Transcript 전기전도도

전자 화학의 이론
전기 전도도의 기초
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정의
전기전도도(Conductivity):
교류
용액의 특성으로서 전기를
전도할 수 있는 정도를
표시한다.
저항율(Resistivity):
전기 전도도의 역수
저항율 = 1/전기 전도도
HPW3
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전기 전도도의 측정

용액 중의 전해 물질의 농도를 측정하거나 컨트롤 하기 위하여
사용된다




산
염기
염
측정의 범위
순수, 0.055 μS/cm
 농축 산, 염기 및 염, > 1,000,000 μS/cm


사용되는 기술
전극
 Inductive (유도, 무전극 혹은 Toroidal이라고도 함)

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일반적인 전기 전도도 수치
저항율 범위
100 meg
10 meg
0.01
0.1
1000k
1
초순수
증류수
전기 전도도 범위
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ohms-cm
100k
10k
10
100
원수
1000
1000
0.05%
염화 나트륨
100
10k
해수
10
1
100k
1000k
30%
황산
Microsiemens/cm
전기 전도도의 측정




전기 전도도는 용액중의 모든 전해 물질에 반응한다
전기 전도도는 순수한 용액 중의 특정한 전해 물질의 농도를
측정하는데 사용된다
전기 전도도는 다른 전해 물질이 혼재하는 경우 특정한 전해
물질의 농도를 정하는데 유용하다
전기 전도도 분석기의 일반적인 사용





일반적인 농도의 측정 및 컨트롤.
순수한 용액 및 혼합액의 희석도를 컨트롤한다.
누수 검출
계면 검출
수질
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정의
교류
전기 전도도는 전기 전류를
운반하기 위하여 전하를 띈
입자(이온)가 필요하다
+
-
++
-
HPW4
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++
++
+
+
-
(예: 나트륨 이온, 염소 이온)
측정 단위
Resistance(저항)의 단위는 ohm
Resistivity(저항율)의 단위는Megohms-cm
Conductance의 단위는 mhos
Conductivity(전기 전도도)의 단위는mhos/cm
Siemens는 mhos와 등가의 단위
1. micromhos/cm (mho/cm) = 백만분의 1 mho/cm
또는
microsiemen/cm (mS/cm) = 백만분의 1 siemen/cm
2. millimhos/cm (mmho/cm) = 천분의 1 mho/cm
또는
millisiemen/cm (mS/cm) = 천분의 1 siemen/cm
HPW5
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셀 상수
셀 상수 :
교류
단위 면적의 판이 떨어져 있는
거리의 비로 정의한다
기본 1.0/cm의 셀 상수는:
1.0 cm
d
d
d
d = 1 센티미터
HPW6
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1.0 cm2
=
1.0
cm
어떤 용액의 주어진 전기
전도도에 대하여 분석기가 받는
시그널의 양으로 정한다
셀 상수
Conductance Meter
셀 상수 :
5.00
용액의 전기 전도도와 계기가 읽는
conductance와 관계가 있다.
셀 상수
2.0
교류
Conductance x 셀 상수 =
전기 전도도
용액
전기 전도도
10.00
HPW7
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전기 전도도 계기의 곱수로 사용
되는 인자
셀 상수
셀 상수는 1.0/cm 이상 또는 이하로 변한다.
정확도를 어떤 특정한 범위 내에서 최적화 시킨다.
일반적으로 셀 상수가 클수록 전기 전도도의
범위도 넓어진다.
셀 상수
0.01/cm
셀 상수
0.1/cm
셀 상수
1.0/cm
셀 상수
10.0/cm
20-10μS/cm 50-500μS/cm 500-5000μS/cm
20mS/cm
초순도의
원수
탈이온화
화학 약품
증류수
역삼투
컨트롤
HPW8
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전기 전도도 분석기 및 트랜스미터

접촉식 전기 전도도
전극이 측정하고자 하는
용액에 노출된다.
 지저분하거나 부식성이 있는
흐름에 영향을 받는다.

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
유도식 전기 전도도
전극이 측정하고자 하는
용액에 노출되지 않는다.
 지저분하거나 부식성이 있는
흐름에 상대적으로 영향을
받지 않는다.

전기 전도도의 선택
1,000,000
1.0 Ohm
100,000
1.0% 산
유도식
μS/cm
10,000
1,000
100.0 ppm 산
100
10
접촉식
1
18.3 Meg Ohm
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1.0 ppm 산
토로이달 전기 전도도의 작동 원리






전극이 프로세스의 흐름과 접촉하지 않는다.
두개의 토로이달이 감긴 코일
드라이브 코일은 20Kz이상에 의해 전압이 가해진다.
번갈아서 액체 중에서 교류전류를 유도한다.
용액 중에서 유도된 전류는 두 번째 코일에 의해 수신된다.
용액 중에서 2번째 코일에 유도된 전류는 용액의 전기 전도도에
정비례한다.
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토로이달 전기 전도도 센서의 작동 원리
코일로 전압이 가해짐
드라이브
코일
샘플
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유도된 전류는 샘플의 전기
전도도에 따라 달라짐
픽업 코일
샘플
전기 전도도
토로이달 방식과 접촉식의 비교
토로이달
접촉식

F u ll s c a le 범 위 가 5 0 ,
 s /c m 이 하 인 경 우 :
No – 감 응 이 없 다
Y es – 초 순 수 도 측 정 할 수
있다

프로세스가 오염성이
Yes – 오 염 , 부 식 에 견 디 는
재질을 선택할 수 있다
No – 오 염 에 의 해 영 향 을
많이 받는다
있거나 부식성이 있는
경우:

농축 용액인 경우:
금속 전극은 부식되기 쉽다
Yes – 최 대 의 전 기 전 도 도 를
측정할 수 있다
No – 극 성 화 효 과 가 있 을 수
있다
농축 용액은 대개 오염 및
부식성이 강하다

주요 장점:
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오염 및 부식이 없으므로
낮은 전기 전도도 측정에
유지 보수가 적다.
사용할 수 있다
넓은 범위에 사용할 수 있다
대 개 T o ro id a l 방 식 에 비 해
크기가 작으며 설치가 쉽다
전기 전도도
코팅의 영향
% 시그널
토로이달 센서
100
80
60
접촉식 센서
40
20
0
0
25
50
75
코팅된 센서의 면적 %
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100
코팅 두께의 증가
전기 전도도에 대한 온도의 영향






온도는 전기 전도도 측정에 막대한 영향을 끼치며 대개는 온도 보정을
하게 된다.
개개의 전도도 용액은 고유의 농도와 온도에 대한 곡선을 가지고
있다.
일반적인 온도 기울기 (선형)
— 산:
1.0 에서 1.6% / oC
— 염기:
1.8 에서 2.2% / oC
— 염:
2.2 에서 3.0% / oC
— 천연수:
2.0% / oC
0-5% / oC 온도 기울기 조정은 화학물의 농도를 컨트롤 하는데
있어서 대단히 높은 정확도를 제공한다.(RAII의 경우)
온도 곡선이 농도 측정을 쉽게 하고 더 높은 정확도를 위하여 % 농도
분석기에 입력된다.
낮은 전기 전도도 측정의 경우 (10 microSiemens/cm이하) 정확도를
위하여 특별한 온도 보상이 필요하다.
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황산의 특수한 전기 전도도
전기 전도도
온도는 curve의 모양에 영향을 줌
농도
• 경우에 따라서 % 농도가 전기 전도도보다 많이 사용된다.
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95
85
75
65
55
45
35
25
25 C
60 C
15
5
1.5
1
0.5
0
온도에 따른 온도 계수의 변화
온도 기울기:
1 도C 당 전기 전도도의 변화 %
가성소다
3.50%
온도 변화에 따라 염기의
변화가 더욱 크다
3.00%
2.50%
염화 나트륨
2.00%
1.50%
황산
1.00%
0.50%
0.00%
2
4
6
8
10
퍼센트 농도
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12
14
16
18
20
전기 전도도가 낮은 물의 온도 기울기
26
순
수
24
22
온도 기울기 ( oC 당 % )
20
18
16
0.1 microS/cm
14
12
10
8
6
4
1.0 microS/cm
2
0
0
10
20
30
40
50
온도 oC
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60
70
80
90
100
온도 보정
염성분의 거동과 더불어 순수의 온도 거동을
일반적인 연산으로 표시
(QS - QW)
CT = C25Qs 18.3
CT = 어떤 온도에서의 전기 전도도
C25 = 25 C에서의 전기 전도도
QS = 염의 온도 계수
QW = 순수 계수
순수의 경우 선형성의 온도 보정은 대개 온도 거동을
무시한다.
HPW11
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온도 보정
양이온의 경우 부가적으로 특별한 온도 보정 연산이
필요하다.
H+
Na+
흐름
Na+
OH-
인입수
Mg+
H+-H+
Na+-H+--H+
Mg+수지 알갱이
H+
H+
OH-
H+
H+
인출수
양이온 베드
양이온은 수지 알갱이에 수소 이온을 치환하여
인출수의 산도를 높이게 된다.
양이온 : 양의 전하를 띄는 원자
HPW12
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Conbasic 2015-04-10 22
H+
온도 보정
양이온 0.1킪/cm 와
초순수 0.1 킪/cm와의 관계
0.9
양이온 수는 등가의 순수에
비해 산도가 높다.
따라서 온도 거동이 다르다.
0.8
전기 전도도 (μS)
0.7
양이온
0.6
0.5
초순수
0.4
0.3
0.2
일부 Rosemount 계기는 양이온
온도 보정을 포함 한다.
0.1
0
0
온도 C:
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HPW13
Conbasic 2015-04-10 23
25
50
초순수
75
100
양이온
표준 용액을 이용한 일반적인 전기 전도도의
캘리브레이션
에어로 영점 잡기
알고 있는 표준 용액으로 표준화
하기
캘리브레이션되지 않은 경우
0
영점 잡힌 측정
실제의 전기 전도도
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측정된 전기 전도도
단계 2:
측정된 전기 전도도
단계 1:
캘리브레이션된 스팬
0
영점 잡힌 측정
실제의 전기 전도도
초순수 전기 전도도 측정의 캘리브레이션


초순수에 대하여 표준 전기 전도도 용액으로
캘리브레이션하는 것은 좋지 않다.
매우 낮은 전기 전도도로 표준화 하는 것은 쉽게 오염이 되어
캘리브레이션 오차가 커지게 된다.:
 (1) 리터의 표준 용액은 (1) 마이크로 그램의 소금으로도
오염되어도 전기 전도도는 상승하고 일상적인 알람 레벨을
쉽게 넘는다.
 표준 용액 병의 수두 표면이 대기중의 CO2 에 노출되어도
표준 용액의 전기 전도도를 일반적인 알람 레벨의 몇 배로
상승시킨다.
 해답은 미리 캘리브레이션된 셀을 사용하는 것이다.
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초순수 측정에 대한 전기 전도도 셀의
프리캘리브레이션




프리캘리브레이션은 다음의 관계식에 근거를 둠:
Conductance x 셀 상수 = 전기 전도도
Conductance는 저항의 역이므로 분석기의
conductance측정은 정밀한 저항으로 캘리브레이션 될 수
있다.
전기 전도도 셀의 셀 상수는 (NIST)의 traceable certified
cell과의 비교를 담고 있는 표준 방법을 이용하여 정해진다.
온라인에서 측정된 전기 전도도는 미리 정해진 셀 상수에 의해
캘리브레이션된 conductance 측정이 된다.
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Conbasic 2015-04-10 26
전기 전도도 셀 상수와 캘리브레이션 상수




Uniloc은 실제 측정된 셀 상수로 전기 전도도 셀을 라벨에
명기하기 보다는 셀 상수가 이론적인 (명목의) 수치에서
벗어나는 것과 관련하여 특별한 캘리브레이션을 지정한다.
분석기와 센서를 캘리브레이션하는 것은 캘리브레이션 상수를
분석기 안으로 끼워 넣는 단순 한 것이다.
어떤 경우에는 이러한 유형의 캘리브레이션을 문서화한
캘리브레이션 인증서를 요구하는 경우도 있다.
Uniloc은 별도의 비용으로 이러한 인증서를 제공한다.
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Conbasic 2015-04-10 27