프로세스공정 및 현장형 분석기기의 종류와 원리 (8)

[산업일보]
25. 수경도계(Water hardness meter)

(1) 원리



칼슘 염류 및 마그네슘 염류를 다량으로 포함하고 있는 물을 경수라고 하며 그러한 염류가 적은 물을 연수라고 한다. 물 속의 칼슘 및 마그네슘의 이온은 주로 CaSO4, MgSO4, Ca(HCO3)2, Mg(HCO3)2로 부터 되어 있다.
수경도계는 프로세스에 있어서의 각종 용액중의 칼슘 및 마그네슘 이온의 양을 측정해, 그 값을 탄산칼슘 농도로 환산해 표시하는 장치이다. 공업용수 시험 방법 JIS K0101에 대해서는 경도는 전경도, 칼슘 경도 및 마그네슘 경도로 나눌 수 있고 있지만, 여기서 말하는 분석계는 전경도를 요구하는 것이다.
<그림 1>에 프로세스 용수 경도계의 구성 예를 나타낸다. 분석 조작은 다음의 순서로 자동적으로 행해진다. 세정수로 적정 셀을 세정한 후, 시료액, 완충액 및 지시약을 계량 채취해, 적정 셀내에 차례차례 주입해 혼합시킨다. 완충액은 시료를 pH10에 조절한다. 지시약에는 에리오크로무브락크 T(EBT)를 이용한다. 비색계에 의해 적정 셀내의 액색을 감시하면서, 에틸렌 디아민4 초산2 나트륨(EDTA) 용액으로 광도 적정을 실시해서 적정 종점까지 필요로 한 EDTA 용액량을 전기신호로 변환하소 발신해서 지시 기록한다.
그 후, 셀내의 액을 배출해, 셀내를 세정수로 세정해 1회의 측정을 종료한다. 셀 세정 때에는 내장된 회전 브러쉬로 광투과창을 닦아 청정하게 하는 기구가 부가되고 있다.
이상과 같이 전경도는 EBT를 지시약으로 해서 EDTA로 적정해 요구한 칼슘과 마그네슘의 합량을 탄산칼슘으로 환산해 표시하는 것이지만 칼슘 경도와 마그네슘 경도는 다음과 같이 요구되는데, 칼슘 경도는 NANA 용액을 지시약으로 해서 EDTA로 적정해 요구하며 마그네슘 경도는, 전경도에서 칼슘 경도를 공제해 요구한다.

(2) 특징
0~10mg/ℓ정도의 Mg 및 Ca이온의 합량이, 전눈금장의 ±2%이내의 재현성으로 얻을 수 있다. 샘플링-적정-지시-배액을 반복하므로 약 10분 마다의 간헐 측정이 된다.

(3) 용도
연수 장치의 운전 관리 공업용수의 수질 감시, 보일러 용수의 스케일 방지, 세정 용수의 경도 감시, 식품 공장의 용수 감시, 제지 공장 용수의 경도 감시, 염색공장 용수의 경도 감시.

26. 밀도계(Density measuring instrument)

(1) 원리
밀도는 물질의 성질이나 조성을 알고 있는 기본적인 물리량이다. 그 단위는 계량법에 의하면 체적 1입방미터 중에 포함되는 질량(kg/m3)과 정해져 그 보조 단위로서 그램마다 입방 센티미터(g/cm3)가 정해져 있다. 일반적으로는 이 보조 단위가 잘 사용되고 있다.
액체의 밀도 측정에는 부력의 변화를 이용한 ‘부자식 밀도계’액 중의 높이가 다른 2점에 일하는 압력의 차이, 즉 차압을 이용한 ‘차압식 밀도계’ 일정 용량의 용기 예를 들면 U자관 안을 흐르는 액체의 중량 변화를 이용한 ‘중량 밀도계’ 방사선의 투과율의 변화를 이용한 ‘γ선밀도계’ 및 진동을 이용한 ‘진동식 밀도계’ 등이 있다.





γ선밀도계는 방사선원으로부터 발생하는 γ선이 물질을 투과 할 때의 투과율이 그 밀도에 의해 바뀌는 것을 이용해 밀도를 측정하는 장치이다. <그림 2>에 구성 예를 나타낸다. 지금 피측정물이 없을 때의 γ선의 힘을 I0, γ선의 질량 흡수 계수〔cm2/g〕를 μ, 피측정물의 밀도를 ρ로 하면 두께 t cm의 물질을 투과 한 후의 γ선의 힘 I는, 다음의 식에 의해 나타내진다.

I=I0·e－μρt

μ는, β선이나 낮은 에너지의 γ선의 경우, 물질의 종류에는 그다지 관계하지 않는다. 이 때문에, t 및 I0를 일정하게 하면 투과 후의 γ선의 힘 I는, 피측정물의 밀도의 함수로서 나타낼 수가 있다. 방사선원에는, 세슘 137이나 코발트 60이 있어 검출기로서는 신틸레이션 계수관이나 전리 상자가 사용되고 있다.
진동식 밀도계는 파이프의 횡방향 자유진동수가 내부에 채워진 액체의 밀도의 함수가 되어 있는 것을 이용한 밀도계이다. <그림 3>에 진동식 밀도계의 구성 예를 나타낸다. 밀도 변화를 주파수 변화로서 검출하는 검출기는 진동자(엷은 살색의 파이프), 진동자를 구동하는 압전 소자(진동을 픽업 하는 전극) 및 발진 증폭기로부터 되어 있어 변환기는 표준 발진기, 혼합 검파 회로, 주파수/전압 변환 회로 및 온도 보상 회로 등에서 되어 있다.

(2) 특징
1) γ선밀도계
● 피측정물에 접촉하는 일 없이 고온·고압·고점도의 액체나 소량의 액체의 측정에도 적용할 수 있는 큰 이점을 갖고, 응용 분야도 넓다.
● 방사선을 사용하기 때문에 관리에는 만전의 주의가 필요하다.
2) 진동식 밀도계
● 측정 감도가 높고 안정인 측정을 할 수 있다.
● 외부로부터의 진동 그 외의 영향을 받기 어렵다.
● 측정이 용이해 연속 측정을 할 수 있다.
● 온도나 압력의 영향을 고려할 필요가 있다.

(3) 용도
1) γ선밀도계
다른 방식으로는 측정 곤란한 소량의 액체, 고온 혹은 고압하의 액체, 고점성 액체 및 부식성 액체의 측정에 적절하고 있다.
2) 진동식 밀도계
현탁물의 적은 프로세스액의 정밀 측정에 적합하며 특히 유기용제등의 측정에는 최적이다.



27. 용존오존계(Dissolved ozone analyzer)

(1) 원리
정수, 물의 재이용 및 환경보전을 위한 수질 개선에 다양한 물처리법을 하고 있다. 그 중에 염소에 의한 처리 등 일반적인 처리로는 충분한 처리를 할 수 없는 탈취, 탈색, 살균, 유해 물질의 분해 등을 목적으로 해, 오존에 의한 처리를 한다. 오존은 공기 중에서 방전시키면 다량으로 발생해 오존을 처리하는 물 속에 불어오면 오존의 강한 산화력에 의해 분해 처리를 한다. 오존의 산화력은 불소보다는 약하게 염소보다 강하다. 수중 분해에 소비된 잉여의 오존은 비교적 단시간에 자기 분해해 산소가 되어 무해가 된다. 이 오존의 자기 분해는 일반의 자연수에서는 상온으로 20~30분에 반감하므로 장기에 고농도로 처리제로서 적합하다.
용존오존의 분석법으로서는 유산 망간 오르트시린지법(유산 망간 오르토 새 진 시약의 반응에 의한 발색을 측정), 자외선 흡광법(자외선이 오존에 흡수되므로 빛의 흡광도를 측정) 등이 이용되고 있다.



각종 수처리에서는 염소 처리에 가세해 오존 처리를 하는 경우가 많다. 그 때문에 용존오존은 잔류 염소와 용존오존이 혼합하고 있는 시료로부터 분리 측정을 할 필요가 있다. 프로세스용 용존 오존계에는, <그림 4>의 폴라로그래프 방식과 <그림 5>의 자외선 흡광 방식이 있다. 또 폴라로그래프 방식에는, <그림 4>에 나타낸 회전 전극법 외에, 격막을 사용한 격막 전극법도 있다.
폴라로그래프 방식은, 전극간에 오존의 전해 전압을 걸어, 오존 농도에 비례해 흐르는 전류를 측정한다. 잔류 염소의 방해는 시약을 사용해 잔류 염소를 크로라민으로 바꾸는 것으로 막으며 자외선 흡광 방식으로는 255nm의 흡광도를 측정한다.
잔류 염소의 방해는 간헐적으로 시료 중의 오존만을 분해 제거한 제로액으로 제로 교정을 실시하는 것으로 막고 있다.

(2) 특징
1) 연속 측정이므로 반응의 비교적 빠른 오존 처리의 지표로서 적합하다.
2) 오존 처리로 병용되는 염소 처리에 대해서도 오존만의 분리 측정을 할 수 있다.
3) 회전금 전극법에서는, 전극부의 오염대책에 비즈를 넣어 전극의 회전에 의한 자정 효과를 이용한 것이 있다.
4) 자외선 흡광 방식으로는, 측정 셀의 더러움에 의한 영향이 크기 때문에 더러운 방지의 대책이 필요하다.

(3) 용도
용존오존계는 하수처리, 분뇨 처리에 있어서의 악취 물질의 처리에 사용되는 것 외에 산업 폐수(염색, 인쇄공장 폐수의 탈색, 도금 폐수의 시안 처리, 콤비나트(Combinat) 폐수의 삼차 처리), 상수의 고도처리(부영양화 한 호수와 늪에서의 원수의 탈취 처리) 등에 이용된다. 측정 범위는 0~2 mg/ℓ정도이다.

28. 용존 산소계 (Dissolved oxygen meter)
(1) 개요
용존 산소란 수중에 용해하고 있는 산소를 말하지만 용해하는 양은 산소 분압, 수온, 용해소금 농도 등에 영향을 받는다. 오염되지 않은 하천 수중에는 그 온도에 있어서의 포화치에 가까운 양이 함유 되지만, 환원성 물질(유화철, 아황산, 제일철 등)이 혼입한 수중에서는 감소한다. 또 용존 산소는, 수중 생물, 유기물, 박테리아 등에 의해 소비되어 물의 자정 작용이나, 수중 생물에게 있어 불가결한 것이다. 한편, 보일러 급수 중에 용존 산소가 있으면 보일러의 부식이 빨라지기 때문에, 보일러 급수중의 용존 산소는 제거되고 일정치 이하에 관리되고 있다.
(2) 원리 및 특징
프로세스용의 용존 산소계로서는 공존하는 이온의 방해를 받지 않는, 보수 취급의 간편함 등에서, 격막 전극식이 많이 채용되고 있는데 격막 전극식의 자세한 원리는 실험실용용 용존 산소계에 기술되고 있다.
프로세스용의 용존 산소계의 특징은 장기간의 연속 측정을 할 수 있어 보수의 용이한 일과 신호 출력은 장거리 전송 가능한 일 등이다. 이 목적에 맞도록 전극의 전기 분해액의 장기 수명화, 또는 전극의 첨단 팁을 카트리지화해 원터치로 교환 가능하게 해 보수를 용이하게 한 것 등이 있다. 또 전극의 더러운 대책으로서 워터젯, 에어젯 세정 등 준비되어 있는 것도 있다.
설치 장소에 따라서는 검출부와 변환부의 거리가 100m 정도가 될 수도 있어 이 때에는 전극의 보수를 용이하게 하기 위해 중계박스를 마련하는 일이 있다.
또, 시료의 유속은 전극의 발생 전류에 영향을 주므로 규정 이상의 유속을 줄 필요가 있다. 전극 홀더로서는, 직접 시료수에 담그게 하는 담글 수 있는 나무형, 시료수를 연속해 송액하는 유통형, 시료수를 연속해 송액한 안에 담그게 하는 퍼 올리고 형태가 있다.



변환부는 전극으로 발생한 전류를 증폭, 자동 온도 보상함과 함께, 입력~출력간을 전기적으로 절연 해 외래 노이즈의 영향을 없애는 것 같은 방식이 채용되고 있다. <그림 6>에 용존 산소계의 구성예를 나타낸다. 변환부의 설치 장소가 옥내나 옥외인가에 의해 옥내형, 방적형, 방우형의 어느 쪽이든 폭발 위험 장소에서 사용하는 경우는 방폭 구조의 것을 선택할 수가 있다.
(3) 용도
용존 산소계의 용도는 다방면에 걸쳐, 보일러 급수의 관리, 하수의 활성 진흙 처리의 제어, 수질오탁 감시, 발효 프로세스나 양식 사육조의 관리 등이 있다. 보일러 급수 이외의 용도에서는 mg/ℓ이상의 측정이 대부분이지만, 보일러 급수에 대해 mg/ℓ이상부터 μg/ℓ이상의 측정까지 넓은 범위가 이용되고 있다.
(계속)

길 주 형 / 기구설계사

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