Chapter 5 화학적 산소요구량 분석 표준운영절차서
5.1 목적 및 범위
화학적 산소요구량은 해수시료를 알카리성으로 하여 산화제인 과망간산칼륨을 일정량 넣은 다음 60분간 중탕 가열반응 시켜 화학적으로 산화시킬수 있는 물질을 산화시킬 때 소비되는 과망간산칼륨의 양으로부터 산소량을 유추하여 해수 시료 중 유기물의 양을 간접적으로 표현한다. 이 표준운영절차서는 해양수산부의 해양환경공정시행법 (2013-230)에서 반응시 Grahm 응축기를 부착한 250ml Erlenmeyer Flask를 대신하여 Borosilicate Watch Glass와 100ml Borosilicate 비이커를 반응용기로 사용하여 많은 수의 시료를 동시에 분석할 수 있는 장점을 가지고 있다. 한국해양과학기술원에서 변형한 방법(KIOST modified MOF 2013-203)에 대한 내용을 중심으로 측정원리, 분석준비, 분석과정 및 분석 후 자료처리 등을 포함한다.
5.2 측정원리
해수시료를 알칼리성으로 하여 산화제인 과망간산칼륨을 일정량 과량으로 넣은 다음 60분간 가열 반응시켜 화학적으로 산화시킬 수 있는 물질을 산화시키며, 이때 소비되는 과망간산칼륨의 양으로부터 산소량을 유추하는 것으로 해수 시료 중 유기물의 양을 간접적으로 표현할 수 있다.
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단계별로 살펴보면 먼저 과망간산칼륨용액을 첨가한 후 가열하여 유기물을 산화시킨다(①식). 이 때 반응하고 남은 요오드화칼륨용액은 황산용액과 함께 첨가된 요오드이온(I-)을 아이오딘(I2)으로 산화시킨다(②식). 형성된 아이오딘(I2)은 과잉의 요오드이온(I-)과 반응하여 트리아이오다이드 착물(I3-)을 형성한다(③식). 이 때 유리된 트리아이오다이드 착물(I3-))은 첨가되어진 티오황산나트륨에 의해 다시 요오드이온(I-))으로 환원된다(④식). 이 때 트리아이오다이드 착물(I3-))은 티오황산나트륨에 의해 완전히 환원되기 전 넣어준 녹말지시약과 반응하여 푸른색을 띈다(⑤식). 그러므로 푸른색이 사라질 때까지 첨가되어진 티오황산나트륨의 양으로부터 과잉으로 남은 과망간산칼륨의 양을 알 수 있다.
- \(8{MnO_{4}}^{-} +\) 유기물 \(→ 8MnO +8OH^{-} + 6CO_{2} +2H_{2}O\)
- \({MnO_{4}}^{-} + 2I^{-} + 8H^{+} → Mn^{2+} + I_{2} + 4H_{2}O\)
- \(I_{2} +I^{-} = I^{3-}\)
- \(I^{3-} +2{S_{2}O_{3}}^{2-} → 3I^{-} +{S_{4}O_{6}}^{2-}\)
- 녹말 + \(I^{3-}\) → 푸른색
유기물이 없는 바탕용액(초순수수)에서 동일한 실험을 수행하여 사용된 시약등에 의해 소비되는 과망간산카륨을 제외하여 순수하게 시료에 포함된 유기물을 산화하는데 사용되어진 과망간산칼륨의 양을 계산한다. 위 반응식에서 유기물을 분해하는데 소비되어진 과망간산칼륨의 양은 바로 같은 유기물을 분해하는데 요구되어지는 산소의 양과 같으므로 이를 화학적산소요구량(Biochemical Oxygen Demand)이라고 하며, 이 반응에 참여한 과망간산칼륨의 당량은 산소의 당량과 같으므로 이 관계식으로부터 화학적산소요구량을 계산할 수 있다. 이 방법의 정량범위는 0.18~8 mgO2/L 이고, 95% 신뢰도(k=2) 수준에서 검출한계(MDL)는 0.18 mgO2/L 이고 불확도는 0.11 mgO2/L이다. 60분간 가열하였을 때 최초에 첨가한 과망간산칼륨용액의 약 1/2이 잔존할 수 있는 양을 시료의 양으로 한다. 단 알칼리성 과망간산칼륨법에 의한 산소요구량이 8 mg O2/L 이하인 경우에는 시료양을 50 mL로 한다.
5.3 방해물
유기물의 난분해성 정도와 염분 등의 간섭조건에 따라 산화정도 차이가 크다. 자연시료를 측정할 경우 총 유기탄소 측정에 근거한 이론적산소요구량을 기준으로 대체로 30～50%의 산화효율을 보이고 있어 해수시료중의 유기물 농도의 간접적인 지표로 이용하기에 신뢰성이 낮다. 중크롬산칼륨은 과망간산칼륨보다 강력한 산화제로서 상대적으로 산화효율은 높으나 해수시료의 경우 염소계 이온에 의한 간섭효과가 큰 문제점이 있다.
5.4 기구 및 기기
해수중 화학적 산소요구량 분석에는 필요한 기구 및 기기는 반응용기(4.1), 항온수조(4.2), 시계접시(4.3), 피펫류(4.4), 적정용 자동뷰렛(4.5)등이 있다. 실험에 사용되는 초자류를 10%의 염산으로 세척한 후 초순수수로 3회 헹구어 사용한다. 분석기기의 구성과 사용법은 부록에서 자세하게 다루고자 한다.
5.5 자동뷰렛
정밀한 적정을 위해 가급적 유리뷰렛 대신 정밀한 자동뷰렛을 사용하도록 한다(예; Metrohm사의 665 Dosimat burette, SCHOTT Instruments사의 TITRONICⓡ universal).
5.6 시약제조
화학적 산소요구량 분석에 사용되는 시약은 수산화나트륨(5.1), 요오드화칼륨(5.2), 황산용액(5.3), 녹말지시약(5.4), 과망간산칼륨(5.5), 티오황산나트륨(5.6). 요오드화칼륨(5.7)등 이다.
5.6.3 50% (v/v) 황산용액
진한 황산(H2SO4) 50 mL를 초순수 약 40 mL에 천천히 첨가하여 혼합한다. 그리고 실온으로 방냉한 다음 정용플라스크에서 100 mL 눈금까지 맞춘다.
5.6.4 1% 녹말지시약
수용성 녹말 1 g을 초순수 50 mL에 혼합한 다음 용액이 투명해질 때까지 가열한 후 초순수를 첨가하여 정확히 100 mL로 한다. 그리고 이 용액은 상온으로 방냉 하여 사용한다. 만약 장기간 보관하여야 할 경우에는 방부제 (Hg2I2)를 소량 첨가한다. 냉장 보관하더라도 1주일을 초과하지 말아야 한다.
5.6.5 0.025 N 과망간산 칼륨용액
과망간산칼륨(KMnO4) 0.790 g을 초순수에 녹여 정확히 1000 mL로 한다. 이 용액을 비이커에 옮긴 다음 1～2시간 조용히 끓인 후 하루 동안 암소에 방치한 다음 유리 여과기로 여과하여 갈색병에 넣어 암소에 보관한다.
5.6.6 0.01 N 티오황산나트륨 용액
티오황산나트륨(Na2S2O3·5H2O) 약 2.48 g을 취하여 일정량의 초순수에 녹여 1000 mL로 한다. 티오황산나트륨이 산화환원 반응에 참여할 때 변화된 산화수는 1 티오황산나트륨(Na2S2O3·5H2O)에는 황(S)이 2개 존재하므로 총 변화된 산화수는 1(=0.5 × 2)이다.
\(2{S_{2}O_{3}}^{2-} + I^{3-} → {S_{4}O_{6}}^{2-} + 3I^{-}\) ;
\([S^{2+}] → [S^{2.5+}]\) ; \(\Delta\) 산화수 \(= 0.5\)
이므로 티오황산나트륨의 몰 농도는 노르말 농도와 같다. 그러므로 이 경우 용액의 몰 농도와 노르말 농도는 같게 된다.
\(I^{3-} + 2{S_{2}O_{3}}^{2-} → 3I^{-} + {S_{4}O_{6}}^{2-}\)
황(S)의 산화수 변화 ;(-2) → (-2.5)
5.6.7 0.001667 M 요오드산칼륨 표준용액(0.0100 N)
요오드산칼륨 (KIO3)을 120℃에서 약 2시간 동안 건조시킨 후 데시케이터에서 방냉한다. 요오드산칼륨 0.3567g을 정확히 취하여 초순수에 녹여 정확히 1000 mL로 한다. 본 시약은 티오황산나트륨의 표준화에 사용되어지므로 정확히 0.3567g을 취하지 못할 경우, 측정되어진 무게의 정확한 값으로부터 몰 농도를 정확하게 구하여 티오황산나트륨 용액의 표준화에 사용하도록 한다.
\[M(몰농도)= \frac{1L에 ~ 첨가되어진 ~ 요오드산 칼륨 ~ 무게}{요오드산 칼륨 ~ 분자량 (214.0g)}\]
5.7 시료채취 및 관리
1.1. 시료를 채취한 후 바로 시험하는 것이 가장 바람직하며, 바로 시험하지 못할 경우 0~10℃의 냉암소(차갑고 어두운 곳)에 보관한 다음 가능한 빨리 분석한다.
5.8 시험방법
5.8.1 티오황산나트륨용액 농도의 표준화(표정)
7.1.1. 100 ml 비이커에 정확히 10.0 ml 요오드산칼륨 (0.00167 M)를 옮겨 넣어준다. 초순수 약 40 mL를 넣은 후 흔들어 잘 섞이도록 한다.
7.1.2. 요오드화칼륨용액을 1 ml 넣고 잘 흔든 후 즉시 50% 황산 용액 1 ml을 넣어준다. 이 때 요오드 이온(\(I^{-}\))은 요오드산(\({IO_{3}}^{-}\))에 의해 환원되어 트리아이오다이드 착물(\({I_{3}}^{-}\))을 형성한다 (\({IO_{3}}^{-} + 8I^{-} + 6H^{+} → 3{I_{3}}^{-} + 3H_{2}O\)).
7.1.3. 티오황산나트륨으로 적정을 실시한다. 노란 색이 거의 사라질 때 약 1 ml 녹말 지시액을 넣어준다. 이 때 용액은 반드시 진한 청색 또는 보라색을 띠어야 한다. 보라색이 사라질 때까지 적정을 한다 (\({I_{3}}^{-} + 2{S_{2}O_{3}}^{2-} → 3I^{-} + {S_{4}O_{6}}^{2-}\)). 이 적정법에 대해서는 ± 0.03 ml 이내의 재현성을 확보해야 한다.
7.1.4. 요오드산(IO3-) 1몰은 최종적으로 티오황산염(S2O32-) 6몰과 반응하게 된다. 그러므로 아래 식에 의해 적정에 사용되어진 티오황산나트륨 용액의 부피로부터 정확한 티오황산나트륨 용액의 몰농도를 간단히 구할 수 있다. 최소 3개의 값을 구한 후 평균값을 사용하도록 한다.
\[ C_{Na_2S_2O_3 \cdot 5H_2O} = \frac{C_{KIO_3} \times 60.0}{V_{Na_2S_2O_3 \cdot 5H_2O}}\\ C_{Na_2S_2O_3 \cdot 5H_2O}: Na_2S_2O_3 \cdot 5H_2O의 ~ 몰농도 (mole/L) \\ C_{KIO_3}: KIO_{3}의 ~ 몰농도 (mole/L) \\ V_{Na_2S_2O_3 \cdot 5H_2O}: Na_2S_2O_3 \cdot 5H_2O의 ~ 적정부피(mL) \]
5.8.2 시료분석
7.2.1. 100 mL 비이커에 시료 50 mL를 정확히 취하고, 20% 수산화나트륨용액 1 mL를 넣어 알카리성으로 한다. 7.2.2. 여기에 0.025 N 과망간산칼륨용액 10.0 mL를 넣은 후 시계접시로 비이커를 덮고 수욕의 수면이 시료의 수면보다 높게 하여 끓는 수욕 중에서 60분간 가열한다. 7.2.3. 가열 후 충분히 냉각시킨 다음 10% 요오드화칼륨용액 1 mL를 넣고, 50% 황산용액 1 mL를 넣어 유리된 요오드를 넣고 티오황산나트륨용액으로 엷은 노란색이 될 때까지 적정한다. 7.2.4. 녹말지시약 1 mL를 넣고 다시 티오황산나트륨용액으로 푸른색이 없어질 때까지 조심스럽게 적정한다. 7.2.4. 별도로 시료양과 같은 양의 증류수를 바탕용액으로 하여 같은 조건에서 바탕용액(blank)의 시험을 행한다. 해수시료의 화학적산소요구량은 다음과 같이 결정한다.
\(= \frac{C_{Na_2S_2O_3 \cdot 5H_2O} \times (V_{Na_2S_2O_3 \cdot 5H_2O;blank}-V_{Na_2S_2O_3 \cdot 5H_2O;sample}) \times 8000}{V_{sample}}\)
\(C_{Na_2S_2O_3 \cdot 5H_2O}\) ; 표준화된 티오황산나트륨의 노르말 농도
\(V_{Na_2S_2O_3 \cdot 5H_2O;blank}\) ; 바탕용액에 들어간 티오황산나트륨의 부피(L)
\(V_{Na_2S_2O_3 \cdot 5H_2O;sample}\) ; 시료용액에 들어간 티오황산나트륨의 부피(L)
\(V_{sample}\) ; 시료부피(L)
