전기화학적 수처리 공정에서 산화제 발생에 영향을 미치는 이산화납 전극의 특성

Abstract

전기화학적 수처리 공정에서 전극물질은 발생되는 산화제의 종류와 발생량을 결정짓는 매우 중요한 인자이다. 수처리용 전극물질로 이산화납 (PbO2)은 수산화라디칼 (•OH) 및 오존 (O3)과 같은 산화제 발생에 효과적이지만, 산화제 발생에 영향을 미치는 PbO2전극의 특성 및 기작에 대한 이해는 현재까지 부족한 실정이다. 본 연구는 PbO2전극의 물리화학적 특성 및 전기화학적 산화제 발생 기작에 기반한 PbO2 전극의 산화제 (•OH, O3) 발생특성 규명을 목적으로 하였다. PbO2 전극은 전기화학적 증착과정에서 증착시간, 전류밀도, 온도, 질산농도, 기판물질을 조절하여 제조하였고, 증착량, 두께, 표면덮힘률, 활성면적, 기판산화, 표면구조, 결정구조, 산소발생과전압과 •OH, O3 발생과의 상관관계를 조사하였다. 더불어, 산화제 발생에 대한 •OH 소거물질, 산소, 활성면적의 영향을 보론도핑다이아몬드 (boron doped diamond, BDD), 이산화이리듐 (IrO2), 이산화루테늄 (RuO2) 전극과 함께 비교함으로써 PbO2 전극의 산화제 발생 기작을 구체화하였다. 그 결과, 다량의 PbO2를 기판에 증착시키는 것은 높은 산화제 발생과 직접적인 관련성이 없으며, 전기화학적 활성을 가진 면적을 최대화하고 Ti 기판의 산화를 최소화하는 것이 중요하였다. 또한, PbO2전극은 BDD, IrO2, RuO2와 비교하여 10~100배 높은 산화제 발생성능을 보였다. PbO2와 BDD 전극 간의 산화제 발생 차이는 전극의 활성면적 차이로부터 기인하였다. 전반적으로 PbO2전극은 0.2 M KH2PO4에서 50 mA/cm2로 5분 동안 ~10-2 mM의 •OH, O3 발생 성능을 보였다. PbO2의 표면덮힘률 증가 및 Ti기판의 산화 억제에 의해 전기화학적 활성면적이 50%에서 100%까지 증가하였고, 산화제 발생은 2배까지 증가하였다. PbO2전극에서 발생된 •OH은 전극표면에 강하게 흡착한 후 O3 및 H2O2로 발생된 반면, BDD 전극에서 •OH은 전극표면에 약하게 흡착한 후 O3로만 발생되었다. 유기오염물 제거 측면에서는 PbO2 전극에 강하게 흡착한 •OH이 BDD 전극에 약하게 흡착한 •OH 보다 상대적으로 제어효과가 떨어졌다. 단, 전극표면과의 상호작용 및 O3과의 반응성이 좋은 reactive orange 16에 대해서는 PbO2가 BDD보다 높은 제어효과를 보였다.