고급산화공정(AOP) 펜톤산화 : 철과 과산화수소 이용 OH라디칼

펜톤 산화(Fenton Oxidation)는 강력한 산화 반응을 이용하여 유기 오염 물질을 제거하거나 분해하는 고급 산화 공정(AOP : Advanced Oxidation Process)의 하나입니다.
1984년 화학자 헨리 존 호라시오 펜톤(Henry John Horatio Fenton)이 처음 발견한 반응으로 

과산화수소(H₂O₂)와 철 이온(Fe²⁺)의 조합으로 강력한 산화제를 생성하는 것이 특징입니다.

1. 펜톤 산화의 원리

펜톤 산화는 과산화수소 (H₂O₂)가 철 이온(Fe²⁺)의 촉매 작용을 받아 하이드록실 라디칼(•OH)을 생성하는 반응입니다.

이 라디칼은 강력한 산화제로 대부분의 유기오염 물질을 빠르게 산화시킬 수 있습니다.

[주요 반응 메커니즘]

가. 하이드록실 라디칼 생성

• 철 이온(Fe2+)이 과산화수소와 반응하여 Fe3+와 하이드로실 라디칼(•OH)을 생성합니다.

• 하이드록실 라디칼(OH 라디칼)은 산소 공유결합이 풀리며 전자 1개가 부족한 상태가 되어 불안정하고 공격적인 조각이 됩니다. 

2025.01.04 - [환경 이야기/수질환경] - 물의 이온화 : 하이드록실 라디칼(•HO), 수산화물이온(OH-)
 

• 이에, 전자를 채우고 싶어서 화학 반응을 빠르게 일으키려는 상태라고 볼 수 있습니다.
• 수산화물 이온은 외각에  전자 8개를 가지고 있어서 안정적인 반면(옥탯 규칙), 하이드록실 라디칼은 외각에 전자 7개를 가지고 있어, 하나의 홀전자로 인해 불안정한 상태입니다

2025.01.04 - [환경 이야기/수질환경] - 옥텟 규칙 : 화학 결합의 기본원리
 

나. 철이온 재생

• Fe3+가 다시 Fe2+로 환원되어 지속적으로 라디칼 생성에 기여합니다.

다. 유기물 분해

• 생성된 하이드록실 라디칼(•OH)은 유기 오염 물질과 반응하여 이를 산화, 분해합니다.

2. 펜톤 산화의 특징

가. 장점

• 강력한 산화력 : 대부분의 난분해성 유기물질을 산화 및 무기화 가능
• 간단한 공정 : 과산화수소와 철 이온을 사용하는 비교적 단순한 시스템
• 빠른 반응 속도 : 짧은 시간 내에 효과적으로 작용

나. 단점

• 철 이온 처리 필요 : 반응 후 생성된 슬러지내 철 이온 함유
• pH 제약 : 일반적으로 최척 pH는 약 3~4로, 펜톤 산화 공정 전후에 pH 조절이 필요
• 경제성 : 과산화 수소 다량 사용 시 비용 상승

3. 펜톤산화의 개선기술

가. 고급 펜톤 공정

• 자외선(UV)를 추가한 UV-Fenton, 철 나노 입자를 사용하는 나노 펜톤 등이 있음

나. 전기펜톤 공정

• 전기화학적 방법으로 철 이온을 재생하여 효율성 향상

다. 광펜톤(Photofenton)

• 태양광이나 인공광을 이용해 반응을 촉진하는 방식

 
펜톤 산화는 간단하면서도 강력한 처리 공정으로 다양한 환경 문제를 해결하는 데 널리 사용되고 있습니다. 특히 비용과 슬러지 처리 문제를 극복하기 위한 기술 발전이 지속적으로 이루어지고 있어 앞으로도 환경 처리 분야에서 중요한 역할을 할 것으로 기대됩니다.