KR20190107586A - 물 또는 폐수의 구성 물질 또는 품질 파라미터를 결정하기 위한 측정 배치 및 측정 방법 - Google Patents
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Abstract
반응 모듈에서 물 또는 폐수의 샘플의 열 분해, 캐리어 가스 흐름에서 검출기로의 반응 생성물의 전달, 및 구성 물질 또는 품질 파라미터의 값을 유도하기 위한 검출기 신호의 평가에 의한 물 또는 폐수의 구성 물질 및/또는 품질 파라미터를 결정하기 위한 측정 배치에 있어서, 상기 반응 모듈은, 내부 저항 가열 또는 적외선 가열을 갖는 작동 동안 수직 방향의 세장형 용기이고, 상기 샘플이 투입되는 헤드 섹션, 상기 열 분해가 수행되는 반응 구역, 및 상기 반응 생성물이 상기 캐리어 가스 흐름에서 배출되는 풋 섹션을 갖고, 상기 반응 모듈, 상기 저항 가열 또는 적외선 가열, 및 샘플 및 캐리어 가스의 공급을 위한 수단은, 상기 측정 배치의 상기 작동 동안, 상기 반응 구역에서의 최대 온도 TMAX = 1150°C에서 외부 풋 온도는 TF = 150°C이고, 외부 헤드 온도는 TH = 80°C가 되도록 구성된다.
Description
본 발명은 물 또는 폐수의 구성 물질 또는 품질 파라미터를 결정하기 위한 측정 배치 및/또는 측정 방법에 관한 것이다.
물의 특정 구성 물질들의 함량 -따라서 음용수, 공정수 또는 해수 및 유기 물질들, 질소 화합물 등에 의해 오염된 폐수의 품질-을 결정하기 위해, 산소가 풍부한 불활성 운반 가스(캐리어 가스)의 대기에서 샘플을 증발 및 연소하는 것 및 이 때 얻은 연소 가스 혼합물을 이산화탄소, 이산화질소 등의 검출에 적합한 검출기에 공급하는 것이 알려져 있다.
검출기들로서, (다른 것들과 별개로) 적외선 검출기들은 탄소 함량에 대한 가치가 입증되었고, 각각의 특수한 화학발광 검출기들, 전기화학 센서들은 질소 함량에 대한 가치가 입증되었고, 이른바 전하 검출기들은 할로겐 함유량에 대한 가치가 입증되었다.
유기 구성 물질들의 함량 -소위 TOC(Total Organic Carbon)(총 유기 탄소)-을 캡쳐하기 위한 물 샘플의 연소에 기초한 검출 방법들이 널리 보급되었다. 여기서, 운반 가스와 함께 소량의 물은 저항 가열에 의해 미리 결정된 온도로 가열된 퍼니스(furnace)에 공급되어, 거의 즉시 증발 및 연소되며, CO2 함량의 표시가 물 샘플의 C 함량에 대한 측정을 구성하는 NDIR CO2 검출기로 연소 가스가 공급된다. 이러한 방법 및 상응하는 장치들의 진보된 구현이 DE 43 44 441 C2에서 개시된다. 매우 낮은 TOC 값-의료용 초-순수 물 또는 초-순수 용액과 같은-을 측정하도록 변형된 배치는 EP 0 684 471 A2에서 개시된다.
문헌 EP 0 887 643 B1 및 EP 1 055 927 B1에서, 출원인은 이러한 종류의 방법 및 적절하게 설계된 반응기들 또는 일반적인 배치들을 추가로 제안하였다. 이러한 측정 배치에서 샘플들의 개선된 로딩은 출원인의 문헌 WO 2016/091252 A2의 주제이다.
문헌 US 5702954는 환원제(산소와 같은)의 존재 하에서의 연소 및 상온에서 추가의 반응 챔버에서의 오존과의 후속 변환을 포함하는 인 함유 물의 인-함유 식물성 또는 동물성 샘플들에 대한 멀티-스테이지 분해 방법을 개시한다. 문헌 US 2003/0032194 A1은 또한 주로 질소 및 황뿐만 아니라 이들 요소들 중 하나를 함유하는 샘플에서 인을 결정하기 위해 개발된 멀티-스테이지 산화법을 개시한다. 특별한 촉매 또는 오존을 사용하는 열분해 방법들은 JP 59154358 A 또는 JP 61140863 A로부터 또한 공지되어있다.
상술된 출원인의 특허/출원에 기초한 폐수 샘플들의 인 함량을 결정하기 위한 측정 배치 및 측정 방법은 출원인의 문헌 EP 2 115 453 B1에 개시된다.
본 발명은 물 또는 품질 파라미터들의 다양한 구성 물질들에 사용될 수 있는 개선된 측정 배치 및 개선된 측정 방법을 제안하기 위한 과제에 기초하고, 샘플들의 비용-효율적인 분해가 가능하고 실제로 취급하기 쉽고 안전하다.
이러한 과제는, 이것의 장치 측면에서 청구 범위 제1항의 특징을 갖는 배치에 의해, 이것의 방법의 관점에서 청구 범위 제8항의 특징을 갖는 방법에 의해 해결된다. 본 발명의 아이디어의 적절한 추가 개발들은 종속항들의 주제이다.
본 발명은 적절한 구조 및 제어 방법들에 의한 측정 배치의 반응 모듈에 대한 열 손실을 감소시키는 아이디어를 포함하고, 특히 작동 과정들 동안 중요한 헤드 및 풋 영역에서의 반응 모듈의 하우징 온도를 제한하는 아이디어를 포함한다. 효율적인 샘플 분해를 위해 반응 구역에서 요구되는 최대 온도가 동시에 보장되어야 한다. 제안된 반응 모듈 및 그 작동 방법은 반응 모듈, 저항 가열 또는 적외선 가열, 및 샘플들 및 캐리어 가스의 공급을 위한 수단은, 측정 배치의 작동 동안, 반응 구역에서의 최대 온도 TMAX = 1150°C에서 외부 풋 온도는 TF = 150°C이고, 외부 헤드 온도는 TH = 80°C가 되도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
이러한 측정은 반응 모듈의 에너지 소비의 상당한 감소를 가능하게 하고, 따라서 측정 배치의 전체적인 달성을 가능하게 하며, 한편으로 이것은 축전기들 또는 배터리들을 갖는 모바일 작동의 경우에 사용자를 위한 실질적인 사용의 상당한 이점을 나타낸다. 반면에, 이것은 측정 배치의 취급을 더욱 안전하고 쉽게 만들어 주고, 이는 또한 사용자에게 상당한 이점을 나타낸다.
본 발명의 구현에서, 상기 반응 모듈, 상기 저항 가열 또는 적외선 가열, 및 샘플들 및 캐리어 가스의 공급을 위한 수단은, 상기 측정 배치의 상기 작동 동안, 특히 상기 반응 구역의 최대 온도 TMAX = 1200°C에서, 풋 온도는 TF = 150°C, 특히 = 120°C 이하이고, 헤드 온도는 TH = 150°C가 되도록 구성된다.
제안된 반응 모듈 및 작동 방법은 그 중에서도 질소 및/또는 인 및/또는 유기 탄소의 함량, TOC 또는 화학적 산소 요구량, CSB를 결정하기 위해 설계되는 다양한 측정 배치들에서 모듈 방식으로 사용될 수 있다.
본 발명의 이로운 구성 구현들에서, 반응 모듈이 거대다공성 레이어 및 미세다공성 레이어를 포함하는 2-레이어 또는 다중-레이어 단열재를 구비하도록 제공된다. 이러한 경우, 특히 단열재의 레이어들 중 하나는 예를 들어, 상표명 Fibrothal®으로 알려져 있고 상업적으로 입수 가능한 조립식 환형 저항 가열/세라믹 섬유 모듈들에 의해 형성된다.
더 적절한 구현에서, 반응 모듈은 주로 다공성 세라믹 볼들의 충진재로 채워진다. 응용(application)의 경우와 일치하는 크기 및 다공성을 갖는 적절한 세라믹 볼들의 선택은, 반응 구역에서 샘플의 통과 또는 체류 시간을 가능하게 하고, 또한 가능하게는 반응 구역의 다양한 온도 범위들에서의 샘플의 체류 시간을 가능하게 하여, 반응 모듈 전체의 T 체제(regime)가 최적화 된다. 실제-지향되는 구현들에서, 구체적으로 6, 4.5, 2.7 및 1.2 mm의 평균 직경을 갖는 Al2O3 볼들이 사용되고, 여기서 상이한 직경들을 갖는 볼들 각각의 적어도 두 개, 바람직하게는 네 개의 레이어들이 서로의 상부 상에 놓이고, 각각의 레이어들의 두께는 측정 가스 내의 분석 물에 대한 물의 구성 물질들의 산화가 반응기의 상이한 온도 구역들에서 신뢰성 있게 보장되는 특정 응용 및 방법 조건들과 관련하여 선택될 수 있다.
실제로, 구현들이 입증되었고, 여기서 상기 반응 모듈은 적어도 상기 반응 구역의 길이를 따라 연장하고, 상기 헤드 및 풋 영역들 내에서 Al2O3의 내부 벽(또는 분리 반응 용기)을 구비하고, 각 경우에 있어서 밀봉 엘리먼트로서 테프론 외장(Teflon sheathing)을 갖는 O-링을 가지는 보강된 CFC 인서트(CFC insert)이다.
반응기 물질로서 산화 알루미늄은 작동 조건들에 대해 충분한 내열성 및 열 전도성을 갖고, 또한 실제 작동을 위한 충분한 온도 변화 내성을 갖는다. 분해 온도가 저하될 가능성이 있는 경우, 고성능 스테인레스 스틸이 사용될 수도 있다. 퍼니스(furnace) 헤드는 특히 단열을 위해 기계적으로 보강된 플루오르화 탄화수소로 만들어진다. 응용에 따르면, 퍼니스(furnace) 풋은 기계적으로 보강된 플루오르화 탄화수소 또는 고온 반응 가스를 열적으로 바이패스하기 위한 세라믹 배플 플레이트(ceramic baffle plate)를 갖는 글래스 풋(glass foot)으로 제조된다.
실제-지향적인 구현들에서, 샘플이 투입되는 헤드 섹션, 열 분해가 수행되는 반응 구역, 및 반응 생성물이 캐리어 가스 흐름에서 배출되는 풋 섹션을 갖고, 반응 모듈의 헤드 섹션은 주입 니들을 일시적으로 투입하거나 작은 공급 튜브를 영구적으로 지지하기 위한 주입 포트를 구비하고, 이 주입 포트는 실리콘 패딩 또는 삽입된 스프링에 의해 내부적으로 스프링-로딩되는 O-링을 포함한다.
이러한 구현에 적용에서, 측정 배치는 구체적으로 샘플을 반응 모듈에 투입하기 위한 압축 스프링 또는 스텝 모터에 의해 작동되는 주입 주사기를 포함한다. 반응 모듈을 샘플과 함께 로딩하는 이러한 종류는 특히 출원인의 이전의 재산권/출원으로부터 공지되었다. 이러한 로딩 방법의 세부 사항들에 관해서는, 문헌 WO 2016/091252 A2와 같은 종래 기술에 대해 언급되었다. 여기서, 검출기는 특히 반응 모듈로의 샘플의 주입 과정의 시작을 검출하기 위한 압축 스프링 또는 스텝 모터에 배치된다. 아래에 추가로 기술된 검출 신호의 사용과 관련하여 주입 과정을 검출하는 이러한 아이디어는 신규하다.
반응 모듈의 또 다른 구현은 선택적으로 샘플 또는 세척액을 반응 모듈로 투입하기 위해 소형 공급 튜브에 연결된 3-방향 밸브를 구비한다. 여기서 또한, 바람직하게는 검출기가 반응 모듈로의 샘플의 주입 과정의 시작을 결정하기 위한, 샘플을 공급하게 하는 엘리먼트, 즉 3-방향 밸브에 배치된다. 본 발명자들의 연구에 따르면, 이러한 구현은 밀봉(들)의 내마모성 및 측정 배치에 대한 유지 비용에 대해 이점들을 갖고, 또한 샘플 공급의 속도 및 측정 및 세척 과정의 신속한 반복 실행에 대해 유리하다.
또 다른 구현에서, 반응 모듈 내의 주입 니들 또는 소형 공급 튜브의 위치를 설정하기 위한 설정 수단이 주입 포트에 제공된다. 이러한 설정들은 반응 모듈에서의 온도 진행을 허용하고, 특히 헤드 및 풋 영역들의 온도 또한 어느 정도 영향을 받는다.
구현은 또한 저항 가열 또는 적외선 가열이 복수의 수직 배열되고, 개별적으로 구동되는 가열 엘리먼트들, 특히 개별 저항 가열/세라믹 절연 모듈을 포함하는 온도 진행의 목표 설정의 목적을 제공한다. 여기서, 특히, 온도 센서 및 가열 제어부의 대응 제어 입력이 가열 엘리먼트들 중 적어도 하나에 할당되고, 가열 제어 장치는 가열 전류가, 특히 개별적으로, 가열 모듈들에 온도 센서의 출력 신호의 기능으로서 및 반응 모듈의 미리 결정된 온도 프로파일에 따라 인가될 수 있도록 구성된다.
저항 가열 또는 적외선 가열의 가열 제어 장치는 샘플의 투입 과정 절차를 나타내는 주입 입력 신호를 수신하기 위한 검출기 입력을 갖고, 가열 제어 장치는 투입 입력 신호에 기초하여 저항 가열 또는 적외선 가열의 가열 전력을 변화 시키도록 구성된다. 이러한 측정은 특히 반응 모듈 내의 온도 분포에 대한 샘플 주입 과정의 영향을 차별화된 방식으로 고려하기 위해, 저항 가열 또는 적외선 가열의 상술된 온도 센서 제어와 유리하게 결합될 수 있다.
본 발명자의 연구에 따르면, PID 제어 알고리즘이 가열 제어 장치에 구현되는 것이 유리하며, 이 알고리즘은 적어도 온도 센서의 출력 신호 및 반응 모듈의 온도 조절을 위한 주입 입력 신호를 선택적으로 이용한다.
다른 한편으로, 측정 배치의 제어는 샘플 공급 및 캐리어 가스 공급을 위한 수단이 자동 제어된 샘플 공급 및 캐리어 가스 공급을 위한 공급 제어 장치를 가지도록 구성될 수 있고, 이 공급 제어 장치는 특히 자동 샘플 공급 및 캐리어 가스 공급에 영향을 주기 위해 가열 제어 장치로부터 전달되는 입력 신호를 수신하기 위한 적어도 하나의 입력 단자를 갖는다. 여기서, 샘플 주입은 반응 모듈에서의 현재 온도 조건들을 고려하여 어느 정도 제어되고, 필요하다면 표준 체제(standard regime)에 관하여 변화된다.
본 발명의 방법 측면들은 대체로 상술한 장치 측면들로부터 기인할 것이며, 따라서 여기에서 더 상세히 설명되지 않을 것이다.
하지만, 반응 모듈로의 샘플의 투입 과정 동안, 저항 가열 또는 적외선 가열의 가열 제어 장치에 대해 주입 입력 신호가 생성되고, 가열 제어 장치는 주입 입력 신호에 기초하여 저항 가열 또는 적외선 가열의 가열 전력을 변화시키도록 작동되는 측면이 언급되었다.
또한, 적어도 하나의 온도 센서가 저항 가열 또는 적외선 가열의 가열 엘리먼트에 배치되고, 각각의 온도 센서의 신호들은 상기 가열 제어 장치의 대응 제어 입력들로 공급되고, 상기 가열 제어 장치는 가열 전류를 가열 엘리먼트들에 상기 반응 모듈의 미리 결정된 온도 프로파일에 따라 및 연관된 온도 센서의 출력 신호의 기능으로서 인가하도록 작동되는 측면이 언급되었다.
또한, PID 제어 알고리즘이 적어도 온도 센서의 출력 신호 및 반응 모듈의 온도 조절을 위한 주입 입력 신호를 선택적으로 이용하 것과 같이 가열 제어 장치에서 유리하게 작동된다는 사실이 언급되었다. 궁극적으로, 샘플 공급 및 캐리어 가스 공급을 위한 수단은 자동으로 제어되는 샘플 공급 및 캐리어 가스 공급을 위한 공급 제어 장치를 구비하고, 반응 구역 내의 온도 변동들이 최소화되도록 작동될 수 있도록 제공될 수 있다.
부수적으로 본 발명의 이점들 및 편의 특징들은 도면을 기초로하여 본 발명의 예시적인 실시예 및 실질적인 구현 측면들에 대한 다음의 설명으로부터 기인할 것이다:
도 1은 본 발명에 따른 배치의 전체도를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 측정 배치의 반응 모듈의 주요 부분들의 개략적인 단면도를 나타낸다.
도 3은 분석 배치의 예시적인 실시예에 따라 주입 포트 내로 주입되는 주입 니들을 갖는 주입 주사기의 개략적인 종단면을 나타낸다.
도 4는 본 발명에 따른 측정 배치로의 샘플 로딩의 추가 구현의 개략도이다.
도 1은 본 발명에 따른 배치의 전체도를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 측정 배치의 반응 모듈의 주요 부분들의 개략적인 단면도를 나타낸다.
도 3은 분석 배치의 예시적인 실시예에 따라 주입 포트 내로 주입되는 주입 니들을 갖는 주입 주사기의 개략적인 종단면을 나타낸다.
도 4는 본 발명에 따른 측정 배치로의 샘플 로딩의 추가 구현의 개략도이다.
개략도의 방식에서, 도 1은 폐수 또는 용수의 다양한 구성 물질들을 결정하기 위한 예시적인 측정 배치(10)의 전체 구조를 도시한다. 배치(10)의 주요 컴포넌트는 아래에서 더 설명되는 반응 모듈(11)지만; 대신에 다른 형태의 연소 퍼니스(combustion furnace)(예를 들어, 복사 가열)가 적용될 수도 있다. 표현의 명확성을 위해, 본 발명에 필수적이지 않고, 예를 들어 측정 배치를 교정하고 세정하는 목적을 제공하는 부분들이 이 개략도에서 생략되었다.
상징적으로 묘사된 제어 유닛(depicted control unit)(제어기(controller))(12)은 샘플 분해 및 측정 절차의 전체 과정을 제어하고, 당연히 배치의 필수 차단(essential shut-off), 이송, 가열 및 결정 장치들에 연결된다. 그러한 제어 장치의 구현, 연결 및 동작은 당업자의 범위 내에 있으며, 이하에 설명되는 방법 설명 및 이하에 설명되는 장치 구조에 기초한다.
투입 측에서, 관련된 투입 밸브 장치(15)를 갖는 캐리어 가스 저장부(14)는 측정 절차들에 대한 캐리어 가스를 제공하기 위해 반응 모듈(11)에 배치된다. 또한, 퍼니스(furnace)는 전기로 가열(electrical furnace heating)을 제어하는 가열 제어 유닛(17), 및 퍼니스의 샘플 주입 밸브(19)에 샘플을 공급하기 위한 샘플 공급 장치(18)를 구비한다.
샘플 공급 장치(18)는 하수 플랜트(sewage plant)의 유입구에 배치될 수 있는 샘플 저장조(20), 예를 들어 운반 가이드(transport guide)(22) 상에서 변위 가능하도록 장착되는 주입 유닛(injection unit)(21) 및 대응하는 운반 제어 장치(23)를 포함한다. 주사기 유닛(syringe unit)(21)은 정밀하게 제어 가능한 작동으로 미리 결정된 샘플 양의 투입을 위한 도징 주사기(dosing syringe)(24) 및 스텝 모터(25)를 포함한다.
반응 모듈(11)의 유출구에서, 콜드 트랩 유닛(cold trap unit)(27), 펠티에 냉각기(Peltier cooler)(28) 및 콜드 트랩 유닛(27) 상에 또는 내부에 온도 센서(29a)를 갖는 관련 온도 제어기(29)를 포함하는 제1 냉각 스테이지(first cooling stage)(26)가 배치된다. 제1 냉각 스테이지(26)의 하류에는, 관련된 펠티에 냉각기(32)를 갖는 냉각 블록(31) 및 펠티에 냉각기(32)를 제어하고 온도 센서(33a)를 갖는 온도 제어 유닛(33)을 포함하는 제2 냉각 스테이지(30)가 배치된다.
제 2 주사기 유닛(second syringe unit)(34)은 제1 냉각 스테이지(26)에 배치되고, 이 제2 주사기 유닛(34)-연소 퍼니스(combustion furnace)(1)를 로딩하기 위한 주사기 유닛(21)과 유사한-는 정밀하게 제어된 작동을 위한 스텝 모터(36)를 갖는 주입 주사기(injection syringe)(35)를 갖는다. 또한, 이러한 주사기 유닛(34)은 운반 가이드(37) 상에 지지되고, 그것에 운반 제어 유닛(transport control unit)(38)이 주사기 유닛을 제 2 작동 위치로 변위시키기 위해 배치된다. 이러한 작동 위치는 통과액 용기(flow-through cuvette)(39) 위에 있고, 그안에 주입 주사기(35)의 니들이 콜드 트랩(27)과 같이 결합할 수 있다. 도면에서, 제2 작동 위치가, 주사기 유닛(21)의 초기 작동 위치와 같이 점선으로 표시되었다.
통과액 용기(39)의 유입구에서, 반응 용기(41)가 펌프(40)를 통해 연결되고, 반응 용기에는 인의 광도계 측정에 필요한 화학 물질이 저장된다. 통과액 용기(39)는 통과액 용기(39)을 통해 흐르는 수성 샘플의 측광 분석을 위해 구성되는 광도계 유닛(photometer unit)(42) 내로 돌출하고, 그것의 유출구는 인 평가 스테이지(phosphorous evaluation stage)(43)에 연결된다.
제2 냉각 스테이지(30)의 유출구에서, 연소 퍼니스(1)의 출력 라인(44)은 유출구 측에서 질소(TN) 평가 스테이지(nitrogen (TN) evaluation stage)(46)에 연결되는 NO 검출기(45) 및 유출구 측에서 탄소 (TOC) 평가 스테이지(carbon (TOC) evaluation stage)(48)에 연결되는 CO2 검출기로 분기된다.
측정 배치(13)의 동작 모드는 부분적으로는 본 발명 방법에 관한 상기 설명들로부터 발생하지만 이하에서 간단히 요약될 것이다.
제1 주사기 유닛(21)에 의해, 수성 샘플이 저장조(20)로부터 취해지고, 연소 퍼니스(1)로 운반되어 그것에 주입된다. 거기에 설정된 온도들에서, 그것은 즉시 증발되고 연소될 것이고, 생성된 연소 가스는 캐리어 가스 저장조(14)로부터 공급되는 캐리어 가스 흐름에 의해 퍼니스(furnace)로부터 출력 라인(44)으로 전달된다. 응축기(condenser)에서, 연소 가스/캐리어 가스의 흐름은 응축물들(condensate precipitates)이 냉각 트랩(27)에 침전되는 제1 냉각 온도까지 냉각된다.
제2 주사기 유닛(34)에 의해, 미리 결정된 양이 이러한 응축액으로부터 회수되어 통과액 용기(39) 내로 운반되고, 이것은 광도 측정 과정을 수행하기 위해 펌프(40)를 통해 운반되는 반응물과 혼합되고, 인 검출을 위해 광도계 유닛(42)에 공급된다.
제2 냉각 스테이지(30)에서, 연소 가스/캐리어 가스의 흐름은 0℃에 가까운 제2 냉각 온도로 냉각되고, 냉각 스테이지의 유출구 측에서 NO 및 CO2 결정을 위해 가스 검출기들(45 및 46)에 공급된다. 검출기들(42, 45 및 47)에서의 결정 과정의 결과로서, 대응하는 평가 스테이지들(43, 46 및 48)는 저장조로부터 획득되고 연소 퍼니스(1)에서 분리되는 수성 샘플의 총 인 함량(total phosphorous content)(TP), 총 질소 함량(total nitrogen content)(TN), 및 유기 탄소의 총 함량(total content of organic carbon)(TOC)을 결정한다.
개략적인 단면도에서, 도 2는 본 발명에 따른 구체화에서의 샘플 연소 퍼니스(sample combustion furnace)(반응 모듈)(11)의 필수 부분들을 도시하고, 이것에 스테인레스 스틸의 실질적으로 세장형 원통형 반응 용기(13)(도면에 점선으로 표시됨)가 삽입될 수 있다. 하부 단(lower end)(풋 엔드((foot end))에서, 이러한 반응 용기(13)는 염 침전물을 제거하기 위해 아래에서 쉽게 세척될 수 있는 관형 유출구를 갖는다.
도시된 특수 2-구역 구성(special two-zone configuration)(여기서는 단지 예시로서 설명됨)에서, 퍼니스(11)는 먼저 이 구현에서 800 ℃의 최대 온도에 도달할 수 있는 상부 가열 구역(11a)을 갖고, 다음으로 1250°C의 최대 온도에 도달할 수 있는 하부 가열 구역(11b)을 갖는다. 상기 가열 구역들 모두는 물질 Kanthal-Fibrothal®과 같은 고온 내성 특수 합금의 가열 모듈들(11c, 11d)을 통해 가열되고, 모듈들은 반응 용기(13)의 대응하는 부분 주위에서 빈 원통형 방식(hollow cylindrical manner)으로 배치된다.
상이한 최대 온도들로 인해, 가열 모듈들(11c, 11d)은 상이한 두께들의 미세다공성 세라믹 섬유 단열재들(microporous ceramic fiber insulations)(11e, 11f)을 갖고, 풋 영역(119), 가열 구역들 사이의 영역(11) 및 알루미늄 커버(11k) 아래의 헤드 영역(11i, 11j) 또한 세라믹 섬유로 단열된다. 샘플 로딩 및 캐리어 가스 공급 장치(도면에 도시되지 않음)가 커버(11k) 위의 영역에 제공된다. 전체 반응 모듈(11)은 또한 퍼니스(furnace)의 외부 주변과 그것의 헤드 및 풋에서의 온도를, 즉 퍼니스의 정상적인 작동 동안 위에서 언급된 값들로, 상당히 감소시키는 미세다공성 외부 단열재(11l)로 코팅된다.
연소 퍼니스(11)는 이와 유사한 목적을 달성하는데 기여할 수 있는 복잡한 온도 센서 시스템을 갖는다. 이러한 온도 센서 시스템은 각각의 경우에 있어서 가열 모듈들(11c, 11d) 중 하나에 배치된 온도 센서(11o, 11p)뿐만 아니라 각각의 경우에 있어서 헤드 및 풋 영역에 배치된 온도 센서(11m, 11n)를 포함한다. 모든 온도 센서들은 도 1의 제어기(12)의 지정에 따라, 12A로 표시된, 가열 제어 및 조절 장치의 대응하는 입력에 연결된다. 가열 제어 및 조절 장치(12A)에서, 온도 센서들의 검출 신호들은 저장된 최적화 알고리즘에 따라 가열 모듈들(11c, 11d)에 대한 구동 신호들로 처리된다(필요한 경우, 신호들(SINJ)로, 샘플 주입 과정을 특징으로 함(아래 참조)). 구동 신호들은 모듈로의 전류 공급을 제어하고, 따라서 가열 구역들(11a, 11b)의 가열을 시간-의존적으로 제어한다. 바람직하게는, PID 제어 알고리즘이 가열 제어 및 조절 장치(12A)에서 구현된다.
도 2에 도시되고 상술된 퍼니스(furnace) 구조는, 기술된 선택적 및 제어되는 가열과 함께, 적절한 에너지 소비에 기여하고 환경에서 위험을 배제하는 특수 단열재로, 제2의 하부 가열 영역(11c)에서 특별히 생성되는 1200 ℃ 이상의 고온의 영구적인 구현에 유리하도록 기여한다.
개략적 인 방식으로, 도 3은 측정 배치(도 1)의 퍼니스(11)(도 2)의 주입 포트(P) 및 주입 주사기(MM)의 상호 매칭되는 기하학적 구성 및 종방향 단면도의 예시적인 구조를 도시한다.
주입 포트(P)는 종방향 연장부에서 실질적으로 원통형 구성의 가이딩 슬리브(guiding sleeve)(P1)를 포함하고, 그 직경 및 길이는 주입 주사기(MM)의 주입 니들(MM1)의 대응하는 치수들과 매칭되고, 그 종방향 축은 그 기본 형상에서 원통형 구성의 퍼니스의 종방향 축(LA1)과 일치한다. 주입 포트(P)의 상부 측에서, 확대된 직경을 갖는 보어(bore)(P2)가 제공되고, 그 치수들은 주입 주사기의 니들 칼라(needle collar)(MM2)의 치수들과 매칭되고, 그 하부 전면 표면은 주입 주사기가 투입될 때 깊이 구분을 위한 정지 역할을 한다. 관절부(articular)에서 테프론 코팅된 실리콘 링으로 구현될 수 있는 O-링(P3)은, 밀봉(seal)으로서 보어(P2)의 하부 전면 표면에 놓여있다. 이러한 정지 수단에 의해, 주입 주사기의 종방향의 니들 축(LA2)에 대해 직각으로 절단된 니들 단의 정확하게 미리 결정된 위치가 보장되고, 따라서 정확하게 미리 결정된 주입 포인트가 보장된다.
주사기 저장조(MM3)에서, 주사기 플런저(syringe plunger)(MM4)는 종방향으로 변위 가능하게 장착되고, 그 자유 단부는 통상적인 방식으로 설계되어 수동으로 샘플을 끌어 들인다. 주사기 저장조의 상단부에서 압축 스프링(MM5)이 내장되어 있고, 그 상단부는 주사기 저장조의 상부 전면 벽에 대항하여 지지되고, 그 하단부는 주사기 플런저(MM4)의 단부에 작용한다. 주사기를 충전한 후, 주사기 플런저는 잠금 레버(MM6)에 의해 인장되는 스프링(tensioned spring)(MM5)에 따라 잠가진다. 로킹(MM6)를 해제한 후, 압축 스프링(MM5)의 힘에 의해 주사기 플런저(MM4)를 아래쪽으로 가압되고, 주사기 저장조(MM3)에 수용된 샘플 미리 결정된 시간 간격 또는 미리 결정된 출력 속도로 퍼니스에 주입된다.
정확하게 미리 결정된 속도 또는 정확하게 미리 결정된 시간 간격에서 미리 결정된 샘플 양의 이러한 출력은 정확한 주입 위치 및 방향과 같은 재현 가능한 분석 결과를 위해 마찬가지로 중요하며, 이는 주입 니들과 주입 포트의 특수 설계에 의해 보장된다. 도시되지 않은 구현에서, 퍼니스 내에서 주입 니들의 단부의 위치를 조정하기 위한 조절 가능한 정지부 또는 또 다른 종류의 장치가 제공될 수 있고, 이는 또한 최적화된 온도 제어의 맥락에서 역할을 할 수 있다.
주입 주사기(MM)의 잠금 레버(MM6)에 위치 검출기(DINJ)의 설치 또한 이러한 문맥 내에 있으며, 이러한 위치 검출기는 잠금 레버의 위치를 검출하고 따라서 압축 스프링(MM5)의 발생된 해제를 검출하고, 차례로 개시된 주입 과정을 거친다. 검출기(DINJ)는 퍼니스(furnace)의 가열 모듈들에 대한 구동 신호(시간 및 전류 세기)를 제공하기 위한 이러한 신호를 처리할 수 있는 가열 제어 및 조절 장치(12A)(도 2)로 주입 신호(SINJ)를 전송한다. 따라서, 퍼니스의 시간 제어된 또는 조절된 가열은 일시적인 온도 프로파일을 부드럽게하고 퍼니스 풋에서 원하는 최대 값보다 높은 온도 피크를 방지하기 위해 퍼니스에서 "온도 상승"을 유발할 수 있는 주입 과정을 고려한다.
도 4에 개략적으로 도시된 반응 모듈(연소 퍼니스)에 로딩되는 샘플의 다른 실시예는 유사한 방식으로 작동한다. 이러한 실시예에서, 주입 포트(P') 상에 영구적으로 설치되는 소형 공급 튜브(T)는 변위 가능한 주입 주사기 대신에 차단 밸브 또는 3-방향 밸브와 함께 사용된다. 여기서, 밸브 위치와 이에 따라 발생하는 주입 과정은 도 3에서와 같이 유사한 위치 검출기(D'INJ)에 의해 검출될 수 있고, 또는 흐름 검출기가 소형 공급 튜브(T) 상에 제공되고, 이 검출기는 마찬가지로 주입 프로세스를 검출하고 대응하는 주입 입력 신호를 측정 배치의 가열 제어 및 조절 장치에 전달한다.
부수적으로, 도 4는 도 1의 제어기(12)의 지정에 따라 12B로 표시된 샘플 주입을 제어하기 위한 공급 제어 장치를 포함할 수 있는 측정 배치를 개략적으로 도시한다. 이러한 공급 제어 장치는, 밸브(V)를 차동 방식으로 작동시킴으로써 온도 신호들, 즉 연소 퍼니스(11)의 현재 온도 상태의 기능으로서 주입 과정을 제어하기 위해, 단일 또는 모든 온도 센서(11m 내지 11p)(도 2)의 온도 신호들을 공급받을 수 있다.
본 발명의 구현은 상술된 예시 및 본원에서 강조되는 측면들로 제한되지 않으며, 마찬가지로 숙련된 동작의 범위 내에서 다양한 변형이 가능하다.
Claims (14)
- 반응 모듈에서 물 또는 폐수의 샘플의 열 분해, 캐리어 가스 흐름에서 검출기로의 반응 생성물의 전달, 및 구성 물질 또는 품질 파라미터의 값을 유도하기 위한 검출기 신호의 평가에 의한 물 또는 폐수의 구성 물질 및/또는 품질 파라미터를 결정하기 위한 측정 배치에 있어서,
상기 반응 모듈은, 내부 저항 가열 또는 적외선 가열을 갖는 작동 동안 수직 방향(orientation)의 세장형 용기이고, 상기 샘플이 투입되는 헤드 섹션, 상기 열 분해가 수행되는 반응 구역, 및 상기 반응 생성물이 상기 캐리어 가스 흐름에서 배출되는 풋 섹션을 갖고,
상기 반응 모듈, 상기 저항 가열 또는 적외선 가열, 및 샘플들 및 캐리어 가스의 공급을 위한 수단은, 상기 측정 배치의 상기 작동 동안, 상기 반응 구역에서의 최대 온도 TMAX = 1150°C에서 외부 풋 온도는 TF = 150°C이고, 외부 헤드 온도는 TH = 80°C가 되도록 구성되는
측정 배치. - 제1항에 있어서,
질소 및/또는 인 및/또는 유기 탄소의 함량, TOC 또는 화학적 산소 요구량, CSB를 결정하기 위해 구성되는
측정 배치. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 반응 모듈, 상기 저항 가열 또는 적외선 가열, 및 샘플들 및 캐리어 가스의 공급을 위한 수단은, 상기 측정 배치의 상기 작동 동안, 특히 상기 반응 구역의 최대 온도 TMAX = 1200°C에서, 풋 온도는 TF = 150°C, 특히 = 120°C 이하이고, 헤드 온도는 TH = 70°C가 되도록 구성되는
측정 배치. - 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 반응 모듈은 거대다공성 레이어 및 미세다공성 레이어를 포함하는 2-레이어 또는 다중-레이어 단열재를 구비하는
측정 배치. - 제4항에 있어서,
상기 단열재의 레이어들 중 하나는 조립식 환형 저항 가열/세라믹 섬유 모듈들에 의해 형성되는
측정 배치. - 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 반응 모듈은, 몇몇 레이어들의 평균 볼 직경(mean ball diameter)이 상이한 다공성 세라믹 볼들의 수직으로 적층된 충전물로 주로 채워지는
측정 배치. - 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 반응 모듈은 적어도 상기 반응 구역의 길이를 따라 연장하는 또는/추가적으로 상기 헤드 및 풋 영역들 내에서 알루미늄 산화물 또는 스테인레스 스틸의 내부 벽을 구비하고, 각 경우에 있어서 밀봉 엘리먼트로서 테프론 외장(Teflon sheathing)을 갖는 O-링을 가지는 보강된 CFC 인서트(CFC insert)인
측정 배치. - 반응 모듈에서 물 또는 폐수의 샘플의 열 분해, 캐리어 가스 흐름에서 검출기로의 반응 생성물의 전달, 및 구성 물질 또는 품질 파라미터의 값을 유도하기 위한 검출기 신호의 평가에 의한 물 또는 폐수의 구성 물질 및/또는 품질 파라미터를 결정하기 위한 측정 방법에 있어서,
상기 반응 모듈은, 내부 저항 가열 또는 적외선 가열을 갖는 작동 동안 수직 방향의 세장형 용기이고, 상기 샘플이 투입되는 헤드 섹션, 상기 열 분해가 수행되는 반응 구역, 및 상기 반응 생성물이 상기 캐리어 가스 흐름에서 배출되는 풋 섹션을 갖고,
상기 저항 가열 또는 적외선 가열 및/또는 샘플들 및 캐리어 가스의 공급을 위한 수단은, 상기 측정 배치의 상기 작동 동안, 상기 반응 구역에서의 최대 온도 TMAX = 1150°C에서 외부 풋 온도는 TF = 150°C이고, 외부 헤드 온도는 TH = 80°C가 되도록 구성되는
측정 방법. - 제8항에 있어서,
질소 및/또는 인 및/또는 유기 탄소의 함량, TOC 또는 화학적 산소 요구량, CSB를 결정하기 위해 구성되는
측정 방법. - 제8항 또는 제9항에 있어서,
상기 저항 가열 또는 적외선 가열 및/또는 샘플들 및 캐리어 가스의 공급을 위한 수단은, 상기 측정 배치의 상기 작동 동안, 특히 상기 반응 구역의 최대 온도 TMAX = 1200°C에서, 풋 온도는 TF = 150°C, 특히 = 120°C 이하이고, 헤드 온도는 TH = 70°C가 되도록 구성되는
측정 방법. - 제8항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 반응 모듈로의 샘플의 투입 과정 동안, 상기 저항 가열 또는 적외선 가열의 가열 제어 장치에 대한 주입 입력 신호가 발생되고, 상기 가열 제어 장치는 상기 주입 입력 신호에 기초하여 상기 저항 가열 또는 적외선 가열의 가열 전력을 변화 시키도록 작동되는
측정 방법. - 제8항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
적어도 하나의 온도 센서는 상기 저항 가열 또는 적외선 가열의 가열 엘리먼트들에 배치되고, 각각의 온도 센서의 신호들은 상기 가열 제어 장치의 대응 제어 입력들로 공급되고, 상기 가열 제어 장치는 가열 전류를 가열 엘리먼트들에 상기 반응 모듈의 미리 결정된 온도 프로파일에 따라 및 연관된 온도 센서의 출력 신호의 기능으로서 인가하도록 작동되는
측정 방법. - 제8항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 가열 제어 장치의 PID 제어 알고리즘은 적어도 상기 반응 모듈의 온도 조절을 위한 온도 센서의 출력 신호, 및, 선택적으로, 주입 입력 신호를 활용하도록 작동되는
측정 방법. - 제8항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
샘플 공급 및 캐리어 가스 공급을 위한 수단은 자동으로 제어되는 샘플 공급 및 캐리어 가스 공급을 위한 공급 제어 장치를 구비하고, 상기 반응 구역 내에서의 온도 변동들이 최소화되도록 작동되는
측정 방법.
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