1. 서 론

환경부는 악취방지법을 제정하고 시행하고 있으며 2010년부터 지방산류 4종(프로피온산, n-뷰틸산, n-발레르산, i-발레르산)을 악취물질로 지정하여 관리하고 있다(ME, 2021). 지방산류는 유기성분들 중에서 가장 높은 산화 단계에 속하는 물질로 카르복실기를 포함하며, 친수성이 높은 저분자량의 카르복실산(Carboxylic acid)에 해당한다(Narkis and Henfeld, 1978). 저분자량의 유기 지방산들은 대기압 상태에서 증류하는 것이 가능하기 때문에 휘발성 산(Volatile acid)이라 부르기도 하며 친수성이므로 물에 쉽게 녹는다(Cruwys et al., 2002). n-발레르산의 경우 최소감지농도(Odor threshold)가 0.037 nmol/mol로 다른 악취물질에 비해 매우 낮은 수준이다. 최소감지농도가 매우 낮을 경우 통증을 느끼기 전 불쾌감과 혐오감을 유발한다. 더욱 이 악취물질은 온도와 습도의 변화에 따라 민감하게 반응하기 때문에 물질의 관리가 필요하다(BSHE, 2004;KECO, 2009).

국립환경과학원(National institute of environmental research, NIER)은 지정악취물질 지방산류 4종을 분석하기 위하여 지방산류-헤드스페이스-기체크로마토그래피, 지방산류-고체상미량추출-기체크로마토그래피 및 지방산류-고효율 막 채취 장치-이온크로마토그래피 로 3가지의 공정시험기준을 고시하고 있다(Kim et al., 2007;Lee et al., 2009;NIER 2022a;NIER 2022b;NIER 2022c). 가스크로마토그래피를 이용한 공정시험기준에서 지방산류 4종의 시료 채취 방법은 알칼리 함침 여과지법과 알칼리 수용액 흡수법으로 하고 이온크로마토그래피를 이용한 시험기준에서는 3차 정제수를 이용한 고효율 막 흡수법을 고시하고 있다. 알칼리 수용액 흡수법을 사용하면 지방산류의 흡수에 쉽다는 장점이 있으나 시료채취 전 준비절차가 번거로우며 시료채취 후 고농도 산을 사용하므로 안전사고가 우려된다. 그리고 복잡한 분석 절차로 인하여 실험 오차의 증가 가능성이 농후하고 각각의 시험법에 사용되는 주사기의 바늘 및 고체상 미량 추출장치(Solid phase micro extraction, SPME) 파이버(Fiber)는 고농도 산에 의하여 손상 가능성을 배제하기 어렵기 때문에 경제적인 문제도 뒤따른다(Ahn et al., 2012). 3차 정제수를 이용한 고효율 막 흡수법을 사용하였을 때에는 지방산류의 직선성, 재현성 등을 확인할 수 있는 객관적 자료가 부족한 상황이며 흡수법으로 채취한 시료의 보관 기준에 대한 공정시험기준 제시가 미비한 상황이다. 공정시험 기준으로 고시된 분석 방법 이외 Ahn et al. (2009)는 흡착관을 통한 유기 지방산 분석 방법을 연구하였으며 이를 통하여 흡수법의 대체 방법으로 흡착관을 이용한 시료의 분석에 적용할수 있다고 판단하였다. 그러나 상대 표준 오차(Relative standard error, RSE)값이 VOCs류는 0.2%∼3%로 확인됐지만 유기 지방산은 2%∼15%로 확인하여 VOCs보다 유기 지방산류의 RSE 값이 상대적으로 높았다. 따라서 흡착관을 이용한 분석을 공정시험기준과 비교하거나 다양한 조건에서 후속 연구를 시도하는 것이 필요할 것으로 판단하였다.

본 연구에서는 3차 정제수를 활용한 이온크로마토그래피의 지방산류 분석 가능성에 관하여 확인하였다. 먼저 3차 정제수로 희석한 표준물질을 이온크로마토그래피에 주입하여 악취공정시험 기준상 제시된 정도 관리 기준(직선성, 재현성 및 방법검출한계)의 적합 여부를 확인하였고 3차 정제수와 0.01N-NaOH로 표준물질을 희석하여 시간 경과에 따른 분석 대상 물질의 변화를 확인하였다. 마지막으로 이온크로마토그래피 활용 시 발생할 수 있는 오염을 파악할 수 있도록 3종류의 바탕 시료(Blank)를 확인하였다.

2. 연구 방법

2.1 표준용액의 조제 및 이온크로마토그래피의 분 석 조건

3차 정제수를 이용한 이온크로마토그래피의 정도 관리 기준(직선성, 재현성 및 방법검출한계) 적합 여부를 확인하기 위하여 다음과 같이 표준물질을 조제하였다. 일차 표준시료(Primary standard, Accustandard, USA, 1,000 μg/mL)은 분석 대상 물질 지방산류 4종을 혼합하여 조제한 표준물질을 사용하였다. 일차 표준시료를 3차 정제수로 10배 희석하여 이차 표준시료를 조제하였고 이차 표준시료를 100배, 50배, 20배, 10배 희석하여 단계별 표준시료를 조제하였다(Table 1). 단계별 표준시료를 이용하여 직선성을 확인하였고 20배 희석한 표준시료로 재현성을 확인하였으며 마지막으로 100배 희석한 표준시료로 방법검출한계를 확인하였다. 이온크로마토그래피의 분석 조건은 국립환경과학원에서 고시한 공정시험기준 ES 09907.상 이온크로마토그 래피의 분석조건을 참고하여 최적화하였다. 자세한 분석조건은 아래의 Table 2로 정리하여 나타내었다. 본 연구에서 사용한 이온크로마토그래피는 DIONEX사 (USA)의 ICS-900, 써프렛서(Suppressor)는 AERS500 (Thermofisher, USA)를 사용하였으며 RFIC (Reagent free ion controller)는 DIONEX사(USA)의 RFC-10를 이용하였다.

2.2 시간 경과에 따른 흡수액 내 분석 대상 물질의 변화 경향

NIER (2011)은 시료 채취와 분석 사이의 시간이 증가 할수록 시료의 변질을 일으킬 수 있으며 온도, 미량, 오염물질, 화학의 반응 효과는 포집된 물질이 포집 매체로부터 소실되게 하거나 회수율을 저해하는 변형 따위를 일으킬 수 있다고 보았다. 그러나 NIER (2022d)에서 고시한 악취공정시험기준 시료 채취와 보관(ES 09130. a)에는 흡수법에 대한 시료 채취의 보관 및 운반에 관한 내용이 미비하였다. 그러므로 흡수액으로 사용하고 있는 3차 정제수와 수산화 소듐(NaOH) 수용액을 대상으로 시간 경과에 따른 지방산류 4종의 변화를 확인하였다. 먼저 3차 정제수 1,000 mL에 0.4 g 수산화 소듐을 완전히 녹여 0.01N-NaOH 수용액을 조제하여 준비하였다. 그리고 3차 정제수 제조기에서 바로 배출되는 3차 정제수를 받아 바탕용액으로 준비하였다. 악취공정시험법 상 알칼리 흡수 용액의 농도는 0.1N-NaOH로 제시하고 있으나 0.1N-NaOH는 이온크로마토그래피의 감도 증가장치인 써프렛서에 고강도 압박을 줌으로 기능상의 손상을 유발할 수 있다. 이를 방지하기 위해 10배 묽힌 0.01N-NaOH 농도로 사용하였다. 앞서 100배 희석하여 조제한 표준시료를 두 가지 바탕용액으로 각각 500배 희석하여 저농도 표준시료로 조제하고 20배 희석하여 고농도 표준시료로 조제하였다. 위에서 조제한 저농도 및 고농도 표준시료를 즉시 장비에 주입하여 분석하고 4℃ 이하로 설정된 냉장고에 3일(72시간)간 보관하면서 24시간마다 주입하여 분석하였다.

2.3 바탕시료의 확인

국립환경과학원에서 발행한 정도관리 QAQC 핸드북 제2판에서는 바탕시료를 측정하는 것으로 실험과정의 바탕값 보정과 실험과정 중 발생할 수 있는 오염을 파악할 수 있다고 말하고 있다(NIER, 2011). 또한 바탕시료를 확인함으로써 분석 시 사용하는 기구의 세척 상태와 현장 및 운반 시 발생할 수 있는 오염 등을 확인할 수 있다. 본 연구에서는 측정하고자 하는 물질이 전혀 포함 되어 있지 않은 3차 정제수를 주입함으로써 실험실 바탕시료(Laboratory blank)를 분석하였고 시료채취기구의 청결함을 파악하기 위하여 기구바탕시료(Equipment blank sample)를 점검하였다. 마지막으로 채취, 운송, 분석에서 생기는 교차오염을 현장바탕시료(Field blank sample)로 확인하였다.

3. 분석결과

3.1 이온크로마토그래피의 직전성, 재현성 및 방 법검출한계

이온크로마토그래피를 이용한 분석 대상물질 4종을 분석하기 위해 최적화한 분석방법을 악취공정시험기준에서 규정한 직선성(상관계수, R²), 재현성, 방법검출한계를 평가하는 기준을 기반으로 평가해 보았다. 1) 직선성 상관계수(R²)는 0.1 ng/㎕∼1 ng/㎕의 농도범위를 사용하였다. 직선성과 상대표준편차 및 상대표준오차는 물질별 검량선 작성용 표준시료마다 머무름상수(RT, Retention time)과 피크의 면적 값(Area)을 기준으로 계산하여 Table. 3에 정리하였다. 분석결과 지방산류 4종 모두 0.99 이상으로 매우 우수하게 나타났다. 2) 재현성은 약 0.5 ng/㎕의 농도를 사용하여 3회 반복분석 후 상태표준편차로 산출하였다. 그 결과 지방산류 4종 모두 10% 이내로 확인하였다. 3) 방법검출한계(Method Detection Limit, MDL)를 결정하기 위하여 검출한계에 다다를 것으로 생각되는 분석 대상물질 4종이 혼합된 표준용액을 이온크로마토그래피에 주입하여 7번 반복 측정한 표준편차에 3.14를 곱하여 구하였다. 시료 채취량이 50 L라고 가정했을 때 프로피온산은 0.911 nmol/ mol, n-뷰틸산은 1.032 nmol/mol, iso-발레르산은 0.537 nmol/mol 그리고 n-발레르산은 0.752 nmol/mol으로 나타났다. 이를 공정시험기준 ES 09907.b의 방법검출한계에서 제시하는 프로피온산 기준 10 nmol/mol 이하로 판단하면 지방산류 4종 모두 기준 이내이기 때문에 적합하다고 판단하였다.

3.2 시간 경과에 따른 흡수액 내 분석 대상물질의 변화 경향

현재 악취공정시험 기준상 흡수법에 대한 시료채취의 보관 기준이 미비하기 때문에 지방산류 4종이 시간 경과에 따른 흡수액 내 변화에 대해 알아보았다. 앞서 조제한 저농도 표준시료와 고농도 표준시료를 3일(72 시간)간 보관하는 동안 24시간 간격으로 이온크로마토 그래피에 주입하여 분석하고 이에 따른 지방산류 4종 봉우리(peak)의 면적 값의 변화를 아래의 그래프 Fig. 1 로 나타내었다. 3차 정제수와 0.01N-NaOH 수용액 내에서 지방산류 4종의 시간흐름에 따른 변화는 저농도[ 약 0.9 ng]를 주입하면 피크면적값이 0.0004 ㎲/min∼ 0.0010 ㎲/min범위에서 확인하였으며 ±0.001 ㎲/min의 범위로 변화하였다. 고농도[약 23 ng]를 주입하면 피크 면적값이 0.008 ㎲/min∼0.013 ㎲/min범위에서 ± 0.002 ㎲/min 범위로 변화하였다.

3.3 바탕시료 확인

이온크로마토크래피 사용 시 검토해야 하는 3가지 바탕시료를 확인해 보았다. 세 가지 경우 모두 분석 대상 물질 4종 중 n-뷰틸산만 검출되었다. 실험실 바탕시료는 0.003 ㎲/min, 기구 바탕시료의 경우 0.002 ㎲/min, 마지막으로 현장바탕시료에서는 0.015 ㎲/min이었다.

4. 고 찰

본 연구에서는 악취물질로 지정된 지방산 4종을(프로 피온산, n-뷰틸산, n-발레르산, i-발레르산) 분석 대상물질로 선정하였다. 먼저 3차 정제수로 희석한 표준물질을 이온크로마토그래피에 주입하여 공정시험기준 ES 09907.b의 내부정도관리 기준으로 직선성, 상대표준편차 및 최소검출한계를 판단하였다. 분석 대상물질 4종 모두 검정곡선의 직선성은 R²=0.98이상의 기준에 모두 적합한 것으로 확인하였다. 또, 정밀도평가의 경우 약 0.5 ng/㎕ 농도에서 상대표준편차는 4%∼9%범위로 10%이내 기준에 모두 적합하였다. 마지막으로 방법검 출한계는 분석 대상물질 4종 모두 약 1 nmol/mol 수준으로 내부정도관리 기준에 모두 적합하였다. 따라서 표준원액을 3차 정제수로 희석하여 이온크로마토그래피로 분석하면 악취공정시험기준 내부정도관리 기준에 모두 적합하여 위 시스템을 이용한 지방산류 4종의 분석이 가능하다고 판단하였다.

다음으로 흡수액을 3차 정제수와 0.01N-NaOH 수용액을 이용하여 표준원액을 저농도와 고농도로 희석한 후 3일(72시간)동안 4℃이하에 보관한 후 24시간마다 주입하여 분석데이터의 변화를 알아보았다. 시간의 흐름에 따라 변화가 가장 적었던 물질은 프로피온산이었고 변화가 가장 많은 물질은 i-발레르산으로 확인할 수 있었다. 그러나 피크면적 값 자체가 매우 작고 변화량이 적기 때문에 그림으로 표현했을 때 변화가 다소 큰 것으로 보이나 흡수액 모두 보관환경이 같으면 3일(72시간)까지 변화가 미비한 것으로 판단된다. NIER (2011) 은 시료의 변질 정도에 대해 시료채취와 분석사이의 시간이 증가할수록 더욱 중요하게 되며 온도, 미량, 오염 물질, 화학의 반응효과는 포집된 물질이 포집 매체로부터 소실되게 하거나 회수율을 저해하는 변형 따위를 일으킬 수 있다고 보았다. 하지만 현재 NIER (2022d) 악취공정시험기준 시료채취와 보관(ES 09130.a)에는 흡수법으로 채취한 시료의 보관 및 운반에 관한 내용은 미비한 것으로 확인할 수 있었다. 따라서 흡수용액과 측정대상시료의 예상 농도범위에 따른 분석 가능기간 및 시료보관 기간에 대한 보완 및 제시가 필요할 것으로 판단된다.

마지막으로 실험실 바탕시료를 확인하기 위하여 측정하고자 하는 물질이 전혀 포함 되어있지 않은 3차 정제수를 주입하여 분석하였고 기구 바탕시료로 시료채취 기구의 청결함을 점검하였다. 그리고 현장바탕시료로 채취, 운송, 분석에서 생기는 교차오염을 확인한 결 과 n-뷰틸산이 검출되었으나 농도가 가장 낮게 희석한 표준시료를 분석한 면적의 약 4%로 확인되어 매우 낮은 수준이었다. 3차 정제수를 사용하여 3가지의 바탕시료를 확인해 본 결과 기구를 깨끗이 세척하고 공정시험 기준에서 제시하는 방법에 따라 채취, 운송, 분석하면 바탕시료의 영향이 매우 적을 것으로 판단하였다.

5. 결 론

본 연구를 바탕으로 고효율 막 흡수법을 사용하지 않아도 3차 정제수를 활용한 IC의 유기 지방산의 분석이 가능하며 유기 지방산류 시료채취 이후 3일 이내에 분석한다면 시료의 변질, 소실 등 영향이 적어 분석 결과에 미치는 영향이 미미할 것으로 판단하였다. 추후 악취공정시험기준에 고시된 분석시스템 간 정도평가 결과 비교 및 현장시료 분석데이터 비교 등과 같은 후속 연구를 통하여 현재 공정시험기준에서 제시되어 있지 않거나, 미비한 사항에 대한 보완이 필요할 것으로 보인다. 또한 악취 분야뿐만 아니라 식품 또는 약품의 액상시료를 대상으로도 별도의 전처리 없이 3차 정제수로 희석 후 분석이 가능하므로 다양한 분야에서 적용이 가능할 것으로 예상된다.