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활성탄에 흡착된 계면활성제에 의한 Phenanthrene 흡착
Phenanthrene Uptake by Surfactant Sorbed on Activated Carbon 원문보기

지하수토양환경 = Journal of soil and groundwater environment, v.13 no.2, 2008년, pp.1 - 11  

안치규 (포항공과대학교 환경공학부) ,  우승한 (국립한밭대학교 화학공학과) ,  박종문 (포항공과대학교 화학공학과)

초록
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계면활성제를 사용하는 토양 세척공정에서 발생하는 세척수에서 계면활성제를 재사용하고자 활성탄 흡착 공정을 적용하였으며 이때 오염물질의 흡착분배를 평가하기 위해 수학적 모델을 적용하여 해석하였다. 오염물질로는 phenanthrene을 계면활성제로는 Triton X-100을 사용하였다. Phenanthrene을 200 mg/kg으로 오염시킨 토양을 10 g/L의 계면활성제 용액으로 세척을 수행하였으며 이 세척액을 대상으로 다양한 농도의 입상 활성탄을 첨가하여 선택적 흡착을 수행하였다. 활성탄의 주입량이 2.5 g/L에서 99.3%의 phenanthrene이 흡착 제거되었으며 이 때 액상에 존재하여 재이용 가능한 계면활성제의 회수율은 88.9%였다. 활성탄 흡착 평형에서 오염물질의 흡착량은 단일 성분 표준모델에서 예상할 수 있는 양보다 훨씬 많은 양이 선택적으로 흡착되었으며 이는 활성탄에 흡착된 계면활성제 미셀에 의한 표면 용해 현상에 의한 것으로 해석할 수 있었다. 이러한 현상으로 인해 흡착 계면활성제의 흡착 효율 인자는 1보다 매우 큰 값을 나타내었고 흡착 몰 당 오염물질 용해 비가 액상 값보다 훨씬 높은 결과를 나타내었다. 이러한 결과는 활성탄 흡착에 의한 계면활성제 재이용 시 이론적 분배보다 더 우수한 효율로 오염물질의 선택적 분리가 가능함을 제시한다고 할 수 있다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Phenanthrene uptake by surfactant sorbed on activated carbon was investigated to recycle of surfactant in washed solution for contaminated soil. The partitioning of phenanthrene to the activated carbon coating with Triton X-100 as a surfactant was also evaluated by a mathematical model. Phenanthrene...

주제어

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문제 정의

  • 기존의 모델링에서는 흡착 효율 인자(effectiveness factor, ε)를 1로 가정하였으나(안치규 등, 2006b), 본 연구에서는 활성탄에 흡착된 계면활성제가 오염물질의 흡착에 미치는 영향을 해석하기 위해 실험 결과로부터 흡착 효율 인자를 직접 구하였다.
  • 전산모사를 수행한 변수로서 토양 세척액에 대하여 활성탄의 주입량을 변화시켜가면서 PHE과 TX의 농도 분배를 해석하였다. 본 모델링 해석에서는 단일 흡착 시스템으로부터 얻은 분배 결과를 이용하여 2개 물질이 동시에 포함된 시스템에서의 분배 결과에 적용하여 결과를 비교하는 것을 목적으로 하였다. 즉 PHE/물/활성탄 시스템과 TX/물/활성탄 시스템에서 얻은 이전의 흡착 실험결과(안치규 등, 2006a)를 활용하여 PHE/계면활성제/물/활성탄에 대해 적용하였다.
  • 본 연구에서는 소수성 물질로 오염된 토양을 복원하기 위해 계면활성제를 이용한 토양 세척법을 적용하였으며 이때 소요되는 계면활성제의 비용을 절감하기 위해 활성탄을 이용하여 오염물질만 선택적으로 흡착 제거한 후 계면활성제를 재이용하고자 하는 공정을 평가하였다. 이 때 계면활성제/오염물질/물/활성탄 계에서 계면활성제와 오염물질의 분배를 예측하는 모델식을 이용하였으며 단일 성분 흡착 데이터를 활용하여 2개 성분을 모두 포함하는 계의 흡착 현상을 예측하고 비교 해석하였다.
  • 0 µm보다 작은 토양 입자와 NOM(natural organic matter)과 같은 용해성 유기물질이 존재할 가능성이 있다. 본 연구에서는 토양 입자와 NOM을 정량화 하지는 못하였으나 이들이 PHE의 흡착에 미치는 영향을 살펴보기 위해 W 용액과 비교를 통하여 이의 영향을 살펴보고자 하였다. S 용액과 W 용액을 비교하면 계면활성제의 흡착에는 거의 차이가 없었으며, PHE 흡착에는 S 용액에서 흡착량이 약간 감소하는 차이를 나타내었다.
  • , 2000; An, 2001). 이러한 기술들의 단점을 극복하고자 본 그룹에서 수행한 이전 연구에서는 활성탄을 이용하여 계면활성제 용액으로부터 오염물질을 선택적으로 분리하고자 하였으며 이의 결과를 통해 활성탄을 이용한 방법이 모델 용액의 오염물질과 계면활성제를 효과적으로 분리하여 계면활성제를 토양 세척공정에 다시 사용할 수 있는 가능성을 제시하였다(안치규 등, 2006a).

가설 설정

  • 이 값은 흡착에 기여하는 활성탄 표면분율로서 계면활성제가 흡착하게 되면 감소할 가능성이 있다. 그러나 이 값은 정확하게 알 수가 없으므로 가질 수 있는 최대값(1)과 최소값(0)을 가정하여 흡착 효율 인자를 구하였다. 즉 1일 경우는 계면활성제의 영향이 전혀 없이 활성탄 표면이 모두 활성이 있는 것이며, 0일 경우는 계면활성제의 흡착에 의해 표면이 완전히 비활성화된 경우로 판단할 수 있다.
  • 본 연구에서 수행한 전산모사는 HOC/활성탄/계면활성제가 포함된 계에 대한 모델을 대상으로 하였다. 이 모델의 적용 시 미생물에 등에 의한 계면활성제와 소수성 오염물질의 분해 등에 대한 물질수지는 고려하지 않았으며 주어진 조건(계면활성제의 농도, HOC의 농도, 활성탄의 주입량)에서 계면활성제와 소수성 물질이 평형상태에 도달했을 때를 가정하여 전산모사를 수행하였다. 모델 구현을 위한 프로그램은 Microsoft 사의 EXCEL Worksheet를 사용하였다.
  • 이상의 각 단계에 해당하는 모델식들에 대한 세부 가정들은 이전의 모델링 연구(안치규 등, 2006b)와 같으며 본 연구에서는 추가적으로 활성탄에 흡착된 계면활성제의 방해기작에 의해 줄어드는 오염물질의 흡착 가능 면적을 고려하고자 fA,AC 값을 도입하였다. 이는 활성탄내의 모든 표면에 오염물질의 흡착이 가능할 경우를 1로 가정하였으며 활성탄 표면의 어떠한 부분도 오염물질의 흡착에 사용되지 않을 경우를 0으로 가정하였다. f* A,AC를 고려할 경우 계면활성제가 흡착된 후의 활성탄의 탄소 함량( f* oc,AC)은 Table 1의 식 13과 같이 표현할 수 있다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
계면활성제를 이용한 토양 세척 공정의 운전인자 예는? 이러한 계면활성제를 이용한 토양 세척 공정은 여러 가지 운전인자에 의해 그 효율이 결정된다. 예를 들면 이러한 운전인자로는 오염물질의 종류, 토성(soil texture), 토양유기물 함량, 계면활성제의 종류, 계면활성제의 주입량 등이 있다(USEPA, 1991). 이 중 계면활성제의 주입량은 공정효율을 결정하는 주된 운전인자로 계면활성제의 주입량이 많을수록 높은 세척효율을 거둘 수 있지만 이때 계면활성제 주입량으로 인한 전체 공정비용의 상승은 불가피하다(Anderson, 1993).
토양 세척공정이란? 소수성 물질(HOC; hydrophobic organic compound)로 오염된 토양의 복원을 위해 현재 생물학적인 방법을 비롯한 물리/화학적 방법 등 다양한 방법들이 적용되고 있다 (Riser-Roberts, 1998; Sellers, 1999). 이들 중 물리/화학적 방법의 하나인 토양 세척공정은 화학약품 등을 사용하여 토양 상에 존재하는 오염물질을 물리/화학적으로 탈착시켜 제거하는 방법으로 이 때 사용하는 세척액에는 주로 산/알칼리제, 계면활성제, 킬레이트제 등이 사용된다. 이들 약품들 중 계면활성제의 경우에는 HOC로 오염된 토양의 세척에 주로 사용되는 물질의 하나이다(USEPA, 1991; Deshpande et al.
토양 세척공정에 사용하는 세척액은? 소수성 물질(HOC; hydrophobic organic compound)로 오염된 토양의 복원을 위해 현재 생물학적인 방법을 비롯한 물리/화학적 방법 등 다양한 방법들이 적용되고 있다 (Riser-Roberts, 1998; Sellers, 1999). 이들 중 물리/화학적 방법의 하나인 토양 세척공정은 화학약품 등을 사용하여 토양 상에 존재하는 오염물질을 물리/화학적으로 탈착시켜 제거하는 방법으로 이 때 사용하는 세척액에는 주로 산/알칼리제, 계면활성제, 킬레이트제 등이 사용된다. 이들 약품들 중 계면활성제의 경우에는 HOC로 오염된 토양의 세척에 주로 사용되는 물질의 하나이다(USEPA, 1991; Deshpande et al.
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참고문헌 (28)

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  2. 안치규, 김영미, 우승한, 박종문, 2006b, 토양세척 공정에서 활성탄을 이용한 계면활성제 재사용 모델 개발, 지하수토양환경, 11(2), 1-12 

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  5. An, Y.J., 2001, Photochemical treatment of a mixed PAH/surfactant solution for surfactant recovery and reuse, Environ. Prog., 20(4), 240-246 

  6. Anderson, W.C., 1993, Innovative site remediation technology: Soil washing/Soil flushing, American Academy of Environmental Engineering, Annapolis, MD 

  7. Ang, C.C. and Abdul, A.S., 1994, Evaluation of an ultrafiltration method for surfactant recovery and reuse during in situ washing of contaminated sites: Laboratory and field studies, Ground Water Monit. R., 14, 160-171 

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  22. Sander, L.C. and Wise, S.A., 1997, Polycyclic Aromatic hydrocarbon structure index. NIST special publication 922, Gaithersburg 

  23. Sellers, K., 1999, Fundamentals of Hazardous Waste Site Remediation, Lewis Publishers 

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  25. USEPA., 1991, Guide for conducting treatability studies under CERCLA: Soil washing Interim Guidance, EPA/540/2-91/020A 

  26. Vanjara, A.K. and Dixit, S.G., 1996, Recovery of cationic surfactant by using precipitation method, Sep. Technol., 6(1), 91-93 

  27. Volkering, F., Breure, A.M., and Rulkens, W.H., 1998, Microbilogical aspects of surfactant use for biological soil remediation, Biodegradation, 8, 401-417 

  28. Zhu, B-Y., Zhao, X., and Gu, T., 1988, Surface solubilization, J. Chem. Soc. Faraday Trans., 84(11), 3951-3960 

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