[논문]불용성 전극의 전처리 방법이 전극의 수명에 미치는 영향

박미정; 이택순; 강미아; 한치복

doi:10.4491/ksee.2016.38.6.291

불용성 전극의 전처리 방법이 전극의 수명에 미치는 영향
The Effect of Pre-Treatment Methods for the Life Time of the Insoluble Electrodes 원문보기

대한환경공학회지 = Journal of Korean Society of Environmental Engineers, v.38 no.6, 2016년, pp.291 - 298

박미정 ((주)욱영전해씨스템) , 이택순 (창원대학교 환경공학과) , 강미아 (안동대학교 환경공학과) , 한치복 (경남보건환경연구원)

초록
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불용성 전극은 전기화학 공정에 있어 가장 핵심적인 소재이며, 이를 이용한 전기화학적 수처리 공정은 난분해성 물질을 제거하는 유용한 방법으로서 이에 대한 연구가 지속적으로 이루어져 오고 있다. 전기화학적 수처리 공정은 주로 산화전극에서의 산화반응과 환원전극에서의 환원반응을 이용하는 것이다. 본 연구에서는 불용성 전극의 제조공정에서 전처리 방법이 전극의 수명에 미치는 영향을 평가하였다. 실험결과 촉매전극층을 코팅하는 물질계 및 코팅방법을 동일하게 하는 경우에도 기판의 전처리 방법 즉, 기판표면의 조도, 세정방법, 중간층 형성 여부 및 방법 등에 따라 전극의 수명이 크게 달라지는 것을 확인하였다. 실험은 가장 많이 사용되는 전극의 하나인 $IrO_2/Ti$ 전극을 대상으로 하였다. 샌드 블라스팅 공정의 경우 입도를 달리하는 샌딩 미디어를 이용하여 전극을 제조하고 이에 대한 수명을 평가한 결과 #80알루미나(입도 $212{\sim}180{\mu}m$)를 이용하는 경우가 가장 효과적인 것으로 나타났다. 기판에 대한 세정 공정은 arc plasma를 이용하는 것이 가장 우수하였으며, 중간층을 형성함에 있어서는 스퍼터링법을 이용하여 Ta 계열의 중간층을 형성하는 방법을 적용하는 것이 가장 바람직한 것으로 확인되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

Electrochemical water treatment process as a useful treatment method for the removal of non-degradable matter has been consistently studied for several decades. Key process of electrochemical water treatment are oxidation reaction from an anode and reduction from a cathode. In this study, the effect of pre-treatment methods in the insoluble electrode manufacturing process for the water treatment has been evaluated for the life time of electrode The results of this study showed that pre-treatment methods of a base metal such as surface roughness, clean method and interlayer formation influenced to life time of electrode when the same condition (catalyst electrode layer coating method and material system) was applied for pre-treatment methods. This study was conducted by using $IrO_2/Ti$ electrode In the test of sand-blasting process, an electrode manufactured by using sanding media of different sizes resulted in the most effective electrode life time when the size of alumina was used for $212{\sim}180{\mu}m$ praticle size (#80). The most effective method was considered using arc plasma in the additional roughness control and cleaning process, sputtering method to form Ta type interlayer formation process.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

)을 중간층으로 코팅하거나, 탄탈륨 또는 탄탈륨과 티타늄의 합금을 물리적 기상 증착법(Physical Vapor Deposition, PVD)으로 중간층을 형성하는 방법 등이 제안되어 있다. 본 연구는 불용성 전극 제조를 위한 전처리 공정의 세부적인 처리 방법을 달리한 전극을 제조하고, 그에 대한 수명평가를 실시하여 불용성 전극 제조를 위한 전처리 공정의 세부적인 처리방법이 전극의 수명에 미치는 영향에 대하여 고찰하였다. 불용성 전극에는 이리듐 전극(IrO₂/Ti), 루테늄 전극(RuO₂/Ti), 복합금속산화물(MMO, Mixed Metal Oxide) 전극 등이 있는데, 본 연구에서는 산업현장에서 가장 많이 이용되고 있으며, 비교적 높은 전류밀도를 인가하여 운전되고 있는 전극이 이리듐 전극이므로 이리듐 전극(IrO₂/Ti)을 실험대상으로 하였다.
본 연구에서는 중간층 형성여부와 수명과의 상관관계를 평가하기 위하여 6종류의 이리듐 전극(IrO₂/Ti)을 제작하고 이에 대한 수명평가를 실시하였다. 동일한 조건으로 3차례에 걸쳐 실험을 진행하였으며, 그 결과는 Table 5에 정리하였다.

가설 설정

Arc plasma 세정을 실시하고 도포법으로 중간층을 형성한 전극은 산 세정 후 도포법으로 중간층을 형성한 전극에 비하여 12%의 수명이 향상되었고, arc plasma 세정을 실시하고 스퍼터링법으로 중간층을 형성한 전극은 산 세정 후 스퍼터링법으로 중간층을 형성한 전극에 비하여 30%의 수명이 향상되어 같은 세정 조건에서는 스퍼터링법으로 중간층을 형성한 전극의 수명이 더 우수한 것으로 확인되었다. 전해공정에서의 전극의 수명은 기판과 촉매전극층간의 밀착력뿐만 아니라 전해액이 기판에 침투 하는 것에 의해서도 영향을 받는다. 중간층의 형성은 기판과 촉매전극층의 밀착력을 향상시키는 역할뿐만 아니라 전해액이 기판에 침투하는 것을 억제하는 역할도 한다.

제안 방법

기판 세정이 전극의 수명에 미치는 영향을 평가하기 위하여 세정방법을 달리한 3종류의 기판을 사용하여 중간층은 형성하지 아니한 채 앞선 실험과 동일한 방법으로 이리듐 전극(IrO2/Ti)을 제작하여 이들에 대한 수명평가를 실시하였다. 동일한 조건으로 3차례에 걸쳐 실험을 진행하였으며, 그 결과는 Table 4에 정리하였다.
불용성 전극의 제조공정에 있어 전처리 방법이 전극의 수명에 어떠한 영향을 미치는지를 알아보기 위하여 전처리 방법을 달리한 전극을 제작하고, 이들에 대한 수명평가를 실시한 결과 다음과 같은 결과를 얻었다.
중간층 형성 여부와 수명과의 상관관계를 평가하기 위하여 앞선 실험과 동일한 방법으로 세정공정을 처리한 3종류의 기판을 준비하였다. 이렇게 준비된 3종류의 시편에 대하여 도포법(습식코팅)으로 Ta₂O₅를 중간층으로 형성한 후 앞선 실험과 동일한 방법으로 제작된 이리듐 전극(IrO₂/Ti) 3종류와, 스퍼터링법(건식코팅)으로 Ta-Ti (60 : 40 wt%)합금을 중간층으로 형성한 후 앞선 실험과 동일한 방법으로 제작된 이리듐 전극(IrO₂/Ti) 3종류 등 모두 6종류의 전극에 대한 수명평가를 실시하였다. 중간층은 도포법이나 스퍼터링법 모두 2 µm를 코팅하였다.
기판표면 조도와 수명과의 상관관계를 평가하기 위하여① 샌드 블라스팅 처리를 하지 않은 시편, ② #16알루미나 (동광연마, Brown Aluminum Oxide, 입도 1,400~1,180 µm) 샌드 블라스팅 처리 시편, ③ #80알루미나(212~180 µm) 샌드 블라스팅 처리 시편, ④ #150알루미나(106~75 µm) 샌드 블라스팅 처리 시편 등 4종류의 티타늄 기판을 준비하였다. 이렇게 준비된 기판을 압축공기를 이용하여 기판 표면의 이물질을 제거하고, 아세톤 용액에서 10분간 초음파 처리한 후 알코올 용액에서 20분간 초음파 처리를 하고, 다른 세정 처리나 중간층 형성은 하지 아니한 채 이리듐의 양을 10g/m² 코팅한 이리듐 전극(IrO₂/Ti)을 제작하여 이들에 대한 수명평가를 실시하였다.

대상 데이터

가속수명평가는 Fig. 2에서 보는 바와 같이 여러 개의 시편에 대한 수명평가를 동시에 진행할 수 있는 다채널 가속 수명평가장치를 사용하였다. 본 연구에 사용된 다채널 가속수명평가장치는 각 셀의 운전접압이 실시간으로 저장되도록 제작한 것이다.
기판표면 조도와 수명과의 상관관계를 평가하기 위하여① 샌드 블라스팅 처리를 하지 않은 시편, ② #16알루미나 (동광연마, Brown Aluminum Oxide, 입도 1,400~1,180 µm) 샌드 블라스팅 처리 시편, ③ #80알루미나(212~180 µm) 샌드 블라스팅 처리 시편, ④ #150알루미나(106~75 µm) 샌드 블라스팅 처리 시편 등 4종류의 티타늄 기판을 준비하였다. 이렇게 준비된 기판을 압축공기를 이용하여 기판 표면의 이물질을 제거하고, 아세톤 용액에서 10분간 초음파 처리한 후 알코올 용액에서 20분간 초음파 처리를 하고, 다른 세정 처리나 중간층 형성은 하지 아니한 채 이리듐의 양을 10g/m² 코팅한 이리듐 전극(IrO₂/Ti)을 제작하여 이들에 대한 수명평가를 실시하였다.
본 연구는 불용성 전극 제조를 위한 전처리 공정의 세부적인 처리 방법을 달리한 전극을 제조하고, 그에 대한 수명평가를 실시하여 불용성 전극 제조를 위한 전처리 공정의 세부적인 처리방법이 전극의 수명에 미치는 영향에 대하여 고찰하였다. 불용성 전극에는 이리듐 전극(IrO₂/Ti), 루테늄 전극(RuO₂/Ti), 복합금속산화물(MMO, Mixed Metal Oxide) 전극 등이 있는데, 본 연구에서는 산업현장에서 가장 많이 이용되고 있으며, 비교적 높은 전류밀도를 인가하여 운전되고 있는 전극이 이리듐 전극이므로 이리듐 전극(IrO₂/Ti)을 실험대상으로 하였다.
실험대상 불용성 전극은 이리듐 전극(IrO₂/Ti)으로 하였 으며, ① 기판표면에 대한 조도 부여 ② 샌드 블라스트 미디어의 입자 크기, ③ 샌드 블라스팅 처리 후 산 세정 또는 ④ arc plasma를 이용한 기판 세정, ⑤ 중간층 형성 등의 변수를 달리한 시편에 대해 가속수명평가장치를 이용하여 전극의 수명을 측정하였다. 환원전극은 모든 시편에 대하여 티타늄 메쉬를 사용하였다.

이론/모형

불용성 전극의 수명은 사용 환경에 따라 수개월~수년에 이르기 때문에 실제 사용 환경보다 가혹한 운전조건에서 수명을 평가하는 가속수명평가(ALT, Accelerated Life Test)법을 사용하였다. 선행연구에 따르면 불용성 전극에 대한 가속수명평가는 황산용액 등의 전해질 용액에 전극을 설치하고 전류를 인가하여 초기전압보다 운전전압이 5~10 V 상승하면 전극의 수명이 다한 것으로 평가하는 방안이 제시 되어 있다.

성능/효과

1) 불용성 전극을 제조함에 있어 #80알루미나를 이용하여 기판표면에 조도를 부여하고, arc plasma를 이용하여 기판을 세정한 후 스퍼터링법으로 중간층을 형성하는 방법이 불용성 전극의 수명 측면에서 가장 우수한 것으로 확인되었다.
2) 샌드 블라스팅 방법을 이용하여 기판에 조도를 부여한 전극의 수명이 샌드 블라스팅 처리를 하지 아니한 전극에 비해 19%~31% 수명이 향상되는 결과가 나타났다.
3) 샌드 블라스팅 처리를 함에 있어 샌드 블라스트 미디어는 #80알루미나(입도 212~180 µm)를 사용할 때 수명이 가장 향상되는 것으로 나타났다.
4) 기판을 샌드 블라스팅 처리한 후 기판을 세정함에 있어 아세톤과 알코올을 이용한 초음파 세정에 비하여 산 세정을 실시하는 경우에 30%의 수명이 향상되며, arc plasma 를 이용한 세정을 실시하는 경우에는 37%의 수명이 향상되는 것으로 나타났다.
5) Arc plasma를 이용하여 세정을 실시하면 기판 청정효과와 더불어 기판에 미세조도가 추가적으로 형성됨으로써 전극의 수명이 더욱 향상되는 것으로 나타났는데 이는 arc plasma의 특성에 기인한 것으로 사료된다.
6) 중간층을 형성한 전극이 중간층을 형성하지 아니한 전극에 비하여 수명이 16%~47% 향상되는 것으로 나타났다.
7) 중간층을 형성함에 있어 같은 세정조건에서는 도포법으로 중간층을 형성하는 것보다 스퍼터링법으로 중간층을 형성하는 것이 12~30% 수명이 향상되는 것으로 나타났다.
실험결과 도포법으로 중간층을 형성한 전극은 중간층을 형성하지 아니한 전극에 비하여 16%~27%의 수명이 향상되었고, 스퍼터링법으로 중간층으로 형성한 전극은 19%~47%의 수명이 향상되었다. Arc plasma 세정을 실시하고 도포법으로 중간층을 형성한 전극은 산 세정 후 도포법으로 중간층을 형성한 전극에 비하여 12%의 수명이 향상되었고, arc plasma 세정을 실시하고 스퍼터링법으로 중간층을 형성한 전극은 산 세정 후 스퍼터링법으로 중간층을 형성한 전극에 비하여 30%의 수명이 향상되어 같은 세정 조건에서는 스퍼터링법으로 중간층을 형성한 전극의 수명이 더 우수한 것으로 확인되었다. 전해공정에서의 전극의 수명은 기판과 촉매전극층간의 밀착력뿐만 아니라 전해액이 기판에 침투 하는 것에 의해서도 영향을 받는다.
실험결과 도포법으로 중간층을 형성한 전극은 중간층을 형성하지 아니한 전극에 비하여 16%~27%의 수명이 향상되었고, 스퍼터링법으로 중간층으로 형성한 전극은 19%~47%의 수명이 향상되었다. Arc plasma 세정을 실시하고 도포법으로 중간층을 형성한 전극은 산 세정 후 도포법으로 중간층을 형성한 전극에 비하여 12%의 수명이 향상되었고, arc plasma 세정을 실시하고 스퍼터링법으로 중간층을 형성한 전극은 산 세정 후 스퍼터링법으로 중간층을 형성한 전극에 비하여 30%의 수명이 향상되어 같은 세정 조건에서는 스퍼터링법으로 중간층을 형성한 전극의 수명이 더 우수한 것으로 확인되었다.
실험결과 산 세정이나 arc plasma를 이용하여 기판 세정 과정을 거친 전극의 수명이 30% 이상 우수한 것으로 확인되었다. 특히 arc plasma를 이용하여 기판 세정 과정을 거친 전극은 단순히 초음파 처리만 실시한 전극에 비하여 37%의 수명향상을 보였는데, 이는 arc plasma의 특성에 기인한 것으로 판단된다.
동일한 조건으로 3차례에 걸쳐 수명평가를 진행하였으며, 그 결과는 Table 3에 정리하였다. 실험결과 샌드 블라스팅 처리를 하지 않은 전극보다 샌드 블라스팅 처리를 한 전극의 수명이 20~32% 우수한 것으로 확인되었다. 이와 같은 결과는 기판의 표면에 조도를 부여하는 것이 기판과 코팅층 간의 밀착력 향상에 도움이 된다는 선행연구 결과와 일치하는 것이다.
종합적으로 살펴보면 가장 수명이 우수한 전극은 arc plasma 세정-스퍼터링법 중간층 형성의 조합이었다. 이와 같은 결과는 크게 네 가지 이유에서 기인한 것으로 판단된다.

후속연구

/Ti)이나 복합금속산화물전극 등 다른 물질계의 불용성 전극에 대하여는 추가적인 연구가 필요한 것으로 사료된다. 또한 불용성 전극의 사용 환경 즉, 해수전해, 도금, 폐수처리, 정수처리등 다양한 전해액 분위기에 있어서의 상관관계에 대해서도 추가적인 연구가 필요한 것으로 사료된다.
본 연구는 이리듐 전극(IrO₂/Ti)을 대상으로 전해액을 H₂SO₄로 한정하여 실험한 것으로서 루테늄 전극(RuO₂/Ti)이나 복합금속산화물전극 등 다른 물질계의 불용성 전극에 대하여는 추가적인 연구가 필요한 것으로 사료된다. 또한 불용성 전극의 사용 환경 즉, 해수전해, 도금, 폐수처리, 정수처리등 다양한 전해액 분위기에 있어서의 상관관계에 대해서도 추가적인 연구가 필요한 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	수처리 기술은 어떠한 공정 중심으로 이루어져 왔는가?	수처리 기술은 주로 물리화학적 공정 및 생물학적 공정을 중심으로 이루어져 왔다. 물리화학적 공정은 화학약품 사용, 다량의 슬러지 발생 등 2차오염의 문제와 설비투자비용이 과다하다는 문제점이 있고, 생물학적 공정은 2차오염의 문제는 어느 정도 감소하나 난분해성 물질의 제거에는 한계가 있는 문제점이 있는 것으로 알려져 있다.
	물리화학적 공정의 문제점은 무엇인가?	수처리 기술은 주로 물리화학적 공정 및 생물학적 공정을 중심으로 이루어져 왔다. 물리화학적 공정은 화학약품 사용, 다량의 슬러지 발생 등 2차오염의 문제와 설비투자비용이 과다하다는 문제점이 있고, 생물학적 공정은 2차오염의 문제는 어느 정도 감소하나 난분해성 물질의 제거에는 한계가 있는 문제점이 있는 것으로 알려져 있다.1)
	전기화학적 처리공정 중 가용성 전극을 사용하는 방법은 무엇인가?	전기화학적 처리공정은 전극을 사용하여 처리 대상수에 대한 산화, 환원, 분해, 석출 등의 반응을 이용하는 것으로서 가용성 전극을 사용하는 방법과 불용성 전극을 사용 하는 방법으로 구분할 수 있다. 가용성 전극을 사용하는 경우에는 가용성 전극에서 용출된 금속이온과 처리대상 물질이 전기적으로 결합하여 응집되거나, 용출된 금속이온이 금속수산화물을 형성하고 여기에 처리대상 물질이 흡착되는 반응을 이용하는 것이다.2) 불용성 전극을 이용한 처리공정은 전극을 매개체로 한 반응에 의해 처리대상 물질을 제거 하는 방법이다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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