TOC

왜 배우는가: 총유기탄소는 유기물 오염을 탄소량으로 직접 나타내는 지표라서 공공하수처리시설과 수질측정망 관리에 쓰인다. 측정원리와 CODMn 대체 배경은 여러 회차에서 반복해 묻는 주제이므로 개념과 측정방식을 함께 정리해야 한다.

출제 이력: 제134회 1교시 3번, 제116회 3교시 3번, 제111회 1교시 4번, 제101회 2교시 3번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

총유기탄소(TOC)는 시료 속 유기물에 결합된 탄소의 총량으로, 물속 유기물 오염 정도를 탄소량으로 나타내는 지표이다.

총유기탄소는 유기물을 산소 소비량이 아니라 탄소량으로 직접 재는 값이다. 유기물을 개별 물질로 특정하지 않고 모두 탄소로 묶어 보므로 비특이적 지표로 분류한다. 답안 첫 줄에는 위 정의를 그대로 쓰고, 이어서 측정원리를 한 문장으로 덧붙이는 것이 효과적이다. 측정원리와 계산식에서 반복해서 쓰이는 핵심 키워드는 다음과 같다.

• 총유기탄소(TOC): 시료 속 유기분자에 공유결합으로 묶여 있는 탄소의 양이다.
• 총탄소(TC): 무기탄소와 유기탄소를 모두 포함한 시료 속 탄소의 합이다.
• 무기탄소(TIC): 탄산염, 중탄산염, 물에 녹아 있는 이산화탄소를 가리킨다.
• 입자상 유기탄소(POC): 0.45㎛ 필터로 여과할 때 걸러져 남는 유기 탄소이다.
• 비정화성유기탄소(NPOC): 시료를 산성화해 무기탄소를 날려 보낸 뒤에도 남는 유기 탄소이다.
• 비분산적외선검출(NDIR): 이산화탄소가 적외선을 흡수하는 정도로 농도를 재는 검출 방식이다.

2. 개념 풀이

총유기탄소(TOC)는 시료 전체의 탄소량에서 무기탄소(TIC)를 뺀 값으로 정의한다. 식으로 쓰면 다음과 같다.

$TOC = TC - TIC$

TC는 시료 속 총탄소 농도, TIC는 무기탄소 농도이며 단위는 mg/L로 쓴다. 무기탄소는 유기물이 아니므로 TOC에 포함되지 않아 반드시 빼야 한다. 빼지 않으면 탄산염과 용존 이산화탄소가 유기물 값으로 잘못 계산된다.

원리는 탄소를 직접 세는 것이 아니라 유기탄소를 산화시켜 생긴 이산화탄소(CO₂)를 재는 것이다. 대표적인 산화 방법은 두 가지이다. 습식산화법은 원수를 산화제와 함께 자외선으로 산화하여 CO₂로 분해하는 방법이다. 고온연소 산화법은 직경 100㎛ 필터를 통과한 여과수를 680℃ 촉매 연소시켜 CO₂를 얻는 방법이다. 두 방법 모두 생성된 CO₂를 NDIR로 검출하므로 검출 단계는 같다.

무기탄소를 제거하는 방식은 두 가지로 나뉜다. 차감법은 TC를 측정한 뒤 TIC를 따로 측정하여 두 값의 차이로 TOC를 구하는 방식이다. 직접법은 시료를 pH 2 이하로 산성화하여 탄산염을 CO₂로 날려 보낸 뒤, 남은 NPOC만 산화시켜 측정하는 방식이다. 직접법은 무기탄소를 먼저 날려 보내므로 산화 단계에서 측정 대상이 유기탄소로 한정된다. 다만 산성화 과정에서 휘발성 유기물 일부가 날아갈 수 있으므로, 시료 채취와 보관 조건을 함께 관리해야 한다.

측정 절차는 다음과 같다.

• 시료를 여과하거나 산성화하여 무기탄소 처리 방식을 정한다.
• 시료를 산화장치에 넣어 유기탄소를 CO₂로 바꾼다.
• 생성된 CO₂를 NDIR 검출기로 측정하고 검량선으로 탄소량을 환산한다.
• 차감법이면 TC에서 TIC를 빼고, 직접법이면 측정된 NPOC를 TOC로 본다.

검출 성능도 함께 알아 둔다. 최신 TOC 분석기는 1μg/L(ppb) 이하의 탄소 농도까지 검출할 수 있다. 전도도 검출은 탈이온수처럼 농도가 낮은 시료에만 적합하고, NDIR 검출은 모든 농도 범위에서 쓰인다. 시료에 이온이 많으면 일부 검사 방법에서 간섭이 생길 수 있으므로 무기탄소 제거 단계를 빠뜨리지 않는다.

3. 등장 배경과 필요성

기존 유기물 지표는 생화학적 산소요구량(BOD)과 화학적 산소요구량(COD)이었다. BOD는 미생물이 유기물을 분해하면서 소비하는 산소량이고, COD는 산화제로 유기물을 산화시킬 때 소비되는 산소량이다. 두 지표는 모두 산소 소비량으로 유기물을 간접 측정하므로 값이 산화 조건과 미생물 활성에 따라 달라진다.

COD 측정은 일부 유기화합물을 충분히 산화시키지 못해 실제 유기물보다 낮게 나오는 한계가 있다. 이 때문에 유기물을 탄소량으로 직접 재는 TOC가 대체 지표로 검토되었다. 부산 지역 산업폐수 시료를 분석한 학술 연구에서 TOC는 CODMn, CODCr, BOD와 모두 상관성을 보였고, 그중 CODMn과의 상관이 가장 높았다. 같은 연구는 TOC가 COD보다 산화율이 높아 COD를 대체할 유기물 지표로 적절하다고 결론지었다.