Magnéli 상 Ti4O7 양극에 의한 전기화학적 산화 중 염소산염 및 과염소산염 형성: 공존 성분의 억제 효과

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 15880(2022) 이 기사 인용

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전기산화 공정에서 부산물로 염소산염(ClO3−)과 과염소산염(ClO4−)이 생성된다는 우려가 제기되었습니다. 본 연구에서는 붕소 도핑된 다이아몬드(BDD) 및 마그넬리상 티타늄 아산화물(Ti4O7) 양극에서 1.0 mM Cl-의 존재 하에서 ClO3- 및 ClO4-의 형성을 평가했습니다. Cl-는 10mA cm2의 일정한 전류 밀도를 갖는 BDD 양극에서 처음 0.5시간 동안 ClO3-(시간 최대 276.2μM)로 변환되었으며, 4.0시간 후에 대략 1000μM ClO4-가 형성되었습니다. Ti4O7 양극에서 ClO3-의 형성은 더 느려서 4.0시간 만에 임시 최대 약 350.6μM에 도달했으며, ClO4-의 형성도 Ti4O7 양극에서 더 느려서 780.0μM에 도달하는 데 8.0시간이 걸렸습니다. BDD 양극과 비교하여 Ti4O7 양극의 ClO3- 및 ClO4- 형성 속도는 Na2SO4, NaNO3, Na2B4O7 및 Na2HPO4를 포함하여 실험에 사용된 지지 전해질에 관계없이 항상 느렸습니다. 메탄올, KI 및 H2O2가 반응 용액에 포함되었을 때 전기 산화 중 ClO4-의 형성이 크게 완화되거나 심지어 제거되었다는 것은 흥미롭습니다. 전기산화에 의한 Cl- 변환 억제 메커니즘을 조사하였다.

전기산화(EO) 공정은 폐수 처리1,2,3,4에서 유망한 기술입니다. EO 공정은 의약품, 내분비 교란 물질, 페놀성 화합물, 특히 PFAS(과불화 알킬 물질)5,6 등 기존 처리 공정으로는 제거할 수 없는 다양한 난분해성 유기 오염물질을 분해하는 실행 가능한 수단임이 입증되었습니다. ,7,8,9. EO는 유기 오염물질에서 양극으로 직접적인 전자 전달과 EO 공정 중 양극 표면에서도 생성되는 수산기 자유 라디칼 및 기타 활성 산소종에 의한 공격을 통해 유기 오염물질 분해를 촉진하는 화학적 파괴 기술입니다10.

이리듐 및/또는 루테늄 산화물11,12,13, 티타늄 이산화물14 및 도핑된 다이아몬드 전극(BDD)15,16,17과 같은 혼합 산화물을 포함하여 EO 수처리를 위한 충분히 안정적이고 효과적인 양극 재료가 지난 수십 년 동안 개발되었습니다. . 이는 EO 프로세스가 최근에야 기술적 성숙도에 도달한 중요한 이유 중 하나입니다18. Ti4O7과 같은 Magnéli 상 티타늄 아산화물은 높은 전도성과 화학적 불활성으로 인해 최근 EO 응용 분야의 유망한 전극 재료로 연구되었습니다. Ti4O7 양극은 직접 전자 전달(DET)과 물 산화로 인해 양극 표면에서 생성된 H2O·와의 간접 반응을 결합하여 난분해성 오염 물질을 산화시키는 것으로 나타났습니다10. 우리의 최근 연구에서는 Magneli 상 Ti4O7 양극19,20에서 퍼플루오로옥탄설포네이트(PFOS, 가장 일반적으로 사용되는 퍼플루오로알킬산)의 분해 및 광물화를 입증했습니다.

물/폐수 처리에서 EO의 적용을 제한하는 한 가지 요인은 강력한 산화 조건으로 인해 염소산염(ClO3−) 및 과염소산염(ClO4−)과 같은 Cl− 존재 시 독성 부산물이 형성된다는 것입니다. 특히 ClO4−는 물에서 제거하기 어렵고 이의 섭취는 내분비 및 생식 시스템의 붕괴와 관련된 건강 위험과 관련이 있습니다21. 이러한 위험으로 인해 미국 환경 보호국(EPA)은 안전한 식수법(Safe Drinking Water Act)에 따라 과염소산염을 규제하게 되었지만 아직 연방 정부의 한도가 정해지지 않았습니다22. ClO4−의 형성은 여러 양극 재료(예: BDD 및 Ti4O7)23를 사용하여 EO 동안 보고되었습니다. Cl-가 존재하면 BDD와 Ti4O7 양극을 모두 사용하는 EO 시스템에서 ClO3- 및 ClO4-로 추가로 변환되는 유리 염소(HOCl)가 형성됩니다. 이 변형 과정은 Ti4O7 양극24보다 BDD에서 훨씬 빠르게 나타났습니다. 물/폐수 처리 응용 분야에서 염소 관련 독성 부산물의 형성을 최소화하는 전기산화 시스템을 개발하는 것이 바람직합니다.