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신재생에너지실험 report (IC, TOC 분석)

IC에 의한 이온성분 분석 및 총 유기탄소 측정을 위한 TOC 분석1. 실험 일자 : 2025. 04. 17 (목)2. 실험 조 : 3조3. 실험 목적- Ion Chromatography(IC)를 이용하여 혐기소화 슬러지를 분석해 본다.- TOC를 이용하여 시료 내 총 유기탄소를 측정해 본다.4. 실험 원리1) Ion Chromatography (IC)이온성 화합물 및 무기 이온류 시료로부터 이온을 단일 성분으로 분리하고 감지한다. 시료가 용리액(액체 이동상)을 통해 이온교환수지=칼럼(고정상)을 통과할 때, 각 이온 간의 결합력(전자 친화도) 차이로 인해 이온교환 평형속도(분리, 용출 속도)가 다르다는 점을 이용하여 시료를 분리하는 방법이다. 음이온 분석의 경우, 이온교환수지(칼럼)가 positive charge(양전하)를 띄어 샘플의 음이온을 떼어내기 위한 counter ion(반대 전하=음전하)을 이동상에 사용한다.(1) IC 분석기기 구조- 외부 : 시료 주입부, 펌프(시료를 칼럼 내부로 이동), 용리액조(LiCl, H2SO4, 증류수)- 내부 : 분리칼럼, 서프레서, 검출기 -> 굉장히 가느다란 선들로 구성된다, 이들은 직경이 매우 작기 때문에 아주 작은 고형물이 들어가도 막힐 가능성이 매우 크다. 즉, 시료의 확실한 전처리가 중요하다. 특히, 칼럼은 시료 속 organic acid, 즉 VFA(휘발성 지방/유기산)을 분리하는 기능을 가지며, 칼럼에 따라 검출 가능한 이온 종류가 달라질 수 있다.(2) 측정 원리 : 칼럼(고정상) + 용리액(이동상) -> 이온 간의 결합력(전자 친화도) 차이이동상으로 액체를 그리고 고정상으로 이온교환수지를 사용하여 이온간의 결합력 (전자친화도) 차이로 이온을 분리한다. 칼럼에는 내벽에 양성자가 붙어있어, 시료가 이동하면서 시료 내 VFA가 각각의 성분(포름산, 아세트산, 프로피온산)의 양성자 이온이 없는 음이온 상태로 분리된다. 즉, 시료의 VFA 단일 성분(음이온)과 칼럼 내벽의 양성자 이온(H+)의 전기력에 의해 진, 수돗물 등 환경 시료, 의약품, 식품 등 다양한 분야에서 사용되며 전자 & 바이오 산업에서 세정상태를 확인하는 Cleaning validation을 위한 분석에 활용된다.(5) IC 간섭물질① 머무름 시간이 같은 물질이 존재할 경우, 컬럼 교체, 시료 희석 또는 용리액 조성을 바꾸어 방해를 줄일 수 있다.② 정제수, 유리 기구 및 기타 시료 주입 공정의 오염으로 베이스라인이 올라가 분석 대상 물질에 대한 양(+)의 오차를 만들거나 검출한계가 높아질 수 있다.③ 0.45 μm 이상의 입자를 포함하는 시료 또는 0.20 μm 이상의 입자를 포함하는 시약을 사용할 경우 반드시 여과하여 컬럼과 흐름 시스템의 손상을 방지해야 한다.2) Total Organic Carbon (TOC)시료 내의 총 탄소(TC)는 총 유기탄소(TOC)와 총 무기탄소(TIC)의 합인데 여기서 총 유기탄소(TOC)를 측정하는 방법은 대표적으로 TC-IC 가감법과 NPOC 직접 측정법이 있다.(1) TC-IC 가감법 : 포도당 및 중탄산나트륨의 연소 및 가열을 통한 이산화탄소의 양을 정량하는 방법으로, 고온 연소 산화법으로 고농도의 TOC 시료를 측정할 때 사용한다. 수백 ppm 농도 이상일 때 적용되며, 먼저 TC를 측정한 후 TIC를 측정하여 뺀 후, TOC 농도 값을 계산한다.① 고온가열 및 산화 반응을 통한 TC 측정 : 시료 내 모든 탄소는 산소를 공급해주면서 고온 가열하여 산화시키면, 모두 이산화탄소로 전환된다. TC = 포도당(TOC) + 중탄산나트륨(TIC) 시료(TOC) : C6H12O6 + 6O2 -> 6CO2 + 6H2O (발생하는 CO2 양, NDIR 측정)(TIC) : 4NaHCO3 + O2 -> 2Na2CO3 + 3CO2 + 2H2O (발생하는 CO2 양, NDIR 측정)② pH를 낮춰 TIC 측정 : 무기탄소인 NaHCO3이 물에 녹으면, Na+ + CO32-으로 분해되는데, 이때 용액 내 pH에 따라 형태가 달라진다. -> H2CO3(산성), HCO3-(중성), 플라스크에 넣어 1400mg-NaHCO3/L을 제조:-> 이 용액 10mL를 100mL 플라스크에 mass up 하여 10배 희석시켜 최종 미지시료 제조6. 실험 방법1) IC를 이용한 이온성분 분석① IC pump와 Peristaltic pump 전원을 켠다.② Control 버튼 → Startup hardware (baseline)을 누른 후 약 35분간 안정화시킨다.③ 안정화가 되면 Start determination을 눌러 분석할 시료의 파일명을 작성한다.④ 주사기는 3차 증류수에 2 ~ 3번 세척한 후 사용하며,시료를 0.5 mL정도 취한 후 버리고 다시 같은 양을 취한다.⑤ OK 버튼을 누른 후 시료를 주입한다.2) TOC를 이용한 총 유기탄소 측정① 가스 밸브를 연다. ( Pressure: 200 Pa, Flow: 130 ml/min 확인)② Background monitor 버튼을 눌러 oven 온도가 680 ℃ 이상이 되었는지 확인한다.③ 그 외 Dehumid, noise 등이 ok로 되었는지 확인한다.(분석 전 기기를 미리 30분정도 전에 켜놓은 상태에서 안정화가 될 때까지 기다린다.)④ 3차 증류수는 기기 분석 전 항상 새로 교체해준다.⑤ 주어진 시료를 적절한 농도로 희석하고, measure sample 버튼을 누른다.⑥ 저장시켜 놓은 Standard 번호를 입력하여 선택하고, next 버튼을 누른다.⑦ 샘플링 튜브가 시료에 잘 잠기도록 하고, start 버튼을 눌러 측정을 시작한다.⑧ 15분 ~ 20분 분석이 끝난 뒤 출력되는 chart paper를 확인한다.7. 실험 결과1) IC를 이용한 이온성분 분석 결과 - 혐기소화 슬러지AcetatePropionateIsobutyrateButyrateIC 측정 값(mM)9.0533.4670.233- 0.3902) TOC를 이용한 무기탄소 측정 결과 - NaHCO3TOC 측정 값희석배수최종 농도 값TIC20.89 mg-C/L10208.9 mg-C/L* 오차율 :8. 고찰1) IC를 이용한 혐기소화온(C 갯수, 분자량↓) 또는 전자 친화도가 작은 물질일수록 컬럼과의 결합력이 작아 먼저 분리되고, 큰 음이온(C 갯수, 분자량↑) 또는 전자 친화도가 큰 물질은 나중에 용리된다. 용리 순서는 Acetate, Isobutyrate, Propionate, Butyrate 인데, 각 탄소 갯수는 2, 4, 3, 4로 가장 간단한 구조인 Acetate가 가장 먼저 분리된 것은 적합하지만, Isobutyrate의 용리 순서가 부적합해 보였다. 탄소 갯수 외에도 IC를 통한 분리 속도는 이온의 구조나 수화 반경, 전하 크기 등에 영향을 받는다. 검출된 성분 모두 전하의 크기는 같으므로, 이온 구조로 인한 영향이 상대적으로 클 것으로 추측했다. 즉, Butyrate의 이성질체인 Isobutyrate가 Butyrate 전후에 검출되지 않은 것으로 보아, Isobutyrate는 Propionate와 구조가 비슷하거나 분리에 더 유리한 다른 구조를 가질 것이다.조사한 결과, Isobutyrate는 가지형이고, Propionate와 Butyrate는 직선형 구조인 것으로 보아 가지형 구조가 직선형 구조보다 컬럼과의 상호작용(결합력)이 적어 더 빨리 분리될 수 있었다. 즉, 탄소 갯수로 인한 결합력의 차이보다 구조 종류에 따른 결합력의 차이가 IC에 따른 분리 속도에 영향이 크다. 따라서, 가지형 4탄소(Isobutyrate), 직선형 3탄소(propionate), 직선형 4탄소(butyrate) 순으로 분리된 것이다.(2) 시료의 혐기성 소화 특징 : Acetate는 산 생성단계에서 생성된 VFA인 아세트산이나 다른 VFA에서 변환되는 경우를 모두 포함하면 메탄 생성 단계 전에서 IC로 분석한 슬러지 내에서 검출된 성분 중 가장 높은 농도를 보일 것이다. 만약, 메탄 생성 단계가 시작되거나 진행된 경우라면 Acetate가 직접 메탄으로 분해되며 메탄 생성에 70% 정도로 크게 기여한다는 점에서 적은 농도를 보였을 것이다. Propionate는 최종적으로 acetate로 전환되기의 분해 정도에 따른 농도 분포가 맞아 떨어지므로 두 VFA 모두 축적되었을 가능성이 크다. 일반적으로 산 생성단계 > 메탄 생성단계인 경우인데, 공통 원인은 유기물 부하가 높고, 메탄균 활성이 낮거나 억제되어 있으며, 그 결과 VFA가 제대로 소비되지 않고 축적되고 있음을 뜻한다.(3) 피크 겹침 현상 : isobutyrate와 propionate의 구조 및 전하 밀도가 칼럼과의 상호작용 면에서 매우 비슷하여 분리 시간이 매우 인접하여 피크가 명확하게 분리되지 않았을 가능성이 크다. 여기에 isobutyrate의 농도가 매우 낮아 처음에 그 값이 검출되지 않아 보정했는데, 값이 측정된 butyrate와 달리 분리가 잘 되지 않고 되려다 뒤의 피크에 묻혀서 값도 검출되지 않은 상태였던 것 같다.(4) 음의값 검출 현상 : acetate로 분해가 쉬운 butyrate의 양이 매우 적어서 baseline보다 낮은 값이라 이를 보정한 값이 음수가 나오게 된 가능성이 크다. 또한 분해는 쉽지만 고분자에 직선형의 구조라 분리되기는 어려웠어서, 다른 물질과 겹치거나 잡음에 묻혀 피크가 정확히 검출되지 않았을 것이다. 또한, IC 분석은 표준용액을 기반으로 기기 내에서 검량선을 작성하여 시료 성분의 면적을 농도로 자동 환산해주는데, butyrate의 피크 면적이 검량선의 정량 범위보다 낮은 값이었다면 그 계산 과정에서 음수 값이 나타날 수도 있다.2) TOC 측정법을 이용한 NaHCO3의 TIC 측정TOC를 TC-IC 가감법을 통해 측정하는 실험에서, 임의로 무기탄소만 포함된 미지시료의 TIC만 측정하였다. 제조한 미지시료는 200mg-C/L 가 포함된 1400mg-NaHCO3/L를 10배 희석한 140mg-NaHCO3 였으며, 최종적으로 TIC=208.9mg-C/L가 측정되어 약 4.45%의 미미한 오차율을 보였다. TOC를 측정한 게 아니라, 정확한 오차 원인을 알기는 어렵고, TIC 측정값이 오히려 과대평가되었으므로, 측정이 덜 되진 않았다고 추측했다. 또한, 하나의23.

자연과학| 2025.11.10| 8페이지| 2,000원| 조회(48)

TOC, 환경공학, ic, 신재생에너지, 이온 크로마토그래피, 이온 성분, 총 유기..

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신재생에너지실험 report (GC/검지관 가스분석)

GC 및 검지관에 의한 가스분석1. 실험 일자 : 2025. 04. 10 (목)2. 실험 조 : 3조3. 실험 목적- Gas Chromatography (GC)를 이용하여 미지시료(가스상 물질)를 분석해 본다.- 검지관을 이용하여 실내외 CO2 농도를 측정해 본다.4. 실험 원리1) Gas Chromatography (GC)복잡한 혼합물을 구성하는 매우 유사한 성분들을 분리하여 확인 및 정량하는 “크로마토그래피” 종류 중, 기체 상태의 이동상과 고체 또는 액체 상태의 고정상을 사용하는 방법이다. 시료의 휘발성 및 열적 안정성이 필수이며, 고정상의 상태와 종류에 따라 분리할 수 있는 성분들이 달라지며, 시료 회수가 거의 불가능하고 고감도의 검출이 가능하다는 특징이 있다. 시료주입구에 시료를 주입하면, 시료 속 성분들은 열분해 없이 가열에 의해 기화되어 기체상태로 불활성기체인 이동상과 함께 칼럼으로 이동되어 충전제(고정상)와의 접촉하여 흡착 또는 분배되며 각 성분의 이동하는 속도 차이로 인해 순서대로 분리된다. 시료 성분 중 정지상(충전제)에 잘 흡착될수록 이동상(기체)에 의해 잘 이동되지 않아 천천히 움직이기 때문에 느리게 분리 및 검출된다.GC에는 고정상이 각각 액체와 고체인 GLC와 GSC가 있다. 분배현상을 통해 분리하는 GLC는 액상의 고정상을 지지하기 위해 담체에 액상물질을 얇게 도포하여 사용하고 상온에서의 상태가 고체라도 분석온도에서는 액체 상태로 되어야 한다. 반면에 흡착현상을 통해 분리하는 GSC는 고정상에 흡착되는 정도에 따라 분리되며 silicagel, molecular sieve 및 charcoal 등이 많이 이용된다. 보통 GLC가 많이 활용된다. 구성은 운반기체 조절부, 시료 주입부, 칼럼, 검출기로 되어있다.(1) 운반 기체 조절부(공급기) : 운반 기체를 공급하며 그 유속을 일정하게 하는 장치이다. GC에서 이동상 기체, 즉 운반 기체는 시료 분자나 고정상에 대하여 화학적으로 반응하지 않는 비활성인 불활성 기체여야 한다. 운반 기체는 약간 높은 온도를 유지하면 용리 시간이 적절하게 된다. 일반적으로 최적의 분해능은 최저 온도와 연관되어 있으나 낮은 온도에서는 용리 시간이 길어지고 결국 분석을 완료하는 데 시간이 길어진다.(4) 검출기 : 컬럼에서 나오는 각각의 기체 성분을 검출하여 전기적인 신호로 변환하여 정량하는 장치이다. 불꽃 이온화 검출기(FID), 열전도도 검출기(TCD), 전자 포획 검출기(ECD), 열이온 검출기(TID), Hall 전해질 전도도 검출기, 광이온화 검출기, 원자 방출 검출기(AED), 불꽃 광도 검출기(FPD), 질량 분석 검출기(GC/MS) 등이 있다. 본 실험에서는 TCD를 사용했다. TCD는 전력이 일정한 상태에서 주변 기체의 열전도도에 따라 온도가 달라지는 전기 가열 장치를 가지고 있다. 가열되는 부분 장치의 더미스터의 전기 저항은 기체의 열전도도에 따라 달라진다. 필라멘트를 이용하여 그 위에 분석물질 기체와 기준 기체(운반 기체)가 번갈아 가며 통과하게 되어 있다.수소와 헬륨은 특히 열전도도가 대부분의 유기 화합물보다 대략 6~10배 정도 더 커서 강한 피크로 빠르게 검출된다. TCD의 장점은 장치가 간단하고, 선형 감응 범위가 크며, 유기 및 무기 화학종 모두에 감응을 하고, 용질이 파괴되지 않는 장점이 있지만 감도가 비교적 낮은 것이 단점이다. 따라서, 매우 적은 양의 시료를 다루는 모세관 컬럼을 사용할 때에는 이용하지 않는다.2) 검지관 및 기체 채취기검지관이란, 분석하고자 하는 기체에 반응해 변색하는 입자상의 검지제를 일정 내경의 유리관에 충전해 양 끝 부분을 용봉하고 그 유리관의 표면에 농도 눈금을 표시한 것이다. 충전하는 검지제는 건조제 등에 사용되는 실리카겔이나 알루미나 등의 입체에 시약을 코팅한다. 코팅하는 시약은 측정대상 기체에만 반응하며 선명한 변색을 나타내고 장시간에 걸쳐 안정된 것이다. 간단한 조작으로 누구가 단시간에 쉽게 측정이 가능하며, 흡입량을 조정하여 폭넓은 측정 범위를 가진다.기체 채취기는 피스톤의 원리를 사용해 검지관 내D 2STD 3미지시료적분값(mV*sec)5922.489014566.310027112.42005390.9695농도(%)2050100171) GC를 이용한 가스분석 결과 - H2* 오차율 :CH4STD 1STD 2STD 3미지시료적분값(mV*sec)1990.40004976.750011710.00004238.9555농도(%)2050100402) GC를 이용한 가스분석 결과 - CH4* 오차율 :3) 검지관을 이용한 실내외 이산화탄소 농도측정 결과- 순서대로 실내 1, 실내 2, 실외 측정 결과실내 1실내 2실외CO2 농도800 ppm670 ppm460 ppm0.08 %0.07%0.05%(1) 실내 평균 측정값 : 735 ppm, 0.074% / 실내 이론값 : 643 ppm* 오차율 :(2) 실외 이론값 : 420 ppm (가정)* 오차율 :8. 고찰1) 미지시료(H2 + CH4) 분석GC 분석기기는 YL6500-GC기기를 사용한 GSC(유추) 방법으로 이동상은 아르곤(Ar) 가스를 고정상은 충전 칼럼 내 고체 지지체인 다공성 고체, molecular sieve(유추)를 사용했다. 시료 주입구의 온도를 200℃, 유속 20mL/min, 오븐 온도는 50℃로 설정했으며 TCD 검출기를 통해 성분을 정량했다. 일반적으로, 분자체(molecular sieve)는 미세한 다공성 터널과 같은 구조를 가지고 있어 크기에 따라 작은 분자를 선택적으로 분리하는 인공적으로 제조된 제올라이트로 정의되며, 분자량이 작은 무기 가스나 탄화수소를 분리하는 데 사용된다. 내부 기공 표면에서 발생하는 흡착 강도에 따라 기공에 들어갈 수 없는 분자는 표면적이 훨씬 작은 외부 표면에만 흡착되므로 더 빨리 용출(분리)되는 원리이다. 보통 시료 중 가스(H2, O2, N2, CH4, CO) 성분 분리 시 사용되지만, 이산화탄소의 경우 극성을 띠므로 흡착력이 너무 강하여 분리 시간이 너무 길어지므로 본 실험에서는 분석하지 않았다. 즉, 본 실험의 목적과 세팅에 가장 부합하는 고정상은 분자체로 유추해이므로, 피크가 분리되지 않고 겹칠 가능성이 높다. 하지만, TCD는 검출기일 뿐, 실제 분리는 칼럼 내에서 시간 차대로(순서대로) 이루어지므로, 질소와 산소의 고정상에 흡착되는 정도가 매우 비슷해야 피크가 겹칠 수 있다.머무름 시간은 GC 결과상 적은(빠른) 순서대로 수소 > 산소(질소) > 메탄 인데, 수소는 분자량이 매우 작고 비극성이어서 컬럼 고정상에 외부 흡착되지 않고 매우 빠르게 1분만에 통과하고 메탄은 상대적으로 큰 분자로 극성은 거의 없지만 외부 흡착되어 이동 경로 제한으로 컬럼 통과 시간이 가장 늦다. 여기서 산소와 질소의 경우 분자 크기도 비슷하고 비극성에 모양도 직선형으로 비슷하기 때문에 동시에 분리될 가능성이 있다. 또한, 검출된 농도가 산소 하나라기엔 43%라는 꽤 큰 비율이 나왔으므로, 질소가 함께 포함됐을 가능성이 크다. 따라서, 고정상인 분자체의 특성상, 기체 분자 크기 외에 형태에 따라 흡착 정도가 달라지는데, 산소/질소보다는 메탄이 기공 크기와 잘 맞아 들어가면서 통과되거나 일시적으로 흡착되는 반면, 산소/질소는 더 작은 직선형 분자로 흡착이 덜하고 기공에 통과되어 먼저 분리된 것이다.이러한 산소/질소가 혼입되어 검출된 이유로는 다음과 같이 예측할 수 있다.- 단순히 시료 주입 또는 제조 시 공기와 접촉하여 공기 중 가장 조성 비율이 높은 질소와 산소가 가스 주입 전 밸브 내에 잔류해있었거나, 시료를 주입하거나 연결할 때 밀폐가 느슨하거나 진공 배기 과정이 미흡했다.- 기기 장치 중 누설이 있을 경우, 실험 중에 공기가 서서히 유입되어 TCD에서 소량의 기체에도 민감하게 반응하여 피크로 나타났다.- 테들러 백에 이전에 공기를 접촉한 상태에서 재사용되었거나 속의 기체가 완전히 제거되지 않았다. 피팅이 헐겁거나 튜브가 불완전하게 연결되었을 경우 주변 공기가 소량 유입되었다. 테들러는 수 시간~수일 방치 시 극미량의 공기 성분이 침투할 수 있어 특히 작은 분자인 산소/질소는 확산이 쉽다. 실제 논문에 의하면 테들러 백에 완전한 순수 산화탄소가 대기 중에 축적되기 좋은 환경이다. 따라서, 실외보다는 비교적 높은 농도로 측정되었을 것이다. 또한 실내 측정값의 오차율이 실외보다 컸는데, 이는 실외보다 실내의 이산화탄소의 거동이 인원수 및 유동인구수에 따라 불안정하고 같은 곳에서 두 번 측정하다보니 두번째로 측정한 이산화탄소의 농도가 더 낮아졌기 때문이다. 첫번째 측정한 후 거의 바로 똑같은 위치에서 측정했는데, 직전에 기체채취기를 통해 흡인한 이산화탄소의 양만큼 그 위치에 이산화탄소가 적어졌을 것이다. 또한, 첫번째 변색된 범위를 보기 위해 종이를 움직여 환기되는 느낌으로 흔들었기 때문에 잠시 이산화탄소가 날라갔다고 예상해 볼 수도 있다.실내/외 이산화탄소의 이론값은 단지 유추해본 것이기 때문에, 오차 원인을 명확히 밝힐 수는 없으나 실험자의 판단 차이로 인해 발생되는 ‘개인 오차’로 오차율이 생겼다고 볼 수 있다. ‘개인 오차’란 명확한 값과 확인할 수 있는 원인을 가지며 똑같은 방법으로 반복 측정했을 때 같은 크기를 나타내는 오차인 계통 오차의 한 종류로 지시 바늘의 위치, 용액의 색 변화, 액체의 위치, 상대적 세기 등의 판단 시 수반된다. 위 실험에서는 검지제의 색 변화가 매우 옅어진 범위 내에서 어디까지를 농도로 판단할지 그 기준에 따라 달라질 수 있는데, 우리 조는 옅어진 범위 끝까지 최대한으로 보았다. 하지만, 실제 검지관을 제조한 회사의 설명서에 따르면, 검지관 내 옅게 변색된 부분의 끝 경계가 선명하게 변색되지 않은 경우, 그 범위의 중간 눈금을 읽어야 했다. 이를 고려하면, 측정 결과값은 실내 평균 620 ppm, 실외는 400ppm 정도로 추정됐다. 즉, 오차율은 보다 적어졌으며, 실험이 비교적 정밀하고 정확하게 수행되었다.9. 참고문헌1) Douglas A.Skoog, F.James Holler, Stanley R.Crouch, 「스쿠그의 기기분석의 이해」, CENGAGE, 2013, p. 672~690, 695~7122) 영인크로매스(주), YL6500-GC 기기 설명 42.

사회과학| 2025.11.10| 9페이지| 2,000원| 조회(38)

환경공학, 이산화탄소, co2, 검지관, GC, 신재생에너지, 가스분석, 신재생에너지..

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신재생에너지실험 report (환경시료 키트분석)

환경시료 자동분석 Kit에 의한 시료 중의 COD-M, NH3-N, NO3-N, PO4-P 분석1. 실험 일자 : 2025. 03. 20 (목)2. 실험 조 : 3조3. 실험 목적- 분석 Kit를 이용하여 미지시료 내 COD, PO4-P, NO3-N, NH3-N을 분석한다.4. 실험 원리1) COD(화학적 산소 요구량)물속의 유기물 및 환원성 무기물질인 아질산염, 제1철염, 황화물 등은 물속에 녹아있는 산소를 소비하는 데, 이런 유기물질이 들어 있는 물에 과망간산칼륨이나 중크롬산칼륨 등의 강력한 산화제를 넣으면 유기물질이 분해 및 산화된다. 이때 소모된 산화제의 양에 상당하는 산소의 양을 mg/L 또는 ppm으로 나타낸 것이 COD 값이다. COD는 산업 폐수, 해수, 하천과 호소의 유기물질 함유량을 나타내는 지표로, 값이 작을수록 수질이 좋음을 의미한다. COD를 측정하는 방법에는 사용하는 산화제에 따라 두 가지로 나뉘는데, CODMn법은 저농도에서, CODCr법은 고농도(침출수)에서 정확하고 재현성이 높은 특징이 있다.(1) CODMn : 우리나라와 일본이 사용하는 방법으로, 산화제로 KMnO4을 사용하며, 상대적으로 난분해성 물질 등을 산화하는 능력이 낮아 전체 유기물 중 30~60% 정도 산화분해하여 전체 유기물질을 측정하지 못하는 한계가 있다.(2) CODCr : 전 세계적으로 사용하는 방법으로, K2Cr2O7이 KMnO4보다 강력한 산화제이므로 CODMn보다 많은 종류의 유기물을 산화분해하고 산화율도 크다. 일반적으로 유기물이 80∼90% 분해되지만 유기물 구조에 따라서 직쇄지방족 화합물, 방향족 탄화수소, 피리딘 등의 환상 질소화합물은 거의 분해되지 않는다.2) PO4-P(인산염인)총인은 하천이나 호소 등의 부영양화를 나타내는 지표의 하나로 물속에 포함된 인의 총량을 말한다. 주로 무기 인산염(PO43-)과 용존 인산염(유기 인산염) 두 가지로 나뉜다. 무기 인산염(인산염인)은 해양과 물 생태계의 퇴적토에 존재하며 크지만 천천히 순환된다. 유기 인작으로 초보자도 쉽게 분석할 수 있다. 공정시험법에 비해 분석 시간이 최대 10배 이상 빠르게 분석할 수 있으며, 표준시료 분석 시 Data 편차 ±3% 미만, R²=0.99 이상이다.(1) 장점- 표준용액을 만들 필요가 없다. -> 증류수를 이용한 Blank 시료를 제조해 영점을 맞춰 분광광도계 내 standard curve를 작성 및 미지시료 속 분석 물질의 농도까지 계산하는 기능이 포함되어 있기 때문이다.- 분석이 신속하고 간편하다. -> 미리 조제된 키트를 이용하므로, 분석 조작이 단순, 간단하여 분석 초보자도 쉽게 분석할 수 있다. 또한, 시료의 희석을 최소화할 수 있기 때문이다.- 환경 친화적이다. -> 기존의 분석방법은 다량의 시료와 맹독성 시약을 사용하여 결과적으로 수질오염이 되는 폐액이 다량 발생하지만 본 기술의 경우 이러한 폐액 발생량을 80% 이상 줄일 수 있다.(2) 단점- 실험에 대한 정확도가 낮다. -> “휴마스”라는 특정 회사에서 제조한 키트여서 회사가 사용한 시약 및 방법에 따라 정확도가 차이가 날 수 있기 때문이다.5. 시약 및 시료- 미지시료 1번 : PO4-P (30 mg/L) + NO3-N (40 mg/L) + NH3-N (80 mg/L) 인 용액 500 mL- 미지시료 2번 : 포도당(C6H12O6) 4g/L -> COD 측정용 시료* 미지시료 1번에 필요한 시약량 및 정량범위에 맞는 희석배수① KH2PO4 : 0.0658 g-- 1 mg/L < 30/5=6mg/L < 15 mg/L => 5배 희석한다고 가정하면,② NaNO3 : 0.1214 g-- 0.5 mg/L < 40/5=8mg/L < 30 mg/L => 5배 희석한다고 가정하면,③ NH4Cl : 0.1528 g- 2 mg/L < 80/5=16mg/L < 60 mg/L => 5배 희석한다고 가정하면,* 미지시료 2번 시료의 정량범위에 맞는 희석배수 : 4배-180g : 632g4g/L : X g/L -> 180 g : 192 g = 4000 mg/L : X mg/L )-H )에 증류수 0.5 ml를 주입하여 Blank test용 kit를 준비한다.② 시료를 정밀한 피펫으로 0.5 ml 취하여 kit ( HS-NH3 (N)-H )에 주입한다.③ HS-NH3 (N)-H Soultion 1을 각각 4방울씩 주입한다.④ 마개를 닫은 후 상/하로 10회 서서히 흔들어 혼합한다.⑤ HS-NH3 (N)-H Solution 2를 각각 1 ml 주입한 후, 마개를 닫고 상/하로 10회 서서히흔들어 혼합한다.⑥ kit ( HS-NH3 (N)-H )를 3분간 방치하고, 측정에 들어간다.7. 실험 결과1) 각 분석항목의 kit 결과값(평균) 및 최종값분석항목정량범위Kit 결과값희석배수최종 농도값COD-M50 ~ 1500 mg/L976.698 mg-COD/L43906.792 mg-COD/LPO4-P1 ~ 15 mg/L5.701 mg-P/L528.505 mg-P/LNO3-N0.5 ~ 30 mg/L6.464 mg-N/L532.320 mg-N/LNH3-N2 ~ 60 mg/L14.533 mg-N/L572.665 mg-N/L- 로 계산함.2) 각 분석항목의 이론값 및 오차율 계산분석항목최종 농도값이론 농도값오차율(%)COD-M3906.792 mg-COD/L4268 mg-COD/L8.5PO4-P28.505 mg-P/L30 mg-P/L5.0NO3-N32.320 mg-N/L40 mg-N/L19.2NH3-N72.665 mg-N/L80 mg-N/L9.2----8. 고찰1) COD-MR 키트 분석원리(1) 분석법 : CODCr (중크롬산칼륨 산화법)150도의 고온 상태에서 산화력이 비교적 강한 중크롬산칼륨(K₂Cr₂O₇)을 이용해 시료 내의 유기물(C6H12O6)을 산화시킨 후, 소비된 중크롬산칼륨의 양을 측정해 총 소모된 산소량, 즉 CODCr을 분석한다. 유기물이 완전히 산화되면서 아래 반응식에 따라 중크롬산 이온(Cr₂O₇²⁻, 주황색)이 크롬(III) 이온(Cr³⁺, 녹색)으로 환원된다. COD 값은 이 반응에서 소비된 중크롬산 이온의 양을 기준으로 계산되인산염인 측정법인 아스코르빈산법과 염화제일주석법과 다르게 따로 환원제가 필요하지 않다. 아래와 같은 반응식을 통해 합성된 인산몰리브덴산의 농도에 비례하는 흡광도를 측정하여 그 농도를 구한다.* 몰리브덴산암모늄이 해리되어 몰리브덴산 이온(MoO₄²⁻)이 생성 (황산이 포함된 조건)(NH4)6Mo7O24 + H2O → 7MoO42− + 6NH4+* 인산염과 몰리브덴산이 결합하여 황색 착화합물(인산몰리브덴산) 형성 (산성 조건)PO43− + 12MoO42− + 27H+ → H3PMo12O40 + 12H2O(2) 키트 시약과 역할- 황산(H₂SO₄) : 강한 산성 환경을 조성하여 인산염(PO₄³⁻)과 몰리브덴산암모늄이 반응하도록 하며, 몰리브덴산암모늄이 용해되면서 활성화된 몰리브덴 이온(MoO₄²⁻)을 형성하도록 돕는다.- 사수화 파라-몰리브덴산 암모늄( (NH₄)₆Mo₇O₂₄·4H₂O ) : 여기서 분리된 몰리브덴산 이온은 인산염(PO₄³⁻)과 반응하여 황색의 착화합물을 인산몰리브덴산(H₃PMo₁₂O₄₀)을 생성하게 한다.- 물 : 반응 용매 역할로, 시약을 희석하고 균질한 반응을 유도하고 인산염이 잘 용해되어 몰리브덴산과 반응할 수 있도록 돕는다.(3) 오차 원인실험 결과의 오차율은 약 5.0% 로 이론값과 비교적 비슷하면서 적게 측정됐다. 몰리브덴 황산법 자체가 환원제도 필요 없고 오직 인산염과 몰리브덴산 이온 간의 합성 반응만 잘 진행되면 되기 때문에 실험법 및 반응 기작의 단순함으로 인해 오차율이 적게 나온 것 같다. 추가로 오차 원인을 굳이 생각해보자면, 실험자의 판단에 수반한 개인 오차나 시약과 분석물 간의 반응이 완벽히 이루어지지 않은 방법 오차 또는 측정한 반복값들에 대한 우발 오차 등의 단순한 원인 등이 있겠다.3) NO3 (N)-CA 키트 분석원리(1) 분석법 : 크로모트로핀산법강한 산성 조건하에서 질산염(NO3-)이 크로모트로핀산과 반응하여 노란색 화합물을 형성하는데, 이 노란색 화합물을 410nm 파장으로 측정하여 이에 비례하는 질산염의 농도를. 환경 독성의 우려가 있는 수은시약의 폐액 처리 문제 때문에 표준방법에서 삭제되었다. 암모니아(NH3)가 강알칼리 조건하에서 네슬러 시약(K2HgI4)과 반응하여 노란색 또는 갈색의 착화합물을 형성한다. 이 착화합물의 농도는 시료에 존재하는 암모니아 농도에 비례하기 때문에 이를 흡광도 측정을 통해 암모니아성 질소를 정량한다.* NH₃ + 2K2HgI4 + 3KOH → Hg₂OI(NH₂) + 7KI + 2H2O(2) 키트 시약과 역할- 구연산 나트륨(Sodium citrate) : 시료 용액 속의 이온 및 경도에 의한 간섭을 억제한다.- 타르타르산 나트륨 칼륨, 테트라수화물 : 반응이 강알칼리성 환경에서 진행되도록 pH 안정화를 위한 완충제 역할을 한다. 철, 칼슘, 마그네슘 등의 작용을 억제하기도 한다.- (Solution 1) : 폴리비닐 알코올(PVA), 분산제로 작용하여 반응에서 발색 정도를 향상시킨다.- (Solution 2) : 요오드화 수은 + 수산화나트륨 + 요오드화 칼륨 + 물=> (요오드화 수은 + 요오드화 칼륨)은 수산화칼륨 수용액에 용해되어 네슬러 시약으로 작용한다. 수산화나트륨은 용액을 강알칼리성으로 만들어 반응 환경을 조성하는 데 기여한다.(3) 오차 원인실험 결과의 오차율은 약 9.2% 로 이론값보다 적게 측정됐다. 논문을 참고하면, 잔류 염소의 산화 작용으로 인한 발색 반응 방해, 염화 이온의 침전 형성과 경도 이온의 혼탁 가능성을 구연산 나트륨 및 타르타르산 나트륨 칼륨 시약이 억제한다. 실제로 이들의 작용으로 인해 실험 결과의 정확도 및 흡광도가 향상되었다. 하지만, 유일하게 철 이온에 대한 이들의 억제 효과가 부분적으로만 작용하여 오차를 발생시켰을 것이다. 키트 시약상 철 이온을 발생시킬 만한 물질이 없으므로, NH4Cl에서 해리된 염화 이온이 수은과 반응하여 침전물 또는 수용성 착이온을 형성한 원인이 더 타당하다고 본다. 원래는 침전물 방해를 억제하기 위해 “미네랄 안정제”도 넣어주는데 이 키트에는 포함이 되지 않았기

자연과학| 2025.11.10| 10페이지| 2,000원| 조회(67)

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신재생에너지실험 report (폐기물의 기본성분 분석)

폐기물의 기본성분 분석 - 함수율(MC)의 측정 및 조정, 고형물(TS)의 성상 분석, pH 측정1. 실험 일자 : 2025. 03. 13 (목)2. 실험 조 : 3조3. 실험 목적- 미지시료의 함수율(MC)을 측정해 본다.- 수분을 제외한 고형물(TS)의 성상(FS, VS)을 분석해 본다.- pH meter의 보정 및 사용법을 익히고, 미지시료의 pH를 측정해 본다.4. 실험 원리1) 고형물불순물이 혼입된 물을 가열하여 수분을 증발시켰을 때 남는 잔류물을 뜻하여 농도 단위로 (mg/L)를 사용한다. 물 속에 고형물이 많이 존재하게 되면 고형물이 바닥에 침전 퇴적되어 저층이 혐기성 상태로 전환되어 이차적인 오염물질을 수중으로 용출시킬 수 있다. 음용수 내 고형물은 용존성 물질로서 맛을 내고 심미적인 불쾌함을 유발하며, 유기물질이 많은 물은 공업용수로 적당하지 않다. 우리나라의 음용수의 총고형물(증발잔류물) 기준은 500mg/L를 넘지 않는 것이다. 오염된 물의 고형물 농도는 오염의 정도를 나타내는 지표로, 하폐수처리시설의 설계나 운전의 중요한 자료로 사용된다.2) 고형물의 분류• TS : Total Solids (총 고형물질, 증발잔류물질)• FS : Fixed Solids (강열 잔류 고형물, 강열/작열 잔류물)• VS : Volatile Solids (휘발성 고형물, 강열/작열 감량)• TSS : Total Suspended Solids (총 부유물질)• FSS : Fixed Suspended Solids (강열 잔류 부유물, 작열 잔류 부유물)• VSS : Volatile Suspended Solids (휘발성 부유물)• TDS : Total Dissolved Solids (총 용존고형물)• FDS : Fixed Dissolved Solids (강열/작열 잔류 용존고형물)• VDS : Volatile Dissolved Solids (휘발성 용존고형물)(1) TS : 시료를 여과시키지 않고, 105~110℃로 가열하여 수분을 증발시키고 남은 잔류물이다.(2TS를 온도 550℃로 강열 또는 작열로써 회화시켰을 때 타서 휘발되어 감량되는 유기성분이 휘발성 고형물(VS)이고, 잔류하는 무기성분은 강열잔류 고형물(FS)이다. 따라서 VS는 유기물(C, H, O, N), FS는 무기물(이온, 염)을 의미한다.5. 시약 및 시료- 시료 : Fish food (유기물) 1.5g + NaCl (무기물) 1g 과 증류수 40ml 를 섞은 용액( 용액의 밀도 : 1g/ml , pH 측정은 생략. )6. 실험 방법1) 함수율의 측정 및 조정 / 고형물의 성상 분석① 3개의 증발접시 무게(W1)를 재고, 여기에 시료 적당량(5ml)을 취한 후 무게(W2)를 잰다.② 증발접시를 105~110℃에서 60분 동안 건조시킨 후 무게(W3)를 잰다.③ 증발접시를 550℃에서 5분 동안 강열한 후 무게(W4)를 잰다.④ 3장의 여지 무게(G1)를 재고, 시료를 적당량(5ml) 여과시킨다.⑤ 여지를 105~110℃에서 60분 동안 건조시킨 후 무게(G2)를 잰다.⑥ 여지를 550℃에서 5분 동안 강열한 후 무게(G3)를 잰다.2) pH 측정① pH meter의 power 버튼을 누른다.② 보정(Calibration)을 위해 Cal 버튼을 누른다.③ pH 4인 standard solution에 pH 전극을 담그고 Meas 버튼을 누른다.④ 수치 변동이 없는 Stable 상태가 되면, Cal 버튼을 누른다.⑤ pH 7, 10인 standard solution에도 ②~④와 동일한 방법을 적용한다.⑥ 보정이 끝나면, 시료에 pH 전극을 담그고 Meas 버튼을 눌러 측정한다.7. 실험 결과건조 강열 (검은색)W2 W3건조 강열 (검은색)G1 G21) 총 고형물(TS), 강열잔류 고형물(FS), 휘발성 고형물(VS) 계산(단위 : g)123평균증발접시 (W1)1.84341.86491.85831.8555증발접시 + 시료 (W2)6.39336.64786.60756.5495증발접시 + 105℃에서 건조시킨 시료 (W3)2.07452.15412.17622.13427.40 (g/L)2.30 (g/L)53 (%)49 (%)4 (%)함수율94 %pH7.54) 이론값 및 오차율 계산(1) 함수율의 이론값과 오차율* fish food와 NaCl에 수분이 포함되지 않았다고 가정하여 첨가한 물 40ml만을 고려하여 함수율의 이론값을 예측해 볼 수 있다.- 이론값 :- 오차율 :(2) TS(g/L)의 이론값과 오차율- 이론값 :- 오차율 :(3) VS와 FS의 이론값과 오차율* 시료 중 fish food와 NaCl은 1.5g : 1g = 2 : 1의 질량비로 구성되어 있는데, 통상 fish food는 유기물(VS))로 여겨지며, NaCl은 무기물(FS)로 분류된다. 위 고형물 분류대로 fish food와 NaCl이 각각 100%로 VS와 FS로 측정됐다는 가정 하의 이론값과 오차율은 다음과 같다.- VS(g/L) 이론값 :- VS(g/L) 오차율 :- FS(g/L) 이론값 :- FS(g/L) 오차율 :8. 고찰이번 실험에서 측정한 fish food와 NaCl이 혼합된 시료 용액의 함수율은 약 94%, 고형물은 약 6%로 구성되어 있음을 확인했다. 결과값을 토대로 시료의 함수율, 총 고형물(TS) 그리고 VS 및 FS 농도의 이론값 및 오차율을 가설을 통해 분석했다. 먼저, 이를 고찰하기에 앞서, 입자가 크고 다양한 화학물질이 혼합된 fish food의 구성성분에 대한 정보를 조사했다. 실험에서 사용한 사료와 가장 유사하고 대중적으로 유명한 제품인 “테트라 비트” 라는 사료를 대상으로 조사한 결과, 수분 함량은 나와 있지 않았고, 다음과 같았다.* 조단백질 : 47.5% 이상 (유기물)* 조지방 : 4.8% 이상 (유기물)* 조섬유 : 0.9% 이하 (유기물)* 조회분 : 10.5% 이하 (무기물)* 인 : 1.6% 이하 (조회분에 포함)* 칼슘 : 1.4% 이상 (조회분에 포함)여기서 다른 fish food의 수분 함량을 참고하여 약 10%로 가정한다면, 실험에서 사용한 사료의 수분은 약 10%, 유기물은 약 53.2~7보관하여 수분의 영향을 차단한다.(2) 일단 물고기 사료에 수분이 없을 것이라 추측하여 수분 함량을 0%로 가정하여 이론값을 구했으므로, 실험값은 이론값보다 적어야 할 것이지만 오히려 살짝 높은 것으로 보아 수분의 흡착 외에 증발의 영향도 있었을 것으로 추측한다.2) TS 이론값과 오차율TS 농도는 이론값보다 약 10.6% 정도 적었으며, 어느정도 실험에서의 오차가 있었던 것으로 보인다. 가장 먼저, 실험자의 피펫팅 조작 실수와 저울의 측정 오류가 주된 원인으로 간주된다. 실제로 5ml 분취한 시료량인 W2-W1의 무게가 5g에 최대한 가까워야 하는데, W2-W1 = 4.6940g으로 5ml(밀도 1g/ml임을 고려하면 5g) 와 약 6.12%의 오차율을 보였다. 이 오차율에 다른 원인이 더해져 10.6%의 오차율을 보인 것 같다. 다른 원인으로는 건조 시 무게 감량이 보다 더 많이 되었다는 것인데 만약 수분이 많이 손실되었다 가정하면 오히려 측정한 함수율이 높아야 한다. 즉, 분취한 샘플의 불균질성으로 시료의 수분 함량이 높았다기보다, 105℃에서도 쉽게 증발할 수 있는 기타 화학물질의 손실로 인한 결과라고 추측한다.3) VS와 FS의 이론값과 오차율앞에서 가정한 물고기 사료의 조성은 분명 유기물이 대부분이었으며, 무기물은 10.5% 정도로 미량이었다. 즉, 측정한 VS와 FS의 농도는 각각 TS 이론값 농도의 2/3, 1/3 이어야 되지만 오히려 반대의 결과가 나왔다. 그 오차율은 각각 38.7, 32%로 높은 오차를 보였다. 이에 대한 원인으로는 애초에 물고기 사료에 무기물 함량이 더 높거나 강열감량 시간이 충분치 않아 강열감량되지 않은 미연소분이 많았던 것으로 추측한다. FS량이 오히려 높다는 것은, 강열감량 후 유기물이 휘발된 양이 실제보다 적었음을 의미하며 휘발해야 하는 탄소를 포함한 유기물의 미연소분이 많다는 것이다. 이에 대한 이유로는 다음과 같다.(1) 먼저 물고기 사료라도 만약 값이 싸다면 유기물보다 무기물이 많은 경우도 있다. 하지만, 이는하여 용해도를 높였을 것이라 추측한다.(1) TS의 오차원인과 비슷하게, 건조 시 쉽게 증발하거나 손실될 가능성이 높은 물질의 영향으로 인해 이론적인 TSS보다 적게 측정되어 오히려 TDS의 비율을 높였을 가능성이 있다.(2) 물고기 사료의 성분이 물에 녹아 TDS로 작용했을 것이다. 물고기 사료는 미네랄, 가수분해된 단백질, 염류, 수용성 성분의 무기물이 포함될 수 있으며, 가공된 사료(펠렛 등)는 일부 성분이 물에 녹아 TDS로 측정될 가능성이 있다. 따라서, 물고기 사료의 꽤 많은 성분이 TDS로 전환되며, TSS 값이 상대적으로 낮게 나온 것이다.(3) NaCl은 100% 물에 단순 용해되는 것 외에도, 사료 성분의 용해도를 증가시켰을 가능성도 있다. NaCl이 시료 용액 속 pH에 따라 단백질, 기타 수용성 성분을 용해시키는 효과를 주어 TDS를 증가시켰다는 것이다.(4) 추가로, TS에서 TSS를 빼는 방식이 아니라 여과를 거친 후의 여과액을 건조하여 분석한다면 보다 정확한 결과를 얻을 수 있을 것이다. 하지만 해당 방법은 여과액은 무시하고, TSS만을 강열감량하여 TDS 값이 부정확할 수 있다.5) FSS와 VSS, FDS와 VDS 분석물고기 사료 자체가 불용성, 수용성 성분으로 구성되며 VS 중 모두가 불용성인 것은 아니고 NaCl 외에 물고기 사료 속 무기성분이 모두 용해성인 것도 아니다. 즉, VDS 및 FSS는 0일 수가 없다는 것이다. 물론, VS 중에서는 VSS 비율이 높을 것이고 FS 중에서는 FDS 비율이 높은 경향을 보일 수가 있는데 이는 실제 실험결과와 일치한다. VS 중 VDS는 4)의 (2)와 (3)의 추측과 같이 물고기 사료의 다소 높은 용해성과 NaCl로 인한 용해성 증가로 발생했을 것이다. FS 중 FSS는 시료의 pH 7.5의 영향에 따라 용해되지 않는 조건에 해당되는 몇몇 무기물질에 의해 발생했을 것이다.6) 시료의 pH 분석순수한 NaCl 수용액은 pH 7(중성)을 나타낸다. 단지 중성 염이기 때문에, pH에 영향을48.

자연과학| 2025.11.10| 9페이지| 2,000원| 조회(42)

pH, 환경공학, 폐기물, 고형물, 신재생에너지, 함수율, TS, 신재생애너지실험및설..

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토양오염조사실험 report (양이온 교환 용량)

1. 실험 조 : 1조 2. 실험 일자 : 2024. 10. 29 3. 실험 제목 : Cation Exchange Capacity 1) Introduction (1) 실험 목적 특정 지역의 샘플링한 토양의 양이온 교환 용량, 즉 토양이 가지는 교환성 양이온의 최대 용량을 파악한다. 이를 통해 토양수 내 용해된 염분 및 이온과 같은 식물의 영양소가 충분한지 파악하여 토양의 비옥도를 알 수 있다. (2) 실험 원리 실험에서 사용한 방법은 암모늄 아세테이트법이다. 먼저 완충능력이 높은 초산암모늄을 가해 토양 입자 주변에 이미 부착된 양이온들을 떨어지게 하며, 토양 입자가 가질 수 있는 교환성 양이온의 최대 용량에 고농도의 NH4+을 포화 흡착시킨다. 부착되지 못하고 상등액에 해리된 NH4+는 버리고, 부착된 NH4+ 주변의 양이온들도 에탄올로 떨어뜨려 상등액으로 버린다. 마지막으로, NH4+와 비슷한 교환능을 가진 K+이 포함된 염화칼륨 용액을 가하여 포화 부착된 NH4+을 용액 내에 모두 이동시킨다. 이 여액의 NH4+ 농도를 측정하여 CEC를 산정한다. 측정기기는 NH4+만 측정하며 정량 범위를 지키기 위해 희석이 반드시 필요하다. * 양이온 교환 용량 * 특정 pH에서 일정량의 토양이 보유할 수 있는 치환(교환) 가능한 양이온의 총량을 말하며, 염기치환용량이라고도 한다. 단위는 meq/100g soil 또는 cmol/kg soil로 표시한다. 토양 내의 음전하를 띠는 부식(유기물; 휴믹산)과 점토는 콜로이드를 형성하는데, 토양수 내의 물과 양이온을 전기적으로 끌어당겨 흡착시켜 보유하는 기능을 수행한다. 토양 입자에 흡착된 양이온은 용액 속의 다른 양이온들과 교환되어 쉽게 용액 내에 녹아들고 이를 식물이 흡수한다. (아래 그림 : 토양입자와 무기양분의 흡착) 토양입자를 구성하는 점토가 음전하를 띠는 이유는, isomorphous substitution(동형 치환) 현상 때문이다. 형태 및 크기가 비슷한 물질끼리 교체될 때, 교체 전의 이온의 가수가 교체 후보다 비해 상대적으로 높기 때문에 사토에서 자라는 식물은 표층의 영양분에 의존하는 경향이 있다. 따라서 토양 속에 유기물인 휴믹산 함량이 높을수록 토양은 양이온 교환능이 높아지고 더 많은 양이온이 결합되면서 비옥한 토양이 된다. 따라서 CEC는 높을수록, 입단 형성에 기여하여 토양의 통기성과 투수성 향상, 양분의 보유능 증대, 수분 함유량을 증대시켜 토양의 비옥도를 증진시킨다. 오염물질 흡착능을 증대시키며, 영양분의 용출을 억제하고, 완충제로 작용하여 CEC는 산성 물질에 의해 산성화가 되지 않게 하기도 한다. * CEC와 pH & 비료의 관계 * 토양콜로이드에 흡착된 양이온 중에서 K+, Na+, Ca2+, Mg2+ 등 일반적으로 염기라 부르는 금속이온의 양은 토양의 성질 및 비옥도와 밀접한 관계가 있다. pH와도 밀접한 관계가 있어 토양의 pH가 높고 비옥하면 염기가 많으며, pH가 낮고 척박하면 염기가 적다. 즉, pH(산성용액)에서는 수소이온의 농도가 높은데, 이는 Si-OH, Al-OH, -COOH기의 해리가 적게 일어난 상태이므로 CEC가 작아짐을 뜻한다. 반대로 높은 pH(알칼리용액)에서는 같은 작용기의 해리가 증가한 상태, 즉 [OH-]농도가 높아진 상태이므로 CEC가 커짐을 의미한다. 비옥토에서는 Ca2+ > Mg2+ > K+, Na+의 순서로 염기의 양이 감소하므로 치환성 Ca2+의 양이 토양비옥도의 지표가 된다. 그 결과 토양 pH가 높고 석회암을 모재로 생성된 토양이 많이 분포하는 지역(강원도)이 Ca2+ 함량이 높게 나타나고 있으며 토양 pH가 낮은 지역(충남, 경남)의 Ca2+ 함량이 낮은 값을 보인다. 일반적으로 석회암 분말을 이용하여 산성인 토양 pH를 조정하는데, CEC가 크고 동시에 완충능력이 큰 토양은 낮은 CEC를 가진 토양에 비해 시간이 많이 소요되고 사용량도 증가하게 된다. 2) Methods and Materials (1) 실험 방법 ① 건토 3g을 원심분리용 튜브(50ml)에 담는다. ② 1N NH4OAc (pH=7.0, 4}^{+}} over {L`KCl} TIMES {30ml`KCl} over {3g`soil} TIMES {1mol`NH _{4}^{+}} over {18.04g`NH _{4}^{+}} TIMES {1g} over {10 ^{3} mg} TIMES {1L} over {10 ^{3} ml} TIMES {10 ^{2} cmol} over {1mol} TIMES {10 ^{3} g} over {1kg} Table 1. 목장 1의 CEC Table 2. 목장 2의 CEC Table 3. 목장 3의 CEC 4) Discussion (1) 초지(축산 및 낙농업)의 토양 특징 보편적인 초지 지역의 위치를 유명하고 넓은 목장인 “대관령 양떼목장”으로 임의 선정하였다. 축산 및 낙농업을 위한 초지는 정확히 “목초지”를 뜻하며, 가축들이 뜯어먹을 수 있는 짧은 길이의 얇은 풀들이 자라는 곳이다. 인간이 인위적으로 풀을 가축의 사료용으로 기르기도 하며, 천연 목초지를 목장으로 삼기도 한다. 대관령 양떼목장은 신불통 중 SiD에 속하며, 경사는 15~30%, 표토(0~25cm)는 습윤상의 농암회갈색의 자갈이 있는 식양토이다. 표토는 큰 입상이며 점착성이 약하고 공극은 보통 정도이다. 배수는 양호하며, 투수성은 약간 빠르다. 주로, 임지로 이용되며, 야생초지, 관목, 산재된 나무들이 혼합되어 자란다. 즉, 산림 토양이지만 목초지로 이용하기에도 적합한 토양이다. 물리적 특성으로는, 토양 조성 중 미사 45.1%, 점토 32.1%, 모래가 22.8%이며, pH는 약 4.8에 유기 탄소량은 46.0g/kg, CEC는 26.8cmol/kg이다. CEC 값에 영향을 주는 점토의 비율은 보통 정도에 pH가 상대적으로 낮음에도 불구하고, CEC 값이 비교적 큰 것은 유기물량이 원인이라고 생각한다. 보통 토색은 유기물이 많을수록 밝고 붉은색이기보단 회색이나 검은색의 어두운 색이다. 유기물량이 많은 이유로는 목초지에서 가축들이 자유롭게 방목되면서 배설한 배설물들과 생물들의 상호작용으로 유기물량이 늘 토양이 대부분이다. 가둘 경우, 유기물량이 더 많아질 수 있으나, 가축들이 모여 있는 곳이 아닌 좀 더 바깥쪽의 토양을 샘플링했을 경우 유기물량은 현저히 낮아질 수 있다고 본다. 즉, 실험의 초지 토양 시료는 유기물량이 적으며, 개인 목장에서 흔히 보이는 밝은 갈색의 토양으로 모래 함량이 높았을 것이다. pH는 추측하기 어려우나 따로 비료를 쓰지 않을 것이므로 낮을 것으로 예상된다. 이곳의 토양은 CEC가 낮은 것으로 보아, 통기성과 투수성이 낮고, 양분의 보유능이 좋지 않으며, 수분 함유량을 저하시켜 토양의 비옥도가 낮은 편이다. (3) 다양한 초지의 CEC 비교 흙토람 사이트의 토양환경지도의 대관령을 기준으로 초지 중 목장으로 사용되는 세 군데와 그 외 초지로 표시된 지역의 토양통을 조사하여 CEC 및 관련 데이터를 비교 분석해 보았다. 삼양목장은 차항 및 월정통이지만, 차항통의 지역이 더 넓기 때문에 차항통 기준으로 조사했다. (대관령 지역 기준, 표토 기준) 지역명 양떼목장 하늘목장 삼양목장 기타 1 기타 2 토양통 SiD(신불) WjE(월정) ChE(차항) MuD(무이) OdE(오대) 토성 식양토 식양토 양토 사양토 사양토 점토함량(%) 32.1 32.8 23.5 14.0 17.0 유기탄소(g/kg) 46.0 52.3 47.0 17.0 56.4 pH 4.8 5.2 4.5 5.6 4.7 CEC(cmol/kg) 26.8 30.9 27.5 15.5 22.1 (4) 다른 대상지(농경지, 산림, 다른 초지)와 CEC 비교 흙토람 사이트의 토양환경지도의 주토지이용에 따른 토양도 라벨링(토양통)을 조사하여 실험에서 샘플링한 곳으로 추정되는 초지 지역과 논, 밭. 과수 및 산림의 토양 특성 및 CEC 데이터를 확보했다. 실험의 샘플링 지역은 토양환경지도에서 다른 초지의 토양통을 검색해 목장 세 곳의 평균값인 10.93cmol/kg에 가까운 곳으로 선정했다. CEC 외에도 관련된 지표와 함께 비교 분석해 보았다. (표토 기준) 초지(실험) 논 밭 과수 산림 토양통 낮고 모래 함량이 높은 사양토이고 유기탄소량도 낮기 때문에, CEC 값이 낮은 것이다. pH는 조사한 결과, CEC 값에 유의미한 영향을 미치지는 않는다. 반대로, 대관령 지역의 목장 및 초지들은 대체로 높은 CEC 값을 나타냈는데, 이는 샘플링 지역에 비해 점토 함량 및 유기탄소량이 유의미하게 높기 때문이다. 즉, 자연형 방목형 목장이 토양의 입자 조성이 양분을 보유하는 데 유리하며, 생물학적 상호작용이 활발해 유기물량이 많아진 것 같다. 이외에도 논, 밭, 과수, 산림 지역 중 과수의 CEC가 상대적으로 높았는데, 이는 조사한 지역의 유기물량이 유의미하게 다른 지역보다 높기 때문이다. 비교 분석에서 한 가지 간과한 것은, 논, 밭, 과수원지와 같은 농경지에 적합한 토양의 pH를 함께 조사하지 않은 것이다. 일반적으로, pH 정도는 논과 밭의 경우 6.0~6.5, 과수원지의 경우 5.0~6.5가 적합하다고 한다. 언급했듯이 pH가 너무 떨어지면 비료의 효과가 감소하므로 초지나 산림과 달리 CEC 외에도 중요한 인자이다. 조사한 논, 밭(나산 제외)의 경우 양분 비료 및 석회질 분말을 통해 pH를 높여 CEC를 회복할 필요가 있고, 나산 지역의 밭은 비료를 통해 양분을 좀 더 공급해야 한다. 과수원지는 pH를 제외한 유기물량 및 CEC 값이 충분하므로, 석회질 분말로 pH만 높여주면 된다. (5) 실험방법의 한계 석회질 또는 염류집적 토양의 경우 CEC 측정 과정에서 각종 가용성 염류와 CaCO3 등 난용성 염류의 용해를 통해 비교환성 양이온이 동시에 추출되므로 교환성 양이온 함량이 실제보다 과다하게 측정된다. 즉, 각종 난용성 탄산염의 용해도가 높은 pH 7.0의 1M NH4OAc 용액은 이러한 토양의 교환성 양이온을 측정하기에는 부적합하다. 대신 CaCO3, MgCO3, CaSO4 등의 용해도가 낮고 토양 교질에 의한 Ca2+ 및 Mg2+의 흡착을 억제할 수 있는 용액을 이용한 다양한 CEC 측정 방법들이 제안되어 있다. 하지만 이들 방법은 대부분 분석의

자연과학| 2025.11.07| 7페이지| 2,000원| 조회(38)

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