[논문]촉매성 산화물 전극 (DSA, Dimensionally Stable Anode)의 가속수명 테스트 방법과 장치에 관한 기초 연구

김동석; 박영식

doi:10.5322/jesi.2018.27.6.467

촉매성 산화물 전극 (DSA, Dimensionally Stable Anode)의 가속수명 테스트 방법과 장치에 관한 기초 연구
A Basic Study on Accelerated Life Test Method and Device of DSA (Dimensionally Stable Anode) Electrode 원문보기

Journal of environmental science international = 한국환경과학회지, v.27 no.6, 2018년, pp.467 - 475

김동석 (대구가톨릭대학교 환경과학과) , 박영식 (대구대학교 창조융합학부)

Abstract ▼ AI-Helper

The lifetime of the electrode is one of the most important factors on the stability of the electrode. Since the lifetime of the DSA (Dimensionally stable anode) electrode is long, an accelerated lifetime test is required to reduce the test time. Beacuse there is no basis or standard method for accelerated lifetime testing, many researchers use different methods. Therefore, there is a need for basis and methods for accelerated lifetime testing that other researchers can follow. We designed a reactor system for accelerated lifetime testing and planned specific methods. Reactor system was circulating batch reactor. Reactor volume and cooling water tank were 12.5 L and 100 L, respectively. Electrode size was $2cm{\times}3cm$ (real electrolysis area, $5cm^2$). In order to maintain the harsh conditions, accelerated lifetime test was carried out in a high current density ($0.6A/cm^2$) and low electrolyte concentration (NaCl, 0.068 mol/L). Maintaining a constant temperature was an important operation parameter for exact accelerated lifetime test. As the accelerated lifetime test progressed, the active component of electrode surface was consumed and desorption occurred. At the point of 5 V rise, corrosion of the surface of the base material(titanium) also started.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

그러므로 본 연구에서는 여러 문헌에서 간단하게 제시된 DSA 전극의 가속수명 테스트법을 확립하기 위하여 가속수명 테스트를 위한 실질적인 반응기 시스템과 테스트 방법을 제시하고자 하였다.

제안 방법

DSA 전극의 수명을 평가하기 위한 가속수명 테스트의 조건은 연구자마다 다르고 실험장치 및 조건에 대한 내용이 자세하게 소개되지 않아 연구자가 전극을 개발한 후 수명을 테스트하기가 어렵다. 따라서 전극 가속수명 테스트에 대한 실험 조건과 장치에 대한기초 조건을 확립하기 위한 실험을 수행하여 다음과 같은 조건을 찾았다.
예비 가속수명 테스트는 회분식으로 실시하였으며, 사용한 반응기는 5 L 규모로 10 cm × 10 cm 크기의 메시형 전극을 사용하여 실험하였다(Fig. 1) 전해질로 6 mol/L의 황산 용액을 사용하여 실험을 수행하였다.
2에 나타난 바와 같이 2차로 개선하여 순환 회분식 반응기를 가속수명 테스트에 사용하였다. 예비 테스트에서는 큰 전극을 사용하여 높은 전류에서 실험하였는데, 발열이 높아서 안정적인 테스트가 어려워 전극의 크기를 예비 테스트보다 20배 줄여서 실험하였다. 전극은 2 cm × 3 cm(실제 전기분해 면적, 5 cm²)크기의 메시형 전극을 사용하였으며, 전원 공급장치의 집게와 연결 부근에서의 과열 현상을 방지하기 위하여 전극 상부에 1 cm × 2 cm 크기의 다리를 가지도록 전극을 제작하여 전극이 수면 위로 올라오게 제작하였다.

대상 데이터

실험에 사용한 양극은 티타늄 표면에 Ru-Ir과 Ru-Pd을 코팅한 전극, 음극은 백금 코팅 전극이었다. 본 연구에서는 편의상 Ru-Ir 전극을 A 전극, Ru-Pd 전극을 B 전극이라고 칭하였다.

성능/효과

1. 전극의 가속수명 테스트는 전극의 크기를 작게 하여 전원 공급장치의 부하를 줄여야 한다. 본 실험에서는 전극을 면적을 5 cm²으로 실험하였다.
2. 또한, 온도가 일정하게 유지되지 않으면 전압이 변화하므로 정확한 전압 상승점을 찾기 어려우므로 온도를 일정하게 유지하는 것이 정확한 가속수명 테스트를 할 수 있는 필요조건이다. 본 실험에서는 순환 회분식 장치와 냉각기를 사용하여 수온을 22±1℃로 일정하게 유지하였다.
3. 전류가 일정한 조건에서 전극에 인가되는 전압이 상승함에 따라 전극활성 성분의 소모 및 활성 성분탈착 등이 발생한 후, 5 V 상승된 시점에서는 모재인 티타늄 표면도 부식이 시작되며 5 V 상승 이후에서는 전극의 부식이 빠르게 진행되는 것으로 나타났다. 또한 전극의 소실은 중앙이 아니라 양쪽 끝에서 시작되는 것으로 나타났다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	전기화학적 처리공정이란?	최근 많이 연구되고 있는 수처리 공정 중 전기화학적 처리공정은 약품을 사용하지 않아 환경 친화성이 있고, 장치와 운전이 간단한 장점이 있는 고도산화공정이다. 전기화학적 처리공정은 용해성 전극이 용해되어 응집제로 작용하여 오염물질을 응집·침전시키는 전기응집 공정, 스테인리스 스틸, 티타늄 표면에 주로백금족 원소를 코팅한 촉매성 산화물 전극(DSA, Dimensionally Stable Anode) 등의 불용성 전극을 이용하여 물을 전기분해할 때 발생하는 산소와 수소 기포로 부유물질을 부상시키는 전기부상 공정과 오염물질을 수중에서 산화시키는 전기산화 공정으로 나눌 수 있다(Jüttner et al.
	Accelerated Lifetime Test란 무엇인가?	DSA 전극은 수명이 짧게는 수백 시간에서 수년에 이르기 때문에, 전극 수명 테스트의 경우 테스트 시간을 줄이기 위하여 실제 전기분해 반응보다 가혹한 조건에서 운전하는 것이 대부분이며, 이를 가속수명 테스트(ALT, Accelerated Lifetime Test)라고 한다. 가속수명 테스트는 황산이나 NaCl 용액 등의 전해질 용액 중에 전기분해를 실시하여 초기 전압에 대해 최종 전압이 5 V ~ 10 V 증가할 때 전극의 수명이 다한 것으로 평가한다(Yi et al., 2007).
	전기화학적 처리공정에는 어떤 공정이 포함되는가?	최근 많이 연구되고 있는 수처리 공정 중 전기화학적 처리공정은 약품을 사용하지 않아 환경 친화성이 있고, 장치와 운전이 간단한 장점이 있는 고도산화공정이다. 전기화학적 처리공정은 용해성 전극이 용해되어 응집제로 작용하여 오염물질을 응집·침전시키는 전기응집 공정, 스테인리스 스틸, 티타늄 표면에 주로백금족 원소를 코팅한 촉매성 산화물 전극(DSA, Dimensionally Stable Anode) 등의 불용성 전극을 이용하여 물을 전기분해할 때 발생하는 산소와 수소 기포로 부유물질을 부상시키는 전기부상 공정과 오염물질을 수중에서 산화시키는 전기산화 공정으로 나눌 수 있다(Jüttner et al., 2000; Kim and Park, 2009).

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