으로 유지하는 온도-유지 수단을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 유기 할로겐 물질 농도 정정 장치.
- 제 37 항에 있어서,상기 표준 컨테이너에 복수의 세공 (pores) 을 가진 디스크가 제공되는 것을 특징으로 하는 유기 할로겐 물질 농도 정정 장치.
- 제 37 항에 있어서,상기 표준 컨테이너는 유리 섬유 또는 구슬로 채워지는 것을 특징으로 하는 유기 할로겐 물질 농도 정정 장치.
- 제 40 항에 있어서,정화 기체를 공급하는 공급 튜브는, 상기 공급 튜브의 출구가 저부 (bottom) 에 면하도록 상기 표준 컨테이너의 저부에 제공되고, 공급된 정화 기체는 상기 컨테이너의 상부로부터 배출되는 것을 특징으로 하는 유기 할로겐 물질 농도 정정 장치.
- 제 37 항에 있어서,상기 표준 컨테이너의 내벽은 폴리테트라플루오르에틸렌 또는 실리콘 산화물로 이루어진 코팅층으로 덮여 있는 것을 특징으로 하는 유기 할로겐 물질 농도 정정 장치.
- 제 37 항에 있어서,상기 표준 컨테이너는 제거가능하게 (removably) 제공되는 것을 특징으로 하는 유기 할로겐 물질 농도 정정 장치.
- 제 44 항에 있어서,상기 제거가능 표준 컨테이너는 밀폐 컨테이너 (hermetic container) 에 제공되는 것을 특징으로 하는 유기 할로겐 물질 농도 정정 장치.
- 제 45 항에 있어서,상기 표준 컨테이너로 검출 물질이 공급되고, 상기 검출 물질을 검출하는 센서가 상기 밀폐 컨테이너에 제공되는 것을 특징으로 하는 유기 할로겐 물질 농도 정정 장치.
- 제 46 항에 있어서,상기 검출 물질은 수소인 것을 특징으로 하는 유기 할로겐 물질 농도 정정 장치.
- 제 37 항에 있어서,상기 샘플은 PCB 를 포함하는 것을 특징으로 하는 유기 할로겐 물질 농도 정정 장치.
- 제 37 항에 기재된 유기 할로겐 물질 농도 정정 장치를 이용하여, 소정 간격으로 유기 할로겐 물질의 농도를 정정하면서, 상기 유기 할로겐 물질을 검출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 유기 트레이스 성분의 검출 방법.
- 제 49 항에 있어서,상기 샘플은 PCB 를 포함하고, 상기 유기 할로겐 물질은 PCB 인 것을 특징으로 하는 유기 트레이스 성분의 검출 방법.
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