전기동력적 기술과 계면활성제를 병용한

토양오염 디이젤 제거에 대한 연구

김재섭, 이기세*

명지대학교 화학공학과

Removal of Diesel from Soil by Surfactant Washing

Coupled with Electrokinetic Remediation

Jaesup Kim, Kisay Lee*

Department of Chemical Engineering, Myong-Ji University

서 론

토양세척기술은 in situ soil flushing과 ex-situ soil washing으로 대별할 수 있는데 세척제로는 물, 산, 염기, 계면활성제, chelating agent 등을 사용할 수 있다.  물은 친수성 또는 수용성 오염 물질이나 휘발성 유기물질을 제거하기에 적합하며 산, 염기, chelating agent는 중금속을 제거하는데 이용할 수 있다.  계면활성제는 불용성 유기물들을 유화(emulsification)하여 토양 입자로부터 탈착 및 용해를 촉진시키는 역할을 한다.  토양세척, 토양진공추출, 수증기추출 등 기존의 물리화학적 토양정화기술에 비해 보다 비용 면에서 경제적이면서 in situ 처리가 가능한 방법으로 전기역학적 정화기술이 최근 관련 학계의 관심의 대상이 되고 있다[1-3].  전기동력적 정화기술은 electroreclamation, electrokinetic soil remediation, 또는 electrokinetic soil processing이라 불리기도 하며 mA/cm2 수준의 직류 전류를 토양 내에 배열된 전극을 통해 흘려주어 오염지역 내에 수십 내지 수백 V/m의 전기장을 형성시킴으로써 토양 입자 사이의 세공유체(pore fluid)에 전기동력학적 현상(electrokinetic phenomena)을 유도하는 방법이다.  전기동력학적 현상은 전기삼투(electroosmosis)와 전기영동(electrophoresis) 두 가지 현상으로 구분할 수 있다.

전기삼투는 토양 입자 세공(pore) 내에서 용매가 이동하는 현상을 말한다.  자연 상태의 토양 입자 표면은 일반적으로 음전하로 대전되어 있으므로[4] 토양 표면에 인접한 세공 내의 유체층은 양전하를 띠게 되어 전기장이 존재하면 전기삼투에 의해 세공 유체는 음극 쪽으로 흐르게 된다.  일반적으로 전기삼투 유속은 치밀한 구조의 점토성 토양에서 크게 나타나며 전기삼투에 의해 유체가 흐를 때 세공 내에 존재하는 유기성 오염 물질들은 유체와 함께 이동하여 음극 근처에 농축될 수 있다[5,6].  반면 전기영동은 세공 내에 존재하는 대전 입자들이 전기장이 존재할 때 주변 유체에 대해 상대적으로 특정 전극의 방향으로 이동하는 현상을 말하며 중금속과 같은 양이온들은 상대적으로 전기삼투에 의한 유체의 흐름보다 빠른 속도로 음극 쪽으로 이동하게 된다[7-9].  이 두 작용은 동시에 일어나는 현상이기 때문에 전기역학적 현상을 이용하여 토양을 정화할 때는 동시에 유기성 오염 물질과 중금속 같이 서로 이질적인 오염 성분들을 한 공정에서 제거할 수 있다[10].

본 연구에서는 디이젤로 오염된 토양의 정화를 위해 음이온성 계면활성제를 이용한 세척을 수행하는 한편 세척 효율을 증진시키기 위해 전기동력적 현상의 도입을 병행한 기초 연구결과를 소개한다.

재료와 실험방법

토양시료로는 일반 건축자재용 모래를 No. 16 sieve (직경 1.19 mm)를 통과한 것을 사용하였다.  토양세척용 칼럼은 plexiglass 재질로 직경 5 cm, 충진길이 10 cm로 제작하였으며(Fig. 1) 양단의 전극실에는 백금 wire net로 된 전극을 설치하여 외부의 power supply에 연결하였다.  모래가 충진된 상태에서 인위적으로 디이젤유로 토양을 오염시키기 위해 둥근 칼럼의 상부에는 1, 3, 5, 7, 9 cm 위치에 1 mm 직경의 주입구 5개를 뚫었다.  칼럼은 모래 시료를 증류수를 사용하여 slurry packing 한 후 다짐장치로 crack이나 channeling 없이 압축시킨 후 증류수를 pumping하여 포화시켰다.  토양시료가 전극실로 유입되는 것을 방지하기 위해 시료와 전극실 사이에는 다공성의 inert support를 설치하였다.  세척제는 peristaltic pump에 의해 한쪽 전극실로 유입된 후 토양시료를 통과하여 반대편 전극실을 거쳐 배출된다.  정전류에 의한 토양에서의 전기삼투 흐름 특성을 알아보기 위한 실험을 위하여 칼럼을 tap water로 포화시킨 후 2, 3, 4 mA의 전류를 걸어주었으며 이 때 형성되는 전기삼투 유속을 측정하였다.

계면활성제를 이용한 디이젤 세척실험을 위하여 총 25 g의 디이젤유를 균등하게 5 개의 주입구를 통하여 주사기로 주입하였다.  디이젤의 토양 흡착 숙성을 위하여 60 시간 상온에서 방치한 후 tap water를 사용하여 20 mL/hr의 유속으로 60 시간동안 세척을 실시하였다.  이어 tap water를 20 mM SDS로 교체하고 같은 유속으로 세척을 120 시간 동안 수행한 후 180 시간째부터는 SDS 세척과 동시에 5 mA의 정전류를 걸어주었다.  전류는 세척제 주입부의 전극을 양극으로, 배출부의 전극을 음극이 되도록 하였다.  배출수 중의 디이젤 정량은 n-hexane을 이용한 Soxhlet 추출법을 사용하였다.

결과와 토론

Fig. 2는 모래토양 칼럼에 tap water를 포화시킨 후 정전류를 도입함으로써 형성되는 전기삼투 유속을 시간에 따라 도시한 결과이다.  전기삼투 흐름은 양극에서 음극방향으로 형성되었으며 이것은 모래 입자 표면이 음전하의 zeta potential을 가짐을 의미한다.  전류의 크기가 증가함에 다라 전기삼투 유속이 증가함을 알 수 있는데 이것은 전기동역적 현상에 대한 일반적인 이론과 일치하고 있다.  그리고 시간에 따라 전기삼투 유속이 증가하는 것은 지속적인 전류도입에 따라 토양내 유체의 전기전도도가 감소하기 때문이다.

Fig. 3은 디이젤로 오염시킨 칼럼을 서로다른 몇가지 방법으로 연속적으로 세척할 때의 디이젤 배출량을 도시한 결과이며 Fig. 4는 이 때 배출된 diesel의 축적량을 시간에 따라 도시한 결과이다.  처음 60 시간 동안 tap water로 세척을 수행한 결과 디이젤이 전혀 배출되지 않았으며 물만으로는 디이젤 제거가 불가능함을 확인하였다.  물 대신 20 mM SDS로 세척제를 교환한 다음부터 디이젤이 서서히 배출되기 시작하였는데 이 때 SDS 주입속도는 20 mL/hr였다.  SDS의 CMC 값은 약 8 mM로써 CMC보다 큰 농도를 사용한 이유는 SDS 자체의 토양흡착에 의한 손실을 감안한 것이다.  토양오염 디이젤 성분이 배출되는 것은 SDS micelle에 의해 물에 녹지 않는 소수성 디이젤 성분의 용해도가 증가되고 또 그 유동성이 증가하기 때문이다.

이어서 180 시간째부터는 20 mL/hr 유속의 SDS 주입과 동시에 5 mA의 정전류를 걸어주었다.  이 때 전류의 방향은 세척제 주입부의 전극을 양극으로, 배출부의 전극을 음극이 되도록 하였기 때문에 배출부 쪽으로 전기삼투가 형성된다.  전류도입 초기에는 음이온성 SDS가 양극으로 전기영동적 이동을 하므로 디이젤  배출양이 일시적으로 감소하였다.  그러나 지속적인 SDS pumping으로 인해 디이젤 배출이 재개되었으며 전기삼투 흐름의 도움에 의해 배출유속은 25 mL/hr으로 증가하였다.  그림에서 W는 tap water 주입시점(t=0), S는 SDS 주입시점, S+E는 SDS와 함께 전류를 걸어주기 시작한 시점을 의미한다.  한편 Fig. 4에서 보면 S+E 영역의 기울기가 S 영역의 기울기보다 증가함을 알 수 있으며 이것은 전기삼투에 의해 증가된 배출유속에 의해 디이젤 배출이 향상되었음을 의미한다.  전류를 도입했을 때는 전기삼투의 기여에 의해 배출유속이 주입유속에 비해 증가하게 되므로 SDS에 의해 용해된 디이젤 성분의 유동성이 더욱 촉진되기 때문이다. 따라서 전기동력적 기술과 계면활성제의 이용을 결합하는 것은 디이젤 세척 효율을 향상시킬 수 있는 좋은 방법이라고 볼 수 있다.

참고문헌

[1]  Lageman, R., Pool, W. and Seffinga, G., "Electro-reclamation: Theory and

practice," Chem. Ind., 18, 585-590 (1989)

[2]  Acar, Y. and Alshawabkeh, A. "Principles of electrokinetic remediation,"

Environ. Sci. Technol., 27 (13), 2638-2647 (1993)

[3]  Probstein, R. and Hicks, R., "Removal of contaminants from soil by

electric fields," Science, 280, 498-503 (1993)

[4]  Bohn, H., McNeal, B. and O'Connor, G., Soil Chemistry, John Wiley &

Sons, 1985.

[5]  Eykholt, G. and Daniel, D., "Impact of system chemistry on

electroosmosis in contaminated soil," J. Geotech. Eng., 120 (5), 797-815

(1994)

[6]  Segall, B. and Bruell, C., "Electroosmotic contaminant-removal process,"

J. Environ. Eng., 118 (1), 84-100 (1992)

[7]  Fridrikhsberg, D., A Course in Colloid Chemistry, Chapter 12, Mir,

Moscow, 1984

[8]  Hamed, J., Acar, Y. and Gale, R., "Pb(II) removal from kaolinite by

electrokinetics," J. Geotech. Eng., 117 (2), 241-271 (1991)

[9]  Pamukcu, S. and Wittle, J., "Electrokinetic removal of selected heavy

metals from soil," Environ. Progr., 11 (3), 241-250 (1992)

[10] 이기세, 김재섭, □전기역학적 토양정화 공정에서 pH 분포 변화의 이론적 모

사□, 대한환경공학회지, 19 (8), 1051-1063 (1997).