1-octanol/water 분배계수의 측정과

대청호에서 pyridine의 분배예측

박영신  백종만  김현희  원동복  박소진

충남대학교 공과대학 화학공학과

Determination of 1-Octanol/Water Partition Coefficient and

Prediction of Distribution for Pyridine in the Daechung Lake

Yeong-Sin Bak·Jong-Man Baek·Hyun-Hee Kim·Dong-Bok Won·So-Jin Park

Department of Chemical Engineering, Chungnam National University

서  론

자연환경에서의 오염원의 소멸은 주로 이동현상과 분해반응에 의해 이루어진다. 따라서 오염원의 토양, 대기, 수질, 생명체 등으로의 이동경로를 결정짓는 물리적, 화학적 거동특성을 1-octanol/water 분배계수(Kow) 및 이에 연관된 환경 분배계수로써 연구하고, 또한 환경을 몇 개의 기본 상(구분)으로 규정한 다음, 각 상의 경우에 대해, 유해화학물질의 분해반응과 상간 물질전달 및 확산 등 다양한 이동현상에 의한 오염원의 분배량과 소멸시간 등을 예측할 수 있는 기법을 개발할 필요가 있다. 이러한 chemodynamics 연구는 고부가가치산업인 의약, 염료, 농약 등 정밀화학공업분야를 발전시키고, 유기오염물질의 위험으로부터 자연환경을 효율적으로 관리하고 그 치유책을 제시할 수 있다.

따라서 본 연구에서는 shake flask(S.F) 법(1)을 이용하여 N,N-dimethyl formamide, acetic acid, 2-methyl pyrazine, pyridine, diethyl carbonate, methy cyclohexane, methyl cyclopentane등 유해물질의 Kow를 측정하고, 특히 fugacity 모델(2)을 이용하여 대청호의 환경특성을 통해 pyridine의 거동을 예측해 보았다.

이  론

1. 1-octanal/water 분배계수(Kow)

상호 섞이지 않는 불용성의 두 상, 즉 1-octanol과 water가 경계층을 중심으로 두 층을 이룰 때, 제 3의 용질을 첨가하면 분배법칙에 따라 용질의 양에 무관하게 일정한 농도의 비율로 두 상에 분배되게 된다. 용질의 분배가 평형에 도달하였을 경우, 각 상에서의 농도의 비는 일정한 수치를 가지게 되는데 이를 분배계수라 정의한다. 그 식은 (1)과 같다.

[eqn: K_ow` = `{C_o} over {C_w}]	(1)

여기서 Kow는 무차원이며 Co는 1-octanol 상의 용질의 농도(mol/L)이고, Cw는 water 상의 용질의 농도(mol/L)이다.

2. 분배 예측

상 사이에서 화합물의 분배는 한 상에서의 화합물의 부분압으로 생각할 수 있는 fugacity의 평형에 의해 나태낼 수 있는데, fugacity는 농도 C(mol/m3)와 다음과 같은 관계를 갖는다.

[eqn: C` =` f`Z]	(2)

여기서 Z는 fugacity 용량이다. 식 (1)과 식 (2)는 용질의 fugacity가 평형에서 서로 같으므로, 식 (3)과 같다.

[eqn: K_12 `=` C_1 over C_2 `=` {Z_1` f} over {Z_2` f} `=` Z_1 over Z_2]	(3)

화합물은 확산과 비확산 과정에 의해 상 사이를 이동하는데, 두 상 사이의 확산 flux N(mol/h)은 다음과 같다.

[eqn: N `= `D `( f_1` -` f_2 )]	(4)

여기서 D(mol/hPa)는 전달 계수로 Z의 함수이고, f1, f2는 각 상의 fugacity이다. 상 사이의 비확산 또는 한 방향 전달 과정은 이동변수에 의해 다음과 같이 나타낼 수 있다.

[eqn: N `= `G`C` =` G`Z `= `D`f]	(5)

여기서 G(m3/h)는 부피유속이다. 한 상에서 1차 반응 과정은 식 (6)과 같이 쓸 수 있다.

[eqn: N `=` k_R `V`Z`f `= `D_R `f]	(6)

여기서 kR은 1차 속도 상수이고 V(m3)는 상 부피이다.

결과적으로 화합물 이동과 전달의 모둔 속도는 fugacity와 D 값의 산물로 표현될 수 있다.

실  험

실험에 사용한 시약의 source와 분석을 통한 순도는 Table 1에 나타내었다. Kow를 측정하는 방법으로 본 실험실에서 행한 바 있는 S.F 법(3)을 사용하였다. 500mL의 삼각 플라스크에 약 350mL의 water와 약 100mL의 1-octanol을 넣고 실리콘 마개로 밀봉한 후 25℃의 항온조(Lauda, MD20) 안에서 magnetic bar와 stirrer(Corning)를 이용하여 6시간 이상의 교반을 통해 포화시킨 후 약 10mL의 용질을 Gastight syringe(Hamilton)를 이용하여 1-octanol 상에 주입하고 24시간 이상을 교반한 후 두 상을 채취하여 용질의 농도를 분석했다. 시약의 순도와 용질의 농도 분석은 gas chromatography(G.C ; Hewlett Packard, 5890 ser. Ⅱ)를 사용하였고, 항온조 안의 온도는 digital-thermometer(Lauda, R46)로 확인하였다.

결과 및 고찰

본 실험에서 측정한 7가지 화합물의 log Kow 값을 Table 1에 나타내었다. log Kow 값이 클수록 소수성이고 작을수록 친수성이므로, 7가지 화합물 중 N,N-dimethyl formamide가 가장 친수성이고 methyl cyclopentane이 가장 소수성임을 알 수 있다. 그 중 대청호 환경에서 pyridine에 대한 거동 특성을 확인하였다. 모델링에 필요한 pyridine의 성질과 대청호의 특성은 Table 3에 주어졌다. Table 4와 5에 보여진 분배와 전달 계수를 기본으로 한 모델 결과를 Fig. 1에 나타내었다. 확인 결과 환경에 방출된 pyridine은 대부분 물과 토양에 존재하며 반응에 의한 소멸은 대기와 토양에서 이루어지고 주 이동매체는 대기에서 토양임을 알 수 있었다. 또한 pydine의 환경 속에서의 수명은 약 22.6일임을 알 수 있었다. 따라서 유기물의 오염원 예측과 다양한 이동 현상에서 오염원의 분배량과 소멸시간들을 쉽게 예측하는 방법임을 알 수 있다.

참고문헌

1. Fujita T., Iwasa J. and Hansch C. : J. Amer. Chem. Soc., 86 (1964)

2. Donald Mackay : "Multimedia Environmental Model", Lewis Pub. (1991)

3. Park S. J., Han S. D. and Park S. J. : HWAHAKKONGHAK, 35, 1, 96 (1997)

Table 1. 1-Octanol/Water Partition Coefficients for several Compounds

compound	source	% purity	log Kow
N,N-dimethyl formamide acetic acid 2-methyl pyrazine pyridine diethyl carbonate methy cyclohexane methyl cyclopentane	Aldrich Kanto Aldrich D.S.P. Aldrich Junsei Aldrich	99.8 99.8 99.8 99.8 99.8 99.9 99.9	-0.8222 -0.2816 0.1388 0.5814 1.3583 2.4862 2.8447

Table 2. Physical-chemical properties of pyridine and characteristic of the environment of lake Daechung

pyridine		lake Daechung
temperature (℃)	25	total surface area (Km3)	482
molecular weight (g/mol)	79.10	surface covered by water (% total)	15
aguous solubility (g/cm3)	2.3e5	average air height (Km)	1
vapor pressure (Pa)	2775	average water depth (m)	29
Kow	0.5814	average soil depth (cm)	10
		average sediment depth (cm)	5
		environmental temperature (℃)	13

Table 3. Phase properties and compositions

phase	air	water	soil	sediment
bulk m3	4.82e11	2.10e9	4.10e7	3.62e6
density Kg/m3	1.235	1000	1500	1420
bulk Z value mol/hPa	4.20e-4	2.063	0.697	1.537
emmision Kg/y	0.114	0.114	0.114	-
fugacity Pa	5.30e-7	3.66e-7	2.28e-5	3.51e-7
concentration g/m3	0.018	59.8	1254	42.6
amount Kg	8.496	125	51.4	0.154

Table 4. Intermedia transport data

	half time (h)	equv. flow (m3/h)	D value (mol/hPa)	rates (mol/h)
air to water	822	3.90e8	1.64e5	0.087
air to soil	782	2.29e8	96252	0.051
water to air	822	72188	1.49e5	0.055
water to sediment	1.90e5	7257	14971	5.49e-3
soil to air	782	16845	11734	0.267
soil to water	468	60668	42260	0.962
sediment to water	258	9706	14919	5.23e-3

Fig. 1. Emission to three media