이산화염소(ClO2)의 특성
1. 이산화염소의 물리화학적 특성
이산화염소는 염소산족의 하나로 비교적 작고, 휘발성이 있는 매우 활동적인 분자상의 자유라디칼 형태의 화합물이다. 고농도의 이산화염소가스는 불안정하기 때문에 거의 사용되지는 않으며, 최근까지 오직 수용액상으로만 생산되고 있다.
Table 1. Physical properties of chlorine dioxide |
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이산화염소가스는 염소의 냄새와 비슷하며 녹황색을 나타낸다. 냄새는 공기중에 0.3㎎/ℓ으로 존재할 때 감지할 수 있고, 45㎎/ℓ에서 자극성을 나타낸다. 상온에서 이산화염소 gas는 용액에 압축될 수 있다. 압축된 순수한 이산화염소 용액은 -40℃보다 높은 온도에서 매우 불안정하여 폭발의 위험이 있으므로 저장이 곤란하다.
이산화염소의 중요한 물리적 특성 중 하나는 매우 높은 용해도이다. 실온에서 가스는 물에 용해되며, 이산화염소의 용해도는 온도와 압력에 따라 좌우된다. 20℃, 대기압에서 이산화염소의 용해도는 70g/ℓ인 반면에 동일조건에서의 염소의 용해도는 7g/ℓ이다.
액상의 이산화염소는 검붉은 색을 띠며 10g/l 이상의 농도에서는 폭발성이 있으므로 보관?운반이 어렵기 때문에 반드시 현장에서 제조하여야 한다.(Rosenblatt, 1978) 또한 수용액상의 이산화염소는 매우 휘발성이 강하여 개방된 용기에서 불안정하기 때문에 공기와의 접촉 시 빠르게 제거 될 수 있으며, 광원의 UV파장에 의해서도 분해 될 수 있다.
2. 이산화염소의 소독 부산물
이산화염소의 사용으로 발생되는 주된 부산물은 Chlorite(ClO2-)와 Chlorate(ClO3-)이다. Chlorite와 Chlorate는 이산화염소 적용 시 점차 분해 되어 생기는 최종생성물로서, 다양한 비율로 생성된다. 이러한 부산물을 생성시키는 주요영향인자는 다음과 같다.
① 주입량과 요구량의 비율
② 이산화염소 생산공정에서의 NaClO2 와 Cl2의 혼합율
③ 이산화염소가 포함되어 있는 용액의 햇빛에 대한 과다한 노출
④ 수중의 유리염소와 Chlorite 사이의 화학적 반응
이산화염소의 생산공정에서 NaClO2 와 Cl2의 불완전한 반응은 반응하지 못한 Chlorite 생성의 결과를 야기한다. 또한 이산화염소의 제조과정에서 과잉의 염소투입은 과량의 Chlorate 생성을 유발하며, 매우 낮거나 높은 pH는 식 (2-1), (2-2)에서와 같은 반응을 통해서 Chlorate의 양을 증가시킨다.
이산화염소는 수중에 존재하는 많은 무기물과 생물학적인 물질들과 반응할 수 있다. 이산화염소의 사용시 Chlorate의 생성에 관한 이유는 여러 가지가 있지만, Chloride(Cl-)와 Chlorite(ClO2-)는 수중의 무기물과 생물학적인 물질들과의 반응에 의해서 주된 분해산물로 나타난다. (Gordon et al., 1990; Werdehoff and Singer, 1987). 또한 수중의 유기물질과의 직접반응은 이산화염소를 수처리에 적용할 때 Chlorite의 생성에 중요한 역할을 한다고 보고 되어있다.(Werdehoff and Singer, 1987).
Chlorite는 유기물질의 존재 하에서도 비교적 안정하다. 그러나 수중에 유리염소(OCl-)가 존재한다면 Chlorite는 Chlorate로 산화될 수 있다.
(Singer and O Neil, 1987)
ClO2- + OCl- = ClO3- + Cl-
그리고, 이산화염소는 일광(日光)에 의해 분해 되어진다. 이러한 광화학적 반응은 이산화염소를 수처리에 적용할 때 수중의 이산화염소와 Chlorite, Chlorate의 농도분포에 영향을 미치며, 일반적으로 일광(日光)은 이산화염소용액이 들어있는 개방된 반응조 내에서 Chlorate의 농도를 증가시킨다고 알려져 있다.
국내외 관련기술 동향
1. 국외기술 동향
가. 미국
오래전부터 하수처리장의 소독설비를 운영해오고 있으며, 1976년 이후에는 염소소독으로 인한 부산물인 THMs의 위해성이 밝혀진 이후 폐쇄성수역이나 수생생물 등 환경생태계 보호가 시급한 지역부터 자외선(UV) 소독 등 대체 소독방법으로 점차 변경하는 추세이다. 이산화염소 소독은 중?대형 정수장에서의 이?취미 제거 및 발암물질일 THMs와 같은 부산물 저감을 위해 염소와 병행하여 처리중이며 점차 증가 추세에 있다. 현재 약 400~500개의 정수장에서 이산화염소를 소독제로 사용중이다. (EPA Guidance mannual Alternative Disinfectants and Oxidants/April 1999)
나. 일본
일본의 경우 기존시설은 염소계 소독 방식인 차아염소산나트륨이나 고형염소의 사용이 전국하수처리장의 약 97%를 차지하고 있으나, 최근에는 염소대체 소독기술에 대한 개발이 이루어지고 있다. 1997년부터 일본수도기술연구센터 주관으로 이산화염소를 이용한 대체 소독법 실용화기술 연구수행중이며, 수영장 등에서 차아염소산대신 현재 사용중이다.
다. 유럽
EU 부속서 V의 주분류 1의 소독제와 일반적인 Biocide 제품의 제품 종류 5에서 음용수 소독제로 규정하고 있으며, 2000년 5월 EU 회원국에 사용지침을 배포하여 이산화염소 소독법의 사용을 권고 하고 있다. 독일, 프랑스, 이태리 등의 국가의 500개소 이상의 정수장에서 전산화제로 사용 하고 있고, 현재 EU의 많은 정수장이 소독부산물 최소화를 위해 이산화염소 전환중이다. 프랑스는 유기물질 및 망간 등의 제어를 위해 이산화염소를 사용하고 여름철에는 소독효과를 높이기 위한 목적으로 사용하고 있으며, 독일은 후처리 소독제로 활발히 사용하고 있다.
출처 : 고순도 이산화염소발생 자동화를 통한 하수 고도처리 및 소독기술 개발동향 (코네틱리포트)
이산화염소 제품관련 문의
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