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Total Dissolved Solids (TDS)


TDS란 무엇인가?


TDS는 용존고형물총량(Total Dissolved Solids)의 줄임말이다. 간단히 말해서, 유기농 물질에서 무기 염류인 마그네슘과 칼슘까지, 액체 내의 녹는 물질의 양을 말한다. 좋은 것일 수도 있고 나쁜 것일 수도 있는데, 이것은 그 액체가 어떤 액체이고 TDS가 얼마나 높은지에 따라 달라진다.

커피에서 TDS는 커피의 추출 수치를 반영하며, 물에 얼마나 많은 용해성 물질들이 있는 지를 보여준다. 당신이 예상하는 것과 반대로, TDS는 물에 좋은 것은 아니다. ‘밋밋한’ 맛을 남기기 때문이다.


TDS를 측정하기 위한 가장 흔한 방법은 굴절계를 쓰는 것이다. 이 똑똑하고 작은 장비는 물에 빛이 굴절되는 정도를 측정한다. 앱이 그 정보를 습득하고 설정된 지표와 비교하여 추출 비율을 알려준다.


TDS는 왜 중요한가?


TDS는 로스터와 바리스타들이 측정할 수 있는 커피 속 구체적인 데이터를 쉽게 분석할 수 있게 해줘 보다 추출 조정이 수월해진다. 이것은 맛, 구강촉감, 당신의 샷과 브루잉의 일관성을 개선해줄 것이다. 매번 이것들을 보장해준다면 당신은 균형이 잘 잡힌, 좋은 수치의 복합성과 달콤한 맛의 커피를 만들 수 있다.


Dissolved Solid(용해된 고형물질)는 어디서 기인? 


1. 어떤 용해된 고형 물질은 나뭇잎, 미사, 플랑크톤, 산업폐수 혹은 오수에서 기인합니다. 그 외 다른 경우는 도시의 빗물, 겨울에 도로에 뿌려진 염분, 비료, 농약등에서 기인하기도 합니다.


2. 이 용해된 고형 물질은 calcium bicarbonate, nitrogen, iron phosphorous, sulfur, 그 외 다른 물질을 포함한 바위나 공기에서도 기인하게 됩니다. 


3. 구리나 납성분이 물공급 배관을 타고 물에 포함될 수도 있습니다.


4. TDS를 낫추는 정수기 시스템의 효과는 시간이 지남에 따라 감수하게 됩니다. 그래서 필터나 멤브레인의 성능을 모니터하고 필요시 교환하여야 합니다.





미 Environmental Protection Agency (EPA)에서는 음료수에 대한 두 가지 기준을 규정하였습니다. 첫째는 Primary standards 와 두번째는 Secondary standards입니다. Primary Standards는 건강에 관련된 사항이고 Secondary standards는 맛, 냄새, 색깔, 부식, 거품형성, 오염과 관련된 사항입니다. 하지만 Primary standards에는 TDS 수치와 관련하여음료수에 대한 어떠한 기준은 없습니다, 하지만 Secondary standards으로는 500 mg/L 기준이 있습니다. TDS 수준이 1000mg/L를 초과할 경우, 그 물은 인체에 부적합 물로 간주됩니다. TDS가 높은 수치일 경우는 종종 물에 포함된 potassium, chlorides 과 sodium에 기인합니다. 이들 이온들은 단기간에는 큰 영향을 끼치지는 않습니다. 하지만 유해 이온( lead arsenic, cadmium, nitrate 등)도 함께 물에 녹아 있을 수도 있습니다. 시중에 판매되고 있는 최상 품질의 물 정수기라도 필터나 멤브레인이 불필요한 입자나 박테리아를 물에서 제대로 제거하고 있는지를 확인하기 위하여 TDS 수치를 정기적으로 검사할 필요가 있습니다.


아래는 왜 TDS 테스트를 정기적으로 검사할 필요한가에 대한 이유입니다. 


1. 맛/ 건강

TDS 수치가 높으면 맛의 변화를 일으켜 짭거나, 쓰거나 금속송의 맛이 나게 됩니다. 또한 유해 미네랄의 포함을 나타내기도 합니다. 미 EPA는 TDS 최대수치 값을 500mg/L (500ppm)로 권장하고 있습니다.


2. 필터 성능

역삼투압 방식이나 혹은 기타 다른 필터나 정수 시스템이 잘 거르고 있는지, 그리고 언제 필터를 교환해야 하는지을 알기 위해서 정수기 물을 테스트하십시오.


3. 경화

TDS 수치가 높은것은 경수를 의미하며 이는 파이프나 밸브에 산화물을 생성시키게 됩니다.


4. 수족과/수중환경

일정 수준의 미네랄은 수중식물에게 필요합니다. 수족관이나 탱크속의 물은 물고기나 산호의 원 서식지의 TDS나 pH가 같은 기준으로 만들어 주어야 합니다. 


5. 수경재배

TDS 수치 측정은 수경재배액시 영양 성분에 대한 가장 좋은 측정법입니다. 


6. 수영장/스파

TDS 수치의 감시는 차후 유지보수 문제를 덜기 위해서 권장됩니다.


7. 상업적/산업적 용도

높은 TDS 수치는 보일러, 냉각탑 등의 성능을 저하 시킵니다.


8. 커피

최고 품질의 커피는 반드시 적정한 TDS 수치값이 유지되어야 합니다.


어떻게 TDS 수치를 낫출 수 있을까?


일반적인 물 정수 시스템:


1. 카본 필터

물이 고밀도 활성탄을 통과하면서 많은 유해 성분은 목탄에 흡수 또는 결합합니다. 


2. 역삼투방식

역삼투압 방식은 물에서 오염물질을 걸러내기 위하여 물 분자만이 통과할 수 있는 반삼투성의 멤브레인을 통해 가도록 아주 높은 압력으로 물을 밀어 거르는 작업이며 대량의 물을 정화하는데 있어서는 가장 확실한 방법입니다.

(그러나 역삼투압 방식은 증류수와 같은 수준이기 때문에 말 그대로 순수한 물 그 자체다)


3. 증류

증류란 물을 끓여서 수증기를 얻는 방법으로 수증기로 변한 물은 냉가된 표면까지 상승하고 그 곳에서 다시 액체로 냉각되어 모여지게 됩니다. 따라서 물속에 용해되어 있는 고형물질은 일반적으로 증기화가되지 않기 때문에 끓은 상태로 머무르게 되어 있기 때문입니다. 


4. 탈이온화

물은 양극과 음극 사이로 통과하게 하는데 이온 선별 멤브레인은 물에서 양이온은 음이온 쪽으로 음이온은 양이온 쪽으로으로 분리시켜 고 순도의 탈이온화 물을 만들게 됩니다. 그리고 무기 및 유기 오염 물질을 제거하기 위하여 역삼투방식을 통과하게 됩니다.


커피 안의 TDS


TDS 기술이 커피에 처음 사용된 것은 브루잉에 앞서 물을 분석하기 위해서였다. 그 이후로 브루잉 커피에 이용되었고 여기서부터 모든 재미있는 것들이 시작되었다.


VST라 불리는 회사는 커피를 분석하는데 있어 TDS의 역할을 탐구했는데, 그 결과 두 가지를 개발했다: 바로 VST 굴절계와 VST 커피 도구들이었다. 후자는 커피 굴절계와 함께 사용하는 소프트웨어다.


그럼 왜 굴절계와 소프트웨어 두 가지가 함께 필요한가? TDS를 측정하기 위해서는 굴절계를 쓴다. 그리고 모든 관련 데이터들을 커피 툴스(마른 커피양, 물의 양, 희망 브루잉 내구력 등)에 입력한다. 소프트웨어가 그 이후에 이 데이터를 분석하고 얼마나 당신의 목표를 이루었는지를 알려준다.


좋은 TDS 수치는 몇인가?


커피가 맛있게 될 상태에서 가장 높은 추출 비율을 목표로 하게 된다. 이것은 대략 18-22% 추출률이지만, 각 커피는 개인주의적이고 각각 다른 성격을 지닌다. 그러나 커피의 맛에 끼칠 영향을 검토하지 않고 단지 이 황금범위를 목표로 한다면 실패할 수 있다.


게다가 타당한 추출 비율을 성취하지 못하는 것이 로스트 문제, 필터 바스켓, 그라인더/버 혹은 심지어 압력과 브루잉 물 온도와 같은 물이나 브루잉 장비 문제를 나타내기도 한다. 그러나 대부분의 경우 TDS는 또 다른 정보 소스를 제공해주는데 그칠 수 있다.


TDS도 제약이 있나?


음료의 TDS를 측정하는 것은 심각한 위험을 지닌다. TDS를 읽는 것에만 집중해 다른 중요한 요소들을 쉽게 무시할 수 있게 된다.


먼저, 물을 분석하자. SCAA는 브루잉 물의 TDS를 읽을 수 있는 기준을 추천하는데 이 부분으로 들어가기엔 너무 기술적이지만 당신의 물이 안전한지 아닌지, 측정 가능한 수치를 보여준다. 문제는 칼슘, 경도, 알칼리성, 염소와 나트륨 수치와 같은 것들을 고려할 필요도 있다. 브루어(사람)는 증류수에 소금을 용해시켜 물의 필수 TDS 수치에 도달 할 수 있다. 하지만 커피를 브루잉할 때 좋은 방법은 아닐 것이다.


브루잉할 때도 마찬가지다. 거의 미각만이 주된 도구로 남아야 한다. 바리스타들과 로스터들도 기억해야 하는 것은 추출 비율을 도달하는 것이 목표가 아니라 맛있는 커피를 만드는 것이 목표라는 것이다.


올바르게 사용되면 TDS는 그 어떤 커피 전문가에게 좋은 자산이 될 것이다. 올바르게 사용된다면 말이다.



Total Hardness (TH)

경도(또는 전경도:Total Hardness)라 함은 물속에 용해되어 있는 Ca2+, Mg2+등의 2가 양이온 금속이온에 의하여 발생하며 이에 대응하는 CaCO3(ppm)으로 환산표시한 값으로 물의 세기를 나타낸다. 


경도에는 일시 경도(temporary hardnes)와 영구 경도(permanent hardness)로 구별되고 양자를 합한 것을 총경도(Total hardness)라 한다 


경도를 유발하는 주요 양 음 이온 

양이온음이온Ca2+HCO3-Mg2+SO42-Sr2+CI-Fe2+NO3-Mn2+SiO32-경도를 계산하는 식은 다음과 같으며 계산 결과 정도의 분류는 아래와 같다. 

경도(CaCO3mg/l) = (M2+mg/l) * 50/(M2+당량) 

물의 경도는 주로 토양과 암석층을 통과한 물에서 얻어지게 되는데 밋물 자체로는 그 많은 양의 고형물을 용해시킬만한 능력이 없다. 정도를 유발하는 용해능력은 흙에서 이루어지는 박테리아의 작용으로 발생한 CO2 탓으로 빗물이 토양층으로 통과하면서 CO2 가 용해되고 탄산과 평형상태를 이루게 된다. 

여기서 생긴 낮은 pH의 토양수는 염기성물질인 석회암등을 용해시키고 석회암 속의 탄산염, 황산염, 규산염등을 포함시키게 된다. 

따라서 센물은 주로 표토층이 두텁고 석회암층이 존재하는 곳에서 발생하기 쉽고 단물은 표토층이 얇고 석회암층이 없거나 드문 지역에서 발생한다. 또한 지표수보다 지하수의 경도가 높다. 

그러나 경도를 주로 구성하는 Ca2+보다 Mg2+양이 비교적 작게 존재하는 것이 일반적이다. 

마그네슘경도는 전경도에서 칼슘경도를 빼서 산출한다. 


영구경도 

칼슘염이나 마그네슘염, 철염등을 포함하고 있는 물을 경수라고 하며 끓이는 것으로는 연화되지 않는 경우의 물을 영구경수라 한다. 즉 황산염이나 염화물은 끓여도 분해되지 않고 침전되지 않아 경도에 변화가 오지 않으며 이러한 경우를 영구경도라 한다. 

영구경수는 탄산소오다를 사용하여 연수로 만들 수 있다. 

즉 물11에 탄산소오다 2~3g 정도를 넣으면 연화되어 연수로 된다. 이때 탄산소오다의 양을 너무 많이 넣으면 세탁 할때 천이 상하게 되므로 많은 양이 들어가지 않도록 주의해야 한다. 


일시경도 

천연수 속에는 칼슘과 마그네슘을 주성분으로 하는 황산칼슘, 황산마그네슘, 염화칼슘, 염화 마그네슘과 황산염이나 염화물이 첨가되있거나 중탄산칼슘, 중탄산마그네슘과 같은 중탄산염이 포함되어 있다. 

중탄산염을 포함한 물을 끓이면 중탄산염은 분해하여 탄산염으로 되어 가라앉으므로 물의 경도는 작아지고 연화된다. 


이와 같이 끓이는 것으로 경도가 감소되는 것을 일시경도라 한다. 그러나 끓이는 것은 연료가 소비되므로 암모니아수를 사용하여 일시 경수를 연수로 만들기도 한다. 

이때 암모니아수는 많이 첨가되어도 섬유를 손상시키지 않으며 오히려 세척작용을 좋게한다 

경도의 계산 결과 경도의 분류는 [표 2]와 같다. 


[표 2] 경도의 분류 


㎎/ℓ 경도 (degree of hardness) 

0~75 단물 (soft) 

76~150 약한 센물 (moderately hard) 

150~300 센물 (hard) 

300이상 대단히 센물 (very hard) 



센물은 주로 표토층이 주텁고 석회암 층이 존재하는 곳에서 발생하기 쉽고 단물은 표토층이 얇고 석회암 층이 없거나 드문 지역에서 발생한다. 또한 지표수보다 

지하수의 경도가 높다. 

물이 센물이 되면 물의 이용에 많은 문제점을 발생시킨다. 

1) 센물은 세탁 효과를 저하시키다. 센물 속의 이온들이 비누와 먼저 결합 반응하여 세척 효과를 떨어뜨리며, 비누의 거품을 만드는데 다량의 비누가 소비된다. 

2) 보일러, 온수관 등의 설비에 물때(scale)를 만들어 각종 장치의 장애를 일으키며 열효율을 떨어뜨린다. 

3) 위생적인 면에서 경도가 높은 물을 마실 때는 설사, 복통을 유발하게 된다. 

그러나 경도를 주로 구성하는 Ca2+, Mg2+은 인체에 필수적으로 필요한 미네랄로서 물 또는 음식으로부터 충분히 공급받아야 하며 물 속에서는Ca2+보다 Mg2+양이 

비교적 작게 존재하는 것이 일반적이다. 그밖에 인체에 필요한 주요 미네랄은 Na+, K+등이 있는데 일본의 오카 다카키는 인체의 건강에 중요한 이 네 가지 

미네랄의 균형 비율을 다음과 같이 정한 바 있다.2) 


Mg2+의 ㎎당량 

---------------- = 0.1 ~ 0.5 

Ca2+의 ㎎당량 


Na+의 ㎎당량 

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pH란?


측정은 산성과 염기성을 측정하는 기술입니다. 수소이온(H+)의 총량에 의해 산성(고농도의 수소이온)과

염기성(저농도의 수소이온)으로 분류됩니다. pH 측정범위는 0~14 이며, 0 이하의 강산이나 14 이상의

강염도 측정은 가능하지만(이론측정), 기존의 전극제조기술로는 측정이 불가능합니다. pH 측정범위는 물의

해리반응1에 의해 파생됩니다.

pH = - log10[H+]

H2O -> H+ + OH- = 1 x 10-14 (mol/L)2 = Kw (Kw is the dissociation constant of water).2

 

해리 [解離, dissociation] : 분자가 그 분자를 구성하고 있는 각각의 원자나 이온, 또는 보다 작은

분자들로 나누어지는 현상이다. 예를 들어, 염산 HCl 은 물에 녹아 H+와 Cl-의 두 이온으로 나누어 지는

것을 들 수 있고, 생물체 내에서 일어나는 헤모글로빈의 산소운반도 해리 반응의 하나이다. 해리 반응은

가역적인 반응으로, 평형상태가 존재한다.

HCl 이 물에 녹으면 거의 100% 이온화 되어 H+와 Cl-가 만들어지지만, 만들어진 H+와 Cl-가 언제나 그

상태로 존재하는 것은 아니다. H+와 Cl-가 다시 결합하여 HCl 이 되기도 한다. 다만 이렇게 해리와 결합이

끊임없이 일어나는 과정 속에서 해리 반응쪽으로 평형이 치우쳐 H+와 Cl-의 비율이 HCl 에 비해 현저하게

높을 뿐이다. 산, 염기는 해리 반응이 얼마나 우세한가에 따라 그 세기가 달라진다. 해리 반응이 잘

일어나는 산, 염기는 H+나 OH-를 많이 만들기 때문에 강한 산, 염기로 작용한다.

 

pH 와 산도/염기도의 관계에 대해 설명해 드리겠습니다. 

 

pH 측정은 산성과 염기성을 측정하는 기술입니다. 여기서 산도3와 염기도4는 반드시 pH 값과 일치하지 않습니다.

비슷한 조건의 비슷한 용액의 경우에는 산도가 낮으면, pH 는 높게 나오고 산도가 높으면, pH 는 낮게 나오는 것이 원칙입니다.

페놀프탈렌을 지시약이나 BTB 지시약을 사용하여 산도를 구하는 경우, 여러 가지 염류도 산으로 작용을 하게 됩니다. 예를 들면 구연산, 젖산, 등이 석회 나 아민 등이 결합해서 염을 형성하고 있다는 가정의 경우, 이들의 PH 는 거의 중성으로 되어 있는데 이것을 가지고, 산도를 측정하면 염기가 어느 정도의 농도로 될때 까지 지시약이 반응을 하지 않고, 수산화 나트륨은 염을 분해하는데 소비되어 산도가 높은 것으로 나타나지만 실제의 [H+] 농도는 낮기 때문에 PH 는 낮게 나오고, 산도는 높게 나올 수가 있습니다.

즉 PH 4.3 과 PH 8.3 사이에 염을 분해시키고, 용액속의 유리된 염기가 지시약의 색을 변경 시키지 못하는 경우도 있습니다.

일반적으로 순수한 물에 가까울수록 적은 양의 산으로 PH 의 변화폭이 커지고 용해된 물질이 많을 수록 적은 양의 산이나 염기로 PH 의 변화폭이 커지는데 이것은 일종의 Buffer 작용에 의한 것으로 설명될 수 있습니다.

 

산도 [酸度, acidity] : 히드록시기는 산 또는 음이온으로 치환할 수 있는 것이며, 산과 중화반응을 할 때의 산의 필요량을 아는 척도가 됩니다. 예를 들면, 수산화나트륨[NaOH],·수산화칼륨[KOH] 등은 산도 1,수산화칼슘 [Ca(OH)2],·수산화바륨 Ba(OH)2 등은 산도 2, 수산화란탄 La(OH)3 은 산도 3 이며, 각각 1 가염기·2 가염기· 3 가염기라 하며 산도가 2 이상인 것을 모두 다 가염기라고 합니다. 산도에 대하여 산 1mol 속에 함유되어 있는 수소원자 중에서 금속원자 또는 양이온과 치환할 수 있는 수소원자의 수를 염기도(鹽基度)라고 합니다. 한편, 산의 세기를 말하는 산성도(酸性度)도 산도라고 할 때가 있으므로 흔히 혼동되고 있습니다.

 

알칼리도[alkalinity] : 염기성 용액의 중화적정 시에 필요한 산성용액의 양 ; 시료수(試料水)에 지시약으로서 페놀프탈레인이나 메틸오렌지를 가하고, 이것을 이미 농도를 알고 있는 염산이나 황산으로 중화적정하여 측정합니다. 페놀프탈레인을 사용한 알칼리도는 페놀프탈레인알칼리도(P-Alkalinity)라고 하며, 천연수에 함유되어 있는 수산이온의 총량과 탄산이온의 반량(半量)에 상당합니다. 메틸오렌지를 사용한 알칼리도를 메틸오렌지알칼리도(M-Alkalinity)라고 하며, 탄산수소이온까지 포함한 총알칼리도를 나타냅니다.

엄밀하게는 약한 알칼리성을 보이는 물질의 총량을 나타냅니다. 알칼리도는 흔히 얼마만큼의 탄산칼슘에 상당하는가로 표현됩니다. 예를 들면, 해수 100 ㎤를 0.01N 의 염산으로 적정하면 25 ㎤를 필요로 합니다. 그때, 이 해수의 알칼리도는 120ppm 입니다.

 

산도[Acidity]와 알칼리도[Alkalinity]의 측정: 산도[Acidity]와 알칼리도[Alkalinity]의 측정은 적정효과(Titration effect)를 이용한 적정계(Titrator)가 주로 사용되고 있습니다. 산도 [Acidity]는 Methyl Orange and Phenolphthalein (Total) Methods 방법(순차반응)을 사용하여 측정하고, 알칼리도 [Alkalinity] 는 Phenolphthalein and Total Method 방법(순차반응)을 사용하여 측정합니다. 

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