Recently pervaporation has been studied for the separation of volatile organic compounds from waste flushing solutions for surfactant recovery. Surfactant reuse is the key factor in surfactant-enhanced remediation (SER) because the cost of surfactants is high. Volatile compounds in waste solution sorb on the membrane, penetrate through it and evaporate into vapor phase. As a result, surfactant is recovered without foaming phenomenon and surfactant loss. This study focused on the simultaneous removal of contaminants and feasibility for application into field. Trichloroethylene (TCE) and tetrachloroethylene (PCE) were selected as representative contaminants. Tween 80, surfactant commonly used in groundwater remediation, and polydimethylsiloxane (PDMS), widely used hydrophobic material in pervaporation, were used.
The effects of process parameters on pervaporation process were investigated. Membrane thickness between 200 and 300 μm did not affect the pervaporation performance. Organic flux did not increase above flow rate of 100 mL/min even though flow rate increased. The increase of feed concentration and temperature led to large organic flux. Selectivity reduced significantly with temperature due to the increase of molecular mobility and membrane swelling. The reduction of flux was small below 1.0 wt% Tween 80 in feed solution. Flux and selectivity of TCE were higher than those of PCE because extramicellar portion of TCE was higher than that of PCE.
Pervaporation process was investigated for the simultaneous removal of TCE and PCE from surfactant solution. The competitive sorption by flux and selectivity decline was observed. However, the reduction percentage was less than 10% with 1:1 ratio of TCE/PCE. 4.0 wt% isopropyl alcohol (IPA) as flushing additive was added in feed solution. IPA flux was small as 2 g/ ㎡h and organic flux and selectivity did not change. With long-term operation, over 95% of TCE and 90% of PCE were removed from 0.5 wt% Tween 80 solution with 1,000 ppm of initial TCE and PCE concentration.
It could be stated that the pervaporation process developed in the present study is an effective method to remove volatile contaminants from surfactant solutions for the recovery or reuse of surfactant. However, the economic feasibility should further be investigated through process scale-up study, which includes the present process along with the SER for the remediation of contaminated groundwater.
계면활성제를 이용한 지하수 및 토양 복원 사례가 증가하고 있는 가운데, 복원 공정의 경제성과 처리용액에 의한 재오염을 고려할 때, 오염원 분리를 통한 계면활성제의 재사용은 필수적이다. 이를 위해 본 연구에서는 대표적인 지하수 오염원인 TCE와 PCE를 함유한 계면활성제 용액의 투과증발공정 적용을 통한 계면활성제의 재사용에 관하여 살펴보았다. 투과증발공정은 막을 이용하는 공정으로 처리공정이 간단하며, 처리효율이 높아 매우 경제적인 장점을 가지고 있다. 또한 계면활성제 회수에 적용된 여타 기술에서 문제가 된 거품 발생 및 계면활성제 손실의 문제가 없기 때문에 최근 들어 계면활성제의 재사용을 위해 적용이 되고 있다.
막의 오염물에 대한 적합성을 평가하기 위해 오염물의 막 흡착도를 측정하였고, 실험조건 확립을 위해 막두께, 처리수의 공급유속, 공급액 농도, 공정운전온도 및 계면활성제 농도와 같은 처리효율에 영향을 미치는 인자들의 영향을 살펴보았다. 그리고 실제 오염현장에 둘 이상의 오염물이 존재하는 경우를 감안하여 이의 동시제거에의 투과증발공정의 적합성을 평가하였다. 또한 실제 계면활성제를 이용한 오염 토양 및 지하수의 복원에 알코올 등의 첨가제가 사용되는 점에 착안하여 이들이 공정에 끼치는 영향을 살펴보았다.
사용한 PDMS 막에의 TCE 및 PCE의 흡착도는 1.42에서 1.64 사이로 문헌에 보고된 투과증발막의 흡착도와 유사하였다. 유속, 온도 및 오염물 농도의 증가로 오염물의 막투과율이 증가하였다. 그러나 100 mL/min 이상의 공급액 유속에서는 오염물의 막투과율이 거의 증가하지 않았고 온도의 증가는 현저한 선택도의 감소를 유발하였다. 1.0 wt% 이하의 계면활성제 농도에서는 오염물의 막투과율의 저하가 크지 않았다. 공정 인자들의 영향 및 실제 오염현장의 복원결과를 바탕으로 100 mL/min의 유속, 40 ℃의 온도, 1000 ppm의 오염물 농도 및 0.5 wt%의 계면활성제 농도를 실험조건으로 선택하였다.
상기의 실험조건으로 TCE와 PCE가 공존하는 계면활성제 용액 내에서 이들을 동시에 제거하는 실험을 진행시킨 결과, 각각의 오염물이 서로의 제거에 영향을 미치는 것을 확인하였다. 그러나 그 감소폭이 상대적으로 낮아 투과증발공정을 이용한 오염물의 동시 제거가 가능한 것으로 사료된다. 첨가제로 널리 사용되고 있는 IPA의 경우, 4 wt % IPA 첨가로 2 g/ ㎡h$ 의 낮은 IPA 막투과율이 얻어져 공정에 거의 영향을 끼치지 않는 것으로 나타났다. 투과증발공정의 현장 적용 가능성을 평가하기 위해 장기간 실험을 진행시킨 결과 TCE와 PCE 각각 95%, 90%의 높은 제거율을 얻을 수 있었다.
결론적으로, 투과증발공정은 복합 염소계 유기오염물로 오염된 토양 및 지하수의 계면활성제를 이용한 복원에서 경제성 확보를 위한 효과적인 계면활성제 회수 방법으로 사용 가능한 것으로 사료된다. 오염물의 처리량이 많은 현장에서 또한 계면활성제의 재사용을 통해 복원처리비용을 절감할 수 있을 것으로 사료된다.