Chapter 11 용존무기탄소 분석 표준운영절차서
11.1 목적 및 범위
해수중 용존무기탄소의 총량을 해수 1kg 당 탄소의 몰수(mol C kg-1)로 정량하는 분석법이다. 일반적인 해수중 용존무기탄소 농도범위(1800~2300 μmol kg-1)와 흑해와 같이 용존무기탄소 농도가 높은(3800~4300 μmol kg-1) 경우에도 적용가능하다.
11.2 측정 원리
일정량의 해수시료를 스트리핑 용기에 넣고 산성화 시킨 뒤 비반응성 기체로 불어내는 방법을 사용한다. 탄산칼슘과 같은 고체 탄산염이 존재하는 경우 실험결과에 영향을 미칠 수 있다. 불어낸 기체 중 CO2의 양은 에탄올아민이 포함된 반응용액에 기체를 통과시켜 CO2를 포획하고 생성된 하이드록시 에틸 탄산을 전기량법으로 적정하여 정량한다. 반응용액의 pH는 티몰프탈레인 지시약의 투과율을 약 610nm 에서 측정해 모니터링한다. 반응용액의 투과율을 일정하게 유지하기 위해 전기량계에서 수산화이온을 만들어낸다. 반응용액 내에서 일어나는 반응은 아래와 같다.
\(CO_2+HO(CH_2)_2NH_2 \to HO(CH_2)_2NHCOO^-+H^+\)
\(H^++OH^- \to H_2O\)
수산화이온은 음극에서 물을 전기분해하여 만든다.
\(H_2O+e^- \to \frac{1}{2}H_2(g)+OH^-\)
양극에서는 은이 녹으며 전자를 생성한다.
\(Ag(s) \to Ag^++e^-\)
전기량 정량법의 전체적인 효율은 농도를 알고있는 탄산나트륨(Na2CO3)의 CO2 양을 통해 보정한다.
11.3 기구 및 기기
1980년대 후반 해수중 용존무기탄소의 정밀분석을 위해 전기량계를 활용하는 분석시스템 SOMMA (Single Operator Multi-parameter Metabolic Analyzer)가 개발된 이후 1990년대 초반 전기량계를 이용해 해수중 용존무기탄소를 자동으로 분석하는 상업용 제품이 출시되었다. 이 표준운영절차서는 독일 MRIANDA사의 VINDTA 3C 활용을 기준으로 기술한다.
11.3.1 해수시료 분주 장비
500mL glass-joint 유리병에 채수된 해수시료 중 정확한 양(부피)의 시료를 대기와의 접촉(CO2 교환 발생) 없이 추출시스템으로 옮기기 위한 장비. VINDTA 3C(자산번호 5420150413)의 경우, 밸브 8과 밸브 9 사이에 연결된 19 mL의 유리 피펫임. 분주 시료의 정확한 부피 유지를 위해 시료의 온도는 ±0.4℃로 유지/파악해야 한다.
11.3.2 CO2 추출 장비
해수시료를 인산과 반응시키기 위한 보로실리케이트 재질의 스트리핑 용기로 분석이 완료된 시료를 버릴 수 있는 배출구가 있어야한다. 산성화된 시료에서 발생한 CO2를 추출하기 위해 시료 내에 미세한 플릿(frit)을 통과한 캐리어 기체를 불어낸다. 이후 캐리어 기체는 전기량계의 반응기로 인입되기 전 산성분을 제거해야 한다.
11.3.3 전기량계
UIC의 전기량계가 주로 이용된다(UIC CM5017O, 자산번호 5420160221). 전기량계의 반응기에는 둥글게 말려있는 백금 음극과 은 막대 양극이 있다. 반응용액의 pH를 나타내는 지시약의 pK가 온도에 민감하기 때문에 반응기의 온도는 ±0.2℃로 유지하는 것이 좋다. 한 시료의 분석과정중 온도변화가 심한 경우 실험결과에 이러한 오차가 포함될 수 있다. 통상 음극용액 100mL로 실험하는 경우, 온도 1℃ 변화에서 분석결과 200 카운트 가량의 오차가 발생한다. 해수시료를 분석하는 경우에는 거의 문제가 없지만, 실험의 배경값을 결정하는데 오차를 발생시킬 수 있다.
11.4 시약제조
용존무기탄소 분석에는 고순도 질소(4.1), CO2 제거제(4.2), 인산(4.3), 시료 정제제(4.4), 전기량계 반응용액(4.5)이 필요하다.
11.4.1 고순도 질소
스트리핑 용기에서 발생한 CO2를 전기량계 반응기로 이동시키기 위한 CO2가 포함되지 않은 고순도 질소(>99.999%). 10L 실린더를 사용하는 경우, 약 4~5일 연속분석을 수행할 수 있다.
11.4.2 캐리어 기체용 CO2 제거제
전기량계 바탕값 측정시 오차를 최소화 시킬 수 있도록 캐리어 기체에 포함되어 있을 수 있는 CO2를 제거하기 위한 CO2 흡수제(Ascarite Ⅱ). 고순도 질소의 품질이 좋다면 자주 교체할 필요는 없다.
11.4.4 기체시료 정제제
스트리핑 용기에서 해수시료로부터 추출된 CO2는 전기량계 반응용기에 인입되기 전 과량의 수분(수증기)과 CO2가 아닌 산 증기를 제거해야한다. Peltier cooler에 의해 0~1℃로 냉각된 유리관(condenser)을 통과하며 수분(수증기)이 제거된 시료 추출 기체는 활성화된 실리카겔(Supelco사의 ORBO-53)를 통과해 CO2가 아닌 산 증기를 제거한다. H2S가 포함된 시료는 이를 제거하기 위한 처리가 필요하나, 일반적인 해수시료에서는 불필요하므로 이 표준운영절차서에서는 생략한다.
11.4.5 전기량계 반응용액
전기량계 반응기의 주용기에 표시된 눈금까지 UIC 음극 용액 약 100 mL를 넣는다(음극 용액은 에탄올아민, 테트라에틸암모니어 브로마이드, 디메틸설폭사이드(DMSO)에 용해된 티몰프탈레인과 물의 혼합용액임). 전기량계 반응기의 곁가지용기에는 UIC 양극 용액을 수면의 높이가 음극용액보다 약 1 cm 가량 낮게 맞추어 넣어준다(양극 용액은 요오드화칼륨 포화용액인데, 용매는 물과 DMSO 혼합액임). 양극용액이 요오드화칼륨 포화상태를 유지할 수 있도록 시약등급의 요오드화칼륨 알갱이를 곁가지용기에 넣어준다.
11.5 시료채취 및 관리
분석은 적절한 절차(별도의 표준운영절차서)에 따라 채수, 생물활동 억제용 독처리, 보관한 시료로 수행하여야 한다. 시료를 다루는 전체 과정 중 대기와의 CO2 교환이 생기지 않도록 주의해야 한다. 일반적으로 36개 채수기를 이용해 채수하는 경우, 3 세트(심층, 표층, 용존산소 최소층 등)의 중복시료채집이 권장된다. 채집된 중복시료는 반응기의 안정성 확인을 위해 분석순서를 산재시키도록 한다.
11.6 실험방법
11.6.1 기본사항
모든 분석과정은 전기량계에 새로운 반응용액 사용과 함께 시작한다.기본 분석 순서는 1) 전기량계 반응기에 새로운 반응용액을 채운 뒤, 2) 해수를 이용해 2회 “junk” 분석을 수행해 분석장비의 성능상태를 점검한 뒤, 3) 분석장비의 바탕값을 확인하고, 4) CO2 CRM을 분석한 뒤, 5) TCT 값이 24를 넘지 않도록 시료분석을 수행하는 것이다. CO2 CRM 분석결과를 이용해 시료분석값을 보정하므로 장비에 대한 별도의 기계적인 보정작업은 수행하지 않는다.
11.6.2 바탕값 측정
VINDTA 프로그램의 “BLANK” 버튼을 눌러 바탕값 측정을 수행한다. 해수시료를 넣지 않은 상태에서 분석장비를 거쳐나온 캐리어 기체의 CO2 값을 측정하는 과정으로 10분간 누적된 카운트수를 10으로 나누어 1분 동안 분석장비와 캐리어 기체가 만들어내는 카운트수를 구한다. 분석을 시작하기 적합한 바탕값 카운트수는 25 이하이며, 25보다 큰 경우에는 바탕값 측정을 한번 더 수행한다. 바탕값 측정을 통해 바탕값 카운트수가 25 이하로 확인되면 VINDTA 프로그램상에서 ‘blank’ 값을 50으로 조정하고 이후 분석을 진행한다.
11.7 결과계산
11.7.1 바탕값 계산
바탕값은 분당 카운트수(counts min-1)로 아래와 같이 계산한다.
\[b=\frac{N_b}{10}\] 여기서, Nb = 10분간 누적한 전기량계 카운트수
11.7.2 해수시료 계산
해수시료 중 용존무기탄소 농도는 아래와 같이 계산한다.
\[{C_T}^{'} = \frac{N_s-b \cdot t-a}{c} \cdot \frac{1}{V_s \cdot ρ}\]
여기서
\({C_T}^{'}\) = 시료의 용존무기탄소 농도(mol kg-1)
\(N_S\) = 시료분석결과 전기량계 총 카운트수(counts)
\(a\) = 인산 바탕값 (counts)
\(b\) = 분석장비의 바탕값 (counts min–1)
\(c\) = 전기량계 보정계수 (counts mol–1)
\(t\) = 시료분석에 걸린 시간(분, min)
\(V_S\) = 분석에 사용된 시료의 부피 (mL, dm3)
\(ρ\) = 해수시료의 밀도 (g cm–3)
시료의 용존무기탄소 농도를 보다 정확히 계산하기 위해서는 시료채집 후 넣어준 염화수은에 의한 희석효과와 시료채집 후 시료병 내에 만들어준 여유공간(headspace)에 의한 \(CO_2\) 교환을 보정하여야 한다.
\[C_T=1.0002({C_t}^{'} - \Delta C_T)\]
여기서, \(\Delta C_T\)는 시료병 내 여유공간의 CO2 교환에 따른 CT 변화량이다. r은 1% 미만이므로 이러한 보정량은 0.5 μmol kg–1 미만이다.
11.8 정도평가/정도관리
11.8.1 분석 정도관리
분석 정밀도와 정확도의 적정성을 점검하기 위해 다양한 점검이 필요하다. 전세계 해양 CO2 조사를 위해 설정된 목표는 항차내 분석 정밀도(1 표준편차)는 1.5 μmol kg-1이고, 항차간 분석결과 차이는 4 μmol kg-1 미만이다.
분석을 진행하며 예비결과를 계산해 아래 항목들 확인을 통해 정도관리를 수행한다.
8.1.1. 바탕값과 그 안정도
바탕값을 25 counts min-1 (0.05 μg C min-1) 미만이어야 하며, ±10 counts min-1 내로 변동이 안정적이어야 한다. 바탕값 수준은 다음과 같은 컨트롤 차트로 기록/보관한다.
중앙선(\(\bar{x}\))은 평균값이며, 각각의 한계선은 분석결과의 표준편차로부터 다음과 같이 구한다.
관리상한(upper control limit) \(UCL=\bar{x}+3s\)
경계상한(upper warning limit) \(UWL=\bar{x}+2s\)
경계하한(lower warning limit) \(LCL=\bar{x}-2s\)
관리하한(lower control limit) \(LCL=\bar{x}-3s\)
8.1.2. CO2 CRM 분석
Scripps 해양연구소 Dr. Dickson의 CO2 CRM을 주기적으로 분석한다(새로운 전기량계 반응용액 사용시마다 최소 한번). 바탕값과 같은 컨트롤 차트로 기록/보관한다.
8.1.3. 중복채집 시료 분석
매 10개의 시료 분석시 하나의 중복채집시료를 분석한다. 중복채집시료의 분석값 차이는 다음과 같은 컨트롤 차트로 기록/보관한다.
캡션을 입력하세요
중복시료의 분석값 간 차이의 절대값(R)과 그 표준편차를 이용해 각 한계값은 다음과 같이 정한다.
관리상한(upper control limit) \(UCL=3.267\bar{R}\)
경계상한(upper warning limit) \(UWL=2.512\bar{R}\)
경계하한(lower warning limit) \(LCL=0\)
관리하한(lower control limit) \(LCL=0\)
11.9 참고문헌
Dickson, A.G. 1992. The determination of total dissolved inorganic carbon in sea water. The first stage of a collaborative study. U.S. Department of Energy No.DOE/RL/01830T-H14.
Huffman, Jr., E.W.D. 1977. Performance of a new automatic carbon dioxide coulometer. Microchem. J. 22: 567–573.
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Johnson, K.M., Williams, P.J. leB., Brändström, L. and Sieburth, J.M. 1987. Coulometric TCO2 analysis for marine studies: automation and calibration. Mar.Chem. 21: 117–133.
Johnson, K.M., Wills, K.D., Butler, D.B., Johnson, W.K. and Wong, C.S. 1993. Coulometric total carbon dioxide analysis for marine studies: maximizing the performance of an automated continuous gas extraction system and coulometric detector. Mar. Chem. 44: 167–187.
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