유처리분산제로서의 Alkyl Polyglycoside의 분산효율특성에 관한 연구

김종윤, 배수경, 송명근, 오성근*, 김종득

한국과학기술원, LG 화학 생활건강연구소*

Effectiveness of Alkyl Polyglycoside as Oil Spill Dispersant

J.-Y.Kim, S.K.Bae, M.-G.Song, S.G.Oh*, J.-D.Kim

Deptartment of Chemical Eng., KAIST, Taejon, 305-701, Korea

LG Chem., Taejon, 305-343 , Korea*

서론

원유를 위시한 유류는 가장 대표적인 수질 및 해양오염 물질이다.  오일펜스를 설치하여 기름의 확산을 막는 일반적인 방법은 확산 범위가 넓거나 악천후일 때는 효과를 기대하기 어려운 단점이 있다.  또한 흡착제나 분해제를 사용하는 경우에는 사고장소의 기상이나 생태계, 동원 가능한 장비나 기술수준 그리고 환경에 대한 인식수준에 따라서 기름제거방법이 달라지게 된다.  또 유처리제에 박테리아를 배양하여 기름을 분해하는 생물학적 분해방법으로 유류를 제거하는 방법이 많이 쓰이고 있지만 비용이 많이 들고 전문성이 필요하게 된다.

악천후나 확산범위가 넓은 경우에는 유처리분산제를 사용하며, 방향족 석유계 용매를 사용하면 해양생물에 치명적인 독성을 나타내는 것으로 알려져서 독성이 낮은 석유계 용매를 사용하게 되었지만 이것 역시 잠재적인 독성을 가지고 있으므로 수용상을 이용한 분산제 개발도 제안되었다1).

분산제의 사용에 있어서는 생물학적인 독성과 유효성 측면이 서로 직접적인 연관이 되어 나타난다.  유효도의 증가가 곧 최소한의 생물학적인 독성을 나타내는 결과를 가져오며, 이러한 논리를 바탕으로  최근의 연구는 분산제가 생태계에 나타내는 독성보다는 분산제의 효율성을 증가시키는데에 그 초점이 맞추어져 왔으며 분산제의 효율에 미치는 다양한 실험변수들에대한 연구들이 보고되었다2).

본연구에서는 수용상에대한 용해도가 높고, 생분해와 독성 특성이 탁월한 것으로 알려져 있는 alkyl ployglycoside(APG)를 이용하여 물을 용매로하는 오일분산제로서 이용하는 데에 본 연구의 의의가 있다3).

실험

1. 시약 및 재료

중유로써 Bunker B유를 사용하였고, 인공해수는 Sigma Co.에서 구입한 sea salts를 40g/L의 수용액으로 제조하였고, 유처리제의 계면활성물질인 APG는 엘지화학으로부터 얻은 시료를 사용하였다.  그밖의 모든 시약은 특급시약을 사용하여 제조하였으며, 3차 증류수를 사용하였다.

2. 분산 효율 측정

유화율에 미치는 농도 및 온도 등의 효과를 알아보기위해 다음과 같은 유화율 측정방법을 사용하였다.

분액 깔대기 두 개에 각각 해수 50ml 및 유출유 처리제 혼합유 2ml를 정확하게 취한 다음 Heighdolph RZR2051을 이용하여 일정한 rpm하에서 5분간 분산시킨 후 30초간, 다른 하나는 10분간 정치시킨다음 분액깔때기 하부로부터 유화층의 25ml을 피펫으로 뽑아 비이커에 취한다.   여기에 염화칼슘 약 3g을 가하고, 사염화탄소 10ml로서 유화층의 유분을 추출하는 과정을 3회 반복한다.  추출한 사염화탄소층을 합하여 여기에 무수황산나트륨을 적당히 가하여 탈수시킨 후 이소프로필알코올 5ml을 가해서 맑게하고, 사염화탄소를 더 가하여 전량이 50ml이 되게 한다.  이것을 파장 650nm에서의 흡광도를 측정하고, 시험에 사용한 중유로부터 미리 작성된 검량선에 따라서 유화율을 계산해낸다.  시험 조작 중 분액 깔때기 하부로부터 유화층을 추출하는 조작을 할 때까지는 실온에서 실시하였다.

3. 전기전도도 측정

전기 전도도의 측정을 위해 Horiba의 Model CEH-12를 사용하였다.  100 g/L와 400 g/L의 두가지 유처리제재의 오일 혼합물을 비교함으로써 두가지 제재의 기름에 대한 상대적 부피비에 따른 유화상태의 변화와 유화율의 관계를 알아보았다.

결과 및 토론

1. APG의 농도에 따른 분산효율특성

Figure 2.  Effectiveness of 50 g/L of APG-810 and SDS mixed surfactant

A: 10-2 M of SDS       B: 5×10-2 M of SDS

30℃, 650rpm에서의 APG-810의 농도에 따른 분산효율특성을 Figure 1에서 알아보았다.  기계적에너가 650rpm인 본 연구에서 자연분산이 거의 이루어지고 있지 않음을 확인할 수 있었다.  반대로 전혀 희석하지 않고 사용한 APG-810의 경우에는 매우 낮은 유화특성을 나타내는 것으로 보아서 점도가 규정한 기준치보다 높기 때문인 것으로 보인다.  농도에 대한 의존성 실험에서는 100 g/L의 농도에서 최적의 분산성을 나타내었다.  또한 30초후와 10분후의 유화율을 비교해보면 모든 경우에 있어서 10분후에 급격히 분산성이 감소함을 알 수 있다.

Figure 1. Effect of APG-810 concentrations on effectiveness at 30℃, 650 rpm

A: 0   g/L APG in water  B: 100 g/L APG in water

C: 400 g/L APG in water  D: 700 g/L APG in water

E: without dilution

2. 혼합유화제의 영향

본 연구에서는 유처리제의 HLB값을 상대적으로 증가시키고 물과 오일상에 대한 양친성을 증가시키고 이의 영향을 측정하기위해 일반적으로 널리 쓰이고 있는 범용적인 음이온 계면활성제인 SDS를 사용하였다.  각각 10-2M, 5×10-2M의 SDS를 포함하고  APG-810의 농도가 50 g/L가 되도록 혼합하여 유화율에 미치는 영향을 조사하여 Figure 2에 나타내었다.  30℃에서 두가지 농도범위에서의 유화유화율이 낮게 나타났다.

3. 기계적 에너지 효과

Figure 3. Effect of mechanical energy into the system at 30℃ for APG-810 of 700 g/L

A: 500 rpm     B: 650 rpm     C: 780 rpm

Figure 4. Effect of mechanical energy into the system at 30℃ for APG-810 of 100 g/L

A: 500 rpm      B: 650 rpm      C: 780 rpm

APG-810의 100 g/L에와 700 g/L 두가지 농도 대해서 30℃에서 각각 분산계에 유입되는 기계적 에너지에 대한 영향을 알아보았다.  사용한 기계적 에너지는 다른 모든 실험에서와 마찬가지로 Heidolph RZR2051을 사용하였다.  30℃에서의 각각의 기계적 에너지에대한 유화율 의존성 실험결과를 Figure 3, Figure 4에 나타내었다.  100 g/L의 APG-810의 경우에는 낮은 에너지에 의해서도 분산이 잘되는 것으로 나타났다.  이것은 중유와 유처리제의 혼합물이 해수의 수용상으로 쉽게 확산되어 분산되기 때문이다.

4. 온도의 영향

APG-810 100 g/L에 대해서 650 rpm, 10℃에서 80℃까지의 온도범위에서 분산효율에 미치는 영향을 알아보았다.  Figure 5에 의하면 100 g/L의 APG-810는 15℃에서는 90%를 넘는  높은 유화율을 나타내었다.  하지만 60℃에서는 상대적으로 매우 낮은 유화율을 가진다.

5. 전기전도도와 연속상

따라서 이들 혼합물의 연속상의 특성을 알아보기위해서 전기전도도를 측정하였다.  Figure 6에서는 각각 100 g/L의 APG-810의 전도도를 각기 부피비를 변화시켜 측정한 결과를 나타내었다.  100 g/L의 APG-810에서는 유화율이 높게 나타난 부피비에서 역시 전도도가 비약적으로 상승하였음을 알 수 있다.  따라서 안정한 유화를 형성하고 장기간에 걸친 유화안정성의 원인이 이러한 유화특성에 기인한 것으로 보인다.

Figure 5. Effect of temperature on effectiveness of APG- 810 in the concentration of 100 g/L at 650 rpm

A: 15 ℃     B: 30 ℃    C: 60 ℃

Figure 6. Conductivity change of 100 g/L of APG-810 with O/W ratio

결론

유처리제를 실제 현장에 적용함에 있어서 발생하는 문제점은 유화율이 다양한 변수들에 의존하고 이들에 대한 이해가 연구의 초점이 되어왔다.  환경친화적인 당류계 계면활성제인 APG를 유처리제로서 이용한 경우에 유화율에 미치는 여러 가지 실험변수들을 조사연구하였으며, 100 g/L의 농도로 사용한 경우에 가장 유화율이 높고, 또한 비교적 작은 기계적 에너지만으로도 분산특성이 좋은 것으로 나타났으나 음이온 계면활성제를 혼합하여 사용한 경우에는 별다른 차이가 없었다.  낮은 온도에서는 일반적인 다른 비이온성 계면활성제와 비슷하게 높은 유화특성을 나타내었지만, 온도가 증가할수록 크게 감소하는 경향을 나타내었다.  해수와 오일의 비에 따른 유처리제를 검토한 전기전도도 실험결과로부터 100 g/L의 독특한 특성이 W/O, O/W로의 상전이에 의한 것으로 보인다.

감사의 글

본 연구는 국립환경연구원의 □96 선도기술개발 사업의 지원으로 수행되었으며 이에 감사드립니다. 또한 여러지원과 관심을 가져주신 LG 화학에 감사드립니다.

참 고 문 헌

1. American Petroleum Institute, Oil Spill Treating Agents: A Compendium, The American Petroleum Institute, Washington, D.C., API report no.4150 (1972)

2. M.F.Fingas, B.Kolokowski and E.J.Tennyson, Proceedings of the Thirteenth Arctic and Marine Oil Spill Program, Environment Canada, Edmonton, Alberta (1990)

3. 윤여경, 박사학위논문, 한양대학교(1995)