전기화학적 산화

넓은 의미에서 전기화학적 산화는 산화-환원 반응의 원리에 기반하여 전극에서 발생하는 직접 또는 간접 전기화학 반응을 포함하는 전기화학 과정 전체를 지칭합니다. 이러한 반응은 폐수에서 오염 물질을 감소시키거나 제거하는 것을 목표로 합니다.

좁은 의미로 전기화학적 산화는 양극 공정을 의미합니다. 이 공정에서는 유기 용액이나 현탁액을 전해조에 넣고 직류를 인가하여 양극에서 전자를 추출하여 유기 화합물을 산화시킵니다. 또는, 원자가가 낮은 금속은 양극에서 원자가가 높은 금속 이온으로 산화되어 유기 화합물의 산화에 참여합니다. 일반적으로 유기 화합물 내의 특정 작용기는 전기화학적 활성을 나타냅니다. 전기장의 영향으로 이러한 작용기의 구조가 변화하여 유기 화합물의 화학적 성질이 변하고 독성이 감소하며 생분해성이 향상됩니다.

전기화학적 산화는 직접 산화와 간접 산화의 두 가지 유형으로 분류할 수 있습니다. 직접 산화(직접 전기분해)는 전극에서 오염 물질을 산화시켜 폐수에서 직접 제거하는 공정입니다. 이 공정에는 양극 공정과 음극 공정이 모두 포함됩니다. 양극 공정은 양극 표면에서 오염 물질을 산화시켜 독성이 덜한 물질이나 생분해성이 더 높은 물질로 전환하여 오염 물질을 감소시키거나 제거합니다. 음극 공정은 음극 표면에서 오염 물질을 환원시키는 공정으로, 주로 할로겐화 탄화수소의 환원 및 제거와 중금속 회수에 사용됩니다.

음극 공정은 전기화학적 환원이라고도 합니다. 이는 전자를 전달하여 Cr6+ 및 Hg2+와 같은 중금속 이온을 더 낮은 산화 상태로 환원시키는 과정을 포함합니다. 또한, 염소계 유기 화합물을 환원시켜 독성이 적거나 무독성 물질로 변환시켜 궁극적으로 생분해성을 향상시킬 수 있습니다.

R-Cl + H+ + e → RH + Cl-

간접 산화(간접 전기분해)는 전기화학적으로 생성된 산화제 또는 환원제를 반응물 또는 촉매로 사용하여 오염 물질을 독성이 덜한 물질로 전환하는 것을 말합니다. 간접 전기분해는 가역 공정과 비가역 공정으로 구분할 수 있습니다. 가역 공정(매개 전기화학적 산화)은 전기화학적 공정에서 산화환원 반응의 재생 및 재활용을 수반합니다. 반면, 비가역 공정은 Cl₂, 염소산염, 차아염소산염, H₂O₂, O₃와 같은 강산화제와 같이 비가역적인 전기화학적 반응에서 생성된 물질을 이용하여 유기 화합물을 산화시킵니다. 비가역적 공정은 용매화된 전자, ·HO 라디칼, ·HO2 라디칼(히드로퍼옥실 라디칼), ·O2- 라디칼(초산화물 음이온)을 포함한 높은 산화성 중간체를 생성할 수도 있으며, 이를 사용하여 시안화물, 페놀, COD(화학적 산소 요구량), S2- 이온과 같은 오염 물질을 분해하고 제거하여 궁극적으로 무해한 물질로 변환할 수 있습니다.

직접 양극 산화의 경우, 낮은 반응물 농도는 물질 전달 한계로 인해 전기화학적 표면 반응을 제한할 수 있지만, 간접 산화 공정에서는 이러한 제한이 없습니다. 직접 및 간접 산화 공정 모두에서 H₂ 또는 O₂ 가스 생성을 수반하는 부반응이 발생할 수 있지만, 이러한 부반응은 전극 재료 선택 및 전위 조절을 통해 제어할 수 있습니다.

전기화학적 산화는 고농도 유기물, 복잡한 조성, 다양한 내화성 물질, 그리고 고색소성을 가진 폐수 처리에 효과적인 것으로 밝혀졌습니다. 이 기술은 전기화학적 활성을 가진 양극을 활용하여 고산화성 히드록실 라디칼을 효율적으로 생성할 수 있습니다. 이 공정은 잔류성 유기 오염물질을 무독성 생분해성 물질로 분해하고, 이산화탄소나 탄산염과 같은 화합물로 완전히 무기화합니다.