펜톤 공정
펜톤 시약은 오염 물질이나 폐수를 산화시키는 데 사용되는 과산화수소와 철 촉매의 용액입니다. 펜톤의 시약은 트리클로로에틸렌(TCE) 및 테트라클로로에틸렌(PCE)과 같은 유기 화합물을 제거하는 데 사용할 수 있습니다.
철(II)은 과산화수소로 인해 철(III)로 산화되며, 이 과정에서 하이드록실 라디칼과 수산화물 이온을 형성합니다. 그런 다음 철(III)은 다른 과산화수소 분자로 인해 다시 철(II)로 환원되어 하이드로퍼옥실 라디칼과 양성자를 형성합니다. 순수 효과는 물(H+ + OH-)의 부산물로 두 가지 다른 산소 라디칼 종을 생성하는 과산화수소의 불균형입니다.
Fe2+ + H2O2 → Fe3+ + HO• + OH–
Fe3+ + H2O2 → Fe2+ + HOO• + H+
이 과정에서 생성된 유리기는 2차 반응에 관여합니다. 예를 들어 수산기는 강력하고 비선택적인 산화제입니다. 펜톤 시약을 사용한 유기 화합물의 산화는 급속도로 진행되고, 발열 반응을 일으키며, 오염 물질을 주로 이산화탄소와 물로 산화시킵니다.
오존으로 인한 산화
오존은 고도 산화제이며 유기성 기판과 반응할 수 있으며, 파단에서 느리게 선택적으로 반응하거나 HO·를 생성하는 빠르고 비선택적인 라디칼 반응을 통해 보여줄 수 있습니다. 수용액에서 오존을 분해하면 특히 OH-로 시작하는 경우에 H2O•를 형성한다는 것이 입증되었습니다.
경로는 HO2–, HCOO–, Fe2+, 휴믹 물질 또는 주로 HO-를 사용한 다양한 방식으로 시작될 수 있습니다. 그렇기 때문에 원칙적으로 오존 처리는 알칼리성 매체에서 훨씬 더 효율적이며 pH 9 정도가 적정하다고 나타납니다. 복잡한 오존 처리를 통해 유기물은 모두 쉽게 생분해되는 화합물인 알데히드, 케톤 또는 카르복실산으로 변환됩니다. 또한, 오존 처리는 다른 기존 방법 또는 AOP와 결합하여 다용도로 사용할 수 있습니다.
그러나 작동 관점에서 볼 때 기체 액체 오존 물질 이동과 관련된 제한 사항이 있습니다. 결과적으로 공정 시 오존 물질 전달 계수를 최대화하고, 접촉 면적을 늘리기 위해 효율적인 반응기를 설계해야 합니다. 또한, 대형 기포탑을 이용하여 반응기 내 체류시간을 늘리거나 압력을 여러 기압으로 높여 오존의 용해도를 높이는 것도 효과적일 수 있습니다.
오존 처리 시스템에 H2O2를 추가하면 2차 반응을 통해 공정의 산화 능력이 향상됩니다. 과산화수소는 전자 이동으로 인해 O3 분해를 시작합니다.
O3 + H2O2 → HO• + O2 + HO2•.
이 공정은 비용이 많이 들지만 빠르며 pH 7~8의 매우 낮은 농도(ppb)에서 유기 오염 물질을 처리할 수 있습니다. 최적의 O3/H2O2 몰비는 2:1입니다. 이 처리법을 적용하는 주요 응용 분야 중 하나는 살충제 분해입니다. 또한, 트리할로메탄 또는 관련 화합물을 분해할 수 있기 때문에 이전에 염소로 처리한 물의 후처리에도 효과적입니다.
광화학적 산화 공정
오존이 UV 방사선과 결합되면 여러 과정이 발생합니다. 물에 있는 오존을 방사하면 H2O2가 정량적으로 형성됩니다. 자외선 복사로 인한 H2O2의 광분해는 각 과산화수소 분자당 2개의 하이드록실 라디칼을 생성합니다. 또한, 시약은 03과 반응합니다.
H2O2뿐만 아니라 오존은 하이드록실 라디칼과 반응하여 슈퍼옥사이드 라디칼을 형성합니다.
오존은 H2O2보다 흡수 계수가 높기 때문에 이 결합된 AOP는 자외선 흡수도가 높은 물을 처리하는 데 사용할 수 있습니다. 석영 반응기를 사용하지 않고 UV-B 광(280~315nm)을 사용할 수 있기 때문에 Oz나 직접적인 UV보다 효율이 높습니다.
UV-C 방사를 사용하면 O3의 광분해로 인해 H2O• 및 기타 산화제가 추가로 생성되며, 그에 따라 효율이 증가합니다.
고급 산화 공정(AOPS)
넓은 의미에서 AOP는 하이드록실 라디칼(OH)과의 반응을 통해 산화하여 물과 폐수에서 유기(때로는 무기) 물질을 제거하도록 설계된 일련의 화학 처리 절차를 의미합니다. 오존 (O3), 과산화수소(H2O2) 및/또는 자외선을 사용하는 화학 공정의 경우. 이러한 유형의 공정 중 하나는 원위치 산화라고 합니다.
AOP는 반응성이 높은 하이드록실 라디칼(OH)의 현장 생산에 따라 달라집니다. 이러한 반응성 종은 물에 적용할 수 있는 가장 강력한 산화제이며, 물 매트릭스에 있는 모든 화합물을 사실상 산화시킬 수 있습니다. 결과적으로 OH는 일단 형성되면 비선택적으로 반응하고 오염 물질은 신속하고 효율적으로 분할되어 작은 무기 분자로 변환됩니다. 하이드록실 라디칼은 하나 이상의 1차 산화제(예: 오존, 과산화수소, 산소) 및/또는 에너지원(예: 자외선) 또는 촉매(예: 이산화티타늄)의 도움으로 생성됩니다.
AOP 절차는 폐수에 있는 방향제, 살충제, 석유 성분 등과 같은 생물학적으로 독성이 있거나 분해되지 않는 물질을 처리하는 데 특히 유용합니다. 또한, AOP는 2차 처리된 폐수의 유출물을 처리하는 데 사용할 수 있으며, 이를 3차 처리라고 합니다. 오염 물질은 대부분 물, 이산화탄소 및 소금과 같은 안정적인 무기 화합물로 전환됩니다. 즉, 광물화가 진행됩니다.
일반적으로 AOP에서 화학은 본질적으로 다음과 같이 세 부분으로 나눌 수 있습니다.
OH 형성
OH로 인한 표적 분자에 대한 초기 공격 및 파편 분해.
궁극적인 광물화까지 진행되는 OH로 인한 후속 공격.
오존 처리, UV/H2O2 및 광촉매 산화는 다음과 같이 다양한 OH 생성 메커니즘에 따라 달라집니다.
UV/H202:
H202 + UV → 2-OH
오존 기반 AOP:
O3 + HO – HO2 + O2
O3 + HO2 → HO2: + 03
03: + H+ – HO3.
H03. → OH + O2
TiO2를 사용한 광촉매 산화:
TiO2 + UV + e +h+
Ti(IV) + H2O = Ti(IV)-H20
Ti(IV)-H20 +h+ = Ti(IV)–OH + H+
장점
- 오염물질을 수집하거나 다른 단계로 옮기는 대신 수상에서 유기 화합물을 효과적으로 제거할 수 있습니다.
- OH의 현저한 반응성은 거의 모든 수성 오염물과 거의 구별 없이 반응합니다. 따라서 AOP는 많은 유기 오염 물질이 동시에 제거 될 것으로 예상되는 전부는 아니더라도 많은 시나리오에 적용될 수 있습니다.
- 일부 중금속은 침전된 M(OH)x 형태로 제거할 수도 있습니다.
- 일부 AOP 설계에서는 소독도 가능하며 AOP를 수질 문제의 일부에 대한 통합 솔루션으로 안내합니다.
- OH의 완전한 환원 생성물은 H2O이기 때문에 AOP는 이론적으로 새로운 유해 물질을 물에 도입하지 않습니다.
단점
- 가장 눈에 띄는 점은 대부분의 AOP 시스템의 작동을 유지하기 위해 값 비싼 화학 시약을 지속적으로 투입해야하기 때문에 AOP 비용이 너무 높다는 것입니다.
- 일부 기술은 신뢰할 수 있는 성능을 보장하기 위해 폐수 전처리를 필요로 하는데, 이는 잠재적으로 비용이 많이 들고 기술적으로도 까다로울 수 있다. 있습니다. 예를 들어, 중탄산 이온 (HCO3-)이 존재하면 H2O와 훨씬 더 반응성이 낮은 종 .CO3-를 생성하는 소기 공정으로 인해 • OH 농도가 크게 감소 할 수 있습니다. 결과적으로 중탄산염을 시스템에서 닦아야 하며, 그렇지 않으면 AOP가 침해됩니다.
- 잠재적 비용을 고려하면 AOP는 대량의 폐수를 개별적으로 처리하지 못할 수 있습니다. 대신, AOP는 1차 및 2차 처리에 의해 대부분의 오염물질이 제거된 후 최종 단계에서 도입되어야 합니다.