TECHNOLOGY & LAW 환경실무 _1 측정분석기술 한치의오차도허용하지않는측정분석기술 연재 Ⅳ. 입자상오염물질 5. 결과산정 5-1. 표준산소농도보정 대기환경보전법시행규칙제14조별표 7의허용기준중표준산소농도를적용받는항목에대하여는다음식을적용하여오염물질의농도및가스량을보정한다. 5-1-1. 오염물질농도보정 21 Os C = Ca 21 Oa C : 오염물질농도 ( mg /Sm3또는 ppm) Os : 표준산소농도 (%) Oa : 실측산소농도 (%) Ca : 실측오염물질농도 ( mg /Sm3또는 ppm) 5-1-2. 가스유량보정 21 Os Q = Qa 21 Oa Q : 가스유량 (Sm3/ 일 ) Os : 표준산소농도 (%) Oa : 실측산소농도 (%) Qa : 실측가스유량 (S m3 / 일 ) 6. 참고자료 등속흡인계수계산의예 굴뚝에서시료채취를수행할때다음의측정 결과치및기본사항을이용하여등속흡인계수 (I Factor) 를구해보자. (I Factor는 95 110% 이내이어야한다.) 6-1. 굴뚝가스의측정결과치및기본사항온도 = 142 동압 ( 평균 ) = 0.05inH20(1.27mmH20) 정압 = 1.2inH2O = 2.24mmHg, 수분량측정결과 8%, 피토우관계수 = 0.84, 사용노즐 = 10mm(0.394in), 대기압 =754mmHg, 건식가스미터온도 = 13.8 6-2. 계산과정 위에서구한가스온도, 평균동압, 가스메타온도, 대기압, 수분량등의자료를계산자를이용하여 K factor값을산정한결과 KF = 14.6을얻었고이에따라오리피스압차 (ΔH) 는평균동압 KF이므로이를계산하면 0.73inH20 (1.36mmHg) 로되었다. 또한가스유속을아래식을이용하여계산하면 2 g h 가스유속 = C = 4.53m/sec γ 여기서 g = 중력가속도 (9.8m/sec) h = 평균동압 (mmh2o) 273 r = 가스밀도 (kg/ m3 ) = 1.3 273+Ts 대기압 + 정압 (ro 1.3) 760 측정결과와계산결과에서보면 ( 채취시간및채취가스량은가정 )
2010.JULY / AUGUST 환경정보 53 ΔH( 오리피스차압 ) = 0.73inH20 [ KF = 14.6 ], 총채취시간 : 240분, 총시료채취가스량 : 3.36m3, Vic : 235ml, 유속 = 4.53m/sec 이므로아래의등속흡인계수식을이용하여계산하면등속흡인계수를구할수있다. V m ΔH Ts[0.00346Vic + (Pbar + )](1.667 10 4 ) Tm 13.6 I(%)= Ps t v An 여기에서 I = 등속계수 (%) Ts = 가스평균절대온도 ( K:273+θs( )) Ps = 가스압력 (mmhg : 760+Ps) Vic = 임핀저와실리카겔에채취된물의총량 ( ml ) V m = 건식가스미터에서읽은가스시료채취량 ( m3 ) Tm = 건식가스미터의평균절대온도 ( K: 273+θm( )) Pbar = 측정공위치의대기압 (mmhg) ΔH = 오리피스압차 (mmh2o) t = 총시료채취시간 ( 분 ) v = 가스유속 (m/s) An = 노즐의단면적 ( cm3 ) 3.36 415[0.00346 235 + (764 + 1.36)](1.667 10 4 ) 286.8 결산결과 I(%) = (760 2.24) 240 4.53 0.785 415[0.8131+8.966] 1.667 10 4 = = 105%( 등속흡인 ) 646711.79 한다. 이때중요한사항은관로내의가스유속과흡입노즐내의가스유속이동일 ( 등속흡입 ) 하여야하고, 흡입노즐의입구부가유선방향과일치하여야정확한측정값을얻을수있다. 관로중의가스유속을 VS, 흡입노즐내의가스유속을 VN이라하면다음의관계가성립한다 ( 그림참조 ). 1. VS와 VN의대소가측정값 ( 먼지농도 ) 에미치는영향 1-1. VS <VN: 측정값이참값보다낮게나타남흡입노즐단면외부의가스유선이노즐안으로구부러져흡입되므로유량은증가하나, 흡입노즐단면외부의먼지는관성에의해그대로지나치므로노즐에흡입된먼지의질량에는거의변화가없기때문이다. 1-2. VS <VN: 측정값이참값보다높게나타남흡인노즐단면내부의가스유선이노즐밖으로구부러져흡입되지않으므로유량은감소하나, 흡입노즐단면내부의먼지는관성에의해노즐내부로유입되므로먼지의질량에는거의변화가없기때문이다. < 참고 > 등속흡인의원리관로 ( 굴뚝, 닥트등 ) 를통과하는가스 ( 먼지함유 ) 중의먼지를측정하기위해서는샘플링이매우중요하다. 관로를흐르는가스중의먼지를샘플링하기위해서는샘플러가필요하다. 샘플러에는관로를흐르는가스를흡입할수있는흡입노즐이장착되어있으며, 이흡입노즐을관로내에삽입하여가스를샘플링
2. 등속흡입시의흡입노즐방향에따른영향흡입노즐의가스흡입방향이가스의유선방향과일치하지않을경우, 가스는구부러져흡입되나먼지는관성에의해빠져나가므로먼지의질량이감소하여측정값이참값보다낮게된다. Ⅴ. 굴뚝연속자동측정기측정원리 1. 먼지먼지의연속자동측정법에는광산란적분법과베타 (β) 선흡수법, 광투과법이있다. 1-1. 광산란적분법먼지를포함하는굴뚝가스에빛을조사하면먼지로부터산란광이발생한다. 산란광의강도는먼지의성상, 크기, 상대굴절율등에따라변화하지만, 이들조건이동일하다면먼지농도에비례한다. 굴뚝에서미리구한먼지농도와산란도의상관관계식에측정한산란도를대입하여먼지농도를구한다. 1-2. 베타 (β) 선흡수법를등속흡인하여굴뚝밖에있는자동연속측정기내부의여과지위에먼지시료를채취한다. 이여과지에방사선동위원소로부터방출된 β선을조사하고먼지에의해흡수된 β 선량을구한다. 굴뚝에서미리구해놓은 β선흡수량과먼지농도사이의관계식에시료채취전후의 β선흡수량의차를대입하여먼지농도를구한다. 1-3. 광투과법이방법은먼지입자들에의한빛의반사, 흡수, 분산으로인한감쇄현상에기초를둔다. 먼지를포함하는굴뚝가스에일정한광량을투과하여얻어진투과된광의강도변화를측정 하여굴뚝에서미리구한먼지농도와투과도의상관관계식에측정한투과도를대입하여먼지의상대농도를연속적으로측정하는방법이다. 2. 아황산가스 측정원리에따라용액전도율법, 적외선흡수법, 자외선흡수법, 정전위전해법및불꽃광도법등으로분류할수있다. 2-1. 용액전도율법 흡전달수펌액프 흡수액용기 폐액용기 비교전극 측정전극 가스흡수부 그림 12 용액전도율분석계 를황산산성과산화수소수흡수액에도입하면아황산가스는과산화수소수에의해황산으로산화되어흡수된다. 이때황산의생성으로인하여흡수액의전도율이증가하게되는데, 이전도율의증가는중의아황산가스의농도에비례한다. 2-2. 적외선흡수법 ( 비분산정필터형적외선가스분석 ) 이시험법은선택성검출기를이용하여시료중의특정성분에의한적외선의흡수량변화를측정하여시료중에들어있는특정성분의농도를구하는방법이다. 적외선광원, 회전섹터, 광학필터 1), 시료셀, 대조셀 2), 적외선검출기 ( 이하 검출기 라한다 ), 증폭기및지시계로구성된다. 검출기에는특정성분가스를적당한분압으로봉입한콘덴서마이크로폰이이용되며, 이마이크로폰은중간에유연성이있는금속제다이아프레임에의해체적이균등하게대조검출기셀과시료검출기셀로이등분된다. 두개의동일한광원으로부터적외선이시료셀과질소가스가봉입된대조셀에조사되면시료셀에서는측정성분가스의농도에비례해서빛에너지가감소하지만대조셀에서는 배 기 증폭기 기록계
2010.JULY / AUGUST 환경정보 55 입사된빛에너지가감소하지않고그대로검출기에도달한다. 대조셀을통과한빛은시료셀을통과한빛보다더많은양의빛에너지를가지고있기때문에대조검출기셀안의특정성분가스의온도를시료검출기셀안의특정성분가스의온도보다높아지게된다. 그리고이로인해대조검출기셀안의가스의압력이시료검출기셀안의가스의압력보다더높아져서아이아프레임이시료셀쪽으로팽창하게된다. 이때두셀사이에서정전용량 (Capacitance) 의차가발생하는데이차이는시료셀안의측정성분의농도에비례한다. 2-3. 자외선흡수법 자외선흡수분석계에는분광기를이용하는분산방식과이용하지않는비분산방식이있으며그구성은각각 그림 13 과같다. 분산방식에서는 287nm에서의아황산가스와이산화질소의흡광도를그리고 380nm에서이산화질소의흡광도를측정하고몰흡광계수와농도및흡광도로표시된 2원 1차연립방정식에대입하여아황산가스의극대흡수파장인 287nm에서의이산화질소의간섭을보정한다. 광 원 회전섹터 시료셀 (a) 분산방식 분광기 검출기합산증폭기기록계 이것을미리작성한검량선에대입하여중아황산가스의농도를구한다. 2-4. 정전위전해법아황산가스를전해질에흡수시킨후전기화학적반응을이용하여그농도를구한다. 전해질에흡수된아황산가스는작용전극에일정한전위의전기에너지를가하면황산이온으로산화되는데이때발생되는전해전류는온도가일정할때흡수된아황산가스농도에비례한다. 가스투과성격막정전위작업전극전원증폭기기록계대전극검출기 ( 전해셀 ) 그림 14 정전위전해분석계 2-5. 불꽃광도법환원선수소불꽃에도입된아황산가스가불꽃중에서환원될때발생하는빛가운데 394nm 부근의빛에대한발광강도를측정하여연도가스중아황산가스농도를구한다. 이방법을이용하기위하여는불꽃에도입되는아황산가스농도가 5 6μg /min이하가되도록를깨끗한공기로희석해야한다. (b) 비분산방식 광 원 광학필터 광학필터 시료셀 검출기검출기 증폭기 기록계 그림 13 자외선흡수분석계 287nm에서구한아황산가스만의흡광도를미리작성한검량선에대입하여그농도를구한다. 또한비분산방식에서는수은램프로부터나온빛을둘로나누어두개의광학필터를통과시킨다. 이렇게하여하나의필터로부터는 280~320 nm의광을다른하나로부터는 540~570nm의광을시료셀에조사한다음, 전자는측정광으로하고후자는비교광으로하여흡광도를측정하고그차를중아황산가스의흡광도로한다. 그림 15 불꽃광도분석계 3. 질소산화물설치방식에따라시료채취형과굴뚝부착형으로나뉘어지며측정원리에따라화학발광법, 적외선흡수법, 자외선흡수법및정전위전해법등으로분류할수있다.
3-1. 화학발광법 산소가스 오존분해기 유량제어부 유량제어부 반응조 오존발생기 검출기 증폭기 그림 16 화학발광분석계 기록계 구하고미리교정용스팬셀과 20% 셀로구한 S 대일산화질소농도검량선에대입하여 B 시료중일산화질소의농도를구한다. 단, 가스중이산화질소의분율이질소산화물의 10% 를넘는시설에대해서는이산화질소농도를별도로 (3.4μm의적외선광을이용한다 ) 구하고그농도를합한다. 일산화질소와오존이반응하면이산화질소가생성되는데이때 590~875nm에이르는폭을가진빛 ( 화학발광 ) 이발생한다. 이발광강도를측정하여중일산화질소농도를연속적으로측정한다. 질소산화물농도는를환원장치를통과시켜이산화질소를일산화질소로환원한다음위와같이측정하여구한다. 3-2. 적외선흡수법 (Gas filter correlation method) 3-2-1. 시료채취형 (Extractive System) 굴뚝으로부터를추출하여지상또는일정지점에설치되어있는분석부에유입하여측정하는형식으로고정형 ( 시료채취점에고정하여장기적으로연속측정한다 ) 과이동형 ( 여러개의시료채취점을대상으로이동하면서비교적단기간동안측정한다 ) 이있으며, 분석방법은 2. 나. 항의비분산적외선가스분석법의원리에따른다. 3-2-2. 굴뚝부착형 비분산적외선 (5.25μm) 을굴뚝내부에조사하고수광부와검출기사이에대조셀과개스필터상관셀이교대로오도록한다. 입사광은굴뚝내부를통과한후반대편에있는반사경에의해반사되어다시수광부쪽으로돌아온다. 이때대조셀로는일산화질소에의해감쇄된빛에너지 (S) 와분진을비롯한공존물질에의해감쇄된바탕빛에너지 (B) 의합을측정하고개스필터상관셀로는바탕빛에너지만을측정한다. (S+B) B S 이측정값들로부터 즉 를 B B 그림 17 굴뚝부착형비분산적외선분석계 3-3. 자외선흡수법일산화질소는 195~230nm, 이산화질소는 350~450nm 부근의자외선을흡수하는성질을이용한다. 질소산화물의농도를구하기위하여일산화질소와이산화질소의농도를각각측정하여그것들을합하는방식 ( 다성분합산방식 ) 과중일산화질소를이산화질소로산화시킨다음측정하는방식 ( 산화방식 ) 이사용되고있다. 광원광원산소가스 회분전시료셀합산광검출기기록계섹증폭기터기 가. 다성분합성형 ( 분산형 ) 시료셀광회검증학전출폭기록계필섹터터기기오콘존발버생기터 나. 산화형 ( 비분산형 ) 그림 18 자외선흡수분석계 3-4. 정전위전해법가스투과성격막을통하여전해질용액에중의질소산화물을확산흡수시키고일정한전위 ( 아황산가스의경우와전위는다르다 ) 의
2010.JULY / AUGUST 환경정보 57 전기에너지를부가하면질산이온으로산화된다. 이때생성되는전해전류는온도가일정할때중질소산화물의농도에비례한다. 4. 염화수소 이온전극법, 비분산적외선분석법등이있다. 4-1. 이온전극법 중염화수소는배관을통하여분석계의비교부에도입된후그안에들어있던흡수액와접촉하여염소이온으로변한다. 이어서이시료액은시료부로옮겨지고이용액과비교부에새로도입된흡수액중의염소이온농도차를염소이온전극으로측정한다. 두값의차는중의염화수소농도에비례한다. 4-2. 비분산적외선분석법 3.55μm를중심파장으로하고어느정도의폭을가진적외선이를포함하는시료셀을통과한다음필터휠에의해처음에는광학필터를거쳐검출기로가고다음에는고농도의염화수소가스가채워져있는가스필터셀을거쳐검출기로간다. 이때전자의투과광강도를 TM이라고하고, 후자의투과광강도를 TG.F라고하면 TG.F는시료셀안의염화수소가스의농도의고저에관계없이항상일정하게작은값을갖는데이것이대조값 (Background Light Intensity) 이된다. 그리고시료셀에몇가지종류의표준가스를순서대로흘려주면서 TM을측정하면농도가높을수록낮은값이얻어진다. 검량선의횡축은염화수소가스의농도가되고 TM 종축은 log 으로한다. TG.F TM 이검량선에에대한 log 값을 TG.F 대입하여중염화수소의농도를구한다. 5. 불화수소 ( 이온전극법 ) 중불화수소는배관을통하여가스흡수관에도입된후그안에들어있던흡수액와접촉하여불소이온으로변한다. 이어서이시료용액은측정부로옮겨지고이용액과기준부에새로도입된흡수액중의불소이온농도차를불소이온전극으로측정한다. 두값의차가중의불화수소농도에비례한다. 6. 암모니아 용액전도율법과적외선가스분석법이있으며적외선분석법은아황산가스의적외선흡수법에따른다. 6-1. 용액전도율법 와흡수액을일정한비율로접촉시켜서가포함된암모니아가스를흡수액에흡수시킨다음, 흡수전후의전도율변화를측정한다. 이전도율의차는중암모니아농도에비례한다. 도입관 흡수액송액장치 흡수액용기 유량조절장치 기준전극 암모니아흡수부 가스 흡인장치 그림 20 용액전도율분석계 측정전극 항온조 흡수액 자료제공 : 환경보전협회환경연수처다음호에계속 광원 광의흐름 시료셀 Gas Filter 검출기 증폭기 데이타처리부 회전섹터 filter filter wheel 2 wheel 1 그림 19 적외선흡수분석계