용존산소량

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1. 개요
2. 용존산소량 측정 방법
3. 포화 용존 산소량
4. 용존산소량에 영향을 미치는 요인
참조

1. 개요

용존산소량은 물속에 녹아있는 산소의 양을 의미하며, 윙클러-아지드화나트륨 변법, 격막 전극법, 간이 시험법 등의 다양한 방법으로 측정할 수 있다. 포화 용존 산소량은 물에 녹을 수 있는 최대 산소량을 나타내며, 수온, 기압, 염분 농도 등에 따라 변화한다. 수온이 낮고, 기압이 높으며, 염분 농도가 낮을수록 용존 산소량은 증가한다.

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용존산소량
일반 정보
이름	용존산소
다른 이름	DO, Dissolved Oxygen
설명	물에 녹아 있는 산소의 양
특성
측정 단위	mg/L (밀리그램/리터), ppm (백만분율), % (퍼센트)
영향 요인	수온 염분 압력 유기물 생물 활동
중요성
수생 생물	수생 생물의 생존 필수 요소
수질 평가	수질 지표로 사용
오염 지표	용존산소 부족은 오염을 의미
측정 방법
윙클러 적정법	화학적 적정 방법
전기화학적 방법	DO 미터, 산소 센서 사용
광학적 방법	형광 물질 기반 센서 사용
관리 기준
농업용수	5 mg/L 이상
상수원수	7 mg/L 이상
어업용수	5 mg/L 이상
문제점
부영양화	용존산소 고갈 유발
어류 폐사	용존산소 부족 시 발생
수질 악화	용존산소 감소는 수질 저하를 의미

2. 용존산소량 측정 방법

용존산소량(DO) 측정에는 여러 방법이 있다.

; 윙클러-아지드화나트륨 변법

: 황산망간과 알칼리성 요오드칼륨 용액을 넣어 수산화제일망간이 산화되어 수산화제이망간이 되게 하고, 황산 산성에서 용존산소량에 대응하는 요오드를 유리시켜 티오황산나트륨으로 적정하여 용존산소의 양을 정량한다. 아질산염 5mg/L 이하, 제일철염 1.0mg/L 이하에서 방해받지 않으며, 하천수, 하수 및 공장폐수에 적용되고 정량범위는 0.1mg/L 이상이다.^[1]

; 격막 전극법

: 산소 투과성 플라스틱 막으로 덮인 음극과 양극 사이를 전해질로 채운 전극을 시료액에 넣어 산소 분자가 피막과 전해질로 확산, 음극 표면에서 환원될 때 흐르는 전류를 측정하여 용존 산소량을 구한다. 정전위 전해법과 갈바니 전지법이 있다.^[1]

; 간이 시험법(색깔비교법)

: 시료와 시약을 혼합하여 나타나는 색깔을 표준 비색표와 비교하여 용존산소량을 측정한다. 간편하지만 정확도는 낮다. 시중에 용존 산소 측정 키트가 판매되고 있다.^[1]

2. 1. 윙클러-아지드화나트륨 변법

황산망간과 알칼리성 요오드칼륨 용액을 넣으면, 시료 중의 용존산소에 의해 수산화제일망간이 산화되어 수산화제이망간이 된다. 이후 황산 산성 조건에서 용존산소량에 비례하는 요오드가 유리된다. 유리된 요오드를 티오황산나트륨으로 적정하여 용존산소의 양을 정량한다. 이 방법은 아질산염 5mg/L 이하, 제일철염 1.0mg/L 이하의 환경에서 방해받지 않으며, 하천수, 하수, 공장폐수 등에 적용된다. 정량 범위는 0.1mg/L 이상이다.^[1]

2. 1. 1. 실험 방법

시료를 가득 채운 300mL 용존산소측정병(또는 BOD병)에 황산망간 용액 1mL와 알칼리성 요오드화 칼륨-아지드화나트륨 용액 1mL를 넣고 기포가 남지 않게 조심하여 마개를 닫고 수 회 병을 회전하면서 섞는다. 시료가 해수이거나 알칼리성에서 산화되기 쉬운 유기물을 함유하는 폐수의 경우에는 2분간 병을 회전하여 섞는다. 2분 이상 정지시키고 위 맑은 액에 미세한 침전이 남아 있으면 다시 회전시켜 혼화한 다음 정치하여 침전시킨다. 100mL 이상의 맑은 층이 생기면 마개를 열고 황산 2.0mL를 병목으로부터 넣는다. 마개를 다시 닫고 갈색 침전물이 완전히 용해될 때까지 병을 회전시킨다. 용존산소측정병의 용액 200mL를 정확히 취하여 황색이 될 때까지 0.025M 싸이오황산나트륨 용액으로 적정한 다음, 전분 용액 1mL를 넣고 청색이 무색이 될 때까지 적정한다.

:

DO = a \times f \times \frac{v_1}{v_2} \times \frac{1000}{v_1 - R} \times 0.2

$DO$ : 용존산소량 (mgO/L)
$a$ : 적정에 소비된 0.025N - 티오황산나트륨액 (mL)
$f$ : 0.025N-티오황산나트륨액의 역가 (factor)
$v_1$ : 전체 시료량 (mL)
$v_2$ : 적정에 사용한 시료량 (mL)
$R$ : 전체 시료량에 넣은 용액량 (mL)

2. 1. 2. 화학적 원리

황산망간과 알칼리성 요오드칼륨 용액을 넣을 때 생기는 수산화제일망간이 시료 중의 용존산소에 의하여 산화되어 수산화제일망간으로 되고, 황산 산성에서 용존산소량에 대응하는 요오드를 유리한다. 유리한 요오드를 티오황산나트륨으로 적정하여 용존산소의 양을 정량하는 방법이다. 이 방법은 아질산염 5mg/L 이하, 제일철염 1.0mg/L 이하에서 방해를 받지 않으며, 하천수, 하수 및 공장폐수에 적용한다. 정량범위는 0.1mg/L 이상이다. 물속에 존재하는 O₂를 같은 당량의 I₂로 바꾸어 I₂를 Na₂S₂O₃과의 적정을 통해 알아내어 용존 산소를 측정하는 방법이다.

:

O_2

의 고정

:

Mn^{2+}+2OH^- \to Mn(OH)_2

:

Mn(OH)_2 + \frac{1}{2}O_2 \to MnO_2+H_2O

:

I_2

의 생성

:

MnO(OH)_2 + 2I^- + H_2O \to Mn^{2+} + 4OH^- + I_2

;싸이오황산이온이 포함된 표준용액을 이용하여 유리된 I₂를 적정(일종의 간접요오드법)

:

I_2 + 2S_2O_3^{2-} \to 2I^- + S_4O_6^{2-}

;소비된 적정액을 이용하여 DO를 계산

:위 화학반응에서 당량을 계산하면

O_2 = 2MnO(OH)_2 = 2I_2 = 4S_2O_3^{2-}

이므로, 용존산소량 측정을 위해 사용된 시료를 200mL로 하고, 싸이오황산나트륨의 용액을 0.025M로 만들면 소비된 싸이오황산나트륨용액의 소비량(단위는 mL)의 숫자는 용존산소량(단위는 ppm 또는 mg/L)과 같아진다.

2. 2. 격막 전극법

산소 투과성 플라스틱으로 덮인 음극과 양극 사이를 전해질로 채운다. 그 양극을 시료액에 넣으면 시료 속의 산소 분자가 피막과 전해질로 확산되고 음극 표면에 도달하여 환원된다. 이때 흐르는 전류는 산소 분자의 확산에 비례하므로 용존 산소량을 구할 수 있다. 격막 전극에는 주로 정전위 전해법과 갈바니 전지법이 있다. 정전위 전해법은 외부 전원을 이용해 음극의 전압을 일정하게 하는 반면, 갈바니 전지법은 비금속 전극을 음극과 조합하여 일정한 전압을 얻는다.

2. 3. 간이 시험법(색깔비교법)

시료와 시약을 혼합하여 나타나는 색깔 변화를 표준 비색표와 비교하여 용존산소량을 측정하는 방법이다. 간편하게 사용할 수 있지만, 정확도는 상대적으로 낮다. 시중에 용존 산소 측정 키트가 판매되고 있다.

3. 포화 용존 산소량

포화 용존 산소량(간단히 포화 산소량)은 물 속에 녹을 수 있는 최대 산소량을 말한다.

포화 용존 산소량은 기압, 수온, 용존 염류 농도 등에 따라 변화한다.^[1]

1기압 아래의 증류수에서 온도에 따른 포화 용존 산소량은 아래 표와 같다.

1기압 아래의 증류수에서 온도에 따른 포화 용존 산소량(mg-O/L)
	0.0	0.1	0.2	0.3	0.4	0.5	0.6	0.7	0.8	0.9
0	14.15	14.12	14.08	14.04	14.00	13.97	13.93	13.89	13.85	13.81
1	13.77	13.74	13.70	13.66	13.63	13.59	13.55	13.51	13.48	13.44
2	13.40	13.37	13.33	13.30	13.26	13.22	13.19	13.15	13.12	13.08
3	13.04	13.01	12.98	12.94	12.91	12.87	12.84	12.81	12.77	12.74
4	12.70	12.67	12.64	12.60	12.57	12.54	12.51	12.47	12.44	12.41
5	12.37	12.34	12.31	12.28	12.25	12.22	12.18	12.15	12.12	12.09
6	12.06	12.03	12.00	11.97	11.94	11.91	11.88	11.85	11.82	11.79
7	11.75	11.73	11.70	11.67	11.64	11.61	11.58	11.55	11.52	11.50
8	11.47	11.44	11.41	11.38	11.36	11.33	11.30	11.27	11.25	11.22
9	11.19	11.16	11.14	11.11	11.08	11.06	11.03	11.00	10.98	10.95
10	10.92	10.90	10.87	10.85	10.82	10.80	10.77	10.75	10.72	10.70
11	10.67	10.65	10.62	10.60	10.57	10.55	10.53	10.50	10.48	10.45
12	10.43	10.40	10.38	10.36	10.34	10.31	10.29	10.27	10.24	10.22
13	10.20	10.17	10.15	10.13	10.11	10.09	10.06	10.04	10.02	10.00
14	9.97	9.95	9.93	9.91	9.89	9.87	9.85	9.83	9.81	9.78
15	9.76	9.74	9.72	9.70	9.68	9.66	9.64	9.62	9.60	9.58
16	9.56	9.54	9.52	9.50	9.48	9.46	9.45	9.43	9.41	9.39
17	9.37	9.35	9.33	9.31	9.30	9.28	9.26	9.24	9.22	9.20
18	9.18	9.17	9.15	9.13	9.12	9.10	9.08	9.06	9.04	9.03
19	9.01	8.99	8.98	8.96	8.94	8.93	8.91	8.89	8.88	8.86
20	8.84	8.83	8.81	8.79	8.78	8.76	8.75	8.73	8.71	8.70
21	8.68	8.67	8.65	8.64	8.62	8.61	8.59	8.58	8.56	8.55
22	8.53	8.52	8.50	8.49	8.47	8.46	8.44	8.43	8.41	8.40
23	8.39	8.37	8.36	8.34	8.33	8.32	8.30	8.29	8.27	8.26
24	8.25	8.23	8.22	8.21	8.19	8.18	8.17	8.15	8.14	8.13
25	8.11	8.10	8.09	8.07	8.06	8.05	8.04	8.02	8.01	8.00
26	7.99	7.97	7.96	7.95	7.94	7.92	7.91	7.90	7.89	7.88
27	7.87	7.85	7.84	7.83	7.82	7.81	7.79	7.78	7.77	7.76
28	7.75	7.74	7.72	7.71	7.70	7.69	7.68	7.67	7.66	7.65
29	7.64	7.62	7.61	7.60	7.59	7.58	7.57	7.56	7.55	7.54
30	7.53	7.52	7.51	7.50	7.48	7.47	7.46	7.45	7.44	7.43

4. 용존산소량에 영향을 미치는 요인

용존산소량은 여러 요인의 영향을 받는다.^[1]

요인	영향
수온	낮을수록 증가
기압	높을수록 증가
난류	클수록 증가
유속	빠를수록 증가
하천 경사	급할수록 증가
염분	낮을수록 증가

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