지하수 및 지표수 내 Phosphate: 광도측정법 Spectroquant^® 검사를 이용한 신속하고 신뢰할 수 있는 측정법

Katrin Schwind

¹  Scientist Associate, Analytical Point-of-Use R&D, Gunter Decker, Senior Global Product Manager, Analytical Point-of-Use Analytics | Photometry, ²

Analytix Reporter 1호에 실린 기사

지표수 내 Phosphate

Phosphorus는 유기체와 식물에게 필수 원소입니다.¹ 비오염 자연 수역에서 phosphorus는 유기결합 phosphate, 축합 phosphate 또는 orthophosphate로서 존재하며, 보통 화학식인 PO₄-P로 불립니다. Phosphorus가 자연 수역에 소량 존재할 때는 식물 성장을 촉진하지 않습니다. 하지만 phosphorus 농도가 증가하면 조류가 확산되어 수역의 부영양화를 초래합니다.^{2, 3}

20세기 중반, phosphate에 의한 인위적인 수역오염으로 부영양화가 광범위하게 발생하였는데 특히 비료, 폐수 및 세제를 통해 오염되었습니다. Phosphate 농도를 줄이려는 조치가 취해졌으며,

세제의 phosphate 사용을 중단하고 폐수처리시설에서는 phosphate를 침전시킨 결과 phosphate 환경 부하가 약 75% 감소하였습니다.^{2, 4}

전형적인 예로 Constance 호수(독일, Bodensee)의 사례가 있습니다. 1970년대 말, 호수 내 PO₄-P 농도는 84 μg/L였으나 오늘날 이 주요 수역의 PO₄-P 수준은 5-6 μg/L에 불과합니다.^{5, 6}

지표수 내 phosphate 분석

매우 낮은 PO₄-P 농도의 분석은 어렵습니다.

DIN EN ISO 10304-1에 따르면 이온 크로마토그래피 방법에서 낮은 작동 범위는 33 μg/L PO₄-P(100 μg/L PO₄에 해당)이며, 지표수 내 보통 존재하는 phosphate 농도보다 상당히 높습니다. 광도측정법은 훨씬 더 높은 감도로 측정할 수 있습니다. DIN EN ISO 6878에 따르면 물에 존재하는 phosphorus의 낮은 측정 한계는 어려운 추출 공정을 수행하지 않은 경우에 5 μg/L PO₄-P입니다.⁸

DIN EN ISO 6878에 따른 Spectroquant^® Phosphate 검사 및 광도측정법의 방법 비교

두 방법 모두 같은 원칙을 기반으로 합니다. Orthophosphate 이온은 유황산 용액 안에서 molybdate 및 antimony 이온과 반응하여 molybdatophosphoric acid를 생성합니다. Molybdatophosphoric acid는 결국 ascorbic acid에 의해 환원되어 광도측정법으로 측정되는 phosphomolybdenum blue(PMB)를 형성합니다.⁹ 사전 프로그램된 교정 곡선과 더불어, 표준 방법과 비교 시 Spectroquant^® 검사 키트는 사용하기 쉽다는 추가 장점이 있습니다. DIN EN ISO 6878 방법에 따라 측정을 수행할 때 시약은 개별적으로 조제되어야 합니다. 교정 곡선용으로 조제해야 하는 표준용액을 제외하고도 최소한 5개의 개별 용액을 조제해야 합니다.⁸

Spectroquant^® 검사 키트는 분석에 필요한 시약들이 즉시 사용 가능한 형태로 이미 포함되어 있습니다. 100 mm 셀에서 민감한 phosphate 측정을 위해, 두 가지 시약만 추가하면 필요한 모든 것이 갖춰집니다. 20 mL 시료 부피에 PO₄-1 시약 20방울과 PO₄-2 시약 4 레벨 스푼(제공된 마이크로 스푼을 이용)을 추가하기만 하면 됩니다. 5분의 반응 시간이 지나면, 시료의 색 강도는 광도계로 측정되며 phosphate 농도는 광도계 디스플레이로 바로 판독할 수 있습니다. 자세한 지침은 애플리케이션 설명, "지하수 및 지표수에서 orthophosphate의 민감한 측정"에 나와 있으며, Spectroquant^® Phosphate 검사 제품번호 114848의 제품 웹사이트에서 온라인으로도 확인 가능합니다.¹⁰

지표수 내 phosphate 농도 측정용 Spectroquant^® 검사 키트의 적합성에 관한 표현적 진술을 얻기 위해, 해당 키트를 이용하여 6개의 시료에 대한 PO₄-P를 조사하였습니다. 비교를 위해 DIN EN ISO 6878 방법에 따른 참고문헌 분석 역시 수행되었습니다. DIN 방법에 대한
검출한계 0.003 mg/L PO₄-P는 DIN에 따라 측정되었습니다.

표 1 Spectroquant^® 검사 키트(제품번호 114848) 측정 결과 및 DIN EN ISO 6878에 따른 측정 결과 비교

지표수	ß [mg/L PO4-P]
	Spectroquant®- 검사 키트	DIN EN ISO 6878
Starnberger See 호수	< 0.0025	< 0.003
Wörthsee 호수	< 0.0025	< 0.003
Altmühlsee 호수	0.0126	0.013
Brombachsee 호수	0.0025	0.0056
Ammersee 호수	< 0.0025	< 0.003
North Rhine Westfalia 댐 저수지	< 0.0025	< 0.003

두 방법은 비슷한 결과를 보여줍니다. 6개 시료 중 4개에서, PO₄-P 농도가 측정 범위 아래였습니다. 6개 시료 중 2개의 값만 측정 범위 내에 있었습니다. Brombach 호수의 시료에서 검출된 농도는 0.0031 mg/L PO₄-P 차이였습니다. Altmühl 호수의 시료에서 Spectroquant^® 결과와 DIN 결과 사이에는 단지 0.0004 mg/L PO₄-P의 편차가 있었습니다. DIN EN ISO 방법과 관련된 회수율은 97%였습니다.

참고문헌 분석 과정과 더불어, 시료는 또한 표준첨가법을 이용하여 측정되었습니다. 이 조사에서, 5개 호수의 물 시료 및 1개의 댐 저수지 시료는 각기 다른 네 가지 농도로 PO₄-P를 소량첨가하였으며, 각 시료에 대한 회수율이 측정되었습니다. 그림 1은 이 조사의 결과를 보여줍니다.

그림 1. Orthophosphate 농도는 표준첨가법 후에 회수되었습니다.

추가된 표준 농도는 모든 시료에서 회수될 수 있었습니다. 평균 회수율은 105% ± 5%였습니다.

만약 정확성을 더 강화할 필요가 있다면, 사용자는 의도한 측정 범위로 교정할 수 있습니다. 이러한 교정은 측정 범위 0.0025 – 0.0250 mg/L PO₄-P를 위해 기록된 10점 교정 곡선에 의해 입증될 수 있습니다.
해당 그래프는 그림 2에 나와 있습니다.

그림 2. 측정 범위 0.0025 – 0.0250 mg/L PO4-P를 위한 교정 곡선

이 방법은 좋은 회수율을 보여줍니다. 사전 프로그램된 방법과 비교할 때, 성능 특성은 표준편차법 ±0.0001 mg/L, 변동계수법 ±0.88% 및 신뢰구간 ±0.0003 mg/L로 상당히 개선될 수 있었습니다(표 2).

표 2 성능 특성의 비교

	사전 프로그램된 방법	사용자 교정
	0.0025 – 0.5000 mg/L PO4-P	0.0025 – 0.0250 mg/L PO4-P
표준편차법(mg/L)	0.0029	0.0001
변동계수법(%)	1.2	0.88
신뢰구간(mg/L)	0.006	0.0003

요약

Spectroquant^® Phosphate 검사(제품번호 1.14848)는 지하수 및 지표수 내 orthophosphate 측정에서 표준 방법과 비교할 때 신속하고 경제적이며 정밀한 대안입니다. 결과는 DIN EN ISO 6878 표준 방법을 이용하여 얻은 결과와 비슷합니다. 표준첨가법을 이용하여, 이 검사 키트가 지하수 및 지표수 내 PO₄-P 정량화에 적합하다는 것을 입증하였습니다.

참고문헌

1. Belitz H, Grosch W. 1982. Wasser.1-6. https://doi.org/10.1007/978-3-662-08306-2_1

2. Gleisberg D. 1988. Phosphate und Umwelt. Chem. Unserer Zeit. 22(6):201-207. https://doi.org/10.1002/ciuz.19880220604

3. 1999. Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater, 4500P – Phosphorus. 18. Washington, DC: American Public Health Association, American Water Works Association, Water Environment Federation.

4. Metzner G. 2006. Phosphate aus Wasch- und Reinigungsmitteln im kommunalen Abwasser der Bundesrepublik Deutschland.

5. 2013. Internationale Gewässerschutzkommission für den Bodensee, Gesunder Bodensee dank niedriger Phosphorwerte. IGKB press release.

6. Bodensee-Wasserversorgung. [Internet].[cited 24 Aug 2016]. Available from: http://www.zvbwv.de/index.php?id=135

7. DIN EN ISO 10304-1:2009-07, Wasserbeschaffenheit_- Bestimmung von gelösten Anionen mittels Flüssigkeits-Ionenchromatographie_- Teil_1: Bestimmung von Bromid, Chlorid, Fluorid, Nitrat, Nitrit, Phosphat und Sulfat (ISO_10304-1:2007); Deutsche Fassung EN_ISO_10304-1:2009. https://doi.org/10.31030/1518948

8. DIN EN ISO 6878:2004-09, Wasserbeschaffenheit – Bestimmung von Phosphor – Photometrisches Verfahren mittels Ammoniummolybdat (ISO 6878:2004).

9. 2016. Package leaflet Spectroquant® Phosphate Test. [Internet]. Available from: https://www.sigmaaldrich.com/catalog/product/mm/114848?lang=en&region=US