수용액중의 유기인계 농약류의 흡착특성

김 형 준, 최 진 성, 김 종 향*, 박 윤 열**, 이 성 식

동아대학교 화학공학과

경상남도 보건환경연구원*

부산정보대학 환경화학계열**

Adsorption Characteristics of Organophosphorous pesticides in Aqueous Solution

Hyung-Jun Kim, Jin-Sung Choi, Jong-Hyang Kim*, Yun-Yul Park**, Sung-Sik Lee

Department of Chemical Engineering, Dong-A University, Pusan, Korea

Institute of Health & Environment Kyoungnam, Kyoungnam, Korea*

Group Dept. of Envir. & Chem., Pusan College of Information Technology, Pusan, Korea**

1. 서  론

농약이란 본래 농작물을 병해충으로부터 보호하기 위하여 사용되는 약제를 말할 수 있으며, 토양의 소독과 종자의 살균은 물론 발아부터 수확에 이르는 기간에 일어날 수 있는 병충해와 잡초의 피해를 막아주는 역할을 하는 약제를 일컬었다. [1] 우리가 흔히 사용하는 농약은 그 주성분에 따라 유기염소계, 유기인계 및 카바메이트계 농약 등으로 구분한다. 이들 농약중 유기인계 및 카바마이트계 농약은 화학적으로 불안정하므로 분해가 빨라 환경에 미치는 영향이 적은 반면, 유기염소계 농약은 대부분 안정하므로 잔류성이 길어서 환경중에 오래 남아 가축 및 인체에 까지 위해를 끼칠 우려가 크기 때문에 사용금지되고 있다. [2]

일반적으로 농약이라 함은 살균제, 살충제, 살비제, 살선충제, 살서제, 제초제를 비롯하여 식물생장조정제, 유인제, 기피제, 화학불임제 및 기타 농약의 제조에 필요하거나 효력증진을 목적으로 사용하는 보조제 등을 포괄한 넓은 의미로 쓰이고 있다. 이러한 농약의 다량 살포시 지하수 또는 하천수 오염으로 인하여 잔류하는 농도에 대한 환경오염은 아직까지 논란이 되고 있다. 특히 최근에는 국민생활 향상에 따른 레저시설의 개발과 관리에 의한 유기오염물질 등의 급속한 사용증가에 따른 농약류 오염에 대한 많은 관심이 집중되고 있다.

이러한 화학물질들의 무분별한 사용은 그 사용 후의 결과를 예측할 때 엄청난 위험으로 우리에게 다가오고 있다. 따라서 이들의 분리제거는 대단히 중요하다고 말할 수 있다. 하지만 이러한 농약류에 대한 분리기술 및 그 방법에 대해서는 아직까지 연구보고가 미약한 실정이다.

농약등의 오염물질을 제거하는 방법으로는 막을 이용하는 방법, 자외선 에너지를 이용하는 방법 등이 있으나 경제성 및 효율성등의 문제가 있다.[3]

본 연구는 수중의 불순물의 제거 및 유기물의 분리제거에 널리 이용되는 흡착공정을 이용하여 농약류를 효과적으로 제거하고자 한다. 현재 시판중인 여러 가지 흡착제를 이용하여 재래식 방법으로는 분리제거가 곤란한 유기인계 농약의 흡착평형특성을 실험으로 조사하여 최적의 흡착제 및 흡착평형인자를 구하였다.

입상활성탄(GAC) 및 거대망상수지(MR), Charcoal 및 Zeocarbon을 이용하였으며, 흡착질은 유기인계 농약류인 메디다치온, 클로로피리포스 및 이피엔을 선정하여 단성분과 이성분계의 등온흡착평형 실험하여 흡착특성을 구하였다. [4]

2. 실  험

2.1 흡착제 및 흡착질

실험에 사용한 흡착제로서, 입상활성탄(Granular Activated Carbon)은 미국 CALGON사제, 거대망상수지(MR-resin)입자는 스티렌-디비닐벤젠 공중합체로 일본 東京有機化學(株)제를, 야자각 및 Mangrove를 원료로한 Charcoal, 활성탄과 제올라이트를 원료로 합성한 Zeocarbon을 각각 사용하였다. 또한 흡착질인 농약은 메디다치온, 클로로피리포스 그리고 이피엔을 사용하였으며, 이 화합물들의 구조를 Fig. 1에 나타내었다.

Chloropyrifos	Methidathion
EPN
Fig. 1 Structure of Organophosphorous pesticides

2.2 흡착평형실험

흡착평형실험은 일정농도의 흡착질(100mg)과 미리 준비된 일정량(0.1g)의 흡착제를 250□ 삼각플라스크에 넣고서 항온조에서 298K±1℃로 항온시키며 고-액이 충분히 접촉되는 시간인 60시간이상 충분히 흔들어 정치시킨 후, 시료분석은 5mL중의 잔류 유기인계 수용액을 추출용매인 헥산(잔류농약용 300)으로 유기물을 추출한 후, 수용액중의 흡착질의 잔류농도를 분석하여 흡착량을 각각 구하였다.

흡착전의 초기농도와 흡착후의 잔류농약의 농도는 GC (Hewlett Packard HP 5890, NPD)로 정량 분석하였다. 메디다치온, 클로로피리포스, 이피엔의 분석조건은 검축기 온도와 주입부 온도가 280℃와 260℃의 같은 조건에서 분석하였으며, 오븐온도는 200℃와 250℃로 각각 달리하여 분석하였다. 이때, 평형흡착량은 식(1)로부터 구하였다.

[eqn: q_e ={V(C_0 -C_e )} over W]     (1)

여기서, [eqn: q_e]는 평형흡착량 [mg/g], [eqn: V~]는 액량 [L], [eqn: C_0]는 초기농도 [mg/L], [eqn: C_e]는 평형농도, [eqn: W~]는 흡착제의 양 [g]이다.

3. 결과 및 고찰

각각의 흡착제에 의한 수용액중의 농약류의 단성분 및 이성분계 등온흡착평형 실험하여, 흡착제 단위질량당 흡착된 량과 수용액중의 잔존된 흡착질 평형농도와의 관계를 각각 구하여 그 대표적인 예로 단성분계는 메디다치온의 결과를 Fig. 2에 그리고 이성분계는 메디다치온/이피엔의 결과를 Fig. 3에 나타내었다.

Fig. 2 Adsorption isotherms of Methidathion onto various adsorbent

Fig. 3 Adsorption isotherms of Methidathion/EPN onto

various adsorbents

Fig. 2의 단성분계에서는 실험에 사용한 흡착제 중 GAC와 MR-resin은 급격한 기울기를 나타내었으며, 다른 두 흡착제는 거의 흡착이 일어나지 않았다. 이것은 흡착제의 표면적뿐만 아니라, 흡착질-흡착제표면, 흡착질-물분자, 흡착제-물분자간의 물리화학적 친화력이 흡착에 영향을 주기 때문이다. [5] 또한 Fig. 3의 이성분계에서는 흡착제 GAC와 MR-resin의 메디다치온/이피엔계 그리고 야자탄과 제오카본의 메디다치온/이피엔계의 흡착등온 실험결과를 나타내었다. 각각의 흡착제에 대해서 메디다치온/이피엔이 Fig. 3의 결과와 같이 경쟁적 흡착 경향을 나타낸다.

이상의 흡착평형실험 데이타로부터 최소자승법으로 다음 평형식들의[6] 파라메타를 구하였다.

Henry :	[eqn: q_e ~=~K CDOT C_e]	Freundlich :	[eqn: q_e ~=~k·C_e ^1/n]
Langmuir :	[eqn: q_e~=~{q_mon K_L C_e} over {1~+~K_L C_e}]	Toth :	[eqn: q_e ~=~{q^∞ C_e}over {(b_T ~+~C_e ^M )^1/M}]

Fig. 4 Adsorption isotherm equations of Methidathion onto

GAC/MR-resin system

Fig. 4는 흡착등온식과 실험데이타를 비교하기 위하여 대표적으로 메디다치온-GAC/MR계를 프롯트한 결과이다.

4. 결  론

흡착제인 입상활성탄(GAC), 거대망상형수지입자(MR-resin), 원료가 다른 Charcoal 및 제오카본등을 각각 이용하여, 수용액중의 유기인계 농약인 메디다치온, 클로로피리포스, 이피엔의 단성분 및 이성분계를 등온흡착평형 실험하여 그 흡착특성을 조사하였다.

참고문헌

1. Song, B. H. : Korea J. Food Hygiene, 37, 2(1992)

2. Lee, S. R., Kim, Y. H., and Lee, M. G. : Korean J. of Environ Agric., 14,          3(1995)

3. Nurizzo, C. : "Pesticide Risk in Ground Water", ed., Vighi, M and Funari, E, 3,    133, CRC Press, New Yo가(1995)

4. Toth, J. : Acta. Chim. Acad. Sci. Hung., 69, 311(1971).

5. Furuya, E. et al. : Fundamentals of adsorption, 185(1992).

6. Juang, R. S., Wu, F. C. and Tseng, R. L. : J. Chem. Eng. Data, 41, 487(1996).