KR200293795Y1 - 휘발성 유기화합물 분석장치의 시료주입장치 - Google Patents

Abstract

본 고안은 토양, 수원 또는 대기중의 휘발성 유기화합물을 분석하는 장치에서 그 분석하고자 하는 시료를 주입하는 장치에 관한 것으로, 특히 대기 중 또는 토양, 수원에서 배출되는 시료를 저온의 저온흡착열탈착분리관(20)에 흡착한 후, 이를 밀폐하여 공기의 흐름을 차단한 후 저온흡착열탈착분리관(20)에 열을 가하여 탈착시키면서 시료저장·공급장치(43)의 흡입기를 이용하여 탈착된 시료를 시료저장·공급장치(43)에 저장시키는 한편, 저장된 시료를 나선관으로 이루어진 샘플 루프(51)안으로 공급하여 시료가 샘플 루프(51)의 체적만큼 일정량 수용되게 하고, 이 상태에서 샘플 루프(51)의 뒤쪽으로 운반가스를 공급하면 이 운반가스의 추진력에 의해 시료가 시료분석장치안으로 주입되게 하는 것이다.

따라서 본 고안은 감압진공상태에서 탈착이 이루어지기 때문에 열탈착효율이 매우 높으며, 탈착된 시료의 농도가 매우 높음으로써 소량의 시료 주입량으로도 빠른 시료분석이 가능하고, 기존 시료주입장치들이 불가능했던 Fast GC법을 가능하게 한다.

Description

휘발성 유기화합물 분석장치의 시료주입장치{ GASEOUS SAMPLE INJECTION APPARATUS FOR GASCHROMATOGRAPHY }

본 고안은 휘발성 유기화합물 분석장치에 사용되는 시료주입장치에 관한 것으로, 특히 고속 가스크로마토그래피(Fast Gas Chromatography, 이하 'Fast GC'로 약칭함)등과 같이 휘발성 유기화합물을 포집하여 빠른시간 내에 분석해야하는 장치에 사용되는 시료주입장치에 관한 것이다.

휘발성 유기화합물을 분석하는 데에는 통상적으로 가스 크로마토그래피(Gas Chromatography, 이하, 'GC'로 약칭함)가 많이 이용되고 있다. GC에 시료를 주입하는 방법으로는 시료의 강한 휘발성으로 인하여 액체질소나 액체아르곤을 사용하여 시료를 액화농축시킨 다음 주입하는 액화농축 시료주입법과, 기체시료를 액화농축시키지 않고 고체흡착관에 포집한 뒤 흡착관에 열을 가하면서 GC에 직접 주입하는 열탈착방법이 있다.

상기 액화농축 시료주입법은 고가의 액화농축장비를 필요로 하므로 비경제적이며, 상기 종래 열탈착방법은 흡착관에서 시료를 승온탈착하는 과정에서 아무리 흡착관을 신속하게 가열하더라도 가열시간에 대한 시료의 탈착이 일정치 않는 테일링(tailing)현상이 발생하고, 이로 인해 GC에서 시료가 서로 겹치는 오버랩(overlap)현상이 나타나 검출한계가 낮아지는 문제점이 있다. 또한 탈착과정시 급격한 온도 증가에 따라 온도에 불안정한 화합물이 분리 전단계에서 손상될 위험이 있다.

또한, 상기 열탈착방법에서 열탈착 전 시료흡착단계에서 충분한 시료를 흡착하여 열탈착시 충분한 양의 시료가 탈착되도록 흡착제의 양을 증가시킬 수는 있으나, 흡착제의 양이 증가하면 시료의 탈착에 필요한 운반가스(carrier gas)의 양이 그만큼 많아지게 되고, 이에 따라 시료희석율이 높아지는 문제점이 발생하므로 시료의 농도를 일정 수준 이상으로 유지하기 위해서는 운반가스의 양을 증가시키는 것도 한계가 있다. 또, 많은 운반가스량에 의해 분석장치로 주입되는 시료주입시간이 길어지게 되고, 좁은 내경의 분리관을 사용할 수 없게 되는 문제점을 가지게 된다.

상기 문제점들로 인하여 무리하게 시료분석시간을 단축시키려 할 경우에는 분석물질의 분리가 시료분석장치에서 정상적으로 이루어지지 않아 분석의 정확성을 떨어뜨리게 된다. 따라서 상기 분석법에 의해 휘발성 유기화합물을 분석할 경우 분석시간은 짧게는 30 내지 40분, 길게는 60분 이상 소요되어진다. 일반적으로 이루어지는 Fast GC분석법은 10가지 내외의 특정물질을 분석하는 정도로 제한되며, 50가지가 넘는 규제 오염물질에 대하여 일반적으로 Fast GC분석법을 적용하는 데는 한계가 있다. 또한, 일반적으로 이러한 Fast GC분석법의 사용을 위해서는 많은 추가적인 고가 장비들이 필요한 데, 주로 사용되는 장비들로는 감도가 우수한 질량분석검출기와 성능이 매우 우수한 시료분석용 가열오븐, 그리고 높은 압력으로 시료를 모세관 분리관으로 주입할 수 있는 주입장치 등이 있다.

일반적으로 GC의 모세관 분리관의 분리능은 모세관 분리관의 내부직경과 관련이 있다. 내부직경을 2배 줄이면 전체 분리관의 길이를 2배 줄여도 분리능은 동일하게 나타난다. 이와 동시에 분석시간의 현저한 감소도 이루어지게 되는 것이다. 하지만 이렇게 내경을 축소할 경우에 시료주입용량이 줄어들게 되어 높은 감도를 요구하는 분석에는 사용이 불가능하게 된다. 화학, 석유화학, 식품, 맛과 향기분석 등의 응용분야에서는 높은 감도를 요구하지 않지만, 환경분석 분야와 같이 높은 감도를 요구하는 분야에서는 고농도의 시료를 주입하지 않으면 분석시간을 단축하기 어려운 문제점이 있다.

이에 본 고안은 상기와 같이 Fast GC에 적용이 불가능했던 종래 시료주입장치의 문제점을 해결하기 위해 고안된 것으로서, 시료운반가스에 의한 시료희석화를 방지하면서도 일정량의 고농도로 농축된 시료를 빠른 시간 내에 시료분석장치로 주입하여 Fast GC분석이 가능한 시료주입장치를 제공함에 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 고안의 휘발성 유기화합물 분석장치의 시료주입장치는 대기, 수원 또는 토양에서 채취한 휘발성 유기화합물 시료를 건조·세척용 기체저장탱크에 저장된 건조기체로써 건조시키는 시료건조기와, 상기 시료건조기에서 건조된 시료를 저온에서 농축흡착하거나, 가열하여 탈착시키는 저온흡착열탈착분리관과, 상기 대기, 수원 또는 토양에서 발생하는 휘발성 유기화합물 시료를 시료건조기로 유입시키고, 시료건조기에서 건조된 시료를 저온흡착열탈착분리관으로 유입시키는 시료포집용 펌프와, 상기 저온흡착열탈착분리관에서 탈착되어 배출되는 시료를 감압진공상태에서 흡인저장하고, 저장된 시료를 가압배출하는 시료저장·공급장치와, 상기 시료건조기로부터 저온흡착열탈착분리관쪽으로 시료를 공급 또는 차단하거나, 건조·세척용 기체저장탱크로부터 저온흡착열탈착분리관쪽으로 세척용 기체를 공급 또는 차단하거나, 저온흡착열탈착분리관으로부터 시료저장·공급장치쪽으로 탈착된 시료를 공급 또는 차단하는 제1제어밸브와, 상기 제1제어밸브를 통과한 세척용 기체를 저온흡착열탈착분리관으로 공급 또는 차단하는 제1진공제어밸브와, 상기 시료저장·공급장치에서 배출되는 시료를 루핑관을 통과시키면서 일정한 농도를 균일하게 농축시켜 샘플링하는 샘플 루프(sample loop)와, 상기 제1제어밸브를 통과하여 배출되는 탈착된 시료를 시료저장공급장치쪽으로 공급 또는 차단하거나, 시료저장공급장치로부터 가압배출되는 시료를 샘플 루프쪽으로 공급 또는 차단하는 제2제어밸브와, 상기 제2제어밸브와 시료저장공급장치에 연결되어 시료를 공급 또는 차단하는 제2진공제어밸브와, 상기 샘플 루프의 샘플링된 시료를 시료분석장치로 운반하는 운반가스를 저장하는 운반가스 저장탱크와, 상기 제2제어밸브를 통과하여 배출되는 시료를 샘플루프로 공급 또는 차단하거나, 샘플 루프의 시료를 시료분석장치로 공급 또는 차단하는 제3제어밸브를 포함한다.

상기 본 고안에 따른 시료주입장치는 저온흡착열탈착분리관의 흡착제에서 시료가 열탈착될 때 운반가스에 의한 압력을 받지 않으며 추가적인 가스의 공급이 없기 때문에 고농도의 시료를 얻을 수 있고, 샘플 루프를 통하여 항상 고농도의 소량시료가 빠른 시간동안 시료분석장치로 공급되므로 GC의 분석 컬럼(column)에서 시료가 늘어지는 테일링현상을 방지할 수 있을 뿐만 아니라 재현성을 크게 향상시킬 수 있고, 주입되는 시료가 고농도이기때문에 소량주입이 가능함과 동시에 빠른 시료주입시간을 얻을 수 있으며, 분석용 모세관 분리관으로 주입되는 시료량이 많지 않아 좁은 내경(100~200㎛)의 분리관의 사용을 가능하게 한다.

도 1은 본 고안에 따른 휘발성 유기화합물 분석장치의 시료주입장치의 구성을 개략적으로 도시한 구성도,

도 2a는 본 고안의 제어밸브가 시료포집단계와 시료건조단계 및 시료저온흡착단계에서 동작하는 상태를 나타낸 개략도,

도 2b는 본 고안의 제어밸브가 시료탈착단계 및 시료저장단계에서 동작하는 상태를 나타낸 개략도,

도 2c는 본 고안의 제어밸브가 저온흡착열탈착분리관 세척단계에서 동작하는 상태를 나타낸 개략도,

도 2d는 본 고안의 제어밸브가 시료샘플링단계에서 동작하는 상태를 나타낸 개략도,

도 2e는 본 고안의 제어밸브가 시료주입단계에서 동작하는 상태를 나타낸 개략도,

도 3은 본 고안에 따른 휘발성 유기화합물 분석장치의 시료주입장치를 이용하여 휘발성유기화합물의 표준물질을 분석한 분석결과 그래프이다.

※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10: 세척·건조용 기체저장탱크 20: 저온흡착열탈착분리관

21: 제1연결라인 22: 제1가변유량조절밸브

23: 제2연결라인 24: 제2가변유량조절밸브

25: 제3연결라인 26: 제1진공제어밸브

27: 제4연결라인 28: 시료유량조절밸브

29: 시료 포집용 펌프(Sampling Pump) 30: 제1제어밸브

31: 제5연결라인 33: 제6연결라인

40: 제2제어밸브

41: 제7연결라인 42: 제2진공제어밸브

43: 시료저장 및 공급장치 44: 제8연결라인

50: 제3제어밸브 51: 샘플 루프(sample loop)

52: 제9연결라인 53: 제3가변유량조절밸브

54: 제10연결라인 55: 플로우 리스트릭터(Flow Restrictor)

56: 시료분석용 가열오븐

60: 운반가스 저장탱크 70: 시료건조장치

80: 모세관 분리관 90: 시료분석장치

이하, 본 고안에 따른 실시예를 첨부도면에 따라 상세히 설명한다.

도 1은 본 고안에 따른 휘발성 유기화합물 분석장치의 시료주입장치의 구성을 개략적으로 도시한 구성도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 고안은 대기, 수원 또는 토양 중에서 채취한 휘발성 유기화합물 시료을 건조시키는 시료건조기(70)를 포함하며, 상기 시료건조기(70)에서 건조된 상기 시료를 일정량 포집하는 저온흡착열탈착분리관(20)을 포함하는 데, 상기 저온흡착열탈착분리관(20)과 상기 시료건조기(70)는 제3,4연결라인 (25,27)을 통하여 서로 연통되어 있다.

또, 본 고안은 상기 저온흡착열탈착분리관(20)을 세척하거나 시료건조기(70)내로 유입되는 시료를 건조하는 데 사용되는 기체를 저장해두는 세척·건조용 기체저장탱크(10)를 포함한다.

상기 시료건조기(70)는 소위 나피온 건조기(NAFION Drier)가 통상 사용되며, 상기 시료건조기(70)는 제1연결라인(21)을 통하여 상기 세척·건조용 기체저장탱크 (10)와 연통되어 있다. 상기 세척·건조용 기체저장탱크(10)로부터 시료건조기(70)로 유입되는 건조기체로는 통상 헬륨이나 질소가스가 사용되며, 이러한 건조기체는 시료건조기(70)를 통과하여 외부로 배출되는 도중에 시료건조기(70)안으로 유입된 시료와 접촉하여 시료를 건조시키게 된다.

상기 저온흡착열탈착분리관(20)은 내부에 흡착제가 충진되어 있고, 외주에는 냉각 및 가열온도조절장치에 의해서 그 작동이 조절되는 냉각판과 전열선이 권취되어 있어 저온흡착열탈착분리관(20)을 냉각 또는 가열시키게 된다. 저온흡착열탈착분리관(20)에 사용되는 상기 흡착제는 분석할 물질에 따라서 분석자가 선택하여 사용할 수 있도록 되어 있다.

본 고안은 시료를 포집하기 위하여 필요한 시료포집용 펌프(29)을 포함하는 데, 상기 시료포집용 펌프(29)는 상기 저온흡착열탈착분리관(20)과 제6연결라인 (33)을 통하여 연통되어 있고, 상기 제6연결라인(33)상에는 시료유량조절밸브(28)가 설치되어 있어 시료건조기(70) 및 저온흡착열탈착분리관(20)에 유입되는 시료의 양을 조절할 수 있다.

분석하고자 하는 시료는 시료포집용 펌프(29)에 의해 외부로부터 제4연결라인(27)을 통해서 시료건조기(70)로 유입되어 건조되고, 상기 건조된 시료는 시료포집용 펌프(29)에 의해 제4연결라인(27) 및 제3연결라인(25)을 통과하여 냉각온도조절장치에 의해 약 -30℃ 정도로 냉각된 저온흡착열탈착분리관(20)내로 유입되면서 흡착제에 농축흡착된다.

상기 저온흡착열탈착분리관(20)에 충분한 시료가 흡착되고 나면 냉각판의 가동을 그대로 유지하면서 저온흡착열탈착분리관(20)을 둘러싸고 있는 전열선에 전원을 인가하여 저온흡착열탈착분리관(20)을 가열함으로써 흡착제에 흡착된 시료를 열탈착시킨다. 이때 저온흡착열탈착분리관(20)의 가열온도는 시료 종류에 따라 차이가 있지만, 대략 200 내지 350 ℃정도이다.

상기 저온흡착열탈착분리관(20)의 흡착제는 실온이 아닌 저온상태에서 시료를 포집하기 때문에 일반적인 열탈착장치에 이용된 흡착제의 양과 비교하여 1/5이상 적은 양을 사용할 수 있는 장점이 있으며, 상기 흡착제의 양은 저온흡착열탈착분리관(20)내에서 시료의 감압 진공탈착을 매우 효율적으로 하게 하여 후술하는 샘플 루프(51)에 고농도의 시료를 전송할 수 있는 기초적인 역할을 한다.

한편, 상기 제1연결라인(21)상에는 제1가변유량조절밸브(22)가 설치되어 있어 세척·건조용 기체저장탱크(10)로부터 시료건조기(70)쪽으로 공급되는 기체의 양을 조절할 수 있고, 상기 제2연결라인(23)상에는 제2가변유량조절밸브(24)가 설치되어 있어 세척·건조용 기체저장탱크(10)로부터 저온흡착열탈착분리관(20) 쪽으로 공급되는 기체의 양을 조절할 수 있다. 이는 시료의 종류에 따라 저온흡착열탈착분리관(20)의 세척에 필요한 기체의 양 및 시료종류에 따른 건조기체의 공급량을 조절하고, 각각의 기체의 속도를 조절하기 위함이다.

상기 저온흡착열탈착분리관(20)와 연결된 제3연결라인(25) 한쪽에는 제1진공제어밸브(26), 또다른 한쪽에는 제1제어밸브(30)가 연결되어 있고, 제1제어밸브 (30)와 제2제어밸브(40)는 제5연결라인(31)을 통하여 연결되어 있으며, 제2제어밸브(40)와 제2진공제어밸브(42)는 제7연결라인(41)으로 연결되어 있으며, 제2진공제어밸브(42)와 시료저장·공급장치(43)는 제7연결라인(41)으로 연결되어 있다.

상기 제1진공제어밸브(26)는 저온흡착열탈착분리관(20)의 시료 포집과정에서는 개방되어 포집용 펌프(29) 작동으로 시료건조기(70)에서 건조된 시료를 저온흡착열탈착분리관(20)으로 유입시키고, 열탈착과정에서는 차단되어 흡착제에 흡착된 시료가 효율적으로 열탈착되도록 감압 진공상태를 만들어주며, 이때 제2진공제어밸브(42)는 개방되어 탈착된 시료가 제1제어밸브(30), 제5연결라인(31), 제2제어밸브(40)를 통과하여 시료저장·공급장치(43)로 흡인저장되도록 하며, 일정시간 이후에 다시 제2진공제어밸브(42)는 차단되어 시료저장·공급장치(43)내에 저장된 시료가 외부기압과 동일하게 유지되도록 해주는 역할을 하게 된다.

상기와 같이 시료의 열탈착이 끝나게 되면 제1진공제어밸브(26)는 다시 개방되어 저온흡착열탈착분리관(20)내로 세척용 건조기체가 유입되어 저온흡착열탈착분리관(20)이 세척되게 된다. 그리고 이러한 일련의 과정은 제1제어밸브(30)와 제2제어밸브(40)의 조작으로 가능하다.

상기 시료저장·공급장치(43)는 상기 저온흡착열탈착분리관(20)에서 열탈착되어 배출되는 시료를 감압진공상태에서 흡입기로 흡입하여 저장하고, 일정량의 시료를 샘플링하는 샘플 루프(51) 쪽으로 저장된 상기 시료를 가압배출하는 역할을 한다. 이때 시료를 가압배출하기 전에 상기 시료저장·공급장치(43)내부에 저장된 시료를 활성화시켜 밀도를 균일하게 하기 위하여 상기 시료저장·공급장치(43)에 열을 가하는 가열장치가 장치될 수 있다. 상기 가열장치로서는 히터블로어나 전열선을 사용한다.

상기 제2제어밸브(40)는 상기 샘플 루프(51)에 저장된 샘플 시료를 제어하는 제3제어밸브(50)와 제8연결라인(44)을 통하여 연결되어 있다. 따라서, 상기 시료저장·공급장치(43)에 저장된 시료는 제2진공제어밸브(42), 제2제어밸브(40), 제8연결라인(44) 및 제3제어밸브(50)을 통하여 샘플 루프(51)에 보내지게 된다.

상기 샘플 루프(51)는 일정 부피의 나선형 관으로 이루어져 있어 상기 샘플 루프(51)안에서는 직선형 관에 비하여 시료의 유동이 적어 뒤쪽에서 가압되지 않는 한 배출되지 않고 관 내부에 잔류하게 되므로 시료를 일정량 수용하는 역할을 한다. 그러나 외부압의 이상증가나 이상감소가 있을 경우 샘플 루프(51)의 내부 부피가 작은 관계로 분석결과의 오차가 발생할 수 있기때문에 이를 미연에 방지하기 위해 상기 제3제어밸브(50)에 플로우 리스트릭터(Flow Restrictor)(55)를 장치하여 외부 압력의 변화에 영향을 최소로 받도록 할 수 있다.

상기 제3제어밸브(50)는 운반가스 저장탱크(60)와 샘플 루프(51)를 서로 선택적으로 연결시키는 데, 상기 제3제어밸브(50)와 운반가스 저장탱크(60)을 연결시키는 제9연결라인(52)상에는 제3가변유량조절밸브(53)가 설치되어 있어 운반가스의 양을 조절하게 되어 있다. 상기 운반가스 저장탱크(60)로부터 운반가스가 샘플 루프(51)쪽으로 공급되면 상기 운반가스는 샘플 루프(51)에 수용된 일정량의 시료를 제10연결라인(54)을 통하여 시료분석장치(90) 쪽으로 밀어서 내보내게 되는 데, 상기 시료운반가스는 시료와 반응하지 않게 헬륨 또는 질소 등과 같은 불활성기체가 주로 사용된다.

또, 상기 제10연결라인(54)상에는 모세관 분리관(80)이 포함된 시료분석용 가열오븐(56)이 장치되어 시료분석 조건에 맞게 모세관 분리관의 온도를 조절하고, 시료를 성분별로 분리한다.

상기 제1제어밸브(30), 제2제어밸브(40) 및 제3제어밸브(50)는 6포트 로터리밸브를 사용하는 것이 바람직하다.

이하, 본 고안의 시료주입장치의 작동과정을 도 2a에서 도 2e까지 단계별로 상세히 설명한다.

시료포집단계;

도 2a는 본 고안의 제어밸브가 시료포집단계와 시료건조단계 및 시료저온흡착단계에서 동작하는 상태를 나타낸 개략도이다.

본 고안의 시료주입장치를 분석하고자 원하는 시료의 배출원이나 지역에 장치하고, 일정시간 동안 시료 유량조절밸브(28)에 의해서 조절된 일정량의 공기를 시료포집용 펌프(29)를 이용하여 흡입하게 되면, 토양이나 하천에서 배출되는 휘발성 유기화합물 또는 대기 중 휘발성 유기화합물은 제4연결라인(27)을 통하여 시료건조기(70)내로 흡입되어지고, 시료건조기(70)를 통과하면서 저온흡착열탈착분리관 (20)으로 유입되어 포집된다.

시료건조단계;

상기 제1연결라인(21)에 설치된 제1가변유량조절밸브(22)를 개방하면 상기 세척·건조용 기체저장탱크(10)에 저장된 시료건조용 기체는 제1연결라인(21)을 통하여 시료건조기(70)로 유입되어 시료건조기(70)내부의 시료와 접촉하면서 시료를 건조시켜 주게 된다. 이때 상기 제1가변유량조절밸브(22)를 통과하는 건조기체의 유량은 일반적으로는 100 ㎖/min이 적당하지만 시료 중 수분량과 분석물질에 따라 조절가능하도록 되어있다.

시료저온흡착단계;

상기 건조된 시료는 저온흡착열탈착분리관(20)의 냉각장치에 의해서 약 -30℃의 저온으로 유지된 저온흡착열탈착분리관(20)내부로 유입되어 흡착제에 흡착된다.

시료탈착단계;

도 2b는 본 고안의 제어밸브가 시료탈착단계 및 시료저장단계에서 동작하는 상태를 나타낸 개략도이다.

상기 시료가 포집된 저온흡착열탈착분리관(20)을 가열장치로써 가열한다. 이때 제1진공제어밸브(26)는 공기의 흐름을 차단하는 상태가 되며, 저온흡착열탈착분리관(20)을 가열하는 온도는 시료의 종류에 따라 약간 차이가 있지만 대략 200∼350℃ 정도이다. 이와 같이 저온흡착열탈착분리관(20)이 가열되면 그 내부에 포집된 시료는 증발하면서 탈착하게 된다.

시료저장단계;

상기 탈착된 시료는 제3연결라인(25)을 통하여 제1제어밸브(30), 제2제어밸브(40) 및 제2진공제어밸브(42)를 통하여 시료저장·공급장치(43)로 이동한다. 이때 감압 진공상태는 시료저장·공급장치(43)로 사용되는 유리재질의 흡입기가 끌어당겨지며 이루어지게 되며, 이 당겨지는 양에 따라 감압 진공의 정도도 달라진다. 그리고 탈착이 끝나게 되면 제2진공제어밸브(42)가 공기의 흐름을 차단하여 시료저장·공급장치(43)내부의 시료가 외부 공기에 의해 희석 오염되는 것을 막고, 유리 흡입기를 다시 일정하게 압축하여 내부압력을 외기 압과 같게 유지하게 한다.

저온흡착열탈착분리관 세척단계;

도 2c는 본 고안의 제어밸브가 저온흡착열탈착분리관 세척단계에서 동작하는 상태를 나타낸 개략도이다.

상기 열탈착이 끝난 저온흡착열탈착분리관(20)에 세척·건조용 기체를 통과시켜 내부에 남아있는 시료를 세척하는 단계로 제1진공제어밸브(26)가 다시 공기의 흐름을 유지하도록 한 상태에서 제2가변유량조절밸브(24)에 의해서 유량이 조절된 세척·건조용 기체는 제1제어밸브(30)를 통하여 제1진공제어밸브(26)를 통과한 후 고온상태의 저온흡착열탈착분리관(20)을 통과하면서 내부에 남아있는 시료를 세척하게 되며, 이 세척용 기체는 제1제어밸브(30)를 통해 제2제어밸브(40)로 흘러 빠져나가게 된다.

시료샘플링단계;

도 2d는 본 고안의 제어밸브가 시료샘플링단계에서 동작하는 상태를 나타낸 개략도이다.

상기 시료저장·공급장치(43)에 모여진 시료는 인접 배치된 가열장치에 의해서 가열 활성화되며 동시에 분포밀도가 균일하게 된다. 그런 다음 도 2d에 도시된 것과 같이 제2제어밸브(40)는 시료저장·공급장치(43)와 제3제어밸브(50)가 연결되도록 전환되어지고, 제3제어밸브(50)의 위치는 제2제어밸브(40)와 샘플 루프(51)가 연결되도록 전환되어지면 제2진공제어밸브(42)가 공기의 흐름이 유지되도록 개방되어지게 되고, 시료저장·공급장치(43)로 사용되어지는 유리제질의 흡입기가 압축되어 시료를 샘플 루프(51)로 밀어 넣어주게 된다.

시료주입단계;

도 2e는 본 고안의 제어밸브가 시료주입단계에서 동작하는 상태를 나타낸 개략도이다.

시료가 샘플 루프(51)에 저장되게 되면, 제3제어밸브(50)는 운반가스 저장탱크(60)와 샘플 루프(51)가 연결되도록 전환되어 시료운반가스에 의해 일정량의 샘플 루프(51)내부의 시료를 시료분석용 가열오븐(56) 내부의 모세관 분리관(80)으로 전달하도록 한다. 따라서 이 과정에서 고농도의 일정소량시료가 짧은 시간에 시료분석장치 쪽으로 보내어지게 된다. 그리고 시료분석장치는 소량시료가 주입됨으로 인해 좁은 내경의 모세관 분리관을 사용할 수 있게 되어 분석시간의 단축이 이루어질 수 있게 된다.

상기의 시료포집 및 저온흡착 감압진공열탈착 그리고 시료저장 및 분배와 주입단계는 각각 제어컴퓨터에 의해서 자동 제어될 수 있다. 그러므로 인력의 효율적이고 생산적인 측면에 많은 이점을 가진다.

도 3은 본 고안에 따른 휘발성 유기화합물 분석장치의 시료주입장치를 이용하여 분석한 예로 미국 EPA(Environmental Protection Agency)에서 규제대상으로 하고 있는 휘발성유기화합물의 표준물질을 직접 분석한 분석결과 그래프이다.(GC : DS6200 , 검출기 : Flame Ionization Detector , 모세관 분리관 : SPB-1 길이-10m 내경-0.2mm).

도 3에 보이는 바와 같이 10m의 모세관 분리관으로도 효율적으로 휘발성유기화합물의 성분을 분석할 수 있으며, 8분 이내의 분석이 완료되어 30 내지 60분 이상이 소요되어 지는 종래 GC분석시간에 비해 분석시간이 매우 단축된 것을 알 수 있다.

본 고안은 저온상태에서 시료를 흡착하므로 종래의 시료주입장치보다 적은 양의 흡착제의 사용이 가능하고, 감압진공상태에서 시료를 열탈착하기 때문에 열탈착효율이 매우 높으며, 탈착된 고농도의 시료를 용량이 매우 작은 샘플 루프를 통해 언제나 일정 소량을 아주 짧은 시간 동안에 시료분석장치로 주입함으로써 GC의 모세관 분리관(Capillary Column)으로 좁은 내경의 것을 사용할 수 있어 Fast GC법을 가능하게 한다.

또, 본 고안은 종래 시료주입장치가 30 내지 60 m인 분석용 모세관 분리관을 가진 GC에 사용되는 것에 비하여 10m 이하의 분리관의 사용으로도 분석이 가능하며, 고농도 시료를 주입할 수 있게 됨으로써 일반적을 많이 사용되는 검출기로도 시료검출을 용이하게 할 수 있고, 분석시간의 감소로 인하여 소비되는 가스들의 사용량이 줄어들어 전체적인 비용을 절감시키는 효과가 있다.

또, 본 고안은 액체질소 및 고가의 검출기를 사용하지 않고 기존의 분석장비로도 사용 가능하므로 기기의 변경에 따른 추가적인 비용의 절감도 얻을수 있으며 기존장비를 사용하는데 있어서도 기기 운영비 및 재료비의 절감효과를 가져다 줄 수 있다. 그리고 본 고안은 간단한 구조와 작동원리를 가지는 밸브시스템 및 샘플 루프를 사용하므로 자동화하기 편리하며, 이로 인한 많은 인력의 절감과 분석 자동화로 인한 분석결과의 신뢰도를 향상시킬 수 있다. 또한 짧은 시간에 많은 다양한 종류의 분석물질을 분석할 수 있다. 이처럼 유해환경의 원인물질을 구체적으로 알려줄 수 있는 Fast GC의 사용이 가능해 짐에 따라서 유해환경에 대한 빠른대응이 가능해져 건강 및 환경을 보호할 수 있게 되는 효과가 있다.

Claims (5)

1. 대기, 수원 또는 토양에서 채취한 휘발성 유기화합물 시료를 건조·세척용 기체저장탱크(10)에 저장된 건조기체로써 건조시키는 시료건조기(70);

   상기 시료건조기(70)에서 건조된 시료를 저온에서 농축흡착하거나, 가열하여 탈착시키는 저온흡착열탈착분리관(20);

   상기 대기, 수원 또는 토양에서 발생하는 휘발성 유기화합물 시료를 시료건조기(70)로 유입시키고, 시료건조기(70)에서 건조된 시료를 저온흡착열탈착분리관 (20)으로 유입시키는 시료포집용 펌프(29);

   상기 저온흡착열탈착분리관(20)에서 탈착되어 배출되는 시료를 감압진공상태에서 흡인저장하고, 저장된 시료를 가압배출하는 시료저장·공급장치(43);

   상기 시료건조기(70)로부터 저온흡착열탈착분리관(20)쪽으로 시료를 공급 또는 차단하거나, 건조·세척용 기체저장탱크(10)로부터 저온흡착열탈착분리관(20)쪽으로 세척용 기체를 공급 또는 차단하거나, 저온흡착열탈착분리관(20)으로부터 시료저장·공급장치(43)쪽으로 탈착된 시료를 공급 또는 차단하는 제1제어밸브(30);

   상기 제1제어밸브(30)를 통과한 세척용 기체를 저온흡착열탈착분리관(20)으로 공급 또는 차단하는 제1진공제어밸브(26);

   상기 시료저장·공급장치(43)에서 배출되는 시료를 일정한 농도를 균일하게 농축시켜 샘플링하는 샘플 루프(51);

   상기 제1제어밸브(30)를 통과하여 배출되는 탈착된 시료를 시료저장·공급장치(43)쪽으로 공급 또는 차단하거나, 시료저장공급장치(43)로부터 가압배출되는 시료를 샘플 루프(51)쪽으로 공급 또는 차단하는 제2제어밸브(40);

   상기 제2제어밸브(40)와 시료저장공급장치(43)에 연결되어 시료를 공급 또는 차단하는 제2진공제어밸브(42);

   상기 샘플 루프(51)의 샘플링된 시료를 시료분석장치(90)로 운반하는 운반가스를 저장하는 운반가스 저장탱크(60);

   상기 제2제어밸브(40)를 통과하여 배출되는 시료를 샘플 루프(51)로 공급 또는 차단하거나, 샘플 루프(51)의 시료를 시료분석장치(90)로 공급 또는 차단하는 제3제어밸브(50); 를 포함하는 휘발성 유기화합물 분석장치의 시료주입장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 시료포집용 펌프(29)와 저온흡착열탈착분리관(20)을 서로 연통시키는 제6연결라인(33)상에는 시료건조기(70)에 유입되는 시료의 양을 조절하는 시료유량조절밸브(28)가 설치되고, 상기 건조·세척용 기체 저장장치(10)와 시료건조기(70)를 서로 연통시키는 제1연결라인(21)상에는 시료건조기(70)쪽으로 유입되는 건조용 기체의 유량을 조절하는 제1가변유량조절밸브(22)가 설치되고, 상기 건조·세척용 기체 저장장치(10)와 제1제어밸브(30)를 서로 연통시키는 제2연결라인 (23)상에는 제1제어밸브(30)쪽으로 유입되는 세척용 기체의 유량을 조절하는 제2가변유량조절밸브(24)가 설치되고, 상기 운반가스 저장탱크(60)와 제3제어밸브(50)를 서로 연통시키는 제9연결라인(52)상에는 제3제어밸브(50)쪽으로 유입되는 운반가스의 유량을 조절하는 제3가변유량조절밸브(53)가 설치된 것을 특징으로 하는 휘발성 유기화합물 분석장치의 시료주입장치.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 제3제어밸브를 통과하여 배출되는 샘플링된 시료를 모세관 분리관(80)을 통과시키면서 선택적으로 가열하여 일정소량의 시료를 농축시켜 시료분석장치(90)로 내보내는 시료분석용 가열오븐(56)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 휘발성 유기화합물 분석장치의 시료주입장치.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 시료저장·공급장치(43)는 그 내부에 저장된 시료를 가열하여 활성화시키는 가열장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 휘발성 유기화합물 분석장치의 시료주입장치.
5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제3제어밸브(50)에 연결되어 샘플 루프(51)의 내부 압력을 조절하는 플로우 리스트릭터(Flow Restrictor)(55)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 휘발성 유기화합물 분석장치의 시료주입장치.