KR20090101188A - Improved water analysis - Google Patents

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KR20090101188A
KR20090101188A KR1020097012739A KR20097012739A KR20090101188A KR 20090101188 A KR20090101188 A KR 20090101188A KR 1020097012739 A KR1020097012739 A KR 1020097012739A KR 20097012739 A KR20097012739 A KR 20097012739A KR 20090101188 A KR20090101188 A KR 20090101188A
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KR1020097012739A
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후이준 쟈오
샹큉 쟝
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아쿠아 다이아그노스틱 피티와이 엘티디
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Abstract

A method of determining chemical oxygen demand (COD) of a water sample which is useful in a probe configuration includes the steps of a) applying a constant potential bias to a photoelectrochemical cell, having a photoactive working electrode optionally a reference electrode and a counter electrode, and containing a supporting electrolyte solution; b) illuminating the working electrode with a light source and recording the background photocurrent produced at the working electrode from the supporting electrolyte solution; c) adding a water sample, to be analysed, to the photoelectrochemical cell; d) illuminating the working electrode with a light source and recording the steady state photocurrent produced with the sample; e) determining the chemical oxygen demand of the water sample using the formula (I): where H is the Nernst diffusion layer thickness, D is the diffusion coefficient, A is the electrode area, F the Faraday constant and iss the steady state photocurrent. The method can accommodate a broad range of light intensity and pH.

Description

개선된 물 분석을 위한 방법 및 프로브{IMPROVED WATER ANALYSIS}Methods and probes for improved water analysis {IMPROVED WATER ANALYSIS}

본 발명은 광전기화학적 전지(photoelectrochemical cell)를 이용하여 물의 산소 요구량(oxygen demand)을 판단하는 신규한 방법에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 티타늄 다이옥사이드 나노입자성 반도체 전극을 이용하여, 물 시료의 화학적 산소 요구량을 판단하기 위한 개선된 직접 광전기화학적 방법(direct photoelectrochemical method)에 관한 것이다. 이는 특히 프로브(probe) 구성에서 사용되기에 적합하다. The present invention relates to a novel method for determining the oxygen demand of water using a photoelectrochemical cell. In particular, the present invention relates to an improved direct photoelectrochemical method for determining the chemical oxygen demand of a water sample using titanium dioxide nanoparticulate semiconductor electrodes. It is particularly suitable for use in probe configurations.

거의 모든 가정 및 산업 폐수는 유기 화합물을 포함하고 있으며, 이러한 유기 화합물은 폐수가 방출되는 수로에서의 해로운 산소 고갈(또는 요구)을 초래할 수 있다. 대부분은 이러한 요구는, 먹이 공급원으로서 유기물질을 사용하는 자연적으로 발생하는 미생물에 의한 유기 화합물의 산화 생분해(oxidative biodegradation)로 인한 것이다. 이 과정 중에, 유기탄소가 이산화탄소로 산화되는 동안, 산소가 소비되고 물로 환원된다.Nearly all household and industrial wastewaters contain organic compounds, which can lead to harmful oxygen depletion (or demand) in the channels where the wastewater is discharged. Most of these demands are due to the oxidative biodegradation of organic compounds by naturally occurring microorganisms using organic materials as food sources. During this process, oxygen is consumed and reduced to water while the organic carbon is oxidized to carbon dioxide.

광전기화학적 분해 원리를 기초로 하는 산소 요구량 분석법이 특허 출원 WO2004088305에서 이미 공개되었으며, 여기서 측정은 완전 분해(exhaustive degradation) 원리를 기초로 했다. An oxygen demand analysis method based on the photoelectrochemical decomposition principle has already been disclosed in patent application WO2004088305, where the measurement is based on the principle of exhaustive degradation.

본 발명의 목적은 비-완전 분해(non-exhaustive degradation) 원리를 기반으로 하는 분석기를 개발하는 것이다. 본 발명의 또 다른 목적은 프로브형의 COD 분석기를 개발하는 것이다. It is an object of the present invention to develop an analyzer based on the principle of non-exhaustive degradation. Another object of the present invention is to develop a probe type COD analyzer.

이러한 목적을 위해, 본 발명은 물 시료의 화학적 산소 요구량(COD)를 판단하기 위한 방법을 제공하며, 상기 방법은For this purpose, the present invention provides a method for determining the chemical oxygen demand (COD) of a water sample, the method

a) 광활성(photoactive) 작업 전극(working electrode)과 카운터 전극(counter electrode)을 포함하고, 지지 전해질 용액(supporting electrolyte solution)을 내포하는 광전기화학적 셀(photoelectrochemical cell)로 일정한 전위를 적용시키는 단계,a) applying a constant potential to a photoelectrochemical cell containing a photoactive working electrode and a counter electrode and containing a supporting electrolyte solution,

b) 광원을 이용하여 상기 작업 전극을 조명하고, 상기 지지 전해질 용액으로부터 상기 작업 전극에서 생성되는 배경 광전류(background photocurrent)를 기록하는 단계,b) illuminating the working electrode using a light source and recording a background photocurrent generated at the working electrode from the supporting electrolyte solution,

c) 분석될 물 시료를 상기 광전기화학적 셀로 첨가하는 단계,c) adding a sample of water to be analyzed into the photoelectrochemical cell,

d) 광원을 이용하여 상기 작업 전극을 조명하고, 상기 시료에 의해 발생되는 정적 상태(steady state) 광전류(photocurrent)를 기록하는 단계,d) illuminating the working electrode using a light source and recording a steady state photocurrent generated by the sample,

e) 공식

Figure 112009037105908-PCT00001
를 이용하여 물 시료의 화학적 산소 요구량을 판단하는 단계로서, 이때, δ는 네른스트 확산 층 두께(Nernst diffusion layer thickness)이고, D는 확산 계수(diffusion coefficient)이며, A는 전극의 면적이고, F는 패러데이 상수(Faraday constant)이고, iss는 정적 상태 광전류(steady state photocurrent)인 단계e) formula
Figure 112009037105908-PCT00001
Determining the chemical oxygen demand of the water sample by using, wherein δ is the Nernst diffusion layer thickness, D is the diffusion coefficient, A is the electrode area, F is Faraday constant, i ss is a steady state photocurrent

를 포함한다. 광전극으로의 광의 광도는 기구의 선형 범위에 영향을 미친다. 그러나 광도를 너무 높은 값까지로 증가시키는 것은, 광원 또는 전극의 광 부식으로부터 방사하는 기구의 안정성 문제를 초래할 수 있다. 바람직한 광도는 3 내지 10W/㎠ 내에 있으며, 이때, 6 내지 7W/㎠의 값이 선호된다. 또한 용액의 pH가 신호에 영향을 미치며, 3 내지 10의 작업 pH 범위가 바람직하다.It includes. The intensity of light to the photoelectrode affects the linear range of the instrument. However, increasing the luminosity to a value that is too high can lead to stability problems of the device radiating from photo corrosion of the light source or electrode. Preferred luminosity is within 3 to 10 W / cm 2, with values of 6 to 7 W / cm 2 preferred. The pH of the solution also affects the signal, with a working pH range of 3 to 10 being preferred.

상기 작업 전극은 UV 광에 노출됨으로써 재생될 수 있고, 유용한 작동 수명을 가질 수 있다. 카운터 전극에 추가로, 기준 전극을 사용하는 것이 바람직하다.The working electrode can be regenerated by exposure to UV light and can have a useful operating life. In addition to the counter electrode, it is preferable to use a reference electrode.

본 발명의 방법은, 불연속적으로 물 시료를 테스트하기 위한 프로브로서 구성되는 분석기에 특히 적합하다. The method of the invention is particularly suitable for an analyzer configured as a probe for testing a water sample discontinuously.

또 하나의 형태에서, 본 발명은 수질을 판단하기 위한 프로브를 제공하며, 상기 프로브는,In another aspect, the invention provides a probe for determining water quality, wherein the probe,

a) 광활성(photoactive) 작업 전극(working electrode)과 카운터 전극(counter electrode)을 포함하는 전기화학적 셀(electrochemical cell),a) an electrochemical cell comprising a photoactive working electrode and a counter electrode,

b) 지지 전해질 용액 챔버,b) a supporting electrolyte solution chamber,

c) 상기 작업 전극을 조명하기 위한 광원,c) a light source for illuminating said working electrode,

d) 상기 셀로 시료를 제공하기 위한 시료 채집 수단,d) sample collection means for providing a sample to said cell,

e) 제어 수단으로서, 상기 제어 수단은 e) control means, wherein the control means

ⅰ) 상기 광원을 발동시키고, 상기 지지 전해질 용액으로부터 상기 작업 전극에서 생성되는 배경 광전류(background photocurrent)를 기록하고,Iii) triggering the light source and recording a background photocurrent generated at the working electrode from the supporting electrolyte solution,

ⅱ) 분석될 물 시료를 상기 광전기화학적 셀에 첨가하며,Ii) adding the water sample to be analyzed to the photoelectrochemical cell,

ⅲ) 광원을 발동시키고, 상기 시료에 의해 생성되는 정적 상태 광전류(steady state photocurrent)를 기록하고,Iii) ignite the light source, record the steady state photocurrent generated by the sample,

ⅳ) 공식

Figure 112009037105908-PCT00002
을 이용하여, 물 시료의 화학적 산소 요구량을 판단하며, 이때, δ는 네른스트 확산 층 두께(Nernst diffusion layer thickness)이고, D는 확산 계수(diffusion coefficient)이며, A는 전극의 면적이고, F는 패러데이 상수(Faraday constant)이고, iss는 정적 상태 광전류(steady state photocurrent)인, 상기 제어 수단Iii) Formula
Figure 112009037105908-PCT00002
In this case, the chemical oxygen demand of the water sample is determined, where δ is the Nernst diffusion layer thickness, D is the diffusion coefficient, A is the electrode area, and F is Faraday. Said control means being a Faraday constant, i ss being a steady state photocurrent

을 포함하는 것을 특징으로 한다. Characterized in that it comprises a.

도 1은 본 발명에서 사용되는 광전기화학적 셀의 개략적 도시이다.1 is a schematic illustration of a photoelectrochemical cell used in the present invention.

도 2는 0.1M NaClO4 바탕(blank) 용액의 통상의 광전류응답에 대한 그래프이다. 2 is a graph of typical photocurrent response of 0.1M NaClO 4 blank solution.

도 3A는 네트 정적 상태 전류(iss)와 유기 화합물의 분자 농도 간의 정량적 관계를 나타낸다. 3A shows the quantitative relationship between net static state current (i ss ) and molecular concentration of organic compounds.

도 3B는 네트 정적 상태 전류(mA)와 nFADC 간의 정량적 관계를 나타낸다.3B shows the quantitative relationship between net static state current (mA) and nFADC.

도 4A는 KHP 용액의 이론적 COD 값에 대한, 이론적 iss와 실험적 iss의 그래프를 도시한다. 4A shows a graph of theoretical i ss and experimental i ss versus theoretical COD values of KHP solutions.

도 4B는 KHP 및 GGA 용액의 이론적 COD 값에 대한 실험적 iss의 그래프를 도시한다.4B shows a graph of experimental i ss versus theoretical COD values of KHP and GGA solutions.

도 5A는 서로 다른 UV 광의 광도 하에서의 글루코오스의 광전기화학적 산화를 도시한다.5A shows photoelectrochemical oxidation of glucose under different luminosities of UV light.

도 5B는 0.2mM 글루코오스와 그 바탕 용액(blank solution)의 광전기화학적 산화로 인한 iss(σ)와 iblank(o)에 미치는 전위의 영향을 도시한다.FIG. 5B shows the effect of potential on i ss (σ) and i blank (o) due to photoelectrochemical oxidation of 0.2 mM glucose and its blank solution.

도 5C는 0.2mM 글루코오스와 그 바탕 용액의 광전기화학적 산화로 인한 iss(σ)와 iblank(o)의 영향을 도시한다. 5C shows the effect of i ss (σ) and i blank (o) due to photoelectrochemical oxidation of 0.2 mM glucose and its underlying solution.

도 6은 베이커리의 폐수를 판단하기 위한 통상의 GGA 표준 첨가를 도시한다. 6 shows a conventional GGA standard addition for determining waste water in bakery.

도 7은 실제 시료 측정을 위한 PECOD와 표준 중크롬 COD법 간의 상관 관계를 도시한다. Figure 7 shows the correlation between PECOD and standard dichromatic COD method for actual sample measurement.

본원 발명의 실시예Examples of the Invention

물질 및 시료의 제조: Delta Technologies Limited에 의해, 인듐 틴 옥사이드(ITO) 전도성 유리 슬라이드(8Ω/square)가 상업적으로 제공된다. 티타늄 부톡사이드(97%, Aldrich) 및 소듐 나이트레이트가 Aldrich에서 구매되었으며, 사용되기 전의 추가적인 처리는 없었다. 그 밖의 다른 모든 화학물질은 분석용 등급을 가졌으며, 다른 언급이 없다면 Aldirich로부터 구매되었다. 용액을 제조할 때, 그리고 실제 폐수 시료를 희석할 때, 고순도의 탈이온수(Millipore Corp., 18㏁㎝)가 사용되었다. Preparation of Materials and Samples: Indium tin oxide (ITO) conductive glass slides (8 ms / square) are commercially provided by Delta Technologies Limited. Titanium butoxide (97%, Aldrich) and sodium nitrate were purchased from Aldrich and there was no further treatment before use. All other chemicals had an analytical grade and were purchased from Aldirich unless otherwise noted. When preparing the solution, and when diluting the actual wastewater sample, high purity deionized water (Millipore Corp., 18 cc) was used.

이 연구에서 사용되는 실제 시료는 호주의 퀸즐랜드(Queensland)주 내의 다양한 산업적 장소(가령, 폐수 처리 공장, 설탕 공장, 양조 제조 공장, 통조림 제조 공장, 유제품 공장)에서 채집되었다. 표준 방법의 지침에 따라서, 모든 시료는 보존되었다. 필요할 때, 상기 시료들은 분석에 앞서, 적합한 농도까지로 희석되었다. 희석 후에, 표준 COD 방법과 광전기화학적 COD 검출기 모두에 의해, 동일한 시료가 분석되었다. 광전기화학적 판단을 위한 시료에, 0.1M과 동등한 NaClO 고체가 지지 전해질(supporting electrolyte)로서 첨가되었다. The actual samples used in this study were collected at various industrial sites in Queensland, Australia (eg, wastewater treatment plants, sugar plants, brewing plants, canning plants, dairy plants). According to the standard method guidelines, all samples were preserved. When necessary, the samples were diluted to a suitable concentration prior to analysis. After dilution, the same samples were analyzed by both standard COD methods and photoelectrochemical COD detectors. To the sample for photoelectrochemical determination, NaClO solids equivalent to 0.1 M were added as a supporting electrolyte.

TiO2 필름 전극의 제조: 출원인 이전 특허 출원 WO2004088305에서 기재된 바와 동일하다. Preparation of TiO 2 Film Electrode: Same as described in Applicant's previous patent application WO2004088305.

장치 및 방법Device and method

모든 광전기화학적 실험은, 조명을 위한 창(window)을 갖는 3-전극 전기화학적 셀에서, 23℃에서 수행되었다(도 1 참조). 포화된 Ag/AgCl 전극과 백금 그물(mesh)이 각각 기준 전극과 보조 전극으로서 사용되었다. 광전기분석 실험에서 전위 바이어스를 적용하기 위해, 전압 전류 그래프(voltammograph)(CV-27, BAS)가 사용되었다. Maclab 400 인터페이스(AD Instruments)로 연결되는 컴퓨터를 이용하여, 전위 및 전류 신호가 기록되었다. 조명은 포커싱 렌즈(HF-200w-95, Beijing Optical Instruments)를 포함하는 150W 크세논 아크 램프 광원을 이용하여 이뤄졌다. 시료 용액이 적외선에 의해 가열되는 것을 방지하기 위해, 광 빔은, 전극 표면을 조명하기에 앞서서, UV-대역 통과 필터(UV-band pass filter), 즉, UG5(Avotronicx Pty. Limited)를 통과하였다. COD 분석기(NOVA 30, Merck)를 이용하여, 모든 시료의 표준 COD 값(중크롬산법)이 측정되었다. 산소 종속도 실험 동안, 산소 전극(YSI) 및 90 FLMV 마이크로프로세서 필드 분석기(T.P.S. Pty. Ltd.)에 의해, 산소 농도가 모니터링되었다.All photoelectrochemical experiments were performed at 23 ° C. in a three-electrode electrochemical cell with a window for illumination (see FIG. 1). Saturated Ag / AgCl electrodes and platinum mesh were used as reference and auxiliary electrodes, respectively. In order to apply the potential bias in the photoelectron analysis experiment, a voltage current graph (voltammograph) (CV-27, BAS) was used. Using a computer connected to the Maclab 400 interface (AD Instruments), potential and current signals were recorded. Illumination was done using a 150W xenon arc lamp light source, including a focusing lens (HF-200w-95, Beijing Optical Instruments). To prevent the sample solution from being heated by infrared light, the light beam passed through a UV-band pass filter, ie Avotronicx Pty. Limited (UG5), prior to illuminating the electrode surface. . Using a COD analyzer (NOVA 30, Merck), the standard COD values (bichromic acid method) of all samples were measured. During the oxygen dependency experiment, oxygen concentration was monitored by an oxygen electrode (YSI) and a 90 FLMV microprocessor field analyzer (T.P.S. Pty. Ltd.).

분석적 신호 측정Analytical Signal Measurement

도 2A 및 B는 광전기화학적 전지에서 유기 화합물이 존재하는 경우와 부재하는 경우에서 획득된 통상의 광전류-시간 그래프의 하나의 세트를 보여준다. +0.30V의 일정하게 걸리는 전위 하에서, 광이 스위치 오프(switch off)되었을 때, 암전류는 거의 0이었다. 조명된 후, 전류는 정적 값(steady value)으로 감속되기 전에, 빠르게 증가하였다. 바탕(blank) 실험에 대한 광전류(iblank)(점선)는 주로 물의 산화로부터 도출하며, 반면에 유기체를 함유하는 시료 용액에서 관찰된 광전류(itotal)(실선)는 2가지 전류 성분(즉, 바탕 광전류(iblank)와 동일한 물의 산화로부터의 전류와, 유기 화합물의 광전기촉매적 산화(photoelectrocatalytic oxidation) 로부터의 전류)의 총 전류이다. 2A and B show one set of conventional photocurrent-time graphs obtained with and without organic compounds in photoelectrochemical cells. Under a constant applied potential of +0.30 V, the dark current was nearly zero when the light was switched off. After being illuminated, the current rapidly increased before decelerating to a steady value. The photocurrent ( blank ) for the blank experiment (dotted line) derives primarily from the oxidation of water, while the photocurrent (i total ) (solid line) observed in the sample solution containing the organism is two current components (ie The total current from the oxidation of water equal to the background photocurrent (i blank ) and the photoelectrocatalytic oxidation of the organic compound).

전류(iss), 즉, 유기체의 산화로부터 기원하는 확산 제한 전류는, 유기 화학물이 부재하는 경우의 바탕 실험의 광전류(iblank)를, 유기 화합물이 존재하는 경우의 총 광전류로부터 뺌으로써, 획득될 수 있다(도 1,2 참조).The current i ss , i.e. the diffusion limiting current originating from the oxidation of the organism, is obtained by subtracting the photocurrent i blank of the background experiment in the absence of an organic chemical from the total photocurrent in the presence of an organic compound, May be obtained (see FIGS. 1 and 2).

iss = itotal - iblank (1.1)i ss = i total -i blank (1.1)

TiO2 전극 표면으로 수송되는 모든 유기체는 무작위로 그리고 완전히 산화될 수 있음이 증명되었다. 따라서 네트 전류(net current)(iss)는 전자 전달률(rate of electron transfer: 시간 단위 당 전달되는 전자의 개수)에 정비례한다. COD는 유기 화합물의 완전한 산화를 위해 요구되는 산소의 양으로서 정의되며, 따라서 네트 전류(iss)가 시료의 COD 값을 정량화(quantify)하기 위해 사용될 수 있다.It has been demonstrated that all organisms transported to the TiO 2 electrode surface can be oxidized randomly and completely. Thus, the net current (i ss ) is directly proportional to the rate of electron transfer (number of electrons transferred per unit of time). COD is defined as the amount of oxygen required for complete oxidation of organic compounds, so net current (i ss ) can be used to quantify the COD value of a sample.

분석 신호 정량화Analyze Signal Quantification

비-완전한(non-exhaustive) 광촉매 산화 모델 하에서, 시료의 iss와 COD 간의 정량적 관계는 다음의 공준(公準)에 따라 전개된다: (ⅰ) 벌크 용액 농도는 실험 전과 후에 본질적으로 일정하게 유지된다(비-완전 분해); (ⅱ) 전극 표면에서의 모든 유기 화학물은 그들의 가장 높은 산화 상태(완전 산화된 상태)로 화학량적으로 산화된다; (ⅲ) 전체 광촉매 산화률(photocatalytic oxidation rate)은 유기체를 전극 표면으로 수송하는 것에 의해 제어되고, 합리적인 시간 내에 정적 상 태(steady-state)에 도달할 수 있다(정적 상태 물질 전달(steady-state mass transfer)에 의해 제한되는 프로세스); (ⅳ) 적용되는 전위 바이어스는 유기체의 광촉매 산화로부터 발생되는 모든 광전자를 이동시키기에 충분하다(100% 광전자 채집 효율).Under the non-exhaustive photocatalytic oxidation model, the quantitative relationship between the iss and the COD of the sample develops according to the following criteria: (i) The bulk solution concentration remains essentially constant before and after the experiment ( Non-complete degradation); (Ii) all organic chemicals at the electrode surface are quantitatively oxidized to their highest oxidation state (completely oxidized state); (Iv) The overall photocatalytic oxidation rate is controlled by transporting organisms to the electrode surface and can reach a steady-state within a reasonable time (steady-state process limited by mass transfer); (Iii) The potential bias applied is sufficient to transfer all photoelectrons resulting from photocatalytic oxidation of the organism (100% photoelectron collection efficiency).

전극으로의 정적 상태 물질 전달률은, 잘 알려진 정적 상태 물질 이동 모델의 반경험적(semi-empirical) 처리에 의해, The steady state mass transfer rate to the electrodes is determined by semi-empirical processing of the well-known static state mass transfer model.

Figure 112009037105908-PCT00003
(1.2)
Figure 112009037105908-PCT00003
(1.2)

와 같이 주어질 수 있다. 이때, Cb 및 Cs는 각각 벌크 용액과 전극 표면에서의 분석물(analyte)의 농도를 일컫는다. D와 δ는 각각 확산 계수와 네른스트 확산 층 두께(Nernst diffusion layer thickness)이다. 정적 상태 물질 전달에 의해 제한받는 상태(공준(ⅲ)) 하에, 전체 반응 속도(rate of reaction)는,Can be given as In this case, C b and C s refer to the concentration of the analyte on the bulk solution and the electrode surface, respectively. D and δ are diffusion coefficient and Nernst diffusion layer thickness, respectively. Under conditions limited by static state mass transfer (rate), the overall rate of reaction is

Figure 112009037105908-PCT00004
(1.3)
Figure 112009037105908-PCT00004
(1.3)

와 같다.Same as

공준(ⅱ) 및 (ⅳ)에 따라, 광전기화학적 분해 동안 전달되는 전자의 개수(n)는 주어진 분석물에 대하여 일정하고, 따라서 정적 상태 광전류(iss)가 반응 속도를 표현하기 위해 사용될 수 있다. According to the standards (ii) and (iii), the number n of electrons transferred during the photoelectrochemical decomposition is constant for a given analyte, so that the static state photocurrent i ss can be used to express the reaction rate. .

Figure 112009037105908-PCT00005
(1.4)
Figure 112009037105908-PCT00005
(1.4)

이때, A와 F는 각각 전극 면적과 패러데이 상수(Faraday constant)를 일컫는다. 수식 1.4는 정적 상태 광전류와 분석물의 농도 간의 정량적 관계를 정의한다. 분자 농도를 등가의(equivalent) COD 농도(O2의 ㎎/ℓ)로 변환할 때, In this case, A and F refer to electrode area and Faraday constant, respectively. Equation 1.4 defines the quantitative relationship between the steady state photocurrent and the concentration of the analyte. When converting molecular concentrations to equivalent COD concentrations (mg / l of O 2 ),

Figure 112009037105908-PCT00006
(1.5a)
Figure 112009037105908-PCT00006
(1.5a)

Figure 112009037105908-PCT00007
(1.5b)
Figure 112009037105908-PCT00007
(1.5b)

를 사용한다. Use

수식 1.5b는 단일 유기 화합물을 함유하는 시료의 COD 결정에 유효하다. 둘 이상의 유기 종을 함유하는 시료의 COD는,Equation 1.5b is valid for COD determination of samples containing single organic compounds. The COD of a sample containing two or more organic species is

Figure 112009037105908-PCT00008
(1.6)
Figure 112009037105908-PCT00008
(1.6)

로서 표현될 수 있으며, 이때,

Figure 112009037105908-PCT00009
는 총체적 네른스트 확산 층 두께이며, 상기
Figure 112009037105908-PCT00010
는 상수이며, 유기체의 타입에 독립적이라고 증명되었다. 확산에 의해 제어되는 상태 하에서,
Figure 112009037105908-PCT00011
는 시료의 조성에 따라 달라지는 복합 확산 계수(composite diffiusion coefficient)이며, 주어진 시료에 대해서는 상수이다.Can be expressed as
Figure 112009037105908-PCT00009
Is the overall Nernst diffused layer thickness, and
Figure 112009037105908-PCT00010
Is a constant and has been proven to be independent of the type of organism. Under conditions controlled by diffusion,
Figure 112009037105908-PCT00011
Is a composite diffiusion coefficient that depends on the composition of the sample and is constant for a given sample.

분석 원리의 검증(Validation of the analysis principle ValidationValidation ofof AnalyticalAnalytical PrinciplePrinciple ))

도 3A는 유기 화합물의 분자 농도에 대한 정적 상태 광전류의 그래프를 나타낸다. 검사되는 모든 화합물에 대하여, 수식 (1.5)을 이용해 예측되는, iss와 C간의 선형 관계가 획득되었다. 도 3A의 데이터를 추가로 처리하여 도 3B가 제공된다. 도 3B의 모든 데이터는 기울기=0.0531 및 R2=0.995의 하나의 선형 곡선(linear curve)에 꼭 들어맞는다. 곡선의 기울기가 δ-1과 같기 때문에, 이 실험 조건 하에서, 정체 확산 층 두께(stagnant diffusion layer thickness)(δ=1.86x10-3㎝)가 존재하며, 이는 유기 화합물의 농도와 타입에 독립적이라는 결과가 도출될 수 있다. 또한 이러한 발견은 수식(1.5)에 의해 주어지는 이론적 기울기가 도 1.3a의 각각의 화합물에 대해 곡선의 기울기를 나타냄을 확인하는 것이다. 실제로, 앞의 4개의 공준이 모두 만족되지 않는 경우, 도 3B의 선형 라인을 획득할 수 없을 것이다.3A shows a graph of static state photocurrent versus molecular concentration of organic compounds. For all compounds tested, a linear relationship between iss and C was obtained, predicted using Equation (1.5). Further processing of the data of FIG. 3A provides FIG. 3B. All data in FIG. 3B fits one linear curve with slope = 0.0531 and R 2 = 0.995. Since the slope of the curve is equal to δ −1 , under this experimental condition, there is a stagnant diffusion layer thickness (δ = 1.86 × 10 −3 cm), which is independent of the concentration and type of organic compound. Can be derived. This finding also confirms that the theoretical slope given by equation (1.5) represents the slope of the curve for each compound of FIG. 1.3a. In fact, if all four previous criteria are not satisfied, the linear line of FIG. 3B will not be obtained.

이론적으로, 수식(1.6)은 수식(1.4)에 의해 요구되는 바와 동일한 조건 하에서, 검증되어야 한다. 따라서 도 4A 및 4B는 표준 COD 법을 위한 KHP와 테스트 화합물을 이용하여 준비된 합성 시료(synthetic sample)의 이론적 COD 값([COD]theoreetical)에 대한 iss의 그래프를 도시한다. 수식(1.5)에 의해 예측된 바와 같이, iss와 [COD]theoretical간의 선형 관계가 획득되었다. 획득된 실험 곡선의 기울기는 R2=0.9985를 갖는 2.8x10-3㎃(O2의 ㎎/ℓ)- 1였다. 수식(1.5)으로부터 계산된 이론 적 곡선이 비교를 위해 도 4A에서 (실선으로) 제공되었다. 거의 동일한 이론적 기울기 값과 실험적 기울기 값은 수식(1.5)이 COD 판정을 위해 적용될 수 있음을 증명한다.In theory, equation (1.6) should be verified under the same conditions as required by equation (1.4). 4A and 4B thus show graphs of i ss versus theoretical COD values ([COD] theoreetical ) of synthetic samples prepared using KHP and test compounds for standard COD methods. As predicted by equation (1.5), a linear relationship between i ss and [COD] theoretical was obtained. The slope of the experimental curve obtained was 2.8 × 10 −3 μs (mg / L of O 2 ) 1 with R 2 = 0.9985. The theoretical curve calculated from equation (1.5) is provided (in solid line) in FIG. 4A for comparison. Nearly identical theoretical and experimental slope values demonstrate that Equation (1.5) can be applied for COD determination.

수식(1.6)의 적용 가능성은, GGA 합성 시료를 이용하여 검사되었다. 상기 GGA 합성 시료는 글루코오스와 글루탐산의 혼합물이며, 통상적으로 BOD 분석을 위한 표준 테스트 용액으로서 사용되어왔다. 수식(1.6)에 의해 예측되는 바와 같이, 정적 상태 광전류(iss)는 시료[COD]에 정비례한다(도 1.4b 참조). 그러나 실제 시료에 수식(1.6)을 적용하는 것은 교정(calibration)을 필요로 하는데, 왜냐하면 복합 확산 계수(

Figure 112009037105908-PCT00012
)가 알려져 있지 않기 때문이다. 그 밖의 다른 분석과는 달리, COD는 집합적 양(aggregative quantity)이기 때문에, COD 분석을 위한 교정 표준을 정하는 것은 어렵다. 실전에서, COD 교정 표준은 실험적 수단에 의해서만 선택될 수 있다. 선택된 교정 기준은 2개의 핵심적 기준(criteria)을 만족시켜야 한다, 즉, (ⅰ) 교정 표준은 원 시료와 동등한
Figure 112009037105908-PCT00013
값을 가져야 하고, (ⅱ) 완전히 산화(fully oxidize)될 수 있어야 한다. 이들 기준은, 추가된 교정 표준이 원 시료와 동일한 기울기를 따르는 정적 상태 광전류 변화를 야기한다는 실험적 관찰을 반영한다.The applicability of Equation (1.6) was examined using a GGA synthesis sample. The GGA synthetic sample is a mixture of glucose and glutamic acid and has been commonly used as a standard test solution for BOD analysis. As predicted by Equation (1.6), the static state photocurrent iss is directly proportional to the sample [COD] (see Fig. 1.4b). However, applying Equation (1.6) to the actual sample requires calibration because the complex diffusion coefficient (
Figure 112009037105908-PCT00012
) Is not known. Unlike other analyzes, since COD is an aggregate quantity, it is difficult to establish calibration standards for COD analysis. In practice, COD calibration standards can be selected only by experimental means. The calibration standard chosen must satisfy two key criteria: (i) the calibration standard is equivalent to the original sample.
Figure 112009037105908-PCT00013
Must have a value, and (ii) be able to be fully oxidized. These criteria reflect an experimental observation that the added calibration standard results in a static state photocurrent change following the same slope as the original sample.

분석 신호의 최적화Optimization of Analytical Signals

광도(light intensity)가 정적 상태 광전류에 미치는 효과가 검사되었다(도 5A 참조). 광도의 변화는 선형 범위(linear range)에 커다란 영향을 미침을 주지해야 한다. 광도의 증가는 선형 범위의 증가를 야기한다. 선형 관계로부터의 iss 편차는 전극으로의 물질 전달의 속도보다 더 느린 광촉매 산화의 속도와 관련이 있다. 광도의 증가는 광정공(photohole) 발생 속도의 증가를 도출하며, 이는 실제로는 광촉매 산화의 속도를 증가시킨다. 즉, 더 높은 농도에서의 물질 전달에 의해 제어되는 조건 하에서, 전체 절차 동안 고 광도가 유지될 수 있다. 따라서 넓은 선형 범위와 바람직한 동작 조건을 제공하기 위해, 비교적 낮은(그러나, 충분한) 광도(6.6㎽/㎠)가 사용되었다.The effect of light intensity on the static state photocurrent was examined (see FIG. 5A). It should be noted that changes in luminosity have a significant effect on the linear range. Increasing the brightness causes an increase in the linear range. The i ss deviation from the linear relationship is related to the rate of photocatalytic oxidation that is slower than the rate of mass transfer to the electrode. The increase in brightness leads to an increase in the rate of photohole generation, which in fact increases the rate of photocatalytic oxidation. That is, under conditions controlled by mass transfer at higher concentrations, high brightness can be maintained during the entire procedure. Thus, in order to provide a wide linear range and desirable operating conditions, a relatively low (but sufficient) brightness (6.6 kW / cm 2) was used.

특정 TiO2 반도체 전극에 있어서, 적용되는 전위 바이어스가 계면 광촉매 반응(interfacial photocatalytic reaction)에 의해 이용가능해지는 전자 채집 기능을 수행한다. 적용되는 전위 바이어스가 충분할 경우에만, 100% 광전자 채집 효율(공준(ⅳ) - 분석 신호 정량화 섹션을 참조할 것)이 달성될 수 있다. 도 5B는 iss와 iblank 모두에 미치는 전위 바이어스의 효과를 나타낸다. 적용되는 전위 바이어스가 -0.05V(vs. Ag/AgCl(100% 광전자 채집 효율을 나타냄))보다 더 양의 값(positive)일 때, iss와 iblank는 모두 일정해짐이 나타난다. 선택된 전위 바이어스는 다양한 조건 하에서, 동시에 적용될 수 있음을 보장하기 위해, 직접 전기화학적 반응을 피하기 위해, +0.30V(vs. Ag/AgCl)의 표준 전위 바이어스가 선택되었다.For certain TiO 2 semiconductor electrodes, the potential bias applied performs an electron collection function that is made available by interfacial photocatalytic reactions. Only if the potential bias applied is sufficient, 100% photoelectron collection efficiency (see section Analyze-Analyze Signal Quantification) can be achieved. 5B shows the effect of dislocation bias on both i ss and i blank . It is shown that both i ss and i blank are constant when the potential bias applied is more positive than -0.05 V (vs. Ag / AgCl (which represents 100% photoelectron collection efficiency)). To ensure that the chosen potential bias can be applied simultaneously under various conditions, a standard potential bias of +0.30 V (vs. Ag / AgCl) was chosen to avoid direct electrochemical reactions.

네른스트 방식에서, 용액의 pH가 TiO2 반도체의 평활 대역(flat band) 전위 와 대역 가장자리(band edge) 전위에 영향을 미친다는 것이 잘 알려져 있다. 또한 용액의 pH는 반도체 전극의 표면 작용기과 용액의 유기 화합물의 화학적 형태의 종분화(specification)에 영향을 미친다. 이러한 pH 종속적 요인은 분석 신호에 영향을 미칠 수 있다. 도 5C는 iss와 iblank 모두에 미치는 pH의 영향을 나타낸다. 2 내지 3의 pH 범위 내에서, 용액의 pH가 증가함에 따라, iss와 iblank 모두 약간 증가했다. 3 내지 10의 pH 범위 내에서, iss와 iblank는 용액의 pH 변화에 반응하지 않았다. 용액의 pH가 10 이상이었을 때, 관찰된 iss는 pH 변화에 비교적 반응하지 않았지만, iblank에서는 용액의 pH에 따른 급격한 증가가 관찰되었다. 이는 높은 pH에서 물의 산화 속도가 크게 향상되었기 때문이다. 용액의 pH에 대한 iblank의 반응도(sensitivity)가 iss의 정확한 측정에 대한 문제를 초래할 수 있다. 따라서 용액의 pH는 3 내지 10인 것이 바람직하다. 이 pH 범위는 대부분의 주변 시료(environmental sample)(pH 3-10)에 적합하며, 따라서 시료는 pH 조정이 필요 없이 사용될 수 있다.In the Nernst approach, it is well known that the pH of a solution affects the flat band potential and band edge potential of TiO 2 semiconductors. The pH of the solution also affects the specification of the surface functional groups of the semiconductor electrode and the chemical form of the organic compounds of the solution. These pH dependent factors can affect the assay signal. 5C shows the effect of pH on both i ss and i blank . Within the pH range of 2-3, both i ss and i blank slightly increased as the pH of the solution increased. Within the pH range of 3 to 10, i ss and i blank did not respond to the pH change of the solution. When the pH of the solution was above 10, the observed i ss did not respond relatively to the change in pH, but a sharp increase with the pH of the solution was observed in the i blank . This is because the oxidation rate of water is greatly improved at high pH. The sensitivity of i blanks to the pH of the solution can lead to problems with accurate measurement of i ss . Therefore, the pH of the solution is preferably 3 to 10. This pH range is suitable for most environmental samples (pH 3-10), so the sample can be used without the need for pH adjustment.

실제 시료 분석(real sample analysis)Real sample analysis

실제 시료의 분석이 실시되었다. 이 실제 시료는 다양한 산업 현장에서 채집되었다. 본원에서 실험되는 실제 시료의 pH는 6 내지 8의 범위, 즉, pH 독립 구간에 존재하였다. 매우 높은 COD 시료의 분석을 위해, NaClO4, 또는 NaNO3 용액을 이 용한 희석이 보통, 5 내지 8의 pH와, 5 내지 9.5㎎L-1의 O2 농도를 야기할 것이다. 임의의 기질 영향(matrix effect)을 최소화하기 위해, 필요한 경우, 실제 시료의 COD 값의 광전기화학적 판정을 위해, 그리고

Figure 112009037105908-PCT00014
값이 상수이고 교정 및 측정 동안 유지됨을 보장하기 위해, 표준 첨가법이 사용될 수 있다. 도 1에서 나타난 결과에 의해, 수식(1.6)이 실제 시료의 COD 값을 판정하도록 사용될 수 있음이 확인된다.Analysis of the actual sample was performed. This real sample was collected at various industrial sites. The pH of the actual sample tested herein was in the range of 6 to 8, ie pH independent intervals. For analysis of very high COD samples, dilution with NaClO 4 , or NaNO 3 solution will usually result in a pH of 5-8 and an O 2 concentration of 5-9.5 mgL −1 . To minimize any matrix effect, if necessary, for photoelectrochemical determination of the actual sample's COD value, and
Figure 112009037105908-PCT00014
To ensure that the value is constant and maintained during calibration and measurement, standard addition methods can be used. The results shown in FIG. 1 confirm that equation (1.6) can be used to determine the actual sample's COD value.

도 7은 실험적 COD 값과 표준 COD 값 간의 상관관계를 도시한다. 표준 COD 값은 종래의 COD법(중크롬산법)에 의해 판정되었다. 유효한 경우, 피어슨 상관 계수(Pearson Correlation coefficient)가, 광전기 화학적 COD법에서 얻어지는 값과 종래의 COD법에서 얻어지는 값 간의 연계의 크기의 측정치로서 사용되었다. 2가지 방법 간에 높은 상관(r=0.988, P=0.000, n=18)이 얻어졌으며, 이는 상기 2개의 방법이 매우 잘 일치함을 나타내는 것이다. 그래프의 기울기는 1.02였다. 이러한 거의 1에 가까운 기울기는, 2개의 방법이 동일한 COD 값을 정확하게 측정하였음을 나타낸다. 95% 신뢰 구간이 주어졌을 때, 이 기울기는 0.95 내지 1.11이었으며, 이는 참(true) 기울기가 이들 2개의 값 사이에 위치하는 95% 신뢰도를 의미하는 것이다. 광전기화학적 COD법 측정치와 표준 방법 측정치 모두와 연계되는 분석상 오류가 존재하고, 이들 오류는 2개의 축 상의 산포도에 기여를 한다고 가정하면, 획득된 강력한 상관 및 기울기가 화학적 산소 요구량(COD)을 측정하기 위한 광전기화학적 COD법의 적합성에 대한 압도적인 지원을 제공한다.7 shows the correlation between experimental COD values and standard COD values. Standard COD values were determined by the conventional COD method (dichromic acid method). If valid, the Pearson Correlation coefficient was used as a measure of the magnitude of the linkage between the value obtained by the photoelectrochemical COD method and the value obtained by the conventional COD method. A high correlation (r = 0.988, P = 0.000, n = 18) between the two methods was obtained, indicating that the two methods agree very well. The slope of the graph was 1.02. This near 1 slope indicates that the two methods accurately measured the same COD value. Given a 95% confidence interval, this slope was between 0.95 and 1.11, meaning 95% confidence that the true slope lies between these two values. Given the analytical errors associated with both photoelectrochemical COD measurements and standard method measurements, and these errors contribute to the scatter plot on two axes, the strong correlations and slopes obtained measure chemical oxygen demand (COD). It provides overwhelming support for the suitability of the photoelectrochemical COD method.

앞서 최적화된 실험 조건 하에서, 70㎎L-1 COD까지의 선형 범위를 갖는 0.8㎎L-1 COD의 검출 한계가 얻어질 수 있음을 알 수 있다. 검출 범위는, 앞서 언급된 바와 같은 적정한 희석에 의해 확장될 수 있다. 2.2% RSD의 재생력은 50μM KHP의 19 분석으로부터 얻어졌다. Under previously optimized experimental conditions, 70㎎L -1 it can be seen that the detection limit of COD 0.8㎎L -1 with a linear range up to COD can be obtained. The detection range can be extended by appropriate dilution as mentioned above. Regeneration of 2.2% RSD was obtained from 19 analyzes of 50 μM KHP.

이상의 내용으로부터, 본 발명은 물 시료의 비-완전(non-exhaustive) COD 분석을 실시함에 있어 개선된 방법과 프로브를 제공함을 할 수 있다. In view of the above, the present invention can provide an improved method and probe in performing non-exhaustive COD analysis of water samples.

Claims (6)

물 시료의 화학적 산소 요구량(COD)을 판단하는 방법에 있어서, 상기 방법은In the method for determining the chemical oxygen demand (COD) of the water sample, the method a) 광활성(photoactive) 작업 전극(working electrode)과 카운터 전극(counter electrode)을 포함하고, 지지 전해질 용액(supporting electrolyte solution)을 내포하는 광전기화학적 셀(photoelectrochemical cell)로 일정한 전위를 적용시키는 단계,a) applying a constant potential to a photoelectrochemical cell containing a photoactive working electrode and a counter electrode and containing a supporting electrolyte solution, b) 광원을 이용하여 상기 작업 전극을 조명하고, 상기 지지 전해질 용액으로부터 상기 작업 전극에서 생성되는 배경 광전류(background photocurrent)를 기록하는 단계,b) illuminating the working electrode using a light source and recording a background photocurrent generated at the working electrode from the supporting electrolyte solution, c) 분석될 물 시료를 상기 광전기화학적 셀로 첨가하는 단계,c) adding a sample of water to be analyzed into the photoelectrochemical cell, d) 광원을 이용하여 상기 작업 전극을 조명하고, 상기 시료에 의해 발생되는 정적 상태(steady state) 광전류(photocurrent)를 기록하는 단계,d) illuminating the working electrode using a light source and recording a steady state photocurrent generated by the sample, e) 공식
Figure 112009037105908-PCT00015
를 이용하여 물 시료의 화학적 산소 요구량을 판단하는 단계로서, 이때, δ는 네른스트 확산 층 두께(Nernst diffusion layer thickness)이고, D는 확산 계수(diffusion coefficient)이며, A는 전극의 면적이고, F는 패러데이 상수(Faraday constant)이고, iss는 정적 상태 광전류(steady state photocurrent)인 단계
e) formula
Figure 112009037105908-PCT00015
Determining the chemical oxygen demand of the water sample by using, wherein δ is the Nernst diffusion layer thickness, D is the diffusion coefficient, A is the electrode area, F is Faraday constant, i ss is a steady state photocurrent
를 포함하는 것을 특징으로 하는 화학적 산소 요구량을 판단하기 위한 방법. Method for determining the chemical oxygen demand comprising a.
제 1 항에 있어서, 상기 물 시료의 pH는 3 내지 10인 것을 특징으로 하는 화학적 산소 요구량을 판단하기 위한 방법. 2. The method of claim 1 wherein the pH of the water sample is between 3 and 10. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광활성 작업 전극은 티타늄 다이옥사이드 나노입자성 광 전극인 것을 특징으로 하는 화학적 산소 요구량을 판단하기 위한 방법. 4. The method of any one of claims 1 to 3, wherein the photoactive working electrode is a titanium dioxide nanoparticulate photoelectrode. 수질(water quality)을 판단하기 위한 프로브(probe)에 있어서, 상기 프로브는,In the probe (probe) for determining the water quality (probe), the probe, a) 광활성(photoactive) 작업 전극(working electrode)과 카운터 전극(counter electrode)을 포함하는 전기화학적 셀(electrochemical cell),a) an electrochemical cell comprising a photoactive working electrode and a counter electrode, b) 지지 전해질 용액 챔버,b) a supporting electrolyte solution chamber, c) 상기 작업 전극을 조명하기 위한 광원,c) a light source for illuminating said working electrode, d) 상기 셀로 시료를 제공하기 위한 시료 채집 수단,d) sample collection means for providing a sample to said cell, e) 제어 수단으로서, 상기 제어 수단은 e) control means, wherein the control means ⅰ) 상기 광원을 발동시키고, 상기 지지 전해질 용액으로부터 상기 작업 전극에서 생성되는 배경 광전류(background photocurrent)를 기록하고,Iii) triggering the light source and recording a background photocurrent generated at the working electrode from the supporting electrolyte solution, ⅱ) 분석될 물 시료를 상기 광전기화학적 셀에 첨가하며,Ii) adding the water sample to be analyzed to the photoelectrochemical cell, ⅲ) 광원을 발동시키고, 상기 시료에 의해 생성되는 정적 상태 광전 류(steady state photocurrent)를 기록하고,Iii) ignite the light source, record the steady state photocurrent produced by the sample, ⅳ) 공식
Figure 112009037105908-PCT00016
을 이용하여, 물 시료의 화학적 산소 요구량을 판단하며, 이때, δ는 네른스트 확산 층 두께(Nernst diffusion layer thickness)이고, D는 확산 계수(diffusion coefficient)이며, A는 전극의 면적이고, F는 패러데이 상수(Faraday constant)이고, iss는 정적 상태 광전류(steady state photocurrent)인, 상기 제어 수단
Iii) Formula
Figure 112009037105908-PCT00016
In this case, the chemical oxygen demand of the water sample is determined, where δ is the Nernst diffusion layer thickness, D is the diffusion coefficient, A is the electrode area, and F is Faraday. Said control means being a Faraday constant, i ss being a steady state photocurrent
을 포함하는 것을 특징으로 하는 프로브.Probe comprising a.
제 4 항에 있어서, 상기 광활성 작업 전극은 티타늄 다이옥사이드 나노입자성 광 전극인 것을 특징으로 하는 프로브.5. The probe of claim 4 wherein said photoactive working electrode is a titanium dioxide nanoparticulate photoelectrode. 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서, 광도는 3 내지 10W/㎠인 것을 특징으로 하는 프로브.The probe according to claim 4 or 5, wherein the light intensity is 3 to 10 W / cm 2.
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