Surfactant-enhanced electrokinetic (EK) process was investigated to remove polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) from low-permeable soils. Phenanthrene and kaolinite were selected as a representative PAH and a model soil, respectively. Four different surfactants, alkyl polyglucosides (APG), Calfax 16L-35, Tergitol 15-S-7 and 15-S-12, were used to enhance the solubility of phenanthrene.
The solubilization capacity of phenanthrene was in order of Tergitol 15-S-7 > Tergitol 15-S-12 > Calfax 16L-35 and APG. Tergitol 15-S-7 was greatly influenced by adsorption on soil while Calfax 16L-35 and Tergitol 15-S-12 were not affected.
Relatively low electrical potential gradients were maintained in electrokinetic tests with APG and Calfax 16L-36. However, experimental results of Tergitol 15-S-7 and 15-S-12 showed similar trends to the control test, in which electrical potential gradient rapidly reached to the limited value. As surfactant concentration increased, the amount of electroosmotic flow decreased, but the removal efficiency of phenanthrene was enhanced except in the case of Calfax 16L-35. At the end of experiment, most of APG was detected in effluent whereas only little amount of surfactant remained in soil. Phenanthrene removal was improved due to transport of APG micelles containing phenanthrene. On the other hand, most of Calfax 16L-35 remained in soil and little amount existed in effluent because of its ionic characteristic. As a result, Calfax 16L-35 did not enhance the removal efficiency even at the highest concentration of surfactant. In the tests of Tergitol 15-S-7, surfactant adsorption on soil occurred severely, so that only a small portion of surfactant seemed to contribute in the removal of phenanthrene. Therefore, the removal efficiency increased just slightly, especially at low concentration. However, when Tergitol 15-S-12 was applied, the problem of adsorption on soil was not severe and most of them were detected in effluent transported by electroosmotic flow. Accordingly, the removal efficiency of phenanthrene was higher than those of other three surfactants.
The pH control tests by buffer solutions were conducted to improve electroosmotic flow by maintaining higher pH. However, buffer solutions of high pH did not maintain the soil pH uniformly, and increase of ion concentration caused a low electroosmotic flow and thereby a low removal efficiency.
The addition of electrolyte affected both the removal efficiency and operation costs. When electrolyte was introduced, the electrical potential gradient became low and thus power consumption was reduced. However, as electrolyte concentration increased, the electroosmotic flow also decreased, so the removal efficiency of contaminant decreased. Therefore, a relatively lower concentration of electrolyte than certain value, an optimum concentration, is desired.
In conclusion, the surfactant-enhanced electrokinetic process could be an effective and alternative method to remove PAHs from low-permeable soils. With proper nonionic surfactants and an optimum concentration of electrolyte, the effectiveness of process can be further improved.
대표적인 소수성 유기화합물인 다환방향족 탄화수소 화합물은 낮은 농도에서도 독성이 강하며 그 중 많은 물질이 발암물질로 알려져 있다. 이들은 대부분 휘발성이 낮아 증기주입이나 진공추출 등의 기체를 이용한 복원기술의 적용이 어렵고 물에 잘 녹지 않고 토양 표면에 강하게 흡착되므로 지하수를 이용한 토양 세척의 효율도 제한되어 있다. 반면, 계면활성제로 향상된 동전기 기술은 저투수성 토양으로부터 다환방향족 탄화수소 화합물을 제거하는데 효과적인 방법으로 알려져 있다. 본 연구에서는 점토의 일종인 카올리나이트로부터 대표적인 다환방향족 탄화수소 화합물인 페난트렌을 제거하기 위해 동전기 기술이 적용되었으며, 페난트렌의 용해도를 증가시키기 위해 APG (alkyl polyglucosides), Calfax 16L-35, Tergitol 15-S-7과 15-S-12의 4가지 계면활성제가 사용되었다.
페난트렌에 대한 용해 능력은 Tergitol 15-S-7 > Tergitol 15-S-12 > Calfax 16L-35, APG 순으로 나타났다. 또한, Calfax 16L-35와 Tergitol 15-S-12가 토양에 거의 흡착되지 않는데 비해, Tergitol 15-S-7은 흡착의 영향으로 용해 능력이 크게 감소하였다.
APG와 Calfax 16L-35를 사용한 동전기 실험에서는 상대적으로 낮은 전위경사가 유지되었으나, Tergitol 15-S-7과 15-S-12를 적용했을 때는 전위경사가 빠르게 증가하여 증류수를 사용했을 때와 비슷한 결과를 나타내었다. Calfax 16L-35의 경우를 제외한 다른 실험에서, 계면활성제의 농도가 증가할수록 전기삼투유량이 감소함에도 불구하고 페난트렌의 제거효율은 향상되었다. 실험 종료 후, 주입된 APG의 대부분은 유출수에서 확인할 수 있었으며, 토양 내에는 거의 남아있지 않았다. 즉, APG 미셀들이 내부에 오염물을 포함한 채 음극을 향하여 이동함으로써 페난트렌의 제거가 향상되었다. 한편, 음이온성 계면활성제 Calfax 16L-35는 양극으로 이동하려는 성질 때문에 계면활성제의 대부분이 토양 속에 남아있었으며 유출수 속에서는 거의 검출되지 않았다. 이로 인해 Calfax 16L-35는 심지어 가장 높은 농도에서도 제거효율이 향상되지 않았다. Tergitol 15-S-7을 사용한 경우에는 많은 양의 계면활성제가 토양에 흡착되었다. 일부의 계면활성제만이 페난트렌의 제거에 기여하여 제거효율이 약간 상승하였으며 이러한 결과는 저농도일수록 심하게 나타났다. 그러나 Tergitol 15-S-12의 실험에서는 계면활성제가 토양에 거의 흡착되지 않았으며, 대부분의 계면활성제를 전기삼투흐름에 의해 이동된 유출수 속에서 확인할 수 있었다. 그 결과, 계면활성제들 중에서 가장 높은 페난트렌의 제거효율을 나타내었다.
계면활성제 용액의 pH를 높게 유지시킴으로써 전기삼투유량을 증가시키기 위해 완충용액에 의한 pH 조절 효과를 살펴 보았다. 그러나 완충용액은 토양의 pH를 균일하게 유지시키지 못하였으며, 오히려 이온 농도의 증가로 인해 적은 양의 전기삼투유량이 발생하여 제거효율이 감소하였다.
전해질의 사용은 제거효율과 공정비용, 두 가지 측면에 모두 영향을 미친다. 전해질이 사용되었을 때, 전위경사가 낮게 유지되어 전력소비량이 감소하는 반면, 높은 농도의 전해질은 이는 전기삼투유량의 감소와 이로 인한 제거효율의 감소를 초래한다. 그러므로 상대적으로 낮은 농도에서 전해질의 최적 농도를 결정해야 한다.
결론적으로, 계면활성제로 향상된 동전기 기술은 저투수성 토양으로부터 다환방향족 탄화수소 화합물을 제거하기 위한 효과적인 방법이며, 적절한 비이온성 계면활성제와 최적 농도의 전해질을 사용하여 공정의 효율을 더욱 향상시킬 수 있을 것이다.
