선택한 단어 수는 입니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
선택한 단어 수는 30입니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
문제 정의
- 본 연구에서는 현재까지의 수질 오염물질 처리를 위한 전기 방전 연구들에서 일반적으로 사용해오던 전극 배열과는 다르게 고전압 방전극이 기체상에 위치하고 접지 전극이 수중에 위치한 전극 배열 조건에서 방전에 의해 생성되는 주요 화학적 활성종의 발생 특성을 실험하였으며 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 본 연구에서는 현재까지의 연구에서 일반적으로 적용되는 전극 구조와는 다른 전극 배열 형태에서 화학적 활성종 생성 특성을 관찰하고자 하였다. 즉, 고전압 방전 전극을 수표면과 근접한 기체상에 위치시키고 접지전극을 수중에 위치시킨 전극 구조에서 다양한 운전변수가 화학적 활성종 생성에 미치는 영향에 관해 실험하였다.
- 9)따라서 외국의 선도적 연구그룹들과 기술 경쟁력을 갖추기 위해서 관련 연구의 활성화가 필요할 것으로 판단된다. 이를 위해 본 연구자는 관련 연구의 선도적 연구그룹인 플로리다 주립대학교 Locke 교수와 공동연구를 수행하였으며 얻어진 주요 결과들을 본 논문에 다루고자 하였다.
제안 방법
- 용액은 2 uScm4 이하의 전도도 값을 가지는 탈이 온수(deionized water)를 사용하여 조제되었으며 전도도 값을 조절하기 위해 KC1 을 사용하였다. 기체상에서 일정한 기체 조성을 유지하고 오존 생성의 source를 제공하기 위해 산소 또는 산소/아르곤 혼합 기체를 350 mL/ min의 속도로 고전압 방전극을 통해 공급하였다. 용액의 혼합과 시료 채취를 위해 peristaltic pump를 이용하여 500 mL/ min의 속도로 용액을 순환시키면서 실험하였다.
- 반응기로 전달되는 펄스당 에너지는 얻어진 전류-전압의 파형의 곱을 시간에 따라 적분하여 계산하였다.
- 1은 본 연구에서 구성된 전기 방전 시스템의 회로도를 나타내고 있다. 방전 반응기로 고전압 펄스를 공급하기 위해 콘덴서 (G)와 회전 스파크 갭 스위치 (RSG, rotary spark gap switch)를 이용하는 기본적인 펄스 발생회로(pulse forming circuit)를 구성하였다. 전원 공급장치로 100 kV까지 인가할 수 있는 교류 고전압 장치를 사용하였으며 회로의 보호를 위해 저항(R1)과 다이오드(D)를 설치하였다.
- 방전 반응기로 인가되는 펄스 전압 및 전류를 측정하기 위해 고전압 프로브(high voltage probe, Tektronix P6015)와 전류 프로브(current probe, Tektronix P6021)를 각각 오실로스코프(Tektronix TDS460)에 연결하여 사용하였다. 반응기로 전달되는 펄스당 에너지는 얻어진 전류-전압의 파형의 곱을 시간에 따라 적분하여 계산하였다.
- 방전에 의해 기체상에서 생성되는 오존 농도를 측정하기 위해 오존 분석기 (PIC Ozone Corp, HC-1)를 사용하였으며 수중에서 생성되는 과산화수소 농도를 분석하기 위해 과산화수소와 titanyl 이온의 반응에 의해 생성되는 노란색 착화합물(peroxotitanium(IV) complex)의 홉광도를 410 run에서 측정하였다 2)흡광도 측정을 위해 UV/VIS spectrophotometer (Perkin Elmer Lambda25)를 사용하였다. 용액의 전도도, pH, 그리고 온도를 측정하기 위해 pH/Conductivity meter(Oakton) 를 사용하였다.
- Elmer Lambda25)를 사용하였다. 용액의 전도도, pH, 그리고 온도를 측정하기 위해 pH/Conductivity meter(Oakton) 를 사용하였다.
- 관찰하고자 하였다. 즉, 고전압 방전 전극을 수표면과 근접한 기체상에 위치시키고 접지전극을 수중에 위치시킨 전극 구조에서 다양한 운전변수가 화학적 활성종 생성에 미치는 영향에 관해 실험하였다.
대상 데이터
- 전압은 교류 고전압 장치의 패널 값을 기준으로 35-55 kV의 범위에서 조절하였다. 용액은 2 uScm4 이하의 전도도 값을 가지는 탈이 온수(deionized water)를 사용하여 조제되었으며 전도도 값을 조절하기 위해 KC1 을 사용하였다. 기체상에서 일정한 기체 조성을 유지하고 오존 생성의 source를 제공하기 위해 산소 또는 산소/아르곤 혼합 기체를 350 mL/ min의 속도로 고전압 방전극을 통해 공급하였다.
- 이때 정극성(positive polarity) 전압을 인가하면 방전에 의한 전자의 빠른 이동으로 침 전극 주위에 양의 공간전하(positive space charge)/} 형성되어 방전 공간에 전계강도를 증가시키므로 강하고 원할한 방전이 일어날 수 있다. 전극의 재질은 고전압 방전극의 경우에 0.5 mm 의 NiChrom wire를 사용하였으며 전계 강도를 증가시키기 위해 wire의 표면을 테프론으로 둘러싸고 끝 부분만을 외부로 노출시켜 사용하였다. 접지 전극은 탄소 결정질을 재료로 하여 플로리다 주립대학교에서 개발한 RVC(reticulated vitreous carbon) 전극을 사용하였다.
- 방전 반응기로 고전압 펄스를 공급하기 위해 콘덴서 (G)와 회전 스파크 갭 스위치 (RSG, rotary spark gap switch)를 이용하는 기본적인 펄스 발생회로(pulse forming circuit)를 구성하였다. 전원 공급장치로 100 kV까지 인가할 수 있는 교류 고전압 장치를 사용하였으며 회로의 보호를 위해 저항(R1)과 다이오드(D)를 설치하였다. 회전 스파크 갭 스위치가 정렬되면 콘덴서에 축적된 양 전하들(positive char- ges)이 펄스의 형태로 반응기로 전달되는 원리이다.
- 5 mm 의 NiChrom wire를 사용하였으며 전계 강도를 증가시키기 위해 wire의 표면을 테프론으로 둘러싸고 끝 부분만을 외부로 노출시켜 사용하였다. 접지 전극은 탄소 결정질을 재료로 하여 플로리다 주립대학교에서 개발한 RVC(reticulated vitreous carbon) 전극을 사용하였다. RVC 전극은 균일한 방전을 유발시켜 방전 반응에 의한 화학 반응의 효율을 증가시키는 것으로 보고된 바 있다10)
성능/효과
- 이 결과는 고전압 방전극을 수중에 위치시킨 일반적인 방전 실험에서 얻어진 결과들과 중요한 차이를 보여준다. 현재까지 많은 연구들이 진행되어 왔던 전극 조건(용액 내에 고전압 방전극이 존재하는 경우)에서는 동일한 인가전압에서 10-20 A의 첨두 전류값이 얻어지는데 비해, "3)본 연구에서 사용된 전극 형태에서는 50-90 A의 값을 가지는 것으로 나타나 대략 5배 정도 높은 전류가 방전 반응기를 통해 흐르는 것으로 나타났다. 또한, 기존의 전극 구조에서보다 대략 3배 정도 좁은 폭을 가진 펄스들이 생성되는 것으로 관찰되었다.
- 1) 실험에서 채택된 전극 구조에서 얻어지는 전류값은 고전압 방전극이 수중에 위치하고 접지 전극이 수중 또는 기체상에 존재하는 일반적인 전극 배열에서 얻어지는 값들보다 약 5배 높은 것으로 나타났으며 펄스폭(pulse width)은 약 3배 작은 것으로 나타났다. 따라서 비슷한 펄스당 에너지가 반응기로 전달됨에도 불구하고 높은 전계 강도가 형성되고 무거운 하전입자의 이동에 소모되는 에너지 손실이 감소하므로 방전에 의해서 일어나는 화학반응의 에너지 효율성을 높일 수 있는 것으로 나타났다.
- 2) 방전에 의해 기체상에서 생성되는 오존 농도는 실험된 전압 범위의 중간 값인 45 kV 조건에서 가장 높은 것으로 관찰되었다. 또한 용액 전도도가 낮을수록 액체상을 통한 전기 저항이 증가하여 기체상에서 높은 전계 강도가 형성되므로 오존 생성을 촉진시키는 것으로 나타났다.
- 3) 인가전압이 증가할수록 높은 전계 강도가 형성되어 강한 방전이 이루어지므로 과산화수소 생성속도가 증가하는 것으로 나타났다. 낮은 전압에서는 용액 전도도가 증가하면 과산화수소 분해속도가 증가하기 때문에 과산화수소 생성 속도가 감소하며 높은 전압에서는 용액 전도도가 증가하면 자외선 조사 등에 의해 과산화수소 발생의 중간 생성물인 OH .
- 10은 150 uScn의 용액 전도도 조건에서 과산화수소생성에 미치는 유입 기체 조성의 영향을 나타내고 있다. 과산화수소 생성 속도는 아르곤과 산소가 3 : 4의 비율로 혼합된 조건에서 가장 높은 것으로 나타났다. 순수 산소와 순수아르곤이 공급되는 조건들을 비교하면, 방전 초기에는 순수산소 조건이 높은 과산화수소 생성속도를 가지나 방전 시간이 증가함에 따라 거의 비슷한 농도의 과산화수소를 생성시키는 것으로 나타났다.
- 작은 것으로 나타났다. 따라서 비슷한 펄스당 에너지가 반응기로 전달됨에도 불구하고 높은 전계 강도가 형성되고 무거운 하전입자의 이동에 소모되는 에너지 손실이 감소하므로 방전에 의해서 일어나는 화학반응의 에너지 효율성을 높일 수 있는 것으로 나타났다.
- 방전에서 오존 생성의 source는 산소이다. 따라서 외부로부터 주입되는 기체의 산소 함량이 감소함에 따라 생성되는 오존의 농도가 감소하며 이르곤만 주입되는 조건에서는 오존이 생성되지 않았다.
- 또한, 기존의 전극 구조에서보다 대략 3배 정도 좁은 폭을 가진 펄스들이 생성되는 것으로 관찰되었다. 따라서 훨씬 높은 전류가 흐름에도 불구하고 좁은 폭의 펄스들이 인가되므로 동일한 인가전압에서 반응기로 전달되는 에너지는 큰 차이가 없는 것으로 나타났다.
- 또한 용액 전도도가 낮을수록 액체상을 통한 전기 저항이 증가하여 기체상에서 높은 전계 강도가 형성되므로 오존 생성을 촉진시키는 것으로 나타났다. 외부로부터 공급되는 기체에 오존 발생 source인 산소의 함량이 증가하면 오존 발생량이 증가하는 것으로 나타났다.
- 현재까지 많은 연구들이 진행되어 왔던 전극 조건(용액 내에 고전압 방전극이 존재하는 경우)에서는 동일한 인가전압에서 10-20 A의 첨두 전류값이 얻어지는데 비해, "3)본 연구에서 사용된 전극 형태에서는 50-90 A의 값을 가지는 것으로 나타나 대략 5배 정도 높은 전류가 방전 반응기를 통해 흐르는 것으로 나타났다. 또한, 기존의 전극 구조에서보다 대략 3배 정도 좁은 폭을 가진 펄스들이 생성되는 것으로 관찰되었다. 따라서 훨씬 높은 전류가 흐름에도 불구하고 좁은 폭의 펄스들이 인가되므로 동일한 인가전압에서 반응기로 전달되는 에너지는 큰 차이가 없는 것으로 나타났다.
- 시간이 경과함에 따라 과산화수소 농도가 거의 선형적으로 증가하는 현상을 관찰할 수 있다. 또한, 전압이 증가함에 따라 과산화수소 생성속도가 증가함을 알 수 있다.
- 낮은 전압에서는 용액 전도도가 증가하면 과산화수소 분해속도가 증가하기 때문에 과산화수소 생성 속도가 감소하며 높은 전압에서는 용액 전도도가 증가하면 자외선 조사 등에 의해 과산화수소 발생의 중간 생성물인 OH . 라디칼의 발생이 촉진되므로 과산화수소 생성 속도가 증가하는 것으로 나타났다. 산소와 아르곤의 혼합기체가 공급될 때, 강하고 안정한 반응이 이루어져 과산화수소 생성속도가 증가하며 순수 산소가 공급될 때는 초기에는 고농도 오존의 생성으로 인해 과산화수소 생성 속도가 높으나 방전 시간이경과함에 따라 방전이 불안정해져서 과산화수소 생성 속도가 감소하는 것으로 나타났다.
- 라디칼의 발생이 촉진되므로 과산화수소 생성 속도가 증가하는 것으로 나타났다. 산소와 아르곤의 혼합기체가 공급될 때, 강하고 안정한 반응이 이루어져 과산화수소 생성속도가 증가하며 순수 산소가 공급될 때는 초기에는 고농도 오존의 생성으로 인해 과산화수소 생성 속도가 높으나 방전 시간이경과함에 따라 방전이 불안정해져서 과산화수소 생성 속도가 감소하는 것으로 나타났다.
- 과산화수소 생성 속도는 아르곤과 산소가 3 : 4의 비율로 혼합된 조건에서 가장 높은 것으로 나타났다. 순수 산소와 순수아르곤이 공급되는 조건들을 비교하면, 방전 초기에는 순수산소 조건이 높은 과산화수소 생성속도를 가지나 방전 시간이 증가함에 따라 거의 비슷한 농도의 과산화수소를 생성시키는 것으로 나타났다.
- 아르곤과 산소가 혼합된 기체가 유입되는 조건에서 제일 높은 과산화수소 생성속도가 얻어지는 것은 산소에 의한 오존의 생성과 방전의 안정성 효과가 함께 작용하여 얻어진 결과로 판단된다. 순수산소가 공급될 때는 방전 초기에는 산소아르곤 혼합 기체가 유입 될 때 와 비 슷한 과산화수소 생 성속도를 가지 지 만 방전 시간이 증가함에 따라 과산화수소 생성속도가 감소하여 순수아르곤이 유입되는 조건과 비슷한 값을 가지는 것으로 나타났다. 이러한 현상은 순수 산소가 공급될 때 높은 농도의 오존이 생성되므로(Fig.
- 10) 이러한 현상들은 오존 생성 측면에서 적정 범위 이상의 전압이 인가되면 오존 생성에 적합하지 않은 방전 상태로 전환됨을 의미한다. 실험에서 전압이 증가함에 따라 기체상 내에서 발생하는 방전의 굵기가 증가하고 전류 흐름(current channel) 의 개수는 감소하는 현상이 시각적으로 관찰되었다. 방전의 굵기가 증가하고 전류 흐름의 개수가 감소하면 방전 영역과 기체의 접촉 면적이 감소하게 된다.
- 또한 용액 전도도가 낮을수록 액체상을 통한 전기 저항이 증가하여 기체상에서 높은 전계 강도가 형성되므로 오존 생성을 촉진시키는 것으로 나타났다. 외부로부터 공급되는 기체에 오존 발생 source인 산소의 함량이 증가하면 오존 발생량이 증가하는 것으로 나타났다.
- 이러한 특성은 본 연구에서 수행된 전극 구조가 기존의 전극 형태보다 화학반응 측면에서 효율적일 수 있음을 보여준다. 좁은 펄스폭을 가진 전압일수록 높은 전계 강도가 형성되므로 강한 방전을 유발시킬 수 있다.
- 4는 150 uScn의 용액 전도도 조건에서 인가전압에 따른 방전의 전압, 전류, 에너지 특성을 나타내고 있다. 전원공급 장치의 패널 전압을 증가시킬 때 전압 및 전류의 첨두값들(peak values)이 증가하며 하나의 펄스당 방전으로 전달되는 에너지가 거의 선형적으로 증가하는 것으로 나타났다. 이 결과는 고전압 방전극을 수중에 위치시킨 일반적인 방전 실험에서 얻어진 결과들과 중요한 차이를 보여준다.
- 그림으로부터 과산화수소 생성에 미치는 용액 전도도의 영향은 인가되는 전압의 값에 따라 다른 경향을 가짐을 알 수 있다. 즉, 35 kV의 전압이 인가될 때는 용액 전도도가 낮을수록 높은 과산화수소 생성속도가 얻어지며 55 kV의 전압이 인가될 경우에는 용액 전도도가 증가할수록 과산화수소 생성 속도가 증가하는 것으로 나타났다. 이러한 차이의 원인에 대해서는 명확하게 규명되지 않았으나 다음과 같은 추론이 가능하다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.