[논문]탄산수의 알칼리도 및 총 탄소 측정방법 비교 연구

조민기; 채기탁; 고동찬; 유용재; 최병영

탄산수의 알칼리도 및 총 탄소 측정방법 비교 연구
A Comparison Study of Alkalinity and Total Carbon Measurements in $CO_2$-rich Water 원문보기

지하수토양환경 = Journal of soil and groundwater environment, v.14 no.3, 2009년, pp.1 - 13

조민기 (한국지질자원연구원) , 채기탁 (한국지질자원연구원) , 고동찬 (한국지질자원연구원) , 유용재 (충남대학교 지구환경과학부) , 최병영 (한국환경기술진흥원)

초록
AI-Helper

탄산수를 대상으로 알칼리도 및 총 탄소 측정 방법의 타당성을 평가하기 위하여 산중화 적정법, 역적정법, 침전법, NDIR-TC 측정법 등 다양한 측정방법을 적용하였다. 인공적으로 제조한 탄산수(ACW(Artificial $CO_2$-rich Water): pH = 6.3, alkalinity = 68.8 meq/L, $HCO_3^-$ = 2,235 mg/L)의 알칼리도 및 총 탄소를 측정한 결과, 탄산수 제조와 동시에 측정된 시료에서는 상기한 모든 측정방법에서 비교적 정확한 측정값을 얻어내었다. 이때 퍼센트 오차는 0~12% 수준이었으며, 반복측정 분산분석(repeated measure ANOVA)의 사후 분석 결과 각 측정 방법간 차이는 95% 신뢰수준에서 없는 것으로 판정되었다. 또한 이때 정밀도(분산계수)도 4% 이내로 재현성이 높은 측정 방법이라고 할 수 있다. 탄산수와 같이 $CO_2$가 탈기(脫氣: degassing)되는 경우 각 측정 방법의 정도관리를 위하여 24시간, 48시간 동안 $CO_2$를 탈기시킨 후 각 측정 방법을 적용하였다. 그 결과 산중화 적정법과 NDIR-TC 방법으로 측정된 알칼리도는 $CO_2$의 탈기에 상관없이 일정한 값을 유지하고 있었다. 이는 알칼리도의 보존성에 기인한 결과로 해석된다. 반면, 역적정법과 침전법으로부터 구한 알칼리도는 증가하는 것으로 나타났다. 한편 총 탄소 함량은 꾸준히 감소하여 48시간후에는 최대 약 50%의 $CO_2$가 탈기된 것으로 평가되었다. 역적정법과 침전법으로부터 구한 알칼리도가 높아진 이유는 총 탄소 함량이 다른 방법에 비하여 높게 측정되었고, $CO_2$ 탈기를 모델링 한 결과, 측정된 총 탄소 함량에 평형인 pH보다 측정된 pH가 높기 때문이다. 이는 ACW에 잔류한 $CO_2$ 기포의 영향으로 생각된다. $CO_2$ 탈기에 의해 발생한 $CO_2$ 기포는 pH를 낮추지 못하고 알칼리도에 영향을 주지는 않기 때문에 산중화 적정법과 NDIR-TC 측정에서는 분석되지 않지만 역적정과 침전법을 적용하여 총 탄소를 분석할 경우에는 측정값에 포함된다. 따라서 탄산수에서 알칼리도 및 총 탄소의 측정과 해석을 정확하게 하기 위해서는 역적정법이나 침전법을 이용하여 측정한 결과를 비교 검토하는 것이 필요하다. 이 연구의 결과는 탄산수 연구나 $CO_2$ 지중저장에 관련된 연구에 활용될 수 있다. 특히 $CO_2$ 지중저장 연구에 응용될 경우 탈기되지 않는 $CO_2$ 기포의 함량을 반영할 수 있기 때문에 심부 지중의 pH를 보정하거나 $CO_2$의 지중 거동과 $CO_2$ 저장 용량 평가에 응용될 것으로 기대된다. 이 연구를 기반으로 고온 고압 환경에서 직접 총 탄소를 정확하고 편리하게 측정하기 위한 방법을 개발할 예정이다.

Abstract ▼ AI-Helper

Alkalinity and total carbon contents were measured by acid neutralizing titration (ANT), back titration (BT), gravitational weighing (GW), non-dispersive infrared-total carbon (NDIR-TC) methods for assessing precision and accuracy of alkalinity and total carbon concentration in $CO_2$-rich water. Artificial $CO_2$-rich water(ACW: pH 6.3, alkalinity 68.8 meq/L, $HCO_3^-$ 2,235 mg/L) was used for comparing the measurements. When alkalinity measured in 0 hr, percent errors of all measurement were 0~12% and coefficient of variation were less than 4%. As the result of post-hoc analysis after repeated measure analysis of variance (RM-AMOVA), the differences between the pair of methods were not significant (within confidence level of 95%), which indicates that the alkalinity measured by any method could be accurate and precise when it measured just in time of sampling. In addition, alkalinity measured by ANT and NDIR-TC were not change after 24 and 48 hours open to atmosphere, which can be explained by conservative nature of alkalinity although $CO_2$ degas from ACW. On the other hand, alkalinity measured by BT and GW increased after 24 and 48 hours open to atmosphere, which was caused by relatively high concentration of measured total carbon and increasing pH. The comparison between geochemical modeling of $CO_2$ degassing and observed data showed that pH of observed ACW was higher than calculated pH. This can be happen when degassed $CO_2$ does not come out from the solution and/or exist in solution as $CO_{2(g)}$ bubble. In that case, $CO_{2(g)}$ bubble doesn't affect the pH and alkalinity. Thus alkalinity measured by ANT and NDIR-TC could not detect the $CO_2$ bubble although measured alkalinity was similar to the calculated alkalinity. Moreover, total carbon measured by ANT and NDIR-TC could be underestimated. Consequently, it is necessary to compare the alkalinity and total carbon data from various kind of methods and interpret very carefully. This study provide technical information of measurement of dissolve $CO_2$ from $CO_2$-rich water which could be natural analogue of geologic sequestration of $CO_2$.

주제어

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	CO2 함량이 높은 탄산수에 대한 연구가 가지는 중요성은?	CO2 함량이 높은 탄산수에 대한 연구는 CO2 지중저장 연구에서 다음과 같은 중요성이 있다. 첫 번째, 탄산수는 자연적으로 발생한 CO2가 지하수에 용해되어 오랜 기간 지질매체와 반응하고 유동하였으므로 CO2 지중저장 시 주입된 CO2의 지구화학적 거동을 이해하는데 도움이 된다. 지층에 주입된 CO2가 지하수나 지질 매체와의 반응을 통하여 영구히 저장되는 과정은 짧게는 1,000년 길게는 10만년 이상의 시간 규모에서 이해되어야 한다(최병영 외 2009, Gaus et al., 2005; Xu et al., 2005; Pearce, 2006). 이러한 변화는 우리가 관찰 할 수 없으므로 주입된 CO2의 지구화학적 거동을 실증적으로 이해하는 데에는 탄산수에 대한 자연유사 연구가 긴요하다. 아울러 CO2 지중저장 시 주입대상 지층 또는 주변 및 상부 대수층 내에 용존하는 CO2 변화를 모니터함으로써 지중 주입된 CO2의 공간적 분포를 이해하는데 도움이 될 수 있다. 또한 탄산수의 지구화학적 성분 및 측정된 연령은 CO2 지중저장의 지구화학 모델링을 검증하고 보정하는 데이터로 활용될 수 있다. 두 번째 탄산수 연구는 CO2 지중저장의 입지 선정과 주입 전/중/후 모니터링 전략 수립에 이용될 수 있다. 주입된 CO2는 주변 탄산수를 통하여 누출 될 수 있으므로, CO2 주입 부지 선정 시 주변에 탄산수의 산출 여부가 매우 중요하다. 따라서 탄산수의 기원과 산출양상에 대한 자료를 DB화 하는 것이 필요하며, 주입 부지 선정 시 탄산수 분포를 면밀히 검토하여야 한다. 이러한 DB에는 탄산수 내 CO2의 기원이 화산활동에 의해 발생되었는지(Rose and Davisson, 1996), 퇴적암의 열변성(Chiodini et al., 1999)으로부터 기원하는 지와 유동에 관련되어서는 단층과 탄산수 분포의 상관성(Evans et al., 2004; Choi et al., 2005) 등에 관한 과학적인 해석이 포함되어야 한다. 이러한 해석은 입지 선정과 주입 전/중/후 모니터링 전략, 계획, 설계에 반영되어야 한다.
	온실가스 저감 대책이 필요한 이유는?	날로 심해지는 지구온난화에 대응하기 위한 국제 사회의 노력이 가속화 되고 있다(UNFCCC, 2007; IEA, 2008). 그러나 에너지 수요는 당분간 증가될 것으로 예상되며, 이를 감안한다면 당분간은 CO2 지중저장과 같은 온실가스 저감 대책의 마련이 시급하다. IPCC(Intergovernmental Panel on Climate Change)는 2050년 세계 온실가스 감축 분 중 19% 정도는 CCS(carbon capture and storage) 기술이 담당할 수 있을 것으로 예측하였다(IPCC, 2005).
	그간 탄산수에서 연구되어온 부분들은?	그동안 탄산수는 탄산온천, 고부가가치 지하수 개발, 심부지하수로서 방사선 폐기물 매립지 연구를 위해 지화학성분, 안정/방사성 동위원소, 희토류원소, 지화학 모델링 등이 연구되었다(김규한 외 2000., 고용권 외 2000.

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