점토흡착제를 이용한 수용액중의 휘발성유기물질의 제거

윤인주, 최상준

경북대학교 환경공학과

Removal of Volatile Organic Compounds from Aqueous Solution with Organically Modified Bentonite

Inju Yoon, Sangjun Choi

Department of Environmental Engineering, Kyungpook National University

서론

최근의 조사결과에 의하면 다수의 국내 지하수에 대한 오염이 현재 진행중 이거나 가까운 장래에 오염될 것으로 예견되고 있다. 미국에서는 현재 지하수를 식수원으로 사용하는 시설가운데 약 22 %가 VOCs(Volatile Organic Compounds)에 의해 오염된 것으로 보고되었다. 주거지역의 지하 식용수 개발 과정에서 Hydrocarbon의 오염빈도가 높아지자 그 원인을 추적한 결과 인근 주유소의 지하 저장탱크에서 누출되는 것을 발견하였다. 이처럼 지하수가 오염되기까지는 토양오염이 먼저 진행되었으리라는 예측을 해볼 수 있다. 미국의 경우 지하저장 유류시설에서 발생하는 누유는 주로 탱크벽의 부식 또는 균열에 의하여 발생하고 있으며 사용중인 지하저장탱크의 약 8-20 %가 누유되고 있는 것으로 추정되고 있다. 우리 나라는 체계적으로 지하저장탱크로부터의 누유가 조사된 바 없으나, 미국에 비하여 지하저장탱크의 재질 및 안전관리의 측면에서 불리한 우리 나라의 조건에 비추어 볼 때 약 10-20 %정도가 누유되고 있음을 추정하고 있다. 이렇게 발생된 누유는 토양을 1 차 오염시키고 지하수를 2 차 오염시키며 수개월에서 수년 후에 인근의 지하수를 사용할 경우 지하수에 유류 성분이 검출되는 경우가 많다. 오염된 토양 및 지하수에서 유류 성분의 제거는 막대한 비용이 소요되므로 오염된 토양 및 지하수의 이용을 사실상 포기하는 경우가 발생한다. 이러한 토양 및 지하수 오염은 결국 식수의 오염까지 발생시키게 되고, 마음놓고 물도 먹지 못하게 되며 결국에는 인간의 생존권을 위협하게 된다.

따라서 본 실험에서는 이러한 토양 및 지하수 오염 저감 방안을 위해 친 유기성 점토를 이용하여 누출된 유류로 인하여 발생할 수 있는 휘발성유기물질의 흡착 및 제거능을 benzene, toluene, 그리고 ethylbenzene을 중심으로 고찰하였다.

이론

Smectite계 점토의 구조는 2:1 형태의 층을 이루는 판상 구조이다. 알루미늄 팔면체를 가운데 두고 2 개의 실리카 사면체가 양쪽으로 쌓여 단위셀을 이루고 있다. 이러한 단위셀들이 계속하여 쌓여 점토분자를 형성하게 된다. 그러나, 실제의 Smectite계 점토의 구조는 이런 이상적인 구조와는 다르다. 이는 동형치환(isomorphous substitution)에 의해 점토 내부가 알짜 음전하를 띠기 때문이다.  즉, 사면체 구조내의 실리카겔은 알루미늄으로 팔면체 구조내의 알루미늄은 마그네슘이나 아연 등으로 치환되어 점토 내에 전하결핍이 생기고 점토입자는 알짜 음전하를 띠게 된다. 이러한 전하 결핍은 점토표면에서 양이온(K+,Na+,Ca2+등)에 의해 균형을 이루게 된다. 결정격자 내에 있지 않은 이러한 양이온들은 쉽게 이온교환이 가능하다. 이와 같은 이온교환 가능한 양이온들에 의해 양이온 교환능(cation exchange capacity ; CEC)이 측정되어 진다.

유기 양이온 계면 활성제와 점토내의 이온교환 가능한 무기 양이온인 칼슘, 나트륨, 마그네슘 등과의 이온교환에 의해 친 유기성으로 개조된다. 천연 점토는 물에 대한 친화력이 크고 유기물질에 대한 친화력이 적으나 계면 활성제에 의해 개조된 점토는 유기탄소 성분이 증가하여 친수성에서 친 유기성으로 전환되며 유기물질에 대한 수착력이 증가하여 유해유기물질을 제거하게 된다. 또한 치환된 유기양이온 계면 활성제에 의해 결정격자의 판상이 벌어지게 되고 점토 내부로의 유기물 흡착이 더욱 용이하게 된다.

실험

본 실험에 사용된 점토는 경북 감포에서 생산되는 Bentonite이다. 개조제로 사용된 양이온 계면활성제는 HDTMA(Hexadecyltrimethylammonium chloride, 25 wt% in water solution)이다. 흡착질로 사용된 유기물은 벤젠(Merck chem. com. 99.5%), 톨루엔(Merck chem. com. 99.8%), 그리고 에틸벤젠(Merck chem. com. 99%)이며 더 이상의 정제 과정 없이 그대로 사용하였다.

계면활성제의 비가역적 흡착의 근거가 되는 점토의 CEC를 Rhoades 방법을 이용하여 100 g 당 CEC를 측정하였다. 측정된 CEC를 근거로 하여 HDTMA를 Bentonite에 이온교환 시켜 HDTMA-Bentonite를 제조하였다. 각 성분들의 흡착 평형시간을 알아보기 위하여 100 ppm의 벤젠, 톨루엔, 그리고 에틸벤젠을 각각 1 g의 HDTMA-Bentonite에 흡착시켜 시간에 따른 흡착량의 변화를 Fig.1에 나타내었다. 흡착실험은 각 농도(5,10,20,40,60,80, 그리고 100ppm)의 용액을 준비하여 HDTMA-Bentonite에 의한 벤젠, 톨루엔, 그리고 에틸벤젠의 흡착등온실험을 행하였다. 유리용기에 HDTMA-Bentonite 1 g을 각각 넣고 각 농도의 용액을 100 ml 가하여 밀봉한 후 4 시간 동안 흡착시킨 후 원심 분리시키고 상징액 10 □를 분취하여 5 ml cylinge 주입후 purge & trap이 부착된 GC(FID)로 분석하여 유기용질의 평형농도를 미리 준비한 검량선에 의해 결정하고 흡착량을 계산하였다.

결과 및 고찰

HDTMA-Bentonite에 대한 벤젠, 톨루엔, 그리고 에틸벤젠의 흡착결과를 Fig. 2에 나타내었다. 에틸벤젠의 흡착량이 가장 많으며, 톨루엔, 그리고 벤젠의 순이었다. 이것은 각 흡착질의 분자량의 차이가 van der waals force의 차이를 가져와 서로 다른 흡착능과 흡착 친화도를 발생시킨 것으로 보인다. 즉, 분자량이 클수록 흡착제상의 HDTMA와 상호 작용하는 van der waals force가 크게 작용하기 때문이다. 또한 이 결과는 용해도에도 기인하는데 물에 대한 용해도가 적을수록 소수성 성질이 증가하여 표면이 유기성을 띠고 있는 HDTMA-Bentonite에 흡착되는 양이 많고, 물과의 경쟁에서도 우세하기 때문이다. 흡착거동을 해석하기 위해서 흡착매개변수가 2 개인 Langmuir 모델과 Freundlich 모델을 사용하였다.

단성분 흡착에서 사용된 3 가지 흡착질을 이용하여 벤젠/톨루엔, 벤젠/에틸벤젠, 그리고 톨루엔/에틸벤젠의 3 쌍의 이성분 용액과 3 가지 흡착질을 모두 함유하는 벤젠/톨루엔/에틸벤젠의 삼성분 용액을 만들고 이 혼합용액을 HDTMA-Bentonite를 이용하여 흡착시키는 경쟁흡착 실험을 행하였다. 각각의 흡착 결과를 Fig .3-6 에 나타내었다. 그림에서 보는 바와 같이 수용액 중에 두 가지 이상의 유기물질이 존재할 때 경쟁성분으로 인하여 영향을 거의 받지 않으며, 단성분일 때와 거의 같은 흡착 형태를 나타내고 있다. 이것은 HDTMA가 탄소고리 16개로 된 긴 알킬체인을 가지고 있어서 긴 사슬간의 결합에 의해 형성된 유기상에 분배에 의해서 용질의 수착이 일어나기 때문으로 보인다.

참고문헌

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