Off-gas 분석장치

왜 배우는가: Off-gas 분석장치는 오존 처리 공정에서 반응조를 빠져나가는 잔류 오존(배오존)의 농도를 실시간으로 확인하는 장치다. 배오존 농도가 기준을 넘으면 공정 안전과 작업자 보호에 직접 문제가 되므로 실무에서 필수적으로 점검한다. 시험에서는 분석 원리와 측정 방식을 함께 묻는 문항으로 반복 출제된다.

출제 이력: 제111회 1교시 13번, 제96회 1교시 3번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

Off-gas 분석장치는 오존 처리 후 배출되는 잔류 오존(배오존)의 농도를 연속으로 측정하는 장치이다.

• Off-gas
• 배오존(잔류 오존)
• UV 흡광광도법
• Beer-Lambert 법칙
• 254 nm 자외선
• 연속 측정
• 오존 발생기
• 배오존 분해기

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 오존 설비에서 나가는 가스 속에 오존이 얼마나 남았는지 재는 계측기다. 오존은 산화력이 강하고 독성이 있어, 배출 가스에 남은 양을 알아야 분해 장치의 운전 상태와 작업 환경의 안전을 함께 관리할 수 있다.

정식으로는 오존 처리 공정의 배출 가스(Off-gas)에 포함된 오존 농도를 측정하여 배오존 처리 설비의 효율과 안전을 판단하는 계측 장치를 말한다. 측정 원리는 대부분 UV 흡광광도법이다. 오존은 254 nm 파장의 자외선을 흡수하며, 흡수량은 농도에 비례한다. 이 관계는 Beer-Lambert 법칙으로 설명된다. 흡수된 빛의 세기를 광검출기로 측정하고, 시료 셀과 오존을 제거한 기준 셀의 차이로 농도를 계산한다.

측정 장치의 기본 구성은 시료 채취부, 광원(수은 램프), 흡수 셀, 광검출기(포토다이오드), 신호 처리부로 나뉜다. 시료 공기는 두 갈래로 나뉘어 한쪽은 스크러버로 오존을 제거한 기준 시료가 되고, 다른 쪽은 그대로 측정된다. 두 신호의 차이가 오존 농도가 된다. 이 방식은 간섭 영향을 줄이고 영점 기준을 매번 맞출 수 있어 널리 쓰인다.

출력은 전압 또는 4~20 mA 전류 신호로 데이터 로거에 전달되고, 표시부와 저장 장치를 함께 갖추는 경우가 많다. 따라서 배오존 농도를 연속 감시하고 경보 설정과 자동 제어에 연계할 수 있다.

3. 등장 배경과 필요성

오존은 강력한 산화제이므로 정수·하수 처리에서 소독, 색도 제거, 난분해성 물질 산화에 쓰인다. 처리 후 반응조 상부로 빠져나오는 배오존에는 미반응 오존이 남는다. 이 오존을 그대로 대기로 내보내면 작업 환경과 주변 환경에 영향을 주므로 배오존 분해 장치를 설치한다.

분해 장치의 성능을 확인하려면 배출 가스 중 잔류 오존 농도를 알아야 한다. 과거에는 주기적인 채취와 화학적 분석에 의존했으나, 이 방식은 시간 지연과 인력 부담이 컸다. 이에 따라 자외선 흡광을 이용한 연속 측정 장치가 보급되었다.

연속 측정은 이상 상태를 즉시 알려 주므로 공정 안정성을 높인다. 배오존 농도가 설정값을 넘으면 경보를 울리고 오존 발생량을 줄이거나 분해기를 점검하도록 연계할 수 있다. 또한 측정 자료는 설비 운전 기록으로 남아 유지관리 판단의 근거가 된다.

오존 발생 설비는 고농도 오존을 만들기 위해 전기 방전으로 산소를 활성화한다. 발생 효율과 원료 가스 종류에 따라 배출 가스의 조성이 달라지므로, 측정 장치는 공정 조건 변화에 대응할 수 있는 범위와 응답성을 갖추어야 한다.

배오존 잔류 농도 관리 기준은 설계 문서와 운영 기준에 따라 정하며, 본 절의 설계 예시에서는 배오존 처리 후 잔류 농도를 0.05ppm 이하로 제시하는 사례가 있다.

4. 구성요소·원리·절차

Off-gas 분석장치는 배오존(배출 오존) 농도를 연속으로 측정하는 장치다. 시료 채취부, 시료 전처리부, 오존 제거기, 흡광 측정부, 신호 처리부로 나뉜다. 구성요소별 역할은 아래 표와 같다.

측정 원리는 Beer-Lambert 법칙이다. 오존은 254nm 파장의 자외선을 농도에 비례하여 흡수한다. 스크러버로 오존을 제거한 시료의 투과광 세기를 I₀, 오존을 포함한 시료의 투과광 세기를 I로 두면 흡광도와 농도의 관계는 다음과 같다.

$A=\log_{10}\frac{I_0}{I}=\varepsilon b c$

여기서 A는 흡광도(무차원), ε는 몰흡광계수(L·mol⁻¹·cm⁻¹), b는 광로 길이(cm), c는 오존 농도(mol/L)다. 광로 길이와 ε가 일정하면 흡광도는 농도에 정비례한다. 따라서 영점 기준 시료를 같은 셀에 번갈아 흘려 보내는 방식이 핵심이다. 오존을 제거한 시료가 곧 I₀가 되므로, 시료 매질이 다른 가스의 흡수에 따른 오차를 상쇄하기 쉽다.

측정 절차는 다음과 같다.

• 채취 위치를 정하고 채취관, 여과재, 가열 배관을 설치한다.
• 시료를 두 갈래로 나누고, 한쪽은 스크러버로 오존을 제거해 기준 세기 I₀를 얻는다.
• 나머지 시료를 UV 흡광 셀에 통과시켜 투과광 세기 I를 측정한다.
• 흡광도 A를 계산하고 식 또는 검량선으로 농도를 환산한다.
• 영점은 오존이 없는 불활성 기체(질소, 아르곤)로, 스팬은 알려진 농도의 표준 가스로 주기적으로 교정하고 기록한다.

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5. 관련 법령·기준·표준

배오존 농도를 직접 규정한 법정 농도 기준은 법령에 따로 정해져 있지 않다. 배오존 측정은 제조사의 설계 사양과 오존 측정의 공정시험 방법을 함께 따른다. 오존 농도의 측정 방법은 환경 분야의 대기오염공정시험기준에 자외선광도법으로 규정되어 있다. 이 방법은 본 절 4번에서 설명한 흡광 원리와 같다.

관련 법령과 기준은 다음과 같다.

• 대기환경보전법: 배출가스 측정과 시험 방법의 근거 법률이다.
• 대기오염공정시험기준(환경부 고시): 오존 측정을 자외선광도법으로 정한 시험 기준이다.
• 산업안전보건기준에 관한 규칙: 작업장 오존 노출 관리 기준의 근거다.

기준값과 조건을 표로 정리하면 다음과 같다.

표의 첫 번째 값은 측정 원리에서 고정되는 값이다. 잔류농도는 제조사가 보장하는 처리 사양이므로 법정 기준과 구분해서 답안에 쓴다. 가열 온도는 배출가스 시료 채취 기준에서 가져온 값이며, 오존 배관에도 응축 방지 원리는 같게 적용된다. 노출 기준은 작업자 보호 측면의 값이므로 장치 성능 기준과 함께 쓰지 않는다. 배관 재질은 오존에 대한 내식성과 시료 손실 방지를 함께 고려해 선정한다. 유리관, 석영관, 불소 수지관 등이 대표적이다.

6. 유형과 비교

Off-gas 분석은 측정 원리와 대상 가스에 따라 여러 방식으로 나뉜다. 정수처리에서는 오존 공정의 배오존(Off-gas) 농도를 측정하는 방식과 일반 배출가스 분석법이 함께 쓰인다. 측정 방식의 차이를 아래 표로 정리한다.