점토 광물은 매립지 침출수로부터 유해한 오염물질을 제거하고 고정화시키기 위한 흡착제로서 많이 이용되어져왔다. 그러나 천연 점토나 천연 점토에 계면활성제를 흡착시킨 유기점토는 중금속과 유기오염물질을 동시에 효과적으로 제거시킬 수 없다. 따라서 본 연구에서는 중금속과 유기오염물질을 동시에 제거시키기 위해 천연 점토에 첨가할 계면활성제의 최적량을 결정하는 것을 목표로 하고 있다. 이를 위해 천연 점토로는 Na-벤토나이트를, 양이온 계면활성제로는 HDTMA를 사용하였고, 대표적인 오염물질로 납과 클로로벤젠을 선택하여 실험하였다. 실험 결과 클로로벤젠은 HDTMA를 점토에 많이 첨가할수록 많이 제거되었고, 반면에 납은 HDTMA의 첨가량이 증가할수록 그 제거율이 감소하였다. 또한 클로로벤젠은 초기농도보다는 오히려 첨가된 HDTMA의 양에 더 많은 영향을 받았으나, 납은 초기농도에 의해 훨씬 더 많은 영향을 받는 것을 관찰할 수 있었다. 납과 클로로벤젠의 상호 작용을 알아보기 위한 실험 결과에서 납은 클로로벤젠에 의해 영향을 받지 않았으며, 클로로벤젠의 경우에서도 마찬가지였다.
점토 광물은 매립지 침출수로부터 유해한 오염물질을 제거하고 고정화시키기 위한 흡착제로서 많이 이용되어져왔다. 그러나 천연 점토나 천연 점토에 계면활성제를 흡착시킨 유기점토는 중금속과 유기오염물질을 동시에 효과적으로 제거시킬 수 없다. 따라서 본 연구에서는 중금속과 유기오염물질을 동시에 제거시키기 위해 천연 점토에 첨가할 계면활성제의 최적량을 결정하는 것을 목표로 하고 있다. 이를 위해 천연 점토로는 Na-벤토나이트를, 양이온 계면활성제로는 HDTMA를 사용하였고, 대표적인 오염물질로 납과 클로로벤젠을 선택하여 실험하였다. 실험 결과 클로로벤젠은 HDTMA를 점토에 많이 첨가할수록 많이 제거되었고, 반면에 납은 HDTMA의 첨가량이 증가할수록 그 제거율이 감소하였다. 또한 클로로벤젠은 초기농도보다는 오히려 첨가된 HDTMA의 양에 더 많은 영향을 받았으나, 납은 초기농도에 의해 훨씬 더 많은 영향을 받는 것을 관찰할 수 있었다. 납과 클로로벤젠의 상호 작용을 알아보기 위한 실험 결과에서 납은 클로로벤젠에 의해 영향을 받지 않았으며, 클로로벤젠의 경우에서도 마찬가지였다.
The use of clay has been the favored method of reducing or eliminating hazardous contaminants in the leachate from landfills. But, neither natural clays nor organoclays modified with surfactants are able to effectively sorb both heavy metals and organic contaminants. Therefore, the objective of this...
The use of clay has been the favored method of reducing or eliminating hazardous contaminants in the leachate from landfills. But, neither natural clays nor organoclays modified with surfactants are able to effectively sorb both heavy metals and organic contaminants. Therefore, the objective of this study is to determine the optimal amount of surfactant added on the clay mineral to effectively remove both of them. For this purpose, Na-Bentonite as the natural clay, and hexadecyltrimethylammonium (HDTMA) as the cationic surfactant were used, Chlorobenzene and lead ($Pb^{2-}$) were selected as representative contaminants. Experimental result showed that chlorobenzene sorption increased with increasing HDTMA to bentonite, ratios. On the contrary, the removal rate of lead decreased as the amount of HDTMA increased. The removal of chlorobenzene was influenced by the amount of HDTMA added to the bentonites rather than initial concentration of chlorobenzene, but the removal of lead was much more influenced by the initial concentration of lead. The adsorption of lead was not affected by chlorobenzene, and vice versa. The competitive sorption between the heavy metal and the organic contaminant was not present.
The use of clay has been the favored method of reducing or eliminating hazardous contaminants in the leachate from landfills. But, neither natural clays nor organoclays modified with surfactants are able to effectively sorb both heavy metals and organic contaminants. Therefore, the objective of this study is to determine the optimal amount of surfactant added on the clay mineral to effectively remove both of them. For this purpose, Na-Bentonite as the natural clay, and hexadecyltrimethylammonium (HDTMA) as the cationic surfactant were used, Chlorobenzene and lead ($Pb^{2-}$) were selected as representative contaminants. Experimental result showed that chlorobenzene sorption increased with increasing HDTMA to bentonite, ratios. On the contrary, the removal rate of lead decreased as the amount of HDTMA increased. The removal of chlorobenzene was influenced by the amount of HDTMA added to the bentonites rather than initial concentration of chlorobenzene, but the removal of lead was much more influenced by the initial concentration of lead. The adsorption of lead was not affected by chlorobenzene, and vice versa. The competitive sorption between the heavy metal and the organic contaminant was not present.
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문제 정의
실제 환경이 오염되어질 때 한 가지의 단일 물질로만 오염될 뿐만 아니라, 유기오염물질과 중금속이 서로 공존하는 경우가 아주 많다. 따라서 본 연구에서는 중금속과 유기오염물질이 공존할 때 그 둘 사이의 상호작용에 의해 위의 실험 결과가 달라지는지에 대해서도 조사하였다. Figure 7에서 보듯이 납은 클로로벤 젠과 함께 있을 때도 같은 제거율을 나타내었으며, 클 로로벤젠의 농도에도 영향을 받지 않았다.
따라서, 본 연구에서는 기존에 사용하고 있는 계면 활성제를 점토에 첨가할 때, 유기오염물질과 중금속을 모두 효과적으로 제거시킬 수 있는 최적의 계면활성제의 양을 결정하는데 초점을 두고, 점토에 계면활성제의 첨가량이 증가함에 따라 중금속과 유기오염물질의 제거 양상을 살펴보았다. 또한, 중금속과 유기오염물질이 공존할 때 그 둘 사이의 상호작용에 의해 각각의 거동이 영향을 받는지에 대해서도 알아보았다.
따라서, 본 연구에서는 기존에 사용하고 있는 계면 활성제를 점토에 첨가할 때, 유기오염물질과 중금속을 모두 효과적으로 제거시킬 수 있는 최적의 계면활성제의 양을 결정하는데 초점을 두고, 점토에 계면활성제의 첨가량이 증가함에 따라 중금속과 유기오염물질의 제거 양상을 살펴보았다. 또한, 중금속과 유기오염물질이 공존할 때 그 둘 사이의 상호작용에 의해 각각의 거동이 영향을 받는지에 대해서도 알아보았다. 이를 위해서, 양이온성 계면활성제로 HDTMA를, 유기오염물질로는 클로로벤젠을, 중금속으로는 납을 선정하여 실험하였다.
본 연구에서는 유기오염물질과 중금속을 모두 효과적으로 제거할 수 있는 최적의 계면활성제의 양을 결정하기 위해서 천연 벤토나이트와 CEC의 25%, 50%, 75%, 100%에 해당되는 양의 HDTMA를 벤토나이트에 흡착시킨 유기벤토나이트, 이렇게 5종류의 점토에 따라 클로로벤젠과 납의 제거 양상이 어떻게 변화하는지 관찰하였다. 그 결과 클로로벤젠은 첨가된 HDTMA양이 증가할수록 더 많이 제거되었고, 납은 반대의 현상이 나타났다.
제안 방법
고액 분리를 위해 25P, 8000rpm에서 10분간 원심분리한 후, 상층액 5mL를 Carbon disulfide 10mL로 추출하였다. 추출액 L를 취하여 GC-FID로 분석하였으며, 이때 GC 분석 조건은 oven 온도 1201:, injector 온도 250"C, 그리고 detector 온도 280P로 하였다. 유기벤토나이트가 포함되어 있지 않은 공시료에서 클로로벤젠의 회수율은 90.
납 흡착 실험 역시 회분식 실험으로 진행되었다. 25mL 원심분리용 병에 5가지 0.5g HDTMA-벤토나 이트와 바탕용액으로 0.2mol/L의 NaNO3를 12.5mL씩 부은 후, 200, 600, 1000, 1500, 2000mg/l에 해당하는 Pb2* 용액을 12.5mL씩 첨가하였다. pH 예비실험의 결과를 토대로 pH 5에 해당하는 적정량의 질산을 첨가하고, 2일간 253 250rpm에서 교반시킨 후, 8000rpm에서 10분간 원심분리하여 상층액을 공극의 크기가 0.
클로로벤젠 흡착 실험은 회분식 실험으로 진행되었다. 25mL 원심분리용 병에 5가지 0.5g HDTMA-벤토나이트를 각각 넣고 이온강도를 유지하기 위해 0.1mol/L의 질산나트륨 용액을 첨가한 후, pH 예비 실험의 결과를 토대로 용액의 pH가 5가 되도록 적당량 질산을 첨가하였다. 초기 농도를 0mg/L부터 500mg/L에 해당하게 클로로벤젠을 주입하고, 테플론이 코팅된 뚜껑으로 재빨리 닫은 후, 2일간 25 250rpm에서 충분히 교반하였다.
5mL씩 첨가하였다. pH 예비실험의 결과를 토대로 pH 5에 해당하는 적정량의 질산을 첨가하고, 2일간 253 250rpm에서 교반시킨 후, 8000rpm에서 10분간 원심분리하여 상층액을 공극의 크기가 0.22 cellulose acetate membrane filter로 여과하였다. 이 여과액을 AAS를 사용하여 납의 농도를 정량하였다.
1mol/L 질산나트륨 용액을 25mL 넣고 교반기에서 2일간 25P, 250rpm으로 충분히 교반하였다. 고액 분리를 위해 2SC, 8000rpm에서 10분간 원심분리한 후, 상층액의 탈착된 HDTMA 농도를 TOC-5000A (Total Organic Carbon Analyzer, Shimadzu) S. 즉정하였다.
3%이었으며, 흡착된 클로로벤젠의 양은 클로로벤젠의 초기 농도에서 평형 후 용액 내에 남아있는 클로로벤젠의 농도차로 계산하였다. 납과의 경쟁을 살펴보기 위하여 납의 초기 농도를 500mg/L가 되도록 첨가한 후 위의 실험을 반복하였다. 모든 실험은 두 번씩 반복하였고 실험 오차 범위는 5 % 이내였다.
5에서 생성되는 것으로 보아 납은 pH 6 이하에서는 침전하지 않는다. 따라서 본 실험에서는 납의 침전에 의한 제거를 무시하기 위하여 pH를 5로 설정하여 실험하였다. Figure 4은 천연 벤토나이트와 유기벤토나이트에 의한 납의 흡착곡선을 나타낸 것으로 Langmuir 등온 흡착식을 잘 따랐다.
9%%) 를 사용하였 고, 각각은 모두 Aldrich Chemicals사에서 구입하였다. 벤토나이트를 여과하기 위해 공극의 크기가 0.2m이고, 지름이 25mm인 cellulose acetate membrane syringe filter (Millipore사) 를 사용하였 고, 클로로벤젠의 농도는 gas chromatography (영인 과학, M600D)로 분석하였으며, 컬럼은 HP-624 (30m, 0.53mm, 0.3를 사용하였다. 납의 농도는 Perkin Elemer 사 의 atomic absorption spectroscopy (AA100/HGA800) 를 사용하여 분석 흐]"였다.
추출액 L를 취하여 GC-FID로 분석하였으며, 이때 GC 분석 조건은 oven 온도 1201:, injector 온도 250"C, 그리고 detector 온도 280P로 하였다. 유기벤토나이트가 포함되어 있지 않은 공시료에서 클로로벤젠의 회수율은 90.3%이었으며, 흡착된 클로로벤젠의 양은 클로로벤젠의 초기 농도에서 평형 후 용액 내에 남아있는 클로로벤젠의 농도차로 계산하였다. 납과의 경쟁을 살펴보기 위하여 납의 초기 농도를 500mg/L가 되도록 첨가한 후 위의 실험을 반복하였다.
메스플라스크에 5g의 Na-벤토나이트를 넣고 미리 100mL의 증류수로 적셔놓았다. 이를 CEC의 0%, 25%, 50%, 75%, 100%가 되도록 0.016M의 NaCl 과 HDTMA 용액을 각기 다른 비율로 섞어서 5g의 벤토나이트와 혼합하고, 24시간 동안 실내온도에서 magnetic stirrer로 교반시켰다. 증류수로 3번 세척하고 80P의 오븐에서 40시간 동안 건조시킨 후 한 시간 동안 110P에서 활성화시켰다.
클로로벤젠 흡착 실험은 회분식 실험으로 진행되었다. 25mL 원심분리용 병에 5가지 0.
이 여과액을 AAS를 사용하여 납의 농도를 정량하였다. 클로로벤젠과의 경쟁을 살펴보기 위하여 클로로 벤젠의 초기 농도를 500mg/J가 되도록 첨가한 후 위의 실험을 반복하였다. 모든 실험은 두 번씩 반복하였고 실험 오차 범위는 5 % 이내였다.
합성한 유기 벤토나이트의 재현성 여부를 검정하기 위해 벤토나이트 CEC의 0%에서 100%까지 HDTMA를 첨가한 5가지 유기벤토나이트의 합성을 각각 5번씩 반복하였고, 총 25개 샘플들을 total carbon content (TC, Elemental Analyzer, Flash EA 1112 Series) 분석을 통해 총 탄소 함량을 확인해 보았다. 그 결과 5개 샘플의 총 탄소함량은 95% 신뢰도에서 유의하지 않았다.
합성한 유기벤토나이트의 특성을 조사하기 위해 X-ray powder diffraction (XRD)과 organic carbon content (TOC) 분석을 하였다. 그 결과는 Table 1에 나타내었다.
흡착된 HDTMA의 탈착 여부를 알아보기 위하여 25mL 원심분리용 병에 합성한 25, 50, 75, 100% 유기벤토나이트 0.5g을 넣은 후, 0.1mol/L 질산나트륨 용액을 25mL 넣고 교반기에서 2일간 25P, 250rpm으로 충분히 교반하였다. 고액 분리를 위해 2SC, 8000rpm에서 10분간 원심분리한 후, 상층액의 탈착된 HDTMA 농도를 TOC-5000A (Total Organic Carbon Analyzer, Shimadzu) S.
대상 데이터
본 연구에서 사용된 벤토나이트는 국내 광산에서 채 취한 것으로서 동해 화학에서 제조한 상업용 벤토나이 트를 구입하여 사용하였다. 이 벤토나이트는 Na-벤토나이트로서 양이온교환능 (CEC) 이 63.
8이었다. 이 실험에서는 유기 오염물질로 클로로벤젠(순도 99.9%)을, 중금속으로는 납을 선택하여 lead(U) nitrate (순도 99.9%%) 를 사용하였 고, 각각은 모두 Aldrich Chemicals사에서 구입하였다. 벤토나이트를 여과하기 위해 공극의 크기가 0.
또한, 중금속과 유기오염물질이 공존할 때 그 둘 사이의 상호작용에 의해 각각의 거동이 영향을 받는지에 대해서도 알아보았다. 이를 위해서, 양이온성 계면활성제로 HDTMA를, 유기오염물질로는 클로로벤젠을, 중금속으로는 납을 선정하여 실험하였다.
이론/모형
납의 흡착 실험을 하기에 앞서서 실험용액 내 납이 온의 화학종 분포를 알아보기 위하여 화학 모델 중 하나인 MINTEQA2를 사용하여 화학종 계산을 하였다. Figure 3에서 보면 Pb(OH)2가 납의 침전물로 작용하는데 pH 6.
성능/효과
합성한 유기 벤토나이트의 재현성 여부를 검정하기 위해 벤토나이트 CEC의 0%에서 100%까지 HDTMA를 첨가한 5가지 유기벤토나이트의 합성을 각각 5번씩 반복하였고, 총 25개 샘플들을 total carbon content (TC, Elemental Analyzer, Flash EA 1112 Series) 분석을 통해 총 탄소 함량을 확인해 보았다. 그 결과 5개 샘플의 총 탄소함량은 95% 신뢰도에서 유의하지 않았다.
Figure 5에서는 클로로벤젠과 납각각의 초기 농도와 벤토나이트에 첨가된 HDTMA의 양에 의한 제거 양상을 3D로 나타내었다. 그 결과 클로로 벤젠의 제거량은 클로로 벤젠의 초기 농도보다는 첨가된 HDTMA의 양에 의해 더 많은 영향을 받는다는 것을 알 수 있었다. 반면, 납의 제거율은 HDTMA첨가량보다는 오히려 납의 초기 농도에 훨씬 더 많은 영향을 받는 것을 볼 수 있다.
본 연구에서는 유기오염물질과 중금속을 모두 효과적으로 제거할 수 있는 최적의 계면활성제의 양을 결정하기 위해서 천연 벤토나이트와 CEC의 25%, 50%, 75%, 100%에 해당되는 양의 HDTMA를 벤토나이트에 흡착시킨 유기벤토나이트, 이렇게 5종류의 점토에 따라 클로로벤젠과 납의 제거 양상이 어떻게 변화하는지 관찰하였다. 그 결과 클로로벤젠은 첨가된 HDTMA양이 증가할수록 더 많이 제거되었고, 납은 반대의 현상이 나타났다. 중금속과 유기오염물이 공존할 때 그 둘 사이의 상호작용에 대해서도 실험하였는데, 납과 클로로벤젠 모두 서로에 의해 영향받지 않았다.
그 결과는 Table 1에 나타내었다. 분석 결과를 보면 첨가된 HDTMA의 양이 늘어날수록 유기탄소함량도 직선적으로 증가함을 관찰할 수 있었다. Zhang et al.
반면 납의 경우 HDTMA가 많이 첨가될수록 납의 제거율은 감소하였지만 그 감소 정도는 매우 적었다. 오히려 그것보다는 납의 초기 농도가 100에서 lOOOmg/L로 갈수록 제거율이 확연히 감소하는 것을 볼 수 있었다. 특히 납의 초기 농도가 lOOmg/L 이하인 경우에는 100%-유기벤토나이트에 서도 거의 80% 이상이 제거는 것을 관찰할 수 있었다.
(1993)의 논문 결과와도 일치하고 있다. 이 논문에 의하면 일주일간 탈착 실험 결과 1% 이하의 탈착율을 보였으며, 6개월 이상 장시간 탈착시켜도 더 이상의 HDTMA의 탈착은 관찰되지 않았다고 한다. 따라서 합성한 유기벤토나이트를 실제 환경에 적용하여도 흡착된 HDTMA가 쉽게 탈착되지는 않으리라고 예상된다.
후속연구
그러나 국내의 대부분 오염지역, 심지어 광내수의 중금속 농도도 50mg/L를 벗어나지 않으므로32, 100% 유기벤토나이트일 때가 유기오염물질과 중금속 모두의 제거를 위해 효과적일 것으로 사료된다. 본 연구의 결과는 중금속과 유기오염물질을 동시에 제거할 수 있는 새로운 매립지 라이너물질로서 유기벤토나이트의 적용에 대해 중요한 역할을 할 것이다.
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