IEG 환경지질연구정보센터

계면활성제를 이용한 유류 오염 토양 세정법의 제거효율 연구

Study of Remediation for Fuel Contaminated Soil By Surfactant Enhanced Soil Flushing

최애정

, 전지혜

, 김인수

, 이민희

, 손주형

1) 부경대학교 환경지질과학과

2) 한국농촌공사 환경지질팀

*: Corresponding author

요약 (Abstract): Continuous column experiments were performed to investigate TPH removal efficiency of the surfactant enhanced soil flushing method for fuel contaminated soil at a train station, Korea. For column experiments, two types of soils were taken from the real contaminated site at the train station and their TPH concentration were 14628.4mg/kg and 8321.3mg/kg, respectively. Non-ionic surfactants such as sorbitan monooleate (POE 6) and oleamide (POE 7) were applied and about 50 pore volume of surfactant solution or distilled water was flushed for the column experiment. About 10% of initial TPH in column was removed by only distilled water flushing. For 3% of sorbitan monooleate solution, more than 90% of TPH was removed from the column within 50 pore volume flushing, which was more than 11 times of the removal efficiency with only water flushing. The removal efficiency for oleamide solution flushing increased about 2-6 times, compared with that of only water flushing, which was lower than that of sorbitan monooleate solution flushing.

주요어 (Keywords): Surfactant, soil flushing, column experiment, TPH

1. 서론

유류(디젤)로 오염된 토양을 계면활성제를 첨가하여 세정하는 토양세정법은, 디젤 자유상과 계면활성제 수용액이 혼합되는 경우, 수용액상 내에서 형성된 계면활성제 마이셀(micelle)에 의해 수용액 내 유기오염물의 용해도를 수십 배에서 수천 배 이상 증가시키거나, 디젤상과 수용액상의 계면에서 에멀젼(emulsion) 현상을 유도하여 공극 내 디젤상의 이동을 현저히 증가시켜 토양복원 효율을 현저히 증가시킬 수 있다.

본 연구의 목적은 Ex-site 처리공법 적용이 제한된 고농도의 유류로 오염된 부지에

적용할 수 있는 계면활성제 용액을 이용한 토양세정법의 정화효율을 연속칼럼실험을

통하여 규명하는데 있으며, 고농도의 디젤로 오염된 실제 오염 부지의 토양을 대상으

로 2종류의 계면활성제를 이용하여 토양 세정 칼럼실험을 실시하여, 정화 효율이 높 은 계면활성제의 종류, 농도, 적정 세정량을 규명하고자 하였다.

2. 본론

2.1. 사용 토양

본 연속칼럼 토양세정 실험에 사용된 토양은 국내 OO철도역사내 유류(디젤)탱크가 위치하였던 부지에서 1.5m × 1.5m넓이로 약 2.0m깊이까지 채굴하여, 디젤 자유상으로 오염되어있는 오염토양 50kg을 표면에서 2.0m깊이까지 골고루 채취한 토양으로, 오염 부지 최상층인 A층은 0.5m내외 두께를 가지는 매립토로 구성되어있었으며, 중간층인 B층은 약 0.5-1.0m두께를 가지는 A층과 구분되는 매립토로 이루어져 있었다. 최하부 층인 C층은 1.5m이상 깊이에 위치하여 상부 B층과 뚜렷하게 구별되는 암록색의 안산 암질기원의 실트질 토양으로 이루어져 있었다.

채취한 오염토양의 정확한 TPH 농도분석을 위해, 각 토양 당 3개의 시료를 사분법 에 의해 채취하여, 토양공정시험법에서 제시한 속실렛 전처리 과정을 실시하여 GC(Hewlett Packard 회사, Agilent 6890)로 TPH 농도를 분석하였다. 오염토양에 존 재하는 TPH 성상은 주로 디젤성분인 것으로 나타났으며, 토양 내 TPH 농도는 A, B, C토양이 각각 3811, 14628.4, 2018.8mg/kg이었다. 본 실험에서는 계면활성제의 세정효 율을 고려하여 토양의 TPH 농도가 10,000mg/kg이상인 토양과, 5,000-10,000mg/kg범 위를 갖는 고농도 오염토양에 대하여 계면활성제를 이용한 토양세정 칼럼실험을 계획 하였으며, B토양과 B와 C토양을 혼합한 혼합토양(이하 B+C토양으로 명명)를 대상으 로 실험을 실시하였다.

2.2. 칼럼실험

본 실험에 사용된 계면활성제는

각각의 계면활성제에 대하여 0%, 1%, 3%의 용액을 이용하여 B와 B+C토양을 대상으로 총 10개의 토양세정 칼럼실험을 실시하였다. Figure 1과 Figure 2에 세정 칼럼실험 사진을 나타내었다.

현장 오염토양인 B토양과 B+C토양을 대상으로 칼럼 상하부에 개폐가 가능하고 수

용액 주입/유출 밸브가 설치된, 직경 5cm, 길이 15cm크기의 유리 칼럼(Chromaflex

제품: Kimble Kontes 모델)을 이용하였다. 유리 칼럼 하부에는 직경 1-4mm되는 조립

사를 2.5cm두께로 충진한 후, 오염토양을 10cm두께로 충진하였고, 오염토양상부는 다

시 조립사로 충진하였다(두께 2.5cm). 칼럼마다 오염토양은 180.5g씩 충진하였으며, 오

염토양의 공극률을 계산한 결과 평균 30%를 나타내어 칼럼 내 오염토양의 공극체적

(pore volume)을 약 60ml로 계산하였다. 증류수로 약 1.5 pore volume 정도 하부로부 터 주입하여 세정한 후(up-flow 방식), 계면활성제 용액을 약 0.5ml/min속도로 주입하 면서 각 칼럼당 50 pore volume(3000ml) 이상 세정하였으며, 칼럼상부로부터 일정 시 간 간격으로 물 시료를 채취하여 GC(FID)로 TPH 농도분석을 실시하였다. 채수된 용 액의 TPH 농도로부터 시간당 칼럼으로부터 제거된 TPH량을 계산하였다.

Figure 1. Column for soil flushing.

Figure 2. Picture of the whole column experiment.

3. 실험 결과

3.1. B 토양 세정 칼럼 실험 결과

TPH 농도가 14628.4mg/kg인 B토양을 대상으로 증류수만을 이용하여 세정한 경우, 세정 초기에는 세정시간에 따라 증가하였으나, 약 3 pore volume 세정 후부터는 약 100-150mg/L의 농도로 일정하게 유지되었다. 칼럼에 충진된 오염토양 (180.5g)의 평 균 TPH 농도를 14628.4mg/kg으로 가정한다면, 오염토양 내 존재하는 TPH의 양은 2.6410g이다. 따라서 3157ml의 증류수 세정으로부터 0.3587g의 TPH가 제거되었으므 로, 증류수 53 pore volume 세정에 의한 제거효율은 약 13.6%로 나타났다.

S-type 계면활성제 1%용액을 사용하여 세정한 결과, 세정 후 유출액의 TPH 농도

는 150- 240mg/L를 나타내었으며, 3%용액을 사용한 경우 유출액의 농도는 500mg/L

이상의 농도를 나타내었다. S-type 계면활성제 1%용액은 3649ml의 세정으로부터

0.7140g의 TPH가 제거되었으므로, 세정에 의한 제거효율은 약 27.0%로 나타나 증류

수를 이용한 세정보다 약 2배(100% 증가)정도 제거 효율이 높은 것으로 나타났으며,

S-type 계면활성제 3%용액을 이용한 경우에는 2938ml의 세정에 의해 1.4825g의

TPH가 제거되어, 56.1%의 TPH가 제거됨을 알 수 있었다. 이러한 제거효율은 증류수

만을 이용한 경우보다 3.1배(310% 증가)높은 것으로, 칼럼 실험 결과로부터 약 50

pore volume 세정에 의해서 고농도의 유류로 오염된 부지 B 오염토양으로부터 55%

이상의 TPH를 제거할 수 있을 것으로 판단되었다.

O-type 계면활성제 1%와 3%용액을 사용하여 세정한 경우, 세정 후 유출액의 TPH 농도는 각각 약 100-150mg/L와 200-300mg/L의 농도를 유지하였다. O-type 1%용액 은 3231ml의 세정에 의해 0.3995g의 TPH가 제거되어, 제거효율은 약 15.1%로 나타났 으며, O-type 계면활성제 3%용액은 3048ml 세정에 의해 약 21.1%의 TPH가 오염토 양으로 제거되었다. O-type 계면활성제의 TPH 제거효율은 증류수만을 이용한 경우 보다 11-56%정도 증가하는 것으로 나타나, S-type 계면활성제보다 제거효율이 떨어 지는 것으로 나타났다.

B토양 세정 칼럼실험 결과는 세정 용액량에 대한 TPH 제거량은 Figure 3에 나타 나 있다.

0 400 800 1200 1600

0 0.5 1 1.5 2 2.5

Flushing amo unt( L) Ac c u m u la te d T P H re m o v a l a m o u n t( m g )

S-1 S-3 O-1 O-3

Figure 3. Accumulated TPH removal amount of B soil in column experiment.

3.2. B+C토양 세정 칼럼실험 결과

TPH 농도가 8321.3mg/kg인 B+C토양의 경우, 세정 칼럼내 존재하는 TPH 양은 약 1.502g로 계산하였다. 증류수만을 이용하여 세정한 경우, 유출액의 TPH 농도는 약 10-80mg/L의 농도를 유지함으로써 B토양을 이용한 세정 실험 결과보다 낮았으며, 3299ml의 증류수 세정으로부터 0.1328g의 TPH가 제거되어, 증류수 55 pore volume 세정에 의한 제거효율은 약 8.8%로 낮게 나타났다.

S-type 계면활성제 1%와 3%용액을 사용하여 세정한 결과, B+C토양 세정 후 유출

액의 TPH 농도는 각각 약 250-350mg/L와 800-900mg/L를 유지하였다. S-type 계면

활성제 1%용액 3392ml의 세정으로부터 0.9498g의 TPH가 제거되어 제거효율은 약

63.2%로 나타났다. S-type 계면활성제 3%용액을 이용한 경우 세정 후 유출액의 TPH 농도는 800-900mg/L을 유지하였으며, 3032ml의 세정에 의해 1.4264g의 TPH가 제거 되어, 95.0%의 TPH가 제거됨을 알 수 있었다. 이러한 제거효율은 증류수만을 이용한 경우보다 10.8배 높은 것으로, 본 실증실험에서 실시된 칼럼실험 중에서 가장 높은 제 거효율을 나타내었다.

O-type 계면활성제 1%와 3%용액을 사용하여 세정한 경우, 세정 후 유출액의 TPH 농도는 각각 약 100-170mg/L와 200-310mg/L를 유지하였다. O-type 계면활성제 1%

용액은 3054ml의 세정으로부터 0.4167g의 TPH가 제거되어, 세정에 의한 제거효율은 약 27.7%으며, 3%용액을 사용한 경우, 3343ml의 세정에 의해 약 56.1%의 TPH가 오 염토양으로 제거되었다. O-type 계면활성제의 TPH 제거효율은 S-type 계면활성제보 다 제거효율이 떨어지는 것으로 판단되며, 증류수만을 이용한 경우보다 약 3-6배 정 도 증가하였다.

칼럼실험 결과로부터 약 50 pore volume 세정에 의해서 오염된 부지에서 오염토양 B와 C토양이 혼합되어있는 경계부에 존재하는 토양의 경우에는 계면활성제 용액에 의한 세정으로부터 80%이상의 TPH를 제거할 수 있을 것으로 판단되었다. B+C토양 세정 칼럼실험 결과는 Figure 4에 나타내었다.

0 400 800 1200 1600

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0

Flushing amo unt( L ) Ac c u m u la te d T P H r e m o v a l w e ig h t( m g )

Only w ater S-1%

S-3%

O-1%

O-3%

Figure 4. Accumulated TPH removal amount of B+C soil in column experiment.

4. 결론

디젤로 오염된 OO철도역사 B토양을 대상으로 세정 칼럼실험을 한 결과, 가장 제거

율이 높은 것은 S-type 계면활성제 3%용액으로 나타났으며, 증류수만을 이용한 경우

보다 3.3배 제거효율이 높았으며 약 50 pore volume 세정에 의해서 약 55%의 TPH를

제거할 수 있었다. S-type 1%용액, O-type 1%와 3%용액으로 세정한 경우의 제거효

율은 비슷하였으며, 증류수를 이용한 결과보다 약 1.5배 내외의 제거효율을 나타내었 다.

B+C 토양의 경우 약 50 pore volume의 증류수 세정에 의해 약 8.8%의 TPH가 제 거되어, B토양을 이용한 세정 실험의 제거효율인 13.6% 보다 낮은 제거효율을 나타났 으나, 계면활성제 용액을 이용한 경우의 제거효율은 B토양 세정 결과보다 높게 나타 났다. S-type 계면활성제 3%용액으로 세정한 경우 50 pore volume 세정 후 토양 내 잔류하던 초기 TPH의 95%가 제거되었다(증류수 세정 결과의 약 11배). 따라서, 오염 부지에서 B와 C토양의 경계부에 존재하는 유류오염물의 경우 계면활성제 용액에 의 한 세정으로 매우 효과적인 제거가 가능할 것으로 판단되었다. S-type 계면활성제 1%용액과 O-type 계면활성제 3%용액의 TPH 제거량은 비슷한 것으로 나타났으며, 증류수만을 이용한 세정 결과보다 약 6-7배 높았다.

본 실증실험 결과 S-type 계면활성제 3%용액의 TPH 제거 효율이 가장 높은 것으 로 나타났으며, 고농도의 TPH로 오염된 토양을 대상으로 S-type 3%로 세정한다면, 물만을 이용한 세정보다 최대 11배의 제거효율 증가를 가져올 수 있을 것으로 판단되 었다.

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