1. TOC (Toal Organic Carbon) 측정 방법의 원리
(1) TC-IC법 (Total Carbon - Inorganic Carbon)
■ 측정 원리:
- TC(총탄소): 시료 내 모든 탄소 성분(유기 + 무기)을 산화시켜 CO₂로 전환한 후 측정
- IC(무기탄소): 산을 주입하여 탄산염, 중탄산염 등을 CO₂로 전환하여 측정
- TOC(총유기탄소) = TC - IC
■ 특징:
- 유기/무기 탄소를 구분하여 정밀 측정 가능
- 고온 연소 또는 UV 산화 방식 필요
- 장비 복잡, 시간 소요 있음
(2) NPOC법 (Non-Purgeable Organic Carbon)
■ 측정 원리:
- 시료에 산을 첨가하여 pH < 2로 낮춘 후 purge하여 CO₂와 휘발성 유기탄소를 제거
- 남아있는 비휘발성 유기탄소를 산화하여 CO₂로 전환 후 측정
■ 특징:
- 빠르고 간편하며, 실무에서 널리 사용됨
- VOC(휘발성 유기물) 제거로 인해 TOC가 과소 평가될 수 있음
3. TC-IC법 vs NPOC법 비교
| 항목 | TC-IC법 | NPOC법 |
| 측정 방식 | TC와 IC 별도 측정 후 차이 계산 | VOC 제거 후 유기탄소 직접 측정 |
| 측정 대상 | 유기 + 무기 탄소 모두 | 비휘발성 유기탄소 |
| 장점 | 정밀한 탄소 구성 분석 가능 | 빠르고 실용적 |
| 단점 | 장비 고가, 분석 복잡 | VOC는 측정되지 않아 과소평가 우려 |
2. TOC 분석 시 사용되는 산과 반응 메커니즘
(1) TOC 분석에 사용되는 주요 산
TOC 분석에서는 무기탄소(Inorganic Carbon, IC)를 제거하거나 별도로 측정하기 위해 산을 사용합니다. 가장 일반적으로 사용되는 산은 다음과 같습니다.
| 산 종류 | 사용 목적 | 일반적인 농도 |
| 염산 (HCl) | 가장 일반적, 탄산염 분해에 효과적 | 1N 또는 2N |
| 인산 (H₃PO₄) | 장비 부식 방지, 안정적 | 약 1N |
| 황산 (H₂SO₄) | 고농도 용액용, 부식 우려 | 0.5N~1N |
| 질산 (HNO₃) | 산화성으로 인해 잘 사용되지 않음 | — |
(2) 산 투입 시 발생하는 반응
산은 시료 내 무기탄소(IC)를 CO₂로 전환시키는 역할을 하며, 주요 반응은 다음과 같습니다:
■ 중탄산염 (Bicarbonate) 반응 : HCO₃⁻ + H⁺ → CO₂↑ + H₂O
■ 탄산염 (Carbonate) 반응 : CO₃²⁻ + 2H⁺ → CO₂↑ + H₂O
■ 용존 CO₂ 탈기 반응 : CO₂(aq) → CO₂(g)↑
(3) 산 사용의 목적
- 무기탄소(IC) 제거로 TOC 정밀도 향상
- NPOC 측정 시 CO₂ 및 VOC 제거
- TC-IC법에서는 IC를 별도 측정하기 위해 산을 주입
3. TOC 분석 시 산에 의한 VOC 제거 메커니즘
(1) VOC 제거 메커니즘 요약
TOC 분석(NPOC법)에서 산을 주입하면 시료의 pH가 낮아지면서 VOC(휘발성 유기화합물)의 휘발성이 증가합니다. 이 상태에서 purge(기체 분사 또는 진공)를 통해 VOC를 기상으로 제거합니다. 이 과정은 물리적 제거 방식입니다.
(2) pH 감소와 Purge의 역할
■ pH 감소 효과:
- 산 주입으로 pH < 2 → 대부분의 VOC가 더 쉽게 기화
■ Purge 과정:
- 질소 또는 공기를 강하게 분사하거나 교반하여 휘발된 VOC를 제거
- 일반적으로 3~5분간 purge 수행
(3) 제거 가능한 주요 VOC 예시
| VOC 성분 | 제거 가능성 | 비고 |
| 메탄올 (CH₃OH) | 매우 높음 | 휘발성 매우 높음 |
| 아세톤 (CH₃COCH₃) | 매우 높음 | NPOC에서 거의 제거됨 |
| 이소프로판올 (IPA) | 높음 | 일부 잔류 가능 |
| 톨루엔, 벤젠 | 중간 이상 | 반휘발성, 일부 잔류 가능 |
(4) 결론
- 산은 VOC를 화학적으로 분해하지는 않지만, 휘발성을 증가시켜 purge 과정에서 물리적으로 제거하게 합니다.
- NPOC 분석에서는 이로 인해 TOC가 과소평가될 수 있으며, VOC가 많은 시료의 경우 TC-IC 방식 분석이 권장됩니다.
4. TOC 측정기의 측정방식과 호환성
모든 TOC 측정기(TOC meter)가 TC-IC법과 NPOC법을 모두 지원하는 것은 아닙니다. 제조사 및 모델에 따라 지원하는 측정 방식이 다릅니다.
(1) TOC 측정기기의 측정방식별 지원 여부
| 측정 방식 | 설명 | 일반 TOC 분석기 | 고급형 TOC 분석기 |
| NPOC법 | 산 첨가 후 purge → 비휘발성 유기탄소 측정 | 지원 | 지원 |
| TC-IC법 | TC와 IC를 개별 산화/측정하여 TOC 계산 | 미지원 | 지원 (옵션 모듈 필요) |
(2) 측정방식별 장비 요건
| 항목 | NPOC법 지원 장비 | TC-IC법 지원 장비 |
| 산 주입 모듈 | 필요 (기본 구성) | 필수 |
| purge 장치 | 필요 | 필요 |
| IC 측정 유닛 | 일반적으로 없음 | 반드시 필요 |
| TC 측정 기능 | 필수 | 필수 |
| 예시 모델 | Hach QbD1200, Shimadzu TOC-L CSN 등 | Shimadzu TOC-L CPH, Analytik Jena multi N/C 등 |
(3) 요약
- 대부분의 일반 TOC 측정기는 NPOC법만 지원합니다.
- TC-IC법은 고급형 모델에서만 사용 가능하며, 별도의 IC 측정 모듈이 필요합니다.
- NPOC는 실험실 및 공정 분석에 적합하고, TC-IC는 정밀 연구나 VOC 포함 시 정밀도 향상에 유리합니다.
5. 대표적인 TOC 제조사별 모델 및 특성
(1) Shimadzu (시마즈, 일본)
▶ 대표 모델: TOC-L CPH, TOC-L CSN
▶ 산화 방식: 고온 연소 + 촉매 산화 (680~720℃)
▶ 측정 방식: NPOC, TC, IC 모두 지원 (TC-IC법 가능)
▶ 특징:
- 다양한 측정 범위(ppb~ppm)
- 자동 샘플러 및 IC 모듈 등 확장성 우수
- 정밀도 높고 견고함
▶ 주요 용도: 환경, 공정수, 제약 등 다용도
(2) Hach (하크, 미국)
▶ 대표 모델: QbD1200
▶ 산화 방식: UV 광산화 + 과산화수소 (비가열식)
▶ 측정 방식: NPOC 전용
▶ 특징:
- 예열 불필요, 분석 속도 빠름
- 유지보수 용이
▶ 주요 용도: 제조현장, 실험실용 경제형
(3) Analytik Jena (독일)
▶ 대표 모델: multi N/C 2100S, 3100, 4000
▶ 산화 방식: 고온 연소 (최대 950℃), 일부 UV 혼합
▶ 측정 방식: NPOC, TC, IC 지원 (TC-IC 가능)
▶ 특징:
- 고형물, 슬러지, 난분해성 유기물 분석 가능
- IC 자동 측정 모듈 포함
▶ 주요 용도: 환경연구소, 시험기관, 고급 분석
(4) Elementar (독일)
▶ 대표 모델: enviro TOC, vario TOC cube
▶ 산화 방식: 고온 연소 방식 (촉매 포함)
▶ 측정 방식: NPOC, TC, IC 지원
▶ 특징:
- 장시간 연속 분석 가능
- 시약 소비량 적음
▶ 주요 용도: 산업폐수, 하천수, 슬러지 등
(5) GE Sievers (SUEZ/Veolia, 미국)
▶ 대표 모델: M5310 C
▶ 산화 방식: UV/과산화수소
▶ 측정 방식: NPOC 중심
▶ 특징:
- 초순수 TOC 분석 정밀도 높음
- 제약 및 반도체 산업에 특화
▶ 주요 용도: USP, EP, JP 기준 분석
6. VOC류(메탄올 등) 포함 시 TOC와 COD 값 차이
(1) COD 대비 TOC 값이 낮게 나오는 원인
샘플에 메탄올과 같은 휘발성 유기물(VOC)이 포함되어 있을 경우, TOC 측정 시 NPOC 방식의 purge 단계에서 휘발되어 측정값에 반영되지 않을 수 있습니다. 반면 COD 분석은 모든 유기물을 강력한 산화제로 산화시켜 산소 소모량을 측정하므로 VOC도 대부분 포함되어 측정됩니다.
(2) TOC 분석 vs COD 분석 원리 차이
| 항목 | TOC 분석 (NPOC법) | COD 분석 |
| 분석 원리 | 유기탄소(C)를 CO₂로 산화 후 측정 | 산화제로 유기물을 완전 산화 → 산소 소비량 측정 |
| VOC 반영 여부 | purge 단계에서 제거 → 측정 안 됨 | VOC 대부분 산화되어 포함 |
| 결과 경향 | TOC 수치 과소평가 가능 | COD 수치 상대적으로 높음 |
(3) TOC 분석 시 VOC 손실 방지 및 대응 방안
■ TC-IC법 활용: VOC 포함한 전체 탄소(TC)를 측정하고, 무기탄소(IC)를 빼서 TOC를 간접 계산
■ Purge 조건 최적화: 산 주입 pH, purge 시간 및 온도 조절로 VOC 손실 최소화
■ 시료 보존 방법: 시료를 밀폐 및 냉장 보관하여 분석 전까지 VOC 휘발 방지
■ 보정 계수 적용: VOC의 비중을 고려해 TOC 결과에 보정 계수 적용 가능
(4) 결론
메탄올 등 VOC가 포함된 샘플은 TOC(NPOC) 분석에서 과소평가될 가능성이 있으며, COD 분석에서는 완전히 산화되어 수치 차이가 발생할 수 있습니다. 정확한 분석을 위해 TC-IC법 사용 또는 분석 조건 관리가 필요합니다.