초순수를 이용한 이온 크로마토그래피 음용수 검사

Merina Corpinot Ph.D.¹, Estelle Riche Ph.D.², Beatrice Frocrain¹, Cecilia Devaux¹, Stephane Mabic Ph.D.²

¹R&D, Lab Water Solutions, Merck, Guyancourt, France, ²Marketing, Lab Water Solutions, Merck, Guyancourt, France

음용수는 우리 건강에 가장 필수적인 음료이므로 그 품질을 엄격하게 규제합니다.^1,2 물 내 무기 이온(예: 질산염, 아질산염)은 건강에 해로울 수 있는 한편, 다른 이온들은 물의 관능적 특성에 영향을 미칠 수 있습니다. 예를 들어, 염화물과 황산염 이온은 뚜렷하고 불쾌한 맛을 유발할 수 있습니다.

물은 종종 박테리아를 제어하고 병원체를 제거하는 화학물질로 취급됩니다. 이러한 화학물질은 물에 자연적으로 존재하는 유기분자와 반응할 때 유해한 소독 부산물(DBP)을 생성할 수 있습니다.³ 이런 이유로 음용수 내 이온과 DBP 농도는 고도로 모니터링 및 관리되고 있으며, 이들을 정확하게 검출하고 정량화하는 기술이 지속적으로 발전하고 있습니다.

음용수 분석을 위한 이온 크로마토그래피

이온 크로마토그래피(IC)는 물 시료의 오염물질을 검사하는 일반적인 분석 기술입니다. 정제수는 IC 작업 흐름의 여러 단계에서 사용됩니다. 물 기반 용리액뿐만 아니라 시료, 표준 물질 및 바탕시료의 조제 단계를 예로 들 수 있습니다. 그러므로 물은 핵심 시약이며, 정확하고 신뢰할 수 있는 IC 결과를 얻기 위해서 최고 수준의 품질을 갖추어야 합니다.

이 기사에서는 음용수 내 무기이온 및 DBP의 IC 분석을 위해 Milli-Q^® IQ 7000 정제수 시스템으로 생산된 초순수의 적합성을 평가합니다.

초순수 및 음용수 시료 내 이온의 IC 분석

수돗물과 Milli-Q^® IQ 7000 시스템으로 갓 공급된 초순수를 분석했습니다. 이 정제 시스템은 25°C에서 저항값이 18.2 MOhm.cm이고 총유기탄소(TOC) < 5 ppb인 물을 공급합니다. 본 시스템은 Elix^® 전기탈이온화(EDI) 기반 시스템에서 순수를 공급받으며 0.22 µm Millipak^® 최종 필터를 갖추었습니다.

초순수 내 평가된 무기 이온 농도는 검출 불가능 또는 검출 한계(LOD) 미만이었습니다. 예를 들어 초순수 내 질산염(NO₃^-) 수치는 WHO 및 유럽 규제 당국이 정의한 최저한계보다 140,000배 더 낮았습니다. 이 결과는 이러한 이온을 대량으로 함유하는 수돗물이 공급되는 정제수 시스템에서도 관찰되었습니다(표 1). 

표 1. 수돗물(프랑스 기앙쿠르) 및 초순수 내 음이온과 양이온 농도를 IC 분석으로 측정하였으며 규제 당국이 설정한 한계와 비교하였습니다.

*수돗물은 분석하기 전 초순수로 1000배 희석되었습니다. 초순수는 Milli-Q^® IQ 7000 시스템에서 공급되었습니다. EPA, 미국환경보호청. FDA, 미국식품의약청. LOD, 방법의 검출 한계. LOQ, 정량한계. MCL, 최대오염농도. n/a, 사용 가능한 데이터 없음. n.d., 비검출. SOQ, 품질표준. WHO, 세계보건기구. ‒, 음용수 내 건강 문제가 발견되지 않음.

이온	희석된 수돗물*	초순수	LOD / LOQ	WHO 지침2	FDA SOQ4/EPA MCL5	EU 지침1
F- (µg/L)	0.15	< LOD	0.02 / 0.06	1 500	변수/4 000	1 500
Cl- (µg/L)	22.67	n.d.	0.17 / 0.51	‒	250 000	250 000
NO2- (µg/L)	< LOD	n.d.	0.16 / 0.49	3 000	1 000	500 000
NO3- (µg/L)	34.55	n.d.	0.36 / 1.08	50 000	10 000	50 000
SO42- (µg/L)	52.48	n.d.	0.84 / 2.55	‒	250 000	250 000
Na+ (µg/L)	16.56	< LOD	0.17 / 0.53	‒	n/a	200 000
K+ (µg/L)	2.52	< LOD	0.16 / 0.49	‒	n/a	n/a
Mg2+ (µg/L)	5.01	< LOD	0.06 / 0.18	‒	n/a	n/a
Ca2+ (µg/L)	106.06	< LOD	0.07 / 0.22	‒	n/a	n/a

그림 1과 그림 2에서는 음이온 및 양이온 표준 혼합물 각각의 이온 크로마토그램과 비교한 초순수의 이온 크로마토그램을 보여 줍니다.

그림 1. Milli-Q^® IQ 7000 정제수 시스템에서 공급받은 초순수와 음이온 표준 혼합물의 이온 크로마토그램. 피크 9: 탄산염.

그림 2. Milli-Q^® IQ 7000 시스템에서 공급받은 초순수와 양이온 표준 혼합물의 이온 크로마토그램.

이러한 결과는 Milli-Q^® IQ 7000 시스템에서 갓 공급된 초순수가 IC 분석에 사용되기에 아주 적합하다는 것을 입증합니다. 이 초순수는 바탕시료에, 그리고 시료, 표준 물질, 용리액을 조제하는 데 확신을 갖고 사용될 수 있습니다. 본 시스템이 공급하는 초순수에는 무기 이온이 극도로 낮은 농도로 포함되어 있으므로 음용수 분석에도 적합합니다.

실험 방법

무기 음이온의 경우:

• 기기: Thermo Scientific Dionex™ ICS-3000 시스템
• 컬럼: 음이온 농축기: IonPac™ UTAC-ULP1 5 x 23 mm, 가드 컬럼: IonPac™ AG19 2 x 50 mm, 분석 컬럼: IonPac™ AS19 2 x 250 mm
• 용리액: KOH 구배: KOH 1~35 mM 0~20분, 35 mM 20~25분, 35~1 mM 25~25.1분, 1 mM 25.1~30분
• 용리액 출처: KOH 카트리지가 포함된 EG40 및 ICW-3000™ direct IC 공급 시스템이 공급하는 초순수. 유량: 0.25 mL/분
• 검출: 억제된 전도도. 용리액 서프레서: ASRS^® Ultra II 2 mm
• 시료 및 표준 물질: 시료 부피는 40 mL이었습니다(전처리됨: 40 mL 시료가 카트리지에 농축되며, 농축된 시료는 탈착 후에 컬럼에 주입됩니다). TraceCERT^® 표준 물질이 사용되었습니다.

무기 양이온에 대해 동일한 방법이 사용되었지만, MSA 구배 및 CS12A 분석용 컬럼으로 수행되었습니다.

초순수 및 음용수 시료 내 소독 부산물의 IC 분석

음용수를 안전하게 유지하려면 병원체를 죽이기 위해 필수적인 양의 소독제가 추가되어야 하는 한편, 허용한계 미만의 수준으로 DBP의 생성 또한 최소화해야 합니다.

EPA⁵ 및 WHO²는 수돗물 내 허용되는 브롬산염의 최대 농도를 10 μg/L로 설정했습니다. FDA는 병입수에 대해 이와 동일한 규제 한계를 채택하고 있습니다.⁴ 유럽에서 오존 처리를 한 천연 광천수 및 용천수에 대해 허용되는 브롬산염의 최대 농도는 3 μg/L⁶입니다. 이 값은 음용수에 대해서는 10 µg/L입니다.¹ 음용수 내 브롬산염, 염소산염, 아염소산염의 농도는 일반적으로 FDA 방법 300.1을 따르는 IC에 의해 평가됩니다.⁷

수돗물과 Millipak^® 최종 필터가 장착된 Milli-Q^® IQ 7000 시스템으로 갓 공급된 초순수를 분석했습니다. 초순수 내 브롬산염, 염소산염, 아염소산염 농도는 규제 당국이 설정한 한계 미만이었습니다(표 2). 심지어 어느 정도의 DBP가 수돗물 공급수 내에 존재하는 경우에도, 시스템에서 채수된 초순수 내에서 DBP가 검출되지 않았습니다.

정제수 시스템의 조합(Milli-Q^® IQ 7000 시스템과 이 시스템에 정제수를 공급하는 Elix^® EDI 기반 시스템으로 구성)은 IC에 의한 음용수 분석에 적합한 초순수를 생산하기 위해 효율적으로 미량 수준의 DBP를 제거합니다.

표 2. IC 분석에 의해 측정되고 음용수에 대한 규제 당국의 한계와 비교한 수돗물(프랑스 기앙쿠르) 및 초순수 내 DBP의 계량. 독립 공인 검사실에서 시료를 검사하였습니다. 초순수는 Milli-Q^® IQ 7000 정제수 시스템에서 공급되었습니다. EPA, 미국환경보호청. FDA, 미국식품의약청. LOQ, 정량한계. MCL, 최대오염농도. n/a, 사용 가능한 데이터 없음. SOQ, 품질표준. WHO, 세계보건기구.

DBP	수돗물	초순수	LOQ	WHO 지침3	FDA SOQ4 / EPA MCL5	EU 지침1
브롬산염 (µg/L)	1	< LOQ	1	10	10	10
염소산염 (µg/L)	35	< LOQ	10	700	n/a	250
아염소산염 (µg/L)	< LOQ	< LOQ	10	700	1 000	250

실험 방법

독립 공인(COFRAC) 검사실에서 분석을 수행했습니다.

• 아염소산염 및 염소산염: NF EN ISO 10304-4 규준에 따름
• 브롬산염: NF EN ISO 15061 규준에 따름
• 용리액: 탄산염/중탄산염
• 컬럼: Metrohm Metrosep A supp 7 – 250/4.0, 45°C, 억제된 전도도 검출

음용수 IC 분석을 위해 Milli-Q^® 정제수 시스템으로 생산된 초순수의 적합성

본 연구는 Milli-Q^® IQ 7000 정제수 시스템으로 갓 생산된 초순수가 음용수 IC 분석의 일환으로 수행되는 작업에 적합하다는 것을 입증합니다. 특히, 용리액, 시료, 표준 물질의 조제 및 바탕시료로 사용하는 데 적합합니다. 심지어 시스템에 공급되는 수돗물에 측정 대상 이온이 함유되어 있더라도, 이러한 오염물질은 정제수 시스템 내에 존재하는 기술들의 조합에 의해 제거됩니다. 

Milli-Q^® IQ 7000 초순수 시스템은 Elix^® EDI 기술을 포함하는 Milli-Q^® IX 순수 시스템에서 물을 공급받을 수 있습니다. 대안으로, 수돗물을 공급수로 사용하여 Milli-Q^® IQ 7003/05/10/15 순수 및 초순수 시스템을 통해 IC 분석에 적합한 초순수를 채수할 수 있습니다.

참고문헌

1. Communities Official Journal of the European. Directive (EU) 2020/2184 of the European Parliament and of the Council of 16 December 2020 on the quality of water intended for human consumption. 2020 . Available from: https://eur-lex.europa.eu/eli/dir/2020/2184/oj

2. Guidelines for drinking-water quality: fourth edition incorporating first addendum. [Internet]. World Health Organization. . Available from: https://www.who.int/publications/i/item/9789241549950

3. Gilchrist ES, Healy DA, Morris VN, Glennon JD. 2016. A review of oxyhalide disinfection by-products determination in water by ion chromatography and ion chromatography-mass spectrometry. Analytica Chimica Acta. 94212-22. https://doi.org/10.1016/j.aca.2016.09.006

4. CFR - Code of Federal Regulations Title 21. Available from: https://www.accessdata.fda.gov/scripts/cdrh/cfdocs/cfcfr/CFRSearch.cfm?fr=165.110&SearchTerm=bottled%20water

5. National Primary Drinking Water Regulations | US EPA.. Available from: http://www.epa.gov/ground-water-and-drinking-water/national-primary-drinking-water-regulations

6. COMMISSION DIRECTIVE 2003/40/EC of 16 May 2003 establishing the list, concentration limits and labelling requirements for the constituents of natural mineral waters and the conditions for using ozone-enriched air for the treatment of natural mineral water.. Available from: https://eur-lex.europa.eu/legal-content/EN/TXT/PDF/?uri=CELEX:32003L0040&from=FR

7. Pfaff JD, Hautman DP, Munch DJ. 1999, 1-40. Method 300.1: Determination of inorganic anions in drinking water by ion chromatography. . [Internet]. Cincinnati, OH: Stand Methods. Available from: https://www.epa.gov/esam/epa-method-3001-revision-10-determination-inorganic-anions-drinking-water-ion-chromatography