[논문]자외선 형광반응을 이용한 오폐수 검출장치 개발

김병창

doi:10.14775/ksmpe.2020.19.12.028

[국내논문] 자외선 형광반응을 이용한 오폐수 검출장치 개발
Development of a Wastewater Detection System using UV Fluorescence Reaction 원문보기

한국기계가공학회지 = Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, v.19 no.12, 2020년, pp.28 - 33

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Oil-related products have provided many benefits to humanity, but are significant contributors to environmental pollution. As per the International Maritime Organization (IMO) requirements, in the future, all ships must be equipped with filtering equipment and 5ppm bilge alarms that can help remove or reduce oil products during wastewater treatment. In this study, a UV fluorescence measurement system that can detect the oil components in wastewater containing both water and oil was developed. When an excitation wavelength of 254nm was used to irradiate the wastewater, the amount of UV at a divergent wavelength of 360nm was measured to measure the contamination. Based on the measurement, it was concluded that this system is suitable for use as the 5ppm bilge alarm proposed by IMO.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

[1] . 본 연구는 다양한 미세입자 측정방식 중에 IMO 서 배출 규제 대상으로 지목한 석유 성분만을 선별적으로 측정할 수 있는 방법을 제안하며 상용화, 장비와의 비교측정을 통해 개발 장비의 측정정밀도를 검증하고자 한다.

가설 설정

1. IMO 규제에 따른 측정 장비로 활용 가능하다 5ppm .

제안 방법

시료에 함유된 이하의 극소량 페나트렌 성 5ppm분을 검출하기 위해서는 노이즈로부터 매우 미약한 신호를 확보하기 위한 방법이 제시되어야 한다. SNR(signal-to-noise)를 향상시키기 위해 측정 신호 (measurement signal)에서 기준신호(reference signal)를 차감하는 방법을 구현하였으며 이를 위해 개의, 2 광검출기를 사용하였다 개의 광검출기는 측정신. 1호를 획득하며 개의 광검출기은 측정 신호 없이 광, 1원으로부터 바로 획득된 신호를 검출하게 된다.
파장의 자외선에 의해 특정 물질이 형광 반응을 일으켜 빛을 방출할 때 방출된 광량을 측정함으로써, 측정 대상물질의 농도를 측정하는 방법이다 본 연 . 구에서는 가지 방법 중에서의 규제 대상이 3 IMO 되는 빌지 워터 내 농도를 선택적으로 검출할 PAH 수 있으며 검출 민감도가 높은 자외선 형광반응법, 을 채택하였다.
여기 파장 생성과 발산 파장 검출을 위해 위치와 ③ ⑦위치에 각각 와 의 광학식 필터를 삽 254nm 360nm 입함으로써 특정 파장의 광만 선택적으로 통과를 시켰다 광검출기에서 생성되는 전기신호의 양을. 측정하면 검출하고자 하는 페나트렌의 양을 알 수, 있게 된다.
사용된 광 필터는 FWHM(Full Width-Half Max)가 40nm로써 필터를 통과하는 광의 양을 충분히 확보하기 위해 비교적 넓은 대역폭을 선택하였다 유체. 유동에서 신호를 획득하기 위해서는 연속 광보다는 샘플링 신호를 활용하는 것이 유리하므로 펄스타, 입의 광원을 활용하였다.
시료의 농도가 시간에 따라 일. 정 변화가 예측되어 일 이상 안정화 시간을 두, 5 어 반복측정 시 농도변화 차이가 이상 ±0.1ppm 변하지 않을 때 측정을 수행하였다.
펄스 광원을 사용하여 획득한 신호의 경우 순간 피크 신호만을 검출해야 하므로 와 같이 원신 Fig. 5 호로부터 힐버트변환 (Raw Data) (Hilbert Transforma tion)[8] 및 피크검출법(Peak Detection) [9] 수행 후 일 정샘플신호의 평균을 추출하는 과정을 수행함으로써 시료에서 발생하는 형광 반응 신호를 결정하였다.

대상 데이터

3 Trios 제공하는 정적 기준시료 (static) (SolidCal-HC3)를 활용하였다 유동 시료의 경우 실제와 매우 유. (flowing) 사하나 부근의 정확한 기준 농도 확보가 매 5ppm 우 어렵기 때문에 검증된 정적샘플을 실험대상으로 채택하였다.
254nm 파장을 가진 광원을 구현하기 위해 모든 파장에서 고른 스펙트럼을 가진 제논 펄스 광원과 254nm 중심파장을 가진 광 필터를 활용하였다.
본 연구에서는 선박 오폐수에 포함된 다 환 방향족 탄화수소(PAH: Polycyclic Aromatic Hydrocarbon) 중 형광 반응의 특성이 뛰어난 페나트렌(Phenan threne) 성분을 검출대상으로 선정하였으며 해당 물, 질의 형광 반응을 검출하기 위해서는 여기파 254nm 장과 발산 파장이 요구된다. 360nm [7] .
사용된 광 필터는 FWHM(Full Width-Half Max)가 40nm로써 필터를 통과하는 광의 양을 충분히 확보하기 위해 비교적 넓은 대역폭을 선택하였다 유체. 유동에서 신호를 획득하기 위해서는 연속 광보다는 샘플링 신호를 활용하는 것이 유리하므로 펄스타, 입의 광원을 활용하였다.
신호획득을 위해와 같이 미국 Fig. 4 NI(National Instrument) 8회사의 채널 동시 신호획득이 가능한 USB-6356를 선택하였다.

데이터처리

개발된 측정시스템의 측정정밀도 검증을 위하여 독일 회사에서 제공하는 기준 장비 Trio EnviroFlu와 비교측정 실험을 수행하였다.

성능/효과

로 시료로부터 획득되는 신호는 와 같이 Fig. 6(b) 펄스 형태를 가지며 와 같이 형광 반응이 있을 때와 없을 때의 피크 신호가 변화하는 것을 확인할 수 있다.
2. 타 산업 분야로 확대하고자 할 경우 여기파장과, 발산 파장을 수정함으로써 농업 음식료 약학분 , , 석 분야에 활용이 가능하다.
3. 시료의 농도가 높을수록 이 증가하여 측 정정 SNR 밀도가 향상됨을 알 수 있다.
본 연구에서 개발된 오폐수 오염 측정 장치는 IMO 규제 강화에 따라 을 기준으로 이하와 5ppm 이상을 구분할 수 있는 것이 목적이기 때문에 Table 3의 측정 결과는 매우 우수하게 구분할 수 있음을 확인시키는 결과로 평가될 수 있다.

참고문헌 (9)

"PAH, Oil-in-water using UV fluorescence,"(2013) https://www.trios.de/en/enviroflu.html(accessed 16, oct., 2020)
Kim, H. D., "Theory and Application of Dynamic Light Scattering", Journal of Polymer Science and Technology, Vol. 1, No. 5, pp. 289-307, 1990.
Choi, S. H., Hwang, J.-W., Jung, B.-G., "Optical Characteristic Analysis of Bilge Water for Developing an Oil Content Meter," Journal of Advanced Marine Engieering and Technology, Vol. 25, No. 2, pp. 81-90, 2001.
Wicaksono, B., Kong, H., Markova, L., Han, J. G., "Application of fluorescence emission ratio technique for transformer oil monitoring" Measurement, Vol. 46, pp. 4161-4165, 2013.

상세보기
Park, H. J., Ahn, J. H., Hong, Y. J., Lee, J. H., Kim, S. H., "Development of the fluorescence measurement system for agricultural chemical residues," Proceedings of the Korean Society of Precision Engineering Conference, pp. 365-366, 2008.
Oh, S., Seo, D., Ann, K., Kim, J., Lee, M., Chun, T., & Seo, S., "Oil Fluorescence Spectrum Analysis for the Desgign of Fluorimeter," Jounal of the Korean Society for Marine Environment and Energy, Vol, 18, No. 4, pp. 304-309, 2015.

원문보기 상세보기
Kim, S. H., "Development of Measuring System on Wastewater concentration using UV Fluorescence Detection," A Thesis for a Master, Gyungnam University, Republic of Korea, 2019.
Benitez, D., Gaydecki, P. A., Zaidi, A., Fitzpatrick, A. P., "The use of the Hilbert transform in ECG signal analsys," Computers in Biology and Medicine, Vol. 31, pp. 399-406, 2019.

상세보기
Huang, K. C., Chang, C. L., Chang, H. C., Chang, C. H., "The pluse excitation of UV LED source for fluorescence detectiono," 2011 IEEE International Instrument and Measurement Technology Conference, pp. 10-12, 2011.

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