The removal characteristics of nitrate, chromate, and ferriccyanide were investigated using micellar-enhanced ultrafiltration with a cationic surfactant, cetylpyridinium chloride (CPC). At the same concentration of the surfactant, the removal of each anionic pollutant increased with the valence of the pollutant: ferriccyanide with -3 as valence > chromate with -2 as valence > nitrate with -1 as valence. In the co-presence of nitrate, chromate, and ferriccyanide, ferriccyanide bound to CPC micelles preferentially to nitrate and chromate. After the removal of ferriccyanide reached saturation, nitrate and chromate bound competitively to CPC micelles.
The solubilization characteristics of 1-chlorobenzene and 1,2-dichlorobenzene were investigated in the ionic surfactants solutions, sodium dodecyl sulfate (SDS), CPC, and dodecyltrimethylammonium chloride (DMAC). CPC showed the highest solubilization capacity for chlorobenzenes because CPC has the largest hydrophobic interior volume. At the same concentration of surfactants, extent of 1,2-dichlorobenzene was higher than that for 1-chlorobenzene because 1,2-dichlorobenzene is more hydrophobic. Most of chlorobenzenes were solubilized at the hydrophobic interior of micelles due to hydrophobic interactions, and some of those were solubilized at the water-micelle interface due to attractive interactions of between positive charges of cationic surfactant and pi-electrons of chlorobenzene. In the co-presence of chlorobenzenes, the solubilization of each chlorobenzene was inhibited by the other because two chlorobenzene were solubilized at the same locus in the micelles.
The presence of nitrate and chromate inhibited the solubilization of chlorobenzene in CPC solution because the nitrate and chromate bound to outer shell of the CPC micelles, which reduced slightly the attractive interactions between positive charges of cationic surfactant and pi-electrons of chlorobenzene. However, the effect of nitrate and chromate on the solubilization of chlorobenzenes were negligible because most of chlorobenzene were solubilized at the hydrophobic interior of the micelles, while nitrate and chromate bound to outer shell of the micelles.
Feasibility of micellar-enhanced ultrafiltration for the simultaneous removal of organic (1-chlorobenzene and 1,2-dichlorobenzene) and inorganic (nitrate and chromate) pollutants was investigated. The presence of nitrate and chromate reduced the removal of 1-chlorobenzene < 10%, while < 2% for 1,2-dichlorobenzene. The presence of chlorobenzenes reduced also the removal of nitrate < 3 %, while < 0.2% for chromate removal. Even though the removal of each pollutant inhibited by the presence of others, micellar-enhanced ultrafiltration can be applied to remove mixed wastes because the major locus for binding or solubilization was different.
Non-aqueous phase liquid (NAPLs)와 같은 유기 오염물과 중금속 등의 다양한 무기 오염물에 의한 지하수 오염은 전 세계적인 문제이며, 인류의 건강을 위협하고 있다. 유기 오염물과 무기 오염물로 동시에 오염된 부지가 전체의 50%나 되지만, 대부분의 연구자들은 유기 오염물 또는 무기 오염물로 오염된 토양이나 지하수의 복원에만 초점을 맞추어 왔다. 따라서, 본 연구에서는 NAPLs과 음이온성 오염물로 동시에 오염된 지하수를 계면활성제 미셀과 한외여과 (micellar-enhanced ultrafiltration, MEUF)를 이용하여 정화하는 공정의 타당성을 검토하였다.
유기물과 무기물로 동시에 오염된 지하수 정화에 앞서, 유기물 혹은 무기물만으로 오염된 지하수의 정화에 관한 연구를 수행하였다. 먼저 음이온성 단일 오염물과 음이온성 복합 오염물로 오염된 지하수에 대한 MEUF공정의 특성을 조사하였다. 음이온성 오염물인 nitrate, chromate, ferriccyanide를 양이온성 계면활성제인 cetylpyridinium chloride (CPC)와 regenerated cellulose 한외여과 막을 사용하여 처리하였다. 동일한 계면활성제 몰비에서 오염물의 제거율은 오염물의 가수(valence)에 비례하였다. Ferriccyanide는 -3가로 가장 잘 제거되었으며, 다음은 -2가인 chromate, -1가인 nitrate 순으로 제거되었다. 복합 오염물인 경우, 가수가 큰 오염물이 우선적으로 CPC 미셀과 결합하고, 포화상태에 도달한 이후에 가수가 작은 오염물이 결합하는 특성을 보였다. 이러한 경쟁적인 결합 특성으로 인해 가수가 작은 오염물의 제거율이 다소 감소하나, 계면활성제 몰비를 조절하여 MEUF공정에 선택도를 부여할 수 있을 것으로 판단된다.
유기 오염물로는 1-chlorobenzene (MCB)과 1,2-dichlorobenzene (DCB)을 선정하였다. 이들 염화벤젠은 물보다 무거운 DNAPL이며, 소수성을 가지기 때문에 토양에 흡착하여 장기적인 지하수 오염물이 될 수 있다. 유기물과 무기물을 동시에 제거하기 위해 이온성 계면활성제인 CPC, sodium dodecylsulfate (SDS), dodecyltrimethylammonium chloride (DMAC)를 사용하였다. 이들 계면활성제 중에서, CPC가 MCB와 DCB에 대해 가장 뛰어난 용해 능력을 보였다. 일반적으로 π 전자를 가지는 방향족 화합물에 대한 용해 능력은 양이온성 계면활성제가 음이온성 계면활성제보다 뛰어난 것으로 알려져 있다. 왜냐하면 π 전자와 양이온성 계면활성제 미셀의 양이온성 머리 부분 사이의 인력에 의해 용해가 증가되기 때문이다. 그러나 본 실험에 사용된 SDS와 DMAC는 소수성 꼬리 부분이 탄소 12개로 동일함에도 불구하고 음이온성 계면활성제인 SDS가 양이온성 계면활성제인 DMAC보다 용해능이 뛰어난 것으로 나타났다. 따라서 계면활성제의 MCB와 DCB에 대한 용해능은 친수성 부분의 특성에 따른 영향 보다는, 오히려 계면활성제 미셀 내부의 부피에 비례하는 것을 확인하였다. 결국 염화벤젠의 일부는 미셀 양이온 표면과 π 전자 사이의 인력에 의해 용해되기도 하지만, 주로 미셀 내부에 소수성 인력에 의해 용해되는 것으로 판단된다. 또한 MCB와 DCB가 동시에 용해될 때, 용해되는 위치가 같기 때문에 경쟁적인 용해가 일어나며, DCB의 소수성이 MCB보다 크기 때문에 DCB의 경우 MCB에 의해 별다른 영향을 받지 않았으나, MCB의 용해는 DCB로 인해 감소하였다.
유기 오염물과 무기 오염물의 동시제거시 MEUF 공정의 타당성을 검토하기 위해 염화벤젠의 용해에 미치는 nitrate와 chromate의 영향을 조사하였다. Nitrate나 chromate가 오염물로 존재할 때, 염화벤젠의 용해는 감소하였으며, 두 가지 무기 오염물이 동시에 존재할 때 가장 크게 감소하였다. 이는 nitrate와 chromate가 양이온성 계면활성제 미셀의 표면에 정전기적 인력에 의해 결합하기 때문에 미셀 표면의 양전하가 감소하게 되고, 이러한 양전하의 감소는 염화벤젠의 π 전자와 양전하 사이의 인력을 감소시켜, 전체적으로는 용해가 감소하였다. DCB보다는 MCB가 더 많은 영향을 받았는데 이는 미셀 표면에 용해되는 양이 MCB가 DCB보다 더 많기 때문이다. 그러나 음이온성 오염물인 nitrate와 chromate는 양이온성 계면활성제 미셀에 정전기적 인력으로 결합하고, 유기 오염물인 염화벤젠은 소수성 인력으로 계면활성제 미셀의 내부에 주로 용해되기 때문에, 약간의 용해 감소에도 불구하고 동시제거가 가능하다.
본 연구에서는 유기 오염물인 염화벤젠과, 무기 오염물인 nitrate와 chromate로 동시에 오염된 지하수의 처리에 대한 MEUF공정의 타당성을 확인하였다. 혼합 오염물의 경우, 단일 오염물의 경우와 비교하여 MCB의 제거율은 <10%, DCB의 제거율은 < 2%, nitrate의 제거율은 < 3%, chromate의 제거율은 < 0.2% 감소하였다. 비록 MCB의 제거율 감소가 다른 오염물보다 크지만, 제거율이 충분히 높기 때문에 MEUF공정에 의한 동시 제거가 타당하다고 판단된다.
