고도산화공정(AOP)

왜 배우는가: 고도산화공정은 생물처리로 제거되지 않는 난분해성 유기물과 독성 물질을 다루는 3차 처리 공정이다. ·OH의 생성 경로와 비선택적 산화라는 원리를 알아야 공정 선택과 설계 근거를 답안에 쓸 수 있으며, 기출에서 여러 회차에 걸쳐 반복된 주제이다.

출제 이력: 제131회 1교시 12번, 제128회 1교시 10번, 제126회 1교시 11번, 제108회 1교시 9번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

고도산화공정(AOP)은 수산화 라디칼(·OH)을 현장에서 생성해 난분해성 유기물을 비선택적으로 산화하는 수처리 공정이다.

핵심 키워드는 다음과 같다.

• 고도산화공정(AOP): 반응성이 큰 산화종을 이용해 오염물질을 분해하는 수처리 공정군이다.
• 수산화 라디칼(·OH): 고도산화공정의 핵심 산화종으로, 산화 전위가 매우 큰 자유 라디칼이다.
• 비선택적 산화: 물질을 가리지 않고 거의 모든 유기물과 빠르게 반응하는 특성이다.
• 무기화: 유기물이 이산화탄소, 물, 무기염으로 완전히 분해되는 상태이다.
• 난분해성 유기물: 응집·침전이나 생물처리로 잘 제거되지 않는 물질이다.
• 펜톤 반응: 철 이온과 과산화수소로 ·OH를 만드는 반응이다.
• 광촉매 산화: 빛을 받은 이산화티타늄(TiO2) 표면에서 ·OH를 만드는 방식이다.

2. 개념 풀이

고도산화공정은 상온과 상압에 가까운 조건에서 수산화 라디칼 같은 강한 산화종을 생성하여 물속 유기 오염물질을 분해하는 공정군이다. 일반 산화제만으로는 분해가 어려운 방향족 화합물, 살충제, 의약품, 휘발성 유기화합물을 주로 대상으로 한다.

고도산화공정의 화학은 세 단계로 나뉜다. 첫째, ·OH가 생성되는 단계이다. 둘째, ·OH가 표적 분자를 공격하여 작은 파편으로 쪼개는 단계이다. 셋째, 파편이 무기물이 될 때까지 ·OH가 계속 공격하여 이산화탄소, 물, 무기염으로 바꾸는 무기화 단계이다. 세 단계 중 ·OH를 만드는 방식이 공정의 종류를 구분하는 기준이 된다.

수산화 라디칼의 산화 전위는 약 2.8V로 오존(약 2.07V)보다 높다. 산화력이 높으면 반응 속도가 빨라 체류시간과 반응조 면적을 줄일 수 있다. 오존은 이중결합 등 특정 구조와 선택적으로 반응하므로 일부 물질은 분해율이 낮다. ·OH는 이와 달리 거의 모든 유기물과 반응하며, 이 특성을 비선택적 산화라고 한다. ·OH는 비선택적으로 반응하므로 대부분의 유기물을 분해한다.

성능은 산화제 주입량, 자외선 세기, pH, 라디칼 소거제의 농도에 따라 달라진다. 물속의 탄산염이나 중탄산염은 ·OH를 소거하는 물질로, ·OH가 표적 오염물질 대신 이들과 먼저 반응하여 처리 효율을 떨어뜨린다. 따라서 설계 단계에서 알칼리도와 pH를 함께 검토해야 한다.

·OH를 만드는 방법은 여러 가지이다. 과산화수소에 자외선을 쪼이면 O-O 결합이 끊어져 ·OH 두 개가 생성되는 UV/H2O2 공정이 된다. 오존과 과산화수소를 함께 쓰는 퍼옥손 공정에서는 과산화수소의 해리 생성물이 오존과 반응하여 ·OH를 만든다. 철 이온과 과산화수소를 쓰는 펜톤 반응은 다음 식으로 진행된다.

$Fe^{2+} + H_2O_2 → Fe^{3+} + OH^- + ·OH$

광촉매 산화는 빛을 받은 이산화티타늄 표면에서 생성된 정공이 흡착된 물과 반응하여 ·OH를 만드는 방식이다. 각 방식은 에너지원, 산화제, 촉매의 조합이 다르므로 공정 선택 시 처리 대상과 운전비를 함께 비교해야 한다.

3. 등장 배경과 필요성

·OH를 이용한 산화 자체는 19세기에도 펜톤 시약의 형태로 알려져 있었다. 그러나 폐수처리 분야에서 본격적으로 주목받은 것은 1987년 학계에서 고도산화공정이라는 용어가 처음 정의되고, 처리 목적에 맞게 ·OH를 충분히 만들 수 있다는 개념이 제시된 이후이다. 1970년대 이후 미국과 유럽 등지에서 기초 연구가 진행되었고, 1980년대 후반부터는 상수와 지하수 처리에 상용화되기 시작하였다. 이후 캐나다와 프랑스 등을 중심으로 폐수의 전처리나 고도처리에 적용하려는 연구가 활발해졌다.

필요성은 기존 처리 공정의 한계에서 나온다. 응집, 침전, 여과, 활성탄 흡착, 생물처리는 맛과 냄새 물질, 미량 유기오염물질, 독성 물질을 충분히 제거하지 못하는 경우가 많다. 이런 물질은 생물학적으로 잘 분해되지 않거나 독성이 있어 기존 공정 뒤에 추가 처리가 필요하다. 산업 폐수에 포함된 방향족 화합물, 석유 성분, 휘발성 유기화합물이 대표적인 예이다.

수질 규제가 강화되고 물 재이용에 대한 관심이 커지면서 고도산화공정의 적용 범위가 넓어지고 있다. 처리 목적은 처리수의 독성과 화학 오염물질을 줄여 하천에 방류하거나 재래식 하수처리장으로 보낼 수 있게 하는 데 있다. 이 때문에 고도산화공정은 생물처리 뒤에 붙는 고도처리나 3차 처리 단계에 주로 놓인다. 다만 처리 비용이 높아 대규모 적용은 상대적으로 제한적이며, 특히 개발도상국에서 그렇다.