용해 산소 측정 방법 응용 2

수질 분석 기술의 발전과 갱신에 따라 전기화학 용산소 측정 기술은 현재 응용되고 있는 용산소 측정 기술이 되었다. 이 기술은 Dr. Leland Clark가 1956년에 zui가 먼저 발명했다.전기화학은 원전지법과 극분법으로 나뉜다.그중 극분법은 zui를 널리 응용한다.전기화학(극분법) 용산소분석기는 센서에 기반한 구조로 확산형과 균형형 두 가지로 나눌 수 있는데, 상대적으로 확산형의 전기화학 용산소센서 응용이 더 보편화되었다.

전기화학 (극분법) 용산소 센서 구조는 아래 그림과 같다.

그림 1: 극분법 측정 원리도

이 센서는 음극, 양극, 전해액 및 반투과막 등 주요부품으로 구성되였는데 직류극화전압작용하에 물에 용해된 산소가 반투과막을 지나 음극에 도달하여 환원반응을 일으킨다.

O2 + 2H2O + 4e- = 4OH-

동시에 양극 산화 반응: 4Ag + 4Cl- = 4AgCl + 4e-

원전지법 용존산소 측정원리 역시 전기화학방법이지만 극화전압이 적고 자발적인 반응이다.센서는 음양극, 전해액 및 반투과막으로 구성되어 있다.물에 용해된 산소분자가 산소반투과막을 뚫고 음극에 도달하여 환원반응을 일으키면

O2 + 2H2O + 4e- = 4OH-

양극은 산화반응을 일으킨다: 2Zn = 2Zn2+ + 42e-

그림 2: 원전지법 측정원리도

반응이 균형적이고 안정된 조건에 도달하면 이 전기화학반응으로 형성된 전류와 산소의 분압(농도)은 일정한 관계를 나타낸다: I = n? F ? A ? D ? S ? pO2 / d

I: 센서 전류 [nA]

n: 전자 마이그레이션 수 (n = 4)

F: 패러데이 상수(F = 96485 C/mol)

A: 음극계 영역 크기 [cm2]

D: 산소 분자의 막에서의 확산 계수 [cm2/s]

S:막의 산소 용해도 [mol/(cm3*bar)]

pO2: 산소 분압 [bar]

d: 필름 두께 [cm]

따라서 상술한 전기화학과정에서 발생하는 전류의 강도에 따라 수중의 용해산소분압을 계산해낸후 다시 헨리의 법칙에 따라 수중의 용해산소농도를 얻을수 있다.

기타 용해산소측정기술과 비교해볼 때 극분법 용산소측정기술은 응용량정이 넓고 정밀도가 높으며 (특히 ppb흔적급 용산소측정응용장소에서) 기술성숙 등 특징을 갖고있어 현재 수처리공업의 각종 용산소측정장소에서 zui를 응용하는것이 보급되고 광범위하다.원 전지법은 극화 예열 과정이 적어 사용이 편리하다.

광학법 측정 용해 산소는 형광 담금질의 원리에 기초한다: 센서 중의 청색 LED 광원이 청색 빛을 발하여 형광 물질에 비추면 이 코팅된 형광 물질은 즉시 이 청색 빛에 의해 자극된다. 이 자극 상태는 불안정하다. 산소를 만나면 신속하게 붉은 빛을 방출하고 원시 상태로 회복된다.이 적색광은 이전 LED에서 발사된 청색광과 시간 지연이 존재하는데, 광전 검출기는 청색광과 적색광 사이의 이 위상 지연을 감지할 수 있다. 즉 형광물질이 청색광에 의해 자극되어 적색광을 발사한 후 원상태로 회복되는 시간을 측정할 수 있다. 이에 따라 수중 용존산소의 함량을 계산한다.이 위상 정체는 발광체 부근의 용해산소 농도와 반비례한다.산소가 형광물질과 접촉하면 발생하는 적색광의 강도가 낮아지고 동시에 적색광이 발생하는 시간도 단축되며 물샘플에 용해된 산소의 농도가 높을수록 센서가 생성하는 적색광의 강도가 낮아진다.

그림 3: 형광법 측정 원리도

* 형광 담금질법 측정 용산소 기술은 측정이 편리하고 안정성이 높으며 유지보수량이 낮은 등 장점이 있다.비교적 높은 농도의 이산화염소를 제외하고 광학법상 용해산소는 기타 교란물질의 영향을 쉽게 받지 않는다.