KR20150068206A - 수질 측정 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전압의 변화에 따라 용액에 흐르는 전류를 측정하는 전극; 상기 전극이 안착되고, 용액이 일정한 유량으로 흐르게 하는 흐름셀; 및 상기 3 전극에 전압을 인가하는 전압 출력부 및 인가된 전압에 대응하는 전류를 측정하는 전류 측정부를 구비하고, 측정된 전류값을 염분도와 잔류 염소 농도로 환산하는 제어기를 포함하는 수질 측정 장치로서, 밸러스트 수의 염분도와 잔류 염소 농도를 동시에 측정할 수 있고, 수질 변화를 빠르게 파악할 수 있다.

Description

수질 측정 장치{Apparatus for measuring water quality}

본 발명은 잔류 염소와 염분도를 측정하는 수질 측정 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 밸러스트 수의 염분도와 잔류 염소 농도를 동시에 측정할 수 있고, 수질 변화를 빠르게 파악할 수 있는 수질 측정 장치에 관한 것이다.

일반적으로 해상에서 운송하는 화물 선박은 유사한 화물의 상호 교환을 위하여 왕복 항해하는 선박을 제외하고는 대부분 편도 운항을 한다. 그리고, 편도 운항을 만재 상태로 항해한 후 귀환 항해 시에는 선박의 균형, 안전성 및 조종 성능 향상 등을 위하여 밸러스트 수(평형수; ballast water)를 선내로 유입하여 밸러스트 상태로 항해를 하게 된다.

이때, 밸러스트 수는 한 항구에서 채워져서 다른 곳으로 이송되어, 거기서 새로운 항구 내에 배출된다. 이와 같이, 먼 위치로부터 실려져 온 밸러스트 수에 포함된 해양 생물 및 병원균의 방출은 새로운 환경에 유해할 뿐만 아니라, 새로운 항구에서도 사람과 동물 모두에게 위험할 수 있다.

비-천연적인 해양 생물을 신규 생태계로 도입시키면, 신규 종에 대해 자연적인 방어체계를 지니고 있지 않을 수 있는 천연 식물군 및 동물군에게 파괴적인 효과를 미칠 수 있다. 또한, 콜레라와 같은 해로운 세균성 병원균이 원래의 항구에 존재할 수 있다. 이러한 병원균은 시간이 지남에 따라 밸러스트 탱크 내에서 증식되어, 이들이 방출되는 영역에서 질병을 발생시킬 수 있다.

이러한 해양 생물 및 병원균에 의해 제기되는 위험은 밸러스트 수 내에 존재하는 상기한 종들을 치사(致死)시켜 조절할 수 있다.

여기서, 밸러스트 수를 살균 처리하는데 주로 전기 분해 방식을 이용하는데, 전기 분해 방식을 이용한 밸러스트 수 처리 시스템은 밸러스트 수의 TRO 측정하기 위한 TRO 센서 유닛을 구비하고 있다. 여기서 "TRO"는 "Total Residual Oxidant"의 약어로서, 밸러스트 수에 존재하는 전체 잔류 산화제를 의미하며, 통상적으로 전기 분해 과정을 통하여 발생하는 염소가 밸러스트 수 내의 수중 생물을 산화시키고 남은 염소의 잔류 염소 수치를 측정하여 구한다. TRO는 바닷물이나 염분이 섞여있는 물을 전기분해 또는 염소 소독할 경우 활성 염소 대신 브로민 등의 원자로 대체되어 여러 종류의 산화제가 공존하게 되는데, 이때 존재하는 모든 활성 산화제를 가리킨다.

전술한 TRO 센서는 선박이 항해하는 경로에 따라 담수, 해수 등 다양한 수질 조건에서 작동해야 하기 때문에, 수질변화에 덜 민감한 DPD 센서를 주로 사용한다. 그런데, DPD 센서는 측정 시간이 길고(대략 1분 이상), DPD 시약의 보존 기간이 약 1개월 정도이므로 시약을 자주 교체해야되는 단점이 있다.

이 때문에, 전기화학방식의 TRO 센서 도입이 필요하지만, 전기화학식 TRO 센서는 수질 변화, 특히 염분도 변화에 민감하여 담수와 해수에서 측정값이 차이가 발생한다는 단점이 있다.

또한, 전기 분해 방식의 밸러스트 수 처리 장치는 담수 지역에서 전기분해가 잘 이루어지지 않기 때문에, 수질 파악을 위해 염분도 센서를 별도로 설치하여 전기분해 전류 인가 조건에 인자로 사용하거나, 염분도가 낮은 경우 알람을 발생하는 방식으로 밸러스트 처리 장치의 운전 불가능 상황을 사용자에게 알려야 했다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 발명된 것으로서, 밸러스트 수의 염분도와 잔류 염소 농도를 동시에 측정할 수 있고, 수질 변화를 빠르게 파악할 수 있는 수질 측정 장치를 제공하는데 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 형태에 따르면, 전압의 변화에 따라 용액에 흐르는 전류를 측정하는 전극; 상기 전극이 안착되고, 용액이 일정한 유량으로 흐르게 하는 흐름셀; 및 상기 3 전극에 전압을 인가하는 전압 출력부 및 인가된 전압에 대응하는 전류를 측정하는 전류 측정부를 구비하고, 측정된 전류값을 염분도와 잔류 염소 농도로 환산하는 제어기를 포함한다.

바람직하게는, 상기 제어기는 LSV(linear sweep voltammetry) 및 CV(cyclic voltammetry) 전기화학 측정법을 이용하여 전류 곡선을 생성하고, 이 전류 곡선을 분석하여 염분도와 잔류 염소 농도를 환산하는 것을 특징으로 한다.

더 바람직하게는, 상기 제어기는 LSV 전기화학 측정법을 이용하여 생성된 전류 곡선에서 설정 된 전압 구간을 스캔하고, 스캔된 구간에서 전압에 대한 전류 측정값의 기울기를 계산하고, 계산된 기울기를 염분도로 환산하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제어기는 CV 전기화학 측정법을 이용하여 생성된 전류 곡선에서 설정된 전압 구간을 스캔하고, 스캔된 구간에서 변곡점을 추출하고, 추출된 변곡점에서 검출된 전류값을 잔류 염소 농도로 환산하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 제어기는 전류 곡선에 복수의 변곡점들이 생성된 경우, 전압 스캔 구간을 다르게 설정하여 복수의 변곡점들의 전류값을 검출하고, 검출된 전류값들을 합산하여 총 산화제 농도를 측정하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 제어기는 상기 변곡점에서의 해당 전압을 상기 3 전극에 고정 인가하고, 상기 변곡점의 전류값을 검출하여 잔류 염소 농도를 연속적으로 측정하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 제어기는 연속적으로 측정되는 잔류 염소 농도의 측정값이 10% 이상 변화될 때 수질이 바뀐 것으로 판단하고, 전압 설정 구간을 다시 스캔한 후 염분도 및 잔류 염소 농도를 재측정하는 것을 특징으로 한다.

한편, 상기 전압 출력부와 전류 측정부는 노이즈 생성을 방지하기 위해 전원이 분리되어 있는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 전극은 금, 백금, 은 또는 이들의 합금으로 이루어진 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 전극은 작업 전극, 기준 전극, 상대 전극으로 이루어진 3 전극 또는 작업 전극과 기준 전극으로 이루어진 2 전극인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 별도의 센서들을 개별적으로 설치하지 않고 밸러스트 수의 염분도와 잔류 염소 농도를 동시에 측정할 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 운항 중 밸러스트 수의 수질 변화를 빠르게 파악할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 수질 측정 장치의 구성을 개략적으로 도시한 블록도,
도 2는 LSV(linear sweep voltammetry) 측정 방법에 따른 일반적인 전류 곡선을 나타낸 그래프,
도 3은 CV(cyclic voltammetry) 측정 방법에 따른 일반적인 전류 곡선을 나타낸 그래프,
도 4는 본 발명에 따른 수질 측정 장치의 염분도에 따른 전류 곡선을 나타낸 그래프,
도 5는 본 발명에 따른 수질 측정 장치의 잔류 염소 농도에 따른 전류 곡선을 나타낸 그래프.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 수질 측정 장치의 바람직한 실시예를 설명한다. 참고로, 아래에서 본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명의 구성요소를 지칭하는 용어들은 각각의 구성 요소들의 기능을 고려하여 명명된 것이므로, 본 발명의 기술적 구성요소를 한정하는 의미로 이해되어서는 안 될 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 수질 측정 장치의 구성을 개략적으로 도시한 블록도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 수질 측정 장치는 전극(100), 흐름셀(200) 및 제어기(300)를 포함한다.

전극(100)은 전압의 변화에 따라 용액, 즉 밸러스트 수를 흐르는 전류를 측정한다. 여기서 전극은 작업 전극과 기준 전극으로 이루어진 2 전극이 사용될 수 있다. 그러나, 정확한 측정을 위해 전극(100)은 작업 전극, 기준 전극 및 상대 전극으로 구성된 3 전극이 바람직하다. 3 전극(100)에서는 전류가 작업 전극과 상대 전극의 사이에서 흐르고, 작업 전극의 전위는 기준 전극을 기준으로 하여 전원 공급부에서 조절된다. 이때 작업 전극과 기준 전극 사이의 전위차는 전극 반응에 의해 흐르는 전류값에 관계없이 정확하게 측정될 수 있다. 여기서, 3 전극(100)은 금, 백금, 은 또는 이들의 합금으로 이루어질 수 있다.

흐름셀(flow cell; 200)은 3 전극(100)이 안착되는 부품으로서, 3 전극(100)에 용액, 즉 밸러스트 수가 일정한 유량으로 흐르게 하는 역할을 한다.

제어기(300)는 3 전극(100)에 전압이 인가되도록 전압을 출력하는 전압 출력부(310) 및 3 전극에 인가된 전압에 대응하는 전류를 측정하는 전류 측정부(320)를 구비한다. 그리고, 제어기(300)는 전류 측정부(320)에서 측정된 전류값을 염분도와 잔류 염소 농도(TRO; Total Residual Oxidant)로 환산하여 염분도 및 잔류 염소 농도를 측정한다.

여기서, 제어기(300)는 LSV(linear sweep voltammetry) 또는 CV(cyclic voltammetry) 전기화학 측정법을 이용하여 전류 곡선을 생성하고, 생성된 전류 곡선을 분석하여 염분도와 잔류 염소 농도를 측정한다.

일반적으로 LSV 전기화학 측정법은 작업 전극의 전위를 초기 전위부터 최종 전위까지 일정한 속도로 변화를 주면서 그에 대응하는 전류를 기록하는 분석 방법으로서, 이러한 LSV 전기화학 측정법에 따른 일반적인 전류 곡선이 도 2에 도시되어 있다.

또한, CV 전기화학 측정법은 적절히 선택한 작업 전극의 전위를 초기 전위로부터 산화(또는 환원), 환원 한계 전위(또는 산화 한계 전위)를 거쳐 원래의 전위로 되돌아 오도록 전위를 시간에 따라 변화시키고, 전위 변화에 대응하여 얻어지는 전류 값을 분석하는 방법으로서, 이러한 CV 전기화학 측정법에 따른 일반적인 전류 곡선이 도 3에 도시되어 있다.

전술한 전기화학 측정법 중에서 LSV 전기화학 측정법에 따라, 본 발명의 수질 측정 장치의 3 전극(100)에 대략 - 1,000mV ~ 1,000mV 전압을 인가하고, 인가된 전압 범위에서 측정한 전류 곡선이 도 4에 도시된다. 도 4에 도시된 그래프에서, 수평축은 전류값(mV)이고, 수직축은 전압값(mA)이며, 도시된 곡선들은 각기 다른 염분도(PSU)를 나타낸다.

제어기(300)는 도 4의 그래프에서, 특정 전압 구간(도 4에는 300 ~ 1,200mV의 특정 전압 구간만 도시되어 있음)을 설정하고, 설정된 전압 구간을 스캔하여 전압에 대한 전류값을 추출한다. 그리고, 제어기(300)는 추출된 전류값의 기울기를 계산하고, 계산된 기울기를 염분도로 환산한다.

예를 들면, 도 4의 그래프에서, 1,200mV의 전압에 대한 전류 측정값은 3mA이고, 900mV의 전압에 대한 전류 측정값은 0mA이면, 기울기는 0.01mA/mV이다. 그리고, 1,200mA의 전압에 대한 전류 측정값이 1mA이고, 900mV의 전류 측정값이 0mA이면, 기울기는 0.0033mA/mV이다. 여기서, 0.01mA/mV 기울기에 해당하는 염분도는 30PSU로 환산되고, 0.0033mA/mV 기울기에 해당하는 염분도는 20PSU로 환산된다.

이와 같이, 제어기(300)는 LSV 전기화학 측정법에 따라 전류 곡선을 생성하고, 설정된 전압 스캔 구간에서 전압에 대한 전류 측정값의 기울기를 계산하여, 염분도를 측정할 수 있다.

또한, 전술한 전기화학 측정법 중에서 CV 전기화학 측정법에 따라, 본 발명의 수질 측정 장치의 3 전극(100)에 대략 - 1,000mV ~ 1,000mV 전압을 인가하고, 인가된 전압 범위에서 측정한 전류 곡선이 도 5에 도시된다. 도 5에 도시된 그래프에서, 수평축은 전류값(mV)이고, 수직축은 전압값(mA)이며, 도시된 곡선들은 각기 다른 잔류 염소 농도(TRO)를 나타낸다.

제어기(300)는 도 5의 그래프에서, 특정 전압 구간(-300 ~ 0mV)을 설정하고, 설정된 전압 구간을 스캔하여 전류 곡선의 변곡점들을 추출한다. 도 5의 그래프에서, 설정된 전압 구간에는 아래를 향하는 2개의 변곡점이 존재한다. 환원 구간에 반응하는 산화제, 예를 들면 HOCl, NAOCl 등이 있어 반응하는 전류가 많이 검출되기 때문에 전류 곡선에서 변곡점이 발생하게 된다. 이러한 점을 고려하여, 제어기(300)는 해당 구간에서 변곡점들을 찾아 변곡점에서 검출되는 전류값을 잔류 염소 농도로 환산한다.

여기서, 산화제는 그 종류에 따라 산화환원 전위가 다르므로, 반응 전류 역시 차이가 난다. 따라서, 도 5의 그래프에는 산화제의 종류와 대응되는 복수의 변곡점들이 생길 수 있다. 그러므로, 제어기(300)는 전압 스캔 구간대를 다르게 해서 복수의 변곡점들의 전류값들을 검출하고, 검출된 전류값들을 합산하여 총 산화제 농도를 측정할 수 있다.

이와 같이, 제어기(300)는 CV 전기화학 측정법에 따라 전류 곡선을 생성하고, 설정된 전압 스캔 구간에서 전류값이 높은 변곡점들을 추출하고, 이 변곡점에서의 전류값에 대응하는 잔류 염소 농도를 측정할 수 있다.

따라서, 본 발명에 따른 수질 측정 장치를 이용하여 선박 밸러스트 수의 염분도와 잔류 염소 농도를 모두 측정할 수 있다.

바람직하게는, 제어기(300)는 도 5의 그래프에서 추출한 변곡점에 해당하는 전압을 3 전극(100)에 고정 인가하고, 이 변곡점에서의 전류값을 지속적으로 검출하여 잔류 염소 농도를 연속적으로 측정한다.

이러한 연속적인 잔류 염소 농도의 측정은, 측정 대상 밸러스트 수의 수질이 변화하는 것을 감지하기 위한 것이다.

여기서, 제어기(300)는 연속적으로 측정되는 잔류 염소 농도의 측정값이 10% 이상 변화될 때, 측정 대상 밸러스트 수의 수질이 바뀐 것으로 판단한다. 그리고, 이러한 판단 결과에 따라, 전술한 전압 설정 구간을 다시 스캔한 후, 전술한 과정을 거쳐 측정 대상 밸러스트 수의 염분도와 잔류 염소 농도를 재측정한다.

따라서, 선박 운항 중 운항 지역의 수질 변화를 빠르게 파악하여 대처할 수 있다.

한편, 제어기(300)의 전압 출력부(310)와 전류 측정부(320)는 노이즈 생성을 방지하기 위해 전원이 분리되어 있는 것이 바람직하다.

이상에서 설명된 본 발명의 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 보여준 것에 불과하며, 본 발명의 보호 범위는 이하 특허청구범위에 의하여 해석되어야 마땅할 것이다. 또한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것인 바, 본 발명과 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

100: 3 전극 200: 흐름셀
300: 제어기 310: 전압 출력부
320: 전류 측정부

Claims (10)

1. 전압의 변화에 따라 용액에 흐르는 전류를 측정하는 전극;
   상기 전극이 안착되고, 용액이 일정한 유량으로 흐르게 하는 흐름셀; 및
   상기 전극에 전압을 인가하는 전압 출력부 및 인가된 전압에 대응하는 전류를 측정하는 전류 측정부를 구비하고, 측정된 전류값을 염분도와 잔류 염소 농도로 환산하는 제어기를 포함하는 수질 측정 장치.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 제어기는 LSV(linear sweep voltammetry) 또는 CV(cyclic voltammetry) 전기화학 측정법을 이용하여 전류 곡선을 생성하고, 이 전류 곡선을 분석하여 염분도와 잔류 염소 농도를 환산하는 것을 특징으로 하는 수질 측정 장치.
   
3. 제2항에 있어서,
   상기 제어기는 LSV 또는 CV 전기화학 측정법을 이용하여 생성된 전류 곡선에서 설정된 전압 구간을 스캔하고, 스캔된 구간에서 전압에 대한 전류 측정값의 기울기를 계산하고, 계산된 기울기를 염분도로 환산하는 것을 특징으로 하는 수질 측정 장치.
   
4. 제2항에 있어서,
   상기 제어기는 LSV 또는 CV 전기화학 측정법을 이용하여 생성된 전류 곡선에서 설정된 전압 구간을 스캔하고, 스캔된 구간에서 변곡점을 추출하고, 추출된 변곡점에서 검출된 전류값을 잔류 염소 농도로 환산하는 것을 특징으로 하는 수질 측정 장치.
   
5. 제4항에 있어서,
   상기 제어기는 전류 곡선에 복수의 변곡점들이 생성된 경우, 전압 스캔 구간을 다르게 설정하여 복수의 변곡점들의 전류값을 검출하고, 검출된 전류값들을 합산하여 총 산화제 농도를 측정하는 것을 특징으로 하는 수질 측정 장치.
   
6. 제5항에 있어서,
   상기 제어기는 상기 변곡점에서의 해당 전압을 상기 전극에 고정 인가하고, 상기 변곡점의 전류값을 검출하여 잔류 염소 농도를 연속적으로 측정하는 것을 특징으로 하는 수질 측정 장치.
   
7. 제6항에 있어서,
   상기 제어기는 연속적으로 측정되는 잔류 염소 농도의 측정값이 10% 이상 변화될 때 수질이 바뀐 것으로 판단하고, 전압 설정 구간을 다시 스캔한 후 염분도 및 잔류 염소 농도를 재측정하는 것을 특징으로 하는 수질 측정 장치.
   
8. 제1항에 있어서,
   상기 전압 출력부와 전류 측정부는 노이즈 생성을 방지하기 위해 전원이 분리되어 있는 것을 특징으로 하는 수질 측정 장치.
   
9. 제1항에 있어서,
   상기 전극은 금, 백금, 은 또는 이들의 합금으로 이루어진 것을 특징으로 하는 수질 측정 장치.
   
10. 제1항에 있어서,
    상기 전극은 작업 전극, 기준 전극, 상대 전극으로 이루어진 3 전극 또는 작업 전극과 기준 전극으로 이루어진 2 전극인 것을 특징으로 하는 수질 측정 장치.

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