고도산화공정 (AOPs) (1)

안녕하세요.

@chromium 입니다.

이전 포스팅에 이어서

저의 연구주제인 고도산화공정에 대해서 서술해 보려고 합니다.

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이전 글

고도산화공정 (0) - 고도산화공정은 왜 필요한 수처리 공정인가?

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지난 번 글에서 새로이 발생되는 미량오염물질들은

전통적인 수처리 공정으로는 처리할 수 없는 오염물질들이며,

고도산화공정이 그 해결책이라고 말씀드렸습니다.

그렇다면 고도산화공정이란 무엇일까요?

고도산화공정이란 일반적으로 강력한 산화제인

수산화라디칼(^.OH; Hydroxyl radical)을 활용하여

수중 오염물질을 산화분해하는 화학적인 수처리 공정을 의미합니다. ¹⁾

수산화라디칼의 분자모형

큰 힘에는 큰 책임감이 따른다.
따라서 화학물질에 의한 오염은 화학적 방법으로 처리한다.

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그러면 지금부터 수산화라디칼에 대해 알아보도록 하겠습니다.

수산화라디칼을 언급하기에 앞서

수산화이온(OH^-)과 라디칼(홀전자)에 대해 먼저 얘기하도록 하겠습니다.

수산화이온은 염기성을 나타내는 이온으로 안정된 상태의 음이온입니다.

수산화나트륨 등 염기성 물질 뿐만 아니라

일반적인 물에서도 생길 수 있는 분자입니다.

중성의 물에서도 자동이온화 (H₂O가 H⁺와 OH^- 분리)되어

일정량 (10^-7mol/L) 존재하는 음이온입니다.

물의 자동이온화

한편 라디칼이란 개념은 화학 전공자 아니면 생소한 개념입니다만,

분자내에 전자가 안정된 형태인 전자쌍을 이루지 못하고

1개가 부족하거나 1개가 많아서 아주아주 불안정한 상태를 의미합니다.

수산화이온과 수산화라디칼의 비교

산화제(oxidant)는 자신은 환원되고 남을 산화시키는 물질이라고 할 수 있습니다.

수산화라디칼은 아주 불안정한 상태이기 때문에

수중의 다른 물질로부터 전자를 빼앗아

안정된 형태인 수산화이온으로 환원되려는 성질이 강합니다.

수산화라디칼은 자연계에 발생가능한 라디칼의 산화환원전위 (Redox potential) 중

2번째로 높은 전위(E^o = 2.8 V vs NHE)를 가지고 있습니다. ²⁾

따라서 수산화라디칼이 강력한 산화제인 동시에

안정화된 형태도 수산화이온으로 물의 일부분이기 때문에

고도산화공정에 이용하는 것 입니다.

결국 수중의 오염물질은 수산화라디칼에 의해 산화되고,

지속적으로 수산화라디칼에 의해 산화시킬 수 있습니다.

그렇게 되면 수중의 오염물질은

전자를 잃고 결합이 끊어져 분자구조가 붕괴되기 때문에

최종적으로는 이산화탄소와 물의 형태까지 만들어지게 됩니다.

R (반응물질) + ^.OH -> P_ox (산화된 물질)+ OH^-

->>>>>> n CO₂ + m H₂O

고도산화공정을 이용한 유기오염물질의 산화과정

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참고사항으로 자연계에서 첫번째로 높은 전위를 가진 물질은

불화라디칼(F radical; E^o = 3.4 V vs NHE)입니다.

하지만 불화라디칼은 수중에서 불산(HF)으로 환원되어

유리를 녹이고 생물체 내에 흡수 되는 등의 피해를 입히기에

수처리에 활용이 불가능합니다.

구미 불산 유출 사건때에 피해를 입은 농가

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전통적인 수처리 공정에서는

낙동강을 오염시켰던 페놀이나 요즘 녹조에서 발생하는 조류독소 등을

분해 제거시키지 못하는 등 한계점이 있었습니다.

특히 페놀 오염의 경우 수처리 공정 마지막의 염소 소독공정에서

오히려 염소와 만나서 독성이 더 강한 염화페놀이 되는 등 부작용이 있었습니다.

이러한 한계점을 고도산화공정을 도입함으로써 극복할 수 있습니다.

녹조라떼(...)

매해 여러가지 원인에 의해 녹조가 생깁니다.

저는 정치적 중립성을 지킵니다.

하지만 녹조가 발생하여도 안전한 수돗물 공급을 위해

여러가지 장치를 마련하였습니다.

조류독소 경보제를 도입하고,

추가적으로 오존 및 고도산화공정으로 완전히 제거하여

수돗물로 공급하고 있습니다. (다행)

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고도산화공정의 종류 및 수산화라디칼의 전구물질,

보다 확장된 의미의 고도산화공정,

고도산화공정의 도입현황과

한계점 및 나아가야할 연구 방향 등은

다음 포스팅들에서 이어가도록 하겠습니다.

감사합니다.

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참고문헌

1.이창하 (2012) [총설] 고도산화기술을 이용한 수처리, 화학세계

2. A. J. Bard et al., (1985) Standard potentials in aqueous solution

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본 포스팅에서 사용한 이미지는 구글 이미지 및 위키피디아에서 가져왔습니다.