KR20080086002A - 액체 시료 속 주석 화합물의 분석 장치 및 이를 이용한주석의 분석 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 액체 시료 속 주석 화합물의 양을 연속적·자동적으로 정량할 수 있는 무인 분석 장치와 이를 이용한 주석 화합물의 정량 방법에 대한 발명이다. 본 발명의 무인 분석 장치에서는 액체 시료에 산을 투여한 뒤 선택적인 자외선 조사를 통하여 시료 속에 유기주석 화합물이 존재하는 경우는 이를 무기주석으로 변환시키고, 이 변환된 무기주석을 전기화학적 방법을 사용하여 정량하게 되는 것이 특징이다. 본 발명에 따르면 유기주석 화합물 상태에서는 측정이 까다로운 주석을 측정이 가능한 무기주석 화합물로 바꾸어 전기화학적인 방법으로 측정하여, 액체 시료 내에 원래 포함된 미량의 유기주석 및 무기주석 화합물의 농도를 각각 측정할 수 있다. 무엇보다도 무인 자동화 분석 장치를 구성하여 연속적으로 시료를 측정할 수 있으며, 부가적인 조작을 필요로 하지 않기 때문에 인력을 절감할 수 있는 효과가 있다. 본 발명에서는 아울러 이러한 무인 자동화 분석 장치를 이용한, 액체 시료 속 주석 화합물의 정량 방법도 제공한다. 또 유기주석 화합물을 무기주석 화합물로 변환하는 무인 자동화 장치와 이를 이용한 유기주석 화합물의 무기주석 화합물로의 변환 방법도 제공한다.

유기주석, 무인 자동화 분석 장치, 액체 시료, 벗김 전압-전류법

Description

액체 시료 속 주석 화합물의 분석 장치 및 이를 이용한 주석의 분석 방법{APPARATUS FOR ANALYZING TIN COMPOUNDS IN LIQUID SAMPLES AND METHOD FOR ANALYZING TIN LEVELS USING THE SAME}

도 1은 본 발명에 따른 액체 시료 속 주석 화합물의 무인 자동화 분석 장치의 한 실시 태양을 나타낸 모식도이다.

도 2는 시료 속 유기주석 화합물의 존재 여부를 확인하는 실험 결과를 나타내는 그래프이다.

도 3 내지 7 은 농도별로 무기주석을 포함한 시료를 사용하여 벗김 전압-전류법 실험을 수행한 결과를 나타내는 그래프(무기주석의 농도는 각각 도 3: 0 , 도 4: 500 ppb, 도 5: 10 ppm, 도 6: 20 ppm, 도 7: 62.5 ppm)들이다. 측정된 전류값은 각각 도 3(0 ppb)의 전류값은 10.299 μA, 도 4(500 ppb)는 10.33 μA, 도 5(10 ppm)는 10.698 μA, 도 6(20 ppm)은 11.080 μA, 도 7(62.5 ppm)은 12.709 μA이다.

도 8은 도 3 내지 7의 실험 결과로부터 작성한, 주석의 양과 전압-전류법으 로 측정된 전류 사이의 검정 곡선(calibration curve)이다.

도 9는 50 ppm의 유기주석을 사용한 실험결과를 나타낸 그래프이다. 이 그림에서 측정된 전류의 값은 12.221 μA이다.

도 10은 도 9의 50 ppm 주석 시료에 대한 전압-전류법 측정 전류값을 도 8의 검정 곡선에서 대조하였을 때 50 ppm의 농도값에 해당한다는 결과를 가리키는 그래프이다.

도 11은 100 ppb의 유기주석을 사용한 실험결과를 나타낸 그래프이다. 이 그림에서 측정된 전류의 값은 10.305 μA이다.

도 12는 도 11의 100 ppb 주석 시료에 대한 전압-전류법 측정 전류값을 도 8의 검정 곡선에서 대조하였을 때 100 ppb의 농도값에 해당한다는 결과를 가리키는 그래프이다.

도 13은 조선소 부근의 실제 바닷물인 미지시료에 대하여 벗김 전압-전류법 실험을 수행한 결과를 나타낸 그래프이다.

도 14는 도 13의 실험결과를 검정 곡선과 비교하여 정확한 농도값을 얻을 수 있음을 확인한 그래프이다. 미지시료의 농도는 기체 크로마토그래피로 별도 확인하였다.

도 15는 유기주석 화합물을 무기주석으로 변환시키는 단계를 수행하는 산도조절 및 자외선 조사 장치의 모식도이다.

유기주석 화합물(organotin compounds)은 1936년 상업화된 이후 사용량과 사용범위가 급속히 증가하여 PVC 안정제, 각종 플라스틱 안정제, 산업용 촉매, 살충제, 살균제, 목재 보존제 등으로 널리 이용되어 왔고 1960년대 이래는 선박과 해양 구조물에 바다 생물이 달라붙지 못하도록 페인트 등의 도료에 방오제(防汚劑 antifouling agent)로서 트리부틸주석(tributyltin TBT)이 첨가되어 왔다. 그런데 유기주석 화합물은 독성을 가지고 있는 것이 많고 소량으로도 생태계에서 생물의 생육에 교란을 끼칠 수 있어 그 해독에 대한 우려가 점점 커져 왔다. 바다의 대표적인 유기주석 오염원인 트리부틸주석은 전지구적 규모에서 해양 생태계를 오염시키고 있는데, 굴 및 각종 조개류의 생장을 억제하고 복족류(gastropod) 암컷에서 수컷 성기의 생장이 일어나고 생식 기능이 상실되는 임포섹스(imposex) 현상을 일으킨다는 것이 1980년대 초반 이래 알려져 있다. 특히 이 임포섹스 현상은 매우 낮은 트리부틸주석 농도에서도 발생하는데, 고둥류의 일종인 Nucella lapillus에서는 약 3에서 5 ng/L 농도, 즉 3~5 ppb(parts per billion 십억 분의 1) 수준에서도 일어날 수 있다고 밝혀져 있다(P. E. Gibbs외 Journal of the Marine Biological Association, UK. 통권 68(1998), 715~731쪽). 유기주석 화합물은 돌고래 등의 고등 해양 포유류에서 10 ppm 정도의 높은 농도로 발견된 바 있어 신진대사에 의한 제거가 용이하지 않은 것으로 판단된다(유럽 환경청 환경 이슈 보고서, 2002년 1월). 한편 트리페닐주석(triphenyl tin), 트리사이클로헥실 주석(tricyclohexyl tin) 등과 같이 독성을 가지는 유기주석 화합물도 문제된다.

2001년 10월. 국제해사기구(International Maritime Organization, IMO)는 외교회의에서 선박의 TBT방오시스템 사용규제에 관한 국제협약, "AFS(Anti-Fouling System)협약"을 채택하였으며 이를 계기로 우리나라도 유해물질관리법 등의 국내법에 이 협약의 내용을 수용하기 위한 준비 중에 있다. 이미 현재 트리부틸주석 함유 방오 도료는 환경부 고시(제2003-163호, 2003.9.16)에 의해 "제조·수입 또는 사용을 금지하거나 제한하는 화학물질"로 사용이 금지되고 있으며, 2003년 11월13일부터 외항선과 원양어선을 포함한 모든 우리나라의 선박에 트리부틸주석이 함유된 방오 도료의 사용이 전면 금지되고 있다.

이처럼 유기주석 화합물은 소량으로도 생태계에 큰 피해를 끼칠 수 있고, 주위 환경에서 이들의 농도는 생물적(예를 들어 신진대사), 비생물적 요인(계절, 해류 등)들에 의하여 끊임없이 변화할 수 있는 것이지만 유기주석 화합물을 용이하고 정확하게 연속적으로 측정할 수 있는 방법이나 장치에 대한 연구는 부진한 실정이었다. 현재 우리나라에 유기주석화합물을 측정하는 시스템이나 방법에 대하여 출원된 특허는 아직 없는 상태이다. 다만 현재까지 유기주석 화합물의 액체 시료 속 농도를 측정하기 위한 여러 가지 측정방법(적정, 기체크로마토그래피 등)이 있기는 하지만 자동화장치로 구성된 방법은 존재하지 않았다. 이러한 측정방법들 중 가장 일반적으로 사용되는 것이 기체 크로마토그래피(gas chromatography, GC) 방법이 다. 예를 들어 미국 등록 특허 제4,610,169호는 기체 시료 중의 유기주석 농도를 측정하기 위하여 먼저 가변 온도 포획기(trap)를 사용하여 시료 중의 유기주석을 농축하는 장치에 대하여 특허를 청구하고 있는데, 이러한 전처리가 필요 없는 농도 측정 방법이 절실함은 분명하다. 또 영국 학술지 Journal of Analytical Atomic Spectrometry 통권 17호 824~830쪽(2002년)에서는 바닷물 속에 존재하는 모노-, 디-, 트리부틸주석을 기체 크로마토그래피와 질량 분석법으로 분석하는 방법을 제시하고 있는데 여기서는 주석의 동위원소 ¹¹⁹Sn를 사용하고 유기용매로 추출한 다음 기체 크로마토그래피와 질량분석을 수행하기 때문에 그 절차가 번거로울 뿐더러 고가의 주석 동위원소를 사용하여야 하는 부담이 있다. 유기주석 화합물로 오염된 액체 시료를 정화 처리하는 방법특허인 미국 특허 공개공보 제2006/0276666호 역시 정화 처리 효율을 평가하는 방법으로 유기주석 화합물을 용매 추출한 다음 기체 크로마토그래피로 분석하고 있다. 한편 해양환경공정시험방법에 기재된 기체크로마토그래피에 의한 방법은 유기주석화합물을 측정하기 위하여 시료중의 유기주석화합물을 염화메틸렌으로 추출 후 농축하여 그리냐드(Grignard) 시약으로 유도체화한 다음 프로리실 칼럼을 통과시켜 분석방해물질을 제거하고 기체 크로마토그래피로 분리하여 불꽃광도검출기(flame photometric detector, FPD)로 분석하는 과정을 특징으로 한다.

그러나, 상기 일반적인 유기주석화합물 측정방법인 기체 크로마토그래피 방 법은 시료의 전처리과정이 복잡한 여러 단계로 나뉘어져 있어서 복잡한 여러 단계를 수동으로 일일이 조작을 해야 하므로 사람에 의한 실험은 물론 자동화가 어렵고, 시료에서 유기주석화합물을 추출하여 농축하는 과정에서 유실이 있을 수 있으며 분석자마다 분석용 시료를 마련하는 과정에서 그 품질의 편차가 크다는 단점이 있다. 또 근본적으로 기체크로마토그래피 장비 자체의 단가가 높으며 분석 시료의 투여량이 매우 적어서 전체 시료에 대한 편차에 대한 신뢰감이 떨어진다.

설령 기체 크로마토그래피 이외의 방법으로 유기주석 농도를 측정하여 상기 기체 크로마토그래피의 단점을 극복할 수 있더라도 그러한 방법 역시 시료의 전처리 과정과 함께 전체 과정을 자동화할 수 없다면 농도의 연속적인 측정이 불가능 하고 시료를 마련하는 분석자 개인의 능력에 따른 측정값의 편차가 크다는 문제점을 여전히 가지게 될 것이다. 따라서 액체 시료 속에 미량으로 존재하는 유기주석의 양을 정확하고 편리하게 연속 측정할 수 있는 자동화 시스템에 수요는 여전히 미해결인 채로 남아 있다.

본 발명은, 상기와 같은 문제점들을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 유기주석 화합물이 포함된 액체시료를 연속적인 자동 측정할 수 있는 무인 자동화 분석 장치를 구축하는데 그 목적이 있다. 시료를 산성화 처리하고 자외선을 조사하는 전처리(pre-treatment) 과정을 거쳐 유기주석 화합물을 전기화학적인 방법으로 측 정할 수 있도록 무기주석 상태로 변환하여, 유기주석 화합물의 측정을 별도의 조작없이 자동적으로 측정할 수 있는 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 특징 및 이점들을 이하 첨부된 도면과 함께 상세하게 설명한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다는 점을 밝혀두고자 한다. 또한, 본 발명에 관련된 공지 기능 및 그 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는, 그 구체적인 설명을 생략하였음에 유의해야 할 것이다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는 액체 시료 내에 포함되어 있는 무기주석을 전기화학적 방법으로 측정하는 주석 화합물의 분석 장치를 제공한다. 본 발명의 분석 장치의 한 가지 실시 태양은 전기화학적 방법을 벗김 전압-전류법(stripping voltammetry)으로 하는 분석 장치이다. 벗김 전압-전류법은 크게 수은 또는 다른 미세전극에 분석대상 물질을 일정한 전극전위로 석출시켜 모으는 단계, 전류를 흘리며 전기분해가 진행되는 단계, 전기분해가 끝나고 석출된 분석대상 물질을 전극으로부터 떼어내는 단계(벗김), 이 유리된 분석대상 물질의 농도를 적절한 전압-전류법(voltammetry)으로 결정하는 단계의 네 단계로 이루어진다. 전 기분해 단계에서 분석대상 물질의 농축이 이루어지기 때문에 벗김 전압-전류법은 미량 성분을 정확하게 정량하는데 적합하다. 본 발명의 한 가지 목적은 이러한 벗김 전압-전류법을 비롯한 전기화학적 측정 방법을 이용하여 액체 시료 속에서 미량으로 존재하는 유기주석의 농도를 개별 분석자의 능력차에 영향을 받지 않고, 연속적으로 자동 측정이 가능하게 하는 무인 분석 장치를 제공하는 것이다.

액체 시료 속 주석 화합물이 전기화학적 방법으로 용이하게 측정할 수 있는 무기주석 화합물만으로 이루어져 있는 경우에, 본 발명의 분석 장치는 시료 저장소(sample reservoir), 산 주입기, 반응기 및 감지기를 포함하는 구성을 하게 된다.

본 발명에서 상기 "시료 저장소"란 희석하거나 농축하지 않은 액체 시료 또는 적절한 농도로 희석하거나 농축한 액체 시료를 투입하는 곳으로서 이곳에서 이하 기술할 산 주입기로 시료는 이동하게 된다.

본 발명에서 상기 "산 주입기"란 상기 시료 저장소로부터 공급받은 액체 시료 용액의 산도를 미리 설정한 산도값으로 맞추도록 산을 가하여 시료를 산성화하고, 설정한 산도값에 도달하면 산 주입이 멈춰지도록 제어되는 장치이다. 상기 산 주입기는 시료 용액의 수소 이온 농도(pH) 또는 수소 이온의 활동도(activity) 혹은 이와 관련되어 상기 시료 용액의 산도를 간접적으로 나타낼 수 있는 물리량을 측정하는 장치를 갖추고 있어서 피드백 제어에 의하여 산 투입량을 조절한다.

본 발명의 분석 장치에서 상기 반응기는 산 주입기에 의한 산성화 처리가 끝난 액체 시료를 받아 전기화학적 측정을 하는 부분이다. 따라서 반응기는 전기화학적 셀(electrochemical cell)의 역할을 한다. 본 발명의 한 실시 태양에서 상기 반응기에는 전극과 일정전위 장치(potentiostat)가 결합된다. 상기 전극의 한 실시 태양에서는 전극이 글라시카본(glassy carbon) 전극과 그 끝에 위치한 수은으로 이루어진다. 또 하나의 실시 태양에서는 반응기로 전기화학적 측정을 위한 바탕 용액 및 배경 용액의 유출입을 제어하기 위한 유입구와 출입구를 갖추고 있다.

본 발명의 액체 시료 속 주석 화합물의 분석 장치는 유기주석 화합물의 정량도 가능한데, 이 경우 본 발명의 분석 장치에는 상기 분석 장치의 구성에 자외선 조사기(照射器)가 더 포함된다(도 1 참조).

본 발명에서 "자외선 조사기"란 산 주입기에 의하여 산성화 처리를 마친 액체 시료를 받아 자외선을 조사하여 유기주석 화합물을 무기주석 화합물과 유기 분자로 분해하는 부분이다. 자외선 조사기에서 자외선 조사를 마친 액체 시료는 반응기로 공급된다. 본 발명의 한 실시 태양에서는 무기 및 유기주석 화합물에 대한 분석이 모두 가능하도록 자외선 조사기가 산 주입기로부터 넘겨받은 액체 시료에 대하여 자외선 조사 여부를 선택적으로 정할 수 있다.

이러한 본 발명의 분석 장치의 한 가지 실시 형태를 도 1에서 예시하고 있다. 도 1은 벗김 전압-전류법을 사용하여 유기주석 화합물의 농도를 측정하는 분석 장치의 한 가지 실시 형태이다.

도 1에 표시된 시료 저장소에 담긴 시료는 펌프 등의 반송 장치를 통하여 산 주입기를 거치고, 산도 측정기로 측정하는 pH 값이 미리 설정한 산도값이 될 때까지 염산을 주입하게 된다. 이때 pH 값은 2.5~3.5인 것이 바람직하고, pH 2.8인 것이 더욱 바람직하다. 미리 설정한 산도값을 가지도록 산성화 처리된 액체 시료는 자외선 조사기(도 1의 "UV 램프"에 해당)를 거친다. 무기주석 화합물만의 액체 시료를 분석할 때는 상기 자외선 조사기에서 자외선 조사가 생략될 수 있다. 도 1의 산성화된 액체 시료는 자외선 조사기의 밑부분으로 유입된 후 위쪽의 배출구로 방출될 때까지 지속적으로 자외선에 노출된 채로 이동을 하게 되어 유기주석 화합물에서 무기주석으로 변환이 된다.

자외선 조사 후 시료는 유동펌프에 의해 무기주석을 측정하게 되는 반응기로 유입된다. 도 1에서 반응기의 전극으로는 글라시카본(glassy carbon) 전극과 그 끝에 형성된 얇은 막 수은이 그 역할을 맡는데, 도 1에서 "수은과 트로폴론(tropolone)이 함유된 용액"이라고 기재된 네모로 표시된 부분이 이 전극 생성에 필요한 수은이 함유된 바탕 용액(base solution 수은과 트로폴론의 혼합물)을 공급하게 된다. 반응기에 연결된 다른 유입구로는 벗김 전압-전류법의 배경 용액으로 사용되는 염화칼륨(KCl)이나 염화나트륨(NaCl) 용액과 무기주석이 글라시카본 전극에 형성된 얇은 막 수은전극에 흡착되도록 도와주는 트로폴론이 유입된다. 도 1의 반응기는 일정전위 장치(potentiostat)를 갖추고 있으며 감지기와 연결된 부위는 "Data Acquisition"으로 표시되어 있다.

본 발명의 시스템을 이용한 벗김 전압-전류법에서는 먼저 시료 내에 원래 포함되어 있는 무기주석을 측정하게 된다. 한편 유기시료의 측정은 유기주석 화합물을 측정이 용이한 무기주석 화합물로 변환하는 것으로부터 시작한다. 상기 무기주석 측정과 별도로 동일하지만 별도의 시료에 본 발명의 분석 장치의 염산 주입기로 산을 가하여 pH를 낮추게 되는데, 산 주입기는 산도 측정기로 제어하게 된다. 이어서 직접적으로 주석과 탄소의 결합을 끊어주기 위하여 자외선(UV) 조사기를 통하여 자외선을 유기주석 화합물에 쪼여주어 무기주석 화합물과 유기 분자로 분해한다. 이 무기주석을 벗김 전압-전류법으로 측정하면, 시료 내에 원래 포함되어 있는 무기주석의 농도와 유기주석으로부터 변환된 무기주석의 농도의 합을 구하게 된다. 이 값과 미리 측정한 순수한 무기주석 농도만의 차가 바로 시료 속 유기주석의 양이 되는데, 본 발명의 분석 장치에서는 이 모든 과정을 일일이 사람이 수행 하거나, 기계의 조작을 지켜볼 필요가 없이 연속적으로 자동 측정이 이루어지는데 그 특징이 있다. 본 발명의 분석 장치는 유기주석 화합물을 자동 측정하는데 그 효용이 크지만, 무기주석 화합물도 당연히 자동 측정할 수 있다.

본 발명은 아울러 산 주입기 및 자외선 조사기를 포함하고 있는, 액체 시료 속 유기주석 화합물을 무기주석으로 자동 변환하기 위한 장치를 제공한다. 도 15는 이러한 실시 형태에 대한 모식도이다. 본 발명의 유기주석 변환 장치를 이용하면 농도를 직접 측정하기 어려운 유기주석을 무인 환경하에서 연속적·자동적으로 무기주석으로 변환할 수 있다.

본 발명은 또한 상기 액체 시료 속 주석 화합물의 무인 자동화 분석 장치를 이용하여 무기주석 또는 유기주석 화합물의 액체 시료 속 농도를 측정하는 방법 및 유기주석 화합물의 무기주석 화합물로의 변환 방법도 제공한다.

[실시예]

이하 실시예를 들어 본 발명을 더욱 상세히 설명한다. 아래 실시예에 나타낸 구성은 어디까지나 발명의 이해를 돕기 위함이며 어떠한 경우에도 본 발명의 기술적 범위를 실시예에서 제시한 실시 태양으로 제한하려는 것이 아님을 밝혀 둔다.

실시예에 관한 내용은 첫째, 벗김 전압-전류법 측정을 위한 얇은 막 수은 전 극 생성 실험, 둘째 시료 내에 유기주석 화합물의 유무를 확인하는 실험(도 2)과 셋째, 다양한 농도의 무기주석을 사용하여 벗김 전압-전류법을 실시하여 발생하는 전류값으로 검정 곡선(calibration curve)을 작성하는 실험(도 3, 4, 5, 6, 7, 8), 넷째, 작성한 검정 곡선을 검토하는 단계의 실험(도 9, 10 ,11, 12), 마지막으로 실제 바닷물 시료를 사용하여 기체 크로마토그래피로 확인한 실제 농도와 전류값으로 확인한 농도를 비교하는 실험으로 구성되었다.

실시예 1. 얇은 막 수은 전극의 형성과 이를 이용한 측정

전기화학적 셀(electrochemical cell)에 바탕 용액(0.009 N 질산수은 (II)(Hg(NO₃)₂) 용액 0.8 mL와 10 mM 트로폴론 80 μL) 20 mL가 들어가도록 한다. 자기 교반기(magnetic stirrer)를 작동시켜 바탕 용액의 농도를 일정하게 만들어 -1.0 V에서 10분간 석출(deposition) 시켜 얇은 막 수은전극을 형성하고 수은 전극 표면에 무기주석과 트로폴론으로 구성된 아말감을 형성한다. 수은 전극 중의 주석농도가 일정하게 형성되도록 하고 이어지는 벗김 과정을 안정된 용액상태에서 행할 수 있도록 석출과 벗김 과정 사이에 휴지시간을 적용(10초)한다. 주석이 검출되는 구간만을 확인하기 위하여 -0.4 V에서 -0.8 V 사이의 구간만을 설정하여 벗김을 실시한다. -0.4V에서 -0.8V로 전위를 스캔(선형 스윕(linear sweep)법)하여 벗김을 실시하면 주석과 트로폴론의 복합체의 표준전위(-0.6~-0.65 V) 구간에 다다랐을 때 석출된 주석이 재산화되어 전극으로부터 용액 속으로 되돌아가면서 전류가 흐르게 되어 그래프 상에서 피크(peak)를 형성한다.

측정 후 사용된 용액을 배출하고 글라시카본 전극 표면에서 수은 및 트로폴론-주석 복합체를 제거하기 위하여 새로운 세척 용액을 유입하고 1.0 V의 전압을 걸어주어 수은과 트로폴론-주석복합체를 제거한 뒤 용액을 배출하여 다음 측정을 준비한다. 이와 같은 일반적인 측정방법을 적용하여 아래와 같은 실시 예들을 진행하였다.

실시예 2. 시료내의 유기주석 화합물 존재 여부확인 (도 2)

처음 실험은 시료 내의 유기주석 화합물이 무기주석으로 변환될 수 있도록 pH를 2.8로 조절하고 자외선을 조사한 다음 이 시료가 반응기로 유입되도록 설정한다. 다음 실험은 pH조절 후 자외선 조사를 실시하지 않고 반응기로 유입되도록 설정하여 원래 함유된 무기주석의 양만을 측정하도록 설정한다.

이렇게 반응기로 유입된 시료를 흡착성 벗김 전압-전류법으로 전위를 측정

하고 자외선을 조사한 시료와 조사하지 않은 시료 사이의 측정된 전위 차이로 시료내에 유기주석 화합물의 존재 여부를 확인하게 된다. 유기주석이 전혀 존재하지 않는 경우, 양 시료 사이의 전위 차는 0이다.

도 2에서 곡선 (1)은 시료 내 유기주석을 무기주석으로 변환하도록 자외선을 조사한 경우이며 곡선 (2)는 자외선을 조사하지 않은 경우이다. 곡선 (1)과 (2)의 전류값의 차이가 분명하게 확인되므로 시료 내 유기주석 화합물의 존재를 확인할 수 있다.

실시예 3. 유기주석 화합물 정량을 위한 기준 설정

실시예 1 등으로 시료 내 유기주석 화합물의 존재가 확인되면 유기주석 화합물을 정량하기 위하여 적절한 무기주석 물질을 표준 화합물로 사용하여 농도를 알고 있는 무기주석 화합물 용액을 제조한다. 이렇게 다양한 농도[0 ppb (도 3), 500 ppb (도 4), 10 ppm (도 5), 20 ppm (도 6), 62.5 ppm (도 7)]로 제조한 무기주석 시료 용액들에 대하여 흡착성 벗김 전압-전류법으로 전류를 측정한다. 무기주석 물질의 양과 측정되는 전압-전류법 전류 사이의 관계를 검정(calibration)한다. 이렇게 시료 속 주석의 양과 측정되는 전류의 관계에 대한 검정 곡선을 수립하면 이를 바탕으로 미지시료 속 유기주석 화합물도 정량할 수 있다. 이 미지시료 속에 이미 무기주석이 일부 포함되어 있었다면 pH 조절 후 자외선 조사를 하지 않은 시료와 pH 조절 및 자외선 조사를 모두 실시한 시료와 전위 차이를 측정하여 유기주석 화합물의 양을 정량하게 된다.

이렇게 여러 가지 농도의 시료로 측정을 실시하여 각각의 농도에 관하여 상관관계를 조사한 결과 각 농도별로 유기주석 화합물의 농도와 발생전류에 관하여 비교한 상관계수를 확인한 결과 0.99로 높은 결과를 나타내 높은 상관관계를 나타 내는 것을 확인할 수 있었다. 이로써 전압-전류법에 의한 전류 측정을 통하여 유기주석 화합물의 농도를 확인할 수 있음을 확인하였다.

실시예 4. 유기주석 화합물을 상대로 한 시스템의 성능 시험

본 발명의 분석 장치의 감도와 정확성을 확인하기 위하여 염화트리부틸주 석(tributyltin chloride, TBTC)을 함유하는 시료에 대하여 농도 측정을 수행하였다. TBTC가 무기주석 형태로 될 수 있도록 pH를 2.8로 조절하고 자외선을 쪼여 주었다. 이 시료 용액의 농도를 50 mg/L(도 9) 또는 100 μg/L(도 11)가 되도록 맞춘 뒤 벗김 전압-전류법을 실시 하였고(도 9), 그 측정된 전류 범위를 각각 도 10과 도 12에서 검정 곡선의 전위 범위와 비교하였다. 두 시료 모두에서 측정된 전류값을 통하여 검정한 농도와 실제 농도는 잘 일치하였다.

실시예 5. 미지시료 속 유기주석의 정량

실시예 1 내지 4로부터 본 발명의 분석 장치의 실현 가능성을 입증하였으므로 실제 시료(조선소 부근 20 m 깊이 바닷물)에 대하여 본 발명의 분석 장치를 적용하고(도 13) 그렇게 하여 얻은 값을 공지기술 상의 표준적인 방법인 기체 크로마토그래피법에 의한 결과와 비교하였다.(도 14)

바닷물 시료의 벗김 전압-전류법 측정 전류는 10.821 μA이었고 검정 곡선에서 이는 약 13.3 ppm의 유기주석에 해당한다. 이 바닷물 미지시료를 기체 크로마 토그래피법으로 정량한 결과는 본 발명의 분석 장치로 정량한 결과와 잘 일치하였다.

본 발명에 따르면, 유기주석이 포함되어 있는 시료 속의 무기주석의 농도 및 유기주석의 농도를 다른 측정 방법에 비하여 빠른 시간 내에 측정할 수 있어 측정시간을 단축할 수 있는 효과가 있다. 다른 유기주석 정량 방법들이 시료에 대한 전처리 및 주석 농축을 위한 작업 등으로 많은 사전 공정을 요하지만 본 발명은 이러한 공정들을 자동화하여 특별한 조작을 할 필요 없이 각 공정이 자동적·연속적으로 무인 진행되어 비용과 인력절감, 측정값의 재현성 제고의 효과가 있다.

또한, 본 발명에서는 유기주석 화합물 상태에서는 측정이 어려운 주석 화합물을 무기주석 화합물로 변환하는 자동화 장치도 제공하므로 벗김 전압-전류법과 기타 유기주석 측정 방법에 소요되는 전작업 시간을 단축하는 효과도 있다.

Claims (24)

1. 전압-전류법(voltammetry)에 의하여 액체 시료 속 무기주석 또는 유기주석 화합물의 농도를 연속 측정하기 위한 주석 화합물의 분석 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 전압-전류법은 벗김 전압-전류법(stripping voltammetry)인 것을 특징으로 하는 액체 시료 속 주석 화합물의 분석 장치.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 무인 자동화 분석 장치는,

   액체 시료를 저장하는 시료 저장소(sample reservoir),

   상기 시료 저장소로부터 공급받은 상기 액체 시료에 산을 주입하는 산성화 처리를 하여 미리 설정한 산도값으로 맞추는 산 주입기,

   상기 산 주입기에 의하여 산성화 처리를 마친 주석 시료에 대하여 전기화학적 측정을 수행하는 반응기 및

   상기 반응기에서 발생하는 전기화학 신호를 감지하는 감지기를 포함하는 것을 특징으로 하는,

   액체 시료 속 주석 화합물의 분석 장치.
4. 제3항에 있어서,

   상기 산 주입기에 의한 산성화 처리를 마친 액체 시료를 받아 자외선을 조사하고, 자외선 조사를 마친 상기 액체 시료를 반응기로 넘기는 자외선 조사기(照射器)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,

   액체 시료 속 주석 화합물의 분석 장치.
5. 제4항에 있어서,

   상기 자외선 조사기는 상기 주석 시료 속 주석 화합물의 종류에 따라 자외선 조사 여부를 선택할 수 있는 것을 특징으로 하는,

   액체 시료 속 주석 화합물의 분석 장치.
6. 제3항에 있어서,

   상기 반응기는 전극 및 일정전위 장치(potentiostat)를 갖추고 있는 것을 특징으로 하는, 액체 시료 속 주석 화합물의 분석 장치.
7. 제7항에 있어서,

   상기 전극은 글라시카본(glassy carbon)과 수은을 포함하는 얇은 막 수은 전극인 것을 특징으로 하는, 액체 시료 속 주석 화합물의 분석 장치.
8. 제7항에 있어서,

   분석대상 주석 화합물이 상기 전극의 수은에 잘 흡착되도록 하는 첨가제 및 수은을 포함하는 혼합 용액을

   제7항의 반응기로 공급하는 장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 액체 시료 속 주석 화합물의 분석 장치.
9. 제8항에 있어서,

   상기 첨가제는 트로폴론(tropolone)인 것을 특징으로 하는, 액체 시료 속 주석 화합물의 분석 장치.
10. 제3항에 있어서,

    상기 미리 설정한 산도값은 pH 2.5 내지 3.5의 범위인 것을 특징으로 하는, 액체 시료 속 주석 화합물의 분석 장치.
11. 제10항에 있어서,

    상기 미리 설정한 산도값은 pH 2.8인 것을 특징으로 하는, 액체 시료 속 주석 화합물의 분석 장치.
12. 무기주석 화합물의 함유량을 알고 있는 액체 시료에 산을 가하여 상기 시료의 산도가 미리 설정한 산도값에 맞춰지도록 산성화 처리하는 단계(a);

    상기 (a)의 산성화 처리된 시료에 대하여 전압-전류법의 전류를 측정하는 단계(b);

    무기주석 화합물 함유량을 알고 있는 다양한 액체 시료에 대하여 상기 (a)와 (b)의 단계를 반복하여 측정된 전류와 무기주석 농도 사이의 검정 곡선을 수립하는 단계(c);

    미지의 액체 시료에 대하여 상기 (a)의 산성화 처리를 수행하는 단계(d);

    상기 (d) 단계를 거친 미지의 액체 시료에 대하여 상기 (b)의 전류 측정을 수행하는 단계(e); 및

    상기 (e) 단계에서 측정된 전류값과 (c)의 검정 곡선을 대비하여 미지의 액체 시료 속 무기주석 화합물의 농도를 결정하는 단계(f)를 포함하는,

    액체 시료 속 주석 화합물의 분석 방법.
13. 제12항에 있어서,

    상기 미리 설정한 산도값은 pH 2.5 내지 3.5의 범위인 것을 특징으로 하는, 액체 시료 속 주석 화합물의 분석 방법.
14. 제13항에 있어서,

    상기 미리 설정한 산도값은 pH 2.8인 것을 특징으로 하는, 액체 시료 속 주석 화합물의 분석 방법.
15. 미지의 액체 시료에 산을 가하여 상기 시료의 산도가 미리 설정한 산도값으로 맞춰지도록 산성화 처리한 다음 전압-전류법 전류 측정을 수행하는 단계(a);

    상기 미지의 액체 시료와 동일하지만 상기 (a) 단계를 거치지 않은 미지의 액체 시료에 대하여 미리 설정한 산도값으로 맞춰지도록 산을 가하여 산성화 처리를 하고 산성화 처리된 시료에 자외선을 조사한 다음 전압-전류법 전류 측정을 수행하는 단계(b);

    상기 (a) 단계에서 측정한 전류값과 (b) 단계에서 측정한 전류값을 비교하는 단계(c); 및

    상기 액체 시료 속 유기주석 화합물의 존재 여부를 판단하는 단계(d)를 포함하는 것을 특징으로 하는,

    액체 시료 속 주석 화합물의 분석 방법.
16. 제15항에 있어서,

    상기 미리 설정한 산도값은 pH 2.5 내지 3.5의 범위인 것을 특징으로 하는, 액체 시료 속 주석 화합물의 분석 방법.
17. 제16항에 있어서,

    상기 미리 설정한 산도값은 pH 2.8인 것을 특징으로 하는, 액체 시료 속 주석 화합물의 분석 방법.
18. 미지의 액체 시료에 대하여 제15항의 측정 방법을 수행하여 시료 속 유기주석 화합물의 존재를 확인하는 단계(ㄱ);

    상기 미지의 액체 시료와 동일하지만 상기 (ㄱ) 단계를 거치지 않은 시료에 대하여 제9항의 무기주석 화합물의 정량 방법을 수행하여 시료 속 무기주석 화합물의 농도를 결정하는 단계(ㄴ);

    상기 미지의 액체 시료와 동일하지만 상기 (ㄱ) 및 (ㄴ) 단계를 거치지 않은 시료에 미리 설정한 산도값에 도달하도록 산을 가하여 산성화 처리한 다음 자외선을 조사하여 시료 속 유기주석 화합물을 무기주석 화합물로 변환하는 단계(ㄷ);

    상기 (ㄷ) 단계를 거친 시료에 대하여 제12항의 측정 방법의 (e) 내지 (f) 단계를 수행하여 주석 화합물의 총 농도를 결정하는 단계(ㄹ); 및

    상기 (ㄹ)의 농도값에서 (ㄴ)의 농도값을 빼는 단계(ㅁ)를 포함하는 것을 특징으로 하는,

    액체 시료 속 주석 화합물의 분석 방법.
19. 제18항에 있어서,

    상기 미리 설정한 산도값은 pH 2.5 내지 3.5인 것을 특징으로 하는, 액체 시료 속 주석 화합물의 분석 방법.
20. 제16항에 있어서,

    상기 미리 설정한 산도값은 pH 2.8인 것을 특징으로 하는, 액체 시료 속 주석 화합물의 분석 방법.
21. 액체 시료를 저장하는 시료 저장소,

    상기 시료에 산을 주입하는 산성화 처리를 하여 미리 설정한 산도값으로 맞추는 산 주입기,

    산이 주입된 상기 시료의 산도를 측정하고 산 주입기에 그 측정값을 전달하여 산 주입기를 제어하기 위한 산도 측정기 및

    상기 산성화 처리를 마친 주석 시료에 자외선을 조사하는 자외선 조사기를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는,

    액체 시료 속 유기주석 화합물을 무기주석 화합물로 변환하는 변환 장치.
22. 제21항에 있어서,

    상기 미리 설정한 산도값은 pH 2.5 내지 3.5인 것을 특징으로 하는 변환 장치.
23. 제22항에 있어서,

    상기 미리 설정한 산도값은 pH 2.8인 것을 특징으로 하는 변환 장치.
24. 제21항 내지 제23항 중 어느 한 항의 변환 장치를 이용하여 액체 시료 속 유기주석 화합물을 무기주석 화합물로 변환하는 방법.

Images