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문제 정의
- 이에 본 연구에서는 우리나라와 일본에서 사용하고 있는 색도 단위인 도(°)와 국제적으로 사용하고 있는 색도 단위인 CU, TCU, H와의 상관관계를 비교하여 합리적인 색도 단위를 도출하고 지표수, 하수 등 다양한 시료를 대상으로 색도 측정방법에 따른 적합한 색도 측정방법을 제시하며 수질인자와의 상관성을 검토하고자 본 연구를 실시하였다.
- 1,3) 그러나 다중파장법으로 1개의 시료에 대해 색도를 측정할 경우, 10 또는 30분할법은 X, Y, Z축에 대해 각각 30회, 90회 파장을 측정해야 하며 측정 후에도 복잡한 계산을 실행해야 하므로 실제 색도 측정에 적용하기 매우 어렵다. 따라서 본 연구에서는 다중파장법을 응용한 색도 측정방법이 프로그램되어 3~4초 이내에 측정이 가능한 색도계를 이용하여 실험을 실시하였다.
- 본 연구는 색도 측정방법 중 비색법과 분광학적방법인 단일파장법, 다중파장법을 비교하고 수질인자와의 상관성 및 색도 단위의 통일성에 대한 연구를 수행하였으며, 그 결과는 다음과 같다.
제안 방법
- 시료는 주요 색 유발물질이 휴믹물질로 예상되는 6개 취수장(팔당, 암사, 구의, 자양, 풍납, 강북) 원수를 채수하였으며, 다양한 유기·무기화학물질을 함유하여 색의 유발성분이 유기·무기화학물질일 것으로 예상되는 한강·팔당호 지류천인 왕숙천, 경안천 등 6지점에서 시료를 채취하였다. 또한 다량의 유기물질이 함유된 중랑 및 구리물재생센터 유입수와 방류수를 채취하여 색도 측정방법 중 가장 적합한 색도 측정방법 도출 및 수질인자와의 상관성을 검토하였다.
- 시료는 채취 즉시 0.45 µm 여과지를 사용하여 여과를 실시하였으며 이때의 진공펌프의 압력은 여과지에 의한 시료 중의 TDS 증가의 영향을 방지하기 위해 -0.2 bar 이내의 낮은 진공으로 조정하였다.
- 특히, 시료 여과시 사용하는 진공펌프의 고진공으로 인하여 여과지에서 크기 1 µm 이하의 물질이 떨어져 나와 시료 중 TDS 농도를 증가시켜 색도 값에 영향을 미칠 수 있으므로 여과단계에서 진공펌프의 압력을 낮은 진공(-0.2 bar)으로 조정하여 여과하였다.
- 또한 미생물에 의한 색도 성분의 변화를 막기 위해 시료 채취 후 0.45 µm 여과지를 사용하여 500 mL를 여과하였으며 즉시 시험을 실시하였다.
- 단일파장을 이용한 색도 측정을 위해 탁도-색도계(Turbidity-Colorimeter, Nippon Denshoku, WA2200K, Japan, TCU 단위)와 분광광도계(UV/Vis spectrophotometer, Thermospectronics, Thermospectro UV500, USA)를 사용하였으며, 390 nm, 400 nm, 456 nm에서 색도를 측정하였다. 다중파장법은 10 및 30분할법을 응용한 다중파장 색도 측정방법이 프로그램되어 3~4초 이내에 측정이 가능한 색도계(Colorimeter, Hach Lange GmbH, LICO 500, Germany, H 등 다양한 단위)를 이용하여 측정하였다.
- 단일파장을 이용한 색도 측정을 위해 탁도-색도계(Turbidity-Colorimeter, Nippon Denshoku, WA2200K, Japan, TCU 단위)와 분광광도계(UV/Vis spectrophotometer, Thermospectronics, Thermospectro UV500, USA)를 사용하였으며, 390 nm, 400 nm, 456 nm에서 색도를 측정하였다. 다중파장법은 10 및 30분할법을 응용한 다중파장 색도 측정방법이 프로그램되어 3~4초 이내에 측정이 가능한 색도계(Colorimeter, Hach Lange GmbH, LICO 500, Germany, H 등 다양한 단위)를 이용하여 측정하였다. pH는 pH meter (Thermo, Orion 520A+, USA), total organic carbon (TOC)는 TOC-analyzer (Sievers, TOC-820, USA)를 사용하여 측정하였으며, total dissolved solid (TDS)는 다중분석기(Hach, HQ40d, USA)를 사용하여 측정하였다.
- 다중파장법은 10 및 30분할법을 응용한 다중파장 색도 측정방법이 프로그램되어 3~4초 이내에 측정이 가능한 색도계(Colorimeter, Hach Lange GmbH, LICO 500, Germany, H 등 다양한 단위)를 이용하여 측정하였다. pH는 pH meter (Thermo, Orion 520A+, USA), total organic carbon (TOC)는 TOC-analyzer (Sievers, TOC-820, USA)를 사용하여 측정하였으며, total dissolved solid (TDS)는 다중분석기(Hach, HQ40d, USA)를 사용하여 측정하였다.
- 색도 측정을 위해 서울시 6개 취수원수, 한강·팔당호 지류천, 중랑 및 구리물재생센터 유입수와 방류수를 채취하였다. 채취 후 시료의 pH가 5~10을 벗어날 경우, 황산(sulfuric acid, H2SO4)과 가성소다(sodium hydroxide, NaOH)를 이용하여 시료의 pH를 7.0~7.2로 조정하였다. 또한 미생물에 의한 색도 성분의 변화를 막기 위해 시료 채취 후 0.
- 색도 단위별 상관성을 검토하기 위해 조제된 백금-코발트(Pt-Co) 표준원액 500도(°)를 탈이온수에 단계별로 희석하여 1, 2, 3, 4, 5, 10, 20, 50, 100도(°)로 조제하였다. 탁도-색도계를 이용하여 진색도(TCU) 단위로 색도를 측정하였으며, 색도계를 이용하여 하젠(H) 단위로 색도를 측정하였다. Table 1에 색도 단위별 측정결과를 나타내었다.
- 2 bar 이내의 낮은 진공으로 조정하였다. 여과된 시료는 pH가 5~10 범위를 벗어날 경우, 황산이나 가성소다를 이용하여 pH를 7.0~7.2로 조정하였으며 색도 측정을 위해 네슬러 튜브에 옮겨 담았다. 비색법에 의한 색도 측정은 Fig.
- 2로 조정하였으며 색도 측정을 위해 네슬러 튜브에 옮겨 담았다. 비색법에 의한 색도 측정은 Fig. 1과 같이 표준용액이 담겨 있는 네슬러 튜브와 시료가 담겨 있는 네슬러 튜브를 흰색 종이 위에 올려놓고 시험자의 육안에 의해 네슬러 튜브 위에서 아래로 내려다보면서 색상 비교를 통해 색도를 측정한다. 그러나 비색법은 위에서 언급한 바와 같이 색도 측정에 있어 5 TCU 이하의 색은 구별하기 어렵고 시험자의 육안에 의한 단순 비교방법으로 정확하고 신뢰성 있는 분석결과를 얻기 힘들다.
- 실험을 위해 조제된 표준용액 5도(°)와 색상성분이 주로 유기·무기화학물질인 왕숙천, 경안천 시료를 채취하여 단일 및 다중파장에서 색도를 측정, 비교하였다.
- 이와 같이 동일한 농도에 대한 파장별 다른 흡광도 값은 단일파장법에서 자연수가 아닌 한강 지류천이나 하수와 같이 색 유발물질이 다양한 유기·무기화학물질일 경우, 색도 측정값에 영향을 미칠 수 있을 것으로 예상되어 이에 대한 추가적인 실험을 실시하였다.
- 단일파장법에 의한 색도 측정을 위해 표준용액 1, 3, 5, 7, 10, 20도(°)를 조제하여 분광광도계와 탁도-색도계를 이용하여 390 nm, 400 nm, 456 nm 단일파장에서 색도를 측정하였으며, 색도계를 이용하여 다중파장에서 측정한 색도 측정결과와 비교하였다.
- 실험을 위해 6개 취수장 원수, 한강·팔당호 지류천, 중랑 및 구리물재생센터 유입수와 방류수를 채취하였으며 색도계와 탁도-색도계를 이용하여 색도를 측정, 비교하였다.
- 색도 단위별 상관성을 검토하기 위해 조제된 백금-코발트(Pt-Co) 표준원액 500도(°)를 탈이온수에 단계별로 희석하여 1, 2, 3, 4, 5, 10, 20, 50, 100도(°)로 조제하였다.
대상 데이터
- 2011년 1월부터 12월까지 1년 동안 색도 측정을 위해 서울시 취수원수, 한강·팔당호 지류천, 중랑 및 구리물재생센터 유입수와 방류수를 채취하였다.
- 시료는 주요 색 유발물질이 휴믹물질로 예상되는 6개 취수장(팔당, 암사, 구의, 자양, 풍납, 강북) 원수를 채수하였으며, 다양한 유기·무기화학물질을 함유하여 색의 유발성분이 유기·무기화학물질일 것으로 예상되는 한강·팔당호 지류천인 왕숙천, 경안천 등 6지점에서 시료를 채취하였다.
- 색도 측정을 위해 서울시 6개 취수원수, 한강·팔당호 지류천, 중랑 및 구리물재생센터 유입수와 방류수를 채취하였다.
- 2 bar)으로 조정하여 여과하였다. 시료 채취 용기로는 산으로 헹군 호박 유리병 또는 빛 차단이 되는 플라스틱 용기를 사용하였다. 시료를 채취하기 전에 시료를 이용하여 채수 용기를 1~2회 헹구며 1,000 mL 정도의 시료를 채취하였다.
성능/효과
- 색은 그 자체가 상수도에서 심미적인 문제를 야기할 뿐만 아니라 물의 염소처리와 관련하여 잠정적으로 해로울 수 있는 유기성분의 존재를 나타낸다.1) 지표수나 지하수와 같은 자연수의 색은 주로 천연유기물질, 즉 수중의 휴믹물질에 기인하며 휴믹물질은 휴믹산과 펄빅산으로 구성된다.2,3) 하수나 산업폐수의 경우, 색도 발생의 주요 원인 물질은 자연수와 다르게 염료 색소, 타닌과 같이 색상을 띄는 유기·무기화학물질에서 기인하는 것으로 알려져 있다.
- 따라서 향후 국내·외 과학 학술분야의 색도 표시 등의 제약을 극복하기 위해서 우리나라의 색도 단위인 도(°)와 동일한 값으로 표시되는 국제단위인 TCU 및 H 단위를 공용하여 사용 가능함을 확인할 수 있었다.
- 진색도 측정에서 색의 주요 유발물질은 대부분 시료 중의 유기·무기화학물질에 기인하므로 시료의 수질인자 농도 변화는 색도에 상당한 영향을 미칠 것으로 예상되었다.
- 이에 색도에 영향을 미칠 것으로 예상되는 주요 수질인자와 색도 사이의 상관성 조사가 요구되었다. pH와 TOC는 시료의 유기물질 특성 변화에 영향을 주며 TDS는 분광광도계나 색도계처럼 분광학을 이용하는 기기분석에서 주요한 간섭물질로 작용하므로 색도 측정 시 영향을 미칠 것으로 예상되었다.
- 1,11) 따라서 우리나라 먹는물수질기준에서 색도의 수질기준이 5도(°) 이하이고 정량한계가 1도(°)임을 고려할 때, 비색법은 실제 먹는물 시료(수돗물, 먹는샘물 등)의 색도 측정에 적용이 불가능할 것으로 판단되며, 향후 1도(°)까지 측정이 가능한 분광학적 색도 측정방법으로 변경이 필요함을 확인할 수 있었다.
- 실험결과, Table 3에 나타낸 바와 같이 표준용액 5도(°)에 대해서는 동일한 색도 값을 나타냈지만 왕숙천과 경안천 시료에 대해서는 단일파장법이 다중파장법에 비해 낮은 색도 값을 나타냈다.
- 실험결과, Table 2에 나타낸 바와 같이 색도 색상성분이 없는 탈이온수로 조제한 표준용액 1, 3, 5, 7, 10, 20°에 대해 분광광도계, 탁도-색도계 및 색도계에서 모두 동일한 색도 값을 나타냄을 알 수 있었다. 그러나 Fig. 3과 같이 파장에 따라 흡광도 값이 서로 다르게 나타남을 알 수 있었으며 짧은 파장일수록 높은 흡광도 값을 갖는다는 것을 확인할 수 있었다.
- 실험결과, Table 5에 나타낸 바와 같이 유기·무기오염물질을 적게 함유하는 6개 취수장의 경우, 색상성분이 대부분 휴믹물질로 단일 및 다중파장법에서 동일한 색도 값을 나타냈다.
- 그러나 색상성분이 유기·무기화학물질인 지류천과 하수처리수의 경우, 서로 상이한 측정값을 나타냈으며 390 nm를 포함하여 35개 파장에서 색도를 측정하는 다중파장법이 더 적합한 측정방법이라 판단되었다.
- 6 변화할 때 색도는 6 H로 변화가 없었다. 따라서 시료의 pH 변화는 색도 값에 영향을 미치는 것으로 나타났으며 색도 측정시 pH는 황산이나 가성소다를 이용하여 pH를 5.0~10 범위로 조정한 후 측정해야 하는 것을 알 수 있었다.
- TOC 농도는 pH와 함께 시료 중 유기물질 특성 변화의 주요인자이며 색도와의 상관성을 실험한 결과, 아래 Fig. 6에 나타낸 바와 같이 시료의 TOC 농도가 증가하면 색도 값이 증가하는 것으로 나타났다. 즉, 2개의 수질인자 사이에는 상관계수가 0.
- 1) 색도 단위인 1도(°) = 1 TCU [CU] = 1 H로 색도 측정결과 표시의 제약을 극복하기 위해 국제단위인 TCU나 H로 변경, 사용이 가능한 것으로 나타났다.
- 2) 비색법 색도 측정의 경우, 5 TCU 이하의 색도는 측정이 불가능하므로 우리나라의 먹는물수질공정시험기준의 색도 수질기준과 정량한계를 고려할 때 1도(°)까지 측정이 가능한 분광학적방법으로 변경이 필요한 것으로 나타났다.
- 시료 중의 TDS 농도는 색도계와 같이 분광학을 이용하는 기기분석에 영향을 주므로 색도 측정 시 색도 변화와 TDS의 상관성 검토가 필요하다. 실험결과, Fig. 7에 나타낸 바와 같이 시료 중의 TDS, 즉 총용존성고형물이 증가하면 색도가 증가하는 것으로 나타났으며 이는 TDS내에 포함되어 있는 미량의 무기물질이 색도 측정 시 사용하는 빛(파장)의 흡수 및 산란에 영향을 주는 것으로 판단된다.
- 3) 단일파장법의 경우, 색도 성분이 천연유기물질(휴믹물질)인 지표수에는 적합하나 하수와 같이 색도 성분이 유기․ 무기화학물질에 기인할 경우, 색도측정이 불가능한 것으로 나타났다.
- 4) 수질오염공정시험기준에 색도 측정방법으로 규정된 다중파장법의 경우, 1개의 시료에 대해 수십 번의 측정과 복잡한 계산으로 실제 현장 적용에 어려움이 있는 것으로 나타났다.
- 5) 신속한 색도측정을 위해서는 다중파장법을 응용한 색도계를 사용하는 것이 보다 편리한 것으로 나타났으며 원수, 정수, 하수 등 다양한 시료에 적용이 가능한 가장 적합한 색도 측정방법으로 나타났다.
- 6) 수질인자와의 상관성 조사결과, 시료의 pH를 5~10으로 조정한 후 색도 측정을 실시해야 적합한 측정결과를 얻을 수 있는 것으로 나타났으며, 시료 중의 TOC와 TDS 농도는 색도와 유의한 상관성을 갖는 것으로 나타났다.
- 실험결과, Table 2에 나타낸 바와 같이 색도 색상성분이 없는 탈이온수로 조제한 표준용액 1, 3, 5, 7, 10, 20°에 대해 분광광도계, 탁도-색도계 및 색도계에서 모두 동일한 색도 값을 나타냄을 알 수 있었다.
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