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계면활성제 재사용을 포함한 토양 세척 공정의 전산모사 평가
Process Evaluation of Soil Washing Including Surfactant Recovery by Mathematical Simulation 원문보기

지하수토양환경 = Journal of soil and groundwater environment, v.13 no.1, 2008년, pp.32 - 42  

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

초록
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오염 토양 세척 공정에서의 계면활성제 비용을 줄이기 위해 활성탄을 이용한 선택적 흡착을 통해 계면활성제의 회수와 재이용 공정을 제안하였다. 본 연구에서는 토양 세척 공정, 계면활성제 회수 공정, 계면활성제 재이용에 의한 토양 재세척 공정으로 구성된 전체 공정에 대한 전산모사를 수행하여 운전변수에 대한 영향을 분석하였다. 계면활성제 첨가량은 미셀 생성 농도의 6-10배 정도가 최적이었으며, 활성탄 첨가량이 너무 많을 경우 계면활성제 재이용 효율이 감소하는 결과를 얻었다. 토양 흡착 효율 인자는 세척 공정에 크게 영향을 미치지 않는 반면, 활성탄 흡착 효율 인자는 회수 공정에 큰 영향을 미칠 수 있었다. 계면활성제 회수 및 재이용 공정을 적용할 경우 기존 세척 공정에 비해 계면활성제 요구량을 20-30% 수준으로 줄일 수 있을 것으로 보이며 발생하는 폐수에서의 오염도도 크게 줄일 수 있을 것으로 기대된다. 본 연구에서 개발된 모델을 통해 실제 복잡한 실험 이전 단계에서 전체 공정의 성능을 예측할 수 있으며 다양한 운전조건을 모사하여 최적의 운전조건을 도출하기 위한 기본적인 자료로 활용될 수 있을 것으로 판단된다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

A surfactant recovery and reuse process by selective adsorption with activated carbon was proposed to reduce surfactant cost in a soil washing process. Mathematical model simulation was performed for the whole process, which consists of soil washing, soil recovery, and soil re-washing. The optimal r...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 이와 같이 실험적으로 모든 변수를 조사하기에는 방대한 실험을 필요로 할 뿐만 아니라 전체 공정에 대한 통합적 이해를 하기에는 부족한 면이 있다. 따라서 본 연구에서는 각 시스템에서의 흡착 실험을 통해 얻은 파라미터를 이용해 전체 공정의 성능을 예측할 수 있는 수학적 모델을 개발하고 이를 이용해 전체 공정의 효율성을 평가하는 것을 목표로 하였다. 본 연구에서는 이전의 연구를 통해 개발된 모델 시스템에 실제 토양 세척으로부터 얻은 인자를 적용하고 토양 세척공정을 모사하는 모델과 활성탄을 이용한 선택적 흡착을 모사하는 모델을 하나로 묶어 전체 공정에 대한 전산 모사를 수행하였다.
  • 본 연구에서 전산 모사 시 고려한 사항은 토양 세척에서 계면활성제 농도에 따른 토양 세척 효율 및 흡착 효율 인자(effectiveness factor, ε)의 영향을, 선택적 흡착에서는 활성탄의 주입량과 이에 따른 영향 그리고 액상 오염물질의 농도에 따른 선택적 흡착에 대한 영향이다.
  • 본 연구에서는 이전의 연구를 통해 개발된 모델 시스템에 실제 토양 세척으로부터 얻은 인자를 적용하고 토양 세척공정을 모사하는 모델과 활성탄을 이용한 선택적 흡착을 모사하는 모델을 하나로 묶어 전체 공정에 대한 전산 모사를 수행하였다. 이에 따라 계면활성제 재사용 공정의 도입에 따른 계면활성제 사용량의 변화를 예측하여 계면활성제 재사용 공정의 타당성을 제시하고자 하였다.

가설 설정

  • 최종토양 세척의 효율은 95%로 가정하였으며 계면활성제 회수 공정에서 활성탄에 의한 PHE의 제거효율 또한 95%로 가정하였다. 이때 토양 세척 공정에서의 흡착 효율 인자는 20으로 가정하였으며 계면활성제 회수 공정에서는 흡착 효율 인자를 1과 100으로 달리하여 평가하였다. Process flow의 번호는 Fig.
  • 5에 나타내었다. 적절한 비교를 위해 초기 PHE 농도를 100 mg/L, 계면활성제 초기 농도를 10 g/L로 고정시키고, 재세척 시 토양에서의 흡착 효율 인자는 1로 가정하였다. 활성탄 첨가량이 증가할수록 계면활성제 흡착량은 선형으로 비례하여 증가하였다.
  • 즉 Case B의 경우 토양 세척 단계, 계면활성제 회수 단계, 회수된 용액으로 다시 토양을 세척하는 단계를 적용하였다. 최종토양 세척의 효율은 95%로 가정하였으며 계면활성제 회수 공정에서 활성탄에 의한 PHE의 제거효율 또한 95%로 가정하였다. 이때 토양 세척 공정에서의 흡착 효율 인자는 20으로 가정하였으며 계면활성제 회수 공정에서는 흡착 효율 인자를 1과 100으로 달리하여 평가하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
토양세척 공정은 어떠한 기술인가? 현재 다환 방향족 탄화수소로 오염된 토양을 복원하기 위해 생물학적인 방법, 물리화학적인 방법 등 다양한 방법들이 사용되고 있으며 물리화학적 방법의 하나인 토양세척 공정은 빠르고 효과적으로 다환 방향족 탄화수소로 오염된 토양을 복원할 수 있는 기술로 알려져 있다(USEPA, 1991; Riser-Roberts, 1998; Deshpande et al., 1999; Lowe et al.
자연계에 방출된 다환 방향족 탄화수소물질들은 어떻게 인체 및 생물체에게 영향을 주는가? 다환 방향족 탄화수소(PAH; polycyclic aromatic hydrocarbon)는 여러 개의 벤젠 링이 연결된 구조를 가진 화합물질로 유기물의 불완전 연소, 산불, 화석 연료의 사용 등으로 자연계에 방출된다. 자연계에 방출된 이들 물질은 강우나 흡착 등에 의해 최종적으로 토양에 침착되고 지하수 및 토양을 오염시켜 인체 및 생물체에 영향을 주게 된다. 이들은 독성, 돌연변이성, 발암성 등의 성질을 가지고 있으며 특히, 물에 대한 용해도가 매우 낮아 토양입자와 강한 결합을 형성하고 이로 인해 장기적으로 영향을 주게 된다(Cerniglia, 1992).
다환 방향족 탄화수소란 무엇인가? 다환 방향족 탄화수소(PAH; polycyclic aromatic hydrocarbon)는 여러 개의 벤젠 링이 연결된 구조를 가진 화합물질로 유기물의 불완전 연소, 산불, 화석 연료의 사용 등으로 자연계에 방출된다. 자연계에 방출된 이들 물질은 강우나 흡착 등에 의해 최종적으로 토양에 침착되고 지하수 및 토양을 오염시켜 인체 및 생물체에 영향을 주게 된다.
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참고문헌 (23)

  1. 안치규, 김영미, 우승한, 박종문, 2006a, 활성탄을 이용한 Triton X-100 용액에서의 phenanthrene의 선택적 흡착에 관한 연구, 한국지하수토양환경, 11(2), 13-21 

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

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

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

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  6. Cerniglia, C.E., 1992, Bioremediation of polycyclic aromatic hydrocarbons, Biodegradation, 3, 351-368 

  7. Deshpande, S., Shiau, B.J., Wade, D., Sabatini, D.A., and Harvell, J.H., 1999, Surfactant selection for enhancing ex situ soil washing, Water Res., 33(2), 351-360 

  8. Edwards, D.A., Liu, Z., and Luthy, R.G., 1994, Surfactant solubilization of organic compounds in soil/aqueous systems, J. Environ. Eng., 120, 5-22 

  9. Edwards, D.A., Luthy, R.G., and Liu, Z., 1991, Solubilization of polycyclic aromatic hydrocarbons in micellar nonionic surfactant solutions, Environ. Sci. Technol., 25(1), 127-133 

  10. Foth, H.D., 1990, Soil Physical Properties, In Fundamentals of Soil Science. 8th Eds. John Wiley & Sons, Inc., New York, p. 69-96 

  11. Gonzlez-Garca, C.M., Gonzlez-Martn, M.L., Gmez-Serrano, V., Bruque, J.M., and Labajos-Broncano, L., 2001, Analysis of the adsorption isotherms of a non-ionic surfactant from aqueous solution onto activated carbons, Carbon, 39, 849-855 

  12. Jafvert, C.T., 1996, Report: Surfactant/Cosolvent. Ground-Water Remediation Technologies Analysis Center, Document TE-96- 026 

  13. Levitz, P.E., 2002, Adsorption or non ionic surfactants at the solid/water interface, Colloid. Surface A., 205, 31-38 

  14. Lipe, K.M., Sabatini, D.A., Hasegawa, M.A., and Harwell, J.H., 1996, Micellar-enhanced ultrafiltration and air stripping for surfactant- contaminant separation and surfactant reuse, Ground Water Monit. R., 16(1), 85-92 

  15. Liu, Z., Edwards, D.A., and Luthy, R.G., 1992, Sorption of nonionic surfactant onto soil, Water Res., 26, 1337-1345 

  16. Lowe, D.F., Oubre, C.L., and Ward, C.H., 2000, Reuse of Surfactants and Cosolvents for NAPL Remediation, Lewis Publishers 

  17. Mulligan, C.N., Yong, R.N., and Gibbs, B.F., 2001, Surfactantenhanced remediation of contaminated soil: a review, Engineering Geology, 60, 371-380 

  18. Riser-Roberts, E., 1998, Remediation of Petroleum Contaminated Soils: Biological, Physical, and Chemical Processes, Lewis Publishers 

  19. Stigter, D., Williams, R.J., and Mysels, K.J., 1955, Micellar self diffusion of sodium lauryl sulfate, J. Phys. Chem., 59, 330-335 

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

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

  22. Woo, S.H., Lee, M.W., and Park, J.M., 2004, Biodegradation of phenanthrene in soil-slurry systems with different mass regime and soil content, J. Biotechnol., 130(3), 235-250 

  23. Zheng, Z. and Obbard, J.P., 2002, Evaluation of an elevated nonionic surfactant critical micelle concentration in a soil/aqueous system, Water Res., 36, 2667-2672 

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