본문내용
1. 환경공학 오존처리기술의 현주소와 향후 과제
1.1. 오존처리기술 개론
오존은 산소의 동위체로서 분자 기호 O₃, 분자량 48g, 융점 -212℃, 비점 -112℃, 비중 1.7로 이루어진 특수한 기체이다. 오존은 3개의 원자 중 제3의 원자가 결합이 약해 쉽게 분리되어 강력한 산화력을 지닌다. 이러한 오존의 특성으로 인해 오존은 수처리, 식품 및 제지 등 다양한 분야에서 활용되고 있다.
오존은 산소 동위체로서 상온에서 무색의 기체로 코를 자극하는 독특한 냄새를 가지고 있다. 오존은 -180℃까지 냉각하면 검푸른 액체로 변하지만, 이 액체상태의 오존은 매우 불안정하고 폭발성이 높다. 오존은 특정 파장의 빛을 흡수하는데, 오존의 최대 흡수 파장은 2537Å이다. 또한 오존은 산소보다 약 10배 용해도가 높지만, 오존 발생장치에서 얻어지는 오존의 농도는 약 2%에 불과하여 수중 오존 농도는 10mg/ℓ 수준에 불과하다. 한편, 오존은 자체가 불안정하여 20℃의 물에서 20~30분의 반감기를 가지며, 이 분해 속도는 주로 pH의 영향을 받는다.
오존은 강력한 산화제로서 전위차가 2.07V로 불소와 OH기 다음으로 높은 편이다. 이러한 강력한 산화력으로 인해 오존은 백금과 은을 제외한 모든 금속, 미생물 및 유기물질 등을 산화시킨다. 오존의 분해 반응은 매우 복잡한데, 수중에서는 수산화이온, 자외선, 과산화수소, 금속이온 등에 의해 촉진되어 급속히 분해되며, 중탄산염 등에 의해 안정화되기도 한다. 또한 오존이 자연유기물과 반응할 때는 유기물의 약한 부분을 공격하여 중간 생성물을 생성한다.
오존은 뛰어난 살균력과 산화력으로 인해 각종 유해물질을 제거하고 성층권에서는 자외선을 차단하는 장점이 있다. 하지만 지표에서는 인간에게 질병을 유발할 수 있는 야누스와 같은 존재이기도 하다. 오존은 수처리, 오수처리, 폐수처리, 공장용수 처리, 의약품 및 화학 공정 등 다양한 분야에서 활용되고 있으며, 지속적인 기술 개발과 활용 확대가 이루어지고 있다.
1.2. 오존의 물리화학적 특성
오존은 산소의 동위체로서 분자기호 O₃, 분자량 48g, 융점 -212℃, 비점 -112℃, 비중 1.7로 상온에서 무색의 기체이다. 특유한 자극적인 냄새가 나는데, 이는 코를 자극하는 성질이 있기 때문이다. 오존은 상온에서 보관하면 불안정하여 쉽게 산소로 분해되며, -180℃까지 냉각시키면 검푸른 액체가 된다. 액체상태의 오존은 매우 불안정하고 폭발성이 있어 공기-산소 혼합 상태에서 오존농도가 30%이상이 되면 쉽게 폭발할 수 있다.
오존은 특정 파장에서 적외선, 자외선, 가시광선 등의 빛을 잘 흡수하며, 최대 흡수파장은 2537Å으로 알려져 있다. 산소보다 용해도가 약 10배 정도 높지만, 오존 발생장치에서 얻어지는 오존의 분압은 약 2% 수준에 불과하므로 수중에 용존되는 오존의 농도는 1기압 20℃ 상태에서 산소와 비슷한 약 10mg/ℓ에 지나지 않는다. 오존은 그 자체가 불안정하여 20℃의 물에서 20~30분의 반감기를 가지며, 이는 오존의 농도, 불순물의 존재 여부, 압력 등에 영향을 받는다. 수중의 오존(잔류오존)은 비교적 단시간에 산소로 분해되는데, 이 분해 속도는 주로 pH의 영향을 받는다. 산성에서는 안정하지만 알칼리성으로 갈수록 분해 속도가 빨라진다.
오존은 강력한 산화제로서 불소와 OH기 다음으로 높은 전위차인 2.07V를 가지므로, 백금과 은을 제외한 모든 금속과 미생물 및 유기물질 등을 산화시킬 수 있다. 오존 자체가 불안정하여 서서히 자기분해를 하며 산소로 변화하는데, 이 과정은 습도, 금속, 백금, 이산화망간, 수산화나트륨, 소석회, 브롬, 염소, 광화학 반응 등의 촉매작용에 의해 더욱 빨라진다. 오존 분해 반응은 수중에서 더욱 복잡해지며, 수산화이온, 자외선, 과산화수소, 금속이온(Fe⁺⁴) 등에 의해 반응이 시작되고, 수산화기(OH), 오존음이온(O₃⁻), 슈퍼옥사이드 이온(O₂⁻) 등의 중간체를 거쳐 급속히 분해된다. 반면 탄산, 중탄산이온(CO₃²⁻, HCO₃⁻) 등은 오존 분해 반응을 억제하여 오존을 안정화시키므로, 알칼리도가 높은 곳에서 오존은 상대적으로 안정하다. 유기물이 있는 곳에서는 수산화기가 가장 활발히 반응하여 오존이 자연유기물과 반응할 때 복합휴믹산의 탄소-탄소 이중결합, 방향족고리, 금속이온 등을 공격하여 중간생성물을 만들어 낸다.
1.3. 오존의 기능과 응용
오존(O3)은 강력한 산화력과 살균력을 가지고 있어 다양한 분야에서 활용되고 있다. 오존은 염소보다 약 5.6배 강한 살균력을 가지고 있으며, 물속에서 쉽게 분해되어 오존의 독성이 잘 전달되지 않는다. 이러한 오존의 특성으로 인해 수처리 분야에서 색도 제거 및 분해하기 어려운 물질들을 분해하는 데 효과적이다. 또한 오존은 박테리아와 바이러스를 멸균할 수 있으며, 맛과 냄새, 색깔을 나타내는 유기물질의 구조를 변형시킬 수 있다. 이와 더불어 세제, 살균제, 페놀과 humic산, fulvic산, 탄닌산과 같은 유기물을 산화시킬 수 있고, 철, 망간 및 기타 중금속의 산화에도 효과적이다. 오존은 분자량이 큰 NBDOC를 BDOC로 전환시켜 생분해성을 증가시키며, 입상활성탄 여과지에 산소를 공급하여 호기성박테리아를 활성화시킬 수 있다. 또한 침강성을 향상시키고, THM 전구물질, 술파이드, 시아나미드의 산화에 활용되며, 조...
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