도데실벤젠설폰산 나트륨

1. 개요

도데실벤젠설폰산 나트륨은 1930년대에 등장하여 1940년대 후반부터 합성 세제의 주요 성분으로 사용되었으나, 생분해성이 낮아 환경 오염 문제를 야기했다. 분지형 알킬벤젠 설폰산염(BAS)의 대표적인 예시로, 경수에 대한 내성과 거품 발생 능력이 우수했으나, 1960년대에 생분해가 빠른 선형 알킬벤젠 설폰산염(LAS)으로 대체되었다. 현재는 특정 산업 분야에서 사용되며, LAS는 오늘날까지 널리 사용되는 계면활성제이다. LAS는 벤젠을 긴 사슬 모노알켄으로 알킬화하여 제조하며, 생분해성과 세척력은 BAS보다 우수하다.

2. 분지형 알킬벤젠 설폰산염 (BAS)

분지형 알킬벤젠 설포네이트(BAS)는 1930년대 초에 도입되어 1940년대 후반부터 널리 사용된 초기 합성 세제이다. 초기에는 종종 신뎃(syndets)으로 불렸으며, 프로필렌 사량체와 벤젠의 반응 및 설폰화를 통해 제조되었다. BAS는 비누보다 경수에서 세척력이 우수하고 거품이 잘 나는 장점이 있었지만, 분자 구조상 생분해가 매우 어려워 환경 문제를 일으켰다. 이 때문에 1960년대 이후 대부분 선형 알킬벤젠 설포네이트(LAS)와 같이 생분해가 더 용이한 세제로 대체되었으며, 현재는 일부 제한적인 산업 용도로만 사용된다.

2.1. 역사

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분지형 알킬벤젠 설포네이트(BAS)는 1930년대 초에 처음 만들어졌고, 1940년대 후반부터 사용량이 크게 늘어났다. 초기 문헌에서는 이러한 합성 세제를 종종 신뎃(syndets)이라고 줄여 불렀다. BAS는 '프로필렌 사량체'(테트라프로필렌이라고도 함)를 이용해 벤젠을 프리델-크래프츠 알킬화 반응시킨 후, 이를 다시 설폰화하여 만들어졌다. 프로필렌 사량체는 프로펜을 올리고머화하여 얻는 화합물 혼합물을 가리키는 넓은 의미의 용어이므로, 이를 사용하면 여러 종류의 분지형 구조를 가진 혼합물이 만들어졌다.

BAS는 기존의 비누와 비교했을 때 경수에서도 잘 풀리고 거품이 더 풍부하게 발생하는 장점이 있었다. 하지만 분자 구조의 꼬리 부분이 복잡한 가지 모양을 하고 있어 생분해가 잘 되지 않는다는 심각한 단점이 있었다. 이 때문에 BAS는 호수, 강, 바닷가(바다 거품) 등 폐수가 흘러나가는 곳에서 잘 사라지지 않는 거품을 발생시켰고, 하수 처리 시설 운영을 방해했으며 식수를 오염시키는 주요 원인으로 지목되었다.

결국 환경 문제로 인해 BAS는 1960년대에 대부분의 세제 제품에서 사용이 중단되었고, 생분해성이 훨씬 뛰어난 선형 알킬벤젠 설포네이트(LAS)로 대체되었다. 현재 BAS는 빠른 생분해성이 크게 중요하지 않은 일부 농업용 화학제품이나 산업 분야에서 제한적으로 사용되고 있다. 예를 들어, 원유에서 아스팔텐이 침전되는 것을 막는 용도로 쓰인다.

2.2. 특징 및 문제점

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분지형 알킬벤젠 설포네이트(BAS)는 전통적인 비누에 비해 경수에 대한 내성이 우수하고 거품이 더 잘 나는 장점을 가지고 있다. 그러나 분자 구조 중 탄화수소 사슬이 고도로 가지를 친 형태(분지형)이기 때문에 생분해가 매우 어렵다는 단점이 있다.

이러한 낮은 생분해성 때문에 BAS는 하수로 배출되었을 때 자연 환경에서 잘 분해되지 않고 축적되었다. 그 결과, 호수, 강, 해안 지역(바다 거품) 등 폐수가 유입되는 곳에서 광범위하게 안정적인 거품을 형성했으며, 하수 처리 과정에서도 심각한 거품 문제를 일으켰다. 또한, 식수원으로 사용되는 물을 오염시키는 문제까지 발생시켜 환경 문제로 대두되었다.

결국 이러한 환경 문제로 인해 BAS는 1960년대에 이르러 대부분의 세제 제품에서 단계적으로 퇴출되었고, 생분해성이 훨씬 뛰어난 선형 알킬벤젠 설포네이트(LAS)로 대체되었다. BAS는 빠른 생분해성이 덜 중요한 특정 농화학 및 산업 응용 분야에서 여전히 사용되고 있다. 예를 들어, 원유에서 아스팔텐 침전을 억제하는 데 사용된다.

2.3. 퇴출 및 현재 사용

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분지형 알킬벤젠 설포네이트(BAS)는 전통적인 비누에 비해 경수에 대한 내성이 우수하고 거품이 더 잘 나는 장점을 보였다. 그러나 고도로 분지된 꼬리 부분 때문에 생분해가 어려웠다. 이로 인해 BAS는 호수, 강, 해안 지역(바다 거품)과 같은 폐수 배출 지역에서 광범위한 안정적인 거품 형성을 유발했으며, 하수 처리 과정에서의 거품 문제 및 식수 오염의 원인으로 지목되었다.

이러한 환경 문제 때문에 BAS는 1960년대에 대부분의 세제 제품에서 단계적으로 퇴출되었으며, 생분해가 훨씬 빠른 선형 알킬벤젠 설포네이트(LAS)로 대체되었다. BAS는 빠른 생분해성이 덜 중요한 특정 농화학 및 산업 응용 분야에서는 여전히 사용되고 있다. 예를 들어, 원유에서 아스팔텐 침전을 억제하는 데 사용된다.
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3. 선형 알킬벤젠 설폰산염 (LAS)

선형 알킬벤젠 설포네이트(LAS)는 대표적인 음이온 계면활성제로, 과거 사용되던 분지형 알킬벤젠 설폰산염(ABS)을 대체하여 현재 널리 사용되는 합성 세제의 주요 성분이다. 이는 LAS가 ABS보다 환경적으로 생분해가 더 잘 되기 때문이다.

LAS는 선형 알킬벤젠(LAB)을 원료로 하여 만들어지며, 자세한 제조 방법과 화학적 구조에 대해서는 아래 문단에서 설명한다.

3.1. 제조

선형 알킬벤젠 설포네이트(LAS)는 선형 알킬벤젠(LAB)의 설폰화를 통해 산업적으로 제조된다. 가장 일반적인 경로는 벤젠을 수소 불화물을 촉매로 사용하여 긴 사슬 모노알켄(예: 도데센)으로 알킬화하는 것이다. 이렇게 얻어진 정제된 도데실벤젠(및 관련 유도체)은 삼산화 황으로 설폰화되어 술폰산을 생성한다. 이후 생성된 술폰산은 수산화 나트륨으로 중화하여 최종 생성물을 얻는다.

"선형"이라는 용어는 최종 생성물이 아닌 시작 알켄을 지칭하며, 반응 결과물 전체가 완벽한 선형 구조를 이루는 것은 아니다. 이는 마르코프니코프 규칙에 따라 완벽하게 선형인 부가 생성물이 생성되지 않기 때문이다. 따라서 1-알켄과 같은 선형 알켄(예: 1-도데센)을 사용하여 알킬화 반응을 진행하면, 여러 이성질체 형태의 페닐도데칸이 혼합물로 생성된다.

3.2. 이성질체

"선형"이라는 용어는 최종 생성물이 아닌, 시작 알켄을 의미하며, 완벽하게 선형인 부가 생성물은 마르코프니코프 규칙에 따라 나타나지 않는다. 따라서, 1-알켄과 같은 선형 알켄, 예를 들어 1-도데센의 알킬화는 여러 이성질체의 페닐도데칸을 생성한다.

4. 구조-물성 관계

이상적인 조건에서 BAS와 LAS의 세척력은 매우 유사하지만, LAS는 경수의 영향을 덜 받기 때문에 일반적인 사용 조건에서 약간 더 나은 성능을 보인다.

LAS 자체 내에서 다양한 이성질체의 세척력은 상당히 유사하지만, 물리적 특성(크라프트점, 발포 등)은 눈에 띄게 다르다.

특히, 2-페닐 함량이 높은 제품(즉, 분지화가 가장 적은 이성질체)의 크라프트점은 25% LAS까지 0°C 이하로 유지되는 반면, 2-페닐 함량이 낮은 제품의 흐림점은 ~15°C이다. 이러한 특성은 제조업체에서 투명 또는 흐린 제품을 만드는 데 자주 활용된다.

5. 환경적 영향

알킬벤젠설폰산염의 생분해성은 잘 연구되어 왔으며, 분지화와 같은 이성질체화의 영향을 받는다. 선형 물질의 염은 어류에 대해 2.3mg/L의 LD₅₀을 가지며, 분지형 화합물보다 약 4배 더 독성이 강하다. 그러나 선형 화합물은 훨씬 더 빠르게 생분해되어 시간이 지남에 따라 더 안전한 선택이 된다. 선형 물질은 호기성 조건에서 약 1~3주 이내의 반감기를 가지며 빠르게 생분해된다. 산화적 분해는 알킬 사슬에서 시작된다. 혐기성 조건에서는 매우 느리게 또는 전혀 분해되지 않아 하수 슬러지에 고농도로 존재하게 되지만, 산소가 있는 환경으로 돌아가면 빠르게 분해되므로 우려할 만한 원인은 아닌 것으로 생각된다.