건조 ${\\cdot}$ 가열처리가 청초호 퇴적물 중 중금속의 화학적 존재형태에 미치는 영향 Effects of Drying and Heating on the Chemical Species of Heavy Metals in Lake Chungcho Sediments원문보기
The chemical forms of Cd, Cu, Pb, and Zn were analysed by sequential extraction technique to evaluate the effects of drying and heating of dredged sediments from Lake Chungcho. The most abundant fraction of Cd, Cu, and Zn in the wet and untreated sediment was organic/sulfidic fraction that is state ...
The chemical forms of Cd, Cu, Pb, and Zn were analysed by sequential extraction technique to evaluate the effects of drying and heating of dredged sediments from Lake Chungcho. The most abundant fraction of Cd, Cu, and Zn in the wet and untreated sediment was organic/sulfidic fraction that is state in reducing environment such as the bottom condition of Lake Chungcho, while Pb dominated in residual fraction. This means that the source of Cd, Cu, and Zn in the Chungcho lake sediment is related to the organic degradation and Pb to the erosion from surrounding rocks. With drying and oxidation by dredging, heating treatment, and disposal of the lake sediment, the chemical forms of studied metals changed greatly from organic/sulfidic fraction to adsorbed and reducible fractions which are more labile in oxygenated environment. Organic/sulfidic fraction of Cd, Cu and Pb in the wet sediment was transformed with drying and heating treatments to the labile ones like adsorbed and reducible fraction, but Zn to carbonate and reducible fraction. Heating of the sediment at $320^{\circ}C$ greatly increased the labile fraction of Cd and Cu, while that at $105^{\circ}C$ for Pb and Zn. It is believed that the increase in labile forms of heavy metals in the sediments by drying and heating is caused by the contact with oxygen during drying and heating and by the increase of pH of the pore water at the expense of organic/sulfidic fraction. It is concluded that the drying and oxidation currently used in the treatment of dredged sediment can increase labile forms of heavy metals in the sediment, and the potential of the metal availability from the sediment.
The chemical forms of Cd, Cu, Pb, and Zn were analysed by sequential extraction technique to evaluate the effects of drying and heating of dredged sediments from Lake Chungcho. The most abundant fraction of Cd, Cu, and Zn in the wet and untreated sediment was organic/sulfidic fraction that is state in reducing environment such as the bottom condition of Lake Chungcho, while Pb dominated in residual fraction. This means that the source of Cd, Cu, and Zn in the Chungcho lake sediment is related to the organic degradation and Pb to the erosion from surrounding rocks. With drying and oxidation by dredging, heating treatment, and disposal of the lake sediment, the chemical forms of studied metals changed greatly from organic/sulfidic fraction to adsorbed and reducible fractions which are more labile in oxygenated environment. Organic/sulfidic fraction of Cd, Cu and Pb in the wet sediment was transformed with drying and heating treatments to the labile ones like adsorbed and reducible fraction, but Zn to carbonate and reducible fraction. Heating of the sediment at $320^{\circ}C$ greatly increased the labile fraction of Cd and Cu, while that at $105^{\circ}C$ for Pb and Zn. It is believed that the increase in labile forms of heavy metals in the sediments by drying and heating is caused by the contact with oxygen during drying and heating and by the increase of pH of the pore water at the expense of organic/sulfidic fraction. It is concluded that the drying and oxidation currently used in the treatment of dredged sediment can increase labile forms of heavy metals in the sediment, and the potential of the metal availability from the sediment.
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문제 정의
1)의 퇴적물을 채취하여 건조 . 가열 처리가 퇴적물에 함유된 중금속의 화학적 형태에 미치는 영향을 알아보고, 이와 관련된 수질오염 가능성을 평가하고자 하였다.
제안 방법
다시 습시료 무게로 나누어 구하였다. 강열감량은 105 ℃와 550℃의 무게 차를 105℃의 무게로 나누는 방식으로 구하였으며 (APHA, 1992), 3회 분석하여 그 평균값을 각각 취하였다.
중금속 분석은 ICP-MS (Ultramass 700, Varian)로 분석하였다. 분석의 정밀도는 같은 시료를 세 번 분석하여 측정하였으며 , 변동계수 (coefficient of variation)는 카드뮴 (Cd) 이 adsorbed, carbonate, reducible, organic/sulfidic, residual metal에 대해 각각 9.1, 9.9, 10.0, 5.8, 5.6%이고, 구리 (Cu)는 9.0, 11.6, 4.8, 2.9, 4.9%이고, 납 (Pb)은 9.1, 5.1, 4.5, 6.9, 10.0%이며, 아연 (Zn)은 4.4, 16.1, 12.9, 1.9, 6.3%였다.
수분 함량은 습시료와 105℃로 건조한 시료의 무게 차를 다시 습시료 무게로 나누어 구하였다. 강열감량은 105 ℃와 550℃의 무게 차를 105℃의 무게로 나누는 방식으로 구하였으며 (APHA, 1992), 3회 분석하여 그 평균값을 각각 취하였다.
수질 오염을 일으킬 가능성에 대한 평가는 퇴적물에 함유된 중금속의 총량에 대해 수층의 교란, 수체 혹은 퇴적물에 함유된 과도한 유기물량이 분해 시 발생될 수 있는 물리 및 화학적인 영향에 따라 민감하게 이동될 수 있는 부분인 adsorbed fraction, reducible fraction의 비율로서 판단하였다. 처리 후 organic/sulfidic fraction의 대부분은 organic fraction으로 간주하였다.
이때 총 함량은 각 존재형태별 함량의 합으로 하였다. 중금속 분석은 ICP-MS (Ultramass 700, Varian)로 분석하였다. 분석의 정밀도는 같은 시료를 세 번 분석하여 측정하였으며 , 변동계수 (coefficient of variation)는 카드뮴 (Cd) 이 adsorbed, carbonate, reducible, organic/sulfidic, residual metal에 대해 각각 9.
) 를 이용하여 측정하였다. 중금속의 존재형태 분석에서는 퇴적물 시료 1.0g을 각각 3개씩 취해 습시료는 건조시키지 않고 그대로 사용하였고, 풍건시료는 직경 90 mm의 petri dish에 담아 실온에서 건조(환경부, 2002)하였으며, 105, 320, 550℃ 처리시료는 1.0g의 시료를 전기로에서 각각 2, 4, 24시간씩 가열한 후 사용하였다.
풍건시킨 퇴적물 시료를 염분 제거, 유기물 제거, 철분제거 후 calgon으로 확산시킨 후 입도 분석기 (Mastersizer 2000, Mal.,ern Ins.)를 사용하여 조직분류, 평균입도, 10, 50, 90% 누적 입경, 비표면적을 알아보았다. 조직분류는 Shephard(1954)의 분류법 (Carver, 1971)에 따랐다.
대상 데이터
2002년 5월에 청초호의 중앙에서 Ponar grab을 이용하여 표층 퇴적물을 채취하였다. 시료 채취기에 의한 오염을 피하기 위하여, 금속과 닿지 않은 가운데 부분을 취하여 폴리프로필렌 봉지에 담아 공기를 제거한 후 냉장 상태로 실험실로 운반하였다.
본 연구에서는 수질개선을 위해 2002년 대규모 준설 시행 기간에 청초호(Fig. 1)의 퇴적물을 채취하여 건조 . 가열 처리가 퇴적물에 함유된 중금속의 화학적 형태에 미치는 영향을 알아보고, 이와 관련된 수질오염 가능성을 평가하고자 하였다.
이론/모형
)를 사용하여 조직분류, 평균입도, 10, 50, 90% 누적 입경, 비표면적을 알아보았다. 조직분류는 Shephard(1954)의 분류법 (Carver, 1971)에 따랐다.
중금속의 농도는 105℃로 건조한 시료에 대한 농도로 나타내었고 존재형태는 Tessier et aZ(1979) 의 방법에 따라 adsorbed metal, carbonate metal, reducible metal, organic/sulfidic metal, residual metal로 구분하였다. 이때 총 함량은 각 존재형태별 함량의 합으로 하였다.
평균값을 취하였다. 퇴적물의 부식화도는 Hakanson (1983)의 방법에 따라 강열감량과 총질소의 비로 구했는데, 그 값이 20 이하면 oligohumic, 20~ 25 이면 mesohumic, 25 이상이면 polyhumic으로 하였다.
퇴적물의 유기질소 분석은 Kjeldahl 법 (APHA, 1992) 에 의하여 시료를 황산으로 분해시켜 암모니아성 질소 형태로 전환시켜 정량하여 측정하였으며, 3회 분석하여 그 평균값을 취하였다. 퇴적물의 부식화도는 Hakanson (1983)의 방법에 따라 강열감량과 총질소의 비로 구했는데, 그 값이 20 이하면 oligohumic, 20~ 25 이면 mesohumic, 25 이상이면 polyhumic으로 하였다.
성능/효과
3) 준설퇴적물의 건조와 가열처리는 퇴적물에 함유된 중금속을 물에 더 쉽게 용출될 수 있는 형태로 변화시킬 수 있다고 사료된다.
6%를 각각 나타내어 이온 도에서는 adsorbed, carbonate, reducible fractione 거의 변화가 없었다. 320℃ 처리시료에서는 0.5, 0.5, 19.7, 21.9, 57.4%로 reducible form의 비율이 증가하였고, 550℃ 처리시료에서는 0.2, 0.6, 15.2, 3.1, 80.9%를 나타내어 residual form의 비율이 가장 높았다.
비율을 나타내었다. Carbonate form과 reducible forme 습시료일 때 가장 낮았으나, 수층으로 이동 가능성 이 큰 부분인 reducible forme 처리온도 증가시 그 비율이 증가하였고, organic/sulfidic forme 처리온도가 증가함에 따라 증가하였다.
2%이다. Cu는 1.8, 0.6, 3.3, 65.9, 28.4%, Pb는 0.5, 3.5, 24.1, 31.9, 40.0%이며, Zne 각각 1.1, 0.3, 5.9, 48.3,44.4%로서 4가지 금속 모두 혐기성 상태에서 안정한 organic/sulfidic form의 비율이 높았다
4%로 처리온도를 높임에 따라 organic/sulfidic form 의 비율이 줄어들고, residual form의 비율이 증가하였다. Pb는 24.6, 41.6, 42.9, 42.0, 36.6%로 처리온도를 높일수록 용출가능한 부분의 비율이 증가하였고, Zne 7.0, 19.4, 24.1, 25.7, 22.5%로 습시료에서 가장 낮은 이동 가능성을, 320℃에서 가장 높은 이동 가능성을 나타내었다.
높은 온도로 가열한 시료에서 수층으로 쉽게 용출될 수 있는 부분인 adsorbed form과 reducible form의 비율이 증가하였다.
산소 존재하에서 처리온도를 높여줌에 따라 상대적으로 쉽게 용출 될 수 있는 부분인 adsorbed form과 reducible form의 비율이 늘어나는 경향을 나타내었는데, 이는 호소 퇴적물이 혐기성 상태에서는 안정한 형태인 organic/sulfidic form으로 존재하다가 준설로 퇴적물이 대기 중에 노출되어 건조와 산화가 일어나 존재형태가 변화된 것으로 사료된다. (Tessier, 1979; Kazutoshi et al.
처리 온도 변화에 따른 존재형태별 함량비를 adsorbed form, carbonate form, reducible form, organic/sulfidic form, residual form으로 각각 살펴보면 25℃ 처리 시료에서 0.3, 2.2, 41.0, 21.5, 35.0%, 105℃ 처리시료에서 0.5, 3.2, 42.4, 27.1, 26.8%, 320℃ 처리시료에서 0.2, 2.6, 41.8, 12.1, 43.3%, 550℃ 처리시료에서 0.2, 3.4, 36.4, 9.1, 50.9%로 각각 나타났다. 25℃ 처리시료와 105℃ 처리 시료에서는 습시료와 비교하여 그 변화폭이 그리 크지 않았으나 550℃ 처리시료에서 organic/sulfidic fraction이 감소하였다
처리 온도 변화에 따른 존재형태별 함량비를 adsorbed form, carbonate form, reducible form, organic/sulfidic form, residual form으로 각각 살펴보면 25℃ 처리 시료에서 2.8, 3.2, 16.6, 38.6, 38.8%, 105℃ 처리시료에서 3.8, 9.2, 20.4, 22.4, 44.3%, 320℃ 처리시료에서 2.1, 6.2, 23.6, 16.8, 51.2%, 550℃ 처리시료에서 0.4, 5.5, 22.2, 7.4, 64.4%를 나타내었다.
처리 온도에 따른 존재형태별 함량비를 보면 25℃ 처리 시료에서 adsorbed form, carbonate form, reducible form, organic/sulfidic form, residual form이 각각 15.2, 9.7, 3.2, 52.8, 19.1%이며, 105℃ 처리시료에서는 22.4, 10.5, 15.4, 23.8, 27.9%였다, 즉 25℃와 105℃ 처리 시료에서는 organic/sulfidic form의 비율이 낮아지고 adsorbed, reducible form의 비율이 높아지며, carbonate form 의 비율은 거의 변화가 없었다. 320℃ 처리시료에서는 25.
청초호 퇴적물의 입도 조성은 clay(25.8%), silt (67.2%), sand (7.0%)로 siltyclay로서 세 립질의 함량이 높았다. 비 표면적은 1.
퇴적물 시료의 pH는 6.4, 수분 함량은 68.2%, 강열감량은 12.0%, 총질소 함량은 0.4%이였으며, 부식화도는 30으로 polyhumic으로 유기물의 분해가 잘 진행된 상태였다.
퇴적물에 함유된 Cd 중 수층으로 이동 가능한 부분의 비율은 습시료, 25, 105, 320, 550℃에서 각각 7.6, 18.4, 37.8, 47.2, 28.2%로서 320℃ 처리시료에서 가장 높은 이동 가능성을 나타내었다. Cu는 각각 5.
후속연구
이러한 결과는 의암호, 춘천호와 비교하여도 청초호 퇴적물의 세립질 함량이 높아 수체의 물리적 영향이 클 것으로 판단되는 준설 등에 의해 부유되어 호수 안의 부유물질의 증가와 부유된 미세 입자 확산과 재 퇴적으로 인한 오염 범위의 증가 및 저서생태계의 교란을 가중시킬가능성이 클 것으로 판단된다.
참고문헌 (22)
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