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ISSN : 2288-9167(Print)
ISSN : 2288-923X(Online)
Journal of Odor and Indoor Environment Vol.22 No.4 pp.328-336
DOI : https://doi.org/10.15250/joie.2023.22.4.328

A study on the temperature and humidity effects and concentration calibration of electrochemical gas sensors for continuous monitoring
of small-scale emission sources

Chun-Sang Lee, Kyoung-Chan Kim, Da-Yeong Choi, Ju-Yeon Kim, Hung-Soo Joo, Jin-Seok Han*
Department of Environmental Engineering, Anyang University
* Corresponding Author: Tel: +82-31-463-1292 E-mail: nierhan@hanmail.net
08/12/2023 21/12/2023 22/12/2023

Abstract


In this study, the performances of H2S, NH3, and HCl sensors for real-time monitoring in small emission facilities (4, 5 grades in Korea) were evaluated at high concentration conditions of those gases. And the proper approach for the collection of reliable measurement data by sensors was suggested through finding out the effect on sensor performances according to changes in temperature and humidity (relative humidity, RH) settings. In addition, an assessment on sensor data correction considering the effects produced by environmental settings was conducted. The effects were tested in four different conditions of temperature and humidity. The sensor performances (reproducibility, precision, lower detection limit (LDL), and linearity) were good for all three sensors. The intercept (ADC0) values for all three sensors were good for the changes of temperature and humidity conditions. The variation in the slope value of the NH3 sensor showed the highest value, and this was followed by the HCl, H2S sensors. The results of this study can be helpful for data collection by enabling the more reliable and precise measurements of concentrations measured by sensors.


Electrochemical gas sensor , Effect of temperature and humidity , H2S , HCl , NH3 , Small-scale emission sources

소규모 대기오염물질 배출사업장 연속 모니터링을 위한 전기화학식 가스센서의 온·습도 영향과 농도보정 연구

이춘상, 김경찬, 최다영, 김주연, 주흥수, 한진석*
안양대학교 환경공학과

초록

    © Korean Society of Odor Research and Engineering & Korean Society for Indoor Environment. All rights reserved.

    1. 서 론

    대기오염물질은 동·식물계에 호흡기 질환 유발 등 다양한 신체 및 정신적 부정적 영향을 미친다고 알려 져 있다(Seo and Lee, 2019). 대기오염물질을 연속 모 니터링 할 수 있는 기기분석 장치에는 Proton transfer reaction-massspectrometry (PTR-MS), Selected ion flow tube-massspectrometry (SIFT-MS) 등이 있으며, 이러한 장치는 높은 분석기술과 장비가격의 문제로 규모가 상대적으로 작은 소규모 대기오염물질 배출 사업장에서 사용하기에는 어려움이 있다(Moser et al., 2005;Smith and Spanel, 2005;Krol et al., 2010). 최근 소규모 대기오염물질 배출 사업장에서의 정확하고 연속적인 대기오염물질 측정에 대한 필요성이 대두 되고 있는 실정이다(Joo and Lee, 2018).

    단가가 낮은 자가 측정수단인 가스센서를 활용한 연구는 활발히 진행되고 있는 추세이다(Kim et al., 2014;KOSORE, 2011;Kim et al., 2010;Arroyo et al., 2021;Wei et al., 2018). 이러한 센서는 작동원리, 소재에 따 라 전기화학식 가스센서, 광이온화 센서, 전자코 등이 존재하고 그 중에서 선형성, 반응성, 선택성 등이 상 대적으로 높은 전기화학식 가스센서가 측정에 주로 이용되고 있다(Kim and Kim, 2011;NIER, 2014;Spinelle et al., 2015;Wei et al., 2018). 전기화학식 가스 센서를 활용한 대기오염물질 측정과 관련하여 국내 에서는 H2S, NH3, VOC 가스센서에 대한 성능실험을 실시한 연구가 존재하며, 성능평가 항목으로 직선성, 정밀도, 재현성 등에서 양호한 결과를 나타낸 바 있 지만 이는 악취현장에 대한 연구로 상대적으로 높은 농도의 오염물질을 배출하는 소규모 대기오염물질 배출 사업장에는 적용하기 어려운 실정이다(Han et al., 2019). 국외에서도 가스센서의 성능과 신뢰성에 영 향을 미치는 온·습도의 변화와 관련한 센서 측정 데 이터의 신뢰도를 높일 수 있는 다양한 연구가 진행되 고 있지만 구체적인 방법에 대한 제시가 이루어지지 않고 있는 실정이다(Park et al., 2005;Romain et al., 2005;Capelli et al., 2012;Zeng et al., 2016;Gong et al., 2016;Yang et al., 2016;Wei et al., 2018;KEITI, 2020;Liang et al., 2021).

    따라서 본 연구에서는 소규모 대기오염물질 배출 사업장의 연속 모니터링을 위해 H2S, NH3, HCl 가스 센서를 활용하여 고농도 성능실험을 실시하여 센서 의 성능을 확인하고, 온·습도 조건에 대한 H2S, NH3, HCl 가스센서의 영향과 그 영향을 반영한 가스 센서 의 농도보정 연구를 통해 신뢰성 있는 센서 데이터 생 산을 위한 방법론을 제시하고자 하였다.

    2. 연구 방법

    2.1 전기화학식 가스센서의 원리 및 감지특성

    본 연구에서는 Hydrogen Sulfide (H2S), Ammonia (NH3), Hydrogen Chloride(HCl) 전기화학식 가스센서 를 활용하여 소규모 대기오염물질 배출사업장 연속 모니터링을 위한 온·습도 영향을 반영한 가스센서의 농도보정 연구를 위한 실험을 진행하였다. 실험에 사 용한 전기화학식 가스센서는 전해질 안에서 양극, 음 극의 산화와 환원 반응에 의해 발생되는 전기적인 값 의 변화를 측정하는 가스센서이다(Lee et al., 2020;Lee et al., 2021;Lee, 2021). 작동원리에 따라 갈바니 전지 방식과 정전위 전해방식으로 구분되며, 연구에서 사 용한 정전위 전해식 가스센서는 세 개의 전극으로 구 성된다(Lee et al., 2020). 산화-환원 반응이 일어나는 작 용전극(Working Electrode), 동시에 작용전극과 반대 로 환원-산화 반응이 일어나는 대항전극(Counter Electrode), 산화-환원 반응과 함께 변화하는 전위를 감 지하고 전위를 일정하게 유지하기 위한 기준전극 (Reference Electrode)으로 이루어져 있다(Lee et al., 2020). 액체의 유입과 유출을 차단하는 구조와 재질 로 만들어진 확산 배리어(barrier)를 통해 가스는 외부 에서 가스센서 내부로 들어간다(Lee and Lim, 2016). 이러한 세 개의 전극에서 발생된 전류는 외부로부터 유입되는 가스 농도에 따라서 전류 값이 변화된다(Lee et al., 2020). 실험에 사용한 가스센서의 정보는 Table 1에 나타내었고, 다양한 가스 농도와 온·습도의 설정 이 가능한 시스템을 이용하여 실험을 실시하였다.

    2.2 전기화학식 가스센서의 성능평가 방법

    H2S, NH3, HCl 각각의 가스센서와 온·습도 센서를 연 결해주는 가스챔버를 제작하여 고정 및 직렬로 연결 하였다. 정확한 유량과 온도, 습도를 제어하기 위해 개 발한 희석시스템인 표준가스 희석장치(SDC 101, APM) 를 활용하고,. 물질 흡착성을 고려하여 표준가스 희석 장치의 라인 내부를 실리콘 코팅을 실시하였다. 표준 가스 희석장치 후단의 MFC를 통해 H2S, NH3, HCl 가 스센서로 투입되는 희석가스의 유량을 600~800 ml/ min으로 유지시켜 실험을 진행하였다. 10~40°C, 35~ 80%의 온·습도조건을 위한 실험에서는 표준가스 희 석장치 내부에 존재하는 MFC를 이용하여 습윤 및 건 조공기의 비율을 제어하여 습도를 조절하였고, Heating & cooling chamber (BF-70C, BNF KOREA)를 이용하 여 MFC 유량제어에 의해 제조된 시료가 일정한 온도 로 유지되도록 하였다. 물질들의 희석농도는 습윤공 기, 건조공기를 만들기 위해 정확한 유량을 내보내는 MFC 2개와 표준가스를 내보내는 MFC 1개의 유량비 에 의해 결정되었고, 이때의 MFC 유량 조절은 PC를 통해 자동으로 조절되도록 하였다. 표준가스 희석장 치와 내부 MFC 구조 및 온·습도 조절을 위한 장비에 대한 모식도를 아래 Fig. 1에 나타내었다.

    H2S의 농도 단계는 0 ppm, 0.4 ppm, 2 ppm, 10 ppm, 20 ppm로 설정하였고, NH3 농도 단계는 0 ppm, 0.95 ppm, 1.5 ppm, 9.5 ppm, 47.5 ppm, 95 ppm 수준에서 실험을 진행하였다. HCl 농도 단계는 0 ppm, 1 ppm, 5 ppm, 10 ppm, 20 ppm 수준에서 실험을 진행하였다. 가 스희석장치(SDC 101, APM)를 이용한 실험의 온도 조 건은 10°C, 20°C, 30°C, 40°C로 설정하였고, 습도는 35%, 50%, 65%, 80%로 설정하였다. 실험은 Heating & cooling chamber에서 원하는 온도를 먼저 안정적으로 유지한 뒤에 표준가스 희석장치 내부에 있는 MFC를 이용하여 습도를 조절하여 H2S, NH3, HCl 의 설정 농 도를 단계별로 가스챔버에 주입하여 노출실험을 실 시하였다. 모든 실험에서 센서 별로 적절한 응답 시 간(Response time)과 센서 데이터의 안정성을 보장하 기 위해 흡착반응 따른 안정화 시간을 고려하여 진행 하였다. H2S, NH3, HCl 가스센서 및 온도와 습도 측정 데이터는 센서의 Data logger를 통하여 저장하였고, 전 기화학적신호인 Analog to digital converter (ADC) 값 으로 전송되게 하여 실시간 측정 및 모니터링을 실시 하였다. 실험을 시작하기에 앞서 H2S, NH3, HCl 센서 모두 최소 12시간 이상의 전원을 켜두어 예비 안정화 과정을 거쳐 안정적인 ADC 값이 나올 수 있도록 하 였다(Lee et al., 2021). 본 연구에서 실시한 가스 센서 의 성능평가 실험의 항목으로는 총 4가지 이며, 3회 반 복(10초 당 1개의 데이터를 저장하였고, 1회당 18개의 데이터를 이용하여 정밀도 측정에 최소 54개의 데이 터를 이용하였음) 분석값의 표준편차로 나타내는 정 밀도(Precision)와 각 표준편차를 평균으로 나눈 뒤 100 을 곱하여 퍼센트 값인 상대표준편차(Relative standard deviation, RSD)로 나타내는 재현성(Reproducibility), 온도 20°C, 습도 50% 조건에서 7번 반복실험 후 표준 편차를 산정하고, 그 결과에 3.14를 곱하여 나타낸 최 소검출한계(Lower detection limit, LDL) 그리고 마지 막으로 농도별 반응성을 확인하기 위한 직선성 (Linearity)은 온도 20°C, 습도 50% 조건에서 4개의 농 도에서 진행하였다.

    가스센서에서 감지하는 시료의 농도(Concentration; Conc.)는 실험 시 측정된 ADC 값에 대하여 일차함수 로 표현할 수 있으며 이는 식 (1)과 같다. 이때, 식 (1) 의 기울기(a)는 식 (2)로 표현할 수 있다(Lee et al., 2020).

    C o n c . ( p p b ) = a ⋅ ( A D C m e a s u r e d − A D C 0 ) = a ⋅ A D C m e a s u r e d − a ⋅ A D C 0
    (1)

    여기서,

    • Conc. : Concentration(농도, ppb)

    • ADCmeasured : 표준가스 측정 시 센서의 전기신호 값 (mV)

    • ADC0 : 표준가스의 농도가 0일 때 센서의 전기신호 값(mV)

    • a : 상수(기울기)

    a = C o n c . A D C m e a s u r e d − A D C 0
    (2)

    3. 연구결과 및 고찰

    3.1 가스센서의 성능평가

    온도 20°C, 습도 50% 조건에서 H2S NH3, HCl 가스센 서들의 재현성과 정밀도를 Table 2에 나타내었다. H2S 가스센서의 경우 2 ppm에서, NH3 가스센서의 경우 9.5 ppm에서, HCl 가스센서의 경우 5 ppm에서 진행하였 다. 그 결과 H2S 가스센서의 정밀도는 14.9와 재현성 의 RSD 값은 약 0.1%가 나타났다. 타 연구와 비교하 여 살펴보면 H2S 가스센서의 RSD 값이 5 ppm에서 1.67%, 0.5 ppm과 1 ppm에서 0.292~0.627%로 보고 되 었고, 본 연구에서 실시한 가스센서의 RSD 값 0.1%는 상당히 양호한 값으로 나타났다(Zeng et al., 2016). NH3 가스센서의 정밀도는 42.6과 재현성의 RSD 값은 약 0.6%, HCl 가스센서의 정밀도는 7.7와 재현성의 RSD 값은 약 0.3%로 나타났다.

    H2S NH3, HCl 가스센서들의 LDL 값을 Table 3에 나 타내었다. H2S 가스센서의 경우 0.4 ppm에서 0.017 ppm 으로 나타났고, NH3 가스센서의 경우 1.5 ppm에 서 0.669 ppm으로 나타났다. HCl 가스센서의 경우 1.0 ppm에서 0.124 ppm으로 나타났다. 선행 연구의 결과 와 비교하여 살펴보면 H2S 가스센서의 LDL은 0.006 ppm으로 본 연구에 비하여 낮은 값이 나타남을 확인 하였다. 이는 본 연구에서 실시한 실험의 농도 값이 상대적으로 높은 농도로 설정되어 있음을 감안하면 H2S 가스센서의 LDL 값은 양호한 값으로 판단된다(Han et al., 2012). NH3 가스센서의 LDL은 3.2 ppm 과 2.6 ppm으로 보고 된 바 있고, 본 연구에너 나타난 NH3 가 스센서의 LDL 값이 양호함을 확인하였다(Han et al., 2012;Smeets et al., 2007).

    H2S NH3, HCl 가스센서들의 직선성은 Fig. 2에 나타 내었다. H2S 가스센서는 0 ppm, 0.4 ppm, 2 ppm, 10 ppm, 20 ppm에서 양호한 직선성을 나타내었고, 결정 계수(R2) 값은 0.98~0.99의 양호한 값이 나타났다. NH3 가스센서는 0 ppm, 0.95 ppm, 1.5 ppm, 9.5 ppm, 47.5 ppm, 95 ppm에서 양호한 직선성을 나타내었고, 결정 계수(R2) 값은 0.94~0.98의 양호한 값이 나타났다. HCl 가스센서는 0 ppm, 1 ppm, 5 ppm, 10 ppm, 20 ppm에 서 양호한 직선성을 나타내었고, 결정계수(R2) 값은 0.89~0.90의 양호한 값이 나타났다. H2S NH3, HCl 가 스센서의 성능평가(정밀도, 재현성, 최소검출한계, 직 선성)를 통해 가스센서들의 성능은 모두 양호한 것으 로 판단되었다.

    3.2 온·습도 조건에 따른 가스센서의 변화특성

    습도 변화에 따른 H2S, NH3, HCl 가스센서의 변화 특성을 파악하기 위한 실험을 실시하였다. 온도 10°C, 20°C, 30°C, 40°C마다 습도조건 35%, 50%, 65%, 80%으 로 실험을 진행하였고, 이에 대한 결과를 Fig. 3에 나 타내었다. H2S 가스센서는 같은 온도에서 습도가 높 아질수록 가스센서의 기울기(Slope, a)가 동일하게 0.0005로 나타났다. ADC0 값은 같은 온도에서 습도가 높아질수록 증가하는 경향을 보였고, 결정계수(R2)가 0.99로 양호하게 나타났다. NH3 가스센서는 같은 온 도에서 습도가 높아질수록 가스센서의 기울기(Slope, a)가 증가하는 경향으로 나타났다. ADC0 값은 같은 온 도에서 습도가 높아질수록 50%, 65%에서 높은 값을 보이는 경향이 나타났고, 결정계수(R2)가 0.97~1.00으 로 양호하게 나타났다. HCl 가스센서는 같은 온도에 서 습도가 높아질수록 센서의 기울기(Slope, a)가 증 가 및 80%에서 낮아지는 경향으로 나타났다. ADC0 값 은 같은 온도에서 습도가 높아질수록 50%, 80%에서 높은 값을 나타내는 경향을 보였고, 결정계수(R2)가 0.76~0.99로 양호하게 나타났다.

    또한, 가스센서 감지 값(ADCmeasured)으로부터 식 (1), (2)를 이용하여 시료의 농도를 산정하게 되는데 식 (1), (2)에서 사용되는 기울기(a)와 ADC0가 습도 변화에 따 라서 일정한 양상으로 변화하는 특성을 나타냈다(Lee et al., 2020). 따라서 기울기와 ADC0는 식 (3), (4)와 같 이 상대습도(RH)의 함수 f(RH)로 표현될 수 있을 것 으로 판단된다(Lee et al., 2020).

    A D C 0 , R H = f ( R H ) 0 = A 0 , R H ⋅ R H ( % ) + B 0 , R H
    (3)

    a R H = f ( R H ) a = A a , R H ⋅ R H ( % ) + B a , R H
    (4)

    여기서,

    • A0,RH, B0,RH : 상대습도의 함수 f (RH)0의 상수

    • Aa,RH, Ba,RH : 상대습도의 함수 f (RH)a의 상수

    온도 변화에 따른 H2S, NH3, HCl 가스센서의 변화 특성을 파악하기 위한 실험을 실시하였다. 온도 10°C, 20°C, 30°C, 40°C마다 습도조건 35%, 50%, 65%, 80%으 로 실험을 진행하였고, Fig. 4에 나타내었다. H2S 가스 센서는 같은 습도에서 온도가 상승하여도 H2S 가스 센서의 기울기(Slope, a)는 0.0005로 동일하게 나타났 다. ADC0 값은 같은 습도에서 온도가 상승할수록 증 가하는 경향으로 보였고 R2 값은 0.99로 나타났다. NH3 가스센서는 고정된 습도에서 온도가 상승할수록 가 스센서의 기울기(Slope, a)는 상승하는 경향으로 나타 났다. ADC0 값은 같은 습도에서 온도가 상승할수록 감소하는 경향을 보였고, 결정계수(R2)가 0.97~1.00으 로 양호하게 나타났다. HCl 가스센서는 같은 습도에 서 온도가 상승할수록 가스센서의 기울기(Slope, a)가 감소하는 경향으로 나타났다. ADC0 값은 같은 습도 에서 20°C~40°C로 온도가 상승할수록 증가하는 경향 으로 보였고, 결정계수(R2)가 0.76~0.99로 양호하게 나 타났다.

    본 연구의 실험을 통해 ADC0는 온도가 높아짐에 따 라 낮아지고, 습도가 높아짐에 따라 높아지는 대체적 인 경향이 나타났다. 이는 ADC0와 온도는 비례관계, 습도는 반비례관계가 있다는 것으로 해석할 수 있다. 하지만 기울기 값(a)은 ADC0와 같이 온·습도와의 관 계가 뚜렷하고 일관된 형태로 나타나지는 않았다.

    또한, 온도의 경우에서도 가스센서 감지 값 (ADCmeasured)으로부터 식 (1), (2)를 이용하여 시료의 농도를 산정하게 되는데 식 (1), (2)에서 사용되는 기 울기(a)와 ADC0는 식 (5), (6)와 같이 온도(T)의 함수 f (T)로 표현될 수 있을 것으로 판단된다(Lee et al., 2020).

    JOIE-22-4-328_EQ5.gif
    (5)

    JOIE-22-4-328_EQ6.gif
    (6)

    여기서,

    • A0,T, B0,T : 온도의 함수 f (T)0의 상수

    • Aa,T, Ba,T : 온도의 함수 f (T)a의 상수

    3.3 온·습도 변화에 대한 농도 보정 방법

    식 (1)의 기울기(a)와 ADC0는 각각 온도(T) 및 습도 (RH)에 따라 변하므로 온·습도의 변수를 동시에 고려 할 수 있는 식을 도출할 수 있고, 식 (7)은 ADC0에 대 한 함수식이며, 식 (8)은 기울기(a)에 대한 함수식이 다. T와 RH를 변수로 하여 두 일차함수를 합한 형태 로 식 (7), (8)과 같이 표현할 수 있다. 따라서 식 (7)과 (8)은 온도와 습도가 변화하는 조건에서의 농도 보정 식으로 사용될 수 있다(Lee et al., 2020).

    JOIE-22-4-328_EQ7.gif
    (7)

    JOIE-22-4-328_EQ8.gif
    (8)

    여기서,

    • A0,RH,T, A0,T,RH, B0,T,RH : 온도와 상대습도의 함수 f (T,RH)0의 상수

    • Aa,RH,T, Aa,T,RH, Ba,T,RH : 온도와 상대습도의 함수 f (T,RH)a의 상수

    ADC0 값을 이용하여 식 (7)의 계수를 다중선형 회 귀분석한 결과는 Table 4와 같다. 이때, H2S의 경우 도 출된 계수에 대한 결정계수 R2 값은 0.692로 나타났고 회귀식의 표준오차 값은 154.7로 나타났으며, NH3의 경우 R2 값 0.679, 표준오차 값 330.8로, HCl의 경우 R2 값 0.502, 표준오차 값 622.6의 결과로 나타났다.

    ADC0의 평균적인 값(H2S; 3472~4256, NH3; 3098~ 4543, HCl; 2779~5348)과 비교했을 때 H2S, NH3, HCl 의 표준오차값은 상대적으로 적은 수치이므로 함수 식의 정확도는 양호한 것으로 판단된다.

    같은 방법으로, 각 온·습도별로 얻은 ADC 값의 추 세선 기울기(a) 값을 이용하여 식 (8)의 계수를 계산 할 수 있으며 그 결과는 Table 5와 같다. NH3의 경우 R2 값과 표준오차값은 각각 0.273, 0.111, HCl의 경우 R2 값과 표준오차값은 각각 0.430, 0.018으로 나타났다.

    기울기(a)의 평균적인 값(H2S; 0.0005, NH3; 0.002~ 0.0041, HCl; 0.0011~0.0625)과 비교했을 때 H2S는 모든 기울기가 동일하였고, 상대적으로 적은 수치이므로 함수식의 정확도는 양호한 것으로 판단된다.

    온·습도에 대한 ADC0 교정식의 계수 산정시 도출 되는 표준오차를 각 대상물질의 센서별로 비교해보 면, HCl(622.6), NH3(330.8), H2S(154.7) 순으로 크게 나타난 것을 알 수 있다(Table 4). ADC0, 즉 교정식의 y절편의 값이 흔들리는 이유는 측정 대상 물질이 달 라짐에 대한 값의 변동성 보다는 측정기기의 기본적 인 성능에 기인하는 값의 변동일 가능성이 있다. 그 러나 Table 5에서 나타난 바와 같이, 온·습도에 대한 교 정식의 기울기(aT, RH)를 도출하는 과정에서 산출된 계 수의 표준오차 값은 NH3(0.111), HCl(0.018). H2S(0) 순 으로 크게 나타났다. 교정식의 기울기 변동성(분석의 표준오차, Standard error of estimate)이 크게 변동한다 는 것은 측정 대상물질에 대한 센서의 민감도를 의미 할 수 있다. NH3는 일반적으로 대기 중에서 흡착성이 큰 특징이 있으므로 성능평가 시스템 내의 유로, 챔 버, 휘팅 등에 흡착될 가능성도 있으나, 전극과 액체 를 이용하는 가스센서의 특성상 센서 내부에서 흡착 되는 등의 메모리 영향(memory effect)가 발생할 가능 성이 있다(Lee et al., 2020). 이러한 흡착성은 HCl에서 도 발견되는 특성이나, 기울기 교정식 도출의 표준오 차값(0.018)이 비교적 NH3 보다 낮은 값으로 나타난 것은 이러한 영향이 비교적 적게 미친다는 것을 시사한다.

    H2S, NH3, HCl 센서측정을 통한 전기신호(ADC) 값 에 온·습도에 대한 영향을 보정하여 보다 신뢰성 있 는 농도 값 계산에 도움을 주는 보정식은 Table 6에 나 타낸 바와 같다. 이때 온도(T)의 단위는 °C, 상대습도 (RH)의 단위는 %이다. 결과적으로 도출된 계수를 각 각 식 (1)에 적용하면 온·습도가 변화하는 경우에도 센 서로 감지한 ADC 값을 교정하여 시료 농도의 산정이 가능할 것으로 사료된다.

    4. 결 론

    본 연구에서는 소규모 대기오염물질 배출 사업장 의 굴뚝에서 배출되는 대기오염물질 중 H2S, NH3, 그 리고 HCl를 측정하기 위한 가스센서가 온·습도에 따 라 변동하는 농도 측정성능을 평가하고, 이를 보정하 기 위한 방안을 구체적으로 제시하고자 하였으며 다 음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.

    H2S, NH3 및 HCl 가스센서의 성능평가(정밀도, 재 현성, 최소검출한계, 직선성)를 통해 양호한 값이 도 출되어 가스 센서의 성능은 양호한 것으로 판단되었다.

    상대습도 변화가 가스센서의 성능에 미치는 영향 을 평가한 결과, 습도의 대한 가스센서 성능평가의 경 우 같은 온도 조건에서 습도가 증가할수록 교정식의 ADC0가 증가하는 경향을 나타냈다. 기울기의 경우 HN3 가스센서는 습도의 증가에 비례하게 나타났으나, H2S 가스센서는 변화없이 동일한 수준으로 나타났고 HCl 가스센서는 일부 구간에서 증가하는 등 각 센서별로 약간은 다른 경향을 보였다.

    온도 변화에 따른 가스센서의 측정 성능 변동성을 평가한 결과, 동일한 상대습도 조건에서 가스센서에 노출되는 시료의 온도가 변함에 따라서 ADC0나 기울 기가 뚜렷한 관계를 나타내지는 않았다. 이러한 결과 는 현장에 도입될 가스센서의 측정성능 향상을 위해 온·습도에 대한 보정의 중요성을 시사한다.

    본 연구의 온·습도에 대한 영향을 평가한 데이터를 기반으로 다중회귀방정식을 통해 ADC0와 기울기에 대한 교정식을 도출하였으며, 이러한 과정에서 도출 된 표준오차의 값이 비교적 적은 수준으로 나타나 교 정식의 적용가능성은 충분할 것으로 판단된다. 또한 NH3 및 HCl의 흡착성 등에 대한 부분을 고려한 보정 방안이 필요할 것으로 사료된다.

    본 연구의 결과는 다양한 온·습도의 변화가 존재하 는 현장에서 대기오염물질을 측정하기 위한 가스센 서를 도입하기 위한 기초자료로서 활용될 수 있으며, 본 연구에서 도출된 온·습도에 대한 보정식을 적용함 으로써 보다 정확하고 정밀한 데이터 생산에 도움을 줄 수 있을 것으로 사료된다.

    감사의 글

    본 연구는 환경부의 재원으로 한국환경산업기술원 의 “다물질 센서 성능평가, 측정기 교차검증 (2021 003410002)” 의 지원을 받아 수행된 연구이며 연구비 지원에 감사드립니다.

    <저자정보>

    이춘상(박사과정), 김경찬(박사과정), 최다영(석사과정), 김주연(학사과정), 주흥수(교수), 한진석(교수)

    Figure

    JOIE-22-4-328_F1.gif

    Structure of a sensor performance evaluation system.

    JOIE-22-4-328_F2.gif

    Linearity of H2S, NH3, HCl gas sensors.

    JOIE-22-4-328_F3.gif

    The effects of humidity conditions of H2S, NH3, HCl gas sensors with increasing gas concentration under the fixed condition of temperature.

    JOIE-22-4-328_F4.gif

    The effects of temperature conditions of H2S, NH3, HCl gas sensors with increasing gas concentration under the fixed condition of humidity.

    Table

    Descriptions of H2S, NH3, HCl gas sensors used in the lab-test system

    Precision, reproducibility of H2S, NH3, HCl gas sensors

    LDL of H2S, NH3, HCl gas sensors

    Coefficients of ADC0, T, RH considering temperature and relative humidity

    Coefficients of aT, RH considering temperature and relative humidity

    Correction equations considered by the effects of temperature and humidity

    Reference

    1. Arroyo, P. , Gómez-Suárez, J. , Suárez, J. I. , Lozano, J. ,2021. Low-cost air quality measurement system based on electrochemical and pm sensors with cloud connection. Sensors 21 (6228), 1-16.
    2. Capelli, L. , Sironi, S. , Del Rosso, R. , Bianchi, G. , Davoli, E. ,2012. Olfactory and toxic impact of industrial odour emissions. Water Science and Technology 66(7), 1399-1406.
    3. Gong, B. J. , Han, J. S. , Bong, C. G. , Hong, Y. D. , Lee, S. B. , Hong, J. H. ,2016. Assessment of NH3, H2S and complex odor sensor reaction according to the temperature and humidity. Journal of Odor and Indoor Environment 15(1), 14-29. (in Korean with English abstract)
    4. Han, J. S. , Lim, Y. J. , Park, S. J. ,2012. A Study on the calculation methods of odor threshold values of the specified offensive odor substances. Korean Journal of Odor Research and Engineering 11(1), 24-33. (in Korean with English abstract)
    5. Han. S. W. , Lee. C. S. , Joo. H. S. , Kim. K. C. , Kim. S. Y. , Ryu. H. J. , Lee. J. M. , Kim. H. S. , Han. J. S. ,2019. A study of Performance assessment of H2S, NH3, and VOCs sensors for field application. Journal of Odor and Indoor Environment 18(3), 261-271.
    6. Joo, H. S. , Lee, S. H. ,2018. Measurement and interpretation of emission rate and loading rate of air pollutants from the non-point source of naturally dairy farm. Journal of Odor and Indoor Environment 17(1), 68-77.
    7. Kim, J. C. , Kim, S. T. ,2011. A study on the realtime evaluation of odor adsorption efficiency with electrochemical gas sensors. Korean Journal of Odor Research and Engineering 10(1), 25-32.
    8. Kim, Y. H. , Kim, H. S. , Kim, S. T. ,2014. The correlation between olfactory results and sensor responses with the odor sources. Journal of Daejeon University Institute for Environmental Problems 18, 27-34.
    9. Kim, Y. H. , Kim, S. T. , Kim, H. S. ,2010. The response characteristics of odorous sensors to major odorous compounds. Conference of Odor Research and Engineering, Cheongju 48-53.
    10. Korea Environmental Industry Technology Institute (KEITI),2020. Development of active monitoring and control technology for odorous environment facilities.
    11. Korean society of odor research and engineering (KOSORE),2011. Odor management advanced forum-final report.
    12. Krol, S. , Zabiegala, B. , Namiesnik, J. ,2010. Monitoring VOCs in atmospheric air II. Sample collection and preparation. TrAC Trends in Analytical Chemistry 29(9), 1101-1112.
    13. Lee, C. S. ,2021. A study on the performance assessment of H2S, NH3 sensors and the correction of temperature and real humidity effects. Anyang Univeristy, Master’s thesis. (in Korean with English abstract)
    14. Lee, C. S. , Kim, K. C. , Han, S. W. , Lim, S. H. , Jang, H. S. , Joo, H. S. , Han, J. S. ,2020. A study on the influence of temperature and relative humidity and the concentrations calibration for H2S and NH3 sensors. Journal of Odor and Indoor Environment 19(3), 315-323. (in Korean with English abstract)
    15. Lee, C. S. , Kim, K. C. , Han, S. W. , Joo, H. S. , Jeon, K. H. , Moon, K. J. , Han, J. S. ,2021. Performance Test of Gas Sensors Air Pollutants of NO, NO2, SO2, CO and VOC. Journal of the Korean Society of Urban Environment 21(1), 13-20. (in Korean with English abstract)
    16. Lee, J. H. , Lim, S. H. ,2016. Review on sensor technology to detect toxic gases. Journal of Sensor science and Technology 24(5), 311-318. (in Korean with English abstract)
    17. Liang, Y. , Wu, C. , Jiang, S. , Li, Y. , Wu, D. , Li, M. , Cheng, P. , Yang, W. , Cheng, C. , ... Zhou, Z. ,2021. Field comparison of electrochemical gas sensor data correction algorithms for ambient air measurements. Sensors and Actuators B Chemical 327, 128897.
    18. Moser, B. , Bodrogi, F. , Eibl, G. , Lechner, M. , Rieder, J. , Lirk, P. ,2005. Mass spectrometric profile of exhaled breath-field study by PTR-MS. Respiratory Physiology and Neurobiology, 145, 295-300.
    19. National Institute of Environmental Research (NIER),2014. Odor standard method.
    20. Park, J. W. , Lee, J. H. , Ham, J. G. , Jung, M. H. , Mo, S. H. , Lee, D. H. , Kim, M. S. ,2005. Design of environmental tests. Journal of applied reliability 15(3), 301-314.
    21. Romain, A. C. , Godefroid, D. , Kuske, M. , Nicolas, J. ,2005. Monitoring the exhaust air of a compost pile as a process variable with an e-nose. Sens Actuators B Chem 106, 29-35.
    22. Seo, H. J. , Lee, H. S. ,2019. How air pollutants influence on Environmental diseases? Focused on Seoul Metropolitan Area. Journal of The Seoul Institute 20(3), 39-59.
    23. Smeets, M. A. M. , Bulsing, P. J. , van Rooden, S. , Steinmann, R. , de Ru, J. A. , Ogink, N. W. M. , van Thriel, C. , Dalton, P. H. ,2007. Odor and irritation thresholds for ammonia: a comparison between static and dynamic olfactometry. Chemical senses 32(1), 11-20.
    24. Smith, D. , Spanel, P. ,2005. Selected ion flow tube mass spectrometry (SIFT-MS) for on-line trace gas analysis. Mass Spectrometry Reviews 24(5), 661-700.
    25. Spinelle, L. , Gerboles, M. , Kok, G. , Sauerwald, T. ,2015. Sensitivity of VOC sensors for air quality monitoring within the EURAMET Key-VOC project. Association for Sensors and Measurement 2, 6-9.
    26. Wei, P. , Ning, Z. , Ye, S. , Sun, L. , Yang, F. , Wong, K. , Westerdahl, D. , Louie, P. K. K. ,2018. Impact Analysis of Temperature and Humidity Conditions on Electrochemical Sensor Response in Ambient Air Quality Monitoring. Sensors 18(2), 59.
    27. Yang, I. Y. , Kang, J. G. , Yu, S. W. , Oh, G. T. , Na, Y. G. ,2016. Development of accelerated life test method for constant electrical potential electrolysis gas sensor. Journal of applied reliability 16(3), 180-191.
    28. Zeng, L. , He, M. , Yu, H. , Li, D. ,2016. An H2S Sensor Based on Electrochemistry for Chicken Coops. Sensors 16(9), 1398