스마트계측기[blog]

Fenton 산화공정의 특징

펜톤산화법은 많은 유기물 중에서 특히 radical이 공격할 수 있는 불포화 탄화수소를 가진 유기물을 효과적으로 산화시킨다.  
펜톤시약을 이용하여 폐수 중의 유기물을 처리하는데 있어서 가장 이상적인 것은 유기물이 최종 산화단계인 이산화탄소와 물로 분해되는 것이다.

그러나 펜톤시약의 주기능이 친전자성을 가진 OH radical에 의해 유기물을 산화 분해시키는 것이므로 전자 공여체 그룹이 있는 고분자 물질의 경우에는 효과적

으로 COD를 감소시킬 수 있으나 산화단계가 이미 많이 진행되어 있는 저분자량의 유기산이나 알코올류 등은 효과적으로 분해 시킬 수 없게 된다.  

대부분의 유기물이 고분자량의 환원성 상태로 존재할 때 생물학적 난분해성 물질에 속하므로, 펜톤산화법은 생물학적 처리와 상호 보완관계가 가능할 것으로

생각된다. 

처리공정 및 설계인자

Fenton산화법은 대상폐수 및 여건에 따라 다소의 차이는 있으나, 현재 국내에서 염색폐수나 폐기물 매립장 침출수 폐수처리 공정에 적용하는 

과정은 생물학적처리 -> 화학적처리 -> Fenton 산화처리의 순으로 구성되며 주요 설계인자는 다음과 같다. 

1) 반응 pH
펜톤시약을 이용한 산화는 수용액 중의 pH 변화에 따라 지배적인 이온종이 바뀌고 OH radical이 생성되는 산화 환원 반응의 전위가 바뀌기 때문에 펜톤산화

반응에서 가장 큰 영향을 미치는 인자 중의 하나가 반응 pH이다.  

pH가 적정 범위를 벗어나면 주입된 철 이온은 Fe(OH)3(s)로 침전되어 제거되거나 Fe(Ⅲ) 착물이 형성되므로 순환되는 철 이온의 양이 감소하게 되고, 따라서

펜톤산화 반응의 효율은 급격히 떨어지게 된다.  

이 경우 철 이온은 촉매로서의 기능이 떨어지고 촉매의 자산화 반응이 일어나 과산화수소 및 촉매의 손실을 야기시킬 것이다. 

Fenton 산화의 적정 pH 범위는 3∼5이며, 처리대상 물질에 따라 최적 pH가 민감하게 변화한다.

2) 과산화수소 및 Fe2+의 주입량
과산화수소는 촉매가 존재하면 O-O 결합이 파괴되어 radical이 생성되고 활성화되어 여러 가지 물질을 산화 분해시키는데, 이러한 OH radical을 발생시키는

방법으로 산화 상태의 2가 금속으로서 철 촉매를 이용하는 것이 펜톤산화법이다.
펜톤산화의 반응 메카니즘에 의하면 펜톤산화 반응에서 Fe2+은 촉매로 작용하며 적정량 이상에서는 오히려 OH radical을 소모하게 되므로 Fe2+ 가 효과적으로

작용하기 위해서는 철과 불포화탄화수소(Fe2+/RH)의 비가 중요하다. 

이 값이 클 때 OH radical은 Fe2+의 산화에 많이 소모되고 반대로 이 값이 작을 때 OH radical은 RH의 산화 분해에 많이 이용되기 때문이다. 

또한 과산화수소의 주입량이 철염에 비해 상대적으로 많을 경우 과산화수소의 분해속도가 늦어져 반응시간이 길어지게 되며 철염제거 공정에서 반응하지 못하고

잔류해 있는 과산화수소가 분해되어 기포상태의 산소를 방출하면서 슬러지가 부상하여 침전에 방해를 주는 인자로 작용할 수 있다.

반대로 철염의 주입량이 과산화수소에 비해 상대적으로 많을 경우 반응에 역효과를 미치며 펜톤산화의 단점이라고 할 수 있는 슬러지 발생이 증가하여 처리에

장애를 주게 된다. 

결과적으로 과산화수소의 주입량과 Fe2+의 주입량을 증가시키면 어느 한계까지 처리효율은 상승하지만, 과산화수소의 주입량이 많을 경우 약품 비용이 제한

요소가 될 수 있으며, Fe2+의 주입량이 많을 경우 철염에 의해 생성되는 슬러지의 처리비용이 높아지므로 반응시간, 반응속도, 과산화수소의 잔류량, 총 처리비용

등을 고려하여 과산화수소와 Fe2+의 주입량을 결정하여야 할 것이다. 

3)반응시간
펜톤산화의 적정 반응시간을 결정할 경우 유기물의 제거효율뿐만 아니라 과산화수소의 잔류량도 고려되어야 한다.  

이는 반응 후 잔류하는 과산화수소가 펜톤산화 공정 중의 철염제거 과정에서 슬러지의 부상을 초래할 수 있기 때문이다.  

4) 중화 및 철염제거 공정
산화 반응 후 촉매로 이용된 철염을 제거하기 위한 공정으로 중화 단계에서는 일반적으로 NaOH를 이용하여 Fe3+의 용해도가 낮은 pH 범위인 7.5 ∼8로 조정하고

응집 침전을 통하여 처리수와 슬러지를 고액 분리한다.