수질 프로세스 분석과 계측 <27>

[연재] 로터스프로슈밍매니지먼트 대표 길주형
김한결 기자
eco@ecomedia.co.kr | 2020-06-16 13:33:08
  • 카카오톡 보내기
  • 카카오스토리 보내기

[이온 측정]


이온 전극의 역사 

우리가 현재 사용하는 이온전극 중 가장 오랜 역사를 가지고 있는 것은 바로 pH전극이다. 60년대 초 까지만도 ISE는 실질적으로 pH전극밖에 없었으며 60년대 중반에서야 불소 전극이 최초로 등장하게 되면서 이온전극의 서막을 열게 된다.

 

이후 활발한 연구를 시작으로 Na+/K+/Ag+/Ca2+/NH4+/Cu2+/Pb2+/F-/Cl-/Br-/I-/CN-/S2-/NO3- 등 많은 이온을 측정할 있게 된다.

우리가 이렇게까지 이온 선택 전극을 연구하며 필요로 하는 데는 다음과 같은 중요한 사용 이유가 있다.
- 환경
- 식품산업 및 농업
- 의학, 제약, 화장품
- 발전소
- 폐수 및 염수의 질산이온 함량 분석
- 광천수의 염소 및 불소 함량, 과즙의 칼륨 함량, 맥주의 염소 함량 분석
- 침출용액, 비누 및 샴푸의 염소 함량 분석
- 보일러수의 미량 염소를 분석하여 부식을 방지

이온 전극은 활용 분야도 다양하며 다음의 몇 가지 이온극으로 일례를 들 수 있다.


이온 선택 전극의 장단점

[장점]

· 일단 매우 경제적이다. 일례로 측정 회로가 기타 분석 방식(이온 크로마토그래피, AA, ICP 따위)과 비교해 봐도 알 수 있다. 참고로 이온 전극을 이용한 측정 회로 구성은 다음과 같다.
- 고정밀 밀리볼트미터, ISE, 레퍼런스 전극, 이온 강도 버퍼(ion strength buffer, 이하 ISB), 전극 교정용 표준용액.
· 시간을 절약 할 수 있다는 장점이 있다. 이것은 준비 과정이 짧은 것인데 기기 프로그램, 전극 교정, 측정(전극 반응 및 안정화 시간에 따름) (전극 종류, 샘플 매트릭스, 농도, 요구 정확도에 따라 다를 수 있다), 표준용액, 전해질, 샘플(필요시에 한하여, 습식 광물화 등) 제조가 시간을 가장 많이 잡아먹는 것을 고려해 보면 현장에서 도저히 감당이 되지 않는다.
· 현장에서 계장 운영 측면에서 본다면 자동화가 가능하므로 매우 편리할 수밖에 없다.
· 100에서 10-7 M에 이르기까지 다이내믹 레인지가 넓다.
· 색이나 탁도에 방해 받지 않으며 고체 입자에 의한 간섭이 없다.
· 전극 형식이나 샘플 매트릭스에 따라 검출 한계는 대개(고감도 염소 전극) 10-6M가량이다. · 불소 전극은 10-7M까지도 내려간다.
· 비색 분석이나 분광 광도 분석 따위 원소 분석 기법과 달리 ISE는 색, 탁도 혹은 샘플 서스펜션 입자에 방해 받지 않는다.

[단점] 

· 유리 이온만을 측정할 수 있다.
· 샘플의 기타 이온이 간섭을 일으킬 수 있다. 간섭이온이 붙들려있다면 적절히 처리하여 자유 이온 상태로 만들어야 한다. 습식 광물화 등을 예로 들 수 있겠다.
· 샘플에 기타 이온이 섞여있는 경우 측정에 간섭이 나타날 수 있다. 전극 하나에 이런저런 이온이 반응한다든지(가령 염소 전극은 아이오딘이온, 브로민이온과도 반응한다) 은이온과 염소이온처럼 간섭이온이 목표 이온과 결합 또는 침전을 형성한다든지 하는 식이다.
· 전극이 어느 정도 선택적인지는 선택성계수 K와 간섭 이온의 활동도로 나타낸다. 

 

▲ 기본적인 기준적극과 이온전극의 구조

 

기준전극 (칼로멜 전극을 기본으로) 

이온전극을 알기 전에 우선 기준전극에 대해 알아볼 필요가 있다. 말 그대로 모든 전극화학센서의 기준이 되는 전극이다.
칼로멜 레퍼런스 전극은 내구성이 뛰어나며 구성에 있어 선택 폭이 넓으므로 현장의 각종 요구에 부응해왔다. 가장 역사가 깊은 유리 pH 전극을 비롯하여 이온 선택 전극(Ion Selective Electrode, 이하 ISE), 금속 전극을 적절히 연결하면 레퍼런스 전위를 안정적으로 얻을 수 있다.

 

▲ 칼로멜 전극과 대표적인 기준전극

 

칼로멜 전극은 기본적으로 튜브에 액상이나 겔 타입의 포화 KCl 전해질을 채우고 수은/염화수은(I) 레퍼런스 전극선을 집어넣은 구조다. 전극 끄트머리에 구멍이 나있어 용액에 침지하면 샘플과 전해질 간에 전기적 접촉이 생겨난다. 위의 세공 혹은 정션이 레퍼런스 전극과 샘플 그리고 지시 전극을 전기적으로 이어준다.

유리 재질과 폴리머 재질이 있고 정션도 네 종류이므로 현장 대부분이 이 안에서 해결 가능하다. 

유리 재질 액상 타입은 다공성 세라믹 정션을 사용하며 일반적인 측정에 적합하다. 전해질이 서서히 흘러나가야 하는 경우 균열 비드 정션을 사용한다. 전해질이 신속히 흘러나가야 하며/하거나 정션 재생이 가능해야 한다면 당연히 슬리브 정션이 좋다. 
폴리머 재질 전극으로는 액상에 세라믹 정션을 쓰는 방법과 겔에 다공성 폴리머 정션을 쓰는 방법이 있다.

 

※주의
염화수은(I)은 내용물이 유독하니 만에 하나라도 삼키는 일이 없어야 한다. 파손으로 누액이 유출하면 그 즉시 오염을 제거해야 한다. 수은 증기도 유해하므로 잔류 수은이 없게끔 남김없이 모조리 치워야 한다. 실수로라도 내용물이 입에 들어가지 않도록 각별히 주의하고 오염 제거 후에는 손을 깨끗하게 세척해야 한다. 유해물질 관리를 위한 특별법 또는 기타 규제당국의 규정이나 표준에 따라 폐기물을 적법하게 처리하면 된다.


▲ 각종 산화환원쌍의 전극전위

[ⓒ 환경미디어. 무단전재-재배포 금지]

  • 카카오톡 보내기
  • 카카오스토리 보내기