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기술동향 <기술동향: 계측기>EZ 시리즈를 통해서 본 인라인 수질 측정 기술

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작성자 댓글 0건 조회 1,634회 작성일 20-09-25 14:54

본문

그림 1. EZ 시리즈 원소주기표 


서론

본고에서는 최신의 수질 측정 자동화라는 주제로 현재 활용되고 있는 수질 온라인 측정기기의 개요에 관해 설명하고자 한다. 여기에서는 Hach사가 판매하고 있는 EZ 시리즈의 수질 측정 원리에 대한 소개를 통해 현재 시장에서 유통되고 있는 수질 온라인 측정의 원리와 그 응용까지 다루도록 한다.


Hach사는 1947Hach 부부에 의해 미국 아이오와주에서 시작된 회사이며, Clifford Hach는 음료수 적정(滴定)을 보다 단순하게 만들어주는 방법을 개발했다. 그 후 2004년에는 독일의 Dr. Bruno Lange GmbH와 통합하여 만들어진 회사가 지금의 Hach사의 근간이 되었다. 그 후 다양한 수질 측정 브랜드와의 통합을 이루면서 현재에 이르게 된다. 이번 수질 측정 원리에 대하여 소개할 때 참조하는 일본 국내에서의 EZ 시리즈는 벨기에의 Applitek사가 Hach에 합병되었을 때 새롭게 Hach 브랜드가 된 제품이다. 다양한 측정 원리를 통일된 케이스에서 실현할 수 있다는 점을 특징으로 한다. 여기에서는 새롭게 당사에 추가된 EZ 시리즈를 예로 들어 인라인 수질 측정에 대해 고찰하고자 한다.

 

인라인 수질 분석 시리즈에서 이용되는 주요 기술

수질 측정 시의 프로세스 기기에서는 실시간으로 연구소 계기에서 측정하고 있는 동작을 연속적으로 하고 있다(샘플 처리 사이클이 있기 때문에 보다 정확하게 표현하자면 자동으로 Discrete가 됨). 자동화하기 위해서는 샘플 채취, 전처리, 측정, 배출, 세정, 자동 교정, 보정 등이 자동으로 이루어져야 한다. 이를 위해 수많은 펌프, 튜브, 측정 기구, 변환 밸브 등을 사용하고 각 장치는 측정의 에너지 절감과 자동화에 대해 보다 유연하면서 높은 신뢰도를 달성하게 된다. 각 기구의 아이템 수나 각 동작의 시간 설정 등을 각 장치에서 연구하고 있다. 본고에서는 Hach사가 다루는 제품 중 다양한 anolyte(양극액)을 측정하는 구성으로 만드는 유니버셜형 인라인 프로세스 분석기 EZ 시리즈의 측정 기구를 통해, 어떤 인라인 분석이 실제 사업소의 제조 또는 배수 프로세스에서 가용되는지에 관해 소개하도록 한다. 가장 먼저 측정 원리를 소개하고, 이어서 샘플링과 전처리에 대한 내용, 평소의 오퍼레이션과 메인터넌스성에 대해 고찰해보도록 한다.

 

측정 원리

EZ 시리즈에서 채용한 측정 원리는 크게 다섯 가지로 분류된다. 비색 분석, 적정 분석, 이온 선택성 전극, 전압전류법(voltammetry) 적정, 화학 발광이다.

EZ 시리즈에서는 이들 측정 원리를 조합하여 다양한 원소와 화학물의 농도 측정이 가능해진다. <그림 1>EZ 시리즈에서 제공하는 측정 파라미터이다. 이렇게 다섯 가지 측정 원리를 조합함으로써 다양한 원소를 측정할 수 있음을 알 수 있다.

 

(1) 비색 분석

비색 분석은 연구소에서도 많이 채용되는 방법 중 한가지로, EZ1000/2000은 자동으로 비색 분석을 하는 장치다. 비색 분석이란 발색 시약을 이용하여 샘플액 안에 함유된 원소에 대한 색깔의 변화를 구하는 것이다. 예를 들면, 수돗물 안의 유리 염소를 측정할 때 N,N-디에틸-p-페닐렌디아민(N, N-diethyl-p-phenylenediamine (DPD))을 사용하면 유리 염소 농도에 의해 색조에 차이가 생긴다(사진 2). 이 차이를 통해 염소 농도를 읽어내는 원리다.


그러나 이 방법은 육안으로 읽어내기엔 한계가 있어 분광 광도계가 이용되고 있다. 분광 광도계에서는 다양한 파장의 빛을 선택적으로 측정할 수 있기 때문에 목적으로 하는 발색 반응의 색깔 농도를 정확하게 측정할 수 있다.


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사진 1. NH4(암모니아측정 장치


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사진 2. 다른 염소 농도에 의해 색을 낸 샘플 

 


(2) 적정(滴定)

EZ4000/5000에서는 적정을 이용한다. 적정이란 현재도 표준적인 연구소에서 수질 분석에 사용되는 방법으로, 샘플에 이미 알고 있는 농도의 시약을 떨어뜨리고 반응이 끝난 시약의 적하 용량을 통해 측정 대상 물질의 농도를 측정하는 방법이다. 예전에는 뷰렛을 이용하던 방법이라 하면 고개를 끄덕일 독자 분들도 많으실 것이라 생각된다. 자동화된 데스크탑형 적정 장치도 많이 나왔지만 연구소로 샘플을 옮기는 공정이 장애가 되기도 한다.


(3) 이온 선택성 전극

이온 선택성 전극은 전기 화학 분석의 일종으로, 간편하게 샘플의 성질을 도모하는 방법으로서 연구소 또는 휴대용 분석기기에 이용되는 경우가 많다. 가장 큰 특징은 전극을 샘플에 침액 시키면 시약이나 뷰렛 등을 사용하지 않고도 측정할 수 있다는 점이다. 유리 전극 pH계와 기본적인 측정 원리는 동일하다. 이온 선택성 전극은 기준이 되는 비교 전극과 측정 대상 이온에 대하여 기전력이 바뀌는 전극을 조합하여 전지를 구성하고, 그 기전력을 이용하여 이온 농도를 환산하는 원리다. 이온 선택성 전극에 의한 측정의 특징은 음이온 특정에 적용되는 경우가 많다. , 이온 선택성이라고 해도 측정 대상의 이온 외에 방해 이온이 존재하는 경우가 있다. 그 방해 이온에 대한 음직임을 각 전극에 따라 다르다.


(4) 전압전류법(voltammetry)

전압을 변화시키면서 전류를 측정하는 방법이다. 그 중에서 Stripping voltammetry(SV)는 중금속 측정에 활용할 수 있다는 점에서 배수 관리 등에 활용된다. SV에서는 대상의 양극액인 금속을 환원 석출함으로써 전극의 표면에 모은 후 선택적으로 그 전극을 stripping 단계에서 산화시킨다. 양극액의 정보는 그 때의 전류를 측정함으로써 알 수 있다. 금속은 각각 다른 산화 환원 전위가 존재하는 것을 응용했다.


(5) 화학 발광

화학 발광은 수질 분석 중 위의 네 가지에 비하면 낯선 방법일 수 있는데, 물질의 화학 반응 시에 발광하는 빛을 측정함으로써 양극액의 양을 측정하는 것이다. EZ시리즈에서는 ATP(아데노신3인산)을 인라인 측정하는 타입을 그 예로 들 수 있다. 미생물에 유래하는 ATP를 루시페라아제와 루시페린을 통해 발광시킴으로써 미생물을 측정한다. 반딧불의 발광 원리와 같다.




..(후략)




岡田 政嗣 / Hach Ultra

본 기사는 2020년 9월호에 게재되었습니다.  

  

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본 기사는 월간지[計側技術] (일본일본공업출판주식회사 발행)로부터 번역·전재한 것입니다.

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