📌고도산화공정(AOP) 기술 소개
고도산화공정(Advacned Oxidation Proess, AOP)은 넓은 의미로는 ·OH 라디칼을 이용한 산화반응을 통해 물이나 폐수 속의 유기용매를(또는 가끔은 무기용매를) 제거하는 화학적 처리법이다. 그러나 실제로 폐수처리에서는 더 구체적으로 오존(O3)과 과산화수소(H2O2) 또는 UV 광선을 쓰는 화학 공정을 이용한다.
고도산화공정은 매우 반응성이 높은 하이드록실 라디칼 (·OH) 등을 이용한다. 이러한 화학종들은 현존하는 가장 강력한 산화제로서 사실상 물에 녹아있는 그 어떤 화합물도 산화시킬 수 있으며, 확산제어 및 반응속도를 통해 작용한다.
결과적으로 ·OH가 생성되는 그 순간, 다양한 오염물질과 무차별적으로 반응하며, 매우 빠르고 효율적으로 오염물질을 작은 무기 분자로 산화 분해한다.
하이드록실 라디칼은 1개 또는 여러 개의 주 산화제(예를 들어 오존, 과산화수소, 산소이온 등)또는 에너지원이나 촉매(자외선, 이산화 티타늄 등)로 부터 생성된다.
하이드록실 라디칼(·OH)의 수득률을 높이기 위해, 이러한 반응물의 투여량과 순서, 조합 등을 매우 정확하고 사전에 예상한 상태에서 반응시켜야 한다.
일반적으로 잘 조정된 반응조건에서는, 고도산화공정에 적어도 5ppb에서 수백 ppm까지 활용함으로써 오염물질의 초기농도를 줄일 수 있고, 총유기탄소량과 화학적 산소 요구량을 크게 감소시켜 "21세기 정수처리기술"이라는 칭호를 얻게 되었다.
고도산화공정은 특히나 폐수 속에 녹아있는 방향족 화합물, 살충제, 석유계 구성성분, 휘발성 유기화합물 등과 생물학적으로 독성이거나 잘 분해되지 않는 물질을 대상으로 유용하다.
또한, 2차 처리를 마친 폐수를 다시 살균소독하는 3차 처리에도 이용될 수 있다. 이를 통해 상당량의 오염물질들이 물, 이산화탄소, 염과 같은 안정된 무기화합물로 변환된다(미네랄화).
고도산화공정을 이용한 폐수 처리의 목적은 깨끗하게 처리된 폐수의 독성과 화학 오염물질을 줄여 폐수를 다시 시냇물이나 아니면 적어도 재래식 하수 처리장에 보낼 수 있도록 하는 것이다.
하이드록실 라디칼(·OH)를 이용한 고도산화공정은 19세기 부터 이용해 왔지만(분석적이었지만 Fenton 시약이 있었다), Glaze가 "물을 정화하기에 충분한 량의 ·OH 생산"을 제안하고, "고도산화공정" 이라는 용어를 처음 1987년에 정의하기 전까지는 폐수처리에 이러한 산화제들을 활용하는 것은 주목받지 못했다.
아직까지도 상대적으로 높은 비용 때문에 상업적으로 대규모로 사용되지 않고 있다(특히 개발도상국에선). 그러나, 매우 높은 산화력과 높은 효율 때문에 고도산화공정은 다루기 힘든 유기물과 무기물을 제거하는 3차 처리 과정에서 많이 쓰이게 되었다.
사용된 물의 재사용에 대한 관심이 증대하고, 수질 오염에 대한 규정이 엄격해지면서, 전면적인 고도산화의 상용화가 가속되고 있다.
현재 전 세계적으로 대략 500여 개의 상업화된 고도산화공정 시설이 존재하며 그 중 대부분이 유럽이나 미국에 있다.
중국과 같은 다른 나라들도 고도산화공정에 관심을 보이고 있다.
🍯화학적 원리
일반적으로, 고도산화에 쓰이는 화학적 원리는 크게 3가지로 나눌 수 있다.
🔹️•OH의 형성
🔹️•OH에 의한 표적 분자에 대한 초기 반응과 부산물에 대한 파괴
🔹️최종적으로 무기화 작용으로 진행될 때까지 •OH에 의한 후속적 반응
하이드록실 라디칼(•OH) 합성 메커니즘은 고도산화공정 기술의 종류에 크게 의존한다.
예를들어 오존화, UV/H2O2, 광촉매 산화 작용은 각각 다른 ·OH 합성 경로를 가진다.
(1) UV/H2O2 기반의 AOP
H2O2 + UV → 2·OH
(H2O2 의 O-O 결합의 균형 분해가 2개의 ·OH 라디칼을 생성한다)
(2) 오존(O3) 기반의 AOP
O3 + HO− → HO2− + O2
(O3과 하이드록실 이온 간의 반응이 H2O2 생성{음전하의 형태로}한다)
O3 + HO2− → HO2· + O3−· (두번째 O3 분자가 HO2− 와 반응하여 오존 라디칼 음이온{ozonide radical}을 생성한다)
O3−· + H+ → HO3· (오존 라디칼 음이온에 양성자 첨가로 ·OH 생성한다)
HO3· → ·OH + O2 여기에 제시된 반응 단계는 반응 순서의 일부일 뿐이다.
🔎🔍자세한 내용은 참고 문헌을 참조
(3) TiO2를 이용한 광촉매 산화
TiO2 + UV → e− + h+ (광촉매의 표면에 빛을 조사시 생기는 들뜬 전자 (e−)와 궤도에서 (h+)를 생성한다)
Ti(IV) + H2O, Ti(IV)-H2O (촉매 표면에서 물을 흡수한다) Ti(IV)-H2O + h+
Ti(IV)-·OH + H+ 반응성이 높은 궤도에서 물과 반응한다.
여기에 제시된 반응 단계는 반응 순서의 일부일 뿐이다.
🔍🔎자세한 내용은 참고 문헌을 참조
아직까지 (3)번 부분의 자세한 메커니즘에 대한 정설은 존재하지 않지만, 과학자들은 (2)번 반응에서 ·OH에 의한 표적 분자의 산화 과정에 관한 실마리를 찾은 상태다.
본질적으로 ·OH은 라디칼 분자이고, 매우 반응성 높은 친전자체로 작용해야 한다. 그러므로 초기 산화 반응 중에서 수소 제거 반응과 첨가 반응이 필요하다.
기술 지침서에 채택된 뒤, 나중에 다시 개선된 아래의 계획은 ·OH를 이용한 벤젠의 산화 메커니즘에 관한 것이다.
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