폐수 처리 분야에서 자유 라디칼 및 비라디칼 경로의 조절은 주요 난제 중 하나였습니다. 본 연구는 탄소 소재의 소성 온도를 제어하고 이금속 단일 원자 촉매(NC-FeMn(TA))를 구축함으로써 과황산염(PMS) 산화 시스템에서 라디칼 및 비라디칼 산화 경로 조절을 탐구했습니다.
밀도범함수 이론 계산과 실험 결과에 따르면, 질소 도핑된 탄소 소재에서 피리딘 질소 함량을 높이고 단일 금속 원자를 도입하면 비라디칼 산화 과정이 주로 발생했습니다. 반대로, 그래핀 및 피롤 질소 종의 함량을 증가시키고 이금속 촉매 중심을 도입하면 라디칼 산화 경로가 촉진되었습니다.
NC-FeMn(TA)/PMS 시스템은 넓은 pH 범위에서 높은 산화 성능을 보였으며, 뛰어난 간섭 저항성과 안정성을 나타냈습니다. 22회 반복 사용 후에도 표적 오염물질을 100% 분해했으며, 의약품, 개인 위생용품, 내분비계 교란 물질, 염료 등 신규 오염물질을 5분 이내에 완전히 제거했습니다.
이 시스템의 탁월한 성능은 수질 오염 제어 분야에서 광범위한 응용 잠재력을 시사합니다. 산화 경로 제어는 효율적인 수질 정화에 필수적이며, 본 연구에서 개발된 Fe/Mn 단일 원자 촉매는 라디칼 및 비라디칼 공정을 조절하여 오염물질을 신속하고 견고하게 분해할 수 있습니다.
전 세계적인 수질 오염 심화로 기존 폐수 처리 방식은 복합·난분해성 오염물질 처리에 한계를 보입니다. 이에 고반응성 라디칼을 생성하여 다양한 오염물질을 효과적으로 분해하는 고급 산화 공정(AOPs)이 유망한 대안으로 부상하고 있습니다. 본 리뷰는 펜톤, 오존, 과황산염, 광촉매, 전기화학, 음파화학 기반 AOP를 포함한 다양한 기술의 기본 원리, 반응 메커니즘, 촉매 설계 및 폐수 처리 성능을 상세히 다룹니다.
연구 결과에 따르면, 개선된 펜톤 공정은 제약 폐수 처리 시 최대 85%의 화학적 산소 요구량(COD) 제거율을 달성합니다. 특히 난분해성 오염물질을 포함한 산업 폐수 처리에는 광촉매 AOP 기술이 높은 분해 효율을 보였습니다. 이러한 AOP는 난분해성 오염물질 분해 및 기존 생물학적 처리 의존도 감소 외에도 처리 과정에서 발생하는 2차 오염을 크게 줄일 수 있습니다.
AOP 기술 최적화를 통해 폐수 내 유해 물질의 심층적인 광물화가 가능하며, 이는 지하수 및 토양 오염 위험을 낮추고 처리 과정의 에너지 소비를 절감합니다. 또한, 본 리뷰는 높은 에너지 소비, 촉매 불안정성, 2차 오염 등 AOP의 실제 적용 시 직면하는 과제들을 논의합니다.
본 연구는 지난 5년간 폐수 처리 분야에서 촉매 기반 AOP의 연구 진행 상황과 응용 동향을 종합적으로 요약하여 관련 연구자 및 엔지니어에게 포괄적인 참고 자료를 제공하고자 합니다.
