최신 산소 함량 측정 원리: 3D 이온 흐름 산소 분석기

여기에는 구리-암모니아 용액 흡수법, 연료 전지법, 상자성법, 지르코니아 농축 전위법 및 레이저법이 포함됩니다. 각 방법의 원리, 장점 및 단점은 다음과 같습니다.

구리-암모니아 용액은 포화 염화암모늄 용액과 암모니아수를 1:1의 부피비로 혼합한 용액에 나선형 구리선을 넣어 제조합니다. 산소를 함유한 기체 시료를 구리-암모니아 용액이 담긴 흡수병에 통과시키면, 암모니아 존재 하에 시료 속의 산소가 구리를 산화시켜 산화구리(CuO)와 산화아연(Cu₂O)을 생성합니다. 반응식은 다음과 같습니다.

생성된 산화구리와 산화아연은 ​​각각 암모니아수 및 염화암모늄과 반응하여 용해성 구리염(Cu(NH3)2Cl2)과 아산화아연염(Cu2(NH3)2Cl2)을 생성합니다. 아산화아연염은 산소를 흡수하여 구리염으로 변환되고, 아산화아연염은 구리에 의해 다시 아산화아연염으로 환원됩니다. 이 과정은 기체 내의 산소가 완전히 소모될 때까지 계속됩니다. 기체 부피 감소량을 통해 기체 내 산소 함량(부피 백분율 농도)을 측정할 수 있습니다.

이는 산소 함량 측정의 고전적인 방법으로, 저렴한 비용으로 널리 사용되는 측정 방식입니다. 많은 가스 실험실과 시험 기관에서 여전히 사용되고 있지만, 일반적으로 산소 함량이 99.9% 미만인 가스 시료에만 적용 가능합니다. 단점으로는 용액 제조 및 구리선 감기 작업이 필요하여 다소 번거롭고, 전체 측정 과정이 수동으로 이루어져 온라인 연속 분석에 적합하지 않으며, 시료 가스에 다른 산화성 가스가 존재할 경우 측정 결과에 영향을 미칠 수 있다는 점입니다. 또한, 흡수 장치 전체가 유리로 구성되어 있어 파손 위험이 높습니다.

>> 연료 전지 방식

연료 전지는 일반적으로 불활성 금속 전극(음극), 납(또는 흑연) 전극(양극), 그리고 전해질(산성 및 알칼리성 유형이 있음)로 구성됩니다. 음극과 양극은 각각 전극 리드 역할을 하는 금속판에 연결됩니다. 전해질은 음극의 수많은 원형 구멍을 통해 흘러나와 음극 표면에 얇은 전해질 층을 형성합니다. 이 얇은 전해질 층 위에는 기체 투과성 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 막이 덮여 있습니다. 기체 시료는 투과성 막을 통과하여 음극으로 들어가고, 여기서 산소가 전해질과 반응합니다. 생성된 OH⁻ 이온은 전기장의 작용으로 양극으로 이동하여 양극에서 전자를 잃고 물을 생성합니다. 양극 재료로 은을 예로 들면, 화학 반응식은 다음과 같습니다.

은 음극: O2+2H2O+4e→4OH-

납 양극: 2Pb + 4OH- → 2PbO + 2H₂O + 4e⁻

전체 전지 반응: 2Pb + O₂→2 PbO

OH⁻ 이온의 이동으로 발생하는 전류의 세기는 기체 시료의 산소 함량에 비례합니다. 시료의 산소 함량은 연료 전지에서 발생하는 전류를 측정함으로써 구할 수 있습니다.

이 방법의 장점은 연료 전지의 구조가 간단하고 크기가 작으며 응답 속도가 빠르다는 점입니다. 따라서 이 방법을 기반으로 하는 산소 분석기는 휴대성이 뛰어나고 가격도 비교적 저렴합니다. 그러나 연료 전지는 소모성 검출기로, 수명은 센서를 통과하는 누적 산소량에 따라 달라집니다. 측정 과정에서 양극 전극은 화학 반응을 통해 지속적으로 소모되며, 전극이 완전히 소모되면 연료 전지는 고장으로 교체해야 합니다. 특히 산소 함량이 90% 이상인 가스 시료를 측정할 경우 월간 오차가 1%를 초과할 수 있습니다. 또한 알칼리성 전해질을 사용하는 연료 전지는 산성 가스의 산소 함량 분석에 적합하지 않고, 산성 전해질을 사용하는 연료 전지는 알칼리성 가스 측정에 적합하지 않다는 점에 유의해야 합니다.

>> 상자성 방식 (기계식 자석식 자석을 예로 들어 설명)

산소 측정에 사용되는 상자성법은 산소가 상자성 물질이며 20℃에서 부피 자기 감수율이 k=1062×10⁻⁶(CGSM)에 달한다는 성질에 기반합니다. 다른 기체(NO 제외)의 부피 자기 감수율은 산소보다 훨씬 낮습니다. 따라서 상자성법은 오랫동안 산소 함량 분석에 가장 효과적인 방법 중 하나로 사용되어 왔습니다.

자기기계식 산소 분석기는 상자성법을 이용한 산소 함량 분석의 대표적인 장비 중 하나입니다. 백금선이 구형 입자 주위에 감겨 전기적 피드백 루프를 형성합니다. 이 구형 입자들은 자기장 내에 매달려 있으며, 중심에는 작은 반사판이 장착되어 있습니다. 장비에 내장된 광원에서 방출된 빛은 반사판에 반사되어 감광성 소자로 구성된 광검출기에 도달합니다. 아령 모양의 구형 입자 주위에 산소 분자가 존재하면, 자기장의 영향으로 이동하여 입자를 휘게 합니다. 산소 농도가 높을수록 휘어지는 각도가 커집니다.

이 편향은 반사판을 움직여 광검출기로 향하는 빛의 경로 또한 편향되게 합니다. 광검출기는 이 편향을 감지하여 전기 신호를 생성합니다. 이 신호는 증폭기를 거쳐 피드백 회로를 통과하여 폐쇄 루프를 형성하고, 자기장의 영향으로 아령을 원래의 평형 위치로 되돌립니다. 이 루프에 흐르는 전류는 산소 함량에 비례합니다. 따라서 이 전류 값을 측정함으로써 기체 시료의 산소 함량을 구할 수 있습니다.

동시에 이쪽 전극은 양전하를 띠게 되어 산소 농도 전지의 양극 또는 애노드 역할을 합니다. 산소 이온은 지르코니아 결정 격자의 빈자리를 통해 산소 함량이 낮은 반대쪽으로 이동하여 백금 전극에서 전자를 잃고 산소 분자를 형성합니다. 즉,

한편, 이 전극은 음전하를 띠게 되어 산소 농도 전지의 음극 또는 캐소드 역할을 합니다. 두 전극에 양전하와 음전하가 축적되어 특정한 전위가 발생합니다. 이 전위는 지르코니아 양쪽의 기체 산소 함량과 상관관계가 있으며 네른스트 방정식을 따릅니다.

E: 산소 농도 전위(mV);

R: 기체 상수, 8.3145 J/mol·K;

T: 지르코니아 프로브의 작동 온도(절대 온도(K)로 표시) = 273.15 + t (°C);

n: 반응에 참여하는 전자 수; 산소의 경우 n = 4;

F: 패러데이 상수, 96485.3365 (C/mol);

P0: 기준 가스 내 산소의 부분 압력;

P1: 시료 가스 내 산소의 부분 압력.

이 방정식은 지르코니아 농도 전지법을 이용하여 기체 중 산소 함량을 측정하는 기본 공식입니다. 실제 측정에서는 지르코니아 튜브를 600~1400℃로 가열합니다. 지르코니아 튜브의 기준측에는 산소 함량이 비교적 높은 공기(P0=20.6%)와 같은 기체를 기준 기체로 주입하고, 반대쪽에는 측정 대상 기체를 주입합니다. 농도 전지의 전위 E와 지르코니아 프로브의 절대 온도를 측정하여 측정 대상 기체의 산소 분압(P1)을 계산하고, 이를 통해 시료 기체의 산소 농도를 구할 수 있습니다.

이 방법의 장점으로는 높은 감도, 빠른 응답 시간, 넓은 선형 범위, 우수한 재현성 및 안정성을 들 수 있습니다. 자기 산소 측정법을 사용하는 분석기와 비교했을 때, 지르코니아 산소 분석기는 내부 구조가 더 간단하며, 온도나 진동과 같은 외부 환경 조건의 영향을 거의 받지 않고, 사후 유지 보수도 거의 필요하지 않습니다. 그러나 명백한 단점도 있습니다. 전자는 비교적 높은 온도에서만 지르코니아 소재를 통과할 수 있으므로, 지르코니아 튜브를 가열하기 위한 가열로가 필수적이며, 이로 인해 기기가 정상 작동하기까지 예열 시간이 오래 걸립니다. 또한, 산소 농도를 측정할 때 시료 가스에 환원성 가스가 존재하면 지르코니아법은 측정값의 낮음을 유발할 수 있습니다. 따라서 환원성 물질이나 환원성 가스의 농도가 높은 가스 시료의 산소 농도 측정에는 적합하지 않습니다. 특히 환원성 가스가 측정값에 미치는 영향을 신중하게 고려해야 하는 ppm 수준의 가스 시료 측정 시에는 이러한 점이 더욱 중요합니다. 또한, 시료 가스의 산소 농도가 공기의 산소 농도(20.6%)를 초과할 경우, 양의 전위차를 확보하기 위해 더 높은 농도의 가스를 기준 가스로 사용해야 할 뿐만 아니라 지르코니아 검출 셀을 개조해야 하므로 장비 비용이 크게 증가합니다.

레이저 산소 측정법은 산소 분자가 특정 파장의 레이저 광을 흡수하는 성질을 이용합니다. 기기 내부에서 레이저 다이오드는 일정한 파장과 알려진 광도를 가진 레이저 빔을 생성합니다. 이 빔은 측정 대상 기체 시료가 채워진 측정 셀로 들어갑니다. 측정 셀 양쪽에 있는 두 개의 반사판 사이에서 여러 번 왕복하면서 빛의 일부는 기체 시료에 포함된 산소에 흡수됩니다. 나머지 빛은 반사되어 집광기로 모입니다.

비어의 법칙에 따르면, 흡수된 빛의 강도와 원래 빛의 강도의 비율은 기체 시료의 산소 함량에 비례합니다.

방정식에서

I0: 초기 광도;

I: 기체 시료 내 산소에 흡수된 후 남은 빛의 강도;

S: 특정 파장의 레이저에 대한 산소의 흡수 상수;

L: 광경로 길이;

N: 광경로를 따라 존재하는 산소 분자의 수로, 시료 가스 내 산소 함량과 관련이 있습니다.

따라서 기체 시료의 산소 함량은 초기 광 강도와 흡수 후 광 강도를 측정함으로써 결정할 수 있다. 선택된 레이저 파장이 특정하기 때문에 측정 결과는 다른 기체의 영향을 거의 받지 않는다. 또한, I/I0 비율을 계산에 사용하면 광원 강도, 거울 반사율 및 전기 장치의 변동으로 인한 영향을 사실상 제거할 수 있다. 현재 이 원리를 적용한 국내 제조 장비는 비교적 고가이며 성능 안정성 측면에서 개선이 필요하다.