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 연구는 유기물 분해율이 높고 수명이 긴 3성분계 전극 제조를 위한 각 성분의 최적 성분비율을 결정하기 위하여 혼합물의 구성 성분을 결합하여 실험을 수행하는 혼합물 실험계획법(DOME, Design of mixture experiments) 중 인자의 수가 많다고 판단될 때 중요한 인자만을 선별하고 싶은 경우에 사용하도록 계획한 실험계획법인 심플렉스 선별계획법을 이용하여 Ru, Ti, Ir 3성분으로 이루어진 전극의 최적 비율을 선정하고자 하였다.
제안 방법
- 3성분의 최적 혼합비율을 결정하기 위하여 ‘Optimization’에서 Ru, Ti, Ir 전극 성분의 비율의 범위를 설정하였다, 각 성분의 비율은 100%를 넘을 수 없으므로 ‘In range’로 선택하고, 반응변수인 RNO 분해율이 최대가 목표이므로 RNO 분해율을 ‘Maximize’로 선택하였다.
- RNO 농도는 UV-VIS spectrophotometer (Genesis 5, Spectronic)를 사용하여 최대 흡수파장인 440 nm에서 흡광도를 측정하여 미리 만들어진 검량선을 이용하여 농도를 계산하였다.
- RNO 분해실험에 사용할 반응기는 아크릴을 이용하여 회분식으로 제작하였다. 30 x 50 mm의 메시형 전극을 반응 부피가 2 L인 반응기에 투입하여 실험하였다.
- 염산과 황산을 1:1 혼합한 산 6 M 용액에 Ti 판을 투입한 후 50~60℃에서 1시간 에칭하여 잔류 그리트 제거와 표면의 활성화를 실시하고, 3차 증류수로 5분간 초음파 세척하고 건조하였다. RuCl3 hydrate, Titanium(4) tetrabutoxide (Ti[O(H)23 XH34]) 및 IrCl3 hydrate를 Ru, Ti, Ir mol비를 기준으로 무게를 재고 10% 농염산(35%)과 부탄올이 1:1로 혼합된 용액 50 mL에 넣고 교반기로 48시간 혼합하였다. 용액을 건조된 Ti 판에 붓으로 도포하고 80℃로 유지되는 건조기에서 5분 동안 건조시켜 용매를 증발시킨 뒤, 350℃로 유지되는 전기로에서 5분 동안 소성시킨 뒤 상온으로 냉각시켰다.
- 심플렉스 선별계획을 이용하여 총 12회의 실험점을 구성한 후 실험점에 따른 전극 비율에 따라 전극을 제조하고 실험에서 측정한 RNO 분해율(%)을 Table 1에 나타내었다. 혼합물 반응표면분석을 위하여 실험을 실시한 후 설계 분석에서 ‘Fit summary’를 수행한 결과 2차 모형인 ‘Quadratic’ 모형을 추천하였다.
- Ti 판을 에탄올로 5분간 초음파 세척한 후, 3차 증류수로 5분간 초음파 세척하고 상온에서 건조하였다. 염산과 황산을 1:1 혼합한 산 6 M 용액에 Ti 판을 투입한 후 50~60℃에서 1시간 에칭하여 잔류 그리트 제거와 표면의 활성화를 실시하고, 3차 증류수로 5분간 초음파 세척하고 건조하였다. RuCl3 hydrate, Titanium(4) tetrabutoxide (Ti[O(H)23 XH34]) 및 IrCl3 hydrate를 Ru, Ti, Ir mol비를 기준으로 무게를 재고 10% 농염산(35%)과 부탄올이 1:1로 혼합된 용액 50 mL에 넣고 교반기로 48시간 혼합하였다.
- 유기물 분해율이 우수한 3성분 계 전극을 제조하기 위하여 혼합물 실험계획법 중 인자의 수가 많다고 판단될 때 중요한 인자만을 선별하고 싶은 경우에 사용할 수 있는 심플렉스 선별계획을 이용하여 ·OH 생성지표인 RNO 분해율이 우수한 Ru, Ti, Ir로 구성된 3성분계 전극의 최적 혼합비 비율에 대해 고찰하여 다음의 결과를 얻었다.
- 용액을 건조된 Ti 판에 붓으로 도포하고 80℃로 유지되는 건조기에서 5분 동안 건조시켜 용매를 증발시킨 뒤, 350℃로 유지되는 전기로에서 5분 동안 소성시킨 뒤 상온으로 냉각시켰다. 이 과정을 10회 반복하고 최종적으로 500℃로 유지되는 전기로에서 1시간동안 소성시켜 전극을 제조하였다(Park, 2016). 각 성분 분율의 합은 1.
- 직류 전원공급기 (Hyunsung E&E, 50 V 20 A)를 이용하여 전극에 전원을 공급하였으며, 전해질인 NaCl은 1 g/L의 농도로 투입하였고, 전극에 인가하는 전류는 1.4 A이었다.
- 혼합물 반응표면분석을 위하여 실험을 실시한 후 설계 분석에서 ‘Fit summary’를 수행한 결과 2차 모형인 ‘Quadratic’ 모형을 추천하였다.
대상 데이터
- 두께가 1 mm, 30 x 50 mm 크기의 메시형 Ti 판을 아세톤 용액이 들어 있는 초음파 세척기에 투입하고 30분 동안 세척하여 기름 성분을 제거하였다. Ti 판을 에탄올로 5분간 초음파 세척한 후, 3차 증류수로 5분간 초음파 세척하고 상온에서 건조하였다.
- 새로운 전극을 개발하기 위하여 다양한 전극 성분 중에서 염소발생 과전압이 낮고 산소발생 과전압을 조절할 수 있다는 장점이 있어 오염물질 제거 성능이 우수하지만 수명이 짧은 것으로 알려진 Ru (Kim et al., 2002; Lee, 2005), 성분 중에서 수명이 길고, 염소나 산소의 생산에 많이 사용되고 있는 Ir (Kim et al., 2002), 전극의 바탕 금속으로 사용되고 전극 산화물의 안정제나 조절제로 사용하는 Ti (Kim and Shin, 2001)을 3성분계 전극성분으로 선정하였다. 본 연구는 유기물 분해율이 높고 수명이 긴 3성분계 전극 제조를 위한 각 성분의 최적 성분비율을 결정하기 위하여 혼합물의 구성 성분을 결합하여 실험을 수행하는 혼합물 실험계획법(DOME, Design of mixture experiments) 중 인자의 수가 많다고 판단될 때 중요한 인자만을 선별하고 싶은 경우에 사용하도록 계획한 실험계획법인 심플렉스 선별계획법을 이용하여 Ru, Ti, Ir 3성분으로 이루어진 전극의 최적 비율을 선정하고자 하였다.
- 30 x 50 mm의 메시형 전극을 반응 부피가 2 L인 반응기에 투입하여 실험하였다. 양극은 제조한 Ru-Ti-Ir 전극을 사용하고 음극은 티타늄 전극을 사용하여 실험하였다. 직류 전원공급기 (Hyunsung E&E, 50 V 20 A)를 이용하여 전극에 전원을 공급하였으며, 전해질인 NaCl은 1 g/L의 농도로 투입하였고, 전극에 인가하는 전류는 1.
데이터처리
- 25를 선택하였다. 이후 분산분석(ANOVA, Analysis of variance)를 실시하였다. Table 2에 나타내었듯이 후방 소거 결과 이차항인 AC항과 ABC항의 p 값이 각각 기준으로 정한 값인 0.
성능/효과
- 1) 12개의 실험점에서 실험을 실시하고 혼합물 설계 분석을 수행한 결과 2차 모형인 ‘Quadratic’ 모형을 추천하였다.
- 3) 수치 최적화’를 이용하여 반응변수 RBO 분해율에 대한 ‘Desirability’ d를 크게 하는 최적조건을 찾은 결과 d 값이 1인 것은 20개로 나타났으며, 최적의 값으로 선택된 값은 Ru 0.100, Ti 0.200, Ir 0.700(d 값, 1)이었고, 얻을 수 있는 최대 RNO 분해율은 74.79%인 것으로 나타났다.
- ‘Desirability’ d를 크게 하는 최적조건을 찾기 위해‘Solutions’를 실행하여 21개의 d 값을 얻었다. d 값이 1인 것은 20개로 나타났으며, 최적의 값으로 선택된 값은 Ru 0.100, Ti 0.200, Ir 0.700(d 값, 1)이었고, 얻을 수 있는 최대 RNO 분해율은 74.79%인 것으로 나타났다.
- 4(a)에 혼합물 실험공간인 2차원 심플렉스 공간에서의 등고선 그림을 그렸다. 등고선 모양은 올라가는 능선 형태로 나타났으며, RNO 분해율이 최대가 되는 지점은 오른쪽 하단의 붉은 색 영역인 것으로 나타났다. Fig.
- 수치 최적화에서 얻은 최적 조건인 Ru = 0.100, Ti =0.200, Ir = 0.700인 조건에서 추가 실험을 실시하여 RNO 분해율이 95% PI low 값인 59.88%와 95% PI high 값인 89.71% 사이에 속하면 재현성이 있다고 판정 된다. 최적 조건의 혼합비율로 2차, 3차 제조한 전극으로 RNO 분해율을 측정한 결과 각각 73.
- 오차항을 제외한 후의 식의 R2 값은 0.9374로 회귀적합 결과는 충분한 설명력을 가지며, ‘적합성결여’(Lack of fit) p값을 구한 결과 0.4609으로 나타나 유의성 판정 기준인 0.05보다 높게 나타나 회귀모형이 적절한 것으로 판단되었다.
- 3에 실제 측정한 RNO 분해율과 식(1)을 이용하여 예측한 RNO 분해율을 나타내었다. 중간의 실측값과 예측값이 일치하는 선 중심선에서 크게 벗어나는 점들이 존재하지 않아 비교적 실측치와 예측치가 잘 일치하는 것으로 판단되었다.
- 71% 사이에 속하면 재현성이 있다고 판정 된다. 최적 조건의 혼합비율로 2차, 3차 제조한 전극으로 RNO 분해율을 측정한 결과 각각 73.5%와 74.5%로 나타나 재현성이 있는 것으로 나타났다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.