Galvanic type 용존산소 전극 개발

김진경, 정의홍, 정태훈, 김태진

수원대학교 화학공학과

Development of Galvanic Type Dissolved Oxygen Electrode

Jin-Kyeung Kim, Ui-Hong Chung, Tae-Hoon Jurng, Tai-Jin Kim

Dept. of Chemical Engineering, University of Suwon

서론

막을 이용한 전극으로 용존산소의 농도를 측정하는 방법은 Clark에 의해서 최초로 개발되었다. 이후 Mancy에 의해 처음으로 Galvanic type dissolved oxygen electrode가 개발되었으며 waste water, physiology, biochemistry 및 fermentation 등의 분야에 이용되어 왔다. 이에 본 연구는 DO전극의 국산화를 위한 일회용 DO전극의 초기 모델링 개발과정에서 기초기술력을 확보하기 위해 실시되었다.

본론

DO전극 type은 크게 polarograpic type과 galvanic type으로 구분된다. polarographic type electrode는 -0.6V ∼ -0.8V의 외부 기전력을 유지시켜 작동하는데 비해 galvanic type electrode는 외부의 기전력이 없이 electrolyte 상에서 Zn, Pb, Cd과 같은 기본금속을 anode로 사용하고 Ag, Au같은 귀금속을 cathode로 사용하여 cathode 표면에서 산소환원반응에 의하여 전류가 발생된다. Ag-Pb Galvanic electrode의 전극반응단계는 다음과 같다.

[eqn: &Cathodic~ reaction~ ;~{O_2}~+~2{H_2}O~+~4{e^-} ~rarrow~ 4{OH^-}~~~~~~~~~~~~~~~~(1)# &Anodic~reaction~~;~~~~~~~~~~~2Pb~~~~~~~~~rarrow~2{Pb^2+}~+~{4e^-}~~~~~~~~(2)# &Ove rall~reaction~~;~{O_2}~+~2Pb~+~2{H_2}O~~rarrow~2{Pb({OH_2})}~~~~~~~~~~~~(3)]

이러한 전기화학반응은 percentage of oxygen vs. current diagram으로 나타낼 수 있다. 4개의 전자가 산소의 환원에 참여하며 anode 표면은 점진적으로 산화되어 전극의 수명을 결정하게 된다. 한편 산소농도의 증가에 따라 표시되는 전류는 안정상태에서 식 (4)와 같이 나타난다.

[eqn: rm{I_s}~=~nFA{{p}O_2}{left({{P_m} over omega }right)~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ (4)}]

이때 Is는 steady state current, n은 number of electrons, F는 Faraday constant, Pm은 permeability of membrane, □은 thickness of membrane, pO2는 oxygen partial pressure이다. 따라서 일정한 종류의 단순막의 두께에 따른 전류의 산소분압비와 면적과의 관계를 구하면,

[eqn: RM{left({{dI_s} over {dpO_2}}}right)~~=~~nF·{{P_m} over omega }A~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~(5)]

전극 제작에서 동일한 cathode 면적과 단순막을 사용하였을 때 식 (5)의 nF(Pm/□)는 일정하다. 면적 A를 cathode 직경 D로 치환하면 (□D2)/4 가 되므로

[eqn: ~~~~~~rm LEFT ( { 1} over {D^2 } RIGHT ) LEFT ({{dI_s} over {dpO_2} RIGHT ) }~~~=~~`~(constant)~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~(6)]

실험

전체적인 실험장치는 그림 1과 같다. 전극을 일정한 온도가 유지되게 하기 위해 100□ water jacket reactor의 항온조를 설치하였으며 유량계(Kofloc 1□/min)로 산소 및 air와 질소의 혼합가스를 bubbling시켜 주었으며, 산소를 0 ∼ 21%까지 변화시키면서 전류를 기록하였으며, 매 측정시 충분한 평형시간에 도달하도록 한 후 전류값을 기록하였다. 직경 1□, 2□, 3□, 5□, 7□, 10□ Ag를 사용하여 PVC안에 변형에폭시로 충진하여 cathode를 제작하였고 직경 1□ Pb wire를 coil형태로 cathode 바깥 표면에 일정하게 감아서 제작하였다. 제작된 전극부를 아크릴 tube를 이용하여 변형에폭시로 고정하였으며 그림 2에 나타내었다. 고정된 cathode를 silicone carbide 사포 No.9000으로 연마하였다. 이렇게 제작된 전극에 membrane은 25□, 50□ Teflon을 사용하였고, 내부 전해액은 1N KOH 용액을 사용하였다. 전극의 전류와 계측은 picoammeter(Keithley Model 485)와  recorder(Kipp

&Zonen Model BD41)로 기록하였다. IBM PC/AT에 model 4853 IEEE - 488로 interface하였고 Turbo C로 5분마다 산소 분압에 따라 변화시키면서 동시에 전류를 자동적으로 기록하도록 프로그램하였다.

결과 및 토론

제작된 전극을 동일 온도 조건에서 산소의 분압을 0 ∼ 21%까지 변화시키면서 O2(%)의 변화량에 따라 전류 변화를 측정하였으며 그림 3과 같이 우수한 선형성을 나타내었다. Cathode 직경에 따라 O2% 증가(dO2)에 따른 전류 증가(dIs)의 변화[eqn: rm LEFT ( { 1} / {D^2 } CDOT { dI_s} / {dpO_2 } RIGHT )]을 살펴본 결과는 그림 4에 나타내었다. 따라서 변화도는 식 (6)에서 예상되는 바와 같이 전극별 직경에 무관하였다. Membrane의 두께와 cathode 직경과의 관계에 따라 Teflon 50□ 및 직경 3.6□ cathode인 전극을 제작하였고 이에 대비하여 Teflon 25□ 및 직경 2□의 cathode를 제작하여 O2%의 변화에 따른 전류의 변화를 그림 5에서 살펴본 결과, membrane 두께와 cathode의 직경이 다름에도 불구하고 유사한 변화도와 선형성을 나타내었다. 본 연구의 결과로 전극의 membrane과 cathode의 변화를 조절하면 다양한 형태의 용존산소 전극을 제작할 수 있는 가능성을 제시하였다.

결론

본 연구를 통하여 galvanic type electrode에서 cathode 직경에 따라 O2%의 변화성을 살펴본 결과 cathode 직경에 비례하여 전류의 크기 및 변화도(dI/dO2)가 증가하였다. 한편, 용존산소전극을 cathode 직경과 membrane 두께를 변화시켜 상황이 다른 여러 조건에 적용할 수 있는 가능성을 제시하였다.

감사의 글

본 연구는 통상산업부에서 시행한 공업기반기술개발 사업으로 수행되었으며 연구비 지원에 감사드립니다.

참고 문헌

1. Clark, L.C. : Trans. Am. Soc. Artif. Intern. Organs., 2, 41 (1956).

2. Y. H. Lee, G. T. Tsaos : Biochemical Engineering, Vol. 13, 35-86. Springer         Verlag (1979).

3. 김태진 : □정체 및 유동 액체에서의 산소 전극의 안정상태 일차원적 해석□, 한     국생물공학회지, 4(2), 150-156 (1989).

4. Linek, V. Vacek, V. Sinkale, J. and Benes. P. : "Measurement of Oxygen by        Membrane-covered Probes □, Ellis Horwood Limited, Chichester, 110 (1988).

Fig 1. 시스템 구성도

Fig 2. 전극 구조도