유기오염물질과 중금속을 동시에 제거하기 위한 수착제 개발에 관한 연구

Abstract

There are many heavy metal species and organic contaminants in the environment, especially in the landfill leachate, which can be hazardous to human nature and contaminate the groundwater. Increasing concern about pollution of landfill and groundwater by these contaminants has led to research on the use of various adsorbents as components of earthen landfill liners. The use of natural clays has been a favored method of reducing or eliminating such hazardous contaminants in the leachate from landfills. While natural clays can easily adsorb heavy metals via ion exchange reactions, they are often ineffective in removing organic contaminants from water. Organoclays modified with surfactants are powerful sorbents for organic contaminants, compared with natural clays, but they are known to be ineffective sorbents for heavy metals. As a result, neither natural clays nor organoclays are expected to be able to effectively sorb both heavy metals and organic contaminants. Therefore, the objective of this study is t o determine the optimal amount of conventional surfactant addition to the clay mineral for the achievement of reasonable removal of both organic contaminant and heavy metal, and examine the change in the sorbed amount of the organic contaminant and heavy metal as the amount of cationic surfactant added to the bentonites varies. It also has been investigated for the competitive sorption between heavy metal and organic contaminant, when organic components and heavy metal species coexist in solution. For this purpose, Na-bentonite prepared from natural clay and hexadecyltrimethylammonium(HDTMA) as the cationic surfactant were used, and chlorobenzene and lead ion(Pb^2+) were selected as representative contaminants. Experimental results showed that chlorobenzene sorption increased with the amount of HDTMA added to the bentonite. This was thought to be due to the increase in the organic carbon content and interlayer spacing of the organobentonite. That is more hydrophobic conditions are achieved in the interlayer environment of bentonite as the HDTMA addition increases and most of organic contaminants are presumably sorbed into the organic phase of the interlayer, therefore, the sorption of chlorobenzene on the bentonite enhances. On the contrary, the removal rate of lead ion by adsorption decreased as the amount of HDTMA increased. The reason for this may come from the stronger adsorption of HDTMA onto bentonite than Na^+, so that the adsorption of lead gradually decreased as the amount of HDTMA added onto the bentonite increases. The adsorption of lead was not affected by chlorobenzene, and vice versa. The competitive sorption was not shown between the heavy metal and the organic contaminant. This is because chlorobenz ene and lead have diferent removal mechanisms. While chlorobenzene is partitioned into the organic phase of interlayer space, lead is exchanged by inorganic cations or chemisorbed with sianol, aluminol, and other edge sites. The removal of chlorobenzene was influenced by the amount of HDTMA added to the bentonites rather than initial concentration of chlorobenzene, The removal rate of chlorobenzene was slightly increased with increased initial concentrations, and the removal rate of chlorobenzene by 100%-organoclay was about four times higher than that of chlorobenzene by natural bentonite. However, the removal of lead was much more influenced by the initial concentration of lead. At low concentration (less than 100mg/L), the removal rate of lead was more 80% regardless of natural clay or 100%-organoclay, but the removal rate decreased progressively when the initial concentration of Pb^2+ increased from 100mg/l to 1000mg/l. Therefore, the concentration of heavy metals should be investigated in the site conta minated with mixed wastes as to determine the optimal amount of surfactant added to the clay mineral. It can be suggested that the use of 100%-organobentonite is more favorable method for removing both organic contaminant and heavy metals because the concentration of heavy metals is very low in real environment.; 점토 광물은 매립지 침출수로부터 유해한 오염물질을 제거하고 고정화시키기 위한 흡착제로서 많이 이용되어져 왔다. 점토 광물 중에서 상업적으로 많이 사용되고 있는 벤토나이트는 그 구성 물질인 점토 광물 내의 interlayer에 존재하는 금속 양이온들과 침출수 내에 존재하는 중금속들과의 이온교환을 통해 흡착되므로 중금속을 쉽게 제거할 수 있다. 그러나, 금속 양이온들은 자연환경 상태에서 물에 의해 쉽게 수화되기 때문에 점토입자의 내부를 친수성으로 만들어서 유기오염물질을 제거하기에 어려움이 있어서, 유기오염물을 더 효과적으로 제거할 수 있는 유기 벤토나이트가 개발되었는데, 이는 벤토나이트 내에 존재하는 금속 양이온들을 양이온성 계면활성제와 이온 교환시켜서 점토 내부에 유기적인 환경을 조성한 것이다. 이러한 유기 벤토나이트를 사용하면 interlayer 부분의 유기환경으로 유기물이 쉽게 흡수되기 때문에 유기오염물질을 제거시키기에 매우 효과적이지만, 기존 금속 양이온들이 양이온성 계면활성제로 대체됨에 따라 중금속의 흡착능은 확연히 감소하게 된다. 따라서, 천연 벤토나이트나 유기 벤토나이트 모두 유기오염물질과 중금속을 동시에 제거시키기에는 효과적이지 못하다고 하겠다. 따라서, 본 연구에서는 유기오염물질과 중금속을 모두 효과적으로 제거할 수 있는 최적의 계면활성제의 양을 결정하기 위해서 천연 벤토나이트와 CEC의 25%, 50%, 75%, 100%에 해당되는 양의 HDTMA를 벤토나이트에 흡착시킨 유기 벤토나이트, 이렇게 5 종류의 점토에 따라 유기 오염물질인 클로로벤젠과 중금속인 납의 제거 양상이 어떻게 변화하는지 관찰하였다. 그 결과 클로로벤젠은 첨가된 HDTMA 양이 증가할수록 더 많이 제거되었고 납은 반대의 현상이 나타났다. 중금속과 유기 오염물이 공존할 때 그 둘 사이의 상호작용에 대해서도 실험하였는데, 납과 클로로벤젠 모두 서로에 의해 영향받지 않았다. 따라서 중금속과 유기 오염물 사이에 경쟁 흡착이 일어나지 않는다고 하겠다. 초기농도에 의한 영향에서는 클로로벤젠보다는 납이 많은 영향을 받음을 알 수 있었다. 납은 초기농도가 100mg/L 이하에서는 100%-벤토나이트에서도 80% 이상 제거되었지만, 초기 농도가 증가함에 따라 천연 벤토나이트에서조차 제거율이 현저하게 감소하였다. 따라서, 현장 적용을 위해서는 오염지역의 납의 농도를 정확히 조사하여야 할 것으로 생각된다. 그러나 국내의 대부분 오염지역, 심지어 광내수의 중금속 농도도 50mg/L를 벗어나지 않으므로, 100%유기 벤토나이트일 때가 유기오염물질과 중금속 모두의 제거를 위해 효과적일 것으로 사료된다. 본 연구의 결과는 중금속과 유기오염물질을 동시에 제거할 수 있는 새로운 매립지 라이너 물질로서 유기 벤토나이트의 적용에 대해 중요한 역할을 할 것이다.