퇴적물 메틸수은 분석법 - 에틸화 원자형광법

수질오염공정시험기준(ES 04881.1)

퇴적물 메틸수은 분석법 - 에틸화 원자형광법

1.0 개요

1.1 목적

이 시험기준은 퇴적물 내에 존재하는 메틸수은을 용매추출, 용매치환, 에틸화, 가스 퍼지와 흡착, 그리고 열 탈착, 기체크로마토그래프 (GC, gas chromatograph) 컬럼을 거쳐 원자형광광도계 (AFS, atomic fluorescence photometer)를 이용하여 측정하는 방법이다.

 

1.2 적용범위

1.2.1 이 시험기준은 퇴적물 중 메틸수은 농도가 20 ng/kg ∼ 500 ng/kg 범위일 때 적절하며, 이보다 낮거나 높은 농도는 염화메틸렌 추출액을 적절하게 변경하여 측정한다. 이 방법의 정량한계는 20 ng/kg 이다. 정량한계 목표 값보다 낮은 정량한계를 얻을 수 있는 분석기술이 있는 경우 소급성이 인정된다면 정량한계로 사용할 수 있다.

 

1.2.2 분석 가능한 메틸수은 화학종

산성조건에서 증류 가능한 모든 메틸수은은 소듐테트라에틸보레이트 (sodium tetraethylborate, NaB(Et)4)와 반응하여, 에틸메틸수은 (ethyl methyl mercury, CH3HgCH2CH3)으로 변환되어 검출된다. 본 시험방법에서 검출되는 메틸수은에는 메틸수은 이온 (CH3Hg+) 이외에도, 유기물 또는 입자에 결합된 메틸수은화합물이나 미생물에 결합된 메틸수은 등도 포함된다. 단, 채취된 지 수 일 이내의 시료에서는 다이메틸수은 ((CH3)2Hg)은 메틸수은으로 검출되지 않으나, 산성 조건의 시료 중에서 수 일 이내에 분해되어 CH3Hg+ 형태로 변환되어 존재한다.

 

1.3 메틸수은 분석에서 일반적인 주의사항

1.3.1 만성적인 메틸수은 노출은 간 손상, 근육 경련, 발작, 성격 변화, 우울증, 신경과민 및 영구적인 뇌 손상을 유발시킬 수 있으므로 메틸수은 표준용액은 안전관리에 익숙하며 잘 숙련된 사람만이 다룰 수 있도록 해야 한다.

 

1.3.2 이 시험기준을 사용하는 실험실에서는 희석된 메틸수은 표준용액을 사용하도록 권고한다. 표준용액을 준비할 시에는 후드 안에서 준비하도록 한다.

 

1.3.3 테플론 재질이 아닌 시험기구의 사용을 피해야 하며, 모든 기구는 사용하기 전에 산으로 세척하여야 한다.

 

1.3.4 모든 실험 절차는 class-100의 클린룸 또는 class-100의 클린벤치에서 진행한다. 클린룸이나 클린벤치에서 진행이 어려울 경우 비금속 재질의 글러브 박스에서 진행하도록 한다.

 

1.3.5 많은 양의 수용성 물질, 부유물질, 높은 끓는점 또는 휘발성 물질을 함유하는 시료는 분석 후 퍼지 장치들을 세척제와 정제수로 세척한 후, 105 ℃ 오븐 안에서 건조시킨다. 

---

4.0 시약 및 표준용액

 

4.1 시약

4.1.1 정제수

시약용 정제수 또는 탈이온수 (비저항 18 MΩ)를 사용한다.

 

4.1.2 염산 (hydrochloric acid, HCl, 36.46) (37 %)

염산 (hydrochloric acid, HCl, 분자량 : 36.46)은 수은 함량이 5.0 ng/L 이하인 유해중금속 분석용 또는 그 이상의 등급을 사용한다. 고농도의 산에서 메틸수은은 안정하지 않기 때문에 산에 있는 메틸수은 농도를 측정할 필요는 없다.

 

4.1.3 황산 (sulfuric acid, H2SO4, 98.08) (98 %)

황산 (sulfuric acid, H2SO4, 분자량 : 98.08)은 수은 함량이 5.0 ng/L 이하인 유해중금속 분석용 또는 그 이상의 등급을 사용한다. 고농도의 산에서 메틸수은은 안정하지 않기 때문에 산에 있는 메틸수은 농도를 측정할 필요는 없다.

 

4.1.4 황산 (10 %)

정제수 800 mL에 황산 (sulfuric acid, H2SO4, 분자량 : 98.08) 100 mL을 넣은 후 정제수를 섞어 최종부피를 1 L로 한다.

 

4.1.5 황산구리 (1 M)

유해중금속 분석용 또는 그 이상의 등급을 사용한다. 황산구리・5수화물 (copper(II) sulfate pentahydrate, CuSO4・5H2O, 분자량 : 249.68) 25.0 g을 취하여 정제수에 녹여 100 mL로 한다.

 

4.1.6 브롬화칼륨 용액 (30.25 M)

유해중금속 분석용 또는 그 이상의 등급을 사용한다. 180.0 g 브롬화칼륨 (potassium bromide, KBr, 분자량 : 119.00)을 황산용액 (10 %)에 녹여 1 L로 한 뒤, 0.2 g 염화하이드록실암모늄 (hydroxylamine chloride, NH2OH・HCl, 분자량 : 69.5)을 첨가하여 만든다.

 

4.1.7 염화메틸렌

염화메틸렌 (Methylene chloride, CH2Cl2, 분자량 : 84.93)은 바탕시험시 분석물질의 피크부근에 불순물 피크가 없는 것을 사용한다.

 

4.1.8 암모늄피롤리딘디티오카바메이트 용액 (1 %)

유해중금속 분석용 또는 그 이상의 등급을 사용한다. 암모늄피롤리딘디티오카바메이트 (APDC, ammonium pyrrolidine dithiocarbamate, C5H12N2S2, 분자량 : 164.29) 1 g을 정제수에 녹여 100 mL로 한다.

 

4.1.9 아세트산나트륨

아세트산나트륨 (sodium acetate, CH3COONa, 분자량 : 82.03)은 유해중금속 분석용 또는 그 이상 등급을 사용한다.

 

4.1.10 아세트산

아세트산 (glacial acetic acid, C2H4O2, 분자량 : 60.05, 99.8 %)은 유해중금속 분석용 또는 그 이상의 등급을 사용한다.

 

4.1.11 아세테이트 완충액 (2 M)

아세트산나트륨 (sodium acetate, C2H3NaO2, 분자량: 82.03) 164.06 g과 아세트산 (glacial acetic acid, C2H4O2, 분자량 : 60.05, 99.8%) 118 mL를 정제수와 섞어 최종부피를 1 L로 만든다. 사용한 시약은 유해중금속 분석용 또는 그 이상의 등급을 사용한다.

 

4.1.12 수산화칼륨 용액 (2 %)

유해중금속 분석용 또는 그 이상의 등급을 사용한다. 수산화칼륨 (potassium hydroxide, KOH, 분자량 : 56.11) 2.0 g을 정제수에 녹여 100 mL로 한다.

 

4.1.13 소듐테트라에틸보레이트 용액 (1 %)

2 % 수산화칼륨 (potassium hydroxide, KOH, 분자량 : 56.11) 용액 100 mL에 소듐테트라에틸보레이트 (sodium tetraethylborate, C8H20BNa, 분자량 : 150.05) 1.0 g을 용해시켜 만든다. 제조된 시약은 5 mL의 미리 산 세척된 유리병 또는 테플론병에 나눠 담아 바로 냉동시킨다. 시약을 사용할 때는 얼린 시약 위의 녹은 부분만 사용한다.

[주 1] 2 % 수산화칼륨 용액은 제조 후 냉동 보관하였다가, 사용 전 실온에서 일부 녹은 상태의 용액을 소듐테트라에틸보레이트 용액 제조에 사용한다.

[주 2] 제조된 소듐테트라에틸보레이트 용액은 얼음이 완전히 녹기 전까지만 사용할 수 있고, 다시 얼려 사용하면 안 된다. 이 용액은 그리고 공기 중에 노출되면 사용 가능한 시간이 줄어들므로, 용액 사용 시 뚜껑은 빠르고 신속하게 개폐하며 잘 밀봉하여 보관한다. 단 용액이 노랗게 변한 경우, 사용하지 않는다.

[주 3] 1 % 소듐테트라에틸보레이트 용액의 활성은 에틸화 과정에 중요한 요소이다. pH 2 이하 염산 또는 질산에 시약을 첨가 시, 즉각적으로 하얀색 입자가 발생하는 경우, 용액은 활성이 있는 상태이다.

[주 4] 소듐테트라에틸보레이트는 독성 물질로 자연적으로 독성 물질이 사라지면서 독성 가스를 발생시킨다. 남은 시약을 버릴 때는 후드 안에 두면 자연적으로 산화되어 사라진다.

 

4.1.14 질소 (N2) 가스

순도 99.995 %의 질소가스를 사용한다. 금이 코팅된 트랩을 가스 주입관에 연결하면 질소가스에 존재할 수 있는 미량 수은을 제거할 수 있다.

 

4.1.15 아르곤 (Ar) 가스

순도 99.999 %의 아르곤 가스를 사용한다. 금이 코팅된 트랩을 가스 주입관에 연결하면 아르곤 가스에 존재할 수 있는 미량 수은을 제거할 수 있다.

4.2 표준용액

4.2.1 메틸수은 시약

시약등급 (reagent grade)의 염화메틸수은(methylmercury chloride, CH3HgCl, 분자량 251.08)을 사용한다.

 

4.2.2 메틸수은 표준원액 (1,000 mg/L)

염화메틸수은 (methylmercury chloride, CH3HgCl, 분자량 251.08) 0.125 g을 정제수에 녹인다. 다시 염산 0.2 mL를 넣고 아세트산 0.5 mL를 넣어 정제수로 100 mL를 만든다. 일반적으로 시판되는 표준원액을 구입하여 사용하는 것이 바람직하다.

 

4.2.3 메틸수은 표준용액 (1,000 μg/L)

메틸수은 표준원액 (1,000 mg/L) 1.0 mL를 정확히 취하여 1 L 부피플라스크에 넣고 정제수 적당량에 염산 2 mL를 넣고 아세트산 5 mL를 넣어 정제수로 표선까지 채운다. 이 표준용액은 테플론 재질의 용기에 보관할 경우, 4 ℃ 냉장 보관 시, 1년 이상 보관 가능하다. 또한 분석에 사용되는 모든 메틸수은 표준용액은 이 표준원액을 이용해서 제조해야 한다.

 

4.2.4 검정곡선용 표준용액 (0.1 μg/L)

메틸수은 표준용액 (1,000 μg/L)을 0.1 mL를 정확히 취하여 1 L 부피플라스크에 넣고 정제수 적당량에 염산 2 mL를 넣고 아세트산 5 mL를 넣어 정제수로 표선까지 채운다. 이 표준용액은 테플론 재질의 용기 내 상온 조건에서 한 달 정도 보관 가능하다.

---

7.0 분석절차

 

7.1 전처리

7.1.1 메틸수은 추출

7.1.1.1 퇴적물 건조시료 약 1 g을 테플론 재질의 원심관에 넣고 1 M 황산구리 1 mL, 브롬화칼륨 용액 5 mL를 첨가하고, 여기에 염화메틸렌 10 mL를 첨가한다.

 

7.1.1.2 준비된 시료를 상온에서 약 1시간 동안 방치시킨 후 와류진탕추출 장비를 이용하여 1시간 혼합한다.

 

7.1.1.3 혼합된 시료는 3,000 rpm에서 20분간 원심분리하고, 메틸수은이 녹아있는 염화메틸렌 층만 분리한다.

 

7.1.2 용매치환

7.1.2.1 염화메틸렌을 정제수로 치환하는 과정으로, 60 mL 테플론 재질의 용기를 이용한다. 메틸수은이 추출된 염화메틸렌 1 mL를 정제수 40 mL이 첨가된 용기에 넣는다. 시료 중 메틸수은의 농도에 따라 메틸수은 추출액의 양을 1 mL ∼ 5 mL로 취할 수 있다. 7.1.1.1에서 메틸수은 추출 시 사용된 염화메틸렌은 총 10 mL로서, 용매치환을 위해 염화메틸렌 일부를 분취하는 경우, 마지막 농도 계산 시, 희석배수를 곱해주어야 한다.

 

7.1.2.2 메틸수은 추출액과 정제수가 혼합된 용기를 미리 60 ℃로 예열한 수욕조에 넣고 가열한다. 이때 질소가스를 염화메틸렌층에서 버블이 발생하도록 퍼징하여 완전히 휘발시킨 후, 남아있는 용액을 에틸화용 분석용액으로 사용한다.

 

7.2 검정곡선의 작성

7.2.1 검정곡선은 에틸화 바탕시료를 제외하고 최소 4개 농도 이상에 대해 작성한다. 검정곡선 작성용 용액은 메틸수은 표준용액 적당량을 직접 버블러에 넣는 방식으로 준비한다.

 

7.2.2 검정곡선 작성을 위해 버블러에 100 mL의 정제수를 넣고 0.1 μg/L의 메틸수은 검정곡선용 표준용액 0.05 mL를 넣은 후, 1 mL의 아세테이트 완충용액과 0.1 mL의 소듐테트라에틸보레이트 용액을 넣고 부드럽게 흔들어준다. 15분 간 에틸화가 일어나도록 기다린 후, 7.3.1과 7.3.2의 절차에 따라 퍼지 및 열탈착 시킨다. 순차적으로 0.1 mL, 0.2 mL, 0.5 mL의 검정곡선용 표준용액을 첨가한 후 분석한다. 이 때 첨가된 메틸수은의 양은 각각 5 pg, 10 pg, 20 pg, 50 pg이고 이 때 검정곡선의 농도는 각각 50 pg/L, 100 pg/L, 200 pg/L, 500 pg/L이다.

 

7.2.3 각 표준용액의 측정된 피크 넓이에서 에틸화 바탕시료의 피크 넓이를 빼서 보정한다. 측정한 4개의 검정곡선 작성 표준용액 결과값을 이용하여 검정계수 (CF, Calibration factor)를 계산한다.

RS = 표준용액의 피크 넓이 또는 높이

RE = 에틸화 바탕시료의 피크 넓이 또는 높이

CS = 검정곡선 작성용 용액 중 메틸수은의 양 (pg)

 

7.2.4 검정계수 값의 평균 (CFm)과 표준편차 (SD)를 구한다.

 

7.3 분석방법

7.3.1 에틸화와 퍼징

7.3.1.1 물 층으로 치환된 에틸화용 분석용액 일정량을 버블러에 넣고 정제수를 100 mL 넣은 후 2 M 아세테이트 완충액 1 mL를 넣어준다. 용매 치환 시 사용된 정제수는 총 40 mL로서, 일부를 분취하는 경우, 마지막 농도 계산 시, 희석배수를 곱해주어야 한다.

 

7.3.1.2 반 냉동상태의 소듐테트라에틸보레이트 0.1 mL를 버블러에 넣고 뚜껑을 닫은 후 병을 흔들어 부드럽게 섞어준다.

 

7.3.1.3 시료가 반응할 수 있도록 15분 동안 방치한다. 이 때 시료에 존재하는 모든 메틸수은이 기체상의 메틸메틸수은으로 바뀐다.

 

7.3.1.4 반응이 끝난 뒤 2,6-디페닐페닐렌옥사이드 폴리머 트랩 (Tenax 트랩 또는 이와 동등한 트랩)을 버블러에 연결하여 200 mL/min 유량으로 질소가스를 흘려주며 15분간 버블링한다.

 

7.3.1.5 버블링이 끝나면 질소가스를 이용하여 7분 정도 트랩을 건조시킨다.

 

7.3.1.6 트랩에 포집된 메틸수은은 6시간까지 보관하는 것을 권장하며, 최대 24시간 이내에는 냉증기원자형광광도계를 이용하여 분석한다.

 

7.3.2 메틸수은의 열 탈착 과정

7.3.2.1 메틸수은이 포집된 트랩을 니크롬선으로 만든 열선으로 감은 후 아르곤 가스를 연결한다.

 

7.3.2.2 트랩에 열을 가하기 전 30초 정도 가스를 흘려준다. 이 때 GC 컬럼용 오븐의 온도가 100 ℃ ∼ 110 ℃에 있는지 확인한다. 또한 광증배관 전압이나 기기 신호가 안정하게 유지되는지 확인한다.

 

7.3.2.3 트랩에 열을 45초 정도 가하면, 탈착된 메틸수은 및 다른 휘발성 수은 화학종들이 GC로 유입되어 분석된다.

[주 6] 열 탈착 장치의 온도는 400 ℃∼ 500 ℃로 트랩을 장착하거나 뺄 때에는 화상을 입지 않도록 주의해야 한다.

 

7.3.3 GC의 크로마토그램에서 총 세 개의 피크가 나타나게 되는데, 1분 정도에 나오는 첫 번째 피크는 Hg0으로 정량이 되지 않는 잔유물이다. 보통 2.5분 정도에 나오는 두 번째 피크가 메틸수은으로, MeHgEt 형태로 검출된다. 다음으로 4분 정도에 나오는 피크는 원소상 수은으로 Hg(Et)2 형태로 검출된다.

 

7.3.4 모든 피크가 나온 뒤 피크가 베이스 라인으로 돌아가도록 GC를 켜둔다. 다음 시료를 준비하기 위하여 트랩을 교환하여 준다.

[주 7] 피크는 다른 피크들과 분리되어야 한다. 두 번째인 2.5분에 나오는 메틸수은 피크는 10초 안에 피크의 반이 나와야 하며, 일반적으로 처음 피크의 폭은 좁고, 마지막 피크의 폭은 보통 넓다.

[주 8] 일반적으로 첫 번째 피크만 측정되는 경우는 열분해 컬럼이 작동하지 않았거나 소듐테트라에틸보레이트를 시료에 넣지 않은 경우이다.

[주 9] 보통 Hg0 피크는 굉장히 작다. Hg0 피크가 크게 나타났다면 이는 시료의 무기수은 농도가 매우 높기 때문이다.

---

8.0 결과보고

 

 

Rs = 시료의 메틸수은 피크 넓이 또는 높이

RMB = 방법바탕시료의 평균 메틸수은 피크 넓이 또는 높이

CFm = 평균 검정계수

W = 분석에 사용된 퇴적물 건조 시료량 (g)

 

최종적으로 퇴적물 중의 농도 계산은 염화메틸렌 추출액 및 물 층으로 치환된 에틸화용 분석용액에 대한 희석 배수를 고려하여 계산한다.