합성한 sorbitan laurate SP 20의 CMC 값은 약 $7.216{\times}10^{-4}mol/L$로서 옥틸페놀 에톡실레이트 OPE 10에 비하여 약간 크지만, CMC에서의 표면장력은 26.0 mN/m로 OPE 10에 비하여 작았다. 또한 SP 20의 경우에는 OPE 10 계면활성제와 비교하며 공기와 수용액의 계면이 계면활성제 단분자에 의하여 포화되는 데 더 많은 시간이 소요되었다. SP 20 계면활성제 수용액의 접촉각은 계면활성제 농도가 증가함에 따라 감소하였으며, 동일한 계면활성제 농도에서 OPE 10에 비하여 접촉각이 큼을 알 수 있었다. OPE 10과 SP 20 계면활성제 수용액의 거품 반감기는 각각 770, 1268 s로서 SP 20 계면활성제가 OPE 10 계면활성제에 비하여 거품의 안정성이 크며, 이러한 결과는 표면장력 측정 결과와 일치하였다. OPE 10에 비하여 SP 20의 가용화 속도는 매우 낮으며, 이러한 결과는 foam stability, 접촉각 및 CMC 실험 결과와 일치하였다. OPE 10과 SP 20 시스템의 평형에서의 계면장력은 각각 0.659, 0.742 mN/m으로서 비슷한 값을 나타내었으나, OPE 10의 경우에는 비교적 짧은 시간 내에 계면장력이 평형에 도달하는 것에 비하여 SP 10의 경우에는 계면장력이 평형 값에 도달하는데 약 25 min이 소요되었다.
이 연구에서는 계면활성제에 작용기를 첨가하여 유화제 뿐만 아니라 합성에서의 모노머로 작용할 수 있는 반응성 계면활성제를 합성하였다. 반응성 계면 활성제는 메타아크릴 산, 아크릴산과 비이온성 계면 활성제인 폴리 옥시 에틸렌 라우릴 에테르 (POE 23)를 사용하여 합성되었으며 벤젠을 용매로서 사용하였고, P-TsOH를 촉매로서 사용 하였다. 합성된 계면 활성제는 FT-IR, $^1H$-NMR 스펙트럼, 원소 분석을 하였다. 물성 평가는 HLB, Cloud point, 표면 장력, 임계 미셀 농도를 측정 하였다. HLB 값은 11.62~12.09 범위로 평가 하였다. cmc 값은 표면 장력 법으로 측정하였을 때 $1{\times}10^{-4}{\sim}5{\times}10^{-4}$의 값을 가졌다. 실험을 통해 측정된 Cloud point은 35, $39^{\circ}C$ 이었다. 합성 계면 활성제의 유화 특성은 polyoxyethylene lauryl ether보다 낮았다. 또한, 유화력은 벤젠에서 보다 대두유에서 더 좋았다. 실험결과 합성 수율은 93.27 ~ 94.49%로 확인되었다.
양쪽성 계면활성제는 등전점 이하의 pH 조건에서 양이온 계면활성제로 작용함으로써 유연력을 나타낼 수 있으며, 등전점 이상의 pH 조건에서는 음이온 혹은 비이온 계면활성제로 작용하여 세정력을 나타낼 수 있다. 따라서 pH에 따른 양쪽성 계면활성제의 특성을 활용하면 한 종류의 계면활성제 분자로 세정력과 유연력을 동시에 발휘할 수 있다. 본 연구에서는 amine oxide 양쪽성 계면활성제에 대하여 계면활성제의 기본적인 물성(임계 마이셀 농도, 표면장력, 계면장력, 접촉각, 점도, 계면활성제 시스템의 상거동 등)을 측정하였으며, 또한 계면활성제 수용액에 대하여 zeta potential 측정과 QCM 실험을 통하여 양쪽성 계면활성제가 양이온 계면활성제에서 음이온 혹은 비이온 계면활성제로 작용이 전환되는 등전점을 결정하였다. 본 실험에서 사용한 amine oxide 양쪽성 계면활성제의 등전점은 7.35와 7.4인 것을 각각 zeta potential 측정과 QCM 실험을 통하여 확인할 수 있었으며, 이 결과는 문헌에 보고된 값과 유사한 결과를 나타냄을 알 수 있었다.
오염된 토양 중 phenanthrene의 분해에 미치는 비이온계 계면활성제와 생물계면활성제의 영향을 살펴보았다. 비이온계 합성 계면활성제로 polyoxyethylene oreyl esterC$^{17}$ H$^{33}$ COO($C_2$$H_4$O)nH) 와 생물계면활성제인 sophorolipid를 적용하였다. 계면활성제의 농도, 수분함량, 접종균 처리 방법 및 종류, pH, 온도, 부가영양분 등의 변수들이 phenanthrene의 생분해에 미치는 영향을 비교실험 하였다. 계면활성제 농도가 CMC이하의 경우 계면활성제는 phenanthrene의 생분해성을 촉진하였으나, CMC 값 이상의 영역에서는 계면활성제가 미생물의 phenanthrene분해작용을 저해하였다. 30%의 수분함량과 pH 7, $30^{\circ}C$에서, 부가영양분으로 glucose를 10g/L수준으로 첨가하였을 때 좋은 분해도를 나타내었다. 충진제로 짚이 첨가되는 경우 토양 : 짚의 중량비가 5:2이고, 수분함량이 50%인 경우 phenanthrene의 분해가 촉진되었다.
양이온성 계면활성제인 cetylpyridinium chloride(CPC)와 비이온성 계면활성제인 Triton X-100(TX-100)의 혼합계면활성제에 염(KCl과 $Na_2CO_3$)과 부탄올 이성질체(tert-부탄올, iso-부탄올과 n-부탄올)를 첨가하였을 때 변화되는 임계미셀농도값($CMC^*$)을 UV 분광광도법으로 측정하였다. 이들 $CMC^*$값들로부터 여러 가지 열역학적 함수값들을 유사상태분리모델(pseudo-phase separation model)을 이용한 식에 의해 계산하였으며 그 값들을 상호 비교하였다. 그 결과 염 및 부탄올 이성질체들을 첨가하였을 때 CPC/TX-100 혼합계면활성제의 미셀화는 순수 물에서의 경우보다 열역학적 함수값($X_1$, $\beta$, ${\gamma}i$, $ai^M$, $C_i$ 및 ${\Delta}H_{mix}$)들이 큰 차이를 보였으며, 또한 모두 비이상적 혼합미셀모델에 잘 일치하였으며 이상적 혼합미셀모델과는 음방향으로 크게 벗어남을 보였다.
$Ca^{2+}$ 이온 존재하에서 비이온성 계면활성제, $nonylphenol-(ethylene oxide)_n\;[NP-(EO)_n; n = 11, 40, 100]$와 요오드간의 charge transfer (CT) 상호작용을 UV-Visible spectrophotometer를 이용하여 수용액중에서 조사하였다. Spectra의 특성은 $Ca^{2+}$ 이온 농도와 EO 갯수에 의존하였다. CMC 이상에서 $NP-(EO)_{11}$과 $NP-(EO)_{40}$에 대한 $Ca^{2+}$이온 첨가에 따른 CT band는 증가하다가 다시 감소하였으며, $NP-(EO)_{100}$에 대해서는 계속적인 증가를 보였다. CT band의 강도가 증가하는 것은 $Ca^{2+}$이온 존재하에서 미셀 구조가 더욱 조밀해진데 따른 요오드와의 donor-acceptor overlap 증가로 볼 수 있다. 이러한 현상들은 수용액 중에서 상태적으로 자유로이 여러가지 배향을 가질 수 잇는 선형 ethylene oxide(EO) 사슬이 유사 크라운 에테르 구조를 형성하여 $Ca^{2+}$ 이온과 착물을 형성할 수 있는 가능성을 보여준다.
SDS(sodium dodecyl sulfate) 존재하에서 NP-40EO[nonylphenol-(ethylene oxide)40]와 요오드와의 상호작용에 따른 $Ca^{2+}$의 영향을 UV-visible spectrophotometer를 이용하여 수용액 중에서 조사하였다. SDS 부재시보다 상호작용 피크의 흡광도는 줄어들었으며, CMC 이상에서 $Ca^{2+}$ 첨가에 따른 상호작용 피크의 강도는 크게 증가하였다. 상호작용 피크의 감소는 SDS 삽입에 따른 혼합미셀 단위 표면적당 요오드와 상호작용할 수 있는 EO 수의 감소에 기인하며, 상호작용 피크 강도의 증가는 $Ca^{2+}$ 존재하에서 미셀 구조가 더욱 조밀해진데 따른 전자주게-받게 겹침 증가로 불 수 있다. 이러한 현상들은 수용액 중에서 상대적으로 자유로운 배향을 갖는 선형 EO 사슬이 유사 크라운 에테르 구조를 형성하여 $Ca^{2+}$ 이온과 착물을 형성할 수 있는 가능성을 보여준다.
본 연구는 페놀산화미생물을 주입한 입상활성탄 biofilter를 이용하여, 기체 상태의 트리클로로에틸렌(TCE)과 테트라클로로에틸렌(PCE)을 생분해시키는 것과 임계미셀농도(CMC)값 이하에서의 계면활성제가 TCE와 PCE의 처리효율에 미치는 영향을 조사하기 위해 수행하였다. 기체 상태의 TCE와 PCE를 처리하기 위하여, 두 개의 개별적 biofilter를 체류시간이 1.5~7분이 되게 운전하였다. 기체 TCE는 체류시간 7분과 평균 유입농도 85ppm에서 100% 처리되는 것으로 조사되었다. 그리고, 기체 PCE는 체류시간 4~7분과 평균 유입농도 47~84ppm에서 100% 처리되었다. 활성탄에 의한 흡착은 TCE와 PCE 처리에 영향을 적게 준 것으로 나타났다. 기체 상태의 TCE와 PCE의 transformation yield값은 체류시간에 따라 각각 8~48g of TCE/g of phenol과 6~25g of PCE/g of phenol으로 조사되었으며, 액체 상태의 TCE 값과 비교하면 1~2차수 작게 나타났다. Biofilter에 계면활성제의 농도를 5~50mg/L 이하로 주입한 결과, 기체 상태의 TCE와 PCE의 처리효율은 계면활성제를 주입하지 않을 때 보다 약간 증가하였으나, 큰 차이를 발견할 수는 없었다.
본 연구에서는 Bratsch의 전기음성도 동등화 원리를 바탕으로 Pauling의 전기음성도 파라미터를 이용하여 음이온과 비이온 계면활성제의 전기음성도 동등화 및 그룹 전기음성도와 그룹 부분전하를 계산하여 계면활성제의 친수성기와 소수성기의 그룹 부분전하, 전기음성도와 CMC에 대한 특성을 조사하였다. 그 결과 계면활성제의 CMC는 친수성기와 소수성기의 그룹 부분전하와 그룹 전기음성도에 의존한다는 것을 알 수 있었다. 음이온 계면활성제인 경우 소수성기의 탄소수가 증가함에 따라 소수성기에도 음의 부분전하가 비편재화되어 전기음성도가 매우 큰 친수성 그룹의 음의 부분전하가 감소하여 친수성기간의 반발력이 상대적으로 줄어들기 때문에 CMC가 낮아짐을 알수 있다. 비이온 계면활성제의 경우에 소수성기의 탄소수가 증가하면 소수성기에서의 부분전하가 증가하게되며, 전기음성도의 증가가 친수성기의 전기음성도를 감소시켜 CMC가 낮아짐을 알수 있다. 그러나 친수성기의 반복단위가 증가하면 친수성기의 음의 부분전하가 증가하게 되고 따라서 수화능이 증가하기 때문에 계면활성제는 미셀로 존재하기 보다는 물속에 수화되기 때문에 CMC는 증가하게 된다.
수용액 중에서 요오드와 $4-(C_9H_{19})C_6H4_O(CH_2CH_2O)_{40} [NP-(EO)_40]$간의 charge transfer(CT) 상호작용에 미치는 $Ca^{2+}$이온의 영향을 UV-visible spectrophotometer를 이용하여 조사하였다. CT 상호작용에 따른 최대 흡수는 390 nm 부근에서 나타났으며, $Ca^{2+}$ 이온 존재하에서는 370 nm 영역으로 이동되었다. 계면활성제 농도를 CMC 이상에서 고정시켰을 때, CT 상호작용에 따른 최대흡수곡선의 강도가 $Ca^{2+}$이온 첨가 농도에 따라 증가하다가 감소하는 변곡점을 보였다. CT 상호작용에 기인한 흡수곡선의 강도가 증가하는 것은 $Ca^{2+}$이온 존재하에서 미셀 구조가 더욱 조밀해진데 다른 요오드와의 donor-acceptor overlap 증가로 볼 수 있다. 이러한 현상들은 수용액 중에서 상대적으로 자유로이 여러가지 배향을 가질 수 있는 비이온성 계면활성제의 선형 oxyethylene(EO) 사슬이 유사 크라운 에테르 구조를 형성하여 $Ca^{2+}$이온과 착물을 형성할 수 있는 가능성을 보여준다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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