스마트계측기[blog]

Silica 분석기 (SiO2 Analyzer) 측정원리

.광원에서 나온 빛을 시료가 들어 있는 Cell에 통과시키면 시료 속에 녹아있는 어떤 물질의 농도에 의해 빛의 세기가 줄어서 감지된다.

농도에 비례적으로 빛이 흡수되어 빛의 세기도 줄어든다.
 

Lambert-Beer 법칙에 의하면,
  I = Io×exp(k×L×c)    

     I :  시료를 통과한 후의 빛의 세기
     Io : 광원에서 나온 빛의 세기
     k : 흡수 계수
     L : Cell의 길이
     c : 시료의 농도이다. 

대부분의 Silica 분석기는 광원으로 적외선(Infrared, IR)을 사용하고 있으며, 특정 색에서 흡수가 잘 된다.  

좀 더 정확한 측정을 위하여 시료의 전처리가 필요한데 그 과정은 아래와 같다. 

▶ 시료의 전처리 과정
 - 시료 + 산(황산, H2SO4)혼합 → 반응속도 증진
 - 시료 + Molybdate 혼합 → SiO2, PO4 성분이 노란색으로 변색
 - 시료 + Oxalic Acid 혼합 → PO4 성분을 제거  

 - 시료 + ferrous sulfate 혼합 → SiO2 성분이 청색으로 변색 

위와 같이 전처리된 시료는 분광기(Photometer)에서 측정되며 청색계통에서 흡수가 잘되는 820nm의 파장을 가진 적외선(Infrared)을 광원 

으로 사용한다. 

2. 측정목적 

Silica성분은 가수분해계수가 매우 낮기 때문에 제거하기 힘들며, 고온증기(Steam)에서 매우 용해가 잘 되기 때문에 증기 중에 많이 녹아 있다.
증기에 녹아 있는 Silica성분은 석영(Quartz) 침착물을 생성시키는데, 이것이 아래와 같은 문제점을 발생 시킨다. 

▶ 석영(Quartz) 침착물로 인한 문제점 

- 열절연층(Thermic Isolation Layer) 형성 → 증기순환계통의 효율 감소
- 터빈 날개에 부착되어 터빈 Balance 파괴(1000MW 발전용량의 발전소에서 3 - 4%의 효율 감소는 30-40MW의 전력손실을 가져온다.)
- 고속 회전하는 터빈 날개에 불균형하게 부착되면 축(Axis)이 휘어짐. 

이런 문제들 때문에 화력발전소에서는 보일러나 급수의 Silica감시 외에 보충수를 생산하는 순수장치 출구에서도 감시하기도 한다. 

Sodium 분석기(Na+ Analyzer) 측정원리

Sodium(Na+ )이온만 선택적으로 측정할 수 있는 전극(Ion Selective Electrode, ISE)과 기준전극을 사용하여 두 전극의 전위차(mV)로 측정하며

기본적인 원리는 “주어진 조건에서 이온의 농도는 두 전극의 전위차에 비례한다”는 Nernst 공식에 기본을 두고 있다. 

E = E0 + RT/nF * log〔Na+ ion〕- Nernst 공식

   E : 이온에 의해 발생된 전위
   E0 : 표준전극의 전위
   R : 이상기체 상수
   T : 절대온도(K, ℃+273.16)
   F : Faraday 상수
   n : 이온의 결합가(Valency of the ion) 

그런데 저농도의 Sodium 이온을 측정할 경우에는 H+이온의 방해를 받기 때문에 pH를 조절(상승)할 필요가 있다.  

측정되는 Sodium의 농도에 따라 다르지만 보통 100ppb 이하일 경우에 적정 pH값은 10.5 - 11.0이다.  

시료의 pH 값이 낮을 경우 시약을 사용하여 pH값을 조절해야 되며, 이때 사용하는 Conditioning 시약이 Ammonia, Diisopropylamine(DIPA), 

Diethylamine 등이다.  소모량은 시료의 pH값에 따라 다르다. 

2. 측정목적 

주로 해수(NaCl)를 냉각수로 사용하는 발전소에서 열교환기 내부로 부식의 원인물질인 Cl- 이온의 유입여부(해수의 유입여부)를 감시하기 위한 

방법으로 Sodium 이온 농도 측정을 할수 있고, 양이온 교환수지 효율에 대한 감시에도 이용되어 수지의 재생시기를 결정하기도 한다.  

물론, 열교환기 내부로 오염물질이 유입되었을 경우 전기전도도로 먼저 파악이 되지만 정확한 원인(해수유입 또는 다른 오염물질의 유입)은

알 수가 없기 때문에 별도의 Sodium 분석기가 설치되어 사용되고 있다.

3. 측정/교정시 유의사항 

정확한 Sodium 농도를 측정 하기 위해 먼저 시료의 pH를 측정하여 pH조절용 시약의 투입량을 결정해야 한다. 

저농도의 Sodium농도 측정시 H+ 이온의 방해를 받기 때문에 pH 값의 조정이 꼭 필요하다.  일반적으로 측정전극(ISE)의 수명은 약 1년 정도 

이고, 반응시간이 길어져 사용이 불가능한 전극은 불산이 함유된 세정용액으로 어느정도 재생이 가능하기도 하다.   

기준전극은 내부에 들어가는 전해액(KCl)의 사용이 가능하고 물리적으로 파손되지 않는다면 오랜시간 사용할 수 있다.   

수질분석설비가 단/장기간 Shutdown되는 경우에는 전극을 유통형 Chamber에서 분리하여, 전용보관용액이나 KCl 3mol 수용액에 담궈 놓아  

감도가  저하되는 속도를  억제시켜야 좀 더 오래 사용 할 수가 있다.
측정장비에 따라 교정은 사용자가 교정주기, 교정시간 등을 미리 입력한 상태에서 완전자동으로 실행할 수도 있고, 사용자가 별도로 교정과정을 

진행해야 할 수도 있다. 

초음파 유량계 

 1. 개요  

 초음파 유량계는  1880년 압전효과가 발견된 이후 1918년 초음파 진동소자가 선박의 항해때에  암초, 빙산,등의 탐지를 위해 처음으로 사용되었 

으며, 초음파를 이용한 유량측정은 1920년경 반전파 기술을 이용한 유량계가  나왔고 점차 기술의 발달로 1970년 부터 산업현장에서 유량측정에 

폭넓게 응용되기 시작하였다. 
이와 같은 초음파 유량계는  음향식 유량계라고도 부르며, 유체가 흐르고 있는 관내에 음파를 보내면 그 전반 속도는 유체의 흐름 영향을 받아  

흐름과 동일방향에 대해서는 정지되어 있을때의 음속에 유속을 가한 속도로 전해지고, 반대방향에는 반대로 유속을 뺀 속도로 전해진다.  

이 두가지 방향의  음속의 차를 측정하면 유속이 구해지고, 이것을 이용하여 유체의 체적유량을 측정할 수 있도록 한 것이  초음파 유량계이다. 

초음파를 이용한 유속유량 측정방법 중 현재 실용화되어 많이 사용되고 있는 것이 전반 속도차법과 도플러법이다. 

전반 속도차법은  정수,공업 용수, 농수등 비교적 맑은물을 대상으로 하고, 도플러법은 하수, 공장폐수, 공장배수등 이물을 다량 함유한 오수를  

측정 대상으로 한다.   

특징은 대유량 측정에 이용되고, 이 방식은 두꺼운 금속관 외부로 부터 유량 측정이 가능하므로, 기존 설치된 배관에 별도의 가공을 하지 않고도  

유량 측정이 가능하다. 
또한  유체 유속 방해없이 유속측정이 가능하고 초음파가 전달되는 유체라면 어떠한 유체 유속 측정도 가능하며, 고점도액,비전도체액 또는  가스 

의 유속 측정도 가능하며, 측정대상의 외형적 크기와도 무관해서 하천등의 유속도 측정이 가능하다. 
 

2. 측정원리   

=> 전반 속도차법 : 유체가 흐르고 있는 유체 동일면상의 서로 반대방향에서 초음파를  발사하면 유체의 흐름과 같은 방향인 하류측으로 발사된  

    초음파와 그 반대방향인 상류측으로 발사된 초음파가 같은 거리를 통과하여 각각 반대편의 수신기까지 도달하는데 걸리는 시간의 차가 생기게 

    된다.  이와 같은 차를 직접 시간차로 검출하느냐  위상차로 검출 하느냐 또는 주파수로 검출 하느냐에  따라서 각각 시간차법, 위상차법, 주파  

    수법으로 구분한다.   

=> 도플러법 : 도플러란 달리고 있는 기관차가 정지하고 있는 관측자에게  접근할 경우 기관차가 내는 기적의 진동 주파수는 기관차가 관측자를  

    지나 멀어져 갈때에 비해 높게 되는 것과 같은 도플러 효과를 이용하여 유속이나 유량을 측정하는 원리이다. 
    측정 방법은 초음파를 배관내 흐르고 있는 있는 유체중에 조사하면 조사된 초음파는 유체중의 부유물이나 기포로 부터 산란,반사된다. 

    이때 기포나 미소한 부유물은 유체와 함께 같은 속도로 이동하고 있는 것으로 볼 수 있으므로, 기포나 부유물에 의해 산란 및 반사된 초음파를 

    이용하여 유속이나 유량을 측정할 수 있다. 

    도플러법 초음파 유량계를 사용함에 있어 여러 부유물로부터 반사파를 수신하게 되는데 이들 부유물 가운데는 관의 벽면에 매우 근접한 것들    

    도 있어서 관내의 평균 유속과의 상관 관계가 매우 부정확할 우려도 있다.
    도플러 유량계는 깨끗한 물에 대해서 사용할 수 없으며, 유체중에 어느 정도 크기의 부유물이 있어야 한다.

    현재는 부유물의 입자크기가 약 30㎛ 정도만 되면 사용할 수 있는 도플러 초음파 유량계가 상품화 되어 있다. 

3. 초음파 유량계 선정 
 
(1) 습식과 건식의 비교 
초음파 유량계는 센서의 설치 방법에 따라  배관내에 직접 설치하는 습식(Wet type)과 배관 외부에 클램프등을 이용하여 설치하는 건식(Clamp 

on  type 또는 휴대형)이 있다.  
단관형(습식)은 유량계측, 제어등 공정 프로세스 라인에 설치되어 연속적으로 가동하는 것을 목적으로 설계 되었지만, 건식은 짧은 기간의 간이
측정을 목적으로 하고 있다.  

따라서 측정 목적을 명확하게 하여 습식으로 할 것인지, 건식으로 할 것인지를 결정해야 한다. 
건식이 습식에 비해서 설치가 간편하다는 점을 제외하고는 측정상  정확도, 정밀도 등의 모든 면에서 습식과 비교할 때 떨어진다는 단점을 가지고
있다.  

                            <초음파 센서 부착방법> 

습식 초음파 유량센서는 유체를 통과하는 초음파가 원래의 파형을 그대로 유지할수 있으나 건식의 유량 센서는 일단 관벽을 통과하는 과정 

에서 원래 파형을 잃어버리게 되어 결과치인 양 끝의 신호에 의해 동기됨으로서 신호 처리상 재현성이 나빠지게 된다.
그외에 습식은 미리 배관의 정확한 내경을 측정할 수 있어서 칫수측정의  부정확으로 인한 오차를 줄일 수 있는 장점이 있다.
특히 소구경 배관에서 오차를 현저히 줄일 수 있게 된다. 

(2) 단일빔과 다중빔 방식
단일빔 방식의 초음파 유량계에서는 원리상 초음파가 통과하거나 반사하는 관내의 한면이나 점에서의 평균유속을 측정하여 여기에 관의 단면적 

을 곱하여 유동율을 구하게 된다. 그러나 실제로 관내의 유속 분포는 유동율의 변화에 따라 달라지게 되어 유속 분포의 변화에 따른 보정계수의  

사용이 필요하다.  특히 유동이 층류에서 난류로 바뀌는 천이 영역에서는 보정 계수값의 변화가 최대 30 ％ 정도까지 될 수 있다.
비록 충분히 확립된 난류 유동 상태에서도 레이놀즈수가 104 ∼107 범위로 변함에 따라 보정계수 값도 최대 3.5 ％ 정도 변하게 된다.
이와같은 유속 분포에 의한 오차는 비대칭 유동이나 소용돌이에서는 더욱 복잡한 양상을 띠게 된다.  

유속 분포에 의한 영향은 기본적으로 변환기를 관의 중심선에서 벗어난  위치에 적절히 설치함으로서 그 오차를 어느정도 최소화할 수 있는데  

단일빔만을 사용할 경우에는 그림과 같이 Mid-radius 한쪽에 변환기의 위치를 설정하는 것이 가장 적합한 것으로 평가되고 있다.  

그러나 단일빔 방식으로는 유량계 상류측에 설치된 곡관, 티이, 밸브등으로 인한 비대칭 와류등에서는 그 효과를 기대할 수 없기 때문에 같은  

상태에서의 측정 정확도 향상을 위해 다중빔 방식을 채택하게 되었다.
다중빔 방식에서 변환기의 위치는 한조의 변환기가 고장 났을경우 신호 처리 장치에서 적절한 조작을 통하여 나머지 변환기만으로 유량을 측정할 

수 있는 점이다. 그러나 다중빔 방식은 다음과 같은 단점을 가지고 있다는데 유의 하여야 할 것이다. 
 
 

                      <초음파 유량계의 여러가지 빔 전파방식>

 

아래 그림에서 보는것과 같이 이중빔의 경우 변환기 설치또는 검사과정에서 L1 또는 L2 의 거리가 변경될 수 있으며, 이 경우 영점이 변하게 되어  

전체적인 측정에 영향을 미칠 수 있다. 단일빔의 경우 거리 L1 이 변하더라도 상류 또는  하류측 방향으로의 초음파 전파 거리는  항상 동일하게
유지할 수 있다.  따라서 온도나 압력 등의 영향으로 파이프가 불균일하게 변경될 가능성이 있는 경우 다중빔 방식은 초음파 전파 경로 변화의  

영향으로 측정상 오차가 발생된다. 
 

                           < 이중빔과 단일빔 방식의 비교> 

 출처 :  자인테크놀로지(주) 홈페이지 제품소개 내용 정리

삽입식 초음파 유량계의 특징 및 초음파 유량계의 종류

 1. 삽입식 초음파 유량계

가장 처음 개발된 초음파 유량측정기술로, 초음파 센서가 유체에 직접 접촉하여 측정하는 방식이다.

이 방식은 처음엔 상류측으로 다음엔 하류측으로 초음파를 발사하여 양 방향으로 전달되는 초음파의 시간차를 측정하여

유량을 측정한다. 

 2. 삽입식 다회선 유량계

삽입식 1회선 유량계와 측정원리는 동일하나, 여러 개의 센서를 파이프에 삽입하여 유량을 측정하게 된다.

이 방법은 직관부가 관경의 5 배 이하 되는 짧은 관에서도 유체의 모양을 보상하므로 정확도가 향상될 수 있다.

※ Direct 와 Reflect 설치방법

Direct 설치방법은 서로 마주보게 센서를 설치하는 방법이고, Reflect 는 한방향에 센서를 설치하는 방법이다.

Reflect 설치방법이 초음파의 진행거리가 두배로 길어서 측정된 시간차도 두배로 증가되어 정밀도가 월등히 향상된다.

또한 센서거리를 정확히 측정할 수 있으므로 센서설치를 비교적 정확히 할 수 있다.

l Direct 보다 Reflect 가 빔이 두배로 길다.

l 거리(A)인경우 대형관에서 정확한 측정이 어렵다.

3. 가는빔 방식의 초음파 유량계 (Shear-Mode Ultrasonic Flowmeter)

이 방법은 위의 삽입식의 단점을 보완한 비접촉 측정방식으로 측정원리는 삽입식 초음파 유량계와 동일하다.

4. Wide-Beam 방식의 외벽부착식 초음파 유량계

가장 최근에 사용되는 측정방식으로서, 삽입식 유량계 및 가는빔 방식 초음파 유량계의 단점을 보완한 유량계이다.

이방법은 파이프를 센서화 시켜 광역의 초음파빔을 마치 비오듯이 유체속으로 발사하는데 있다.

즉, 센서가 초음파를 발사하지 않고 파이프에서 초음파가 발사하도록 유도함으로서 유체의 특성에 영향을 받지 않는다.

출처 :  자인테크놀로지(주) 홈페이지 제품소개 내용 정리

정량분석과 정성분석을 하는 전기화학적인 방법 중의 하나

수은이나 백금 등의 전극상에 반파전위 보다 약 0.2V 정도 낮은 전위(환원할 수 있는 전위)로 측정 및 분석하고자 하는 금속이온을 전해 석출시킨

후에 다시 전극 전위를 높은 전위(산화할 수 있는 전위)로 올리면서, 전해 용출시킬 때의 전류전위 곡선에서 정성, 정량 분석을 하는 방법이다.

매우 낮은 농도까지 측정이 가능한 고감도 측정방법으로, 10-10 M 정도의 금속 이온까지 정량이 가능하다.

벗김 전압전류법이라고도 하며, Anode Stripping(양극 벗김법)과 Cathode Stripping(음극 벗김법)이 있다.

(1) 환원과정 - 침전과정
     : Working 전극에 -2000mV까지의 전위가 걸리며, 샘플 내 존재하는 중금속 이온들이 Working 전극에 부착하며 농축된다.

(2) 산화과정 - 벗김과정

    : Working 전극에 걸리는 전위가 음전위에서 양전위로 올라가며, Working 전극에 도금된 중금속 이온들이 해당 중금속의 고유 산화전위에서

      박리되면서 용출되게 된다. 산화과정에서 용출된 중금속 이온들은 Conunter전극에서 측정되어 중금속 농도를 계산하게 된다.

기존의 AAS/ICP와 같은 중금속 분석기술이 정교하고 정확하지만  시료채취 시간과 분석시간 사이에서 특정 금속의 형성에 영향을 미치는 pH,

온도, 산소량, 유기물의 존재 등이 변할 수 있는 환경샘플에서는 적합하지 않은 경우가 많다.  또한 사전 샘플 전처리기술, 위험가스 사용으로

인한 위험성, 이동불가, 고비용, 큰 오차 범위의 재현성, 전문기술자의 상주등 여러가지 문제가 있어 대체 방법에 대한 연구가 계속되고 있다.

ASV 원리도 전 세계의 여러 나라에서 주 시험 법령으로 사용하고 있는 원리로써, 국내에도 여러 외국회사의 제품이 도입되어 사용되고 있다.

pH 측정시 발생하는 산과 알카리 오차는

일반적으로 알카리 오차라고 부르는 것은 사실은 나트륨 혹은 리튬이온에 의해 발생하는 오차이다.

실제로 이 두가지 이온이 큰 오차를 일으키는 간섭요인이다.

이 오차는 글래스의 조성, 이온의 종류나 농도에 영향을 받으며 일반적으로 온도가 높을 수록, pH값이 클수록 큰 오차가 생기게 된다. 

pH 전극의 유리 격막은 특별히 나트륨 오차가 적은 유리로 만들어지기 때문에 pH12 이하에서는 나트륨 오차를 무시할 수 있다. 

그러나 높은 pH측정범위(pH>13이상)에서는 전극의 겔층에 있는 H+이온의 일부 또는 전부를 알카리 이온이 대치하게 되므로 pH값이 실제보다  

낮게 측정이 된다. 극단적인 조건에서는 H+이온의 활동도가 완전히 없어지고, 유리격막이 단지 나트륨(Na+)이온에만 반응을 하게 된다. 

이런 경우 아래의 테이블을 이용하여 보상 값을 측정된 pH값에 더하여 계산한다. 

산오차(Acid error)

강산용액에서는 산분자가 겔층에 흡수되어 겔층에서의 H+이온의 활동도를 감소시키게 된다.

이와 같은 현상은 여러 연구자료에 기술되어 있으며, 실제보다 높은 pH값이 측정되게 된다.

산오차는 알카리오차보다 크지 않으며 매우 낮은 pH값에서만 의미가 있다. 

하수, 폐수처리 처리방법의 특성

2. 하, 폐수처리 방법별 처리효율

활성슬러지공법의 운영상 문제점 및 대책은

활성슬러지공법의 운영상 문제점 및 대책

활성슬러지변법(Activated Sludge Modification Process)

(가) 원 리 

  - 표준 활성슬러지법의 단점을 보완하여 고안된 공법으로 미생물의 성장, 정지 단계를 포기조 안에서 단계별로 이루어지도록 설계된 것 

(나) 종 류

  - 주요 활성슬러지변법의 종류와 원리를 요약하면 다음과 같다.

<표> 활성슬러지변법의 종류 및 원리 요약

3. 살수여상법(Trickling Filter)

(가) 원 리 

  - 최초 침전지 처리수를 여상에 유입하여 여상부착 미생물에 의해 분해 섭취되고, 증식 비후된 미생물 막이 박리 처리수와 유출된다.  

(나) 살수여상의 구조

  - 여상 : 여상의 형상은 원형여상, 장방형 여상이 있고 여상 깊이는 1.5～20m, 직경 ～50m

  - 여재 : 여재의 종류는 쇄석, 플라스틱으로 크기는 3～5cm 

(다) 살수여상의 단점(운전상의 유의점)

  - 여상표면에 물이 고여 연못화가 되기 쉽고

  - 하절기 파리의 번식과 여상에 산소 공급이 불충분 혐기성일 경우 냄새 발생 등 비위생적

  - 동절기 여상표면의 결빙으로 폐수유통에 지장 

4. 회전원판법(RBC, Rotating Biological Contactor) 

(가) 원 리

  - 다수의 원판을 폐수면보다 약간 높게 설치하고, 원판 표면홈에 미생물이 부착된 상태에서 원판이 회전 폐수를 접촉할 때 미생물이 유기물을  

   섭취하고, 그 부분이 대기 중에 노출 시 공기 중 산소가 전달되어 호기성 조건에서 폐수를 처리한다. 

(나) 회전원판의 구조

   - 재질은 고밀도 폴리에틸렌으로 두께 5～20mm, 직경 2.4～3.6m 원판의 간격 2cm, 회전속도 1～2rpm이 통상적인 구조이다. 

(다) 회전원판법의 장∙단점

- 장 점 : 유지비가 적게 들고, BOD 부하변동에 강하며 슬러지 발생량이 적다.

- 단 점 : 온도의 영향을 크게 받아 저온 시 대책이 필요하고, 운전이 원활치 못할 경우 혐기성화 되어 냄새가 유발될 수 있으며, 미생물량의  

   임의 조절이 불가능하다. 

섬유, 염색, 종이, 펄프, 화학, 전기, 전기화학, 금속, 광물 제련 분야 pH측정

섬유, 염색 분야

섬유산업 분야에서 pH의 측정은 땀과 같은 것에 섬유가 어떻게 반응하는지 알아보는 과정에서 매우 중요하게 활용되고 있으며, 합성섬유가 발전함에 따라  

섬유의 안정성과 내구성을 확인하기 위한 생산품테스트 과정에 적용되고 있다. 

뿐만 아니라 염색과정에서 pH는 염색의 영속성이나 공정의 속도에 아주 중요한 인자로 작용하기 때문에 pH는 일정하게 유지되도록 설계한다.

또한 pH측정은 땀에 의한 변색과정을 살피는 인공적인 실험조건을 만드는 데에도 응용되어 쓰이고 있다. 

 

종이, 펄프 분야

다른 어느 산업분야에서 보다도 종이와 펄프를 생산하는 공정에서의 pH의 측정은 더 빈번히 지속적으로 쓰이고 있다.

사용되는 화학약품의 양을 줄이고, 기기의 마모를 감소시키기 위하여 종이 제조공정에서 분해 및 표백 과정 등에서 pH를 조절하고 있다.

종이의 내구성 및 염색속도 역시 pH에 따라 달라지므로 품질관리 부분에서 pH는 아주 중요하게 체크되고 있다. 

 

화학분야

pH의 측정이 화학반응의 조절에 중요한 부분이기 때문에 반도체, 시멘트, 유리, 플라스틱, 비료, 전자재료 등 거의 모든 화학관련 제품의 생산 과정에서 pH가  

측정되고 있다. 반응조건을 최적화하고 원하지 않는 부수적인 반응을 방지하기 위해 시료의 pH 조절은 아주 중요하게 고려되고 있다.

예를 들어, 플라스틱을 제조하는 공정에서 긴 체인분자성 물질을 제조하기 위해서 pH는 아주 엄격하게 조절될 필요가 있다.

특히 중합과 축합과정에서 pH는 아주 중요하게 고려되어야 할 인자이다.  

뿐만 아니라 질소비료, 칼리비료, 인산비료등과 같은 화학비료의 효율적인 생산을 위하여 pH 조절은 필수적이다. 

또한 pH의 측정은 시멘트 제조상 규산염의 혼합과정과 유리 제조 과정 중 높은 온도하에서의 결합과정에서 아주 중요하다.

제조된 유리의 투명도 역시 pH의 영향을 받는다. 

 

금속, 광물 제련 분야

금속은 pH를 맞추어 주면 특정용액에 용해되는 성질이 있다. 이러한 성질에 근거하여 광석이나 여러금속이 혼합된 물질로부터 특정금속을 추출하고자 할 때 

pH의 조절이 필요하다. 

예를 들어, 구리와 아연이 산성의 전해액에 섞여 녹아있고 이를 전기분해 한다면 음극 쪽에서는 구리만이 분리되어 나오게 된다. 

 

전기, 전기화학 분야

금속표면을 도금 또는 에칭(식각)하거나 배터리 제조에 있어서도 pH의 조절은 중요하다.  도금액의 pH 조절은 도금 작업이 끝난 상태에 크게 영향을 미친다. 

도금액의 pH를 적절히 맞추지 못했다면 작업 후 표면이 벗겨지거나 최적의 색깔이나 광택을 얻을 수 없다.  

주방용기처럼 알루미늄 표면에 필름처럼 얇은 코팅을 하는 과정에서 pH의 조절은 원하는 제품을 얻기 위한 아주 결정적인 요인으로 작용한다. 

제품에 도장하는 공정에서 pH 조절은 제품의 품질을 결정짓는 필수불가결의 요인이다. 

전력, 천연가스, 의약, 화장품, 양식, 식품, 양조, 농업, 축산, 상, 하수도,의학, 환경오염, 인쇄분야 pH 측정

전력 및 천연가스 분야

화력 발전소 같은 커다란 보일러를 가동하고 있는 곳에서 쓰이는 보일러수는 파이프의 부식을 막기 위해 pH 8 이상으로 유지되어야 한다.  

즉, 보일러수는 부식을 방지하기 위해서 알칼리성을 유지해야만 한다. 

그러나 알칼리도가 너무 높다면 산화칼슘이 형성되는데 이는 보일러의 벽에 부착되어 부식을 일으킬 수 있다.  

이러한 이유로 화력발전소의 보일러의 pH는 약 9.4에서 유지되어야 한다. 

또한 액화 가스내에 함유된 물의 pH 조절은 혼합과정에서 열량을 높이고 탱크나 파이프의 부식을 막기 위해 중요하다. 

 

의약 및 화장품 분야

제약과 화장품 산업분야에서는 생산과정에서 화학반응을 체크하기 위해 pH를 측정한다.  

반응속도는 용액의 pH에 의존하며 pH를 통해 반응의 종말점을 추측할 수 있다. 

예를 들어, 항생제 제조과정에서 높은 수율과 항균성을 유지하기 위해서 발효과정에서 pH는 꼭 조절되어야 한다.  

뿐만 아니라 약품이나 화장품을 피부등의 인체에 임상실험할 때 엄격한 품질관리를 필요로 한다. 

만약 피부와 화장품의 pH 차이가 크다면 그 결과는 아주 치명적일 수 있으며 의약품의 pH가 잘못되면 이 약은 독이 될 수도 있다. 

 

양식 분야

해수의 pH 균형은 해양 생물계에 큰 영향을 미치며, 양식장의 수질 측정에서도 매우 중요하다.

사실 pH는 양식장의 위치 선정시 고려되어야 할 제일 중요한 요소이며 양식장이나 부화장의 이상여부의 첫 신호이기도 하다.

수산시장에서는 여러 생산지에서 직송되어 온 생선의 신선도를 pH를 통해 점검하기도 한다. 

 

식품 및 양조 분야

빵, 술, 맥주, 간장, 된장, 치즈, 유제품 등 식품이나 음료의 생산과정에는 효소가 관여하는 공정이 많이 있는데 이때 pH의 조절은 아주 중요하다.

이는 효소의 활동이 pH에 의해 많은 영향을 받으며 적당한 임계 pH값을 갖고 있기 때문이다.

어떤 식품에서는 pH는 맛과 식품의 안정성을 결정짓는데 아주 중요한 인자로 작용한다.  

모든 식품은 최적의 pH값을 갖고 있으며 만약 이 값이 너무 낮을 경우 맛이 제대로 안나거나 안정성에 문제가 있을 수도 있다. 

모든 식품회사에서는 제조 과정에서 좋은 품질의 식품과 직결되는 맛있는 식품을 만든다는 노력의 일환으로 pH를 체크하고 있다. 

 

농업 및 축산 분야

식물의 성장은 pH와 아주 밀접한 관계가 있다. 모든 식물은 성장에 적합한 특정 pH 환경이 있다.  

농장에서는 토양과 물의 pH 측정이 생산성을 늘리고 경작물의 성장을 조절하는데 아주 중요하다. 

뿐만 아니라 요즘 각광받고 있는 수경재배에서 경작수의 pH는 아주 중요하다.  

축산업분야에서는 연구원들은 동물의 피와 사료의 pH를 재고 이것과 동물의 건강 및 성장과의 상관관계에 대해 연구를 하고 있다.  

게다가 인공수정 연구시 정자의 pH를 체크하고 고기나 계란의 신선도 실험을 위해 pH를 체크하고 있다. 

 

상. 하수도 분야

정수장에서는 염소를 이용하여 강이나 호수의 물을 살균처리하고 응집제를 이용하여 불순물을 침전, 여과하여 제거한다.  

이 단계에서 염소와 응집제의 활동에 가장 적합한 pH 상태가 유지되어야 한다. 

이렇게 처리된 물은 가정이나 공공기관으로 공급되기 전에 식용수등의 사용에 적합하도록 알칼리물질이 첨가된다.  

하수 처리장에서는 각 처리과정 및 처리 후 방류될 때 뿐만 아니라 슬러지내의 박테리아 활동을 최적화하기 위해 pH의 조절이 필요하다. 

 

의학 분야

의학분야에서도 시약의 pH를 측정할 뿐만아니라 연구, 실험 및 치료의 목적으로 피, 위액, 소변의 pH를 측정한다.  

또한 치의대에서의 연구자들은 충치를 연구할 때도 pH를 측정한다. 

그들의 연구에 따르면 식사 후 입안의 pH는 감소하기 시작하는데 그 수치가 pH 2.5 미만에 도달하면 이의 에나멜이 용해되기 시작한다고 한다.

아주작은 pH전극이 위액의 pH를 측정하기 위해 소화기관내에 삽입되기도 한다. 

 

환경 오염 분야

각종 산업분야에서 배출되는 용수에 의해 야기되는 수질 오염에 대한 각계의 강도 높은 우려 때문에 모든 공장에서는 방출되는 모든 오염물질은 매우 엄격히  

규제되고 있다. 

현재 각 지방자치제는 수질표준을 명시하고 규제를 강화하고 있다. 배출수의 pH는 수질 규제 항목 중 가장 중요시되는 것이다.  

비록 pH가 어떤 특정한 오염을 지시하는 것은 아니지만 수중 생물의 생존과 아주 밀접한 관계가 있다.  

또한 각 공장에서는 방출폐수에 적용되는 표준에 맞도록 배출수를 처리할 필요가 있다. 이 과정에서 pH의 측정은 아주 중요하다.  

예를 들어 도금 공장에서는 폐수에서 시안이나 크롬을 제거할 때 용액의 pH에 의해 처리 효율이 아주 많은 영향을 받는다. 

 

인쇄 분야

가장 보편적인 인쇄술인 오프셋 인쇄에서 담금수를 조절하는데에는 아주 복잡한 요소들이 많이 포함되어 있다. 

 pH의 조절은 중요하게 고려되어야 할 사항 중 하나인데 잉크의 마르는 정도나 색의 명암, 사진같은 인쇄에서 색선명도에 크게 영향을 미치기 때문이다. 

Junction의 막힘현상에 대해서

기준전극과 pH 전극사이의 전기적 연결을 유지해 주기 위해서는 내부용액의 확산이 원활이 이루어져야 한다.

어떠한 경우에는 Ag+ 이온과 침전을 형성해서 junction을 막을 수 있다. 

(특히 S2- 이온) Ag+, Pb2+, Hg2+와 같은 금속이온은 Cl- 이온과 난용성의 염을형성하여 junction위에 침전을 만든다. Junction 부근에서 이온의 이동이 있을때 pH 측정값이 안정되지 않을 수 있다.

이런 경우 junction이 두개인 전극에서 바깥쪽의 내부용액을 KNO3 용액으로 사용하면 이러한 현상을 줄여줄 수 있다.

즉, 중금속과 침전을 형성하는 Cl- 이온의 농도를 낮추어줄뿐아니라 S2- 이온과 침전을 형성하는 Ag+이온의 농도를 낮출 수 있다.

불산의 영향에 대해서 

불산은 pH 전극을 녹이는 성질을 갖고 있다. 그러나 어느정도 불산에 내성을 갖도록 만들어진 pH 유리전극도 있다.

F-이온은 영향이 없고 HF만이 유리를 녹인다. 불산은 약산이다. 따라서 pH가 높은 경우에는 용액내에 상대적으로 F- 이온이 많아지고 pH 전극은 해를 받지않는다. 

그러나 용액의 pH 값이 작아지면 F- 이온은 H+ 이온과 결합하여 불산(HF)이 되어 전극을 손상시킨다.

내부 기준전극은?

pH 측정에 사용되는 일반적인 기준전극은 KCl 용액에 AgCl이 코팅된 Ag wire로 구성된다.

KCl 용액은 Ag+ 이온의 농도를 재현성있게 유지해주어 Ag/AgCl 표면에서 재현성있는 전위차를 갖게한다.

기준전극이 재현성있는 전위값을 갖게하려면 pH 전극과 용액을 통해서 전기적으로 연결되어 있으며 내부용액이 오염되지 않아야한다.

다공성의 세라믹의 액간접촉면을 통해 내부용액이 빠져나오게 되며 이과정을 통해 pH 전극과 기준전극이 전기적으로 연결된다.

기준전극의 오염은?

기준전극의 오염은 Ag/AgCl이 물리화학적으로 영향을 받아 변화하는데 원인이있다.

이러한 현상을 일으키는 이온종은 대개 Ag+이온과 결합하여 AgCl보다 용해도가 낮은 물질이 된다. Br-, I-, S2-등이 여기에 속한다.

이러한 이온들이 내부용액으로 들어가게 되면 내부용액의 Ag+ 이온과 결합하여 난용성의 침전을 만든다.

침전이 만들어지면서 Ag+ 이온이 소모되면 AgCl이 용해되어 Ag+ 이온이 다시 만들어지기 때문에 초기에는 기준전극 전위에 변화가없다.

그러나 AgCl이 모두 용해되면 전위값이 크게 변하게 되므로 이때는 반드시 기준전극을 교환해 주어야 한다.

중아황산염(bisulfite) 혹은 NH3와 같은 물질은 Ag+ 이온을 Ag 금속으로 환원시키거나 Ag+ 이온과 착물을 이루어 기준전극을 손상시킬 수 있다.

액간접촉면(junction)을 많이 도입하면 이러한 현상이 일어나는 속도를 줄일 수 있다.

내부용액을 겔상태의 것을 사용하면 대류(convection)현상에 의한 오염을 막을 수 있다.

 pH 센서가 오염 되었을때 세척방법은?

용해되지 않은 고체들과 측정용액에 의해서 pH 센서가 코팅이되면 감응시간이 현저히 증가되거나 기준전극의 액간접촉면을 막을 수 있다.

오염물질이 전극표면에 부착되면 수동 혹은 자동으로 세척을 해야만 한다. 수동으로 세척할 때 효과적인 세척액을 사용하는 것이 좋다.

알칼리물질들은 약산(5% HCl 혹은 식초)으로 제거가능하고 산성물질들은 1% 가성소다와 같은 물질로 제거가능하다.

기름성분과 같은 유기물질은 세제를 이용하면되고 매우 단단히 붙어있는 이물질의 경우에는 용매를 사용해야한다.

용매는 전극에 피해가 없는 것으로 신중히 선택해야 한다.

모든경우에 대해서 세척용액이 액간접촉면으로 들어가는 것을 최소화하기 위해서 처리시간은 짧은 것이 좋다.

액간접촉면으로 들어간 세척액은 액간접촉전위를 발생하게되고 junction을 통해 다시 밖으로 빠져나올때까지 남이있게된다.

자동세척을 하게되면 공정상에서 빠르게 오염되는 전극의 유지관리가 용이해진다.

 

유리막 pH 센서의 임피던스

유리막 pH 전극의 임피던스는 10 ~ 100 메가옴이고 온도에 크게 영향을 받는다. 금이 생기거나 깨지면 임피던스가 1메가옴 혹은 1메가옴 이하로 작아진다.

온도보상이 되는 임피던스 측정회로를 이용하여 임피던스가 일정값이하로 낮아지면 경보를 울리도록 하면 전극의 결함(금이 생기거나 깨지는 현상)을 알아낼 수 있다.

pH 센서의 임피던스 측정

pH 측정기에서 가장 중요하게 취급되어야 하는 부분은 pH 센서이다.

널리 사용되는 pH 센서의 사용기간은 보통 6 ~ 12개월이지만 열악한 환경에서는 이보다 더 짧아질 수 있다.

전극의 감응기울기가 점차적으로 줄어들거나 기준전극이 오염되는 등의 전극의 결함은 천천히 발생될 수도 있다.

혹은 전극이 깨지거나 불순물로 코팅이 되고 기준전극의 junction이 막혀 갑자기 문제가 생기기도 한다.

두 경우 모두 버퍼기준용액으로 교정하기 전까지는 센서의 결함을 알 수가 없다. 임피던스 측정은 이러한 문제점을 실시간으로 알아내기 위한 방법이다.

버퍼교정의 오차

버퍼용액의 pH 값은 25℃를 기준으로 정해지지만 실제 pH 값은 온도에 따라 변한다. 대개 온도에 따른 pH 값이 버퍼용액병에 적혀있다.

교정할 때 온도에 맞는 pH 값을 이용하지 않으면 감응기울기와 영점값을 구할 때 오차가 발생할 수 있다.

이것은 온도에 따른 pH 값을 측정기에서 자동으로 보상해주는 기능을 사용하면 방지할 수 있다.

또다른 교정오차는 교정을 너무 서둘러 하는경우에 생긴다. 이때 pH 전극은 버퍼용액에 완전하게 감을을 하지 않은 상태가 된다.

특히 pH 전극의 온도가 높은데 버퍼용액의 온도까지 전극의 온도가 내려갈수 있도록 충분한 시간을 주지않는 경우 이로 인해 오차가 생길 수 있다.

산화, 환원 , 기준전위 , 용액내에서의 ORP등 ORP 관련 질문 사항들

ORP는 산화 환원전위를 말하는 것으로 화학종의 산화, 환원의 능력을 경향성 있게 알 수 있으며 millivolt 값으로 측정된다.

산화

산화는 원자, 분자 혹은 이온이 전자를 잃게되는 현상을 말한다. 산소와의 결합을 일컫기도 한다.  

예를들면 철이 부식되는 현상과 나무가 타는현상 같은 것들이다. 

물질이 산화되면 산화수가 증가한다. 많은 물질들이 여러 산화상태로 존재할 수 있다.

좋은예로 황을 들 수 있다. (H2S : -2, S : 0, SO2 : +4, SO42- : +6)

여러 산화상태를 갖는 물질들은 보다 높은 산화상태로 단계별로 산화된다. 다음의 반응에서 Fe2+/Fe 쌍을 산화-환원쌍 (redox couple)이라 한다.

Fe = Fe2+ + 2e-

위의 화학식을 산화의 반쪽반응 (half-reaction)이라 부른다. 철에서 나온 전자는 용액내에 존재할 수 없고 용액내의 다른 물질이 받아들여야 하기 때문이다. 

따라서 완전한 반응식에서는 산화와 환원이 동시에 일어나야 한다. 

환원

환원은 원자, 분자, 이온들이 전자를 얻는 현상을 말한다.  

산화의 경우와 마찬가지로 여러 가지 산화상태를 갖는 물질은 단계적으로 환원되어 낮은 산화상태가 된다. 

아래의 식은 chlorine의 환원반쪽 반응이다.

Cl2 (chlorine) + 2e- (electrons) = 2Cl- (chloride ion)

위의 경우에 redox couple은 Cl2/Cl- (chlorine/chloride)이다. 산화반응은 언제나 환원반응과 함께 일어나다.  

두 개의 반쪽반응이 결합되어 하나의 전체반응이 될 때 산화반응에서 잃어 버린 전자의 수는 환원반응에서 얻어진 전자의 수와 같아야 한다. 

산화 반쪽식 : Fe = Fe2+ + 2e-

환원 반쪽식 : Cl2 + 2e- = 2Cl-

전체반응식 : Fe + Cl2 = FeCl2

위의 반응식에서 chlorine(Cl2)을 환원시키는 철(Fe)을 환원제라 부른다. 반대로 철(Fe)을 산화시키는 chlorine(Cl2)은 산화제라 부른다. 

기준전위

어떤 물질이 얼마나 산화 혹은 환원이 잘 되는지는 redox couple의 기준전위에 의해서 알 수 있으며 Eo로 나타낸다.  

여러 가지 redox couple의 기준전위값들은 반쪽반응식과 함께 문헌상에 표로 나타나있다.  

모든 반응들은 수소이온/수소 (H+/H2) redox couple를 기준으로 하며 이것의 기준전위는 0이다.  

반쪽반응의 기준전위는 환원반응으로 사용한다. 표에서 음수로 나타나는 기준전위는 산화반쪽 반응을 나타낸다. 

용액내에서의 ORP

반쪽반응에 대한 기준전위는 반응에 참여하는 모든 물질의 농도가 1M 이라는 전제를 하고 있다.  

그러나 실제상황에서는 각각의 농도들이 다를 수가 있기 때문에 각각의 경우에 대해서 ORP값을 구하기 위해서는 네른스트 방정식 (Nernst equation)을  

사용해야 한다. 

ORP 측정에서 네른스트 방정식의 이용

일반적인 반쪽반응의 ORP 값은 다음과 같이 몰농도의 항으로 표시될 수 있다.

aA + bB + cC + ...... + ne-

= xX + yY + zZ + .....

Hypochlorous acid (물속에서의 chlorine)는 네른스트 방정식의 좋은 예가된다.

반쪽반응 HOCl + H+ +2e- → Cl- + H2O

Eo = 1,490mV 

25℃에서 네른스트방정식은 다음과 같다.

Hypochlorous acid/chloride 사이의 방정식을 살펴보면 ORP의 중요한 특성을 알 수 있다.

1) ORP는 물을 제외한 반쪽반응에 관여하는 모든 물질의 농도에 영향을 받는다.

2) ORP는 농도비의 log값의 함수이다.

3) ORP 측정에 온도는 매우 다양한 방법으로 영향을 준다. 따라서 일반적인 특징을 발견하기 힘들기 때문에 ORP 측정에서는 대부분 온도보상을 하지 않는다. 

ORP 전극

ORP 측정에서는 백금이나 금과 같이 비활성 금속전극을 사용한다. 보편적으로 ORP 측정의 정확도는 ±5mV이다.

때때로 ORP 전극과 어떤 화학종간의 전자교환의 속도가 매우 낮으면 측정에 방해를 받을 수 있다.  

이런 경우에는 용액내의 용존산소와 같은 2차 redox couple에 좀더 많이 감응할 수 있어서 오차를 유발하게 된다. 

기준전극

보통의 경우 ORP 측정에 사용되는 기준전극은 pH 측정에 사용되는 Ag/AgCl 전극과 동일하다.  

표백공정과 같은 경우에는 은조각 (silver billet)이나 심지어는 pH 전극을 기준전극으로 사용하기도 한다. 

ORP를 이용한 농도측정 

ORP는 물속의 chlorine 측정의 경우와 같이 관련된 모든 인자들을 정확히 이해하고 있지 않더라도 종종 농도측정에 적용된다.  

Hypochlorous 용액의 ORP 측정에서 사용되는 방정식을 생각해보면 농도측정과 관련되어 어떠한 문제점이 있는지 개략적으로 살펴볼 수 있다. 

ORP는 hypochlorous acid (물속에 녹아있는 chlorine) 뿐만 아니라 Cl- 이온과 H+ 이온에 영향을 받는다.

Cl- 이온과 H+ 이온의 변화는 ORP에 영향을 줄 수 있다.

따라서 chlorine을 정확하게 측정하려면 Cl- 이온과 pH가 매우 정확하게 측정되거나 일정한 값이 되도록 관리되어야 한다.

일반적으로 ORP는 농도측정에 적용하기에 좋은 방법은 아니다. 실제로 모든 ORP 반쪽반응에는 하나 이상의 물질을 포함하며 대부분 pH의 영향을 받는다. 

ORP의 응용

ORP는 여러 가지 화학종에 영향을 받기 때문에 응용에 어려움을 겪을 수도 있다.  

특별한 목적으로 ORP를 측정하려면 관계를 맺고 있는 반쪽반응에 참여하는 모든 물질의 농도범위를 알아야한다.  

또한 ORP의 예측을 위해서는 네른스트 방정식을 이용하여야 한다.  

ORP를 모니터링하거나 산화-환원 반응을 조절하는 응용분야에는 다음과 같은 것들이 있다.  

Cyanide 분해, 염소제거, 크롬산염 (chromate) 환원, 하이포아염소산염 (hypochlorite)이 관련된 표백공정등이 있다.  

위에서 살펴본 바와 같이 ORP를 이용한 농도측정에는 문제점이 있지만 산화제, 환원제를 검출하므로써 누수탐지등에도 응용이 가능하다.