게시판 > 질답게시판 > MFC 컨트롤러로 농도 측정하기 질문 드립니다.

스테파노 Stefano

21-09-07 18:50

(1) 각 가스의 표준상태 부피유량을 알면 이들을 혼합했을 때의 각 성분 농도는 부피 분율에 해당합니다. 이는 기체의 몰비율은 부피비율과 같다는 이상기체 법칙에 따른 것입니다.

Vi/(V1+V2+V3,...) = mi/(m1+m2+m3+..) = i 성분 부피분율 = i 성분 몰분율 ...(1)

(2) 가스분석기의 분리검출 성능이 좋다면 ppm 혹은 ppb 수준의 농도도 검출할 수 있습니다. 분리 Column 성능에 관련된 사항입니다.

가스린이 leesh7566

21-09-08 12:07

답변 정말 감사합니다. 제가 이해한 것이 맞는지 여쭈어 보고 싶습니다.

N2와 H2 모두 Ultra high purity 가스를 쓰면서 챔버안에 N2 100SCCM, H2 1SCCM을 흘려주면

(1/100+1)* 1,000,000 을 해주면 N2에 대한 H2의 농도가 대략 9900 ppm이 되는지 여쭈어보고싶습니다.

다시 한 번 답변 감사드립니다.

Stefano

21-09-08 20:11

맞습니다. 그러나 유효숫자를 고려해 보면...
수소 몰분율(mole fraction=1/101=0.009 900 990..) 에 1,000,000을 곱하면 9,900.990이 되는데 소숫점이하에서 반올림하여 나타내면 9,901 mppm (or vppm, ppmv)가 맞습니다.

가스린이 leesh7566

21-09-08 21:47

정말 잘 이해가 되었습니다.. 결국 시중에 나와있는 MFC만으로는 저농도의 수소분위기를 만드는것은 매우어렵군요.

하나만 더 여쭈어 보겠습니다.

스테파노님께서 제가 계산한 결과값이 9901ppmv가 된다고 말씀하셨는데

이것을 부피로 해석하자고 하면 (1%=10,000PPM)

N2라는 가스안에 H2가스가 0.9901%가 들어있다 라고 생각할 수도 있는건가요?

몇주동안 잘 이해가 안되었는데 너무나 감사하다는 말씀 드립니다.

스테파노 Stefano

21-09-08 23:02

(1) 맞습니다. 수소의 비율은 0.009 900 990 099.. 이므로 여기에 100%를 곱하면 0.9901%가 되는 것이지요. 비율대신 %나 ppm 등의 단위를 사용하는 이유는 소숫점 이하로 나타내면 불편하기 때문에 그리하는 것입니다.

(2) 비율은 <전체를 1로보고 그속에 들어있는 성분의 양을 소숫점으로 나타낸 것>이고
%는 <전체를 100%로 보고 그속의 성분의 양을 %단위로 나타낸 것>이며
ppm은 <전체를 1,000,000 ppm으로 그속의 성분의 양을 ppm단위로 나타낸 것>이어서

1 = 100% = 1,000,000 ppm의 관계가 있습니다. (∴ 1%=10,000 ppm), 어느 숫자에 1을 곱해도 절대값은 변하지 않으므로 소수로 나타낸 숫자에 100%, 1,000,000 ppm을 곱해주더라도 나타내는 단위는 다르지만 절대값은 달라지지 않지요.

(3) 그 밖에도 비율을 나타내는 단위에는 할(割), 푼(分), 리(厘), per mill, 등이 있고 deci- centi- mili.. micro, 등의 접두어를 사용하기도 합니다. 반대로 숫자가 1을 넘어 수십, 수백, 수천 등으로 커지는 경우 접두어로 deca- hecto- mega-, giga-, tera- 등의 단위를 사용하여 나타냅니다. 지수로 표현하면 (10^x)로 나타내고 x가 음수면 1보다 작은 값 양수면 1보다 큰값이 되잖아요.

가스린이 leesh7566

21-09-09 13:10

감사합니다. ppm이라는 단위에 대해 너무나 잘 이해가 되었습니다.

하나만 더 여쭈어 보겠습니다...

STP상태에서 가로/세로/높이가 10cm인 공간에 질소는 50sccm씩 5분동안, 수소는 1sccm씩 5분동안 넣고 가스가 외부로 누출이 안되도록 문을 닫았습니다.

그럼 이 공간에 질소는 총 250cc가 들어가있고, 수소는 5scc가 들어가있다고 해석을 할 수 있습니다.

이 상태에서 질소에 대한 수소의 농도는 단순히 비율(cc로 나누어주기) 로 구해야 하나요?

아니면 질소기체와 수소기체에 대한 몰질량과 이상기체상태방정식을 적용하여 계산을 해야하나요?

답변 정말 감사합니다.. 정말 이해가 잘되고있습니다.ㅠㅠ

Stefano

21-09-10 14:06

(1) 질소나 수소 투입전 10x10x10=10^3 cm3 = 1000 ml = 1L의 용기에 아무것도 들어있지 않은 상태에서 질소나 수소를 넣어주어야 그 농도를 얻을 수 있습니다.

투입전 대기압 상태에서 공기가 들어있었다면 질소와 산소및 다른 CO2, Ar, 등의 양도 고려되어야 합니다. 질문의 경우에는 완전 진공상태로 유지되고 있던 용기에 투입한다고 가정해 봅니다.

질소 250 scc, 수소 5 scc 가 들어가 있으므로 전체의 부피는 255 scc가 되므로 전체혼합물중 질소의 부비분율 = 250/255, 수소의 분율 = 5/255 가 되며 이 비율이 바로 부피분율 (혹은 몰분율)로 나타낸 농도가 됩니다.

%로 나타낸 질소 , 수소 각각의 농도는 98.039 v% (또는 m%), 1.961 v%(또는 m%), ppm으로 각각 나타내면 980,390 vppm N2, 19,610 vppm H2가 되는데 이 경우에는 %농도가 편리하지 ppm 농도는 무척 불편합니다.

(2) 농도는 굳이 질소에 대한 수소농도로 나타낼 필요가 없습니다. 그러나 만일 용기내 질소:수소의 비율을 알고싶은 경우 용기내 각 기체의 양으로부터 계산해 보면 됩니다.

2번째 추가 질문에서 <N2라는 가스안에 H2가스가 0.9901%가 들어있다 라고 할수 있는가?>를 문의하셨는데 이런 방법으로 농도를 나타내면 간단해 보이는 것 같지만 아주 아주 애매한 말이 됩니다. 따라서 이런식의 용어는 사용하면 절대로 안됩니다.

N2가스라면 수소가 없이 N2만 들어있는 가스인데 여기에 H2가 들어있을 수 없으므로 N2가 가스전체를 나타낼 수 없습니다. 따라서 <N2-H2 혼합가스중 수소의 함량이 얼마인가?>로 나타내야 혼동스럽지 않습니다.

가스의 비율료 나타낼 때는 다른 특별한 묵적이 있습니다. 비율로 나타낼 경우,
질소: 수소의 비 = 250 : 5 = 50:1 이 되고 질소 1 cc (혹은 1 mol)당 수소의 양으로 나타내면 5/250 = 1/50 = 0.02
이 때 얻어지는 숫자 0.02의 단위는 0.02 cc H2/ cc N2 (혹은 0.02 mole H2/mole N2)로 나타낸 가스의 함량 혹은 농도비를 나타내며 이를 "농도"로 이해하는 것은 잘못된 일입니다.

* 각각의 농도: H2농도 = 1.961 v%, N2 농도 = 98.039 v%
* 수소/질소 농도의 비 = 1.961/98.039 = (5/255)/(250/255)= 5/250 = 1/50 = 0.02 v H2/v N2 = 0.02 v/v H2/N2 = 0.02 m/m H2/N2 따라서 <수소농도>를 <수소/질소의 비율>로 나타내면 안됩니다. 전혀 다른 의미의 다른 수치값이 되기 때문입니다.

위와 같이 농도는 전체중 해당성분의 양을 계산하면 됩니다. 농도비 (혹은 성분비)는 각 농도의 상대적 비율이므로 농도와는 전혀 다른 개념입니다. 화공계산시 농도비는 다른 목적으로 사용할 경우에 가끔 사용되지만 대부분 농도를 사용합니다.

(3) 기체의 농도를 계산할 경우 같은 온도압력 상태의 부피로 계산해도 되고 몰단위로 계산해도 됩니다. 굳이 이상기체방정식을 도입해서 농도를 계산하지 않아도 됩니다. 그러나 부피로 나타낼 때는 온도압력이 다른경우 이상기체 방정식을 이용하여 같은 상태의 부피로 환산하거나 몰수를 각각 계산해서 전체의 양을 구한 다음 각 성분의 양을 농도로 나타내면 됩니다,

질문에서는 질소와 수소 모두 Standard State 부피 (Scc)로 나타냈기 때문에 달리 환산하지 않아도 됩니다.

(4) 참고로
(압력과 온도가 아주 높지 않으면 대부분 이상기체로 가정할 수 있으므로) 이상기체라고 가정한다면 모든 이상기체의 표준상태 부피는 1 g-mole의 부피가 22.414 L (=22,414 scc / g-mole)이므로 질소와 수소 각각의 몰수를 구해볼 수 있습니다.

질소의 몰수 = 250 scc N2/(22.414 scc/g-mole) = 0.0111537 g-mole N2
==>여기에 질소의 분자량을 곱하면 무게가 계산됩니다. 0.0111537 g-mole N2 * (분자량 28.0134 g N2/g-mole N2) = 0.31245 g N2

마찬가지로 수소의 질량을 구해보세요.

(1) 질소나 수소 투입전 10x10x10=10^3 cm3 = 1000 ml = 1L의 용기에 아무것도 들어있지 않은 상태에서 질소나 수소를 넣어주어야 그 농도를 얻을 수 있습니다.

투입전 대기압 상태에서 공기가 들어있었다면 질소와 산소및 다른 CO2, Ar, 등의 양도 고려되어야 합니다. 질문의 경우에는 완전 진공상태로 유지되고 있던 용기에 투입한다고 가정해 봅니다.

질소 250 scc, 수소 5 scc 가 들어가 있으므로 전체의 부피는 255 scc가 되므로  전체혼합물중  질소의 부비분율 = 250/255,  수소의 분율 = 5/255 가 되며 이 비율이 바로 부피분율 (혹은 몰분율)로 나타낸 농도가 됩니다.

%로 나타낸 질소 , 수소 각각의 농도는 98.039 v% (또는 m%), 1.961 v%(또는 m%),  ppm으로 각각 나타내면  980,390 vppm N2, 19,610 vppm H2가 되는데 이 경우에는 %농도가 편리하지 ppm 농도는 무척 불편합니다.

(2) 농도는 굳이 질소에 대한 수소농도로 나타낼 필요가 없습니다.   그러나  만일  용기내 질소:수소의 비율을 알고싶은 경우 용기내 각 기체의 양으로부터 계산해 보면 됩니다.

2번째 추가 질문에서 <N2라는 가스안에 H2가스가 0.9901%가 들어있다 라고 할수 있는가?>를 문의하셨는데  이런 방법으로 농도를 나타내면 간단해 보이는 것 같지만 아주 아주 애매한 말이 됩니다.   따라서 이런식의 용어는 사용하면 절대로 안됩니다.

N2가스라면 수소가 없이 N2만 들어있는 가스인데 여기에 H2가 들어있을 수 없으므로 N2가 가스전체를 나타낼 수 없습니다.  따라서  <N2-H2 혼합가스중 수소의 함량이 얼마인가?>로  나타내야 혼동스럽지 않습니다.

가스의 비율료 나타낼 때는 다른 특별한 묵적이 있습니다.  비율로 나타낼 경우, 
질소: 수소의 비 = 250 : 5 = 50:1  이 되고   질소 1 cc (혹은 1 mol)당 수소의 양으로 나타내면  5/250 = 1/50 = 0.02   
이 때 얻어지는 숫자 0.02의 단위는  0.02  cc H2/ cc N2  (혹은 0.02 mole H2/mole N2)로 나타낸 가스의 함량 혹은 농도비를 나타내며 이를 "농도"로 이해하는 것은 잘못된 일입니다.

* 각각의 농도:  H2농도 = 1.961 v%,  N2 농도 = 98.039 v% 
* 수소/질소 농도의 비 = 1.961/98.039 = (5/255)/(250/255)= 5/250 = 1/50 = 0.02  v H2/v N2 = 0.02 v/v  H2/N2 = 0.02 m/m H2/N2    따라서 <수소농도>를 <수소/질소의 비율>로 나타내면 안됩니다. 전혀 다른 의미의 다른 수치값이 되기 때문입니다.

위와 같이 농도는 전체중 해당성분의 양을 계산하면 됩니다.   농도비 (혹은 성분비)는  각  농도의 상대적 비율이므로 농도와는 전혀 다른 개념입니다.   화공계산시 농도비는 다른 목적으로 사용할 경우에 가끔 사용되지만 대부분 농도를 사용합니다.

(3) 기체의 농도를 계산할 경우 같은 온도압력 상태의 부피로 계산해도 되고  몰단위로 계산해도 됩니다.   굳이 이상기체방정식을 도입해서 농도를 계산하지 않아도 됩니다.     그러나 부피로 나타낼 때는 온도압력이 다른경우 이상기체 방정식을 이용하여 같은 상태의 부피로 환산하거나 몰수를 각각 계산해서 전체의 양을 구한 다음 각 성분의 양을 농도로 나타내면 됩니다,

질문에서는 질소와 수소 모두 Standard State 부피 (Scc)로 나타냈기 때문에 달리 환산하지 않아도 됩니다.

(4) 참고로 
 (압력과 온도가 아주 높지 않으면 대부분 이상기체로 가정할 수 있으므로) 이상기체라고 가정한다면  모든 이상기체의 표준상태 부피는 1 g-mole의 부피가 22.414 L (=22,414 scc / g-mole)이므로 질소와 수소 각각의 몰수를 구해볼 수 있습니다.

질소의 몰수 = 250 scc N2/(22.414 scc/g-mole) = 0.0111537 g-mole N2  
==>여기에 질소의 분자량을 곱하면 무게가 계산됩니다.    0.0111537 g-mole N2 * (분자량 28.0134 g N2/g-mole N2) = 0.31245 g N2

마찬가지로 수소의 질량을 구해보세요.