탄산가스 감지 시스템의 특성에 관한 연구

김 종대, 유 민수

전남대학교 화학공학과

A Study of the Characteristics of a CO2

Gas Sensing System

Jong-Dae Kim, Min-Su Ryu

Department of Chemical Engineering, Chonnam National University

1. 서 론

산업화의 진전에 따른 화석연료의 소비량 증가로 탄산가스의 배출량이 급증하여 지구대기 온난화를 유발하며, 지구환경 변화에 큰 영향을 주고 있다. 1992년의 기후변화협약에 따라 탄산가스의 배출이 규제될 전망이므로 탄산가스의 배출량의 측정과 조절이 문제시 된다. 또, 임상검사에도 혈액이나 호흡기 중의 탄산가스 농도 측정을 필요로 한다. 현재 탄산가스 농도 측정을 위해 적외선분광법, 열전도도법, 전위차법을 이용한 감지기가 사용되고 있다 [1][2]. 그러나, 측정범위가 좁고, 습기에 대한 간섭현상이 클 뿐 아니라, 고가의 장비인 경우가 많아 새로운 방식의 탄산 가스 감지 시스템의 개발이 요구되고 있다 [1].

본 연구에서는 기체상의 탄산가스의 농도를 측정하기 위해 탄산염에 선택성이 뛰어난 이온 선택성 막전극을 감지전극으로 이용한 시스템을 개발하여 동적응답을 고찰하고, 이에 따른 시스템의 특성을 알아 보았다.

2. 이 론

감지전극인 이온 선택성 막전극에서 막의 역할은 분석물질 이온을 선택적으로 잡아 주어 막전위를 형성한다. 막의 구조는 이온을 잡아주는 ionopore와 잡아주는 이온을 전달해 주는 가소제, 이러한 물질을 지지해주는 지지체로 구성되었다. 용액 중 탄산염과 반응하여 2가의 음이온 중합체를 형성하면 전극은 음전하를 갖게 된다.  측정원리는 시료가스 중 탄산가스는 완충용액에 용해되어 평형상태에 이르고 용액중 생성된 탄산염 농도는 감지전극에서 전위차로 측정한다[3].  감지전극에 대해서 최적의 완충용액인 0.1M Tris-H2SO4 pH8.6을 사용하면, 완충용액 중 용해된 탄산가스의 농도와 탄산염 농도가 거의 같아진다 [4].   감지전극이 탄산염 농도에 대해 Nernst식을 따른다면,

[eqn: rm E=E sub o + 2.303 RT over nF log [ C sub CO sub 3 sup -2 ]]

로 쓸 수 있고, 탄산가스가 완충용액과 용해되어 평형을 이루므로, 헨리의 법칙을 따른다고 할 수 있다. 그래서, 위 식을 시료가스 중 탄산가스의 부피퍼센트로 다시 쓰면,

[eqn: rm E=Q+2.303 RT over nF log[ CO sub 2 (vol.%)]]

여기서, [eqn: rm Q=E sub o +2.303 RT over nF log P over {100 cdot H }] , P = 시료가스의 전압, H= 헨리상수

가스흡수관에 유입되는 탄산가스의 농도에 대한 감지 전극의 전위차값은 위와 같이 수정된 nernst식을 따른다.

3. 실 험

Fig1.은 탄산가스 감지 시스템의 장치도이다.

본 실험에서 시료가스의 정확한 탄산가스 농도는 CO2 IR분석기로 결정하였다.

시료가스 중 탄산가스 성분은 가스 흡수관으로 들어가 기체투과성 튜브의 안을 흐르는 0.1M Tris-H2SO4 pH8.6의 완충용액에 용해되어 탄산염이 된다. 완충용액은 peristaltic pump에 의하여 가스 흡수관의 기체투과성 튜브를 통과하여 감지전극으로 계속 흘러가게 된다.  이 탄산염의 농도는 탄산염 선택성 전극과 기준전극의 전위차로 신호를 발생한다. 감지전극인 탄산염 선택성 전극은 탄산염에 선택성이 있는 PVC-TFABB 막을 전극본체에 mounting 하여 사용하였다. 감지전극에서 발생한 아날로그 신호는 시스템에 on-line으로 연결된 컴퓨터에 디지털 신호로 바뀐 후 저장되고, 가스 흡수관의 온도조절은 Pt센서로 온도를 감지하고 제어프로그램으로 D/O convert를 통해 온도제어신호를 출력하여 가스 흡수관의 열선을 가열시켜 일정한 온도를 유지하게 하였다.

본 실험에서는 탄산가스의 농도, 시료 가스의 유속, 완충 용액의 유속, 가스 흡수관의 온도의 실험 조건에 따라 시스템의 응답 특성을 고찰하고, 가스 흡수관 내에서 헨리상수와 총괄물질이동계수를 구하여 응답 특성의 원인를 밝혔다.

4. 결과 및 고찰

본 실험결과는 Table 1.에 정리하였다. Fig2.는 2.1%-15%의 탄산가스의 농도 변화에 따른 시스템의 동적 응답에서 탄산가스 농도의 상용대수에 선형적인 응답을 보여 주고 있다. 탄산가스 농도가 커질수록 감지전극에서 2가의 음이온인 탄산염과 반응하여 음전하량이 커짐을 알 수 있다.

Table 1. Value of outputs and coefficients of system for various condition

Value Condition		Output (mV)	Henry's constant (atm□mol-1cm3)	Mass transfer coefficient (cm/sec)	Response time (sec)
CO2 conc. (vol. %)	2.1 3.5 6.4 15.0	-35 -46 -55 -63	0.01017 0.01181 0.01311 0.02202	1.0144x10-4 1.1766x10-4 1.6238x10-4 2.6514x10-4	333 302 258 165
Gas flow rate (ml/min)	170.4 315.4 612.7	-42 -43 -47	0.01132 0.01037 0.01132	6.2397x10-5 7.6249x10-5 1.0647x10-4	583 463 345
Buffer flow rate (ml/min)	1.27 2.41 3.65	-47 -49 -47	0.01132 0.01037 0.01132	3.5323x10-5 5.7297x10-5 6.7397x10-5	323 315 307
Temp. of gas chamber (℃)	26 30 34 44	-33 -37 -40 -44	0.01266 0.01067 0.00939 0.00792	7.0229x10-5 8.3354x10-5 6.5013x10-5 7.0768x10-5	371 361 356 339

Fig3.은 탄산가스의 농도의 상용 대수값에 대한 전위차값의 보정곡선이며, E=-32-24log[CO2(vol.%)]인 관계식을 구하였다. 완충 용액과 시료가스의 유속변화 시 실험조건은 가스 흡수관의 온도는 30℃로 유지하였다. 실험 결과 전위차값은 거의 일정한 전위차값을 갖지만, 응답시간은 선형적으로 단축되었다. 이 때 총괄물질이동계수는 증가하나, 용해도에 큰 변화가 없었다. 3.2%의 시료가스에 대해  가스흡수관에 들어가는 유속을 변화시킨 결과,  정상상태의 전위값은 -42mV로 거의 일정하고 응답시간은 단축되었다. 이 경우에 헨리상수는 변화가 거의 없고, 총괄물질이동계수가 유속증가에 따라 커졌다.  3.9%의 시료가스에 대해 완충 용액의 유속에 따른 동적응답 특성을 살펴보면, 정상상태의 전위차값은 -47mV정도로 거의 변화가 없고, 응답시간만 단축되었다. 이 때에도 헨리상수는 변화가 거의 없고, 총괄물질전달계수만 증가하였다.  2.4%의 시료가스에 대해 가스 흡수관의 온도변화에 따른 동적응답은 온도 증가에 따라 -33mV에서 -44mV까지 커짐을 확인하였고, 응답시간도 단축되었다. 이 헨리상수는 증가하였고, 총괄물질전달계수는 증가 되지 않았다.

5. 결론

실험결과, 본 시스템의 탄산가스에 대한 응답 특성의 결론은 다음과 같다.

1. 탄산가스 감지 시스템은 2.1 - 15%의 탄산가스 농도에 대한 상용대수에

선형적으로 응답하였다.

2. 탄산가스에 대한 시스템의 최종응답값은 탄산가스의 농도와 온도에 따라

달라지며, 탄산가스의 완충용액에 대한 용해도에 영향을 받는다.

3. 탄산가스과 완충용액의 유속변화는 탄산가스의 용해도에 영향을 주지

않아서, 최종응답값에 변화가 없었다.

4. 탄산가스의 농도 및 유속, 완충용액의 유속이 증가하면, 탄산가스의 흡수

속도가 빨라져서, 시스템의 응답시간이 단축되었다.

5. 본 시스템에서  탄산염 이온 선택성 막전극은 탄산가스 감지에 적용 가능하

였다.

6. 참고 문헌

1. Toru Ishiji, Katsuo Takahashi and Akira Kiro; Anal. Chem. 65. 2736 -        2739(1993)

2. Julie A. Greenberg and M.E. Meyerhoff; Anal. Chim. Acta, 141,

57-64(1982)

3. H. B. Herman and G. A. Rechntz; Anal. Chim. Acta., 76, 155-164,(1975)    4. James N. Butler; "Carbon Dioxide Equilibria and Their Applications"

, LEWIS Publisher, 15-23, (1991)