수질 프로세스 분석과 계측 <1>

길주형 로터스프로슈밍매니지먼트 대표
김한결 기자 eco@ecomedia.co.kr | 2018-01-03 14:54:05

수질 프로세스 분석과 계측 <1>

 


우리는 평생을 살면서 물과 상당히 가깝게 접하며 살게된다.


물을 한자로 쓰면 水가 된다. 수질, 수분, 수온, 냉수, 온수, 정수, 폐수, 생수, 수도, 해수, 강수, 분수, 배수, 오수, 급수, 살수, 침수, 영수, 유수, 수소 등 이들 모두 물(水)이 들어간다.


심지어 우리 몸 안에도 존재하는 이 물은 H2O 라는 매우 안정된 산소와 수소의 화합물로 상온에서는 무색무취의 멋진 액체다. 특징도 있는 것이 1기압에서의 융점은 0℃, 끓는점은 100℃이고, 3.98℃에서 밀도가 최대다.(0.999973 g/cm3)


우리가 일반적으로 보는 점(占)에서 물은 오행(五行)의 하나다. 양의 물은 깊고 큰물이라 하여 임수(壬水)라 하고, 음의 물은 얕게 졸졸 흐른다 하여 계수(癸水)라 한다. 결국 물은 하천과 바다, 비, 모든 액체를 말하며, 계절로 보면 겨울이요 방향으로 따진다면 북쪽이다. 물은 뜨거운 불을 만나면 수증기로 되어서 증발해 버린다. 이것은 양(陽)적인 물이기에 임수이고, 계수는 좀 차가워 까칠해 보일 수 있으나 생명을 키울 수 있는 물로 본다.


동서양에서는 심지어 물이 신격화(神格化) 된 경우도 종종 볼 수 있다. 일반적으로 비나 바다, 그리고 호수나 강을 신격화 한 경우인데, 대표적으로 물의 신을 기본 바탕으로 한 바다의 신, 비의 신 등이 있다. 심지어 물에 사는 거북이나 개구리, 뱀, 물고기 등도 예외는 아니며, 비를 내리기 위해 살아있는 생명체를 재물로 바치는 경우를 보면 물이 얼마나 소중하고 중요한 위치에 있었는지 단박에 가늠할 수 있다.

 


물의 구조를 살펴볼 때 위의 그림과 같이 기체분자에서는 결합간격이 0.958Å으로 보기에도 안정적인 이등변삼각형 형태의 독립된 물분자 H2O가 존재한다. 보통 우리가 알고 있는 얼음에서는 수소결합으로 인하여 인규석형(鱗硅石型)의 물분자를 가지는데 이 물분자 사이에는 3차원 구조의 많은 빈공간의 형성으로 인하여 얼음은 물보다 가볍게 된다.

 


수질(水質)
수질은 우리가 흔히 말하는 순수를 포함한 불순물이 함유된 모든 물의 화학적성분과 성질을 말한다. 즉, 화학적이며 생물학적인 특성과 함께 질적 양적까지도 포함한다. 우리가 알고 있는 자연계의 모든 물은 불순물을 함유하고 있다.
바닷물의 경우를 보더라도 해수 1Kg에는 35g의 염분이 함유되어 있으며 오염이 된 경우라면 상당수의 유기물과 다양한 종류의 중금속까지도 포함될 수 있다.
물의 수질을 알기 위해서는 수질검사를해야 한다. 우리가 흔히 수질분석이나 수질시험을 하는 행위이며 수질의 불순물을 분석하고 측정하여 그 양과 질 등을 측정하며 판단한다. 

 

​오늘날 우리는 하천, 바다, 호수를 보며 하늘과 어우러져 있는 물에 녹아들곤 한다. 지구상에 널리 분포되어 쉽게 볼 수 있는데도 말이다. 지표면에 4분의 3을 차지한다고 하지만 어떤 곳에서는 쉽게 찾아 볼 수 없는 아주 귀한 존재이기도 하다. 그래서인지 태양에너지와 중력의 영향으로 증발해 버리면 생태계는 혼돈이 오게 된다. 하지만 재미있게도 액체, 고체 다시 기체 형태를 반복하면서 기권(気圏), 수권(水圏), 암석권(岩石圏)의 삼권(三圏)을 넘나들고 여행하면서 다양한 기상현상을 보여주는 재치가 있다. 또한 생물체의 구성성분에서는 반드시 필요한 존재여서 우리는 체중의 약 70%를 차지하고 세포 내에서 다양한 생체 물질의 용매는 물론 반응 물질로 생체 내 직접 관여 하여 필수적인 역할을 담당하는 아주 고마운 존재이기도 하다. 이 얼마나 매력덩어리인가?


그렇다면 우리는 이런 매력덩어리 물에 대해서 얼마나 알고 있으며 과연 이러한 물을 어디서 어떠한 형태로 어떻게 접하고 있을까? 지금 내가 만나고 있는 물의 상태는 어떠한지, 성격은 어떠한지, 무엇을 원하는지 그 해답이 궁금할 뿐이다.


우리는 사물을 보면 우선 외형을 보게 된다. 그리고 나름 평가를 한다. 가령 크기가 어떠한지, 색상은 어떠한지, 만져도 보고, 무게는 어떠한지, 재질은 무엇인지 등 개인적으로 다양하게 접근해 본다. 결국 우리는 그 어떤 대상에 대하여 양적으로 파악하거나 부호를 이용하여 무언가를 가늠하려고 시도한다. (추후 우리는 이것이 측정과 계측의 혼돈 속에서 골치를 썩게 된다.)


그렇다면 물은 어떻게 가늠할 것인가? 물의 색상은 어떠한지, 물맛은 좋은지, 물에서 냄새는 나는지, 물에 불순물은 있는지, 물에 어떠한 이온이 얼마나 있는지, 물에 산소가 얼마큼 있는지 등 다양한 궁금증을 유발하지만 어떻게 이 궁금증을 해결할 수 있을까?

 

 

 

물은 복잡하고도 과학적인 생명력을 지닌다
물의 성질은 보통 매력이 아닌지라 처음에도 언급했듯이 증류수와 순수의 경우는 무색으로 투명하며 무미, 무취의 액체이다. 우리가 일상에서 흔히 쓰는 말 중에 열량(熱量)이 있는데 바로 물에서 나왔다. 이것은 표준 기압하에서 순수 1㎏을 14.5℃로부터 15.5℃까지 1℃ 상승시키는 데 요하는 열량을 1㎉라 하여 열량 단위, 비열의 표준으로 삼아왔으며 4186Joule 또는 427㎏·m의 일에 해당한다.


영국의 경우는 영열량(英熱量)이라고하여 물 1lb를 표준기압하에서 60.5℉로부터 61.5℉까지 높이는 데 필요한 열량을 말한다. MKS 단위계로 보면 1,055.04Joule과 같으며 BTU는 252.161cal에 해당한다.


좀 더 관심 있게 물리적 관점에서 보면 다음과 같은 성질을 알아낼 수 있다.

 

 

 

순수한 물이 가진 화학적인 특성은 물리적인 특성과 다르게 재미있는 반응을 나타낸다. 가장 흔한 현상이면서 무엇보다 중요한 것이 일단 물은 온도에 예민하다. 물은 용해(Dissolution)하는 성질이 있으며 물의 용해량(Meltage)은 물질에 따라 다르고 온도에 따라 상당히 다른 변화를 가져다준다.


즉 물에 대한 용해도(Solubility)는 용해량과 관련이 있는데 온도가 증가하고 감소함에 따라 용해량도 달라지는 것이다. 가장 흔한 온도 현상으로 상온에 있던 순수한 액체의 물이 0℃이하로 온도를 내리면 고체인 얼음으로 변하고 100℃ 이상으로 끓이면 기체인 수증기로 변하는 성질만 봐도 온도에 매우 예민하다는 것을 알 수 있다.

위의 표를 보면 비중이 온도에 따라 다르게 보이는 현상을 알 수 있으며 어떤 온도에서 어떤 물질의 밀도를 표준물질의 밀도로 나눈 값을 비중(Specific gravity)이라 한다. 비중은 표준물질로서 보통 4℃의 물, 기체인 경우 에는 표준상태(0℃ 1기압)의 공기, 산소 또는 수소가 각각 사용된다.

 


우리가 각 현장 프로세스 중에 무엇을 분석하든지 가장 큰 문제를 일으키는 것도 바로 물의 온도와 밀접하다. 현장에서 분석기를 사용하여 수질분석을 함에 있어 가장 고려해야 할 부분이 바로 온도인 것을 잊지 말자.


물을 측정할 것인가? 계측할 것인가?
우리는 머리카락이 길어짐에 따라 자로 재지 않아도 대략적으로 몇 센티미터인지 어림잡는다. 그리고 적당한 길이만큼 자르고 만족한다. 물론 잘못 실수하면 잘린 머리카락은 붙일 수도 없게 된다.(만약 현장에서의 사고라면 대략 난감이다)


과연 무엇을 기준으로 몇 센티미터인지 어림잡은 것일까? 그리고 잘린 머리카락은 왜 붙일 수 없으며 다음에 그런 실수를 하지 않으려면 미리 알 수 있는 방법은 없었을까?


물로 생각해 보자. 물은 상온에서 아주 태평한 상태의 맑은 액체로 있다가 온도를 올리면 서서히 움직임이 빨라진다. 그러다 어느 시점에 이르러서는 이내 소리를 내며 끓기 시작한다. 이때 우리는 과연 몇 도(℃)에 물이 끓었는지 온도계로 재기 시작한다. 이것을 우리는 측정(Measurement)이라 한다. 그래서 몇 도에 물이 끓었는지 측정을 한 것이다.
그럼 계측은 무엇인가? 일단 계측은 영어로 ‘Instru-mentation’으로 표현부터가 다르다. 측정은 길이·온도·무게 등 하나의 목적에 대해 하나의 수치를 나타낸 것으로 표현된다.


즉, 측정은 철저하게 작업자의 영역이다. 작업자가 단순히 물속에 온도계를 넣어서 물의 온도를 확인해 보니 100℃가 나왔다면 측정을 한 것이다. 사람이 아닌 기기를 사용하였다면 측정기다. 여기서는 온도계가 되겠다.


만약 물이 끓어서 수증기로 증발이 되어 물의 양이 줄어든다고 가정하자. 시간이 지남에 따라 물의 양은 줄어들 것이고 결국 완전히 증발 될 것이다. 만약 분(min)단위로 물의 양이 기록되고 완전 증발된 시점의 결과를 얻었다면 이것은 계측으로 본다. 사람이 아닌 기기를 사용하여 측정값을 얻을 수 있었다면 계측기다.

 
즉, 계측은 실험의 목적은 물론 측정방법과 실시된 경로, 그리고 결과가 함께 나타내져야 한다. 이 결과가 있어야지만 이후 소기의 연구 목적을 달성할 수 있기 때문에 계측은 기술자의 영역이다.

 

 


물을 분석한다
물을 측정이나 계측 말고 분석(Analysis)을 한다는 것은 무엇인가? 간단히 말해서 수중에 포함되어있는 성분의 종류나 양을 화학적 및 물리적으로 파악하는 것으로 본다. 사람이 아닌 기기로 했다면 분석기다.

 


물을 분석한다는 것(분석기로 분석을 했다는 것을 포함한다)은 상당히 까다롭고 어려운 기술이다. 왜냐하면 측정과 계측이 포함되어 있는 것을 간주하기 때문이다. 분석은 단순한 과정이 아니다. 많은 측정과 그 측정치를 가지고 계측을 한다. 그리고 최종적인 분석을 하여 결과 치를 나타내는 일련의 종합과정이다.

 


현재 산업현장에서 물이 쓰이지 않는 곳은 거의 없다. 우리는 물 없이 살 수 없으며 가정에서 사용되는 대부분의 것들이 물 없이 만들어질 수 없다. 그럼 물을 분석한다는 것은 무슨 의미일까? 물을 분석해서 무엇을 알아내려고 하는 것일까? 단순히 물의 성분을 알려고 하는 것일까? 아님 성분의 양을 파악하는 것일까?

 


오늘날에는 분석기(Analyzer)를 사용하여 물을 측정 및 계측을 한다. 인간이 마치 기계의 일부가 되어 작업했던 과정을 이제는 기기가 인간의 일을 대신해준다. 1930년대 선형제어이론이 성립되면서 1940년대에는 자동제어의 최적화이론이 체계화되고 1965년도에 현대의 제어이론이 정립하게 된다.


이후 1970년도에 전자식제어장치의 통일신호(4~20mA)가 정립됨에 따라 퍼지(Fuzzy)제어가 가능하게 된다. 1999년도에는 SI단위계가 완전이행 됨에 따라 필드버스(Fieldbus)가 실용화하게 되어 오늘날까지도 사용하고 있다. 

 

이처럼 분석기로 편리하게 물을 측정하고 계측할 수 있었던 것에는 놀라운 계장기술의 눈부신 발전이 있었기에 가능했다.


 

 

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