본 연구에서는 점토광물인 벤토나이트를 두 가지 계면활성제로 개질하여 유기점토를 합성하고 흡착을 통해 6가 크롬을 효율적으로 제거하고자 하였으며 실제 토양 지하수와 유사한 환경인 Box를 조성하여 확산억제제 사용을 위한 주입 조건 최적화 및 토양 환경 변화에 따른 평가를 수행하였다.

첫 번째 연구에서는 두 가지 계면활성제인 HDTMAB와 BDMHDAC를 주입량 별로 개질하여 회분식 흡착 실험을 통해 최적화 평가를 하였으며 특성 분석을 통해 개질 여부를 확인하였다. 이후 동역학, 등온흡착, 열역학적 흡착 모델을 적용하여 흡착 성능을 평가하였다. 개질 여부는 푸리에 변환 적외선 분석기(FT-IR)와 비표면적 분석(BET)을 통해 성공적으로 개질됨을 확인하였으며 열분석기(DTG)를 통해 CEC 1.5 내에서 두 계면활성제가 비슷한 양이 개질됐음을 정량화하였고 X-선 회절분석기(XRD)를 통해 계면활성제에 따라 점토광물 내 개질되는 위치가 달라짐을 확인하였다. 또한 제타 전위 분석을 통해 6가 크롬이 정전기적 인력에 의해 흡착됨을 알 수 있었다. 회분식 흡착 실험에서 경제성과 제거율을 고려하여 CEC 1.5를 최적 주입량으로 선정하였다. 최적화된 유기점토를 이용해서 다양한 모델을 적용하였는데 동역학 실험을 통해서 1시간 내에 6가 크롬 대부분이 흡착하고 4시간에 평형을 이루었으며 표면 전하에 의한 막 분산이 주된 기작임을 확인하였다. 등온 흡착 모델을 이용해 HDTMAB를 개질한 유기점토의 경우 단층 흡착을 이루며 21.42 mg/g의 최대 흡착능을 가지며 BDMHDAC를 개질한 유기점토는 다층 흡착이 이루며 14.72 mg/g의 최대 흡착능을 가짐을 확인하였다. 또한 온도에 따른 열역학적 모델을 적용하였을 때, 유기점토에 의한 크롬 흡착은 발열 반응이며 BDMHDAC 개질 유기점토는 60 ℃ 이하의 온도에서 우호적인 흡착 반응을 보였으며, HDTMAB 개질 유기점토는 30 ℃ 이하의 온도에서 우호적인 흡착 반응을 보일 것이라 예상하였다.

두 번째 연구에서는 In situ 확산억제제로 적용시키기 위해 볼밀을 이용한 유기점토 크기를 조절하여 이동성 및 분산성 실험을 통해 토양 환경 내 적용 가능성을 확인하였으며 실제 토양 지하수 환경을 조성한 Box를 제조하여 6가 크롬의 유동성 및 유기점토 종류, 주입량, 주입 농도를 최적화하였다. 마지막으로 토양 환경을 다르게 조성하여 최적화된 주입 조건을 평가하였다. 볼밀을 이용해 평균 100 ㎛ 크기에서 20 ? 30 ㎛로 크기를 조절하였을 때, 분산성은 향상되었으나 모래가 채워진 컬럼에서는 이동성에서 차이를 보이지 않았다. Box 내 6가 크롬을 저감하기 위하여 두 종류의 유기점토와 볼밀을 적용하였으며 동일한 주입 농도 내 볼밀하지 않은 BDMHDAC 개질 유기점토가 제일 높은 효율을 보였다. 기존 볼밀된 유기점토가 분산성이 높아 더 높은 제거효율을 기대하였지만 확산억제제 주입 시 Box 내 윗 단과 옆 단으로 빠져나감을 간접적으로 확인하였다. 주입량이 증가할수록 처리 효율이 향상되는 것을 확인하였으며 주입 농도를 증가하였을 경우에는 관막힘 현상이 발생하였다. 따라서, 확산억제제 최적 조건을 100 ㎛ 크기의 BDMHDAC가 개질된 유기점토, 10 g/L 주입농도로 최적화하였으며 주입관 배출구 크기는 1 mm로 고정하였다. 마지막으로 토양 환경을 모래 및 모래/미사 조건으로 조성하여 확산억제제 최적 조건으로 주입하였을 때 두 환경에서 모두 80% 이상의 제거 효율을 확인하였으며 탈착 진행 시 0.1 mg/L 이하로 진행되었다.

본 연구를 통해 In situ 확산억제제로 적용할 수 있는 최적 주입 조건을 확립하였으며 모래/미사의 토양 환경 조건 하에서도 충분히 적용가능하다는 결론을 내릴 수 있었다.

In this study, organoclay was synthesized by modifying two surfactants in bentonite, and the optimal adsorption efficiency of hexavalent chromium was evaluated. After adsorbent optimization, injection conditions were optimized and executed in different soil environments in a simulated box for in situ removal of hexavalent chromium.

In the first study, two surfactants, HDTMAB and BDMHDAC, were modified by changing the injection volume, and process optimization was performed by conducting a batch adsorption experiment. Moreover, the modification was confirmed through characteristic analysis. Then, the adsorption performance was evaluated by applying kinetic, isotherm, and thermodynamic adsorption models. The successful modification was confirmed by means of Fourier transform infrared analysis (FT-IR) and specific surface area analysis (BET). The quantitative results obtained by means of thermal analysis (DTG) indicated that the two surfactants were modified in similar amounts at CEC 1.5. X-ray diffractometry results confirmed that the position of modification in bentonite differs depending on the surfactant. In addition, zeta potential analysis revealed that hexavalent chromium was adsorbed through electrostatic attraction. Thereafter, the optimal amount of surfactant was selected as CEC 1.5 considering economic efficiency and removal rate in the batch adsorption experiment. Various models were applied using the optimized organoclay. In kinetic experiments, most of the hexavalent chromium was adsorbed within 1 h, equilibrium was achieved in 4 h, and it was confirmed that film diffusion due to surface charge was the main adsorption mechanism. In case of the organoclay modified with HDTMAB, single-layer adsorption was achieved, and the maximum adsorption capacity was 21.42 mg/g. In case of the organoclay modified with BDMHDAC, multilayer adsorption was achieved, and the maximum adsorption capacity was 14.72 mg/g according to the isotherm model. In addition, exothermic adsorption occurred when applying the thermodynamic model in consideration of temperature. The organoclay modified with BDMHDAC underwent a favorable adsorption reaction at temperatures lower than 60 ℃, and the organoclay modified with HDTMAB underwent a favorable adsorption reaction at temperatures lower than 30 ℃ due to a change in Gibbs energy.

The second study was conducted to confirm the applicability of organoclay as diffusion inhibitor as in-situ remediation. The size of organoclay was controlled by ball mill, and its effect on the mobility and dispersibility was investigated. Then, the conditions for organoclay injection into the simulated box were optimized. The organoclay size was adjusted from an average of 100 ㎛ to 20?30 ㎛ by using a ball mill, and the experimental results confirmed that the dispersibility increased as the organoclay size decreased, but there was no mobility in the sand-filled column. A box was fabricated to recreate the soil groundwater environment. The organoclay modified with BDMHDAC and not subjected to ball milling exhibited the highest efficiency at the same injection concentration. Moreover, the removal rate improved as the injection volume increased, and tube clogging occurred when the injection concentration increased. Therefore, the optimal conditions for using organoclay as a diffusion inhibitor were confirmed as follows: BDMHDAC-modified organoclay with a particle size of 100 ㎛, organoclay concentnration of 10 g/L, and an injection tube outlet size of 1 mm. Finally, we performed adsorption experiments in different soil environments under the optimal conditions, and the results confirmed that the removal efficiency exceeded 80% in both environments.


In sum, we established the optimal injection conditions in which organoclay can be used as an in situ diffusion inhibitor. It can be concluded that the optimal injection conditions for organoclay are adequate even under sand/silt soil conditions.