1. 서 론
전 세계적으로 악취에 대한 문제는 환경 분야에서 소음과 함께 가장 많은 민원을 유발하는 항목으로 알려져 있다. 국내에서 많이 발생하는 악취문제는 배출원이 다양하고, 피해범위가 광범위하며, 평균농도가 아닌 순간농도에 의해 발생하는 특성을 가짐으로서 관리 및 분쟁의 해결이 쉽지 않다. 악취는 대기오염 의 한 형태이기는 하지만 대상물질이 많고, 대상 물질에 따라 저농도에서도 악취를 유발하여 자극을 주기 때문에 다른 오염보다 접근하기가 쉽지 않다(Han et al., 2008;Park and Yoo, 2020).
Jo and Choi (2014)는 최근 생활수준 향상으로 생활 악취에 대한 관심이 증가함에 따라 생활악취로 인한 민원이 증가하고 있다고 했고, 서울시 일정규모 이상 사업장의 악취민원은 ‘10년~’12년 동안 감소하는 추세인 반면, 소규모 사업장인 생활(사업장) 악취 민원 은 ‘10년 412건에서 ’12년 430건으로 증가하는 추세이며 악취민원의 89%로 대부분을 차지하고 있다고 했다. 이처럼 현재, 시민들은 삶의 질이라는 개념에 대한 비중이 커지고 삶의 질 향상에 대한 관심이 높아 짐에 따라 악취문제의 심각성은 점점 증가하고 있으며 악취관리의 중요성 또한 커지고 있다.
악취 평가 방법중 시료를 채취하여 인간이 냄새를 감지하지 못하는 수준까지의 희석배수를 평가하는 방법인 공기희석관능법은 인간의 감각 정도를 수치 화하는 것에 의미가 있으나 이 역시 현장에서 샘플링 한 시료를 실험실에서 평가하는 방법으로 순간적인 발생 특성이 있는 악취 모니터링에는 문제점이 있다 (ME, 2014). 이에 따라 현장에서 바로 측정이 가능한 간편, 신속, 정확한 연속 악취 진단기술의 개발이 필요한 실정이다(Joo and Lee, 2018).
악취의 대표시설인 하수처리장, 분뇨처리시설 등 과 같은 환경기초시설에서 발생하는 악취 성분 중 암 모니아는 높은 함량의 수분을 포함하고 있다(Jung et al., 2006;Kim et al., 2014;Joo et al.,2015). 또한, 환경 기초시설 및 악취 배출원에서는 계절에 따라 온도 및 습도의 변화폭이 크게 나타나는 경향이 있으며 해당 변수에 따라 센서의 반응 특성이 달라 그 결과치가 상 이하게 나타난다. 이는 센서 측정결과의 주요 오차원인으로 알려져 있다(Kim et al., 2014).
따라서 습도에 대한 안정성이 확보된 센서를 현장 에 적용하여 측정하는 것은 매우 중요하나 현재 현장 에 적용되어 수집되는 측정기의 데이터의 정확도는 매우 낮은 실정이다(Romain et al., 2005;Capelli et al., 2012;Zeng et al., 2016).
Gong et al. (2016)은 온도 및 습도에 대한 악취센서 의 반응특성 파악에 관한 연구를 수행하였으며 낮은 온도와 높은 습도에서 불안정한 값을 나타내며 센서가 안정적인 측정값을 나타내는 조건(온도 25~40°C, 습도 50~65%)을 도출하였다. 그러나 다양한 환경변화 조건별 반응 특성은 제시되지 않아 온도 및 습도 조건에 따른 농도 보정에 대한 연구가 필요할 것으로 사료된다.
M.E, (2007)는 악취는 온도와 습도와 밀접한 관계가 있어, 통상의 악취물질은 온도 20~30°C에서 강한 영향을 미치고, 온도가 낮아질수록 악취의 세기가 감소 하는 경향이 있으며, 습도의 영향도 커 60~80%의 상대습도에서 악취에 보다 민감하게 반응한다고 하였다.
온도 및 습도 보정식을 비교적 구체적으로 제시한 경우는 Peng et al. (2018)의 연구로 일산화탄소, 질소 산화물 등 전기화학식 센서를 이용하여 성능평가를 진행하고 온도 및 습도의 영향을 계량화하여 보정에 대한 결과를 나타내었다.
이처럼 현재 악취관리를 위한 다양한 기술 및 효율 적인 관리를 위해 다양한 분야에서의 연구가 진행되 고 있으나 악취의 대표적인 물질인 암모니아 가스 센 싱농도와 온도 및 상대습도에 관한 연관성에 대한 연구는 찾아보기가 어렵다. 전기화학식 센서 기반으로 측정된 암모니아 가스농도가 온도 및 습도와 밀접한 관계가 있고, 온도가 낮아질수록 농도가 감소하는 경향이 있다는 등의 특성은 파악하고 있지만, 온도 및 상대습도 변수에 대한 대상물질의 농도변화, 그 근거 및 데이터베이스는 아직 부족한 상태이다. 즉, 암모니아를 포함한 대부분의 악취물질이 온도 및 습도에 영향을 받는다는 것은 알고 있는 사실이지만 구체적인 실측 데이터를 찾기는 쉽지 않았다.
따라서, 본 연구에서는 온도 및 습도의 변화에 따른 암모니아 가스 측정 결과 값의 오차 정도를 파악하고 이를 보정할 수 있는 보정지수 제시하여, 발생가스의 농도를 비교적 정확하게 파악하는 것을 목적으로 하며, 이를 통해 주관적으로 평가되는 악취문제에 대해 보다 객관적으로 접근하고자 한다.
2. 연구 방법
외부 환경 변수는 온도 및 상대습도로 하고 암모니아 가스 농도는 3가지로 구분하였으며 각 조건의 변화에 따라 암모니아 센서의 출력값(ADC, Analog Digital Converter)을 저장하여 분석하고자 하였다. 일반적으로 센서의 출력값은 농도가 높아질수록 그 수 치가 증가하며 출력값과 농도의 비례 관계식을 통해 농도를 산출할 수 있다.
2.1 장치의 구성
암모니아 센서는 전기화학식(Electrochemical) 센서 를 이용하였으며 전기화학식 센서는 선형성, 반응성, 전력소비, 선택성, 민감도, 재현성, 안정성이 상대적으로 높은 장점이 있는 센서이다. 전해질 내에서 양극과 음극의 산화-환원 반응에 의해 발생하는 전류 값의 변화를 감지하는 센서로 상세 사양은 Table 1에 나타내었다.
온도 및 상대습도 변화에 따른 암모니아 가스농도 실험은 Fig. 1과 같이 암모니아 표준가스, 공기(순도 99.999%), Mass Flow Controller (MFC), 임핀저, 항온 챔버, 데이터로거 등으로 장치를 구성하여 진행하였 다. 실험에 사용된 가스는 인증 유효 기간 내 고순도 의 표준가스로 암모니아 농도 5ppm과 Zero air (순도 99.999%)로 일정한 농도를 유지하기 위해 각 가스실 린더를 MFC에 연결하고 GMC300D (Flow Controller) 를 통해 유량을 자동으로 정확하게 주입될 수 있도록 구성하였다.
시료의 온도 조절을 위해서는 Water chiller 및 항온 챔버를 활용하였으며 습도 조절을 위해 임핀저를 이용하였다. 여기서 수용성인 암모니아 가스의 특성을 고려하여 습도조절은 희석가스인 Zero air의 습도를 조절하여 맞추는 방식으로 설계하고 진행하여 가스 농도 변화를 최소화하였다. 또한 온도 및 습도가 조절된 표준가스 및 Zero air는 충돌판으로 구성된 소형 튜브 및 테들러백을 통해 희석되어 센서에 도달하며 전기화학식 암모니아 센서의 출력값은 데이터로거를 통해 저장하였다.
본 실험에는 암모니아 가스 측정에 가장 많이 사용 되는 전기화학식 센서를 이용하였으며 온도 및 상대 습도 또한 센서를 이용하여 암모니아 가스농도와 동시에 측정하는 방식을 선택하여 데이터를 수집하고 비교하였다. 더불어 MFC를 이용하여 제조한 암모니아 가스 농도의 점검을 위해 검지관을 이용하여 무작위로 농도를 확인하는 절차를 선행하여 오차를 최소 화하였다.
2.2 실험 조건의 설정
시료를 일정 온도로 유지 시킨 상태에서 상대습도 를 20~90%RH 범위에서 변화시키며 일정한 암모니아 가스를 제조하고, 상대습도 변화에 따른 암모니아 가스 농도를 확인하였다.
암모니아 가스 시료의 온도는 10°C, 25°C, 40°C로 조건을 주었으며 검량선 작업 및 온도 따른 변화 영향 을 확인하기 위하여 0 ppm, 1 ppm, 5 ppm 3가지 농도 의 암모니아 가스를 이용하여 실험을 진행하였다. 상세 조건은 Table 2와 같다.
3. 결과 및 고찰
3.1 습도의 영향
습도에 따른 암모니아 가스 센서의 변화를 확인하기 위하여 3가지(10°C, 25°C, 40°C) 온도 조건에서 5 ppm의 암모니아 가스를 각각 상대습도 20~90%RH 범위에서 변화시키며 암모니아 출력값(ADC)을 확인 하였다.
그 결과 Fig. 2와 같이 시료 온도에 따른 차이가 있기는 하나 전체적으로 상대습도가 증가함에 따라 센서 출력값이 상승하는 경향을 보였다.
10°C의 시료의 경우, 30%RH 이하 구간에서는 상대 습도와 농도는 반비례, 약 30%RH~76%RH 구간에서 상대습도와 암모니아 농도값이 비례하는 것으로 나타났으며 76% 초과 구간에서 경향성을 찾을 수 없었다. 25°C 시료의 경우, 40%RH~68%RH 구간에서는 비 례, 68%RH이상에서 비례/반비례 구간이 반복해서 나타났다. 또한, 40°C 시료에서는 전체적으로 불안정한 경향을 보임에 따라 전처리장치 등을 적용하여 시료를 40°C 이내로 설정하여 측정하는 것이 필요할 것으 로 사료된다.
3.2 온도의 영향
5 ppm의 암모니아 가스 상대습도를 20~90%RH 범 위에서 변화시키며 3가지(10°C, 25°C, 40°C) 온도 조건 에서 암모니아 센서 값을 분석한 결과 그림 3과 같이 온도별 비례 구간이 존재하는 것으로 확인되었다.
분석결과, 시료의 온도가 높아질수록 농도와 비례 관계인 상대습도 구간은 감소하는 것으로 확인 되었으며 온도가 높을수록 상대습도의 영향을 크게 받는 것으로 나타났다. 또한 온도가 높을 수록 출력값이 증가하는 경향을 보이며 40°C 이상에서는 불안정한 출 력값이 확인되었다.
3.3 검량선 및 농도 산출
온도 25°C, 상대습도 50%RH 조건에서 수집한 3가 지 농도(0 ppm, 1 ppm, 5 ppm)의 암모니아 센서 값 (ADC)을 기준으로 그림 4와 같이 검량선을 도출하였으며 해당 검량선을 기준으로 보정지수를 산출하여 적용하고자 하였다.
그림 5는 온도 25°C, 5 ppm의 암모니아 가스를 대상으로 상대습도 변화에 따른 보정지수를 나타낸 것으로 상대습도가 증가함에 따라 암모니아 가스 농도값 이 높게 나타나 보정지수가 낮게 산출되는 것으로 확인되었다.
센서마다 반응성의 차이가 있어 보정지수 값의 차이가 있을 수는 있으나 경향성은 유사한 것으로 확인 되었으며 도출된 추세선 함수를 이용하여 다양한 상대습도 조건에서 5 ppm의 암모니아 가스 농도의 변화를 확인하고 산출된 지수를 통해 정확도를 산출한 결과 표3과 같이 적용 전 86.95% 였던 정확도가 적용 후 97.61%로 향상된 것으로 나타났다.
4. 결 론
본 연구에서는 센서를 이용하여 실시간으로 암모니아 가스 농도 측정 시, 환경 변화로 발생하는 측정 값의 오차 발생을 최소화할 수 있도록 온도 및 상대 습도 변화에 따른 암모니아 농도의 변화를 확인하였다. 그 결과 상대습도가 증가함에 따라 전기화학식 암모니아 센서의 출력값이 상승하는 경향을 나타내었다.
10°C의 시료의 경우, 30%RH 이하 구간에서는 상대 습도와 농도는 반비례, 약 30%RH~76%RH 구간에서 상대습도와 암모니아 농도값이 비례하는 것으로 나 타났으며 25°C 시료의 경우, 40%RH~68%RH 구간에 서는 비례하는 경향을 보였다. 또한, 40°C 시료에서는 전체적으로 불안정한 경향을 보였으며 각 온도 조건 모두 고습도(68%RH 이상)에서도 불안정한 데이터가 나타났다. 따라서 전기화학식 센서 기반 암모니아 가스 농도의 정확한 모니터링을 위해서는 측정 환경의 온도 및 습도 범위를 설정하고 해당 범위 내의 환경 조건에서 측정이 이루어질 수 있도록 전처리장치 등 을 구성할 필요가 있을 것으로 사료되며 조건은 온도 40°C 이내, 고습도를 피한 구간을 설정하여 측정하는 것이 필요할 것으로 판단된다.
또한, 암모니아 가스 농도 값이 높게 나타나 보정지 수가 낮게 산출되는 것으로 확인되었으며 센서마다 반응성의 차이는 있으나 보정지수 적용을 통해 정확도를 산출한 결과 적용 전 86.95%에서 적용 후 97.61% 로 향상된 것으로 나타났다.
전기화학식 센서 기반 암모니아 가스 농도 출력값은 온도가 높아질수록, 습도가 높아질수록 높게 측정 되는 경향을 보이는 것으로 나타났으며 이는 센서 반응성에 의한 영향으로 환경조건의 변동없이는 유사 한 경향이 확인될 수 밖에 없다. 센서 기반 전기화학식 측정기 활용시 다양한 온도 및 상대습도 범위에 따른 보정 지수를 적용하여 정량화할 경우 오차율이 높은 특정 온도 및 습도 범위 뿐만 전 구간에서 비교적 정확한 값을 도출할 수 있게 됨에 따라 암모니아 측정값의 신뢰도가 향상될 것으로 판단된다.
