KR20030080533A - 자외선을 이용한 토양 유류 오염 실시간 측정 시스템 및측정 방법 - Google Patents

자외선을 이용한 토양 유류 오염 실시간 측정 시스템 및측정 방법 Download PDF

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이덕기
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자인테크놀로지(주)
한국표준과학연구원
박재우
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Abstract

본 발명은 토양 중의 유류 오염물의 주요 성분인 BTEX(벤젠, 톨루엔, 에틸벤젠, 및 자일렌) 등이 특정의 파장 대역의 자외선을 흡수하여 일정한 파장 대역의 형광을 방출하는 원리를 이용하여 간단한 조작으로 토양 유류 오염을 현장에서 실시간으로 상시 측정할 수 있도록 한 토양 오염 측정 시스템 및 그에 의한 측정 방법에 관한 것이다. 그러한 토양 유류 오염 측정 시스템은 광원, 광원으로부터 발진된 광 및 토양 중의 유류 오염물로부터 방출되는 형광을 전송하는 파이버 프로브, 광 또는 형광을 파이버 프로브 또는 토양에 집속하는 제1 및 제2 집속 장치, 토양 중의 유류 오염물로부터 방출된 형광을 검출하는 형광 검출 장치, 형광 중에 들어 있는 다른 광 성분을 필터링하는 필터링 장치; 및 검출된 형광 신호로부터 그 파장 대역 및 세기를 측정하는 계측 장치를 포함한다. 그러한 측정 시스템은 선행 기술에서와는 달리 자외선을 이용하여 유류 오염을 직접 현장에서 측정하므로, 조기에 오염 여부를 탐지하여 그 오염의 진행 및 확산을 방지함으로써 막대한 복원 비용을 크게 줄일 수 있는 효과가 있다.

Description

자외선을 이용한 토양 유류 오염 실시간 측정 시스템 및 측정 방법{REAL-TIME SYSTEM AND METHOD FOR MEASURING OIL POLLUTION IN SOIL USING ULTRAVIOLET RAY}
본 발명은 자외선을 이용한 토양 유류 오염 측정 시스템 및 측정 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 토양 중의 유류 오염물이 자외선을 흡수하여 특정의파장 대역의 형광을 방출한다는 원리를 이용하여 오염 현장에서 직접 실시간으로 토양 오염도를 상시 측정할 수 있도록 한 측정 시스템 및 그 측정 시스템에 의한 측정 방법에 관한 것이다.
토양 오염의 유해성 및 그 지속성에 비해 그에 대한 경각심이나 대비책이 크게 부족하였던 것이 최근까지의 실정이었다. 그러나, 토양 오염이 자연 생태에, 그리고 궁극적으로 인체에 악영향을 미치게 됨을 뒤늦게나마 인식하게 되어 1996년에 토양 환경 보전법이 제정 및 시행되기에 이르렀는데, 그 토양 환경 보전법은 유류와 유독물 등을 제조 및 저장하는 시설, 장치, 건물, 구축물, 및 장소를 토양 오염 유발 시설로서 규정하고 있고, 그에 따라 당해 시설 등은 그 법률에 따른 관리를 받게 되었다.
토양의 특성상, 예컨대 유류 저장 시설과 같은 토양 오염 유발 시설에 의해 일단 토양이 오염되고 나면, 그 오염을 정화 및 복원하는데 엄청난 비용과 시간이 소요되어 환경 및 경제적으로 그 피해가 실로 막대하게 된다. 따라서, 전술된 법률에 따른 관리에 있어서는 오염에 대한 책임 및 처벌의 차원을 떠나 토양 오염 그 자체를 조기에 확실하게 탐지하여 오염의 진행을 미연에 방지하도록 하는 것이 필수적이다. 즉, 토양 오염 유발 시설을 효율적으로 관리하기 위해서는 신속하고 간단하면서도 낮은 비용으로 현장에서 토양 오염을 상시 측정할 수 있는 것이 요구된다.
국내 특허 공개 1999년 제0061772호(등록 번호 제10-0251890호)는 삼각 매트릭스법에 의해 선정된 토양 시료 채취 지점으로부터 토양 시료를 채취하여 시료 중의 유류 오염물의 농도를 산출함으로써 오염 분포도를 작성하는 토양 유류 오염 조사 방법을 개시하고 있다.
그러나, 그러한 방법은 일단 토양이 유류로 오염되고 난 후에 그 오염의 분포를 좀더 경제적이고 체계적으로 규명하려는 것에 불과할 뿐이지 결코 토양 유류 오염을 조기에 탐지할 수 있는 것이 아니다. 즉, 그 방법을 비롯한 종래의 대부분의 토양 유류 오염 측정 방법은 오염 현장에서 시료를 채취한 후에 그 시료를 실험실로 가져와서 적절한 전처리 과정 및 메탄올 등의 용매를 이용한 추출 과정을 거쳐 가스 크로마토그래피(gas chromatography; GC) 또는 질량 분석기(mass spectrometer; MS)로 유류 오염물을 분석하는 형식의 오프라인 측정 방법으로서, 요구되는 바와 같이 신속하고도 간단하게 현장에서 토양 유류 오염을 상시 측정할 수 있는 것이 아니다.
아울러, 그러한 종래의 방법에서는 시료 채취 시에 생기는 손실이나 시료를 현장으로부터 분석 기기로 이송하는 동안에 발생되는 손실 등에 기인한 측정 오차가 불가피하고, 시료의 채취로부터 분석 결과를 얻기까지 장시간이 소요될 뿐만 아니라, 여러 번에 걸친 시료 채취가 곤란하여 소수의 시료로부터 측정 결과를 얻을 수밖에 없음으로 인해 그 신뢰성도 떨어지는 단점이 있다. 아울러, 시료 채취자가 현장의 유류 오염물에 직접 노출되는 위험이 있어 그에 대한 대책도 요구된다.
현재, 여러 가지 손실을 최소화시킬 수 있는 휴대용 GC 등이 사용되고 있기는 하지만, 그것도 역시 현장에서의 상시 측정에는 적용될 수 없는 것으로, 특히 그 측정 범위가 매우 작은 단점이 있는 이외에, 측정자가 현장의 유류 오염물에 노출될 위험에 있어서는 전술된 방법과 다를 바가 없다.
최근, 분광학적인 원리에 입각한 측정 방법을 유류 오염의 측정에 활용하는 기술이 선진국에서 개발된 바 있으나, 국내에서는 아직 그 도입이 전무한 상태이고, 특히 선진국에서도 토양 중에 함유되어 있는 오염물보다는 지하수 중에 존재하는 오염물을 측정하는데 보다 더 중점을 두고 있다.
예컨대, 일본 특허 출원 공개 소화 53년 제123995호는 자외선을 조사하여 수중 오염물의 양을 측정하는 방법을 개시하고 있고, 일본 특허 출원 공개 평성7년 제055798호는 자외선 방사에 의한 산화 반응 전후의 흡광률의 변화를 통해 수중 오염물을 측정하는 방법을 개시하고 있으며, 미국 특허 제3,411,012호는 적외선 방사에 의해 수중의 오염물의 농도를 측정하는 장치를 개시하고 있다. 그러한 방법 및 장치는 토양 중의 유류 오염물이 아니라 수중의 유기 오염물 또는 동위 원소를 측정한다는 점 이외에, 물 시료를 채취하여 그 시료를 대상으로 측정을 한다는 점에서 토양 유류 오염의 현장 측정에 적용될 수 있는 기술이 아니다.
또한, 일본 특허 출원 공개 소화 63년 제012937호는 오일 중의 오염물을 측정하는 방법 및 장치를 개시하고 있는데, 그것은 토양 중의 유류 오염물이 아니라 오일 중의 외래 물질 및 수분을 측정한다는 점 이외에, 단순히 검사 대상의 오일로부터 외래 물질을 분리하기 전후에 걸친 광 변화량 및 그 차이를 계산하여 오염물을 측정한다는 점에서 분광학적 원리에 의거한 토양 유류 오염 측정과는 무관한 기술이다.
또한, 미국 특허 제4,306,151호는 오염물의 존재 하에서 특정의 재료에 결합된 물질의 양을 측정하는 방법을 개시하고 있는데, 그것은 당해 물질과 오염물의 전자 방사 흡수 특성이 상이한 것을 이용하여 그 물질의 양을 측정하는 것으로서, 주로 탄소 오염물의 존재 하에서 재활용 종이 재료 중의 수분 함량을 측정할 경우를 전제로 하고 있다. 그러한 방법은 특정의 재료 중의 당해 물질의 함량을 측정할 경우에 오염물의 존재로 인한 영향을 배제시키기 위한 기술이지 오염물 그 자체를 측정하기 위한 것이 아니라는 점 이외에, 발광 특성이 아니라 전자 방사 흡수 특성을 이용한다는 점에서 오염물의 발광 특성을 이용한 토양 유류 오염 측정과는 별개의 기술이다.
또한, 일본 특허 출원 공개 2000년 제171393호는 적외 광 및 자외 광을 방사하여 반사 광 또는 투과 광의 주파수 또는 파장을 분석함으로써 지하수 중의 오염물의 성분 및 농도를 측정하는 방법 및 장치를 개시하고 있는데, 그것은 토양 중의 유류 오염물이 아니라 지하수 중의 오염물을 측정한다는 점 이외에, 반사 광 또는 투과 광의 흡수 스펙트럼을 이용한다는 점에서 역시 오염물의 발광 특성을 이용한 토양 유류 오염 측정과는 거리가 있다.
한편, 광 통신 기술의 비약적 발전에 힘입어 그러한 광 통신 기술을 접목한 분광학적 측정 시스템도 개발되었는데, 예컨대 "ROSTTM(Rapid Optical Screen Tool) 시스템" 및 "LIF-EEM(Laser Induced Fluorescence Excitation Emission Matrix) 시스템" 등과 같이 레이저를 이용한 기술이 그에 포함된다.
ROSTTM시스템은 Nd-YAG 펄스 레이저로 광 펌핑한 다이 펄스 레이저(dyepulse laser)를 광 섬유를 사용하여 토양 중의 오염물에 입사시킨 후에 토양 중의 오염물로부터 나오는 형광을 측정하되, 파장 및 시간에 따른 형광 세기를 측정하여 토양 오염도 및 오염물을 규명하는 시스템이다. 그러한 시스템은 소위 콘 관입 시험기(cone penetrometer)를 사용하여 토양에 깊숙이 구멍을 뚫고 광 섬유를 토양 속으로 집어넣어 측정을 하게 되어 있다. 그러나, 그러한 시스템에는 다이 레이저뿐만 아니라 다이 레이저를 펌핑하는 Nd-YAG 레이저 및 측정 장치가 상당한 고가이고, 측정 원리가 복잡하여 전문가만이 측정 시스템을 사용할 수 있을 뿐인 단점이 있다. 또한, 그 시스템은 토양 오염이 우려되는 장소를 항상 감시하여 토양 오염의 진행을 미연에 방지하려는 상시 감시 시스템이 아니라, 토양 오염 감시 기관 등이 차량을 이용하여 장소를 이동해 가면서 이미 오염된 토양을 밝혀내려는 목적 등으로 의도된 시스템이다.
LIF-EEM 시스템도 역시 ROSTTM시스템과 매우 유사한 시스템인데, 다만 광원으로서의 Nd-YAG 레이저로 광 펌핑한 라만 시프터(Raman Shifter)를 사용한다는 점과 측정량으로서 여기 파장과 형광 파장에 따른 형광의 세기를 측정한다는 점에서 상이하다. 그러한 시스템도 마찬가지로 매우 고가이고, 상시 감시 시스템으로서는 적합하지 않다.
한편, 광을 이용한 측정 원리로서 흡광도를 측정하는 방법 등이 연구되었으나, 그러한 흡광도는 광이 토양 입자를 투과하지 못하기 때문에 토양에는 적용되기 어려운 단점이 있고, 또한 측정 한계가 좁아 저 농도의 오염을 분석하기 곤란한 단점이 있다. 광의 흡수 특성 내지 흡수 스펙트럼을 이용하는 전술된 선행 기술도역시 그러한 이유 때문에 토양 오염을 측정하는데는 부적합하고, 단지 지하수를 그 측정 대상으로 하고 있을 뿐이다.
따라서, 본 발명의 목적은 전술된 선행 기술의 문제점을 해결한 획기적인 시스템으로서, 기존의 분석 방법과 같이 시료의 채취, 시료의 전처리, 용매 추출, GC 분석 등의 복잡한 단계를 거치지 않고, 측정하려는 오염물, 특히 토양 중의 유류 오염물의 상당 부분을 차지하는 BTEX(벤젠, 톨루엔, 에틸벤젠, 자일렌; Benzene, Toluene, Ethyl benzene and Xylene)와 PAHs(다환 방향족 탄화수소류; Polycyclic Aromatic Hydrocarbons)가 특정의 자외선 대역의 광을 흡수하여 일정한 파장 대역의 형광을 방출하는 특성을 이용하여 오염 현장에서 직접 실시간으로 오염물의 농도를 측정할 수 있는, 자외선을 이용한 토양 유류 오염 실시간 측정 시스템 및 그 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 저가이고 소형이면서 그 원리가 단순하여 전문가가 아닌 일반인도 쉽게 토양 유류 오염을 현장에서 직접 상시적으로 측정함으로써 오염의 조기 탐지 및 오염 진행의 예방을 실현할 수 있는 토양 유류 오염 상시 측정 시스템 및 그 방법을 제공하는 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 자외선을 이용한 토양 유류 오염 온라인 측정 시스템을 개략적으로 나타낸 도면,
도 2는 도 1에 따른 측정 시스템의 파이버 프로브를 그 프로브의 분기 전후의 단면 형상과 함께 상세히 나타낸 도면,
도 3은 본 발명에 따른 측정 시스템을 사용하여 토양 유류 오염을 측정하는 방법 과정을 나타낸 흐름도,
도 4는 본 발명에 따른 측정 시스템에 의해 톨루엔으로 오염된 시료 토양에서의 형광 세기를 측정한 결과를 나타낸 그래프,
도 5는 도 4의 결과를 실제 측정에 적용하기 위한 톨루엔 농도에 따른 선형성을 비교하기 위한 그래프,
도 6은 본 발명에 따른 측정 시스템에 의해 경유로 오염된 시료 토양에서의 형광 세기를 측정한 결과를 나타낸 그래프,
도 7은 본 발명에 따른 측정 시스템에 의해 벤젠으로 오염된 시료 토양에서의 형광 세기를 측정한 결과를 나타낸 그래프,
도 8은 도 7의 결과를 실제 측정에 적용하기 위한 벤젠의 주입량에 따른 선형성을 비교하기 위한 그래프.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1 : 전원
2 : 광원(Nd-YAG 레이저)
3 : 파이버 프로브
4 : 제1 집속 장치
5 : 제2 집속 장치
6 : 형광 검출 장치
7 : 필터링 장치
8, 9 : 계측 장치
10 : 빔 분리기
11 : 광 다이오드
12 : 제3 집속 장치
13, 14 : 파이버 프로브 브랜치
그러한 목적은 본 발명에 따라 특정의 파장 대역의 광을 발진하는 광원; 일단 또는 광원 측 단부가 광원에 접속되고 타단 또는 측정 측 단부가 측정하려는 토양 중에 삽입되며, 광원으로부터 발진되어 그 광원 측 단부에 집속된 광을 파이버코어를 경유하여 측정 측 단부를 통해 토양 중에 입사시키고, 그와 같이 입사된 광에 의해 토양 중의 유류 오염물이 광 여기된 상태에서 그 유류 오염물로부터 방출되는 형광을 다시 그 측정 측 단부를 통해 파이버 코어를 경유하여 광원 측 단부 쪽으로 전송하는 파이버 프로브; 광원으로부터 발진된 광을 파이버 프로브의 광원 측 단부에 집속하는 제1 집속 장치; 토양과 대면된 파이버 프로브의 측정 측 단부에 배치되어 파이버 프로브의 파이버 코어를 경유하여 입사되는 광을 토양에 집속하고, 토양 중의 유류 오염물로부터 방출된 형광을 다시 파이버 프로브의 측정 측 단부에 집속하는 제2 집속 장치; 토양 중의 유류 오염물로부터 방출되어 파이버 프로브를 통해 전송된 형광을 검출하는 형광 검출 장치; 형광 검출 장치에 선행 배치되어 형광 검출 장치에 입력되는 형광 중에 들어 있는 다른 광 성분을 필터링하는 필터링 장치; 및 형광 검출 장치에서 검출된 형광 신호 출력으로부터 그 파장 대역 및 세기를 측정하는 계측 장치를 포함하는 토양 유류 오염 측정 시스템에 의해 달성된다.
본 발명에 따른 토양 유류 오염 측정 시스템의 바람직한 구성에서는 광원으로서 다이오드 레이저를 이용한 나노초 Nd-YAG 레이저가 사용되는데, 그 레이저에 의해 발진되는 레이저 광은 파장 대역이 약 266 ㎚인 자외선 레이저 광이다.
또한, 광원과 파이버 프로브의 광원 측 단부와의 사이에 광원으로부터 발진된 광을 2개의 빔으로 분기시키는 빔 분리기(beam splitter) 및 그 분기된 2개의 빔 중의 하나를 검출하여 전기 신호로 변환하는 광 다이오드가 마련되는 것이 바람직하다. 광 다이오드에 의해 검출되어 변환된 전기 신호는 본 발명에 따른 측정시스템의 계측 장치에 속하는 후술될 오실로스코프의 트리거(trigger) 신호로서 사용된다.
본 발명에 따른 토양 유류 오염 측정 시스템의 다른 바람직한 구성에서는 필터링 장치가 대역 필터(band-pass filter)로서 형성되는데, 그 대역 필터는 측정 파장 대역을 줄이거나 그 파장 대역에 변화를 주기 위해 협대역 필터(narrow band-pass filter) 또는 단색화 장치(monochromator)로 대체될 수도 있다. 특히, 대역 필터는 파장 대역이 300 내지 500 ㎚인 형광만을 투과시키는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 토양 유류 오염 측정 시스템의 또 다른 바람직한 구성에서는 파이버 프로브가 Y형으로 형성되고, Y형 파이버 프로브의 하나의 브랜치 또는 제1 브랜치가 광원으로부터 발진된 광을 토양 중에 입사시키는데, 그리고 다른 하나의 브랜치 또는 제2 브랜치가 토양으로부터 방출된 형광을 형광 검출 장치에 인도하는데 각각 사용된다. 파이버 프로브의 제1 브랜치는 단일의 파이버 코어를 구비하여 광이 분산됨 없이 입사되도록 하고, 파이버 프로브의 제2 브랜치는 다수의 파이버 코어를 구비하여 가능한 한 많은 형광을 집속하도록 하는 것이 바람직하다. 그 경우, 파이버 프로브의 제2 브랜치의 형광 검출 장치 측 단부에는 전송되는 형광을 필터링 장치에 집속하는 제3 집속 장치가 추가로 배치된다.
본 발명에 따른 토양 유류 오염 측정 시스템의 또 다른 바람직한 구성에서는 형광 검출 장치로서 형광 신호를 전기 신호로 변환하는 광전관이 사용되고, 바람직하게는 미약한 형광 신호까지 검출할 수 있는 광 증배관(photo-multiplier tube; PMT)이 사용된다. 그 경우, 본 발명에 따른 토양 유류 오염 측정 시스템의 계측장치는 광전관 또는 광 증배관으로서 형성된 형광 검출 장치의 출력 신호로부터 형광의 세기를 측정하는 전류 측정기(current meter) 및 그 출력 신호로부터 형광의 파장을 측정하는 오실로스코프를 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 따른 토양 유류 오염 측정 시스템은 계측 장치로부터 얻은 결과를 처리 분석할 뿐만 아니라, 측정 시스템의 제반 구성 요소를 제어하는 프로그램화될 수 있는 마이크로프로세서를 구비하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 토양 유류 오염 측정 시스템의 또 다른 바람직한 구성에서는 각각의 집속 장치가 집속 렌즈 및 그 집속 렌즈를 부착한 채로 파이버 프로브의 단부에 연결되는 커넥터로 이뤄진다. 그러한 커넥터는 집속 렌즈를 간단하게 파이버 프로브에 장착하여 광을 효과적으로 집속할 수 있도록 하는 이점을 제공한다. 특히, 제2 집속 장치는 광을 균질하지 않은 토양에 양호하게 집속할 수 있도록 하는 2개 이상의 조합된 집속 렌즈 및 그 집속 렌즈가 토양에 의해 오염되지 않도록 하는 석영 창(quartz window)을 구비하는 것이 바람직하다.
아울러, 본 발명은 전술된 바와 같은 토양 오염 시스템에 의해 토양 유류 오염을 측정하는 방법에 관한 것으로, 그러한 방법은 측정 시스템을 측정 대상 장소에 설치하고 파이버 프로브의 측정 측 단부를 측정하려는 토양 중에 삽입하는 단계; 광원에 의해 특정의 파장 대역의 광을 발진하는 단계; 광원으로부터 발진된 광을 제1 집속 장치에 의해 파이버 프로브에 광원 측 단부에 집속하는 단계; 파이버 프로브의 광원 측 단부에 집속된 광을 파이버 프로브를 경유하여 파이버 프로브의 측정 측 단부로 전송하는 단계; 파이버 프로브의 측정 측 단부로 전송된 광을 제2집속 장치에 의해 토양 중에 입사시키는 단계; 토양 중에 입사된 광에 의해 토양 중의 유류 오염물이 광 여기된 상태에서 방출하는 형광을 제2 집속 장치에 의해 파이버 프로브에 측정 측 단부에 집속하는 단계; 파이버 프로브의 측정 측 단부에 집속된 형광을 파이버 프로브를 경유하여 형광 검출 장치로 전송하는 단계; 형광 검출 장치에 입력되는 형광 중에 들어 있는 다른 광 성분을 필터링하는 단계; 파이버 프로브를 경유하여 전송된 형광을 형광 검출 장치에서 검출하는 단계; 및 형광 검출 장치에서 검출된 형광 신호로부터 계측 장치에 의해 형광의 세기 및 그 파장을 측정하는 단계를 포함한다.
광원으로서는 다이오드 레이저를 이용한 나노초 Nd-YAG 레이저를 사용하고, 그 레이저에 의해 발진되는 레이저 광을 파장 대역이 약 266 ㎚인 자외선 레이저 광으로 하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 토양 유류 오염 측정 방법의 바람직한 구성에서는 광원에 의해 광을 발진하는 단계와 그 발진된 광을 파이버 프로브의 광원 측 단부에 집속하는 단계와의 사이에 광원으로부터 발진된 광을 빔 분리기에 의해 2개의 빔으로 분기시키는 단계; 및 분기된 2개의 빔 중의 하나를 광 다이오드에 의해 검출하여 전기 신호로 변환하는 단계가 추가로 포함된다. 그와 같이 광 다이오드에 의해 검출되어 변환된 전기 신호는 전술된 바와 같이 따른 측정 시스템의 계측 장치에 속하는 오실로스코프의 트리거 신호로서 사용된다.
본 발명에 따른 토양 유류 오염 측정 방법의 다른 바람직한 구성에서는 필터링 단계가 특정의 파장 대역의 형광만을 투과시키는 형식으로 이뤄지는 것이 바람직하다. 또한, 그러한 필터링 단계는 미리 주어진 파장 대역을 줄이는 단계 또는 광을 단색화시키는 단계로 대체될 수도 있다. 특히, 필터링 단계에 의해 투과시키려는 특정의 파장 대역을 300 내지 500 ㎚로 설정하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 토양 유류 오염 측정 시스템의 또 다른 바람직한 구성에서는 형광 검출 장치에서 형광을 검출하는 단계가 입력된 형광 신호를 전기 신호로 변환하는 단계로 이뤄진다. 그와 같이 형광 신호를 전기 신호로 변환하는 단계는 광전관, 특히 미약한 형광 신호까지 검출할 수 있는 광 증배관에 의해 행해지는 것이 바람직하다. 그 경우, 형광 검출 장치에서 검출된 형광 신호로부터 형광의 세기 및 그 파장을 측정하는 단계는 형광 검출 장치로부터 출력된 전기 신호로부터 전류 측정기에 의해 형광의 세기를 측정하는 동시에 오실로스코프에 의해 형광의 파장을 측정하는 단계로 이뤄지는 것이 또한 바람직하다.
본 발명에 따른 토양 유류 오염 측정 방법의 또 다른 바람직한 구성에서는 프로그램화될 수 있는 마이크로프로세서에 의해 계측 장치로부터 얻은 결과를 처리 분석할 뿐만 아니라, 측정 시스템의 제반 구성 요소를 제어한다.
전술된 바와 같이 구성되는 본 발명에 따른 토양 유류 측정 장치 및 측정 방법은 다이오드 레이저를 이용한 Nd-YAG 레이저를 직접 광원으로 사용함으로써 선행 기술의 측정 시스템에 비해 소형이면서도 비견될 수 없을 정도로 저가인 장치를 제공한다. 또한, Nd-YAG 레이저만으로도 토양 유류 오염을 측정할 수 있도록 오염물로부터 나오는 형광의 세기 및 그 파장 대역만을 측정함으로써 측정 원리를 단순화시켜 전문가가 아닌 그 누구라도 본 발명에 따른 측정 시스템을 토양 유류 오염의우려가 있는 토양 유류 오염 유발 시설(주유소 등)에 설치하여 토양 유류 오염을 용이하게 상시 감시할 수 있도록 한다. 따라서, 본 발명은 토양 유류 오염물을 조기에 검출하여 토양 유류 오염이 진행되는 것을 차단함으로써 토양 유류 오염을 미연에 방지할 수 있는 현격한 효과를 제공하게 된다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조로 하여 더욱 상세히 설명하기로 한다.
근본적으로, 본 발명에 따른 토양 유류 오염 측정 시스템은 대부분의 선행 기술의 측정 시스템과는 달리 시료의 채취, 시료의 전처리, 용매 추출, GC 분석 등의 복잡한 단계를 거치지 않고, 측정하려는 오염물, 특히 토양 중의 유류 오염물의 상당 부분을 차지하는 BTEX(벤젠, 톨루엔, 에틸벤젠, 및 자일렌)와 PAHs(다환 방향족 탄화수소류)가 특정 자외선 대역(약 266 ㎚)의 광을 흡수하여 일정한 파장 대역(약 280 내지 500 ㎚)의 형광을 방출하는 특성을 이용하여 오염 현장에서 직접 실시간으로 오염물의 농도를 상시 측정할 수 있는 측정 시스템이다. 즉, 단지 토양 중의 유류 오염물이 방출하는 형광의 세기 및 그 파장 대역만을 측정함으로써 토양 중의 유류 오염물의 종류 및 농도를 실시간으로 확인할 수 있기 때문에, 시료의 채취로부터 오염물의 분석에 이르는 복잡한 단계를 거칠 필요가 없이 현장에서 실시간으로 토양 유류 오염을 상시 측정할 수 있게 된다.
도 1에는 본 발명에 따른 토양 유류 오염 측정 시스템의 바람직한 일 실시예가 개략적으로 도시되어 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 토양 유류 오염 측정 시스템은 전체적으로 광원(2), 파이버 프로브(3), 제1 집속 장치(4),제2 집속 장치(5), 형광 검출 장치(6), 필터링 장치(7), 및 계측 장치(8, 9)를 포함한다.
광원(2)은 전원(1)으로부터 전기 에너지를 공급받아 특정의 파장 대역의 광을 발진하는 것으로, 본 실시예에서는 광원(2)으로서 다이오드 레이저를 이용한 나노초 Nd-YAG 레이저가 사용된다. 그러한 Nd-YAG 레이저에 의해 발진되는 레이저 광은 파장 대역이 약 266 ㎚인 자외선 레이저 광이다. 그것은 그러한 파장 대역의 자외선을 조사하였을 때에 토양 유류 오염물의 대다수를 차지하는 BTEX 및 PAHs 등의 분자들이 특정의 파장 대역(전술된 바와 같이 약 280 내지 500 ㎚)의 형광을 방출한다는 시험 결과에 의거한 것이다.
파이버 프로브(3)는 일단 또는 광원 측 단부가 광원(2)에 접속되고 타단 또는 측정 측 단부가 측정하려는 토양 중에 삽입되어 광원(2)으로부터 발진된 광을 토양 중에 입사시키고, 토양 중의 유류 오염물이 방출한 형광을 다시 형광 검출 장치(6) 쪽으로 전송하는 역할을 한다. 광원(2)으로부터 발진된 광은 파이버 프로브(3)의 파이버 코어(도 2를 참조)를 경유하여 토양 중에 입사되고, 그와 같이 입사된 광에 의해 토양 중의 유류 오염물이 여기된 상태에서 그 오염물로부터 방출되는 형광은 다시 파이버 코어를 경유하여 광원 측 단부 쪽으로 전송된다.
제1 집속 장치(4)는 광원(2)으로부터 발진된 광을 파이버 프로브(3)의 광원 측 단부에 있는 파이버 코어에 집속하는 역할을 한다. 토양과 대면된 파이버 프로브(3)의 측정 측 단부에는 제2 집속 장치(5)가 배치되는데, 그 제2 집속 장치(5)는 파이버 프로브(3)의 파이버 코어를 경유하여 입사되는 광을 토양에 집속하고, 토양중의 유류 오염물로부터 방출된 형광을 다시 파이버 프로브(3)의 측정 측 단부에 있는 파이버 코어에 집속한다.
그러한 각각의 집속 장치(4, 5)는 본 실시예에서는 집속 렌즈(4a; 5a) 및 그 집속 렌즈(4a; 5a)를 부착한 채로 파이버 프로브(3)의 단부에 연결되는 커넥터(4b; 5b)로 이뤄진다(도 2를 참조). 그러한 커넥터(4b; 5b)는 집속 렌즈(4a; 5a)를 간단하게 파이버 프로브(3)에 장착하여 광을 효과적으로 집속할 수 있도록 한다. 특히, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 제2 집속 장치(5)는 2개 이상의 조합된 집속 렌즈(5a) 및 석영 창(5c)을 구비하는 것이 바람직한데, 2개 이상의 조합된 집속 렌즈(5a)는 광을 균질하지 않은 토양에 양호하게 집속할 수 있도록 하고, 석영 창(5c)은 집속 렌즈(5a)가 토양에 의해 오염되지 않도록 하는 역할을 한다.
형광 검출 장치(6)는 토양 중의 유류 오염물로부터 방출되어 파이버 프로브(3)를 통해 전송된 형광을 검출하는 것으로, 본 실시예에서는 형광 검출 장치(6)로서 형광 신호를 전기 신호로 변환하는 광전관이 사용되고, 바람직하게는 미약한 형광 신호까지 검출할 수 있는 광 증배관(photo-multiplier tube; PMT)이 사용된다.
필터링 장치(7)는 형광 검출 장치(6)에 선행 배치되어 형광 검출 장치(6)에 입력되는 형광 중에 들어 있을 수 있는 다른 광 성분, 예컨대 레이저 광 또는 외래 광을 필터링하여 형광 검출 장치(3)에서 형광만이 검출되도록 하는 것으로, 본 실시예에서는 대역 필터(band-pass filter)로서 형성된다. 그러한 대역 필터는 측정 파장 대역을 줄이거나 그 파장 대역에 변화를 주기 위해 협대역 필터(narrow band-pass filter) 또는 단색화 장치(monochromator)로 대체될 수도 있다. 특히, 대역 필터는 파장 대역이 300 내지 500 ㎚인 형광만을 투과시키는 것이 바람직하다. 그것은 이미 전술된 바와 같이 토양 중의 유류 오염물의 주 성분인 BTEX 및 PAHs 등의 분자가 특정적으로 약 300 내지 500 ㎚ 대역의 형광을 방출하기 때문이다.
계측 장치(8, 9)는 형광 검출 장치(6)에서 검출된 형광 신호 출력으로부터 그 파장 대역 및 세기를 측정하는 것으로, 그 계측 장치(8, 9)는 본 실시예에서는 형광 검출 장치(6)로서 광 증배관이 사용되기 때문에 광 증배관에 의해 변환된 전기 신호를 측정하여 그로부터 형광의 세기를 파악할 수 있는 전류 측정기(8) 및 광 증배관에 의해 변환된 전기 신호로부터 형광의 파장 대역을 파악할 수 있는 오실로스코프(9)로 이뤄진다.
한편, 본 실시예에서는 광원(2)과 파이버 프로브(3)의 광원 측 단부와의 사이에 빔 분리기(beam splitter)(10) 및 광 다이오드(11)가 마련된다. 빔 분리기(10)는 광원(3)으로부터 발진된 광을 2개의 빔으로 분기시키는 역할을 하고, 광 다이오드(11)는 그 분기된 2개의 빔 중의 하나를 검출하여 전기 신호로 변환하는 역할을 한다. 광 다이오드(11)에 의해 검출되어 변환된 전기 신호는 전술된 계측 장치에 속하는 오실로스코프(9)의 트리거(trigger) 신호로서 사용된다. 즉, 광원으로부터 발진된 광에 관한 정보, 예컨대 파장 대역도 역시 파악될 수 있게 된다.
도 2에는 본 발명에 따른 토양 유류 오염 측정 시스템에 사용되는 파이버 프로브(3)의 실시예가 도시되어 있다. 도 2로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 실시예에서는 파이버 프로브(3)가 Y형으로 형성되는데, 광원(2)으로부터 발진된 광은 Y형 파이버 프로브(3)의 하나의 브랜치 또는 제1 브랜치(13)를 경유하여 토양 중에 입사되고, 토양으로부터 전송되는 형광은 다른 하나의 브랜치 또는 제2 브랜치(14)를 경유하여 형광 검출 장치(6)에 인도된다. 그 경우, 파이버 프로브(3)의 제2 브랜치(14)의 형광 검출 장치 측 단부에는 전송되는 형광을 필터링 장치(7)에 집속하는 제3 집속 장치(12)가 추가로 배치된다. 그러한 제3 집속 장치(12)도 역시 제1 및 제2 집속 장치와 마찬가지로 집속 렌즈(12a) 및 커넥터(12b)로 이뤄진다.
또한, 도 2에 부분 단면으로 나타낸 바와 같이, 파이버 프로브(3)의 제1 브랜치(13)는 단일의 파이버 코어를 구비하여 광을 분산됨 없이 입사시키게 되고, 파이버 프로브(3)의 제2 브랜치(14)는 다수의 파이버 코어, 본 실시예에서는 6개의 파이버 코어를 구비하여 가능한 한 많은 형광을 집속하도록 되어 있다. 파이버 프로브(3)의 제1 및 제2 브랜치(13, 14)가 합류되는 파이버 프로브 섹션(15)은 7개의 파이버 코어를 구비한다. 중심에 배치된 파이버 코어는 제1 브랜치의 파이버 코어에 해당하는 것으로, 광을 토양 중에 입사시키는 역할을 하고, 그 둘레에 배치된 6개의 파이버 코어는 제2 브랜치(14)의 파이버 코어에 해당하는 것으로, 토양 중의 유류 오염물로부터 방출된 형광을 집속하여 형광 검출 장치(6)로 전송하는 역할을 한다.
아울러, 본 발명에 따른 토양 유류 오염 측정 시스템은 계측 장치(8, 9)로부터 얻은 결과를 처리 분석할 뿐만 아니라, 측정 시스템의 제반 구성 요소를 제어하는 프로그램화될 수 있는 마이크로프로세서를 구비하는 것이 바람직하다.
이후로는 전술된 바와 같이 구성된 본 발명에 따른 토양 유류 오염 측정 시스템의 실시예에 의해 토양 유류 오염을 측정하는 방법 과정의 일례에 관해 도 3을 참조하여 설명하기로 한다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 토양 유류 오염 측정 시스템에 의한 측정 방법은 광원으로부터 조사된 레이저 광을 분기시키고, 하나의 빔을 계측 장치에 전송하여 광원에 관한 정보를 얻는 한편, 다른 하나의 빔을 파이버 프로브를 경유하여 토양 중에 입사시키며, 입사된 레이저 광에 의해 토양 유류 오염물로부터 방출되는 형광을 다시 파이버 프로브를 경유하여 필터링 장치(단색화 장치), 형광 검출기(광 증배관), 및 계측 장치(오실로스코프 및 전류 측정기)로 전송하여 그 형광의 세기 및 파장 대역을 측정함으로써 토양 유류 오염을 측정하는 형식으로 행해진다.
우선, 본 발명에 따른 토양 유류 오염 측정 시스템을 오염이 우려되는 장소에 설치하고, 파이버 프로브(3)의 측정 측 단부를 측정하려는 토양 중에 삽입한다. 그것만으로, 측정을 위한 준비가 완료되게 된다.
이어서, 광원(2)으로서 전술된 바와 같은 Nd-YAG 레이저를 사용하여 파장 대역이 약 266 ㎚(자외선 대역)인 자외선 레이저 광을 발진한다. 광원(2)으로부터 발진된 레이저 광은 빔 분리기(10)에 의해 2개의 빔으로 분기되는데, 그 중의 하나의 빔은 광 다이오드(11)에 의해 검출되어 전기 신호로 변환되고, 그와 같이 변환된 전기 신호는 계측 장치에 속하는 오실로스코프(9)로 전송되어 그 오실로스코프(9)의 트리거 신호로서 사용된다. 따라서, 광원(2)으로부터 발진된광에 관한 정보를 파악할 수 있게 된다.
빔 분리기(10)에 의해 분기된 다른 하나의 빔은 제1 집속 장치(4)로 전송되어 그 제1 집속 장치(4)의 집속 렌즈(4a)에 의해 파이버 프로브(3)의 광원 측 단부에 있는 단일의 파이버 코어에 집속되게 된다. 파이버 프로브(3)는 예컨대 그 투과 파장 대역이 200 내지 800 ㎚인 자외선/가시 광선 투과용으로 될 수 있다. 또한, 파이버 프로브(3)의 파이버 코어의 직경은 예컨대 200 ㎛로 될 수 있다. 파이버 프로브(3)의 광원 측 단부에 있는 단일의 파이버 코어에 집속된 레이저 광은 그 파이버 코어를 경유하여 파이버 프로브(3)의 측정 측 단부의 제2 집속 장치(5)로 전송되어 그 제2 집속 장치(5)의 집속 렌즈(5a)에 의해 토양 중에 입사된다.
그와 같이 입사된 자외선 레이저 광에 의해 토양 중의 유류 오염물은 광 여기 상태가 되어 곧바로 형광을 방출하게 되는데, 토양 중의 유류 오염물에 의해 방출된 형광은 다시 제2 집속 장치(5)의 집속 렌즈(5a)에 의해 파이버 프로브(3)의 측정 측 단부에 있는 다수의 파이버 코어(예컨대, 6개) 에 집속되게 된다. 물론, 전술된 바와 같이 형광이 집속되는 다수의 파이버 코어는 자외선 레이저 광을 입사시키는 파이버 코어와는 별개의 것이다.
이어서, 파이버 프로브(3)의 측정 측 단부에 집속되어 파이버 코어를 경유하여 형광 검출 장치(6) 쪽으로 전송된 형광을 제3 집속 장치(12)의 집속 렌즈(12a)에 의해 필터링 장치(7)에 집속하고, 집속된 형광을 필터링 장치(7)에 의해 필터링하여 형광 이외의 다른 광, 예컨대 레이저 광 또는 외래 광을 제거한다. 도 3에는 필터링 장치(7)로서 단색화 장치를 예시하고 있지만, 전술된 바와 같이 대역 필터또는 협대역 필터를 사용하여 측정 파장 대역에 변화를 줄 수 있음을 유의해야 할 것이다.
한편, 제1 내지 제3 집속 장치(4, 5, 12)의 집속 렌즈(4a, 5a, 12a)는 각각 예컨대 그 초점 거리가 10 ㎜이고 직경이 8 ㎜인 것으로 될 수 있다. 여기에서 언급하고자 하는 것은 전술된 각종의 치수 규격은 순전히 예시적인 것으로, 본 발명이 그러한 치수 규격에 한정되는 것이 아니라는 점이다. 그러한 치수 규격은 필요에 따라, 그리고 여건에 따라 얼마든지 변경될 수 있는 것임을 유의해야 할 것이다.
필터링 장치(7)에 의해 필터링된 형광은 형광 검출기(6), 예컨대 광 증배관에 보내어져 검출되고, 검출된 형광은 전기 신호로 변환되게 된다. 이어서, 그러한 전기 신호를 계측 장치인 전류 측정기(8) 및 오실로스코프(9)로 보내어 각각 형광의 세기 및 그 파장 대역을 측정하게 된다.
측정된 파장 대역으로부터 토양 중의 유류 오염물의 존재 및 종류, 예컨대 BTEX 및 PAHs임을 확인할 수 있고, 측정된 형광의 세기로부터 그 오염물의 농도를 파악할 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 토양 유류 오염 측정 방법에서는 프로그램화될 수 있는 마이크로프로세서에 의해 계측 장치(8, 9)로부터 얻은 결과를 처리 분석할 뿐만 아니라, 측정 시스템의 제반 구성 요소를 제어하게 된다. 그러한 처리 분석 및 제어는 당업계에 공지된 것이므로, 여기에서는 그에 관한 상세한 설명을 생략하기로 한다.
도 4 내지 도 6은 본 발명에 따른 토양 유류 오염 측정 시스템 및 그에 의한 측정 방법에 따라 행해진 시험으로부터 얻은 결과를 예시적으로 나타낸 것이다. 그러한 시험은 토양을 유류 오염물로 오염시킨 시료를 대상으로 행해진 것이지만, 본 발명은 선행 기술에서와 같이 시료를 채취하여 실험실에서 처리 및 분석해야 하는 것이 아님을 유의해야 할 것이다. 즉, 그러한 시험은 본 발명의 적용 가능성을 확인하기 위한 차원에서 행해진 것에 불과하지, 결코 본 발명을 이루고 있는 것이 아니다. 오히려, 그러한 시험은 본 발명이 현장에서 실시간으로 토양 유류 오염을 측정할 수 있는 것임을 명백히 입증하고 있다.
먼저, 도 4는 BTEX(벤젠, 톨루엔, 에틸벤젠, 및 자일렌) 중의 하나인 톨루엔으로 오염된 토양 시료로부터 측정한 형광의 파장 대역에 따른 형광 세기를 나타낸 그래프이다. 곡선 "a"는 오염되지 않은 토양 시료의 경우이고, 곡선 "b"는 토양 1 ㎏ 당 약 162 ㎎의 톨루엔을 함유한 토양 시료의 경우이며, 곡선 "c"는 토양 1 ㎏ 당 약 643 ㎎의 톨루엔을 함유한 경우이다.
곡선 "a" 내지 "c"로부터 알 수 있는 바와 같이, 톨루엔으로 오염된 토양 시료는 약 500 ㎚의 파장 대역에서 형광 세기의 피크치를 보이고 있고, 오염되지 않은 토양 시료는 특별한 피크치를 보이지 않고 있다. 즉, 토양 유류 오염이 발생된 경우와 그렇지 않은 경우가 명확히 구별되어 용이하게 토양 유류 오염을 확인할 수 있게 된다. 또한, 피크치의 파장 대역으로부터 오염물이 BTEX인 것을 파악할 수 있다. 그 외에, 오염된 톨루엔의 농도가 증가함에 따라 형광의 세기도 증가하는 것을 볼 수 있다. 그러한 관계는 도 5에 더욱 명확히 도시되어 있다.
도 5는 톨루엔의 농도에 따른 형광 세기의 누적 합을 나타낸 그래프이다. 도 5로부터 알 수 있는 바와 같이, 톨루엔으로부터 방출된 형광의 세기는 톨루엔의 농도가 증가함에 따라 거의 선형적으로 증가한다. 그것은 시험 결과로부터 얻은 선형 모델을 통해 실제 현장에서 톨루엔의 오염 농도를 간단한 1차 관계식(예컨대, 도 5로부터 얻어지는 선형 모델의 관계식은 Y = 173.93 X (R2= 0.8019)임)으로부터 바로 파악할 수 있음을 의미한다. 즉, 측정된 형광 세기만으로 오염물의 농도를 구할 수 있게 된다.
도 6은 BTEX 등을 다량 함유한 경유로 오염된 토양 시료로부터 측정한 형광의 파장 대역에 따른 형광 세기를 나타낸 그래프이다. 도 4에서와 마찬가지로 약 500 ㎚의 파장 대역에서 형광 세기의 피크치를 보이고 있는데, 도 6에서의 곡선 "a" 내지 "d"는 경유의 오염 농도가 각각 200 ppm, 1,000 ppm, 2,000 ppm, 및 5,000 ppm에 해당하는 경우이다. 즉, 오염 농도와는 무관하게 거의 동일한 파장 대역에서 피크치를 보이고 있는 바, 그것은 저 농도의 오염물도 역시 용이하게 확인될 수 있음을 대변한다. 또한, 형광 세기도 도 4에서와 같이 오염 농도의 증가에 따라 증가하고 있다.
도 4 내지 도 6으로부터 본 발명에 따른 토양 유류 오염 측정 시스템 및 그에 의한 측정 방법을 통해 토양 중의 유류 오염물의 존재 및 그 농도를 용이하게 현장에서 실시간으로 바로 파악할 수 있음을 명백히 알 수 있다.
도 7은 역시 BTEX 중의 하나인 벤젠으로 오염된 토양 시료로부터 측정한 파장 대역에 따른 형광 세기를 벤젠의 주입량별로 비교하여 나타낸 그래프이다. 본시험은 실제 환경에서 토양이 유류 오염물에 의해 균일하게 오염되지 않는 경우를 고려하기 위해 각종의 양으로 벤젠을 주입하여 수행된 시험 결과로서, 측정 지점에서 직접 벤젠을 토양 중에 주입하여 그 형광 세기를 측정하였다. 도 7로부터 알 수 있는 바와 같이, 벤젠의 주입량이 증가함에 따라 280 내지 290 nm 대역에서 형광 세기가 증가하는 경향이 뚜렷하였다.
도 8은 도 7의 결과를 대상으로 하여 벤젠을 주입한 토양 시료의 형광 세기로부터 토양 자체만의 형광 세기를 빼서 얻은 형광 세기의 누적 합을 벤젠의 주입량에 따라 나타낸 그래프이다. 토양으로부터 나오는 형광은 토양의 특성에 따라 다를 수 있기 때문에, 토양 시료의 형광 세기로부터 토양 자체의 형광 세기를 뺀 값을 사용하여 형광 세기의 합을 비교하는 것이 측정치를 해석함에 있어 보다 더 대표성이 있는 것으로 여겨진다. 특히, 도 8로부터 얻은 선형 모델의 관계식은 Y = 9115X + 44937이고 R2= 0.95로서, 도 5의 경우에 비해 선형성이 상당히 높아진 것으로 보아 그와 같이 토양 자체의 형광 세기의 영향을 배제시키는 것이 바람직함을 추정할 수 있다.
이상, 본 발명을 그 바람직한 실시예에 의거하여 설명하였지만, 당업자라면 본 발명이 그러한 실시예에 한정되는 것이 아니라, 후술될 특허 청구 범위의 사상 및 범위를 벗어나지 않는 다수의 변경 및 수정이 가능한 것임을 잘 알 수 있을 것이다. 따라서, 그러한 변경 및 수정도 역시 본 발명의 보호 범위에 포함시키고자 한다.
본 발명에 따른 토양 유류 오염 측정 시스템 및 측정 방법에서는 다이오드 레이저를 이용한 Nd-YAG 레이저를 직접 광원으로 사용함으로써 선행 기술의 측정 시스템에 비해 소형이면서도 비견될 수 없을 정도로 저가인 장치가 제공된다. 또한, Nd-YAG 레이저만으로도 토양 유류 오염을 측정할 수 있도록 오염물로부터 나오는 형광의 세기 및 그 파장 대역만을 측정함으로써 측정 원리를 단순화시켜 전문가가 아닌 그 누구라도 본 발명에 따른 측정 시스템을 토양 유류 오염의 우려가 있는 토양 유류 오염 유발 시설(주유소 등)에 설치하여 토양 유류 오염을 용이하게 상시 감시할 수 있게 된다. 따라서, 본 발명은 토양 유류 오염물을 조기에 검출하여 토양 유류 오염이 진행되는 것을 차단함으로써 토양 유류 오염을 미연에 방지할 수 있는 현격한 효과를 제공하고 있다.
즉, 유류 저장 시설과 같은 유류 오염 유발 시설에 본 시스템을 설치한 후에 주기적으로 모니터링을 실시하면, 유류 오염물이 유출되었을 경우에 조사된 자외선 레이저 광을 흡수한 오염물이 형광을 방출하기 때문에 형광 세기 및 그 파장 대역만을 측정함으로써 바로 실시간으로 간단하게 유류의 유출 여부 및 오염도를 측정할 수 있고, 그에 따라 유류 유출 시에 조기 발견이 가능하여 오염의 진행 및 확산을 방지함으로써 오염 복원에 드는 막대한 비용을 저감시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 오염물이 형광을 방출하는 원리를 이용하므로, 저 농도의 오염도 측정이 가능한 효과가 있다.
아울러, 현장에서 직접 주기적으로 측정하는 것이므로 오염도 측정의 신뢰성을 제고할 수 있는 효과가 있다.
뿐만 아니라, 오염 현장에서 채취한 토양 시료의 전처리 또는 용매 추출 등을 수반하지 않음으로써 화학 용매에 의한 2차 환경 오염을 줄일 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 파이버 프로브를 사용하여 광범위한 오염 우려 구역을 원격으로 감지할 수 있으므로, 오염물로부터 검사 작업자를 보호할 수 있는 효과도 얻을 수 있다.
무엇보다도, 저가의 광원과 단순화된 원리의 적용으로 인해 경제성이 크게 개선되는 효과를 얻을 수 있다.

Claims (29)

  1. 특정의 파장 대역의 광을 발진하는 광원;
    일단 또는 광원 측 단부가 광원에 접속되고 타단 또는 측정 측 단부가 측정하려는 토양 중에 삽입되며, 광원으로부터 발진되어 그 광원 측 단부에 집속된 광을 파이버 코어를 경유하여 측정 측 단부를 통해 토양 중에 입사시키고, 그와 같이 입사된 광에 의해 토양 중의 유류 오염물이 광 여기된 상태에서 그 유류 오염물로부터 방출되는 형광을 다시 그 측정 측 단부를 통해 파이버 코어를 경유하여 광원 측 단부 쪽으로 전송하는 파이버 프로브;
    광원으로부터 발진된 광을 파이버 프로브의 광원 측 단부에 집속하는 제1 집속 장치;
    토양과 대면된 파이버 프로브의 측정 측 단부에 배치되어 파이버 프로브의 파이버 코어를 경유하여 입사되는 광을 토양에 집속하고, 토양 중의 유류 오염물로부터 방출된 형광을 다시 파이버 프로브의 측정 측 단부에 집속하는 제2 집속 장치;
    토양 중의 유류 오염물로부터 방출되어 파이버 프로브를 통해 전송된 형광을 검출하는 형광 검출 장치;
    형광 검출 장치에 선행 배치되어 형광 검출 장치에 입력되는 형광 중에 들어 있는 다른 광 성분을 필터링하는 필터링 장치; 및
    형광 검출 장치에서 검출된 형광 신호 출력으로부터 그 파장 대역 및 세기를측정하는 계측 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 토양 유류 오염 측정 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 광원으로서 다이오드 레이저를 이용한 나노초 Nd-YAG 레이저가 사용되는 것을 특징을 특징으로 하는 토양유류 오염 측정 시스템.
  3. 제2항에 있어서, 광원으로서의 Nd-YAG 레이저에 의해 발진되는 레이저 광은 파장 대역이 약 266 ㎚인 자외선 레이저 광인 것을 특징으로 하는 토양 유류 오염 측정 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 필터링 장치는 대역 필터로서 형성되는 것을 특징으로 하는 토양 유류 오염 측정 시스템.
  5. 제4항에 있어서, 대역 필터는 파장 대역이 300 내지 500 ㎚인 형광만을 투과시키는 것을 특징으로 하는 토양 유류 오염 측정 시스템.
  6. 제1항, 제4항, 또는 제5항에 있어서, 대역 필터는 측정 파장 대역을 줄이거나 그 파장 대역에 변화를 주기 위한 협대역 필터 또는 단색화 장치로 대체될 수 있는 것을 특징으로 하는 토양 유류 오염 측정 시스템.
  7. 제1항에 있어서, 파이버 프로브는 Y형으로 형성되고, Y형 파이버 프로브의하나의 브랜치 또는 제1 브랜치는 광원으로부터 발진된 광을 토양 중에 입사시키는데, 그리고 다른 하나의 브랜치 또는 제2 브랜치는 토양으로부터 방출된 형광을 형광 검출 장치에 인도하는데 각각 사용되는 것을 특징으로 하는 토양 유류 오염 측정 시스템.
  8. 제7항에 있어서, 파이버 프로브의 제1 브랜치는 단일의 파이버 코어를 구비하고, 파이버 프로브의 제2 브랜치는 다수의 파이버 코어를 구비하는 것을 특징으로 하는 토양 유류 오염 측정 시스템.
  9. 제1항, 제7항, 또는 제8항에 있어서, 파이버 프로브의 제2 브랜치의 형광 검출 장치 측 단부에는 전송되는 형광을 필터링 장치에 집속하는 제3 집속 장치가 추가로 배치되는 것을 특징으로 하는 토양 유류 오염 측정 시스템.
  10. 제1항에 있어서, 형광 검출 장치로서 형광 신호를 전기 신호로 변환하는 광전관이 사용되는 것을 특징으로 하는 토양 유류 오염 측정 시스템.
  11. 제1항 또는 제10항에 있어서, 형광 검출 장치로서 미약한 형광 신호까지 검출할 수 있는 광 증배관이 사용되는 것을 특징으로 하는 토양 유류 염 측정 시스템.
  12. 제1항 또는 제10항에 있어서, 계측 장치는 광전관 또는 광 증배관으로서 형성된 형광 검출 장치의 출력 신호로부터 형광의 세기를 측정하는 전류 측정기 및 그 출력 신호로부터 형광의 파장을 측정하는 오실로스코프를 구비하는 것을 특징으로 하는 토양 유류 오염 측정 시스템.
  13. 제1항에 있어서, 광원과 파이버 프로브의 광원 측 단부와의 사이에 광원으로부터 발진된 광을 2개의 빔으로 분기시키는 빔 분리기 및 그 분기된 2개의 빔 중의 하나를 검출하여 전기 신호로 변환하는 광 다이오드가 마련되는 것을 특징으로 하는 토양 유류 오염 측정 시스템.
  14. 제1항, 제12항, 또는 제13항에 있어서, 광 다이오드에 의해 검출되어 변환된 전기 신호는 계측 장치에 속하는 오실로스코프의 트리거 신호로서 사용되는 것을 특징으로 하는 토양 유류 오염 측정 시스템.
  15. 제1항에 있어서, 계측 장치로부터 얻은 결과를 처리 분석할 뿐만 아니라, 측정 시스템의 제반 구성 요소를 제어하는 프로그램화될 수 있는 마이크로프로세서를 구비하는 것을 특징으로 하는 토양 유류 오염 측정 시스템.
  16. 제1항에 있어서, 각각의 집속 장치는 집속 렌즈 및 그 집속 렌즈를 부착한 채로 파이버 프로브의 단부에 연결되는 커넥터로 이뤄지는 것을 특징으로 하는 토양 유류 오염 측정 시스템.
  17. 제1항 또는 제16항에 있어서, 제2 집속 장치는 2개 이상의 조합된 집속 렌즈 및 그 집속 렌즈를 토양에 의한 오염으로부터 보호하는 석영 창을 구비하는 것을 특징으로 하는 토양 유류 오염 측정 시스템.
  18. 제1항 내지 제17항 중의 어느 한 항에 따른 토양 유류 오염 측정 시스템에 의해 토양 유류 오염을 측정하는 방법으로서,
    측정 시스템을 측정 대상 장소에 설치하고 파이버 프로브의 측정 측 단부를 측정하려는 토양 중에 삽입하는 단계;
    광원에 의해 특정의 파장 대역의 광을 발진하는 단계;
    광원으로부터 발진된 광을 제1 집속 장치에 의해 파이버 프로브에 광원 측 단부에 집속하는 단계;
    파이버 프로브의 광원 측 단부에 집속된 광을 파이버 프로브를 경유하여 파이버 프로브의 측정 측 단부로 전송하는 단계;
    파이버 프로브의 측정 측 단부로 전송된 광을 제2 집속 장치에 의해 토양 중에 입사시키는 단계;
    토양 중에 입사된 광에 의해 토양 중의 유류 오염물이 광 여기된 상태에서 방출하는 형광을 제2 집속 장치에 의해 파이버 프로브에 측정 측 단부에 집속하는 단계;
    파이버 프로브의 측정 측 단부에 집속된 형광을 파이버 프로브를 경유하여 형광 검출 장치로 전송하는 단계;
    형광 검출 장치에 입력되는 형광 중에 들어 있는 다른 광 성분을 필터링하는 단계;
    파이버 프로브를 경유하여 전송된 형광을 형광 검출 장치에서 검출하는 단계; 및
    형광 검출 장치에서 검출된 형광 신호로부터 계측 장치에 의해 형광의 세기 및 그 파장을 측정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 토양 유류 오염 측정 방법.
  19. 제18항에 있어서, 광원으로서는 다이오드 레이저를 이용한 나노초 Nd-YAG 레이저를 사용하는 것을 특징으로 하는 토양 유류 오염 측정 방법.
  20. 제18항에 있어서, 과원으로서의 Nd-YAG 레이저에 의해 발진되는 레이저 광을 파장 대역이 약 266 ㎚인 자외선 레이저 광으로 하는 것을 특징으로 하는 토양 유류 오염 측정 방법.
  21. 제18항에 있어서, 광원에 의해 광을 발진하는 단계와 그 발진된 광을 파이버 프로브의 광원 측 단부에 집속하는 단계와의 사이에 광원으로부터 발진된 광을 빔 분리기에 의해 2개의 빔으로 분기시키는 단계; 및 분기된 2개의 빔 중의 하나를 광다이오드에 의해 검출하여 전기 신호로 변환하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 토양 유류 오염 측정 방법.
  22. 제21항에 있어서, 광 다이오드에 의해 검출되어 변환된 전기 신호를 계측 장치에 속하는 오실로스코프의 트리거 신호로서 사용하는 것을 특징으로 하는 토양 유류 오염 측정 방법.
  23. 제18항에 있어서, 필터링 단계를 대역 필터에 의해 특정의 파장 대역의 형광만을 투과시키는 형식으로 행하는 것을 특징으로 하는 토양 유류 오염 측정 방법.
  24. 제18항 또는 제23항에 있어서, 필터링 단계를 미리 주어진 파장 대역을 줄이거나 변경하는 협대역 필터 또는 단색화 장치에 의해 행하는 것을 특징으로 하는 토양 유류 오염 측정 방법.
  25. 제23항에 있어서, 필터링 단계에 의해 투과시키려는 특정의 파장 대역을 300 내지 500 ㎚로 설정하는 것을 특징으로 하는 토양 유류 오염 측정 방법.
  26. 제18항에 있어서, 형광 검출 장치에서 형광을 검출하는 단계는 입력된 형광 신호를 전기 신호로 변환하는 단계로 이뤄지는 것을 특징으로 하는 토양 유류 오염 측정 방법.
  27. 제26항에 있어서, 형광 신호를 전기 신호로 변환하는 단계를 광전관 또는 광 증배관에 의해 행하는 것을 특징으로 하는 토양 유류 오염 측정 방법.
  28. 제18항, 제26항, 또는 제27항에 있어서, 형광 검출 장치에서 검출된 형광 신호로부터 형광의 세기 및 그 파장을 측정하는 단계는 형광 검출 장치로부터 출력된 전기 신호로부터 전류 측정기에 의해 형광의 세기를 측정하는 동시에 오실로스코프에 의해 형광의 파장을 측정하는 단계로 이뤄지는 것을 특징으로 하는 토양 유류 오염 측정 방법.
  29. 제18항에 있어서, 프로그램화될 수 있는 마이크로프로세서에 의해 계측 장치로부터 얻은 결과를 처리 분석할 뿐만 아니라, 측정 시스템의 제반 구성 요소를 제어하는 것을 특징으로 하는 토양 유류 오염 측정 방법.
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