The Journal of
the Korean Society on Water Environment

The Journal of
the Korean Society on Water Environment

Bimonthly
  • ISSN : 2289-0971 (Print)
  • ISSN : 2289-098X (Online)
  • KCI Accredited Journal

Editorial Office


  1. 국립군산대학교 융합과학공학대학 환경공학과 (Department of Environmental Engineering, Kunsan National University)
  2. 전북대학교 환경생명자원대학 생명공학부 SELS연구소 (Division of Biotechnology, SELS Center, College of Environmental and Bioresource Sciences, Jeonbuk National University)



Agricultural water, Allelopathy, Disinfection byproducts, Drinking water, Ferrate (VI) oxidation

1. Introduction

자연유기물(Natural Organic Matter, NOM)은 수환경에 광범위하게 존재하는 복합 유기성 혼합물로, 주로 식물 잔재의 분해산물, 토양 유기물, 미생물 대사산물 등 다양한 기원을 갖는다(Matilainen et al., 2011). NOM은 일반적으로 방향족(aromatic) 및 지방족(aliphatic) 구조를 모두 포함하며, 이 중 페놀성 화합물(phenolic compounds)과 벤조산 유도체(benzoic acid derivatives, BADs)는 방향족 유기 전구물질로서 NOM의 중요한 구성 성분으로 간주된다(Matilainen et al., 2011). 이들 방향족 화합물은 벤젠 고리에 하이드록실기(–OH) 및 카르복실기(–COOH) 등의 작용기가 치환된 구조를 가지며, 자연적 분해 과정이나 유역 내 표면 유출(runoff)을 통해 수계로 유입된다(McKnight et al., 2003). 벤조산 유도체는 식품⋅의약품 및 산업 공정에서 광범위하게 사용되며, 실제 수환경에서 수십에서 수백∼수천 μg/L 수준으로 검출된 사례가 보고된 바 있다(del Olmo et al., 2015; Issa and Mohammed, 2025). 기존의 자연환경에서는 NOM 농도가 강우, 토양 흡착, 미생물 분해 등에 의해 조절되어 수질에 미치는 영향이 상대적으로 제한적이었다. 그러나 최근 스마트팜과 같은 시설재배 확산과 함께 재순환 급수 시스템이 보편화되면서, 작물의 대사 및 분해 과정에서 기원한 방향족 유기물질이 폐양액 및 재이용수 내에 고농도로 축적될 가능성이 증가하고 있다. 특히 국내 다수의 재배 시설에서는 폐양액이 별도의 처리 없이 인근 수계로 방류되는 경우가 많아, 장기적인 수생태계 수질 저하와 작물 생산성 악화뿐 아니라 원수로 유입 시 상수처리 공정에서의 소독부산물(Disinfection By-products, DBPs) 생성 잠재성을 높이는 새로운 환경 관리 과제로 대두되고 있다(Jang, 2024; Park, 2024; Ryu et al., 2018).

특히, 상수처리 공정에서 NOM은 DBPs 발생의 주요 전구체로 작용하며, 이는 NOM의 구조적 특성, 특히 소수성 및 친수성 구조(moiety)의 조성에 따라 영향을 받는다(Krasner et al., 2006; Richardson, 2003). 또한 방향족 구조를 포함하는 NOM은 염소, 오존, 자외선 기반 고도산화공정(Advanced Oxidation Processes, AOPs)과 같은 소독 조건에서 다양한 방향족 할로겐화 부산물(aromatic halogenated disinfection by-products, DBPs)을 생성할 수 있으며, 대표적으로 트리할로메탄(THMs), 할로아세트산(HAAs), 클로로페놀류, 벤조페논 등이 생성된 사례가 보고된 바 있다(Richardson and Ternes, 2021; Wang et al., 2022). 이러한 방향족 DBPs는 지방족 계열에 비해 화학적으로 더 안정하며, 높은 생물학적 독성과 환경 지속성을 지니는 것으로 알려져 있다. 일부 물질은 극미량에서도 발암성, 돌연변이 유발성, 내분비계 교란 특성을 보이며, 음용수 내 주요 유해 인자로 규제 대상이 되고 있다(Plewa et al., 2004; Richardson and Ternes, 2014; Villanueva et al., 2015). 예를 들어, 2,4,6-트리클로로페놀, 4-클로로페놀, 할로겐화 벤즈알데하이드류, 할로겐화 벤조산류 등은 수생 생물 및 인체에 대한 독성이 입증되어, 최근 음용수 안전성 평가에서 우선적으로 고려되는 주요 위험물질로 대두되고 있다(Kuzmanović et al., 2015). 또한, 방향족 유기물은 AOPs에서 생성되는 활성 라디칼(⋅OH, Cl⋅ 등)과의 반응성을 저해할 뿐 아니라 일부 조건에서는 새로운 방향족 할로겐화 부산물(aromatic halogenated DBPs)의 생성을 유도할 수 있다(Fan et al., 2025; Lei et al., 2024; Yang et al., 2022). 실제로 UV/H2O2, UV/Cl2 등 다양한 AOPs 공정에서 28종 이상의 방향족 DBPs가 검출되었으며, 이들의 DBP 생성억제 제어를 위한 산화제 선택 및 공정 최적화의 필요성이 강조되고 있다(Lei et al., 2024; Song et al., 2023). 따라서 수처리 공정에서 방향족 유기 전구물질의 효과적인 제거는 DBPs 생성을 억제하고 음용수 및 환경 안전성을 확보하기 위한 핵심 과제로 인식되고 있다.

최근 PFAS, 의약품류와 같은 난분해성 오염물질에 대한 연구가 활발히 진행되고 있으나(Johnson et al., 2022; Xue et al., 2021; Xue et al., 2023), 이들 물질은 주로 인공 합성 기원을 갖는 반면, p-ABA 및 p-CBA와 같은 벤조산 유도체는 자연유래 및 농업 활동에서 기인하는 독특한 발생원을 지닌다. 따라서 기존 난분해성 오염물질 연구와 달리, 본 연구는 자연적 기원과 농업 활동이 결합된 새로운 유형의 방향족 오염물질에 주목하였으며, 이는 페레이트(VI) 기반 산화공정의 반응 특성과 적용성을 평가하는 데 있어 차별적인 의의를 갖는다.

한편, NOM 내 방향족 유기물질이 농업용수로 거동할 경우, 작물 생장에 부정적인 영향을 미칠 수 있다. 특히 페놀성 화합물과 벤조산 유도체는 대표적인 타감작용(allelopathy) 유발 물질로, 작물의 발아 및 생장을 저해하는 타감작용 화합물(allelochemicals)로 알려져 있다(Zeng et al., 2008). 타감작용은 식물 유래 화합물이 타종 또는 동일 종 식물에 부정적인 생리⋅생화학적 영향을 미치는 현상으로, 집약적 시설재배 환경에서는 수량 감소의 주요 원인으로 보고되고 있다(Inderjit and Duke, 2003; Weston and Duke, 2003). 주요 유발 물질로는 아세트산, 프탈산, 바닐린산, 4-하이드록시벤조산 등이 있으며, 이 중 파라-아미노벤조산(p-ABA)과 파라-클로로벤조산(p-CBA)은 대표적인 벤조산 유도체로서 환경 내 잔류성과 독성이 높아, 낮은 농도에서도 뿌리의 이온 및 수분 흡수를 저해해 발아 지연과 생장 억제를 유발한다(Fu et al., 2013). 실제로 상추, 오이, 토마토, 딸기, 토란, 밀 등 다양한 작물에서 p-ABA 및 p-CBA에 의한 생육 저해 사례가 다수 보고되고 있으며, 이들 오염물질에 대한 효과적인 제어 기술 개발이 농업 및 환경 분야에서 중요한 과제로 부각되고 있다(Hosseinzadeh et al., 2017). 특히, 이들 물질은 생분해성이 낮아 환경 중에 축적될 가능성이 높으므로, 농업생태계의 장기적 건강성 확보를 위해 제거 효율 및 분해 특성에 대한 체계적인 연구가 요구된다.

기존 산화제(예: 염소, 오존, AOPs)와 달리, 페레이트(VI) (Fe(VI))는 높은 산화환원전위(+2.2 V, 산성 조건), 반응 후 최종 생성물이 무해한 Fe(III)로 전환된다는 점, 그리고 소독부산물(DBPs) 생성이 최소화될 수 있다는 점에서 최근 주목받고 있다(Lee et al., 2009; Rougé et al., 2022; Zhang et al., 2020). Fe(VI)는 수중 pH에 따라 HFeO4 -(산성∼중성) 또는 FeO4 2-(염기성) 형태로 존재하며, 이들 종 간의 pKa는 약 7.3이다. 산성 조건에서는 Fe(VI)가 빠르게 자가분해(self-decay)하여 고가철 중간체(Fe(IV), Fe(V))를 형성하고, 이들 종은 매우 높은 산화력을 지녀 다양한 유기오염물질을 신속하게 산화시킬 수 있다. 그러나 이 과정에서 산화제의 반응 지속 시간이 짧다는 한계가 있다. 반면, 염기성 조건에서는 반응 속도는 다소 느리지만 Fe(VI)가 FeO4 2- 형태로 안정하게 존재하여 장기간 산화 처리가 가능하다. 이러한 pH 의존적 거동은 Fe(VI) 기반 산화공정의 최적 조건 도출 및 실질적 적용성을 결정하는 핵심 인자로 평가된다(Sharma et al., 2001; Shin and Lee, 2016). 또한, Fe(VI)는 고체 분말 형태로 제조⋅저장⋅운송 및 현장 투여가 가능하다는 점에서, 기체 상태의 오존이나 염소와 비교할 때 작업자 안전성이 크게 향상된다(Kwon et al., 2018). 오존은 강력한 산화력을 지니지만 누출 시 호흡기⋅점막에 치명적 손상을 유발할 수 있고, 염소가스 역시 독성 및 폭발 위험으로 인해 엄격한 취급 절차가 필요하다. 이에 비해 Fe(VI)는 안정적으로 보관⋅투여가 가능하여, 운전 중 작업자의 노출 위험을 현저히 낮출 수 있는 실질적 이점이 있다. 이러한 화학적⋅안전학적 특성은 Fe(VI) 기반 산화공정이 기존 산화제의 대안으로 고려될 수 있음을 시사한다.

본 연구의 목적은 대표적인 방향족 벤조산 유도체인 p-ABA와 p-CBA를 모델 물질로 선정하여, Fe(VI) 기반 산화공정에서의 반응 특성과 제거 효율을 반응동역학적으로 규명하는 데 있다. 이를 위해 다양한 pH 조건과 Fe(VI) 초기 농도 변화에 따른 Fe(VI)의 분해 거동 및 표적 물질의 산화 반응 특성을 조사하고, Fe(VI)와 선정된 전구물질 간 몰비(molar ratio)에 따른 반응 속도 상수(rate constant, k)를 도출하여 산화 효율에 영향을 미치는 주요 인자를 분석하였다. 또한, Fe(VI)와 전구물질의 작용기(functional group) 간 반응 특성을 바탕으로 예상되는 분해 경로를 추정하고, 이를 통해 생성 가능한 주요 중간체 및 최종 생성물의 분자 구조와 특성을 도식화하여 부산물 형성 가능성과 반응 선택성을 평가하였다. 나아가, 실제 자연호수를 대상으로 한 모의 적용 실험을 수행하여 Fe(VI)의 실제 환경 적용 가능성을 검토하였다. 본 연구는 Fe(VI)를 상수 및 농업용수 전처리 산화제로 활용하기 위한 과학적 근거와 최적 운전 조건을 제시하며, 방향족 유기물로 인한 이차 오염 및 생태계 영향 저감을 위한 전략적 수처리 기술 개발에 기여할 수 있을 것으로 기대된다. 개념적 흐름을 보다 명확히 전달하기 위해 Fig. 1을 함께 제시하였다.

Fig. 1. Schematic illustration of the experimental framework for the degradation of benzoic acid derivatives (BADs) by Fe(VI) oxidation. (a) Oxidation of para-aminobenzoic acid (p-ABA) as a representative compound present in model matrices (PBS) and natural river water (RW). (b) Monitoring of the reaction using UV–Vis spectroscopy and HPLC analysis. (c) Data processing and kinetic evaluation.

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2. Materials and Methods

2.1. 표준 물질 및 시약

별도의 언급이 없는 한, 모든 시약은 구매한 상태 그대로 사용하였다. 분석용 등급(analytical grade)의 다음 시약들은 Sigma-Aldrich(미국)로부터 구매하였다: para-aminobenzoic acid(≥95%), para-chlorobenzoic acid (≥95%), sodium phosphate monobasic dihydrate (NaH2PO4⋅2H2O, ≥99.0%), sodium thiosulfate pentahydrate (ACS reagent, 99.5%), sulfuric acid (ACS reagent, 95–98%). 아세토니트릴(acetonitrile, 99.9%)은 Fisher Scientific(미국)에서 구매하였다. 모든 수용액은 정수 시스템(Barnstead, USA)을 사용하여 제조한 초순수(저항률 ≥18.2 MΩ⋅cm)를 이용하여 준비하였다.

칼륨 페레이트(VI) (K2FeO4)는 Sigma-Aldrich에서 구매하였다(Shin et al., 2018). Fe(VI) stock 용액 (1–5 mM)은 매 실험 직전에 고체 시약을 초순수에 용해하여 제조하였으며, 0.45 μm PVDF 주사기 필터(Whatman, USA)로 여과하여 불용성 미립자를 제거한 뒤 사용하였다. Fe(VI) stock 용액의 농도는 자외선–가시광선 분광광도법을 사용하여 510 nm에서 직접 측정하였고(ε510nm=1,150 M-1 cm-1), 반응 후 잔류 Fe (VI) 농도는 ABTS 비색법을 이용하여 415 nm에서 측정하였다(ε415nm=35,000 M-1 cm-1; Bielski and Thomas, 1987).

2.2. 완충 모델 및 실제물 시스템에서의 반응속도론적 및 화학양론적 실험

반응 속도론 실험은 100 mL 회분식 반응기에서 실온(22±2°C) 조건으로 수행하였으며, 5 mM 인산 혹은 붕산 완충 용액(pH 6.0–8.0)을 사용하였다. 붕산 완충 용액은 실제물 실험에 도입하였는데, 이는 다양한 금속 이온이 인산염과 결합하여 강한 착화(chelation) 효과를 일으킬 수 있으므로 이를 배제하여 실험의 신뢰성을 확보하기 위함이다. 반응 용액의 pH는 0.5 M NaOH 또는 H2SO4를 사용하여 조절하였다. 또한, 실제물 실험에서는 용존유기탄소(DOC) 농도를 고려하여 mg Fe/mg DOC 단위로 표준화하였으며, 이때 주입한 Fe(VI) 농도 범위는 5.7–85.9 µM에 해당하였다. 반응 속도론 실험은 두 가지 조건에서 수행하였다. 첫째, Fe(VI)에 대해 BADs가 과잉인 조건, 둘째, BADs에 대해 Fe(VI)가 과잉인 조건이다. 두 경우 모두 유사 1차 반응 조건(pseudo-first-order kinetics)을 유지하여 실험을 진행하였다.

BADs 과잉 조건([BADs]≥10×[Fe(VI)], [Fe(VI)]=3 µM, Equation (1))과 Fe(VI) 과잉 조건([Fe(VI)]≥10×[BADs], [BADs]=1 µM, Equation (2))에서의 2차 속도상수는 각각 해당식을 이용하여 결정하였으며, 이를 kapp와 kapp’으로 표기하였다. 특히, Fe(VI) 과잉 조건은 20–60 µM 농도 범위로 설정하였으며, 이는 사전 Fe(VI) 처리 실험에서 BADs의 분해 거동을 기준으로 결정하였다.

Equation (1)
$-\ln\frac{\text{Fe(VI)}_t}{\text{Fe(VI)}_0} = k_{app} [\text{BADs}] t$
Equation (2)
$-\ln\frac{[\text{BADs}]_t}{[\text{BADs}]_0} = k_{app}' \int_0^t [\text{Fe(VI)}] dt$

반응은 BADs가 포함된 pH-완충 반응 혼합물에 미리 계산된 부피의 Fe(VI) stock 용액을 첨가함으로써 시작하였으며, 이후 8초간 강하게 교반하여 균질하게 혼합하였다. 반응 시간에 따른 잔류 Fe(VI)의 농도는 ABTS (2,2’-azino-bis (3-ethylbenzothiazoline-6-sulfonic acid)를 이용한 비색법으로 UV 분광광도계를 사용하여 정량하였다. 미리 정한 시간 간격마다 반응 용액에서 일정 부피의 시료를 채취하여, pH 4.2의 인산/아세트산 완충용액에 준비한 ABTS 용액(2 mM) 0.2 mL와 혼합하였다. Fe(VI)와 ABTS 간 반응이 완료된 후, 415 nm에서 흡광도를 측정하였다(ε=35,000 M-1 cm-1, Lee et al., 2005). 잔류 Fe(VI)의 농도는 다음의 식을 이용하여 계산하였다.

$[\text{Fe(VI)}]_t = (A_1 - A_2) \div \epsilon_{415nm} \div V$

Equation (3)에서 [Fe(VI)]t는 특정 시간 t에서의 잔존 Fe(VI) 농도를 나타내며, A1과 A2는 각각 시료와 공시료(blank)의 415 nm에서의 흡광도이다. Vtot는 전체 부피(즉, 시료+ABTS+증류수+완충용액), VS는 혼합 용액에 첨가된 시료의 부피를 나타낸다. BADs의 잔류 농도는 0.5 mM 티오황산(S2O3 2-)으로 Fe(VI)를 quench한 후, HPLC로 정량하였다. 모든 실험은 3회 반복(triplicate)으로 수행하였으며, 결과는 평균값과 그에 해당하는 표준편차로 제시하였다.

2.3. 분석 방법

BADs의 정량은 Dionex HPLC 시스템(Softron GmbH, Germany)과 Diode Array Detector (DAD)를 이용하여 수행하였다. 분석에는 Nucleoshell RP-18 컬럼(150 mm × 4.6 mm, 입자 크기 5 µm)을 사용하였으며, 이동상은 10 mM 인산과 아세토니트릴로 구성된 등용매(isocratic) 방식으로 설정하였다. 이동상의 유속은 0.8 mL/min로 유지하였고, 검출 파장은 각 화합물의 최대 흡광도(λmax)에 맞춰 설정하였다. p-CBA는 238 nm, p-ABA는 285 nm에서 분석하였다.

Fig. 2. Degradation of ferrate(VI) in the presence of excess para-aminobenzoic acid (p-ABA) under conditions described by Equation 1 (Section 2.2). (a) Decay profiles of Fe(VI) (3 μM) as a function of reaction time (sec) in the presence of varying initial p-ABA concentrations (50, 100, and 200 μM). (b) Logarithmic relative concentration of Fe(VI), ln([Fe(VI)]t/[Fe(VI)]0), plotted as a function of reaction time (sec) based on data from Fig. 2(a). (c) Pseudo first-order rate constants (kobs) for Fe(VI) decay as a function of initial p-ABA concentration. All experiments were conducted at pH 8.0 in a 5 mM borate buffer. The inset in Fig. 2(c) shows the –log(kobs) versus –log([p-ABA]) plot, confirming a reaction order of approximately 1. Solid lines represent linear regressions used to determine rate constants, with slopes in each plot.

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3. Results and Discussion

3.1. pH에 따른 2차 반응 속도 상수

Fig. 2는 pH 8.0에서 Fe(VI)와 벤조산 유도체(Benzoic Acid Derivatives, BADs) 중 하나인 para-aminobenzoic acid (p-ABA)의 반응 속도 실험 결과로, p-ABA가 과량 존재하는 조건([p-ABA] > [Fe(VI)])에서 Fe(VI) 분해를 정량하여 속도 상수를 도출한 결과를 보여준다. Fig. 2(a)는 3 μM Fe(VI) 용액에 대해 초기 p-ABA 농도를 각각 50, 100, 200 μM로 변화시켰을 때의 Fe(VI) 농도 감소 곡선을 제시하였으며, Fig. 2(b)는 이를 ln([Fe(VI)]t/[Fe(VI)]0)로 변환하여 시간에 따른 직선성을 확인함으로써 유사 1차 속도 상수(kobs)를 결정하였다. 이후, kobs를 초기 p-ABA 농도로 나누어 2차 반응 속도 상수(kapp)를 계산하였으며 (kapp = kobs/[p-ABA]0), 이 계산은 pseudo-first-order 조건에서의 반응속도식(Equation (1))을 기반으로 수행되었다. Fig. 2(c)는 초기 p-ABA 농도에 따른 kobs의 변화를 나타내며, 내삽 그림(inset)에서 –log(kobs)와 –log([p-ABA])의 관계를 도시하여 반응 차수가 1임을 확인하였다. 이러한 결과는 p-ABA가 과량 존재할 때 Fe(VI) 분해가 p-ABA에 대해 유사 1차 반응을 따르며, Fe(VI)와 p-ABA 전체 반응은 2차 반응임을 나타낸다. 이와 같은 방법을 pH 6.0, 7.0, 8.0 조건에 각각 적용하여 p-ABA와 ferrate(VI)의 2차 반응 속도 상수(kapp)를 산출하였으며, 그 결과를 Fig. 3 및 Table 1에 제시하였다. 또한, p-ABA는 카르복실기(pKa≈2.5)와 아미노기(pKa≈4.8–5.0)를 갖고 있어 pH 6–8 범위에서는 주로 –COO-(음전하)와 –NH2(중성) 형태로 존재한다. 이러한 이온화 상태는 전자 밀도 분포와 반응 부위의 접근성에 영향을 미쳐 Fe(VI)와의 반응성에 기여했을 것으로 판단된다.

Fig. 3은 pH별로 도출된 kapp 값을 log 변환하여 비교한 결과를 보여준다. p-ABA의 경우, pH 6.0에서 2,600 M-1 s-1, pH 7.0에서 910 M-1 s-1, pH 8.0에서 78 M-1 s-1로 나타나, pH 상승에 따라 kapp 값이 뚜렷하게 감소하였다(Fig. 3과 표 1). 이는 Fe(VI)의 산⋅염기 해리 특성에 기인한다. 즉, 약산성 조건(pH < 7.2)에서는 반응성이 높은 단일 양성자화 종 HFeO4 -이 우세하며, pH가 증가함에 따라 반응성이 낮은 비양성자화 종 FeO4 2-로 전환된다(HFeO4 - ⇌ FeO4 2- + H+, pKa = 7.2) (Sharma et al., 2001). 특히 HFeO4 -는 산소 리간드의 높은 스핀 밀도(spin density)로 인해 전자친화성(electrophilicity)이 증가하며, 이는 높은 반응성을 설명하는 주요 요인으로 보고된다(Sharma and O’Connor, 2008).

Fig. 3. Apparent second-order rate constants (kapp) for the reaction of para-aminobenzoic acid (p-ABA) with Fe(VI) as a function of pH (6–8), determined under compound-excess conditions based on Equation 1 (Section 2.2).

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Table 1. Summary of kinetic parameters, including rate constants (k) and correlation coefficients (r²), for the oxidation of p-ABA by Fe(VI) under various experimental conditions in phosphate-buffered solution (PBS) or natural river water (NRW) matrices.

Type of rate law (units) pH / matrices Reaction condition (Excess or decay) Rate constant (k) r2
(Pseudo) 1st order (s-1) 7.5 / PBS Compound decay 2.9x10-3 0.97
7.6x10-3 0.99
1.2x10-2 0.95
3.3x10-2 0.98
Fe(VI) decay 8.4x10-4 0.92
1.1x10-3 0.85
1.5x10-3 0.89
(Apparent) 2nd order (M-1 s-1) 6 / PBS Compound excess, BADs > 10[Fe(VI)] 2.6x103 0.97
7 / PBS 9.1x102 0.99
8 / Borate 7.8x101 0.95
7.5 / PBS Fe(VI) excess, [Fe(VI)] > 30[BADs] 1.8x102 0.98
3.3x102 0.99
3.7x102 0.98
6.3x102 0.98
8 / Nakdong RW 7.8x101 0.43
4.2x102 0.90
8.1x102 0.92

3.2. Degradation kinetics of p-ABA in phosphate buffered solutions

3.2.1. p-ABA oxidation efficacy at different initial Fe(VI) dosages

Fe(VI)의 수처리 적용 가능성을 평가하기 위해, Fe(VI)가 과량 존재하는 조건([Fe(VI)] > [BADs]; 2.2절의 Equation (2) 참조)에서 p-ABA의 산화 분해 반응 속도를 실험적으로 분석하였다. Fe(VI)에 의한 유기 오염물질의 산화 효율은 용액의 pH뿐 아니라 산화제의 초기 농도에도 큰 영향을 받기 때문에, 본 연구에서는 Fe(VI) 초기 주입 농도에 따른 반응 거동을 체계적으로 조사하였다(Lee and von Gunten, 2010; Sharma, 2011). Fig. 4에 나타낸 바와 같이, 5 mM 인산 완충용액(pH 7.5) 조건에서 Fe(VI) 초기 농도를 20, 30, 40, 60 μM로 조절하며 p-ABA의 산화 분해 동역학을 평가하였다. 반응 데이터에 기반하여 (a, b) 시간에 따른 상대 농도(C/C0) 변화와 (c) 로그 스케일을 적용한 선형 회귀 분석을 통해 반응 속도를 정량적으로 도출하였다.

주요 결과로, Fe(VI) 농도가 증가함에 따라 p-ABA의 제거 효율이 비례적으로 향상되는 경향이 관찰되었으며, 이는 Fe(VI)의 산화 능력이 농도에 강하게 의존함을 시사한다. 이러한 경향은 기존 문헌(Shin et al., 2018)에서도 보고된 바 있다. 예를 들어, >80% 제거 효율에 도달하는 데 소요된 시간은 Fe(VI) 농도에 따라 각각 10분(20 μM), 5분(30 μM), 3분(40 μM), 1분(60 μM)으로 단축되었다. 반응 속도 해석을 통해 도출된 1차 반응 속도 상수(kobs)는 각각 2.9 × 10-3 s-1 (20 μM), 7.6 × 10-3 s-1 (30 μM), 1.2 × 10-2 s-1 (40 μM), 3.3 × 10-2 s-1 (60 μM)이었다(표 1). 이는 Fe(VI) 농도 증가에 따라 산화 반응 제어에 필요한 시간이 약 2배에서 최대 11배까지 차이 날 수 있음을 보여주며, 실용적인 산화 처리 공정에서 적정 산화제 주입량 설정과 반응 시간 최적화의 중요성을 시사한다.

특히, p-ABA와 Fe(VI) 반응 기작과 관련하여 p-ABA는 대표적인 카르복실기 치환 아닐린 유도체로, 벤젠 고리에 아미노기(–NH2)와 카르복실기(–COOH)가 para(1,4) 위치에 각각 치환된 구조를 갖는다(Fig. 5). 기존 연구에 따르면, Fe(VI) 산화에 의한 p-ABA의 전환 경로는 다양한 중간체를 포함하는 반응 메커니즘을 따르며, 본 연구에서는 참고문헌을 참조하여 대표적인 전환 경로를 Fig. 5에 개략적으로 제시하였다. 우선, 아미노기로부터 Fe(VI)로의 1전자 전달에 의해 아닐린 라디칼 양이온(R1)이 형성되며, 이는 여러 선행 연구에서도 보고된 바 있다(Qi et al., 2024; Sun et al., 2018). 이후 R1 라디칼은 탈양성자화 과정을 통해 중성 라디칼 형태의 R2 (pKa ≈ 7.05)로 전환될 수 있다. 추가적인 Fe(VI) 산화 과정에서 R2의 아민 위치에 수산화 작용기가 도입되어 페닐하이드록실아민이 형성되고, 이는 추가적인 산화 반응을 거쳐 니트로소벤젠 또는 니트로벤젠으로 산화될 수 있다. 또한, 생성된 니트로소벤젠은 아닐린과 반응하여 아조벤젠 구조를 형성할 가능성도 있다.

p-ABA의 구조에서 카르복실기는 전자흡인성(electron-withdrawing) 작용기로 작용하여 반응성을 억제하는 효과를 나타낸다. 일반적으로 Fe(VI)에 의한 산화 반응성은 페놀성 하이드록실기 > 아민기 또는 이중결합 > 카르복실기의 순서를 따르며, 이는 p-ABA 내 카르복실 작용기가 비교적 낮은 산화 반응성을 보이는 원인 중 하나이다(He et al., 2022). 그럼에도 불구하고, 본 연구에서는 Fe(VI) 산화 조건에서 아조 또는 니트로 유도체의 생성이 주요한 반응 경로 중 하나일 것으로 추정하였다. 한편, 생성된 산화 산물들은 공통적으로 벤젠 고리 구조를 유지하고 있어 생분해성이 낮으며 환경 중 장기적으로 잔류할 가능성이 높다. 특히 문헌에서 보고된 nitro- 및 azo- 화합물은 독성이 크고 환경 잔존성이 높아, Fe(VI)의 적용성을 “친환경” 관점에서 논의할 때 잠재적 리스크로 반드시 고려되어야 한다(Kovacic and Somanathan, 2014; Tiwari et al., 2019; Chung, 2016). 따라서 이러한 구조적 특성을 완전히 분해하기 위해서는 Fe(VI) 산화 단독 처리 외에도 현장 적용을 고려한 추가적인 공정(예: 광화학적 처리, AOP 등)을 통한 후속 처리 전략이 요구된다(An et al., 2023; Yoon and Cho, 2024). 이는 p-ABA와 같은 방향족 아민류 화합물의 환경적 제거 효율을 향상시키기 위한 핵심적 고려사항이다.

Fig. 4. Degradation of para-aminobenzoic acid (p-ABA) by Fe(VI) at varying initial concentrations, determined under Fe(VI)-excess conditions based on Equation 2 (Section 2.2). (a) Normalized concentration profiles, [p-ABA]/[p-ABA]0, plotted over reaction time (min). (b) Inset showing the magnified initial degradation phase (from 0-3 min) from panel (a). (c) Pseudo-first-order kinetic (rate constant, kobs) plots based on ln([p-ABA]/[p-ABA]0) over reaction time (sec). Initial Fe(VI) concentrations: 20 μM (purple), 30 μM (pink), 40 μM (green), and 60 μM (blue); initial p-ABA = 1 μM in 5 mM phosphate buffer at pH 7.5. Solid lines in (c) represent linear regressions used to calculate kobs (s-1), distinguished by color.

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Fig. 5. Proposed degradation pathway of para-aminobenzoic acid (p-ABA) during Fe(VI) oxidation. The pathway is based on previously reported mechanisms (Sun et al., 2018; Qi et al., 2024). Rectangles indicate the plausible final transformation products, including azo- and nitro- derivatives.

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3.2.2. Fe(VI) consumption and residual levels at different initial dosages

p-ABA의 Fe(VI) 산화 처리 과정 중, 반응 용액 내 Fe(VI) 산화제 농도의 시간 경과에 따른 변화를 정량적으로 분석하였다. 본 조사는 p-ABA와의 반응에 따른 산화제 소모량뿐 아니라, Fe(VI)의 자가분해(self-decay) 거동을 동시에 파악하기 위한 것으로, 원리 기반 동역학 분석에 필수적인 산화제 노출량(oxidant exposure) 산정을 위한 기초 자료로서 중요하다. Fig. 6a에서 나타나듯, Fe(VI) 초기 농도가 증가함에 따라 동일한 수준의 p-ABA 제거(약 80%)를 달성하는 데 필요한 산화제 소비율은 감소하는 경향을 보였다. 즉, Fe(VI)의 소모율과 잔류율은 각각 45%/55% (20 μM), 34%/66% (30 μM), 28%/72% (40 μM), 10%/90% (60 μM)로 나타났으며, 이는 초기 농도가 낮을수록 상대적으로 더 많은 산화제가 소비되었음을 시사한다. 그러나 절대 몰 농도 기준으로 환산하면, 실질적인 Fe(VI) 소모량은 약 6–10 μM 수준으로 대체로 유사하여, p-ABA 산화에 필요한 최소 산화제 수요가 일정함을 뒷받침한다.

한편, Fig. 6b에 제시된 Fe(VI) 소모에 대한 선형 회귀 분석 결과, 유사 1차 반응 속도상수(kobs)는 각각 8.1 × 10-4 s-1 (20 μM), 1.1 × 10-3 s-1 (30 μM), 1.5 × 10-3 s-1 (40 μM), 1.9 × 10-3 s-1 (60 μM) (Table 1)으로 도출되었으며, Fe(VI) 초기 농도 증가에 따라 소폭의 반응 속도 증가가 관찰되었다. 이러한 경향은 고농도 조건에서 p-ABA에 의한 산화 반응뿐 아니라 Fe(VI)의 농도 의존적인 자가분해 반응도 병행되고 있음을 시사한다. 따라서, Fe(VI)의 산화 성능을 정량적으로 해석하고 최적 산화제 투입량을 결정하기 위해서는 대상 물질과의 반응뿐 아니라 Fe(VI)의 농도에 따른 자체 분해 기작에 대한 이해가 병행되어야 하며, 이는 실제 수처리 공정 설계 시 산화제 효율성 확보 및 비용-효과적 운용 측면에서 중요한 고려사항이 될 수 있다.

Fig. 6. Fe(VI) consumption kinetics during the oxidation of para-aminobenzoic acid (p-ABA) under varying oxidant dosages. (a) Temporal profiles of Fe(VI) decay at different initial concentrations (20 μM, 30 μM, 40 μM, and 60 μM) over time (min), expressed as molar concentrations. (b) Pseudo-first-order kinetic (rate constant, kobs) analysis of Fe(VI) decay plotted as ln([Fe(VI)]/[Fe(VI)]0) versus time (s). All experiments were conducted with 1 μM p-ABA in 5 mM phosphate buffer at pH 7.5. The shaded region in panel (a) represents the remaining Fe(VI) during the reaction and was subsequently used to estimate Fe(VI) exposure levels in Fig. 7. Solid lines in panel (b) represent linear regression fits for determining the kobs (s-1), with symbol colors corresponding to the respective Fe(VI) doses.

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3.2.3. Kinetics of p-ABA Degradation as a Function of Fe(VI) Exposure

Fig. 7은 Fe(VI) 노출량(CT 값, 농도 × 시간 적분값)에 따른 p-ABA의 산화 분해 동역학을 정량적으로 분석한 결과를 제시한다. 실험은 5 mM 인산 완충용액(pH 7.5)에서 수행되었으며, 초기 Fe(VI) 농도를 20, 30, 40, 60 μM로 변화시켜 반응을 진행하였다. 모든 조건에서 p-ABA는 Fe(VI) 노출량에 대해 선형적인 분해 거동을 보였으나, 반응 기울기(즉, 2차 속도상수, kapp’)는 초기 Fe(VI) 농도에 따라 현저한 차이를 나타냈다. 각각의 조건에서 도출된 kapp’는 180 M-1 s-1 (20 μM), 332 M-1 s-1 (30 μM), 367 M-1 s-1 (40 μM), 625 M-1 s-1 (60 μM)로 나타났으며(Table 1), 산화제 농도의 증가에 따라 최대 3.5배까지 p-ABA의 제거 효율에 차이가 발생하는 반응 특성을 보였다. 비교를 위해 기존 문헌에서 보고된 다른 산화제의 p-ABA에 대한 반응성을 살펴보면, 염소(HOCl)의 경우 pH 7.4에서 약 4,000 M-1 s-1, 오존(O3)은 약 8.5 × 105 M-1 s-1로 보고된 바 있다(Van Antwerpen et al., 2004; Tekle-Röttering et al., 2016). 본 연구에서 도출된 Fe(VI)의 kapp’ (180-625 M-1 s-1)은 이러한 산화제들과 비교할 때 상대적으로 낮은 수준이다. 그러나 산화제 선택은 속도상수뿐 아니라 부산물 형성, 안전성, 운전 용이성 등 다양한 요소에 의해 좌우된다. Fe(VI)는 반응 후 무해한 Fe(III)로 전환되며 소독부산물 생성을 억제하고, 고체 분말 형태로 안전하게 취급 가능하다는 장점이 있어, 절대적인 반응 속도는 낮더라도 실용적 관점에서 차별화된 이점을 지닌다.

한편으로, Fig. 2, 3으로부터 계산된 pH 7.5에서의 kapp 값(489 M-1 s-1)과 비교할 때, Fe(VI) 농도에 따른 산화 반응 효율의 변동성과 복합성을 시사한다. 이러한 kapp’의 농도 의존적 증가는 Fe(VI)와 p-ABA 간의 반응이 단순한 일대일 이온–분자 반응(bimolecular electron transfer) 이상의 복합적인 산화 메커니즘을 따른다는 것을 보여준다. 선행 연구에 따르면, Fe(VI)는 수용액 내에서 자체 분해를 통해 Fe(V), Fe(IV), Fe(III), Fe(II) 등 다양한 중간체를 생성하며, 이들은 Fe(VI) → Fe(V) → Fe(III) 또는 Fe(VI) → Fe(IV) → Fe(II)와 같은 연속적 전자 전달 경로를 따른다(Sun et al., 2018; Lee and von Gunten, 2010). 이 중 Fe(V)와 Fe(IV)는 수 초 이내의 매우 짧은 생존 시간과 높은 반응성을 갖는 고가산화 중간체로 알려져 있으며, 특히 높은 Fe(VI) 농도 조건에서 이러한 종들의 형성과 반응 기여가 증가하는 것으로 보고되어 있다. 본 연구에서 관찰된 kapp’의 농도 의존적 증가는, 이러한 고활성 중간체들이 p-ABA 제거 반응에서 주요 산화제로 작용하고 있음을 간접적으로 시사하는 근거로 해석될 수 있다. 따라서 Fe(VI)을 이용한 산화 공정을 고도화하거나 환경 처리 분야에 효율적으로 적용하기 위해서는, Fe(VI)의 1차 반응성뿐 아니라 그로부터 파생되는 고가(高價) 산화종들의 존재, 생성 동역학, 그리고 이들의 복합적 반응성까지 통합적으로 고려해야 한다. 특히, 실질적인 수처리 환경에서는 다양한 유기물 간 경쟁 반응, 매트릭스 효과, pH 및 산화제 농도 변화 등에 의해 Fe(VI) 유래 종의 반응성이 달라질 수 있으므로, 단순한 속도상수 기반 예측은 처리 효율을 과대 혹은 과소 평가할 수 있다. 향후 연구에서는 p-ABA를 포함한 다양한 벤조산 유도체 계열 유기 화합물에 대해 Fe(VI), Fe(V), Fe(IV) 각각의 상대적 기여도를 정량적으로 규명하고, 산화제 농도, pH, 이온 강도 등 반응 조건 변화에 따른 산화 메커니즘 전환 가능성(mechanistic shift)을 체계적으로 분석할 필요가 있다. 이러한 접근은 실험실 규모의 반응성과 실제 환경 조건 간의 간극을 줄이고, Fe(VI) 기반 산화 공정의 실효성과 예측 가능성을 제고하는 데 기여할 것이다.

Fig. 7. Degradation kinetics of para-aminobenzoic acid (p-ABA) as a function of Fe(VI) exposure. The reaction system consisted of 1 μM p-ABA in 5 mM phosphate buffer (pH 7.5), treated with varying initial Fe(VI) concentrations: 20 μM (purple), 30 μM (pink), 40 μM (green), and 60 μM (blue). Fe(VI) exposure was calculated as the time-integrated concentration of residual Fe(VI) (i.e., [Fe(VI)] × time), based on decay and degradation data shown in Fig. 6. Solid lines denote linear regressions fitted to the data to evaluate apparent second-order degradation kinetics (kapp’, M-1 s-1) with symbol color corresponding to Fe(VI) exposure.

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3.3. Degradation kinetics of p-CBA in phosphate buffered solutions

Fig. 8은 p-CBA의 산화 제거 가능성을 검토하기 위해, 과량의 Fe(VI) 처리(90 μM) 및 장기 반응 시간(60분) 조건에서 수행한 실험 결과를 제시한다. 이는 앞선 Fig. 2–7에서와 같이 일반적인 조건(20–60 μM Fe(VI), 최대 10분 반응 시간)에서는 p-CBA의 제거가 거의 관찰되지 않았기 때문에, 극한 조건에서도 산화 반응이 유도되는지를 확인하기 위함이다. 주요 결과로서, Fig. 8a에서 확인되듯이 Fe(VI) 처리 후 60분까지 p-CBA의 농도 변화는 나타나지 않았으며, 이는 Fig. 8b에서 관찰된 Fe(VI)의 농도 감소(즉, 산화제의 자체 분해, self-decomposition)와 대조적이다. 이러한 결과는 Fe(VI)에 의한 p-CBA의 직접 산화가 실질적으로 불가능함을 명확히 시사한다. 그 원인은 p-CBA가 안정한 방향족 고리 구조와 전기음성도가 높은 클로로(Cl) 치환기를 포함하고 있어 전자 밀도가 낮고, 반응성이 높은 전자 풍부 부위(electron-rich site)가 매우 제한적이기 때문이다.

특히, para-위치의 Cl 치환기는 강한 전자 끌어당김 효과(electron-withdrawing effect)를 통해 Fe(VI)의 친핵성 산화 반응성을 저하시킬 뿐만 아니라, 입체적⋅전자적 차단 효과(steric/electronic hindrance)를 야기할 수 있다. 따라서 본 결과는 Fe(VI) 단독 공정으로는 p-CBA와 같은 전자 결핍성(aromatic electron-deficient) 화합물의 효과적 제거가 어려움을 보여주며, 이는 p-ABA와 같은 비교적 전자 풍부성(aromatic electron-rich) 화합물과의 차별적 반응성을 부각한다. 이러한 결과는 페레이트 기반 산화공정의 선택성과 한계를 규명하는 데 중요한 근거를 제공하며, 연구의 제한점을 명확히 하는 동시에 향후 연구 방향을 제시한다. 구체적으로, Fe(VI) 단독 공정의 구조적 제약을 보완하기 위해 UV, H2O2 또는 기타 촉매⋅보조 산화제와의 병합 공정(예: UV/Fe(VI), Fe(VI)/H2O2 등)을 적용하여⋅OH, Fe(IV), Fe(V)와 같은 고활성 산화종을 유도하는 전략이 필요하다(Lee and von Gunten, 2010; Shi et al., 2025; Yoon and Cho, 2024). 이러한 접근은 전자 결핍성 물질을 포함한 다양한 타감작용물질(allelochemicals)의 제거 가능성을 확대하고, 실제 수처리 공정에서 페레이트 기반 AOPs의 적용성을 확장하는 데 기여할 수 있을 것으로 판단된다.

Fig. 8. Temporal profiles of (a) para-chlorobenzoic acid (p-CBA) degradation and (b) Fe(VI) decay during oxidative treatment. Reactions (i.e., Fe(VI) excess condition) were conducted with an initial p-CBA concentration of 1 μM and Fe(VI) concentration of 90 μM in 5 mM phosphate buffer at pH 7.5. Filled symbols represent the degradation of p-CBA, while open symbols indicate Fe(VI) depletion over time.

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3.4. Elimination efficiency of p-ABA with Fe(VI) oxidation in Nakdong river water

벤조산 유도체의 산화 제거 효율 및 수질 매트릭스, 특히 용존유기물(Dissolved Organic Matter, DOM)의 영향을 정량적으로 평가하고자, 실제 수계인 낙동강 하천수를 대상으로 실험을 수행하였다. 대상 물질은 앞선 실험 결과를 바탕으로 p-ABA로 선정하였으며, 초기 농도는 0.5 μM로 설정하였다. 실험에 사용된 하천수의 용존유기물(DOC) 농도는 3.2 mg/L였으며, Fe(VI) 농도는 DOC 기준 정규화 방식으로 0.1, 0.25, 0.5, 0.75, 1.0, 1.5 mg Fe/mg DOC에 해당하도록 조절하였다. 이러한 접근은 다양한 수질 조건에서의 Fe(VI) 반응성을 정량 비교하고, 산화 효율을 체계적으로 평가하기 위한 전략으로 활용되었다.

반응은 붕산염 완충용액(borate buffer)을 이용하여 pH 8 이하로 조절된 조건에서 수행하였으며, Fe(VI)의 완전 소모를 유도하기 위해 5시간 이상 반응시킨 후 p-ABA의 제거율을 분석하였다. Fig. 9a에서 도출된 핵심 결과는, 0.1 및 0.25 mg Fe/mg DOC 조건에서는 p-ABA 제거율이 약 17%로 낮았으며, 이는 수계 내 존재하는 DOC가 산화 반응을 경쟁적으로 억제함을 나타낸다. 반면, 0.5 mg Fe/mg DOC 조건에서는 제거율이 91%로 크게 증가하였고, 0.75 mg Fe/mg DOC 이상에서는 p-ABA가 완전 제거(>99%)되는 것으로 나타났다.

이후, Fe(VI) 농도를 30, 60, 90 μM(각각 0.5, 1.0, 1.5 mg Fe/mg DOC에 해당)로 설정하여 반응 시간에 따른 실험을 수행한 결과(Fig. 9b), Fe(VI) 농도 증가에 따라 제거 속도 및 효율이 유의미하게 향상됨을 확인하였다. 특히, 처리 1분 시점에서의 p-ABA 제거율은 Fe(VI) 30 μM에서 23%, 60 μM에서 68%, 90 μM에서는 100%에 도달하였다. 이는 Fe(VI)의 농도가 높을수록 자가분해 과정에서 생성되는 Fe(IV), Fe(V) 등 고활성 산화종의 기여가 커져 p-ABA의 분해 반응을 촉진하는 것으로 해석된다.

또한, Fig. 9b에서는 실제 수계에서의 p-ABA 제거 데이터를 kapp 기반 모델링 결과와 비교하여 제시하였다. 모델 예측 결과는 모든 Fe(VI) 농도에서 실험적으로 측정된 p-ABA 분해 값보다 과소평가되는 것으로 나타났으며, 실제 수계에서는 모델 예측 대비 최대 2배 이상 높은 제거율이 관찰되었다. 이는 Fe(VI) 반응 과정 중 생성되는 반응성 산소종(reactive oxygen species, ROS) 또는 미지의 반응 경로가 존재할 가능성을 시사한다(Chen et al., 2025). 다만, 이러한 차이를 구체적으로 규명하기 위해서는 EPR 측정이나 quenching test와 같은 정량적 실험이 요구되며, 이는 본 연구의 한계이자 향후 연구 과제로 제안된다. 일반적으로 자연수 내 배경 매트릭스는 산화제의 효율을 저해하는 것으로 알려져 있으나(Deng and Guan, 2024; Wang et al., 2024), 본 연구에서는 오히려 실제 수계에서 제거 효율이 증진하는 경향을 확인하였다.

Fig. 9c에서는 Fe(VI) 노출량(CT, 농도–시간 적분값)에 따른 p-ABA의 분해 거동을 분석하였고, 선형 회귀 분석을 통해 조건별 반응 속도상수 kapp’ (M-1 s-1)을 도출하였다. 각 Fe(VI) 농도에서 도출된 kapp’ 값은 79 M-1 s-1(30 μM), 421 M-1 s-1(60 μM), 809 M-1 s-1(90 μM)로 나타났으며, 이는 Fe(VI) 농도 증가에 따라 분해 속도가 약 2–10배까지 향상됨을 정량적으로 보여준다.

종합적으로, 본 연구 결과는 Fe(VI)가 실제 환경 조건에서도 벤조산 유도체류 유기 오염물질의 고효율⋅고선택적 산화 제거제로 작용할 수 있음을 시사한다. 그러나 보다 높은 수준의 현장 적용성을 확보하기 위해서는 DOC 농도, 이온 강도, 중금속 존재 여부 등 다양한 수질 매트릭스 조건에서의 반응성 평가가 추가적으로 요구된다. 이러한 평가 과정은 Fe(VI) 기반 고도산화처리 공정을 최적화하고, 실질적 적용 가능성을 입증하기 위한 향후 연구의 핵심 과제로 고려되어야 한다.

Fig. 9. Oxidation of p-ABA by Fe(VI) in natural river water (Nakdong River) matrices. (a) Elimination efficiency (%) of p-ABA, calculated as (1−[C]/[C]0)×100, as a function of DOC-normalized Fe(VI) dosages ranging from 0.1 to 1.5 mg Fe/mg DOC. These correspond to Fe(VI) concentrations of 5.7, 14.3, 28.7, 43, 57.3, 71.6, and 85.9 μM for 0.1, 0.25, 0.5, 0.75, 1.0, 1.25, and 1.52 mg Fe/mg DOC, respectively. Experiments were performed with Nakdong River water (DOC = 3.2 mg/L) and analyzed after complete Fe(VI) consumption (>5 h)(b) Temporal profiles of the relative p-ABA concentration at Fe(VI)/DOC mass ratios of 0.5 (apricot), 1.0 (light blue), and 1.5 (fluorescent green). The horizontal dotted line represents complete degradation (100% removal), while colored dashed lines correspond to model-predicted degradation curves of p-ABA based on second-order rate constants (kapp, M-1 s-1) derived in Fig. 3, using the equation: $\dfrac{{C}_{{t}}}{{C}_{0}}=\exp[-k_{{app}}\int_{0}^{t}{Fe}({VI})dt]$. (c) Apparent second-order rate constants (kapp’, M-1 s-1) were estimated via linear regression of the logarithmic p-ABA degradation data (from panel b) against cumulative Fe(VI) exposure (CT, time-integrated [Fe(VI)]). Colored solid lines indicate the regression fits, and arrows denote the experimentally derived kapp values.

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4. Conclusion

본 연구는 벤조산 유도체(BADs)의 산화 제거를 위해 Fe(VI)를 적용하고, 다양한 조건에서의 반응 거동을 정량적으로 평가하였다. 주요 결과는 다음과 같다.

1) 반응성 차이: p-ABA는 Fe(VI)에 의해 효과적으로 제거된 반면, p-CBA는 낮은 산화 효율을 보였으며 이는 치환기의 전자적 특성 차이에 기인한다.

2) 속도론적 특성: p-ABA는 pH 6–8 구간에서 정량적 속도론 해석이 가능하였고, 화합물 과잉 조건에서의 2차 속도 상수(kapp)는 78-1,692 M-1 s-1, Fe(VI) 과잉 조건에서의 kapp’는 180-625 M-1 s-1 범위로 나타났다. Fe(VI) 투입 농도가 증가할수록 제거 효율과 반응 속도가 크게 향상되었으며, 이는 Fe(VI) 자체 반응 외에도 반응 중 생성되는 고산화 상태의 중간체(i.e., Fe(IV)/Fe(V))의 기여 가능성을 시사한다.

3) 실제 수계 적용성: 낙동강 하천수를 활용한 실험에서, DOC 농도 3.2 mg/L 조건에서 Fe(VI) 투입량이 0.5 mg Fe/mg DOC 이상일 때 95% 이상의 높은 제거율을 보였다. 특히 Fe(VI) 30-90 μM 범위에서 모델 기반 예측보다 최대 2배 높은 제거율이 관찰되어, 실제 수계에서는 Fe(VI) 반응성이 단순 모델 예측과 상이할 수 있음을 확인하였다. 이는 자연수 조건에서 생성되는 부가적인 반응 경로나 ROS의 기여 가능성을 시사하며, 향후 이를 규명하기 위한 정밀 실험(EPR, quenching 등)이 필요하다.

4) 한계와 향후 과제: 본 연구는 Fe(VI) 산화처리의 가능성을 확인하였으나, 동시에 몇 가지 한계도 드러났다. 첫째, Fe(VI)의 반응성은 pH에 크게 의존하여 중성∼염기성 조건에서 반응 속도가 저하될 수 있다. 둘째, p-CBA와 같은 전자 결핍성 유도체는 산화 효율이 제한적이다. 셋째, Fe(VI)는 반응 중 자가분해(self-decay)가 빠르게 일어나 산화제 지속성이 떨어지며, 대규모 적용을 위해서는 제조⋅공급 안정성과 비용 문제도 고려되어야 한다. 또한, p-ABA의 분해 과정에서 보고된 nitro- 및 azo 화합물은 문헌에 근거한 추정 산물로, 독성 및 환경 잔류성 측면에서 잠재적 리스크를 내포하고 있다. 따라서 이들 부산물의 실제 생성 여부와 거동을 규명하는 연구가 필수적이다.

종합적으로, Fe(VI) 산화공정은 농업 및 음용수 전처리에서 벤조산 유도체류 유기 오염물질을 제어할 수 있는 잠재력을 지니고 있으나, 다양한 수질 매트릭스 조건에서의 반응성 평가와 Fe(VI) 기반 병합 AOPs (예: Fe(VI)/sulfite, UV/H2O2/Fe(VI), Fe(II)/H2O2/Fe(VI) 등)의 도입이 필요하다. 이를 통해 산화 효율, 부산물 형성, 경제성까지 포괄적으로 검토함으로써 Fe(VI) 공정의 실질적 적용성을 강화할 수 있을 것이다.

Acknowledgements

이 연구는 (1) 2023년도 정부(교육부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 기초연구사업(No. RS-2023-00248714) 및 (2) 한국건설기술연구원 (KICT) 주요사업 (Grant No. 20230348-001)과 한국연구재단 원천기술 개발사업(Project No. Rs-2023-00259994)의 지원으로 진행되었습니다.

References

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