Micellar-enhanced ultrafiltration (MEUF) is a promising technology to separate organic and inorganic contaminants simultaneously under mild conditions. Above a critical micelle concentration (CMC), surfactants form a micelle which is a spherical aggregate of 50-150 surfactant molecules. Organic compounds are solubilized into the core of micelle and inorganic pollutants can be bound on the surface of oppositely charged micelle. Trichloroethylene (TCE) and chromate were selected as organic and inorganic contaminants, respectively. In this study, the mixed surfactants were used to minimize the permeate surfactant concentration and enhance solubilization capacity. Cetylpyridinium chloride (CPC) as a cationic surfactant and Tween 80 as a nonionic surfactant were used to form surfactant mixed micelles.
The selection of appropriate surfactant and the effective ratio of concentration between surfactant and target pollutant were essential factors in MEUF system. A batch solubilization test was carried out to select the nonionic surfactant as a solubilizing agent. The solubilization of TCE was influenced by the surfactant structure, i.e. hydrophile-lipophile balance and carbon chain number. The optimum surfactant concentration for TCE solubilization was also investigated. In the removal of chromate, the electrostatic binding efficiency with CPC (cationic surfactant) was observed through the MEUF test with various surfactant concentrations to find out the optimum CPC concentration.
The MEUF process for removal of single pollutant with the mixed surfactant solution was performed to investigate the effect of the mixed surfactant system. The CPC rejection was enhanced by addition of Tween 80, which is mainly attributed to the decrease in CMC. The removal efficiency of chromate was also lower than that of single CPC system. These results were ensured from the decrease of zeta potential in the mixed surfactant system compared to single CPC system, occurring due to the reduction of electrostatic repulsion between ionic head groups of CPC. In case of TCE, however, Tween 80 being the main solubilizing agent in the mixed system, the removal efficiency of TCE by MEUF was similar to that of single Tween 80 system.
The feasibility of simultaneous removal of TCE and chromate by MEUF in the mixed surfactants was investigated. This study was especially focused on the following aspects: the removal efficiency of each contaminant, the rejection of surfactants and relative flux. The removal of each pollutant was not hindered by co-presence of TCE and chromate, respectively, because the dominant removal mechanisms were different. Both CPC and Tween 80 were rejected effectively and the permeate concentration of them were maintained near the critical micelle concentration level of the mixed surfactants system. The flux decline observed during filtration was mainly caused by the concentration polarization and high viscosity of Tween 80.
미셀한외여과 공정을 이용하여 유기물과 무기물을 동시에 제거 할 때에 계면활성제의 선택은 매우 중요한 요소이다. 무기물의 경우, 이온성 계면활성제를 이용하여 계면활성제 미셀 표면에 전하와 이온성 무기물 간의 정전기적 인력으로 결합시킨 뒤, 한외여과막 처리를 하여 제거할 수 있다. 유기물의 경우 계면활성제 내부의 소수성의 꼬리부분에 가용화되는 것이 주요 제거기작 이라고 볼 수 있다.
무기물인 chromate를 제거하기 위하여 대표적인 양이온 계면활성제인 CPC를 이용하여 한외여과 실험을 진행하였다. CPC의 농도를 증가시키면서 Chromate를 제거하기 위하여 필요한 최소한의 CPC의 양을 결정하였고, 그 몰비가 1:5에서 최적의 Chromate의 제거 효율을 보였다.
유기물인 TCE를 계면활성제 미셸에 가용화 시킬 때, 가용화 용량이 큰 비이온 계면활성제를 사용하는 것이 바람직하다. 적절한 비이온 계면활성제를 선택하기 위하여 batch 실험을 통하여 HLB를 증가시키며 TCE의 가용화 정도를 확인하였고 이 때, HLB가 15 에서 TCE의 가용화가 최대가 되었다. 따라서 HLB가 15인 Tween 80을 TCE 가용화 시키기 위한 계면활성제로 선택하였고 역시 batch 실험을 통해, TCE:Tween 80의 몰비가 1:25일 때 TCE의 가용화가 최적이라 판단하였다.
Chromate와 TCE의 동시제거를 위해서 양이온 계면활성제를 단독으로 사용할 수 있으나, 양이온 계면활성제는 임계미셀농도(CMC)가 높아 여과되지 않고 유출되는 계면활성제의 농도가 높다. 또한 양이온 계면활성제는 비이온 계면활성제보다 유기물의 가용화능력이 작은 반면, 가격은 비싸서 동일한 유기물을 처리할 때 더 많은 비용이 소요된다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 양이온 계면활성제인 CPC와 비이온 계면활성제인 Tween 80을 혼합하여 실험을 진행하였다.
CPC와 Tween 80의 혼합 계면활성제의 경우, 임계미셀농도, 점도 및 제타전위 등의 혼합용액의 특성을 그 조성에 따라 살펴보았다. 비이온계면활성제인 Tween 80의 몰분율이 증가함에 따라서 CMC는 감소하였고 Tween 80의 몰분율이 0.6 이상일 때 0.03mM로 유지되었다. 또한 Tween 80의 경우 CPC보다 점도가 상대적으로 높았으며 농축시 변화율도 CPC의 변화율에 4배이상 증가하였다. 미셀의 제타전위를 측정한 결과 Tween 80의 농도가 증가할수록 제타전위가 감소하는 경향을 보였다.
Chromate 제거의 경우 Tween 80을 첨가함에 따라 그 영향을 살펴보았다. 첨가되는 Tween 80의 농도가 증가함에 따라서 chromate의 제거율이 감소하는 경향을 나타내었다. 이는 비이온계면활성제인 Tween 80의 첨가로 계면활성제 미셀의 표면전하밀도가 감소하여 미셀과 chromate간의 정전기적 인력이 감소하게 되고 그 결과 제거율이 저하된 것으로 판단된다. 혼합계면활성제를 사용하였을 때 임계미셀농도가 감소하여 유출수의 CPC농도가 현저하게 감소하였다. 비이온계면활성제인 Tween 80의 경우 99%이상이 제거되고 CMC수준의 계면활성제만 유출수에 존재하였다.
혼합계면활성제를 이용한 TCE의 MEUF제거 공정에서, TCE의 제거효율은 단독으로 Tween 80을 사용하였을 경우와 차이가 없었다. 그 이유는 비이온계면활성제인 Tween 80에 의한 TCE의 가용화(solubilization)가 주도적이기 때문으로 사료된다.
Chromate와 TCE의 동시제거시 chromate와 TCE의 각각의 제거율은 단일오염물의 제거율과 유사하였다. Chromate는 이온과 전하를 띤 미셀의 표면과 정전기적 인력으로 결합하고, TCE는 미셀 내부의 소수성의 꼬리부분에 가용화된다. 이처럼 chromate와 TCE의 제거기작이 서로 다르기 때문에 제거율에 차이가 나타나지 않은 것으로 판단된다. 유출수의 계면활성제는 혼합계면활성제의 효과로 임계 미셀 농도 수준으로 낮게 측정되었다. MEUF 공정에서 농축이 진행됨에 따라 공정의 플럭스(flux)는 감소하였는데 이는 계면활성제의 점도와 농도 분극(Concentration polarization) 현상으로 설명될 수 있었다.
본 연구에서 MEUF공정은 유기 오염물인 TCE와 무기 오염물인 chromate를 동시제거 하는데 그 타당성을 보였다. 또한 혼합계면활성제의 사용으로 유출수로 빠져나오는 계면활성제의 농도를 감소시킬 수 있었다. 비이온계면활성제의 첨가로 Chromate의 제거율이 약9% 감소하였으나, 85%이상의 제거효율을 보였으며, 이온성계면활성제의 양을 소량 증가시킴으로써 그 이상의 제거 효율을 얻을 수 있을 것으로 판단된다.
