[탁도] - Turbidity
우리는 ‘공기가 탁하다. 물이 탁하다’라는 말을 흔히 사용한다. 수중의 탁도는 말 그대로 물이 혼탁한 상태를 의미하며 미세한 입자들이 수중에 분산된 것을 말하기도 한다. 빛이 수중을 투과할 때 미립자에 의해 산란 또는 반사되게 된다. 만약이 투과된 빛의 투과광이 줄어들었다면 ‘탁하다’라고 볼 수 있다. 반대로 광량이 줄어들지 않고 모두 투과된다면 매우 맑은 물이라 볼 수 있겠다. 이처럼 광량으로 혼탁한 정도를 측정하는 장치를 우리는 탁도계라고 부른다.
즉, 탁도 측정기는 액체의 탁한 정도를 측정하는 장비이며 환경 모니터링 및 프로세스 산업용으로 널리 이용되고 있다. 환경 관리와 관련된 주요 용도로는 강물의 탁도, 하수 처리장의 폐수의 탁도, 공장 폐수의 탁도 측정 등이 있으며 제일 중요한 것으로 사람들의 생활에 직결되는 것으로 바로 상수도의 탁도 측정이다.
무엇이 탁도를 유발하는가?
물의 특성 가운데 탁도 측정에 영향을 미칠 수 있는 종류가 여러 가지가 있다. 여기에는 입자성 물질 및 물 매트릭스 용존 성분의 색상, 입자 크기, 밀도가 포함된다. 미생물 증식 혹은 센서의 광학 표면에 생긴 스크래치 등(주로 이물질에 의한 브러시 세정에 의해서 발생)과 같은 센서 오손은 광선이 가로막혔을 때 네거티브 바이어스를 만들어 내는 경향이 있다. 하지만 스크래치가 센서 광선의 산란을 증가시키는 경우에는 포지티브 바이어스가 나오기도 하며 이와 유사하게 수중의 기포나 기체는 외견상의 탁도 즉, 포지티브 바이어스를 유발할 수 있겠다.
이러한 물의 특성이 미치는 영향 혹은 탁도 관련 간섭에 대비하고자 현재는 다양한 종류의 기기들이 설계되고 있다. 가령, 탁도 측정 시 미광(stray light)이 있으면 외견상의 추가적인 반사율 때문에 포지티브 바이어스가 생길 수 있는데 최신 기기들 상당수가 특히 동적 모니터링에 사용되는 기종들은 미광을 최소화하도록 설계되어 있다.
탁도의 기본 원리와 종류
탁도를 측정하려면 기본적으로 발광부와 수광부 그리고 측정셀(렌즈 등)가 기본이다. 이 기본적인 구조를 응용하여 다양한 방법으로 탁도를 측정 할 수 있다.
가) 육안법
말 그대로 육안에 의해 탁도를 구하는 방법이다. 이는 가장 원시적이며 가장 쉽게 알아볼 수 있다. 물론 대략 적인 것에 한정 된다. 2개의 유리관의 한쪽에는 시료, 다른 한쪽에는 증류수를 넣고 2개의 관을 위에서 육안으로 들여다보는 방법이다. 증류수가 들어있는 부분을 기준으로 시료와 비교하며 탁한 정도를 결정하게 된다. 이 때 탁도 기준표를 바꾸어 가면서 일치했을 때의 탁도를 시료의 탁도 값으로 정한다.
나) 투과광법
수중에 일정한 강도의 광원을 조사하면 수중의 미립자에 반사 또는 산란이 발생한다. 이것은 수조의 두께와 미립자의 밀도에 비례하는데 이 흡광도를 측정하여 미리 알고 있는 기준치와 비교한 검량선으로부터 탁도를 구하는 방법이다. 고농도의 측정이 가능하나 색도에 의한 간섭을 피하기 위해 660nm 부근의 파장을 이용한다는 점과 기포의 영향이 있다.
다) 90° 산란광법
산란광법은 수중의 미립자에 의한 산란광의 강도를 660nm 부근에서 측정하여 표준 용액의 산란광의 강도와 비교 측정하여 목적 성분의 탁도를 구하는 방법이다. 미립자에 의한 산란 광량은 입자 수에 비례 관계를 나타내는 특성이 있다. 따라서 일반적 투과광의 영향을 피하기 위해직각 방향으로 측정을 하는 것이 보통이다.
이러한 방식은 90° 산란뿐만 아니라 전방 산란, 후방 산란법과 함께 하는 방법 등 다양하게 있으며 시료 착색의 영향이 적어 검출기의 조합으로 고탁도의 측정이 가능하며 역시 검출기의 조합에 의해 정밀도가 높은 편이다.
라) 표면산란광법
그림. 표면산란광법 일례
기포제거기를 통과하고 안정된 수면에 비스듬히 빛을 조사하면 산란된 빛을 얻을 수 있다. 이때 수면 위에 있는 광 검출기로 수광 하고 변환기를 통해 연산하면 탁도 값을 얻을 수 있는 원리다. 이 방식은 센서가 직접 물을 접하지 않기 때문에 오염의 염려가 없고 저탁도에서 고탁도까지 측정 할 수 있기 때문에 상하수도 등의 여러 산업분야의 탁도 측정에 많이 사용되고 있다.
마) 적분구법
그림. 적분구법
수중의 입자에 의한 산란광의 강도와 투과광의 강도와의 비를 구하여 탁도를 측정하는 방법이다. 표준 용액을 이용하여 미리 설정한 검량선에서 탁도 농도를 구할 수 있는 것으로 시료 착색의 영향이 적다는 것이 특징이다.
표1. 탁도 측정 시 물 매트릭스의 특성에 따른 영향과 설계 대응 방안
물 매트릭스의 특성 | 측정에 미치는 영향 | 영향의 방향성 | 기기 설계상의 대응책 |
착색 입자 | 광선 흡수 | 네거티브 | 근적외선(780-900 nm) 광원 복수의 검출기 |
매트릭스 자체의 색상(용해 상태로 존재) | 광선 흡수(샘플 매트릭스 내에서 입사광 파장이 흡수 파장과 겹치는 경우) | 네거티브 | 근적외선(780-900 nm) 광원 복수의 검출기 |
입자 크기: 대형 입자 소형 입자 | 파장에 따라 다름. 소형 입자에 비해 장파장 광을 쉽게 산란함. 장파장에 비해 단파장 광을 효과적으로 산란함. | 포지티브(근적외선 광원의 경우, ~820-900 nm) 포지티브(백색광처럼 광원 파장대가 넓은 경우) | 백색광(파장대가 넓은) 광원 근적외선(780-900 nm) 광원 |
입자 밀도 | 고밀도에서 빛의 전방산란과 후방산란 증가 | 네거티브 | 복수의 검출기 후방산란 |
표2. 탁도 측정 시 샘플링 간섭과 그에 따른 영향
간섭 | 측정에 미치는 영향 | 영향의 방향성 |
미광 | 외견상의 광 산란 증가 | 포지티브 |
혼입 기체로 인한 기포 | 외견상의 광 산란 증가 | 포지티브 |
교정제(calibrants)의 오염 | 외견상의 광 산란 증가 | 포지티브 |
광 센서 오손 또는 스크래치 | 특히 동적 기기에 해당됨. 광선이 가로막힐 수 있음 광학 표면에 스크래치가 있을 수 있음 | 네거티브 포지티브 |
기포 | 외견상의 광 산란 증가 | 포지티브 |
큐벳 글라스상의 스크래치 | 외견상의 광 산란 증가 | 포지티브 |
표3. 대표적인 측정 방식에 따른 특징 요약
[아래에 제시된 범위는 예시일 뿐이며 제조사가 아래의 범위를 능가하는 기기를 개발할 가능성을 배제하지 않음. 약어: EPA 180.1, 미국 환경보호국(EPA) (1993) 시험법 180.1; 규제, (“non-US”라 별도로 명시하지 않는 한) 범위가 EPA 규제에 따름; IR, 적외선; ISO 7027, 국제 표준화 기구(ISO) (1999) 시험법 7027; nm, 나노미터; US, 미국]
측정 방식 | 주요 특징 및 용도 | 측정 범위(NTU) | 사용 범위(NTU) |
[혼탁식] 비-비율법 | 백색광 탁도계 – 저농도 모니터 용도로 EPA 180.1에 따름 | 0~40 | 0~40 |
[비율법] 백색광법 | 저농도 모니터 용도로 EPA 180.1에 따름. 일차 검출기로 혼탁식 검출기를 사용하지만 착색 및 노이즈의 영향을 최소화하고자 기타 검출기를 갖추고 있음. 저농도 및 고농도 측정용으로 사용 가능. | 0~4,000 | 0~40, 0~4,000 |
[혼탁식] 근적외선법 | ISO 7027에 따름 – 파장(780-900 nm)이 착색에 영향을 덜 받는 편임. 착색 샘플 및 저농도 모니터 용도로 적합. | 0~1,000 | 0~1,000 |
[혼탁식] 근적외선 비율법 | ISO 7027에 따름. 가변성 및 착색을 모니터 및 상쇄하기 위한 비율 알고리즘 포함. | 0~4,000 | 0~40, 0~4,000 |
[표면산란법] | 규제 용도로 사용 불가. 샘플 표면 또는 표면 인접 영역의 광 산란을 통하여 탁도를 측정한다. 검출 각도는 여전히 혼탁식이지만, 간섭이 혼탁식 비-비율법만큼 상당하지는 않다. 주로 고농도 탁도 측정에 쓰인다. | 10~10,000 | 10~10,000 |
[후방산란법] | 규제 용도로 사용 불가. 후방산란은 고농도, 비율식은 저농도 측정용. 후방산란은 프로브에 일반적으로 사용되는 기술이며 고탁도 샘플에 적합함. | 10~10,000 | 10~10,000 |
[분광 광도법] | 규제 용도로 사용 불가. 파장 860 nm. 간섭에 매우 민감하다. 저농도부터 중간 농도까지 탁도 측정에 적합함. | 20~1,000 | 20~1,000 |
[다중 광선법] | 기준 신호와 활성 신호를 동시에 제공하고자 다중 광원과 복수의 검출기를 사용하며, 최소 네 개의 독립적인 측정이 이뤄진다. 최종 신호는 비율 알고리즘을 통해 결정된다. | 0~40 | 0~40, 0~1,000 |
※탁도와 SS는 상관관계가 있는 것일까?
탁도와 SS에 대해서는 그 기준이 다르다. 예를 들면 탁도 1NTU는 SS로 환산하면 대략 2mg/L 와 유사하나 명확한 환산 식도 없으며 엄연히 다르다.
다만 현장에서 탁도 값이 높아지면 SS 값도 높게 지시되는 경우가 많은데 "측정 결과의 경향"이라는 측면에서 본다면 유사한 결과가 나오는 경우가 많이 있어 이런 면에서 비교적 비슷하다는 것이지 결코 같다고 보면 안 된다.
Tip
탁도(Turbidity)
액체의 광학적 특성 가운데 하나로서, 투과광의 산란 및 흡수를 유발하며 수중의 부유 및 용해 물질(점토, 토사, 미세 유기물, 플랑크톤 및 기타 미생물, 유기산, 염료 등)로 인해 발생하며 물을 흐리거나 혼탁하게 만든다. 용존 화합물 때문이든 부유 입자 때문이든, 물의 색상은 탁도 측정에 절대적인 영향을 미칠 수 있다.
탁도는 온도나 pH처럼 물에 내재하는 특성은 아니지만 먹는 물 기준을 나타내는 지표로서 중요한 측정 항목으로 있기에 고품질 및 객관적인 탁도 측정에 대한 요구가 증가하고 있다. 이러한 요구에 맞춰 오늘날에는 상대적으로 저렴하면서도 정교한 기기가 개발되어 천연수의 탁도 연속 모니터링 및 데이터 로깅이 가능하게 되었다.
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