음극방식의 종류

음극 방식 방법의 종류    음극방식 방법의 종류 금속표면을 음전위 방향으로 분극하게 되면 금속의 용해(부식)가 방해되어 부식속도가 현저히 줄어든다. 통상적으로 부식계에서 양극반응과 음극반응은 각각 다음과 같이 나타낼 수 있다.                  자연전위보다 음극방향으로 분극하게 되면 금속이온이 금속원자로 환원하려는 경향이 강하여 금속용해인 산화반응이 억 제되고 산소의 환원 및 수산화 이온의 발생 등이 촉진된다. 이렇게 음분극하는 방법은 외부에서 전원을 사용하여 강제적으로 금속 (방식대상물)을 음극화하거나 갈바닉쌍의 부식원 리를 이용하는 소위 희생양극을 방식대상물인 금속에 연결하는 방법이 있다.  희생양극법 (sacrificial anode method) - 개념 서로 다른 금속이 갈바닉쌍을 이룰 경우 갈바닉 계열상의 보다 귀한 (양의 방향으로 높은) 전위의 금속은 보다 음분극이 되며 천한 전위의 금속은 양극용해가 잘 된다는 갈바닉 효과 사실로부터 응용된 방법으로 방식대상이 되는 금속보다 천한 (음의 방향으로 높은) 전위의 금속을 전기적으로 접속하여 음극방식의 원리를 얻어내는 방법이다. 희생양극 연결시 부식셀에서의 전류의 흐름 희생양극을 이용한 방식 사례 (매설배관)   표 1은 각각 금속들의 표준 전위를 나타낸 것이다. 각각의 금속들은 일정한 주변 환경에서 각각 다른 평형전위를 나타낸 다. 이렇게 전위가 다름을 이용하여 구조물을 방식시키고 희생양극을 대신 부식시키는 것이 희생양극법이다. 만약 금속구조물을 토양에 매설하였다고 하면 금속표면에서는 식 1)과 같은 금속산화반응과 식2)와 같은 수소환원반응, 식3)와 같은 산소 환원반응이 동시에 일어나고 있으며 전체적으로 산화반응속도와 환원반응속도가 같아 외부로 흐르는 전류는 0인 상태로 금속의 부식이 진행된다. 이러한 금속에 금속의 전위보다 낮은 다른 금속(양극)을 연결하면 금속구조 물은 전위가 높으므로 음극이 되고 다른 금속은 전위가 낮으므로 양극이 된다. 따라서 금속구조물에서는 환원반응이 우세하게 되어 부식반응인 산화반응은 억제되고 양극에서는 양극이 녹아나는 산화 반응이 같은 속도로 나타난다.                 이러한 희생양극법에서 가장 중요한 것은 금속구조물과 양극으로 사용되는 금속사이의 전위차이다. 그림3에서와 같이 음극의 전위를 인위적으로 양극의 전위와 같게 하여 주는 것이 음극 방식의 기본 개념이며 이는 그림4 에서와 같이 음극전류를 부식셀에 인가하여 줌으로써 가능하다.   표1 . Electrochemical force (emf) series   표2 . 양극으로 사용되는 물질들의 특성   - 희생양극법의 장점 ㆍ외부의 힘에 의해 파괴될 가능성이 적다. ㆍ설계수명기간 동안 유지비가 적게 든다. ㆍ전기와 같은 외부 에너지원이 필요하지 않다. ㆍ시스템 요소가 적다 (간단하다). ㆍ주변 구조물과 전기적으로 절연된 국부적인 구조물의 방식에 적합하다. ㆍ작동하는 전위차가 크지 않으므로 주변 구조물에 간섭 영향을 주지 않는다. ㆍ과방식에 대한 우려가 없다. ㆍ시공이 간단하고 편리하다. ㆍ전류분포가 외부전원법에 비해 상대적으로 균일하다. - 희생양극법의 단점 ㆍ토양비저항이 큰 지역에는 비경제적이다. ㆍ긴 수명을 요구하는 장소에는 불리하다. ㆍ계절에 따라 전류출력이 달라진다. ㆍ산성환경에서는 양극이 직접적인 환경의 영향으로 수명과 효율이 급격히 떨어진다. ㆍ설계수명을 키우기 위해서는 양극의 양을 많게 해야 한다. ㆍ전해질의 화학조성과 온도에 따라 양극의 전위가 달라진다.    외부전원법 (impressed current method) - 개념 금속의 표면에서 토양으로 전류가 방출하면 부식이 되고 반대로 토양에서 전류가 금속으로 유입되면 방식이 되는 것이므로 외부에 양극을 매설하고 정류기를 사용하여 정류기의 (+)극을 양극에 연결하고 (-)극을 금속구조물에 연결하여 정류기에서 강제적으로 전류를 흘려주어 양극을 통하여 흘러나간 전류가 전해질을 통하여 음극인 금속구조물로 유입되게 하여 구조물을 방식하는 방법이다. 음극분극시키기 위하여 외부에서 전류를 부가시키게 되는데 이때에는 외부의 전원을 공급할 수 있는 정류기가 필요하며, 상대 양극전극으로는 주로 흑연, 고실리콘주철 (HSCI) 또는 플라티늄피복 티타늄전극 등이 사용된다.   그림 3. 외부전원에 의한 음극방식법.                 그림 4. 외부전원법의 개념도   - 장단점 외부전원식은 다음과 같은 장점이 있다. ㆍ구조물의 전위를 정류기의 출력을 조정함으로써 낮은 값에서 높은 값까지 변화시킬 수 있다. ㆍ에너지원이 단지 1개의 정류기로만 사용할 수 있다. ㆍ양극으로 다양한 종류를 사용할 수 있다. ㆍ많은 외부전원용 양극들은 매우 적은 소모율을 가지며 작은 크기에서도 큰 전류량을 흐르게 할 수 있다. ㆍ전기적인 방법으로 제어 및 감시가 가능하다. ㆍ양극의 수명이 길다. ㆍ저항이 높은 지역의 방식도 가능하다. ㆍ넓은 지역을 한 에너지원으로 방식이 가능하다. 외부전원식의 단점은 다음과 같다. ㆍ외부전원이 필요하다. ㆍ정기적인 유지관리가 필요하며 유지비가 소요된다. ㆍ양극에 연결되는 전선이 부식될 수 있다. ㆍ양극은 상당히 높은 전위를 유지하므로 이러한 전위가 주변의 다른 구조물에 간섭을 줄 수 가 있다. ㆍ시공이 까다롭고 시공비가 많이 든다.