유기성 폐수처리를 위한 전기펜톤공정: 티타늄 환원 전극의 적용성 평가 = Electro-Fenton process for high-strength organic wastewater treatment: Evaluation of titanium cathode for practical application

국문 초록 (Abstract)

펜톤산화공정은 과산화수소와 2가 철의 화학반응으로 산화제(·OH)를 생성하여 수계 난분해성 유기물질, 염료 등 다양한 오염물질들을 처리하는 기술이다. 일반적으로 펜톤공정은 주입되는 화학물질들이 재사용되지 않고 버려지게 되며, 2가 철은 ·OH와의 반응 속도가 매우 빨라 그 농도가 급감하여 전체 펜톤 반응을 종결 또는 저해시키는 핵심 요소 중 하나이다. 또한, 산화된 3가 철은 다량의 슬러지를 발생시켜 추가적인 처리가 필요하다는 단점을 가지고 있다. 이러한 한계점을 극복하기 위해 전기에너지를 기반으로 in-situ 조건에서 산화된 3가철을 2가철로 환원시키는 전기펜톤공정에 대한 연구가 진행되고 있다. 특히, 탄소 계열, 스테인리스 스틸 계열, 백금과 같은 귀금속 계열 등을 환원 전극으로 활용한 연구들이 진행되었지만, 높은 내구도 및 화학적 안정성을 가지고 가격이 저렴한 티타늄에 관한 연구는 미비한 실정이다.
본 연구에서는 티타늄 환원 전극의 성능을 확인하기 위해 평판형과 메쉬 사이즈가 크고 작은 두 가지 메쉬형, 총 3가지 형태의 티타늄을 환원 전극으로 사용하여 연구를 진행하였다. 순환 전압전류법과 전기화학 임피던스 측정을 기반으로 3가지 형태의 전극을 분석한 결과, 동일 표면적일 때, 메쉬 사이즈가 작고 촘촘한 전극이 평판형 전극 대비 약 2배 더 넓은 전기화학적 유효 표면적을 가지고 있었고 다양한 셀 전압을 인가하였을 때 3가철을 환원시키는 능력이 가장 우수하였음을 확인하였다. 하지만 합성폐수에서 전기펜톤 방법으로 chemical oxygen demand (COD) 제거 실험을 진행하였을 경우, 두 가지 사이즈의 메쉬 환원 전극의 COD 제거효율 차이는 약 1% 내외로 적었으며, 실제 고농도 유기성 폐수로 실험하였을 때는 오히려 사이즈가 큰 메쉬가 10% 이상 더 높은 COD 제거효율을 나타내었다. 전극 표면 분석과 임피던스 측정을 통해 작은 메쉬 사이즈 전극의 표면에는 폐수에 존재하는 부유 물질들로 인한 전극 파울링으로 환원 반응이 저해됐지만, 사이즈가 큰 메쉬의 표면은 상대적으로 파울링 현상이 적었다. 본 연구 결과에 따르면 메쉬 티타늄 환원전극은 3가철 환원에 효과적이었으며 이러한 메쉬형 전극을 사용할 경우 메쉬 사이즈가 전기펜톤공정의 주요 설계 인자로 고려되어야 할 것으로 판단된다.