예비레포트실 험 제 목 :용존산소(DO) 측정조 :학 번 :이 름 :1. 실험 목적용존산소가 수질에 미치는 영향을 이해하고 수중 용존산소량 증가 및 감소 요인에 대해 알아본다. Winkler-Azide 변법, 산화-환원 반응과 아이오딘 환원 적정의 이론을 이해하고 실제 적용하여 용존산소의 측정을 진행한다. 또한, DO meter(용존산소 측정기) 사용법을 익히고 측정실험을 진행하여 계산을 통한 실험값과 직접 측정한 측정값을 비교해본다.2. 바탕 이론1) DO [Dissolved Oxygen, 용존산소]-용존산소는 수중에 녹아있는 분자상태의 산소의 양을 의미한다. 보통 물 1L 중의 산소량을 부피(ml) 또는 무게(mg)로 표시한다. 일반적으로 온도 및 염분이 낮을수록, 그리고 기압이 높을수록 용존산소량은 많아진다.-수중에 서식하는 어패류 및 호기성 생물은 수중에 용해되어있는 산소를 이용하여 생명을 유지하므로, 호기성 생물의 호흡 대사를 결정하는 요인이다. 따라서 자연수 및 폐수 중 용존산소 농도는 수체(water body)의 물리적, 화학적, 생물화학적 활성도 에 따라 변한다.-DO의 화학적 정량법으로는 Winkler법이 옛날부터 쓰이고 있다.-절대량은 Henry, Dalton의 법칙에 따라 수온 및 기압에 좌우되지만, 물이 깨끗한 경우에는 그 온도에 따라 포화량 가까이 함유된다.Figure 1. 1기압 아래의 증류수에서 온도에 따른 포화 DO2) BOD [Biochemical Oxygen Demand, 생화학적 산소요구량]-물이 오염된 정도를 나타내는 지표로, 호기성 박테리아가 일정 기간(보통 섭씨20도에서 5일간) 동안 수중의 유기물을 산화ㆍ분해시켜 정화하는 데 들어가는 산소량을 ppm으로 나타낸 것이다.-물의 오염이 많이 진행되었을수록 유기물의 양이 많기 때문에 그만큼 박테리아 분해에 소비되는 산소량도 증가한다. 즉, BOD가 높을수록 오염이 많이 진행된 물이다.-수질규제 항목 중 가장 일반적이며, BOD 반응 수치는 온도가 올라감에 따라 약간 증가한다.리적, 화학적으로 수질이 악화 된 현상을 말한다.-수질 오염은 각종 질병을 일으키고, 수산업에 피해를 발생시킨다.4) Winkler-Azide변법 (윙클러-아지드화나트륨 변법)-Winkler법은 물 속의 용존 산소의 정량 분석 방법의 하나로 청정한 물의 용존 산소의 정량에는 적합하다. 방해 물질을 포함할 때는 윙클러-아지화나트륨 변법을 사용한다.-시료에 황산망간(MnSO4)와 알칼리성(NaOH)를 가하면 형성된 Mn(OH)2는 수중의 용존산소와 반응하여 용존산소를 고정한다.MnSO _{ 4} +2NaOH rarrow Mn(OH)( downarrow )+Na _{ 2} SO _{ 4} (흰색침전)2Mn(OH) _{ 2}+1/2O _{ 2}+H _{ 2} O rarrow 2Mn(OH) _{ 3} (갈색침전)이 침전은 시료 중에 있는 산소와 반응하여 Mn3+로 산화되고, 요오드화 이온의 존재하에서 용존산소 당량만큼의 아이오딘을 유리하게 된다. (Mn3+가 I와 반응하여 다시 Mn2+로 되면서 I가 유리된다.) 유리된 아이오딘을 티오황산나트륨(Na2S2O3) 표준용액으로 적정해서 용존산소를 정량하는 방법이다.MnO _{ 2} +2KI+2H _{ 2} SO _{ 4} rarrow MnSO _{ 4} ( downarrow )+K _{ 2} SO _{ 4} +I _{ 2} +2H _{ 2} O (아이오딘 유리)I_{ 2} +2Na _{ 2} S _{ 2} O _{ 3} rarrow Na _{ 2} S _{ 4} O _{ 6}+ 2NaI이때 시수 중에 아질산이온(NO2--N 0.05ppm이상)이 있으면 다음과 같은 반응으로 아이오딘을 유리시키게 되므로 오차를 유발하게 된다.I_{ 2} +2NO _{ 2} ^{ -} rarrow 2I ^{ -}+ 2NO _{ 2}NaN _{ 3}+H ^{ +} lrarrowHN ^{ 3}+Na ^{ +}그래서 아질산 이온의 방해를 제거하기 위해서 아지드화 나트륨(NaN3)를 추가해서 넣어줌으로 아질산을 제거한다.HN _{ 3} +NO _{ 2 변법(Winkler with Azide Modification Method) 또는 아이오딘 적정 방법(Iodometric method)과 막전극을 사용한 전극 방법(Membrane Electrode Method)이 주로 사용된다. 아이오딘 적정 방법이 용존산소의 산화 특성에 근거한 적정 과정인 반면에, 막전극과정은 막을 통한 산소 분자의 확산 속도에 따른다. 방법 선택은 간섭 물질의 존재 여부, 분석 정확도와 때로는 편리성 또는 숙련성 등에 따라 결정된다.-윙클러 방법은 현장에서 사용하기는 불편하다. 보통 시료를 막 전극법으로 먼저 측정하고 윙클러 방법으로 측정하기 위해 실험실로 시료를 운반한다. 두 결과는 같아야 한다.-막 전극법의 기기와 기술상의 편차를 향상시켰다 하더라도 윙클러 변법 과정이 용존산소 측정에서는 가장 정확하고 신뢰성이 큰 측정방법이다.5) Iodometry (아이오딘 적정 : 아이오딘을 이용하는 화학분석 방법)-아이오딘을 이용하는 산화-환원 적정이며 정량적 화학분석 방법이다.-아이오딘 적정에는 약한 산화제인 아이오딘의 표준용액을 이용하여 강한 환원제를 산화시키는 아이오딘 산화 적정과 산화제를 환원시켜 아이오딘을 석출시킨 다음 이것을 싸이오황산나트륨 표준용액을 써서 적정 하는 아이오딘 환원 적정의 두 가지가 있다.-산화 적정에서는 아이오딘의 약한 산화력을 이용하여 환원성 물질을 정량한다. 즉,[I _{2} +2e rarrow2I ^{-}]의 반응을 이용하며, 지시약으로는 녹말,·클로로폼 등을 쓴다. 아이오딘은 물에 잘 녹지 않기 때문에 표준 아이오딘화 칼륨 수용액을 이용한다. 이 적정은 비소·아비산·염화수은 등을 정량하는 데 쓰인다.-환원 적정에서는 산화제가 들어 있는 시료에 과잉의 아이오딘화 칼륨을 포함한 용액을 첨가하여 아이오딘을 석출시킨 후, 이것을 표준 싸이오황산나트륨 용액을 써서 적정한다.[I_{ 2}+2Na _{ 2} S _{ 2} O _{ 3} rarrow2NaI+Na _{ 2} S _{ 4} O _{ 6}]지시약으로는 녹말이나소로부터의 신호를 측정하여 DO를 검출한다.-검출 방식에는 갈바니(galvani) 전지식과 폴라로그래프(polarography) 방식이 있는데, 일반적으로 전자(갈바니)가 사용되고 있다. 조작은 간단 하지만 유지 관리상 막이 오염된다는 문제점이 있다.7) 용존산소량 계산식DO[mg/L]=a TIMESf TIMES {V _{1}} over {V _{2}} TIMES {1000} over {V _{1} -R} TIMES0.2a: 적정에 소비된 0.025N 티오황산나트륨(Na2S2O3) 표준용액의 양(ml)f(factor): 0.025N티오황산나트륨(Na2S2O3) 표준용액의 역가(f = 1)V_{ 1}: 용존산소 측정병 전체 물의 양(ml)V_{ 2}: 적정에 사용한 시료의 양, 삼각 플라스크 용액 양(ml)R: 실험에 사용된 황산망간(MnSO4) 용액의 양(ml)+알칼리성 요오드화칼륨-아지드화나트륨(KI-NaN3) 용액의 양(ml)-역가: 적정용의 노르말 용액 또는 표준액의 1mL가, 적정 되는 물질의 어느 정도의 양에 해당하는가를 나타내는 값.3. 실험 기기 및 시약1)시약① 수산화나트륨(NaOH)Table 1. 수산화나트륨수산화나트륨(NaOH)MSDS분자량40g/mol녹는점318°C밀도2.13g/cm^3끓는점1390°C유해위험 문구금속 부식, 피부 접촉 시 손상피해야 할 물질가연성 물질, 환원성 물질, 금속② 요오드화칼륨(KI)Table 2. 요오드화칼륨요오드화칼륨(KI)MSDS분자량166g/mol녹는점681°C밀도3.12g/cm^3끓는점1323°C유해위험 문구장기간 노출 시 신체 자극피해야 할 물질가연성 물질, 환원성 물질, 점화원③ 아지드화 나트륨(NaN _{3})Table 3. 아지드화 나트륨아지드화 나트륨(NaN _{3})MSDS분자량65g/mol녹는점275°C밀도1.85g/cm^3끓는점-유해위험 문구피부 접촉 시 치명적 손상피해야 할 물질금속, 브롬, 이황화탄소, 염화크롬, 물리적 충격, 산, 점화원*Winkler-Azide 변법(NO _{2}^{-유해위험 문구흡입 시 유해, 장기간 노출 시 신체 손상피해야 할 물질가연성 물질, 환원성 물질, 점화원⑤ 황산 망간(MnSO _{4} BULLET4H _{2} O)*알칼리성 요오드화칼륨-아지드화 나트륨(KI-NaN _{3})용액 속 나트륨(NaOH)과 반응.Table 6. 티오황산 나트륨티오황산 나트륨(Na _{2} S _{2} O _{3})MSDS분자량158g/mol녹는점48°C밀도1.67g/cm^3끓는점100°C유해위험 문구호흡기계 자극피해야 할 물질가연성 물질, 환원성 물질, 점화원⑥ 티오황산 나트륨(Na _{2} S _{2} O _{3})*아이오딘 환원 적정의 표준 시약Table 7. 전분전분((C _{6} H _{10} O _{5} ) _{n} BULLET(H _{2} O)구조분자량-녹는점-밀도1.5g/cm^3끓는점-유해위험 문구-피해야 할 물질가연성 물질, 자극성, 독성가스, 점화원⑦ 전분*요오드 발색(남색)에 사용⑧ 황산(H _{2} SO _{4})Table 8. 황산황산(H _{2} SO _{4})MSDS분자량98g/mol녹는점10.4°C밀도1.83g/cm^3끓는점337°C유해위험 문구금속 부식, 암 유발,피부 접촉 시 치명적 손상피해야 할 물질가연성 물질, 금속, 물, 점화원*환기가 잘 되는 곳 또는 후드에서 사용⑨ 증류수(Distilled Water; DW)- 증류 과정을 통해 불순물을 제거한 순수한 물.2) 기기① Figure 3. BOD병용존 산소 측정병(BOD병, 300mL)② 메스실린더Figure 4. 메스실린더*눈을 수면의 오목한 밑부분과 수평이 되게 한 후 눈금을 읽음③ 삼각플라스크Figure 5. 삼각플라스크④ 자석교반기-용기 내부의 액체 또는 유동성 고체를 균일하게 하기위해 섞어주는 장치.Figure 6. 자석교반기⑤ 마그네틱바-용기 내부에 마그네틱 바를 넣으면 교반기 내부의 자석으로 인해 바가 바닥의 자석을 따라 돌아가 소용돌이를 만들게 됨. 이로 인해 용액이 섞이게 됨.Figure 7. 마그네틱 바⑥ Hot Plate-교반기통과함.
