스마트계측기[blog]

처리 시설의 비용을 절감하기 위해 DO를 모니터링할 수 있습니까?

폐수 설비의 에너지 예산 중 최대 70%가 에어레이션 시스템을 가동하는데 사용됩니다. 수년 동안 공기량 설정 지점, 밸브 위치 또는 모터 속도를 수동으로 변경하여 공기 배출 시스템을 제어했습니다. 멤브레인 DO 센서가 현실화되지 않았기 때문입니다. LDO는 시스템이 특정 DO 설정 포인트에서 에어레이션을 자동으로 관리하는 것을 가능하게 했습니다. 이는 블로어가 실시간으로 로딩에 반응하여, 에너지 소비량의 30%에서 60%를 절감하도록 했습니다.

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용존산소(DO) 모니터링 방법

DO는 용해된 가스이기 때문에 현장에서 즉 수역에서 측정되어야 합니다. 채취한 샘플로 수행하면 대기 산소 및 온도가 측정 정확도에 간섭을 줄 수 있습니다.

전극

DO는 용해된 가스로 현장에서, 이상적으로는 수역에서 측정되어야 합니다. 샘플 채취를 통한 측정 시 측정 정확도에 방해가 되는 대기 산소 및 온도의 변화가 발생합니다.

광학식 센서

이 방법은 DO 측정을 위하여 빛과 발광 재료를 이용합니다. 이 전극은 유지보수가 덜 힘들고, 교정이 가능하며, 황화후소 및 다른 용존가스에 의해 영향을 받지 않습니다. 또한 정확도, 안정성, 빠른 반응시간으로 재현성이 우수합니다.

전기화학식 센서

이 방법은 DO 측정을 위해 갈바닉 또는 클라크 유형의 전극(전해액의 양극과 음극)을 사용합니다. 전극의 정확도를 보장하기 위해서 잦은 교정을 요구하며, 샘플수를 약하게 저어주어야 합니다.

빈클러 적정(Winkler Titration)

 

이 방법은 화학물질(망간, 요오드화물 및 수산화물)을 샘플수에 첨가하여 수행되며, 산성 솔루션을 형성하는 DO에 반응을 일으킵니다. 적정과 함께 산을 중성화하기 위하여 요구되는 알칼리 시약의 양은 원래의 샘플 수에 얼마나 많은 DO가 포함되어 있는지를 가리킵니다. 이것이 몇몇 분야에서 전통적인 방법으로 여겨지는데, 이것은 시간 소모가 심하고, 휴먼 에러가 있을 수 있는 주관적입니다. 이 방법을 위한 온라인 측정장비는 따로 없습니다.

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용존산소 모니터링이 요구되는 환경 모니터링

DO의 건강한 수준의 농도 없이, 수역은 저산소증을 경험할 수 있습니다.

저산소증은 해양생물에 영향을 끼치는 산소가 충분하지 않은 상태를 말합니다.

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용존산소 모니터링이 요구되는 양식업

수족관 및 양어장에서는 어류의 생명을 보장하기 위해 최소 DO수준을 4.5mg/L로 유지하는 것이 필요합니다.

너무 높은 DO는 질병을 촉진시키는 결과를 불러옵니다.

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용존산소 모니터링이 요구되는 음료 산업

청량음료 회사는 DO수준을 품질 기준으로 설정합니다.

맛을 안정화하고, 저장 수명을 보장하고, 포장 캔의 부식을 막기 위함입니다.

양조장은 발효가 산소로 필요로 하기 때문에 DO를 모니터링합니다. 하지만 제품 포장 시에는 낮은 DO 수준이 요구됩니다. 이것이 저장 수명을 개선하고 맛/향을 안정화하기 때문입니다. ( 맥주 양조를 위한 DO 측정)

와인 제조자는 DO함유량을 낮은 수준으로 유지해야 하기 때문입니다. 황을 더하여 제품이 산화, 향의 손실, 변색, 빠른 숙성 및 미생물의 성장을 막습니다.

주스 제조자는 맛의 안정성을 보장하기 위하여 DO를 낮은 수준으로 유지합니다

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용존산소 모니터링이 요구되는 식수 처리

원수의 DO와 온도를 모니터링하는 것은 망간 농도가 계절적으로 급증하는 것에 대한 사전 경고를 제공합니다. DO의 높은 수준은 수관의 부식을 가속화합니다. DO의 낮은 수준은 철 함유량을 증가시켜 수도 변색의 결과로 이어집니다.

공급 시스템으로 배출되는 최종 물의 균형잡힌 DO 농도를 유지하는 것은 중요합니다. 균형잡힌 DO는 식수의 맛을 개선하기 때문입니다.

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용존산소 모니터링이 요구되는 산업용 증기 발전

산업용 증기 발전

DO는 장비의 부식을 야기할 수 있기 때문에 DO를 낮은 수준으로 유지하거나 없애는 것이 누설 및 공정의 실패를 나아가 공정 중단을 막을 수 있습니다.

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폐수처리 용존산소 모니터링이 요구되는 분야

폐수처리

설비에 유입되는 물은 일반적으로 DO 농도가 낮습니다. 유기물 및 유기물의 먹이가 되는 산소를 소비하는 미생물을 포함하고 있기 때문입니다.

DO를 모니터링하는 것은 폭기조의 효율을 증진시키는 데 도움이 됩니다. 온라인 DO 측정 장비를 사용함에 따라, 설비는 에너지 비용을 조정할 수 있습니다. 유기물 부하에 의해 요구되는 DO에 맞춰 에어레이션을 조정할 수 있기 때문입니다. 지속적인 측정과 조정은 미생물이 유기물이 소비하는 산소를 충분히 가질 수 있게 합니다. 또한 가능한 에어레이션을 줄여 설비가 에너지를 보존하도록 합니다. 즉 폐수 처리에서 에어레이션 조절이 가능합니다.

DO 수준은 설비를 떠날 때 배출수를 보충하여, 생태계를 보호하기 위하여 요구되는 최소 DO 수준을 충족하도록 합니다. 이는 배출 허용 기준을 준수하는 일이기도 합니다. 이러한 규정은 유출수가 수로의 산소 수치를 감소시키지 않도록 보장합니다.

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용존산소(DO)란 무엇인가?

용존산소(DO)를 모니터링해야 하는 이유

물 속의 용존산소(DO)를 측정하고, 적절한 DO 수준을 유지하도록 처리하는 것은 다양한 물처리 분야에서 중요한 역할을 수행합니다. 용존산소(DO)가 생명 및 처리 공정을 돕는 데 필요하지만 장비 및 제품을 손상시키는 산화를 유발하여 유해할 수 있습니다. 용존산소(DO)는 다음에 영향을 끼칩니다:

• 품질: DO 농도는 원수의 품질을 결정짓습니다. 충분한 DO가 없다면, 물은 더러워지고, 건강에 악영향을 끼칩니다. 이는 곧 환경, 식수 및 기타 상품의 질에 부정적인 영향을 미치게 됩니다.
• 규제 준수: 규제를 준수하기 위하여, 폐수가 하천, 호수, 강 또는 수로로 배출되기 전에 정해진 DO농도를 요구합니다. 생명에 도움이 되는 건강한 물은 반드시 용존산소를 포함하고 있습니다.
• 공정 관리: DO 수준은 식수 생산의 생물 여과 과정과 폐수의 생물학적 처리를 조절하는데 중요합니다. 어떤 산업 분야(예: 발전)에서 DO는 증기 발전에 해로울 수 있어 제거되어야 하거나 그 농도가 엄격하게 관리되어야 합니다.

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ph 전극관리 및 유의사항들 

- 유리전극은 주기적으로 세척이 필요하다.  

- 전극 유리 표면를 치거나 긁지 않도록 조심하여야 한다. 

- 장기간 사용하지 않을 때는 물 또는 적당한 완충용액에 담구어 보관한다. 

- 공기 중에 방치한 경우는 2시간 이상 물 또는 완충용액에 넣어서 안정화된 후에 사용하도록 한다. 

- 교정 시에는 표준용액에 전극들을 담근 후 용액을 흔들어 전극이 용액에 빠른 감응을 하도록 유도 한다. 

  유리 전극은 매우 얇은 유리 막을 갖고 있어 깨어지기 쉬우므로 유의한다. 

- 전극의 케이블은 대부분 테프론 계열 심선에 비닐계의 검은 피복이 씌워져 있으며 검은 피복이 벗겨져 있지 않을 경우 습도가 높아질 경우 절연저하로 pH(ORP) 신호가 누설되어 수치가 고정 지시하거나 헌팅 할 염려가 있으므로 검은 피복이 벗겨져 있는지 확인하고 다른 단자에 접촉되지 않도록 한다. 

- 중계 BOX 를 사용하여 케이블을 연장할 경우 가능한 20M 를 넘지 않도록 하고, 중계 케이블의 절연 상태, 배선상태, 오염, 습도 등을 필히 확인한다. 

- pH Meter는 특성상 고입력 임피던스이므로 외부에서의 정전 유도전류를 받기기 쉽기 때문에 계기의 측정 장애의 요인을 방지하기 위해 접지가 중요하다. 현장에서 사용시 각종 계기와 대지 또는 계기와 전원 사이의 정전 용량을 통하여 유도 전압, 직류 또는 교류의 전위차가 발생이 되기 때문에 측정 오차를 없애기 위해 계기의 접지에 유의 하십시오. 

- 전극케이블의 단말처리에 있어서 계기와 전극을 접속하는 전용케이블에 습기가 들어가 있거나 오염 되어 있으면 정확한 지시를 하지 못한다. 

- 전용 케이블 대신에 일반 케이블을 사용하거나 또는 중간에 전기테이프 등으로 연결하지 마시고 중계 BOX를 사용하십시오. 

- 케이블의 처리 작업 중에 손때나 기름 등의 오염이 되지 않도록 주의를 하시고 만일 오염이 됐을 경우 에는 사염화탄소로 오염 요인을 깨끗이 제거를 하십시오. 

- Kcl 보충형 전극의 보충방법은 홀더의 Kcl 보충구멍과 홀더 캡의 보충구멍이 일치하도록 홀더캡을 돌린 다음 보충액을 넣는다. 

  PP재질의 일반홀더의 경우 길이 1M당 약 500ml 이상이 필요하며, Kcl보충 후 홀더 내부가 진공 상태가 되어 액이 전극을 통하여 흘러 나가는 것을 방해하지 않도록 보충구멍과 홀더캡의 보충구 사이에 약간의 틈이 생기도록 해둔다. 

- Kcl 보충형 전극의 보충하는 내부액은 Kcl 3.3 mol 을 사용하며 내부액의 액위가 측정물의 수위보다 10 cm 이상 유지되도록 한다. 

pH측정시 pH 용액의 변화에도 무반응 할때는? 

(1) 원인 : pH 측정 값이 다른 농도의 Buffer 용액에서 5.8 에서 6.2 사이 값만 표시할때

점검 : glass Mmebrane의 균열(유리 Bulb 의 크랙)이 있는지 점검.  

(2) 회로의 쇼트 : 만일 계속하여 7.0pH 및 0.0mV 가 나오면 케이블을 점검. 

만일 외상이 없으면 커넥터를 제거하고 회로의 쇼트현상을 점검.  

(3) 고 임피던스 브릿지 : 커넥터의 습기 및 부식을 점검. 만일 젖어있으면 증류수로 잘 닦아내고 잘 말린다. 

(4) 유리막 pH 전극의 임피던스

유리막 pH 전극의 임피던스는 10 ~ 100메가옴이고 온도에 크게 영향을 받는다. 

금이 생기거나 깨지면 임피던스가 1메가옴 혹은 1메가옴 이하로 작아진다. 

온도보상이 되는 임피던스 측정회로를 이용하여 임피던스가 일정값 이하로 낮아지면 경보를 울리도록 하면 전극의 결함(금이 생기거나 깨지는 현상)을 알아낼수 있다. 

​(5) 기준전극의 임피던스

기준전극의 전체적인 임피던스의 값은 액간접촉면을 포함하는 모든 부분의 저항의 합이라고 할 수 있다. 

이것은 액간접촉면내의 전해질이 운반하는 전류의 크기가 작기 때문에 생긴다. 

액간접촉면이 이물질로 코팅되거나 막히면 임피던스가 보다 더 커진다. 

임피던스가 일정값 이상으로 커지면 경보를 울리게 하여 이러한 문제를 감지할 수 있다.

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느린 pH 반응속도 와 불규칙적인 판독 값 원인은? 

느린 반응속도 와 불규칙적인 판독 값 

원 인 : GLASS 혹은 기준전극에 매우 높은 임피던스 값이 인가. 

주 의 : 만일센서가 고 임피던스타입 일 경우, 예를 들어 단단한 Bulb, 고온용 글라스 혹은 높은 pH 용 글라 스 등일 때, 부적절한 쉴딩에 의해 노이즈 및 불규칙적인 측정값이 발생된다. 

점 검 : (1) pH bulb 와 비교 Junction 에 코팅 및 이물질이 달라붙어있는지 유무 점검. 

(2) 센서는 항상 젖어있어야 하는데 만일 말라있으면 임피던스가 급격하게 올라간다. 

복구하기 위해서는 0.1N HCl 에 약 30분간 담가두었다가 증류수에 잘 닦아서 사용.  

(3) pH glass의 화학적 반응 감소는 고온의 상태 및 pH 값이 높은 프로세스에서 발생하며, 이는 느린 반응의 원인이다.  

 (4) 온도가 낮은 환경에서는 25℃ 에서부터 8℃ 가 떨어질 때마다 임피던스는 두 배로 올라간다.  

(5) 고임피던스용 센서는 전기적 노이즈에 매우 민감하다. 

예를 들면, 모터, 제너레이터에서 발생 되는 전기적 자장, 써모스타트에서 나오는 전기방출등. 

케이블의 진동에 의해서도 불규칙적인 신호 발생 가능하다. 

 (6) 떨리는 센서케이블과 컨넥션을 점검하여 직진성 방해요소 제거. 

 (7) 기준 전극의 정상작동여부를 확인 : magnetic stirrer를 이용해서 점검 

pH 10 BUFFER 에 전극을 담그고 stirrer를 교반하면서 측정을 시작한다. 

 일정기간 측정후 stirrer 를 정지한후 다시 측정한다.  

 stirrer 회전시와 정지시의 pH 변화가 크면 refrence 부분에 문제가있다고 볼수 있다. 

만일 reference 부분이 막혀 있다면 open circuit와 같이 될 것이다.  이러한 경우는 drift 가 완전히 정지되지 않을 겄이다.

전극의 문제인지 meter의 문제인지 확인하는 방법은 meter의 전극 입력 단자 양쪽을 wire 를 이용 short 시켜서 meter의

drift가 정지 했는지 확인해 볼 수 있다. 

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pH 측정값이 계속하여 pH 14를 가리키거나 범위를 벗어날 때는? 

원 인 : GLASS 혹은 비교전극의 회로개방. Ground Loop문제 

점 검 : (1) 케이블과 컨넥터를 점검하여 케이블이 단락되었는지 점검, 케이블이 단락되면 사용불가. 

           (2) 계기의 센서 단자대를 점검하여 간헐적인 단락이 되는지를 점검. 

           (3) pH Sensor의 Membrane을 점검하여 안에 공기방울이 차있는지  점검. 

                만일 Membrane 안에 공기방울이 있는 경우 병원의 온도 계처럼 흔들어 주어서 공기를 빼준다. 

           (4) Membrane 표면이 코팅 되었는지 점검한다.

                - 일반적인 세정방법 

                  ① 뜨거운 물에 0.1~0.5% 비율로 액체 세정제를 섞는다.

                  ② ①번 용액에 1:10 비율로 희석한 가정용 세탁표백제를 섞고, 전극을 넣은 후 약 15분 정도 저어준다.

                  ③ 기준용액을 버리고 새 용액을 채운다. 

                  ④ 증류수에 전극을 10분 이상 넣어 세척한다.

                - Salt성분의 제거 

                  ① 0.1M HCl과 0.1M NaOH를 준비한다.

                  ② 0.1M HCl 용액에 약 5분간 전극을 넣어둔다.

                  ③ 0.1M NaOH 용액에 약 5분간 전극을 넣어둔다. 

                  ④ 위의 ②와 ③과정을 3번 반복한다. 그리고 증류수로 전극을 깨끗이 세척한 후 사용합니다.

                - Oil/Grease 막의 제거

                  합성세제 또는 일반적인 세제를 사용하여 Oil/Grease 막을 제거한 후 증류수로 세척 합니다.

           (5) junction 점검 : Junction에 이물질이 달라붙었을 때는 적절한 Brush 로 닦아주고, 막힌 경우는 아래와 같이

               처리한다. 

                ① 희석시킨 KCl 용액을 60～80℃ 정도로 가열합니다. 

                ② 여기에 전극을 10분 정도 넣어 둡니다. 

                ③ 전극을 가열하지 않은 KCl 용액에서 냉각합니다.

           (6) Ground Loop문제 : pH 측정 전극을 반응기나 탱크안에 침적할 경우에만 문제가 생기는 경우 

              Ground Loop 의심.

                설비 구조상의 원인을 해결하거나 Solution Ground가 내장된 센서를 사용.    

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pH Meter가 자동보정이 안되는 경우에는?

이런 경우, pH 전극, 측정기, 사용하는 교정용 버퍼 용액 등을 모두 점검해야 함. 

(1) pH 전극의 전위값 : 자동 보정 시 측정기에서는 전극의 전위값을 읽어 들이고, 특정 대역대내에 들어온 값만을 교정을 위한 값으로인지하고 교정을 수행하게 됩니다. 이 값을 벗어나게 되면 자동 교정 수행이 안됩니다. 

     pH 전극에서 읽어 들이는 전위값(mV)은 각 제조사에 따라 그리고 전극의 종류에 따라 다르지만, 통상적으로 아래의 절대 값 대역대를 형성하고 있습니다. 이러한 절대값 대역대를 벗어나게 되면 pH 측정기에서는 자동교정이 불가하게 됩니다. 

          pH 7 buffer => -30mV ~ +30mV

          pH 4 buffer => +140mV ~ +210mV

          pH 10 buffer => -140mV ~ -210mV

     측정기에서 mV 확인 후 위의 대역대를 벗어나게 된다면 전극을 세척하는 과정을 수행하십시오. 

     세척 후에도 측정값 대역대가 돌아오지 않는다면 수동교정이나 또는 전극을 교체하십시오.

(2) pH 측정기 : pH Tester기가 있는 경우 특정전위값을 주어 정상적인 입력값으로 표시되는지 확인합니다.

     pH Tester기가 없는 경우 새 센서나 정상적인 센서를 이용하여 버퍼용액의 값을 정확히 측정하는지 확인합니다.

(3) Buffer 용액 : pH Buffer 용액의 경우 소모품으로 일정기간 사용 후 교체를 해주어야 합니다.

     pH 4와 7의 경우 오픈 후 약 6개월 정도 사용이 가능하고, pH 10 용액의 경우 약 3개월 정도 사용이 가능합니다.

     보정용액 사용시 조금씩 덜어서 사용하도록 하고, 사용한 용액은 재사용하지 않습니다.

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pH값 변화에 따른 유리 잔류염소(Free Chlorine) 존재비율 

유리 잔류염소

음용수의 정수처리나 방류수에 가장 많이 사용되고 있는 살균제는 염소이며, 염소는 1기압, 20℃에서 7,160mg/l 정도의 용해도를 나타내고 다음과 같이 대부분가수분해된다.

Cl2 + H2O ⇔ HOCl + H+ + Cl-(낮은 pH)

HOCl ⇔ H+ + OCl- (높은 pH)

pH 7 정도에서는 주입한 염소의 절반이 Cl-(살균 효과없음)으로 존재하고, 나머지 양중 대략 절반씩 HOCl와 OCl-로 존재하여 살균작용을 한다.

pH 10이상에서는 OCl-로 되어 HOCl은 나타나지 않는다. 낮은 pH에서는 HOCl의 생성이 많고, 높은 pH에서는 OCl-가 더 많이 존재한다.

이 두물질의 살균력은 HOCl이 OCl-보다 약 80배이상 강하다. 

pH가 5이하에서는 Cl2의 형태로 존재한다. 염소가 수중에서 HOCl, OCl-로 존재할 때 이 염소를 유리염소 또는 유리잔류염소라 한다.

pH값 변화에 따른 유리잔류염소의 존재비율은 아래 그림과 같다.

<pH값에 따른 유리잔류염소의 존재비율>

===> 출처 : 동화기술 <환경공학>, 관련업체 홈페이지 자료 및 인터넷 자료 정리