쌍둥이형 계면활성제를 이용한 PAHs의 용해도 증가에 관한 연구

Abstract

많은 유기화합물이 인간의 활동으로 인해 토양과 지하수를 오염시켰으며 일반적으로 토양과 지하수에서 발견되는 유기오염물질은 PAHs, TCE, PCBs, BTEX등이다. 이런 오염물질이 한번 환경에 유출되면 대부분 소수성으로 인하여 토양과 지하수에 존재하는 유기물과 쉽게 결합하며 이렇게 흡착된 유기오염물은 장시간 넓은 범위를 오염 시킨다. 계면활성제는 오염된 토양을 복구하는데 첨가제로 사용되어 효율적 역할을 하는데 토양과 지하수 정화에서 계면활성제는 토양의 유기물 증가, 수질환경 내에서의 오염물의 용해도 증가 그리고 DNAPLs의 용해와 이동 등의 목적으로 사용되어졌다. 본 연구에서는 계면활성제 중에서 오염물의 용해도 증가에 초점을 두었으며 서로 다른 구조를 가지는 계면활성제의 용해도 효율을 분석해 보고자 dianionic surfactant와 gemini surfactant를 사용하여 기존에 사용되어왔던 계면활성제인 sodium dodecylbenzene sulfonate(SDDBs)와 비교해 보았다. gemini surfactant는 계면활성제 2분자를 결합시킨 것으로 머리가 두 개이고 꼬리가 두 개인 구조를 가지며 쌍둥이형 계면활성제라고도 불리며 dialkylated disulfonated diphenyl oxide(DADS)를 사용하였다. dianionic surfactant는 음이온을 띄는 머리부분이 2개이고 꼬리가 1개인 구조를 가진 것으로 본 연구에서 사용한 monoalkylated disulfonated diphenyl oxide(MADS)는 DABS 생성의 중간 단계라고 할 수 있다. MABS와 DADS는 표면장력을 효과적으로 줄여준다고 알려져 있으며 상대적으로 낮은 CMC를 가진다. 따라서 오염물의 제거에도 효율적일 것이라 판단되어 본 연구에서 사용한 것이다. 또 유기오염물로는 PAHs인 naphthalene, phenanthrene, pyrene을 사용하였는데 이들은 대표적인 석유화합물이며 benzene ring이 하나씩 증가하는 구조를 가진다. 실험결과 naphthalene의 경우는 SDDBS에서 용해도 증가가 가장 크게 나타났으며 DADS, MADS의 순으로 용해도가 증가하였다. 그러나 phenanthrene과 pyrene에서는 그와 반대인 MADS, DADS, SDDBS순으로 용해도가 증가하였다. 이러한 상반된 결과로 볼 때 용해도 증가현상은 계면활성제의 역할에만 의존하는 것이 아니라 오염물질과 계면활성제의 상호작용으로 인하여 일어난다고 생각할 수 있는데 naphthalene의 경우 계면활성제의 총 유기탄소 함유율이 많은 순서(SDDBS 62%, DADS 58%, MADS 50%)와 용해도 증가순서가 일치하는 것으로 보아 partitioning에 의한 용해도 증가현상이라고 생각된다. 그러나 phenanthrene과 pyrene의 평우는 정반대의 경향성을 보이므로 naphthalene과는 다른 기작이 작용한다고 생각하여서 물농도로 용해도 증가를 비교하여 계면활성제 한 분자 당 오염물 처리효율을 비교하였다. 그 결과 SDDBS에 의한 용해도 증가가 가장 작았으며 MADS와 DADS의 효율은 거의 같았는데 이는 계면활성제의 alkyl chain의 개수가 용해도에 거의 영향을 미치지 않는 것을 의미하며 계면활성제를 구성하고 있는 benzene과 오염물질이 상호작용 하는 것으로 판단되었다. naphthalene의 경우에도 benzene과의 영향이 있을 것이지만 partitioning이 더 크게 영향을 주는 것으로 미루어 보아 phenanthrene과 pyrene은 분자의 크기로 인해 micelle 내부로 이동하지 못하여 partition되지 못하고 benzene interaction만이 작용하는 것으로 사료되었으며 micelle이 오염물을 많이 함유할 수 있는 헐거운 구조를 형성하는 것도 계면활성제의 중요한 인자로 생각되었다. 결국 분자의 크기가 상대적으로 큰 phenanthrene과 pyrene은 많은 benzene을 가지며 내부에 space가 많은 micelle을 형성하는 MADS에서 가장 큰 효율을 보인 것이라고 생각된다. 이런 결과를 볼 때 계면활성제에 의한 유기오염물의 용해도 증가는 유기물과 계면활성제의 상호작용에 의한 현상이며 계면활성제 자체의 특성만 가지고 오염물 제거효율을 판단할 수는 없다. ; Many organic chemicals found in soil and groundwater result from human activities such as landfills, accidental spills and leaks from storage facilities. Some of the common organic contaminants found in soil and ground water are polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs), trichloroethylene (TEC), Polychlorinated by phenols (PCBs) and petroleum distillates, such as benzene, toluene, ethyl benzene, and xylene (BTEX). Once released into the environment, most of these organic contaminants, due to their inherent hydrophobic, easily bind with the organic matter in soil/water system. These adsorbed organic contaminants remain in the environment and are slowly released into groundwater and surface water bodies, thus polluting large areas over a long period of time. A number of surfactant processes relate to technologies for treating soils contaminated hydrophobic organic compounds (HOCs). Such processes include irreversible sorption of surfactant of soils for enhancing HOC sorption and immobilization; surfactant induced lowering of interfacial tension between water, no aqueous phase liquid (NAPL), and soils in order to induce two phase flow; surfactant mediation of HOC bioavilability or microbial activity; and micelle soubilization to effect the adsorption of HOCs during soil flushing. The present study analyzes micelle solubilization of PAH by surfactant in order to compare the effect of the surfactant molecular structure. The surfactant used in this study are, Sodium dodecylbenzene sulfinate (SDDBS), a conventional anionic surfactant; spacer link between the head groups; and Monoalkylated disulfinated biphenyl oxide (MADS), a dianionic surfactant with two anionic heads and one hydrophobic tail. The there kind of PAHs, naphthalene, phenanthrene, and pyrene are used for contaminants. Experimental results indicate that SDDBS is more effective for naphthalene. But MADS and DADS exhibit higher solubillization effect than SDDBS for phenanthrene and pyrene. Other studies reported that solubillization mechanism of naphthalene is partitioning but hydrophobic interactions. This result suggests enhanced solubility of PAH may depend on not only surfactant structures but also contaminant characteristics.