AOPs

< 고도산화공정(또는 고급산화공정)이란?>

고도산화공정이란 용어는 1980년대 후반에 정립된 것이다.
Advanced oxidation processes(AOPs)로 표기하며 우리말로는 고급산화공정으로도 번역되어 사용된다.
AOPs는 흔히 오존, 과산화수소, 자외선 등을 사용하여 수산화라디칼을 생성함으로써 산화처리 효율을 높이기 위한 공정으로 이해된다. 이러한 산화처리 효율향상은 주로 수산화라디칼의 높은 산화력에 기인하는 것이다. 예를 들어, 흔히 사용되어온 염소는 산화력이 높은 물질로 물속에서 차아염소산으로 전환되어 오염물질과 반응하여 이를 산화시킨다. 염소의 친척뻘인 이산화염소는 염소보다 산화력이 높은 물질로 실제 응용면에서 염소에 비해 더 우수한 특징이 있다. 하지만 이러한 염소나 염소산화물은 수산화라디칼에 비하면 산화력이 상당히 낮은 편으로 특히 난분해성오염물질의 처리에는 크게 효과적이지 않은 것으로 연구 결과가 제시되었다. 또한 이들 염소기반 산화제는 자칫하면 원 물질보다 독성이 높을 수도 있는 유기 염소화합물을 부산물로 생성하여 해로운 결과를 초래할 수도 있다. 이런 이유로 AOPs에 주로 사용되는 오존, 과산화수소 등은 친환경적인 산화제로도 각광받고 있다.
또한 초음파, 전자빔 등의 사용에 의해서도 수산화라디칼을 생성할 수 있으며 철과 과산화수소의 조합인 펜톤반응에 의해서도 수산화라디칼이 생성되는 것으로 이해되고 있다.요약하면, 강력한 산화제인 수산화라디칼(OH)을 주 산화제로 사용하는 공정들을 AOPs로 통칭하여 부른다.

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< 오존과 수산화라디칼 >

불안정한 물질인 오존은 물속에서나 공기중에서 자기 분해되는 특성을 갖는데, 이는 곧 오존이 많은 물질과 높은 반응성을 갖는 것과 같은 맥락이다. 오존은 물에 용존되어 고유의 반응 메커니즘을 갖고 분해되면서 사라진다. 이러한 반응 메커니즘은 물속에 어떤 물질이 존재하는지에 긴밀히 관련된다. 순수한 물에 용해된 오존은 물의 고유한 화학적 특성에 연관되어 분해된다. 물속에 고유하게 존재하는 수산화 이온과 수소이온 등과 연관된 여러 반응단계를 거쳐 수산화라디칼을 생성하면서 분해된다.

초기 반응은 다음과 같이 오존과 수산화이온간의 반응을 통해 과산화수소이온과 산소가 생성되는 것이다.

O3  + OH  –> HO2  + O2

이것은 염기성 조건에서 오존의 분해와 반응이 촉진되는 것과 일치한다. 위 반응은 라디칼 반응 등에 비하면 아주 빠른 반응은 아니다. 이어서 오존은 생성된 과산화수소이온과 반응하여 과산화수소라디칼 및 오조나이드이온 라디칼을 생성한다.

O3 + HO2 –> HO2(radical) + O3(radical)

위 두 반응이 오존이 순수한 물속에 용해되었을 때 초기에 일어나는 반응이다. 이 반응은 상당히 빠른 반응이다. 위 두 반응을 합쳐보면 초기 오존 반응은 다음과 같다.

2O3 + OH –> HO2(radical) + O3(radical) + O2

오존이 물에 용해되면 알칼리 조건에서 매우 빠르게 반응, 사라지는 것을 의미한다.

O3 + HO2(rad) –> O3(radical) + H+ + O2

이후의 반응은 수산화라디칼이 생성되고 그 후 추가적인 반응 경로를 통해 반응이 전파, 종결된다.

O3(rad) + H2O –> HO(rad) + O2 + OH

그런데 순수한 물에서 일어나는 이러한 반응은 실제 대부분의 수처리 조건에서는  그대로 일어나는 것은 아니다. 왜냐하면 오존은 수산화이온과 반응하기에 앞서 다른 반응 물질이 있다면 그 물질들과 반응하기 때문이다. 결과적으로 수산화라디칼의 생성량은 오존의 주입만으로는 아주 크지 않은 것이 보통이다. 국내외 여러 상업적 자료에서, 투입된 오존의 대부분이 수산화라디칼로 전환된다고 서술하고 있는 것은 타당성이 없는 이야기들이다.

<오존 적용시 2가지 산화 경로>

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