BOD 광학식 측정방법

 현재 개발되어 사용되고 있는 전류 측정방식의 경우 격막을 통과한 산소가 수산화물로 환원될 때 발생하는 전압이나 전류를 측정하여 값을 구하며, 광학방식의 경우 산소투과성 격막이 아닌 특별히 고안된 광학층(Optical Layer)을 사용하며 광학층에 조사된 빛의 반응 특성을 이용하여 DO값을 측정한다. 

 

 광학방식에서 산소 농도를 결정하기 위해서는 형광물질 중에서도 붉은 방사선의 수명(time)이 영향을 미치는데 이것의 방출되는 빛의 세기와 지속시간은 산소의 존재와 직접적으로 관련되어 있다.

광학식 DO에서 산소의 존재는 형광 과정을 방해한다. 따라서, 매질에 용존산소가 많을수록 광학층과 반응하는 산소가 많아지며, 이에 따라 형광 특성이 변화되는 과정을 보여준다. 본 과정에서 광학식 DO 센서의 형광은 산소의 양에 따라서 세기와 지속시간이 달라진다. 광학식 DO 센서의 경우 저농도의 산소에서 형광의 세기가 강하고 오래가며, 고농도에서는 강도가 약해지고 짧아진다. 따라서, 붉은 방사선의 지속시간을 측정하면 산소의 농도를 알아낼 수 있다.

 

1. 기본 개념

1.1 발광(luminescence) 

: 형광 또는 인광과 같이 열을 동반하지 않는 발광현상 

: 물질이 전자파나 열, 마찰에 의하여 에너지를 받아 여기 되어, 그 받은 에너지로 특정 파장의 빛을 방출하는 현상

: 에너지를 주는 방법이 자외선이나 가시광의 경우, 얻어지는 발광을 빛(photo) 루미네선스(luminescence)라

1.2 여기(勵起)

:외부에서 에너지를 가함으로써 원자나 분자의 가장 바깥쪽에 있는 전자가 높은 에너지 상태로 이동하는 것

2. 광학식 용존산소(DO) 측정기술

2.1 개요

산소농도측정을 위한 광학기술은 기존의 전기화학 측정방식의 단점을 보완하기 위해 개발되었다.

LDO의 원리는 새로운 형태로 발광의 물리적인 현상에 기초하며 형광의 지속시간에 따라 산소 농도가 결정된다.

▶ LDO의 구성 

- 특정 방사선을 전달시킬 수 있는 물질로 만들어진 발광체가 있는 센서 캡

- 파란색과 빨간색 LED가 있는 센서 몸체, 포토다이오드와 전자부

작동 중에는 센서 캡은 센서 몸체에 부착되어 있고, 센서 몸체는 물속에 담겨져 있게 된다.

시료의 산소 분자는 발광체와 직접 접촉하여 산소 농도가 측정된다.

2.2 측정원리

 전류측정방식의 경우 격막을 통과한 산소가 전해질 용액과 반응하고 센서 내부의 전극에 전위차를 발생시킨다. 즉, 양극에서 산소가 수산화물로 환원될 때 발생하는 전압이나 전류를 측정하여 값을 구한다.

 광학방식의 경우 산소투과성 격막이 아닌 특별히 고안된 광학층(Optical Layer)을 사용하며 광학층에 조사된 빛의 반응 특성을 이용하여 DO값을 측정한다. 광학층은 경계면 역할을 하며, 매질의 용존산소량에 비례하여 광학적 특성이 달라지도록 제작된다. 또한, 특정 파장의 빛을 조사할 경우 본래의 파장과 다른 빛을 특정 시간 동안 다시 방출하는데, 빛을 방출하는 시간의 길이는 매질 내의 용존산소량과 반비례하는 관계를 가지고 있다. 

▶발광(luminescence)

: 분자 구조에서 궤도상의 전자가 흥분(여기) 상태에서 기저(바닥)상태로 전이될 때 빛이 조사되는 것을 의미한다.

흥분(여기) 상태에서 기저(바닥)상태로 전이될 때 에너지 차이가 붉은 방사선의 형태로 방출이 된다. 이때 형광 지속시간을 측정하면 산소의 농도를 알아낼 수 있다. 

-산소의 농도가 저농도 : 형광의 세기가 강하고 지속시간이 길다

-산소의 농도가 고농도 : 형광의 세기가 약하고 지속시간이 짧아진다.

3. 특징 및 장점

3.1 교정(Calibration)과 막&전해질의 교체 불필요 

 광학 LDO기술은 산소 농도의 측정을 시간의 측정으로 간단하게 나타낸 것으로 분석자에 의한 잘못된 교정이 발생할 수 없다. 또한, 산소의 소비가 없기 때문에 막과 전해질의 교체도 필요 없다.

3.2 황화수소(H₂S)에 의한 센서의 손상이 없음

 만약 가스 상의 황화수소가 막을 통과하여 전기화학식 측정 셀의 음극과 접촉할 경우, 음극면에 제거하기 매우 어려운 황화 은이 생성된다. 이것은 전기화학식 측정방법에서는 셀에 돌이킬 수 없는 손상을 입힌다.

LDO에 사용되는 발광체는 황화수소뿐만 아니라 다른 여러 가지 화학물질에 전혀 영향을 받지 않는다. 따라서, 센서에 문제없이 하수, 폐수와 같은 여러 공정의 처리수에서도 사용될 수 있다.