초순수의 pH측정 및 관리?
초순수의 pH측정 및 관리
초순수란 물속에 이온성 물질이 적어(이온강도가 낮아) 전기전도도가 1μS/cm 이하인 경우를 말한다.
산업별로는 발전설비의 보일러 급수(Feed Water), 복수(Condensate Return), 보충수 (Make-up Water, DI Water), 반도체Chip의 세척수(Rinse Water),
제약공정의 세척수와 주사용수(Water for Injection)을 들 수 있다.
1. 초순수 pH측정의 난해성
초순수의 pH측정은 많은 간섭인자들이 있어 대단히 어렵다. 예를 들면 정전기, 유속, 압력과 온도변화, 표준용액으로 pH전극을 교정한 후에 기준전극 액락부(Liquid Junction)의 오염 등이 간섭인자이다. 현재도 초순수의 pH측정 System에 대한 연구가 진행 중이다.
주요 간섭인자들은 다음과 같으며, 자세한 사항은 다음 포스트를 참고하기 바랍니다.
a) 매질의 낮은 전기전도도 (Low Conductivity of the Medium)
b) 액락부 전위와 불안정성 (Junction Potential, Unstability)
c) 정전기에 의한 간섭 (Electrostatic Potential)
d) 공정수의 오염 (Process Contamination by Impurities)
e) 유속의 영향 (Influence of Flow rate)
f) 압력의 영향 (Influence of Pressure)
g) 온도의 영향 (Influence of Temperature)
h) 측정System의 접지
2. 전기전도도(Conductivity)와 pH의 관계
일반적으로 순수의 전기전도도가 1㎲/㎝(1㏁․㎝)이하일 경우에는 pH관리를 하지 않는다.
순수일수록 측정된 pH와 실제치가 다른 경우가 많은 데 그 이유는 아래와 같다.
① Sampling을 하여 실험실에서 pH를 측정할 경우
- H2O＋CO2 →H+ ＋HCO3-
- 대기중의 CO2가 순수에 녹아 들어 가므로 pH를 측정하는 동안 pH가 계속 저하된다.
② Line에 pH Meter가 설치되어 있을 경우
- 일반적으로 pH Meter 및 센서를 선정시 원수에 사용하는 제품과 순수에 사용하는 것이 종류가 다르다.
- 순수용 pH Meter라도 전기전도도가 매우 낮을 경우 pH Meter가 측정한 측정치가 이론치를 벗어남으로 신뢰성이 떨어진다.
3. pH측정 불능 영역
전기전도도(Conductivity)가 0.1㎲/㎝이하일 경우 일반적으로 pH측정 불능 영역 이라 칭한다.
전기전도도(Conductivity)가 0.1㎲/㎝이하인 물은 이론적으로 pH가 6.2～7.6사이에서 존재한다.
그러나 현장에서 측정치가 이 범위를 넘어 존재하는 경우가 있으나 그 수치는 모두 신뢰할 수 없는 수치이며 상기 그래프를 보면 전기전도도가 감소할
수록 신뢰할 수 있는 pH Range가 좁아짐을 알 수 있다.
4. 처리수 전도도와 pH의 관계
5. 초순수의 pH 측정방법
가. 이온의 농도가 극히 적은 순수의 pH측정은 대단히 어려우며 그 이유는 아래와 같다.
① pH Sensor 전극막의 Glass가 극미량이지만 순수 중에 용해하기 때문에 완충작용이 적은 순수의 경우는 Glass에서 용해된 이온에 의해 강력한 pH
영향을 받게 된다. 예를 들면 동일한 순수를 동일온도에서 pH를 측정해도 측정 Sensor의 Glass 종류에 따라 pH측정값이 다른 경우가 있다.
② 기준전극으로부터 미량이지만 염화칼륨용액이 유출되기 때문에 염화칼륨 및 그 불순물의 영향을 받을 수 있다.
③ 공기중의 탄산가스(대기의 약 0.03%)가 순수 중에 용해하기 때문에 시간에 따라 pH가 변화한다.
④ 측정에 이용된 비이커 등 용기의 오염, 전극에 부착되어 있는 전에 측정했던 액등도 미량이지만 순수 pH의 변화의 원인이 된다
⑤ 흐르는 순수의 pH를 측정하는 경우는 순수의 전기전도율이 극히 작기 때문에 누설전류 또는 외부로부터의 유도전류에 의하여 pH측정이 영향을
받게 된다. 따라서 순수의 pH측정은 ①～④까지의 완충작용의 부족, ⑤와 같이 순수자체의 전기전도율 결여 등에 의하여 순수의 정확한
pH를 측정 하는 것이 곤란하며 이에 따라 통상적으로 측정된 순수의 pH값을 신뢰하기 어렵다.
나. 완충작용이 적은 액의 pH측정방법은 상기한 각 항의 조건에 주의하고 구체적으로는 아래와 같이 주의하여 측정한다.
①, ②, ④의 장애를 피하기 위하여 유동상태의 순수를 측정해야 한다.
유동상태에서는 각부의 오염물질이 축적되지 않고 Glass전극에 새로운 순수가 접촉된다.
③의 공기중의 탄산가스의 영향을 없애기 위해서는 측정용기의 기밀이 우선 중요하다.
②의 기준전극용액의 문제는 비교 전극 각 부분에 이온농도가 적은 용액이 접촉하는 것을 방지하기 위하여 액의 각 부분이 전도율이 높은(예를 들면
염화칼륨 용액) 용액으로 흐르게 하여 이온농도가 적은 용액이 직접 접촉하지 않도록 주의한다.
염화칼륨액은 순수와 액간 전위차가 안정되어 유리한 점이 있다. 또 분리형 pH 전극을 사용요하는 경우, Glass 전극은 반드시 액의 유동방향에 대해서
기준전극의 전에 설치하는 것이 좋다. 그 이유는 기준전극으로부터 유출된 염화칼륨용액이 Glass전극에 접촉하지 않도록 하기 위함이다.
④의 용기, 전극의 오염물질에 의한 영향을 막기 위해서는 전극과 용기를 순수로 충분히 깨끗하게 세척하는 것이 좋다.
또 Glass전극은 화학적 내구성이 강한(예를 들면 리튬계 전극) 것을 사용한다
⑤에 대해서는 유속을 작게 하여 가능하면 일정하게 유지할 필요가 있다.
따라서 순수의 수질이 1.0㎲/㎝(1㏁㎝)이하인 경우 원칙적으로 전기전도도에 의해 pH를 추정한다.
