HOCs(hydrophobic organic chemicals)로 오염된 토양을 복원하기 위해 적용한 토양세척 공정에서 발생한 계면활성제 용액을 재사용하는 기술로 활성탄을 사용하였으며 이때 계면활성제와 HOCs 의 분배를 예측 할 수 있는 모델을 개발하였다. 모델은 활성탄이 주입된 계면활성제/HOC 계에서 평형 상태의 농도 분배를 바탕으로 하였다. 본 연구에서 사용한 계면활성제는 Triton X-100, HOC는 phenanthrene, 활성탄은 Darco 20-40, 12-20, 4-12 메쉬 이다. 개발 된 모델을 통해 계면활성제의 농도, HOC의 농도, 활성탄 주입량 그리고 활성탄 입자의 크기에 따른 영향을 살펴보았다. 전산 모사를 통해 각 물질들의 분배결과를 얻었으며 이를 바탕으로 계산된 선택도는 활성탄을 이용한 계면활성제 재사용 기술의 평가에 사용되었다. 본 모델의 전산모사 결과 CMC(s)를 전후하여 서로 다른 분배 양상을 보였으며 모든 경우에서 선택도 값이 1보다 커서 활성탄을 이용한 기술이 적절한 방법임을 알 수 있었다. 모델은 계면활성제를 재사용하기 위한 복잡한 실험 이전 단계에서 간단한 전산 모사를 통해 공정의 성능을 평가할 수 있는 모델로 활용할 수 있을 것이다.
HOCs(hydrophobic organic chemicals)로 오염된 토양을 복원하기 위해 적용한 토양세척 공정에서 발생한 계면활성제 용액을 재사용하는 기술로 활성탄을 사용하였으며 이때 계면활성제와 HOCs 의 분배를 예측 할 수 있는 모델을 개발하였다. 모델은 활성탄이 주입된 계면활성제/HOC 계에서 평형 상태의 농도 분배를 바탕으로 하였다. 본 연구에서 사용한 계면활성제는 Triton X-100, HOC는 phenanthrene, 활성탄은 Darco 20-40, 12-20, 4-12 메쉬 이다. 개발 된 모델을 통해 계면활성제의 농도, HOC의 농도, 활성탄 주입량 그리고 활성탄 입자의 크기에 따른 영향을 살펴보았다. 전산 모사를 통해 각 물질들의 분배결과를 얻었으며 이를 바탕으로 계산된 선택도는 활성탄을 이용한 계면활성제 재사용 기술의 평가에 사용되었다. 본 모델의 전산모사 결과 CMC(s)를 전후하여 서로 다른 분배 양상을 보였으며 모든 경우에서 선택도 값이 1보다 커서 활성탄을 이용한 기술이 적절한 방법임을 알 수 있었다. 모델은 계면활성제를 재사용하기 위한 복잡한 실험 이전 단계에서 간단한 전산 모사를 통해 공정의 성능을 평가할 수 있는 모델로 활용할 수 있을 것이다.
A model describing the distributions of surfactants and HOCs (hydrophobic organic chemicals) in surfactant/HOC/activated carbon systems for surfactant reuse in soil washing process was developed. The model simulation was conducted for the evaluation of the effect of concentrations of surfactant, HOC...
A model describing the distributions of surfactants and HOCs (hydrophobic organic chemicals) in surfactant/HOC/activated carbon systems for surfactant reuse in soil washing process was developed. The model simulation was conducted for the evaluation of the effect of concentrations of surfactant, HOC, or activated carbons. Phenanthrene as a target HOC, Triton X-100 as surfactant and three granular activated carbons with different particle sizes (4-12, 12-20, and 20-40 mesh) were used in the model simulation. The distributions of HOC were significantly affected by surfactant dosages, especially at around the CMC(s). The results of selectivities for phenanthrene were much larger than 1 at various concentrations of surfactants, phenanthrene and activated carbons, which mean that the selective adsorption of phenanthrene by activated carbons is a proper separation method from surfactant solution. The model can be applied for the design of the surfactant reuse process using activated carbons without extra experimental efforts.
A model describing the distributions of surfactants and HOCs (hydrophobic organic chemicals) in surfactant/HOC/activated carbon systems for surfactant reuse in soil washing process was developed. The model simulation was conducted for the evaluation of the effect of concentrations of surfactant, HOC, or activated carbons. Phenanthrene as a target HOC, Triton X-100 as surfactant and three granular activated carbons with different particle sizes (4-12, 12-20, and 20-40 mesh) were used in the model simulation. The distributions of HOC were significantly affected by surfactant dosages, especially at around the CMC(s). The results of selectivities for phenanthrene were much larger than 1 at various concentrations of surfactants, phenanthrene and activated carbons, which mean that the selective adsorption of phenanthrene by activated carbons is a proper separation method from surfactant solution. The model can be applied for the design of the surfactant reuse process using activated carbons without extra experimental efforts.
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문제 정의
본 모델은 두 가지 피흡착제인 계면활성제와 HOC가 각각 순수하게 존재하는 시스템을 가정하여 얻은 흡착분배계수를 활용하여 이 두 물질이 동시에 존재하는 시스템에서의 흡착분배를 예측하고자 하였다. 따라서 계면활성제가 활성탄에 흡착한 후 hemimicelle의 형성 등에 의한 HOC의 추가적인 흡착이나, 계면활성제의 흡착에 의한 활성탄의 기공 막힘으로 인한 HOC의 흡착 방해 현상은 고려하지 않았다.
본 모델을 적용하기 위한 기본 개념은 Fig. 1에서와 같이 토양세척 공정에 사용한 계면활성제 용액을 활성탄을 이용하여 오염물질과 계면활성제를 분리한 후 계면활성제를 토양세척과정에 다시 사용하고자 하는 것이다. 초기 HOC로 오염된 토양(Fig.
본 연구에서는 소수성 오염물질로 오염된 토양을 복원 하기 위해 계면활성제를 사용한 토양 세척공정에서 활성탄을 이용하여 계면활성제를 재사용하고자 하는 개념을 도입하였다. 이 때 계면활성제/HOC/물 계에 주입된 활성탄에 의해 변화된 계면활성제와 HOC의 평형관계를 통해 이들 물질의 분배를 예측하는 모델을 개발하여 전산모사하였다.
또한 PAHs의 선택적 분해를 목적으로 하는 연구들은 오염물질 뿐 아니라 계면활성제도 함께 분해 하는 단점을 가지고있다(An, 2001). 이에 본 연구에서는 계면활성제를 사용한 토양세척 공정에서 발생한 계면활성제 용액을 재사용 하기 위한 방법으로 활성탄 흡착을 제안하고 모델의 구현을 통하여 활성탄을 이용한 계면활성제 재사용 기술의 효율을 예측하고자 하였다.
가설 설정
(L/kg)는 활성탄에 대한 계면활성제의 흡착분배계수를 나타낸다. 본 모델에 적용된 Freundlich 식은 모델의 최소화를 위해 계면활성제의 지속적인 흡착이 일어나는 부분에서는 선형(n = 1)으로 가정하였으며(Karickhoff et al., 1979; Chiou et al., 1983; Walters and Luthy, 1984; Schwarzenbach et al., 1993), 최대흡착량에 도달할 때 계면활성제의 액상 농도는 CMC가 되므로, 최대 흡착 량을 안다면 다음의 식으로 간단하게 Kd,s를 예측할 수 있다.
활성탄 주입에 의한 HOC의 분배(Fig. 4b)에서는 계면활성제에 의해 용해되지 않고 입자상으로 용액에 존재하는 phenanthrene의 농도를 흡착 상으로 가정하여 모사하였다. 초기 계면활성제 농도가 CMC(s)보다 낮을 경우 phenanthrene은 대부분 흡착 상으로 존재한다.
제안 방법
이 때 계면활성제/HOC/물 계에 주입된 활성탄에 의해 변화된 계면활성제와 HOC의 평형관계를 통해 이들 물질의 분배를 예측하는 모델을 개발하여 전산모사하였다. 개발된 모델을 통해 초기 계면활성제와 HOC의 농도, 주입된 활성탄의 양 그리고 활성탄의 종류에 따른 영향을 액상과 흡착상의 농도 및 선택도 값을 비교하였으며 다음과 같은 결과를 얻었다.
계면활성제(5 g Triton X-100/L)와 HOC의 양(100 mg phenanthrene/L)이 일정할 때, 활성탄 첨가량에 따른 계면활성제와 HOC의 분배 및 선택도의 변화를 전산 모사를 통해 알아보았다 (Fig. 6). 계면활성제의 분배는 활성탄이 낮은 농도로 주입되었을 경우(< 0.
계면활성제의 농도(5 g Triton X-100/L)와 주입한 활성탄 양(1 g/L)이 일정할 때, phenanthrene의 농도 변화에 따른 계면활성제와 phenanthrene의 분배를 알아보았다 (Fig. 5). 계면활성제 분배는 Fig.
모델의 구현 시 필요한 파라미터들을 구하기 위해 Triton X-100과 phenanthrene의 흡착실험을 수행하였다. 각각의 실험은 250 mL 삼각 플라스크를 이용하여 100 rpm, 20oC에서 48시간 동안 회전식 교반기에서 충분한 흡착이 이루어지도록 하였다.
, 2001). 본 실험에서는 활성탄의 물리·화학적 특성에 따른 계면활성제와 HOC의 분배를 보기 위해 비표면적과 기공부피(pore volume)가 서로 다른 20-40 메쉬 활성탄과 4-12 메쉬 활성탄을 비교하여 전산 모사하였다. 전산 모사 시 조건은 20 mg phenan threne/L과 1 g 활성탄/L에서 계면활성제의 주입량에 따라 모사하였으며 그 결과는 Fig.
, 2001). 본 연구에서는 모델의 변수를 줄이기 위해 계면활성제가 활성탄에 흡착하는 단계와 충분히 흡착된 이후 추가적인 흡착이 일어나지 않는 단계를 서로 분리하여(Liu et al., 1992) 계면활성제가 활성탄에 지속적으로 흡착하는 단계(1단계)에서는 Freundlich 식을 사용하고 계면활성제의 추가 흡착이 일어나지 않는 단계(2단계)에서는 최대흡착량 변수를 사용하였다. 따라서 계면활성제가 활성탄에 지속적으로 흡착하는 1단계를 Freundlich 식을 사용하여 나타내면 다음과 같다.
본 연구에서는 소수성 오염물질로 오염된 토양을 복원 하기 위해 계면활성제를 사용한 토양 세척공정에서 활성탄을 이용하여 계면활성제를 재사용하고자 하는 개념을 도입하였다. 이 때 계면활성제/HOC/물 계에 주입된 활성탄에 의해 변화된 계면활성제와 HOC의 평형관계를 통해 이들 물질의 분배를 예측하는 모델을 개발하여 전산모사하였다. 개발된 모델을 통해 초기 계면활성제와 HOC의 농도, 주입된 활성탄의 양 그리고 활성탄의 종류에 따른 영향을 액상과 흡착상의 농도 및 선택도 값을 비교하였으며 다음과 같은 결과를 얻었다.
2에서 보는 바와 같다. 이를 구현하기 위한 기본적인 모델 식은 Edwards 등(1991, 1994a, 1994b), Liu 등(1992)과 우승한·박종문(2003)의 연구결과를 바탕으로 하여 본 연구에 맞게 확장한 식을 사용하였다(Liu et al. 1992; Edwards et al., 1991; Edwards et al., 1994a; Edwards et al., 1994b; 우승한·박종문, 2003).
이와 더불어 본 연구에서는 선택도 값(selectivity)을 통해 활성탄을 이용한 계면활성제와 HOC의 분리 정도를 알아보았다. 선택도는 식 (22)와 같이 HOC와 계면활성제의 분배계수의 비로 나타낼 수 있으며 분배계수는 특정물질의 고상에서의 농도를 액상에서의 농도로 나누어 줌으로써 간단하게 구할 수 있다(Shuler and Kargi, 2002).
준비된 활성탄은 증류수(Milli-Q, 18MΩ)로 수차례 세척하여 이물질을 제거한 후 80oC에서 48시간이상 건조 후 데시케이터에 보관하여 사용하였다. 활성탄의 물리적 특성을 구하기 위해 비표면적 분석기(ASAP 2010, Micromeritics; 77.3K, N2 gas)를 이용하여 비표면적과 공극률을 구하였다(Table 2).
각각의 실험은 250 mL 삼각 플라스크를 이용하여 100 rpm, 20oC에서 48시간 동안 회전식 교반기에서 충분한 흡착이 이루어지도록 하였다. 흡착이 끝난 후 활성탄의 미세 입자를 제거하기 위해 Millex millipore syringe filter (0.45 µm, hydrophilic)로 거른 후 UV 검출기가 달린 고성능 액체 크로마토그래피(HPLC; Dionex USA)를 사용 하여 Triton X-100과 phenanthrene을 각각 230 nm와 250 nm 파장에서 분석하였다. 분석조건은 역상칼럼인 SUPELCOSIL LC-PAH(150 mm×4.
대상 데이터
계면활성제로는 비이온성 계면활성제인 Triton X100을 선정하였다. HOC는 소수성이 강한 대표적인 물질인 PAHs 중 고리의 수가 3개인 phenanthrene을 선정하였다. 전산모사를 수행한 변수는 계면활성제, 활성탄 그리고 HOC의 총량 및 농도이다.
모델 프로그램의 구현은 EXCEL Worksheet를 이용하였다. 계면활성제로는 비이온성 계면활성제인 Triton X100을 선정하였다. HOC는 소수성이 강한 대표적인 물질인 PAHs 중 고리의 수가 3개인 phenanthrene을 선정하였다.
45 µm, hydrophilic)로 거른 후 UV 검출기가 달린 고성능 액체 크로마토그래피(HPLC; Dionex USA)를 사용 하여 Triton X-100과 phenanthrene을 각각 230 nm와 250 nm 파장에서 분석하였다. 분석조건은 역상칼럼인 SUPELCOSIL LC-PAH(150 mm×4.6 mm, particle size 5 µm) 칼럼을 사용하였고 유동상(85% acetonitrile 과 15% de-ionized water)은 1.5 mL/min으로 흘려주었다.
실험에 사용한 활성탄은 갈탄계열의 입자상인 Darco 20-40, 12-20, 4-12 메쉬 활성탄을 각각 Sigma를 통해 구입하였다. 준비된 활성탄은 증류수(Milli-Q, 18MΩ)로 수차례 세척하여 이물질을 제거한 후 80oC에서 48시간이상 건조 후 데시케이터에 보관하여 사용하였다.
실험에 사용한 활성탄은 갈탄계열의 입자상인 Darco 20-40, 12-20, 4-12 메쉬 활성탄을 각각 Sigma를 통해 구입하였다. 준비된 활성탄은 증류수(Milli-Q, 18MΩ)로 수차례 세척하여 이물질을 제거한 후 80oC에서 48시간이상 건조 후 데시케이터에 보관하여 사용하였다. 활성탄의 물리적 특성을 구하기 위해 비표면적 분석기(ASAP 2010, Micromeritics; 77.
이론/모형
, 1992) 계면활성제가 활성탄에 지속적으로 흡착하는 단계(1단계)에서는 Freundlich 식을 사용하고 계면활성제의 추가 흡착이 일어나지 않는 단계(2단계)에서는 최대흡착량 변수를 사용하였다. 따라서 계면활성제가 활성탄에 지속적으로 흡착하는 1단계를 Freundlich 식을 사용하여 나타내면 다음과 같다.
이 모델은 물질전달은 고려하지 않았으므로 주어진 조건에서의 평형 값들에 대한 계산결과를 얻게 된다. 모델 프로그램의 구현은 EXCEL Worksheet를 이용하였다. 계면활성제로는 비이온성 계면활성제인 Triton X100을 선정하였다.
성능/효과
1. 계면활성제 재사용을 위한 공정에 활성탄을 사용하였으며 다양한 전산모사 결과 1보다 높은 선택도 값을 얻을 수 있어 활성탄을 이용한 선택적 분리가 가능함을 확인할 수 있었다.
2. 동일한 양의 활성탄과 HOC의 조건하에서 계면활성제의 영향을 살펴 본 결과 낮은 계면활성제 농도에서 높은 선택도 값을 얻었으며 적정농도 이상에서는 선택도 값의 변화가 거의 없었다.
3. 초기 HOC의 농도에 따른 선택도 변화는 계면활성제 양에 비해 미미한 것으로 판단된다. 따라서 적절한 계면활성제의 농도를 유지하는 것이 계면활성제의 재사용율을 높이는 방법으로 사료된다.
4. HOC의 양과 계면활성제의 양이 동일한 상태에서 활성탄의 주입량에 따른 전산모사 결과, 계면활성제의 흡착 량이 최대흡착량 이하가 되는 활성탄 주입량에서 큰 선택도의 증가를 볼 수 있었다. 그러나 과다한 활성탄의 첨가는 선택도 증가 효과를 얻을 수 없는 것으로 확인되었다.
5. 활성탄의 크기에 따른 선택적 흡착정도를 살펴본 결과 입자의 크기가 작을수록 높은 선택도를 나타내고 있다. 이는 활성탄의 비표면적과 기공분포에 따른 결과로 예상 할 수 있으며 비표면적과 기공이 잘 발달한 활성탄 일수록 계면활성제 용액으로부터 오염물질을 선택적으로 잘 분리할 수 있을 것이라 판단된다.
이는 본 연구에서 사용한 각 활성탄의 비표면적과 기공크기에 따른 것으로 판단되며 비표면적과 기공이 많이 발달할수록 높은 Triton X-100과 phenanthrene의 흡착을 보이고 있는 것으로 판단된다. 각 활성탄의 선택도 값의 결과에서도(Fig. 7c) 각 활성탄 모두 1보다 높은 선택도를 나타내어 계면활성제 용액으로부터 phenanthrene을 효과적으로 분리하고 있음을 알 수 있으며 이 또한 활성탄의 비표면적과 기공이 잘 발달한 활성탄이 Triton X-100 용액으로부터 phenanthrene을 선택적으로 잘 분리하고 있음을 알 수 있다. 따라서 계면활성제 용액으로부터 오염물질을 선택적으로 잘 분리하기 위해서 즉, 높은 선택도를 나타내기 위해서는 비표면적과 기공이 잘 발달한 활성탄을 사용하는 것이 효과적이라 판단할 수 있다.
HOC의 양과 계면활성제의 양이 동일한 상태에서 활성탄의 주입량에 따른 전산모사 결과, 계면활성제의 흡착 량이 최대흡착량 이하가 되는 활성탄 주입량에서 큰 선택도의 증가를 볼 수 있었다. 그러나 과다한 활성탄의 첨가는 선택도 증가 효과를 얻을 수 없는 것으로 확인되었다.
5c에서와 같이 phenanthrene의 농도에 따라 다소 감소하고 있지만 그 감소는 거의 무시할 정도이다. 따라서 본 시스템에서 HOC의 선택적 분리는 HOC 농도에 의한 영향이 적음을 알 수 있다.
7b)는 20-40 메쉬의 활성탄이 4-12 메쉬의 활성탄에 비해 훨씬 많은 phenanthrene을 흡착하는 것으로 나타났다. 이는 본 연구에서 사용한 각 활성탄의 비표면적과 기공크기에 따른 것으로 판단되며 비표면적과 기공이 많이 발달할수록 높은 Triton X-100과 phenanthrene의 흡착을 보이고 있는 것으로 판단된다. 각 활성탄의 선택도 값의 결과에서도(Fig.
활성탄의 크기에 따른 선택적 흡착정도를 살펴본 결과 입자의 크기가 작을수록 높은 선택도를 나타내고 있다. 이는 활성탄의 비표면적과 기공분포에 따른 결과로 예상 할 수 있으며 비표면적과 기공이 잘 발달한 활성탄 일수록 계면활성제 용액으로부터 오염물질을 선택적으로 잘 분리할 수 있을 것이라 판단된다.
15 g Triton X-100/g-carbon의 값을 보이고 있다(Table 2). 활성탄 입자의 크기가 작아질수록 즉, 비표면적과 비례하여 활성탄에 흡착하는 계면활성제의 양이 증가함을 알 수 있다. 계면활성제와 phenanthrene의 등온흡착 실험결과는 별도의 논문에 제출한 결과를 참고할 수 있다(안치규 등, 2006).
후속연구
6. 본 연구에서 개발된 모델 프로그램은 오염토양 세척 후 발생하는 세척수내의 계면활성제와 HOC를 효과적으로 분리하기 위한 공정을 모사한 것으로 실제의 복잡한 실험을 수행하기 이전 단계에서 간단한 실험을 통해 얻은 파라미터를 활용하여 계면활성제와 HOC의 분배를 예측하고 활성탄 주입량 등을 결정하기 위해 활용될 수 있을 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
다환 방향족 탄화수소는 무엇인가?
다환 방향족 탄화수소(PAHs, polycyclic aromatic hydrocarbons)는 2개 또는 이보다 많은 수의 벤젠 고리로 구성되어 있는 물질로 그 자체의 독성과 발암성, 돌연변이성으로 인해 관심이 증대 되고 있는 대표적인 소수성 유기물질(HOCs, hydrophobic organic chemicals)이다. 이러한 PAHs는 화석연료의 수송이나 저장 시 누출되거나 불완전연소로 자연계에 방출되며, 이들의 낮은 용해도로 인해 토양 유기물과 강한 결합을 형성하여 오랜 기간동안 토양 내에 잔류하게 된다(Cerniglia, 1992).
현재 주를 이루고 있는 계면활성제의 재사용 기술은 무엇이 있는가?
현재 진행되고 있는 계면활성제의 재사용 기술은 물리·화학적인 방법으로는 막 탈기법, 막 액액 추출, 침전 그리고 계면활성제 용액에서 오염물질을 선택적으로 분해하는 기술 등이 주를 이루고 있다(Lowe et al., 1999; Lowe et al, 2000; An, 2001).
본 논문에서 계면활성제와 HOCs 의 분배를 예측 할 수 있는 모델은 무엇을 바탕으로 개발했는가?
HOCs(hydrophobic organic chemicals)로 오염된 토양을 복원하기 위해 적용한 토양세척 공정에서 발생한 계면활성제 용액을 재사용하는 기술로 활성탄을 사용하였으며 이때 계면활성제와 HOCs 의 분배를 예측 할 수 있는 모델을 개발하였다. 모델은 활성탄이 주입된 계면활성제/HOC 계에서 평형 상태의 농도 분배를 바탕으로 하였다. 본 연구에서 사용한 계면활성제는 Triton X-100, HOC는 phenanthrene, 활성탄은 Darco 20-40, 12-20, 4-12 메쉬 이다.
참고문헌 (29)
안치규, 김영미, 우승한, 박종문, 2006, 활성탄을 이용한 Triton X-100 용액에서의 phenanthrene의 선택적 흡착에 관한 연구, 한 국지하수토양환경, 11(2), 13-21
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