카오린 토양의 전기동력적 특성과

이를 이용한 토양오염 디이젤의 제거

김재섭, 이기세*

명지대학교 화학공학과

Electrokinetic Characteristics of Kaolin Soil and

Its Application to Diesel Removal

Jaesup Kim, Kisay Lee*

Department of Chemical Engineering, Myong-Ji University

서 론

전기동력적 토양정화기술(ESR, electrokinetic soil remediation)은 토양내에 전기장을 형성할 때 발생하는 전기삼투(electroosmosis)와 전기영동(electro- phoresis)현상을 이용하여 오염물질을 제거하는 기술이다.[1,2]  자연 상태의 토양 입자 표면은 일반적으로 음전하로 대전되어 있으므로 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.  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.  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.

본 연구에서는 본 연구진에 의해 이미 수행된 sand에서의 디이젤 제거 연구[3]에 계속하여 sand와는 특성이 크게 다른 kaolin 토양을 이용하여 kaolin 토양의 전기동력적 특성을 고찰하였으며 전기동력현상과 계면활성제를 이용하여 디이젤 제거 연구를 수행하였다.

재료와 실험방법

Kaolin은 일본 Showa Chemicals 제품을 사용하였는데 입자밀도는 0.37, pH는 6.8, 입자크기는 300 mesh였다.  토양세척용 칼럼은 plexiglass 재질로 직경 5 cm, 충진길이 10 cm로 제작하였으며 양단의 전극실에는 백금 wire net로 된 전극을 설치하여 외부의 power supply에 연결하였다.  칼럼은 증류수를 사용하여 slurry packing 한 후 다짐장치로 crack이나 channeling 없이 압축시킨 후 칼럼 양단에 위치한 chamber에 chamber solution으로서 tapwater나 10mM Na2SO4 용액을 사용하여 중력에 의하여 칼럼에 포화시켰다.  토양시료가 전극실로 유입되는 것을 방지하기 위해 시료와 전극실 사이에는 다공성의 inert support를 설치하였다.  칼럼을 물 또는 Na2SO4로 포화시킨 후 칼럼에 정전류를 도입하였다.  정전류에 의한 kaolin토양에서의 전기적 특성을 알아보기 위하여 칼럼을 tap water와 10mM Na2SO4 용액으로 포화시킨 후 2, 3, 4 mA의 전류를 걸어주었으며 이 때 형성되는 전기삼투 유속과 시간에 따른 전기전도도와 전위구배의 변화를 측정하였다.

본 실험에 사용된 kaolin은 sand와 달리 입자 크기가 작기 때문에 토양칼럼의  pore가 매우 작고 치밀한 토양구조를 가지므로 peristaltic pump에 의한 강한 압력으로는 장기간 유체를 흐르게 할 수 없었다.  따라서, 상온에서 tap water와 10mM Na2SO4용액을 사용하여 48시간동안 중력에 의한 칼럼포화를 수행하였다.

디이젤 제거실험을 위해서는 칼럼에 뚫어 놓은 5개의 주입구를 통해 균등하게 디이젤을 주사기로 주입하고 60시간 숙성시킨후 20mA의 정전류를 도입하였 다. 이 때 순수 전기동력적 디이젤 배출량을 계면활성제 SDS 세척을 병용할 때와의 결과를 비교 고찰하였다.

배출수 중의 디이젤 정량은 n-hexane으로 추출한 후 유기용매 층을 85℃에서 증발시키고 난 잔류량을 TPH(total petroleum hydrocarbon)으로 측정하였으며 토양에 잔류하는 디이젤의 정량을 Soxhlet extraction으로 측정하였다.[4,5]

결과와 토론

Fig. 1은 kaolin 토양 칼럼을 tap water로 포화시킨후 정전류를 도입함으로서 형성되는 전기삼투 유속을 시간에 따라 도시한 결과이다.  전기삼투(EO) 유속은 양극에서 음극방향으로 형성되었으며 이것은 kaolin 입자 표면이 음전하의 zeta potential을 가짐을 의미한다.  EO 유속은 실험 시작후 초기 적응기 동안의 일정시간이 경과하면  일정한 속도를 유지하였다.  사용한 전류의 크기가 클수록  높은 전기삼투 유속을 보였다.  시간이 경과함에 따라 전기삼투 유속이 증가하는 것은 전류 도입에 따라 토양내 유체의 전기전도도가 감소하기 때문이다.

Fig. 2는 Fig. 1에서와 같은 조건에서 칼럼 양단에 걸리는 potential gradient를 시간에 따라 도시한 결과이다.  Fig 1에서와 같이 실험 시작후 일정시간동안 초기적응기로서 서서히 증가하다가 일정한 값을 유지하였다.  또한 전류의 크기가 클수록 높은 potential gradient를 나타내었는데 이것은 전기전도도가 감소함에 따라 토양내의 전기적 저항이 증가하기 때문이다.

Fig. 3은 위와 같은 조건에서의 시간에 따른 apparent conductivity를 도시한 그림이다.  전기전도도는 전기삼투 유속과 전위구배와는 반대로 시간이 경과함에 따라 감소하는 경향을 나타내었다.  이들 전기삼투 유속, 전위구배, 전기전도도사이의 상호관계는 Smoluchowski 관계식[6]에 의해 설명할 수 있다.

[eqn: U_eo = -{□□E} over 4□□ = -{□□I} over 4□□□]

여기서 □는 유체의 유전상수, □는 토양 입자표면에 제타전위, E는 전기장의 세기 또는 전위구배, I는 전류밀도, □는 유체의 점도, □는 유체의 전기전도도를 의미한다.

Fig. 4는 토양을 10mM Na2SO4로 포화시킨후 정전류를 도입하여 전기삼투 유속을 측정한 것이다.  Tapwater의 경우와 마찬가지로 시간이 경과함에 따라 전기삼투 유속이 증가하다가 일정해지며, 전류값이 클수록 높은 전기삼투 유속을 나타내었다.  전위구배와 전기전도도 역시 Tapwater의 결과와 유사한 결과를 나타내었다.

토양의 오염된 디이젤 제거를 위하여 SDS를 이용한 세척을 수행하는 동시에 정전류를 도입하여 시간에 따른 디이젤 배출량을 측정하였다.  이때 전류의 방향은 SDS 주입구가 음극, 배출구가 양극이 되도록 하였다.  그 결과 전체 유체의 배출속도는 소폭 감소하였으나, 디이젤 배출속도는 전기삼투만에 의한 세척의 경우보다 증가하였다.

참고문헌

[1]  EPA, office of Solid waste and Emergency Response In situ Remediation      Technology, Electrokinetics, (1995)

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

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

[3]  김재섭, 이기세, 전기동력적 기술과 계면활성제를 병용한 토양오염 디이젤      의 제거, 화학공학의 이론과 응용, 3(2), 2717-2720, 한국화학공학회 춘계학       술대회, (1988)

[4]  APHA-AWWA-WPCF, Standard Methods for the Examination of Water       and wastewater, 19th Ed, Section (1995)

[5]  EPA, office of solid waste and Emergency Raponse, Test Methods for        Evaluating Solid Wastes; Integrated Manual(sw-846), section 3540, (1997)

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

Moscow, 1984

Fig. 1. EO flow rate vs Time       Fig. 2. Potential Gradient vs Time

(Chamber solution : Tapwater)         (Chamber solution : Tapwater)

Fig. 3. Conductivity Ka vs Time        Fig. 4.  EO flow rate vs Time

(Chamber solution : Tapwater)     (Chamber solution : 10mM-Na2SO4)