The large scale contamination of many ground and surface water with perchlorate mostly occurred from the rocket fuel; presents a technical challenge. Existing methods for the perchlorate removal from groundwater involve complicated process and are expensive. The objective of this research is to identify and investigate perchlorate removal methods which are cost effective and easy to implement in groundwater.
Surfactant mediated precipitation (SMP) and polyelectrolyte enhanced ultrafiltration (PEUF) processes for the removal of perchlorate were studied in this research. The feasibility in terms of the removal efficiency of perchlorate using these two methods was investigated based on their different parameters in presence of other common groundwater contaminants (nitrate, sulfate and carbonate).
Cationic surfactant, cetylpyridinum chloride (CPC) was used in SMP process as precipitating agent to obtain precipitant containing perchlorate ion. The result shows that, up to 1 mM of CPC concentration which is around the CMC (critical micelle concentration, 0.9 mM), the perchlorate is removed in 1:1 or higher molar ratio of CPC to perchlorate due to the precipitant formation by ion exchange. While at 5 mM of CPC which is high above the CMC, perchlorate removal is inhibited due to micelle formation property of surfactant, in which some perchlorate absorbs in the micelle due to electrostatic force and remains in the supernatant. Furthermore, the removal efficiency decreases in presence of other ions (nitrate, sulfate and carbonate) because of the increase of the ionic strength of the solution; that results in the decremented activity of CPC in absorbing perchlorate ion.
In PEUF process, poly(diallyldimethylammonium chloride), PDADMAC which is a cationic polyelectrolyte, was used to remove the anionic contaminant, perchlorate. In absence of other ions, perchlorate and PDADMAC system shows that lower amount of PDADMAC (up to 1 mM) can remove almost 90% of perchlorate from the water. However, in presence of other ions like nitrate and sulfate removal efficiency decreases significantly due to the competitive binding of divalent sulfate and univalent nitrate ions. In presence of other contaminants the effect of PDADMAC concentration was observed by the increasing ratio of PDADMAC from 10 to 30 mM. Results show that the higher concentration of PDADMAC is needed in presence of higher concentration of nitrate and sulfate to obtain optimal removal of perchlorate. In presence of high concentration (up to 10 mM of each ion concentration) of other anions (nitrate and sulfate), shows 60% perchlorate removal efficiency were observed with 30 mM PDADMAC. The removal of sulfate and nitrate in this case were also nearly 75% and 40%, respectively. This implies that the inhibition of perchlorate removal in presence of other contaminants can be overcome by small increase the ratio of PDADMAC depending on the concentration or types of co-contaminants.
We concluded that SMP and PEUF can be economically feasible processes as these can be used for perchlorate treatment in presence of co-contaminants like nitrate, sulfate and carbonate. However, PEUF would be a better option over the current existing processes due to the simultaneous removal of perchlorate and other contaminants like nitrate and sulfate and easily controllable parameters.
로켓 추진체의 주재료로 사용되는 과염소산은 지하수와 지표수의 주요 오염원이며 이를 처리하는 것은 지하수 복원 분야에서 큰 도전이 되고 있다. 지하수 내의 과염소산을 제거하는 기존의 공법은 매우 복잡하며 비싼 공정이 대부분이다. 본 연구의 목적은 지하수로부터 과염소산을 기존 공정보다 경제적이며 손쉽게 적용가능한 공정을 개발하고 연구하는데 있다.
본 연구에서는 과염소산을 제거하는 방법으로 계면활성제를 이용한 침전법 (surfactant mediated precipitation, SMP)과 고분자전해질을 향상된 한외여과 (polyelectrolyte enhanced ultrafiltration, PEUF) 공정을 제안하였다. 또한 일반적인 지하수의 구성성분인 질산염, 황산염, 탄산염 등의 음이온이 존재할 때 두 가지 공정의 효율을 파악하여 현장 적용성을 살펴보았다.
계면활성제를 이용한 침전법을 적용하기 위하여 양이온성 계면활성제인 cetylpyridinum chloride (CPC)를 이용하였다. 임계미셀농도 (CMC) 근처인 1 mM 까지 계면활성제를 첨가하였을 때 이온교환반응을 통하여 과염소산과 양이온성 계면활성제간의 1:1 교환이 이루어져 침전이 형성되었다. 임계미셀농도 이상의 양이온성 계면활성제를 사용하였을 경우, 계면활성제가 미셀을 형성하여 침전이 이루어지지 않기 때문에 과염소산의 제거 효율은 감소하여 경향을 보였다. 또한 실제 지하수를 모사하기 위하여 첨가한 질산염, 황산염, 탄산염과 같은 음이온이 존재할 경우 용액의 이온강도가 세질수록 과염소산의 제거율은 감소하는 경향을 나타냈다.
고분자전해질로 향상된 한외여과는 음이온성 과염소산을 제거하기 위하여 양이온성 고분자전해질인 PDADMAC를 이용하였다. 과염소산과 PDADMAC만 존재하였을 경우 적은 양 (1 mM 이내)의 PDADMAC를 가지고도 90%이상의 과염소산 제거율을 보였다. 질산염, 황산염, 탄산염 등의 음이온성 이온이 존재할 경우 PDADMAC의 양이온과 음이온성 이온이 결합하여 과염소산의 제거효율이 줄어드는 결과를 초래하였다. 1 mM의 과염소산 용액에 10 mM의 음이온들이 존재할 경우 30 mM의 PDADMAC를 이용하였을 경우 과염소산의 60%, 황산염은 75%, 질산염은 40%의 제거율을 보였다. 이는 양이온성 고분자가 음이온성 이온이 존재할 경우 경쟁적인 전기적 결합으로 인한 과염소산 제거가 줄어들게 되는 것이다. 이는 양이온성 고분자의 양을 늘려줌으로써 해결할 수 있다.
본 연구에서 제안한 계면활성제를 이용한 침전법과 고분자전해질로 향상된 한외여과 방법으로 지하수내의 과염소산을 효과적으로 제거할 수 있으며 기존의 공법에 대해 경제적임을 확인하였다. 특히, 고분자전재질로 향상된 한외여과 방법은 지하수 내에 존재하여 또 다른 오염물이 되고 있는 질산염과 황산염을 과염소산과 동시에 제거할 수 있는 공정이기 때문에 기존 공정의 최상의 대안으로 판단된다.
