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문제 정의
- 본 연구에서는 유류 중 대표적인 물질인 디젤로 오염된 토양을 대상으로 대표적인 비이온성 계면활성제와 음이온성 계면활성제를 선정하여 토양의 특성, 계면활성제의 종류와 특성에 따른 디젤 제거효능을 파악하고 이 결과를 기반으로 선정한 비이온성-음이온성 혼합 계면활성제의 디젤 제거능력을 파악하고자 하였다.
제안 방법
- 운반가스로 헬륨을 1 mL/min으로 흘려주었다. 농도는 크로마토그램에서 바탕선(C8)-바탕선(C40) 적분방법을 이용하여 검량하였으며, 토양에 잔류하여 함께 추출된 계면활성제가 크로마토그램에 나타난 경우에는 계면활성제의 GC 피크를 바탕선(C8)-바탕선(C40) 적분 면적에서 뺀 부분만을 면적 계산하여 디젤 농도를 정량하였다.
- 단일 계면활성제를 이용한 회분식 실험은 50 mL의 원심분리 vial에 5g의 디젤오염토양과 5, 10, 20 g/L의 계면활성제 용액 25 mL를 넣고 drum rotary shaker(25℃)에서 3시간 동안 30 rpm으로 교반하여 디젤의 제거가 이루어지도록 하였다. 이후 vial을 5,000 rpm에서 1시간 원심분리한 후 상등액과 토양을 분리하였으며, 상등액에서는 계면활성제 농도를 토양에서는 잔류 디젤 농도를 측정하였다.
- 디젤 제거에 비이온성과 음이온성 혼합 계면활성제의 능력을 파악하기 위하여 단일 계면활성제 상에서 Soil A 와 B에서 모두 높은 제거 효능을 보인 비이온성 계면활성제 1종(T15S7)과 평균적인 제거 효능을 보인 비이온성 계면활성제 1종(TW80)을 선정한 후 음이온성 계면활성제 3종(SDS, CAL, AMA)의 혼합을 통하여 디젤제거 경향을 살펴보았다. Fig.
- 수용액 내 계면활성제의 농도는 UV(Waters 490E, Waters, USA)를 장착한 고성능액체크로마토그래피(HPLC, Waters, USA)를 이용하여 측정하였다. 칼럼은 Waters Symmetry C18 column을 이용하였으며 계면활성제의 정량은 246 nm에서 진행하였다.
- 단일 계면활성제를 이용한 회분식 실험은 50 mL의 원심분리 vial에 5g의 디젤오염토양과 5, 10, 20 g/L의 계면활성제 용액 25 mL를 넣고 drum rotary shaker(25℃)에서 3시간 동안 30 rpm으로 교반하여 디젤의 제거가 이루어지도록 하였다. 이후 vial을 5,000 rpm에서 1시간 원심분리한 후 상등액과 토양을 분리하였으며, 상등액에서는 계면활성제 농도를 토양에서는 잔류 디젤 농도를 측정하였다. 혼합 계면활성제를 이용한 디젤 제거 실험은 단일 계면활성제 용액 대신 총 5 또는 10 g/L의 농도가 되도록 음이온성 계면활성제와 양이온성 계면활성제의 무게 농도비가 0 : 1, 0.
- 토양 내 존재하는 디젤 측정은 토양오염공정시험방법을 수정하여 수행하였다. 구체적으로 토양 5g을 50 mL 원심분리 vial에 넣고 5g의 무수황산나트륨과 25 mL의 hexane을 넣은 후 3분간 초음파추출기를 이용하여 추출하였다.
- 3 g의 실리카겔로 정제한 후 정제된 액 중 2 µL를 가스 크로마토그래피(GC)에 주입하였다. 토양오염공정시험방법에서는 추출용매로 디클로로메탄을 이용하도록 되어있으나 토양에 계면활성제가 존재할 경우 디젤의 추출 효율이 n-hexane에 비하여 떨어지는 경향을 보여 본 실험에서는 n-hexane을 이용하여 디젤을 추출하였다.
- 이후 vial을 5,000 rpm에서 1시간 원심분리한 후 상등액과 토양을 분리하였으며, 상등액에서는 계면활성제 농도를 토양에서는 잔류 디젤 농도를 측정하였다. 혼합 계면활성제를 이용한 디젤 제거 실험은 단일 계면활성제 용액 대신 총 5 또는 10 g/L의 농도가 되도록 음이온성 계면활성제와 양이온성 계면활성제의 무게 농도비가 0 : 1, 0.25 : 0.75, 0.5 : 0.5, 0.75 : 0.25, 1 :0가 되도록 제조하여 이용하였다. 혼합 계면활성제의 영향 파악시 사용한 비이온성 계면활성제는 TW80과 Tergitol 15-S-7(T15S7)이었으며, 음이온 계면활성제는 SDS, CAL, AMA이다.
대상 데이터
- 계면활성제를 이용하여 디젤로 오염된 토양을 정화하기 위해 2가지 토양을 사용하였다. 하나는 포항 A군부대에 오염된 토양(Soil A)으로 디젤오염농도가 4,095 mg/kg 이었으며 C12-C22 사이의 오염물이 존재하였다(Fig.
- 1). 다른 하나의 토양은 부산시 B주유소에서 채취한 토양으로 디젤 오염농도가 300 mg/kg으로 낮은 오염농도를 보여 인위적으로 인근 주유소에서 구입한 디젤과 섞어 한 달간 방치한 토양(Soil B)으로 16,297 mg/kg의 디젤 오염도를 보였다. 각 토양의 특성은 Table 1에 정리하였다.
- 여기서 비이온성 계면활성제와 음이온성 계면활성제 중 SDS는 Sigma-Aldrich(USA)에서 구입하였고, Calfax 16-L(CAL)은 Pilot Chemical(USA), AMA-80I (AMA)는 Fluka(USA)에서 각각 구입하였다. 디젤 추출에 이용한 n-hexane은 Merck(Denmark)사의 제품을 이용하였으며, 기타 추출시 사용한 물품은 Sigma-Aldrich사의 제품을 이용하였다.
- 사용한 계면활성제는 비이온성 계면활성제와 음이온성 계면활성제로 각 계면활성제의 특성은 Table 2에 정리하였다. 여기서 비이온성 계면활성제와 음이온성 계면활성제 중 SDS는 Sigma-Aldrich(USA)에서 구입하였고, Calfax 16-L(CAL)은 Pilot Chemical(USA), AMA-80I (AMA)는 Fluka(USA)에서 각각 구입하였다. 디젤 추출에 이용한 n-hexane은 Merck(Denmark)사의 제품을 이용하였으며, 기타 추출시 사용한 물품은 Sigma-Aldrich사의 제품을 이용하였다.
- 25, 1 :0가 되도록 제조하여 이용하였다. 혼합 계면활성제의 영향 파악시 사용한 비이온성 계면활성제는 TW80과 Tergitol 15-S-7(T15S7)이었으며, 음이온 계면활성제는 SDS, CAL, AMA이다. 기타 실험조건은 단일 계면활성제를 이용하여 진행한 회분식 실험과 동일한 조건을 이용하였다.
성능/효과
- • 디젤로 오염된 토양을 세척하는데 사용된 비이온성 계면활성제 중 T15S7이 토양의 특성에 관계없이 좋은 성능을 보였으며, 디젤 제거능은 계면활성제의 HLB가 12-13에서 최고였다.
- • 비이온성 계면활성제와 음이온성 계면활성제를 혼합하여 디젤을 제거한 경우, 음이온성 계면활성제보다 디젤 제거능이 높은 T15S7을 비이온성 계면활성제로 이용하였을 경우 배합비에 따른 디젤 제거의 상승효과를 관찰하였으며, 음이온성 계면활성제와 디젤 제거능이 비슷한 TW80을 비온성 계면활성제로 이용하였을 경우 배합비에 따른 디젤 제거 효능의 차이는 미미하였다.
- • 음이온성 계면활성제는 디젤 제거에 있어 비이온성보다 성능이 떨어졌으며, 사용한 음이온성 계면활성제 중 SDS가 가장 높은 디젤 제거효능을 보였다.
- 디젤 제거에 비이온성과 음이온성 혼합 계면활성제의 능력을 파악하기 위하여 단일 계면활성제 상에서 Soil A 와 B에서 모두 높은 제거 효능을 보인 비이온성 계면활성제 1종(T15S7)과 평균적인 제거 효능을 보인 비이온성 계면활성제 1종(TW80)을 선정한 후 음이온성 계면활성제 3종(SDS, CAL, AMA)의 혼합을 통하여 디젤제거 경향을 살펴보았다. Fig. 6의 결과에서 보는 바와 같이 비온성 계면활성제와 음이온성 혼합 계면활성제는 각 계면활성제의 디젤 제거능에 비례하여 제거능이 증가하는 것을 알 수 있었다. 음이온성 계면활성제와 비이온성 계면활성제의 디젤 제거 효능이 비슷한 경우인 TW80과 SDS, CAL의 혼합의 경우 계면활성제 비율에 따른 디젤 제거 효능이 변화가 미미하였으나, 음이온성 계면활성제보다 비이온성 계면활성제의 디젤 제거 효능이 높은 T15S7과 SDS, CAL, AMA의 혼합 계면활성제의 경우 T15S7의 비율이 커짐에 따라 디젤 제거 효율 또한 증가하였다.
- 사용한 음이온성 계면활성제 중 SDS가 가장 성능이 좋았다. 그러나 전반적으로 음이온성 계면활성제의 성능이 비이온성에 비해 떨어진 결과를 얻었으며 SDS와 CAL을 이용하였을 경우 사용한 농도에 따라 50-70%의 디젤 제거율을 보였다. 이는 Soil B에는 앞서 살펴본 바와 같이 계면활성제의 흡착이 무시할 정도일 때 비이온성 계면활성제가 음이온성 계면활성제 보다 디젤 제거 능력이 뛰어남을 말한다.
- 8%를 혼합하여 디젤을 제거할 경우 각각 1%를 이용하여 제거할 경우에 비하여 10-20%의 디젤 제거효능이 상승하였다고 보고하였다. 본 연구에서는 T15S7의 비이온성 계면활성제의 무게 비율이 50-75%일 때가 100%일 때보다 2-10% 이내에서 디젤 제거율이 소폭 상승한 결과를 얻을 수 있었으며, 전반적으로 비이온성:음이온성 계면활성제가 3:1일 경우 가장 효능이 좋았다. 실험한 계면활성제 배합에서는 T15S7과 SDS를 3:1로 배합하여 총 10 g/L의 농도의 계면활성제 용액을 사용하여 Soil B를 처리할 경우 76%의 가장 높은 디젤 제거율을 보였다.
- 7에 해당하고 계면활성제로 인하여 용액이 emulsion이 형성되어 sand가 많은 토양에는 디젤의 제거능이 높으나 silt와 clay 비율이 높은 토양에서는 토양에 흡착하는 양이 많이 디젤 제거능이 급격히 떨어지는 경향을 보였다. 사용한 계면활성제 중 20 g/L의 T15S7과 B30을 사용한 경우 각각 Soil A에서 79%, Soil B에서 90.7%의 가장 높은 디젤 제거 효능을 보였다.
- 5에 나타내었다. 사용한 음이온성 계면활성제 중 SDS가 가장 성능이 좋았다. 그러나 전반적으로 음이온성 계면활성제의 성능이 비이온성에 비해 떨어진 결과를 얻었으며 SDS와 CAL을 이용하였을 경우 사용한 농도에 따라 50-70%의 디젤 제거율을 보였다.
- 본 연구에서는 T15S7의 비이온성 계면활성제의 무게 비율이 50-75%일 때가 100%일 때보다 2-10% 이내에서 디젤 제거율이 소폭 상승한 결과를 얻을 수 있었으며, 전반적으로 비이온성:음이온성 계면활성제가 3:1일 경우 가장 효능이 좋았다. 실험한 계면활성제 배합에서는 T15S7과 SDS를 3:1로 배합하여 총 10 g/L의 농도의 계면활성제 용액을 사용하여 Soil B를 처리할 경우 76%의 가장 높은 디젤 제거율을 보였다. 이러한 연구결과로부터 비슷한 제거효능을 가진 음이온성-비이온성 혼합 계면활성제 상에서는 혼합에 따른 디젤 제거 상승효과가 없었으나, 성능에 차이가 존재하는 계면활성제 간의 혼합에는 혼합에 의한 디젤 상승효과가 있는 것으로 판단된다.
- 6의 결과에서 보는 바와 같이 비온성 계면활성제와 음이온성 혼합 계면활성제는 각 계면활성제의 디젤 제거능에 비례하여 제거능이 증가하는 것을 알 수 있었다. 음이온성 계면활성제와 비이온성 계면활성제의 디젤 제거 효능이 비슷한 경우인 TW80과 SDS, CAL의 혼합의 경우 계면활성제 비율에 따른 디젤 제거 효능이 변화가 미미하였으나, 음이온성 계면활성제보다 비이온성 계면활성제의 디젤 제거 효능이 높은 T15S7과 SDS, CAL, AMA의 혼합 계면활성제의 경우 T15S7의 비율이 커짐에 따라 디젤 제거 효율 또한 증가하였다. 음이온성-비이온성 혼합 계면활성제의 경우 단일 계면활성제에 비해 CMC가 낮아지는 경향이 있으며 이는 토양에 흡착되는 계면활성제의 양을 줄여주는 효과를 낸다(Yang et al.
- • 비이온성 계면활성제와 음이온성 계면활성제를 혼합하여 디젤을 제거한 경우, 음이온성 계면활성제보다 디젤 제거능이 높은 T15S7을 비이온성 계면활성제로 이용하였을 경우 배합비에 따른 디젤 제거의 상승효과를 관찰하였으며, 음이온성 계면활성제와 디젤 제거능이 비슷한 TW80을 비온성 계면활성제로 이용하였을 경우 배합비에 따른 디젤 제거 효능의 차이는 미미하였다. 총 10 g/L의 T15S7와 SDS를 3:1의 비로 배합하여 Soil B를 세척하였을 경우 T15S7 단독으로 제거할 경우에 비해서 약 2% 향상된 76%의 디젤 제거율을 보였다.
후속연구
- 이러한 실험 결과를 통하여 오염토양의 특성에 따라 계면활성제 흡착을 고려한 계면활성제 농도 결정이 필요한 것으로 사료된다. 또한 토양에 흡착된 계면활성제는 토양의 2차 오염을 유발하여 TPH로 검출되기도 하기 때문에 토양의 특성에 따라 계면활성제를 이용한 토양 세척기법의 적용을 달리해야 할 것으로 판단된다.
- 8 g/L의 계면활성제가 디젤 탈착에 이용되는 것을 알 수 있다. 이러한 실험 결과를 통하여 오염토양의 특성에 따라 계면활성제 흡착을 고려한 계면활성제 농도 결정이 필요한 것으로 사료된다. 또한 토양에 흡착된 계면활성제는 토양의 2차 오염을 유발하여 TPH로 검출되기도 하기 때문에 토양의 특성에 따라 계면활성제를 이용한 토양 세척기법의 적용을 달리해야 할 것으로 판단된다.
- 혼합 계면활성제의 이용의 목적은 계면활성제의 혼합으로 인한 토양으로의 계면활성제 흡착을 줄이고, 음이온성 계면활성제의 장점인 온도 변화에 민감하지 않는다는 점과 비이온성 계면활성제의 장점인 지용성 물질의 용해도가 높다는 장점이 상승적으로 작용하길 바라는 점에 있다. 하지만 이러한 혼합 계면활성제의 사용은 앞서 살펴본 바와 같이 오염물질이나 사용한 계면활성제의 종류에 따라서 그 효능이 달라지기 때문에 이에 대한 보다 자세한 연구가 필요하다.
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