Contamination by organic pollutants such as chlorinated solvents in the subsurface has been a serious problem. They are very toxic to human and mostly nonbiodegradable. When the chlorinated solvents leak or spill from underground storage tanks, the liquid moves downward and accumulates in the aquifer. In case of chlorinated solvents, the liquids migrate below water table in consolidated deposits and fractured bedrock until to meet the impermeable layer which prevents the movement of the liquids and form dense nonaqueous phase liquid (DNAPL). The DNAPL is dissolved by groundwater flow and makes the aqueous phase plumes of the contaminants. Even though the concentration of contaminant is very low, the DNAPL like chlorinated solvents is highly toxic and poses an unacceptable risk to human health or the environment.
Traditional treatment method for DNAPL contaminated subsurface is “pump and treat” method. But it has a serious disadvantage which is the need of very long time to complete removal. To overcome the disadvantage, surfactant enhanced aquifer remediation (SEAR, or surfactant flushing) has been developed. The SEAR is consisted with the injection of surfactant, removal of organics by dissolution and displacement, and treatment of the effluent. Most of researches on surfactant flushing focused on the solubilization of DNAPL and few researches have dealt with the surfactant behavior. The solubilization is based on surfactant characteristics. If we know the surfactant behavior and transport phenomena of surfactant solutions, the efficiency of solubilization of DNAPL can be expected. In this study, interaction between surfactants and DNAPLs was mainly observed by means of partitioning of surfactants. Additionally the treatment of effluent of surfactant flushing also was investigated by activated carbon adsorption and cross-flow ultrafiltration.
In the surfactant flushing, two factors, the partitioned amount of surfactant to DNAPL and solubilization capacity of DNAPL by surfactant in multiple components systems, ware mainly observed. The partitioned amounts of nonionic surfactants to chlorinated solvents were related with critical micelle concentration of the surfactant and interfacial tension between DNAPL and water. The solubilization capacity of nonionic surfactant was inversely proportional to surfactant hydrophilic-lipophilic balance (HLB). With multiple component DNAPLs, the dissolution behavior was non ideal. These results also were obtained with anionic surfactant. In surfactant flushing for DNAPL contaminated sand column, the small amount of partitioned surfactant to DNAPL made the mobilization of DNAPL. In bench scale sand experiments, the density of surfactant solutions was a significant factor of solubilization behavior of DNAPL.
For the treatment of the effluent of surfactant flushing, activated carbon adsorption and cross-flow ultrafiltration were applied. The adsorption of surfactant was fast and that of chlorinated solvents in surfactant solution was affected by surfactant hydrophobicity. To concentrate the surfactant with cross-flow ultrafiltration, the flux decreased with retentate surfactant concentration and permeate surfactant concentration was slightly higher than the critical micelle concentration. The flux with nonionic surfactant was linear with surfactant HLB. And the flow velocity has more effect than transmembrane pressure to the flux.
최근 지하환경 오염의 심각성이 크게 부각되고 있으며 대표적인 오염물로 염소계 유기용제를 들 수 있다. 염소계 유기용제는 물보다 높은 밀도로 인하여 일단 지하환경에 누출되었을 경우 대수층 바닥까지 이동하여 비수용상 고밀도 액체 (dense nonaqueous phase liquid, DNAPL)를 형성하게 된다. 이러한 비수용상 고밀도 액체는 물에 잘 녹지 않으며 지속적으로 지하수를 오염시켜 심각한 환경문제로 대두되고 있다. 기존의 비수용상 고밀도 액체의 처리방법은 양수처리방법이 대표적으로 이용되었으나 처리시간이 긴 단점이 존재하여 계면활성제를 이용한 복원(surfactant enhanced aquifer remediation, SEAR) 처리 방법이 개발되었다. 지금까지 SEAR 방법의 연구는 DNAPL을 얼마나 빨리 제거하는가에 그 중심을 두고 있었으며 계면활성제 거동 자체 연구가 미흡하였다. SEAR이 계면활성제의 특성을 이용한 공정이므로 계면활성제의 특성과 처리 효율의 상관관계가 매우 중요한 요소이므로 본 연구에서는 계면활성제의 특성에 따른 염소계 유기용제 처리 효율을 살펴보았다.
구체적으로 살펴보면 SEAR 공정은 지중처리와 지상처리의 두 부분으로 나눌 수 있는데 지중처리는 지하환경 내에 계면활성제 용액을 주입하여 오염물을 제거하는 방법이며 지상처리는 지중처리 유출액을 처리하여 계면활성제의 재사용이 가능하도록 하는 방법이다. 학위연구에는 지중처리 중 계면활성제가 DNAPL과 지하수 사이의 분배 특성을 통하여 오염물의 제거 기작을 살펴보았으며 지상처리는 활성탄 흡착과 한외여과를 통한 계면활성제 재 이용시 계면활성제의 특성에 따른 처리 효율을 살펴보았다.
DNAPL이 존재할 때 계면활성제의 분배는 계면활성제의 임계미셀농도와 DNAPL과 물 사이의 표면장력에 관련이 있었다. 즉, 낮은 표면장력을 가지는 DNAPL로의 계면활성제 분배가 많았다. 복합 오염물이 존재할 때에도 계면활성제의 분배는 오염물의 조성의 영향보다 표면장력과 계면활성제의 특성에 영향을 받았다. 복합 오염물이 존재할 경우 계면활성제의 미셀내로 가용화는 비이상적인 형태를 보였으며, 미셀내부의 부피보다 가용화된 오염물의 부피가 더 컸다. 이는 염소계 유기용제의 경우 계면활성제 미셀 내부에 용해되는 정도가 상당할 뿐만 아니라 가용화 된 오염물이 미셀 내부에 비수용상의 액상을 형성하는 것으로 판단된다. 또한 염소계 유기용제는 계면활성제의 미셀 중 친유성 부분인 미셀 내부뿐만 아니라 친유성과 친수성을 동시에 가지고 있는 경계부분에도 가용화가 진행되는 것으로 판단된다.
DNAPL로 분배된 계면활성제는 DNAPL의 수용액에서의 가용화를 낮추는 역할을 하였으며 한편으로 토양 내에서는 표면장력을 감소시켜 DNAPL의 이동화를 상승하는 효과를 칼럼실험을 통하여 확인하였다. 이러한 결과는 비이온 계면활성제뿐만 아니라 음이온 계면활성제를 이용할 경우에도 동일한 경향을 얻을 수 있었다. 실제 현장 적용성을 파악하기 위해 이, 삼차원 실험을 진행하였으며 계면활성제 수용액의 밀도가 DNAPL의 처리효율에 중요한 인자임을 확인하였다.
이후 DNAPL로 오염된 지하환경을 처리한 유출액을 지상 처리하는데 활성탄 흡착법과 한외여과 방법을 이용하였다. 계면활성제와 염소계 유기용제가 동시에 존재하는 유출액을 활성탄 흡착법으로 처리할 때 계면활성제의 친유성이 높을수록 활성탄의 흡착 정도가 낮았으며 오염물의 친유성이 높을수록 흡착량이 많았다. 이는 계면활성제의 친유성이 높으며 계면활성제 미셀 내에 오염물이 다수 존재하여 활성탄으로의 흡착을 방해하기 때문으로 판단된다. 계면활성제와 오염물에 따라 유출액 중 30-60 pore volume의 계면활성제 용액을 활성탄 흡착을 통하여 회수할 수 있었다. 회수된 계면활성제의 농축을 위해 이용한 한외여과에서는 농축액 내의 계면활성제 농도가 증가함에 따라 플럭스가 감소하였으며, 유출액 내의 계면활성제 농도는 임계미셀농도보다 약간 높은 값을 유지하였다. 비이온성 계면활성제의 한외여과에서 플럭스는 계면활성제의 친유-친수성 정도와 선형상관관계를 가짐을 확인하였으며 cross-flow 한외여과시 막에 가해지는 압력보다 막을 따라 흐르는 유체의 속도가 플럭스에 더 큰 영향을 끼침을 확인하였다.
