DO(용존산소) 교정방법 및 측정 방법

DO(용존산소) 교정방법 및 측정 방법

용존산소는 물에 용해되어 있는 산소량을 말하며 DO(Dissolved Oxygen)라고도 불립니다.

산소가 녹아들 수 있는 양은 수온이 낮을수록, 또 압력이 클수록 많아집니다.

1기압, 20℃ 조건 하에서는 8.84mg/L의 산소가 녹아드는데 이를 포화용존 산소량이라고 합니다.

용존산소는 수중생물의 생존과 하천·호소의 자정작용, 생물처리의 정화작용, 하수등의 호기성 생물처리관리에 불가결한 요소입니다.

이러한 환경기준이나 배수관리상의 지표로서 뿐만 아니라 제품의 제조공정에서 탈산소 처리의 관리지표나 다양한 연구개발 분야에서 액체 내 화학반응의 작용을 조사하기 위한 재료로 용존산소량을 측정하기도 합니다.

모든 경우에서 용존 산소량에 따라 수질이나 제품의 품질에 영향이 있기 때문에 목적에 따라 적정한 용존 산소량을 관리할 필요가 있습니다.

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용존 산소(DO) 측정 방법

공장 배수 시험법 JIS K 0102에 규정되어 있는 공정법에는 적정법과 격막전극법이 있습니다.

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적정법

적정법에는 윙클러 아지화나트륨 변법이라는 측정방법과 미러 변법의 2종류가 있으며 모두 산화 환원반응을 이용하는 방법으로 시약을 엄밀하게 조합하여 측정, 공식에 기초하여 계산하는 등의 순서로 측정합니다.

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격막 전극법

격막전극법은 격막전극을 이용하여 측정하는 방법으로, 적정법과 달리 현장에서 바로 측정치를 얻을 수 있다는 점에서 매우 우수합니다.

용존 산소계(DO계)도 격막 전극법을 이용한 측정 방법입니다.

격막전극은 전해액 안에 담근 2종류의 금속간에 전압을 가하고, 물속의 용존 산소량에 따라 흐르는 전류를 측정하는 폴라로그래프식과 전압을 가하지 않고 측정 수중의 용존 산소량에 따라 발생하는 전류를 측정하는 가르바니 전지식이라는 방식으로 나뉩니다.

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격막전극법에서는, 전극 첨단의 격막을 통과하는 산소량을, 수중의 「산소 분압」을 측정하는 것으로, 기억되고 있는 포화 용존 산소량의 값을 기초로, 산소 분압을 농도로 환산해 측정치로서 출력합니다.

이것으로부터, 수중의 염분 농도가 높은 경우나, 대기압이 변화하는 경우는 출력치가 바뀌기 때문에, 보정이 필요하게 됩니다.

또 격막전극법으로 용존산소를 측정할 경우 격막 표면만의 산소가 소비되어 버리므로 측정 시에는 측정수를 교반시켜 유속을 만들 필요가 있습니다.

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용존 산소계(DO계) 교정 방법

용존 산소계를 사용할 때는 교정(조정)이 중요합니다.

교정에는 다음과 같은 방법이 있습니다.

저농도의 용존산소를 정확하게 측정하고 싶은 경우나 저농도의 수치가 이상하다고 느낄 경우에 용존산소계의 제로점을 이론치에 맞추기 위한 교정방법으로서 제로 표준액(용존산소량 제로의 물; 아황산나트륨 약 25g을 물에 녹여 물을 더해 500mL로 한 것)을 이용하여 제로 교정을 실시합니다.

또 스팬 교정에는 물 속의 포화용존 산소 분압과 대기 중의 산소 분압은 거의 동일한 것을 이용하여 간이적으로 대기 중의 산소 분압을 이용한 스팬 교정과 용존 산소 포화수(물 500mL 정도로 10~20분 에어레이션 한 것)를 사용하여 실시하는 포화수 교정이 있습니다.

기억시킨 포화용존 산소량을 바탕으로 측정수의 DO값으로 환산하는 방식으로 보다 정확한 교정입니다.

다만, 포화수 교정에서도 기압의 영향을 받기 때문에 미세 조정을 위해 적정법 등으로 측정한 값을 DO계의 지시 값에 기억시키는 매뉴얼 교정이라는 방법도 있습니다.

또한 용존 산소계의 교정에는 국가 표준으로 트레이스되어 있는 표준액이 없기 때문에 교정증명서를 발행할 수 없습니다.

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용존 산소계(DO계) 온도 보상

격막 전극에 사용하고 있는 격막의 산소 투과율은 측정수의 온도에 따라 변화합니다.

또 포화용존 산소량도 측정수의 온도에 대해 변화하기 때문에 전극에는 온도센서를 내장하고 있어 자동으로 온도가 보상되는 구조로 되어 있습니다.

교정시의 수온과 측정수의 수온에 큰 차이가 있으면, 온도 보상 오차가 생길 수 있습니다.

보다 정확하게 교정하기 위해서는 측정하는 수온에 가까운 온도에서 교정하는 것이 바람직하며 교정 전에 산소 센서를 30분 이상 방치해 온도에 익숙하게 두면 좋습니다.

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용존 산소계(DO계) 염분 보상

포화용존 산소 농도는 측정수 중의 염분(염화물 이온) 농도가 높을수록 낮아집니다.

그러나 격막전극법의 용존 산소계 출력은 용존 산소의 농도가 아닌 ‘산소 분압’에 비례하므로 염분 농도의 영향이 출력에 반영되지 않습니다.

따라서 측정 수중의 염분 농도에 대해 용존 산소 농도 감소분을 보정하여 정확하게 측정할 수 있습니다.

DO계는 일반적인 바닷물의 염분농도(19,000ppm)를 기억시켜 염분보정기능으로 조합한 것과 수동으로 측정수의 염분농도를 용존산소계에 기억시켜 그 값에 따라 DO값이 보정되도록 짜여진 것이 있습니다.

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격막식 갈바니전지식 산소센서는?

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측정 원리

센서의 구조를 그림-1에 나타냅니다.

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격막식 갈바니 전지식 산소 센서는 귀금속(금 등)의 캐소드와 비금속(납)의 아노드로 한 쌍의 전극을 구성하여 전해액을 채운 용기 내에 두고 가스 투과성의 막(격막)으로 외부와 차단합니다.

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갈바니식 산소 센서 측정 원리

격막을 투과해 온 산소는 캐소드로, 왼쪽의 반응에 의해 수산화물 이온(OH-)으로 환원됩니다.

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또, 아노드측에서는 왼쪽의 산화 반응이 일어납니다.

애노드, 캐소드 양극을 결선하면 산소량에 비례한 전류가 흐르고 이를 측정함으로써 산소 농도를 구합니다.

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갈바니식 산소 센서의 수명 원인으로

1) 격막의 흠집이나 찢어짐

2) 전해액의 증발

3) 애노드의 소모

4) 캐소드에 오염이 있습니다.

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<위크포인트>

물에 녹으면 산성을 나타내는 가스(CO2 가스 등)가 공존하는 경우 지시값이 불안정해지는 경우가 있습니다.

이 경우 지르코니아식 산소계를 권합니다.

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폴라로그라피식 산소센서는?

측정 원리

센서의 구조를 그림-1에 나타냅니다.

격막식 폴라로그래프식 산소센서는 귀금속(금 등)의 캐소드와 은-염화은형 참조전극의 애노드로 1쌍의 전극을 구성하여 전해액을 채운 용기 내에 두고 가스투과성의 막(격막)으로 외부와 차단합니다.

격막을 투과해 온 산소는 캐소드로, 왼쪽의 반응에 의해 수산화물 이온(OH-)으로 환원됩니다.

또, 애노드측에서는 왼쪽의 산화 반응이 일어납니다.

외부로부터 전압을 가해서 산소를 환원시키고, 그 때 발생한 전류를 측정함으로써 산소 농도를 구합니다.

폴라로식 산소 센서의 수명의 원인으로서

1) 격막의 흠집이나 찢어짐

2) 전해액의 증발

3) 전해질 소모

4) 애노드의 오염 부착

5) 캐소드의 오염 부착이 있습니다

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일반적인 폴라로 산소 센서의 약점

폴라로식 산소 센서의 경우 전해액 내의 전해질이 소모되어 가기 때문에 갈바니식 산소 센서에 비해 전해액 교환 빈도가 증가합니다.

그 때, 격막의 교체 작업도 필요하며, 이 작업은 미묘한 붙이는 방법의 차이로 센서의 성능이 좌우되는 어려운 작업입니다.

전해액을 자주 교환해야 하는 폴라로식 산소 센서에 있어서 막의 교체 작업이 어려운 점은 작업자가 다루기 어려운 점이었습니다.

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