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문제 정의
- 그러므로 토양 중금속의 조사에서 유기물질의 영향을 파악하는 것은 매우 중요하다. 본 연구는 미국의 4개주에서 채취된 8개 토양을 대상으로 토양의 유기물특성에 대한 중금속의 용출특성을 연구하였다. 또한 토양에서의 중금속 추출은 pH와 연관성이 매우 높으므로 pH의 변화에 따른중금속 용출 특성 및 용존 유기탄소의 변화 특성을 평가하였다.
- 대기오염이 심각해지면서 산성강우는 세계 각 국이 겪고 있는 공통현상인데, 토양은 산성강우에 가장 민감하게 반응한다. 산성강우에 의한 범지구적 영향의 주요 관심사 중 하나가 토양에서 독성 중금속과 양이온의 용출이 어느 정도 되며 이들이 어떻게 거동하는 지를 밝히는 것이다. 최근 대두되는 다른 문제의 하나는 매립지나 폐광산 등에서 중금속의 용출과 이들의 이동 경로 또한 주요 관심 분야일 것이다 또한, 이들 중금속은 토양에 존재하는 유기물질과 서로 결합하여 토양을 떠나 지하수나 식물로 이동하게 된다 이와 같이 토양은 다양한 상태에서 다양한 형태의 중금속을 흡/탈착 하게 된다.
제안 방법
- 8개의 토양에 대한 용출실험에서 용존유기물질과 Fe과의 상관성을 파악하기 위하여 상관분석을 실시하였으며, 용출된 Fe과 용존 유기탄소와의 상관관계를 Fig. 4에 나타내었다. 상관분석은 통계분석프로그램을 이용하여 단순상관분석 방법으로 얻었으며, 그 결과를 보면, 상관계수 범위는 0.
- 원심분리를 행하였다. 그리고 시료는 0.45pm membrane filter로 여과한 후 pH 와 금속 및 TOC 를 측정하였다.
- 본 연구는 미국의 4개주에서 채취된 8개 토양을 대상으로 토양의 유기물특성에 대한 중금속의 용출특성을 연구하였다. 또한 토양에서의 중금속 추출은 pH와 연관성이 매우 높으므로 pH의 변화에 따른중금속 용출 특성 및 용존 유기탄소의 변화 특성을 평가하였다.
- 본 연구에서 분배계수 계산에 이용한 농도 값은총 Cu와 Zn의 농도는 ImpellitterP의 결과이고 용출된 Cu와 Zn 농도는 0.45um membrane filter로 여과한 후의 측정값이고 나머지는 토양입자에 결합되어 있는 것으로 간주하여 이용하였다. 따라서 분배계수(Km)를 나타내 보면 아래와 같다.
- 입도분석은 hydrometer method'를 사용하였고, 토양의 강열감량(Loss of Ignition(LOI))은 550℃에서 20분간 회화시켰다. 용출한 금속은 ICP-MS (Agilent, 7500 CSX 이용하여 분석하였으며, 용존유기탄소는 TOC analyzer (Kekmar Dohrmann Apollo 9000)로 분석하였다. 토양 중금속의 연속용출 실험방법으로, 먼저 50mL 원심분리관에 토양 1.
- 01M NaNO3 (1:25) 45를 혼합한 후 pH를 조절하였다. 이때 pH 조절이 어렵기 때문에 미리 실험을 통해 주입해야 할 IM HC1 이나 IM NaOH의 양을 결정하여 실험하였다. 최초 pH는 2로 시작하였고, pH를 1씩 증가시키면서 최종 pH는 10이 되도록 하였으며, 실험은 동일 튜브에서 최초 pH 2에서 실험을 행하고, 용액이 완전히 빠져나간 후 다시 pH를 3으로 조절하여 실험을 행하는 방식으로 pH 10까지 연속적으로 실험을 행하였다.
- 이때 pH 조절이 어렵기 때문에 미리 실험을 통해 주입해야 할 IM HC1 이나 IM NaOH의 양을 결정하여 실험하였다. 최초 pH는 2로 시작하였고, pH를 1씩 증가시키면서 최종 pH는 10이 되도록 하였으며, 실험은 동일 튜브에서 최초 pH 2에서 실험을 행하고, 용액이 완전히 빠져나간 후 다시 pH를 3으로 조절하여 실험을 행하는 방식으로 pH 10까지 연속적으로 실험을 행하였다.
- 용출한 금속은 ICP-MS (Agilent, 7500 CSX 이용하여 분석하였으며, 용존유기탄소는 TOC analyzer (Kekmar Dohrmann Apollo 9000)로 분석하였다. 토양 중금속의 연속용출 실험방법으로, 먼저 50mL 원심분리관에 토양 1.8±0.01g과 0.01M NaNO3 (1:25) 45를 혼합한 후 pH를 조절하였다. 이때 pH 조절이 어렵기 때문에 미리 실험을 통해 주입해야 할 IM HC1 이나 IM NaOH의 양을 결정하여 실험하였다.
대상 데이터
- 토양채취는 New Jersey주의 Matawon, Keyport, Boonton지역, Pennsylvania주의 Codorus, Butte지역, Maryland 주의 Matapeak 지역, Illinos주의 Illinois 및 Treaty 지역이다.
이론/모형
- 이들 토양의 전처리 는 You et al 이 보고한 방법과 동일하게 사용하였다. 입도분석은 hydrometer method'를 사용하였고, 토양의 강열감량(Loss of Ignition(LOI))은 550℃에서 20분간 회화시켰다.
- 동일하게 사용하였다. 입도분석은 hydrometer method'를 사용하였고, 토양의 강열감량(Loss of Ignition(LOI))은 550℃에서 20분간 회화시켰다. 용출한 금속은 ICP-MS (Agilent, 7500 CSX 이용하여 분석하였으며, 용존유기탄소는 TOC analyzer (Kekmar Dohrmann Apollo 9000)로 분석하였다.
성능/효과
- 1) 용존유기탄소 농도는 pH와 토양특성에 따라 다른 추출 양상을 나타냈었다. 일반적으로 pH 3 부근에서 가장 낮은 용출특성을 보였으며, 가장 높은 용출특성은 LOI가 10% 이상인 토양에서는 pH 10 에서 나타났고, LOI가 5% 미만인 시료에서는 pH 8~9부근에서 나타났다.
- 2) pH에 따른 중금속 용출 특성을 보면, 초기 pH 2에서 가장 많은 양이 용출 되고, pH 3~4 부근에서 가장 낮았으며, 이후 일부 증감하는 변동을 보여, 부분적 인 L type을 나타내었다.
- 3) 용출된 Fe와 용존유기탄소와의 상관 분석에서 유기물 함량이 높고 실트질이 높은 토양에서 높은 상관성을 보인 반면, 유기물 함량이 낮고 모래질이 높은 토양에서 낮은 상관성을 보였다.
- 4) Log(Km) 값의 특성을 보면, Cu의 경우 pH 4 까지는 1.5에서 4.2까지 증가하였고 pH 4 이후 다시 L5로 감소하였다. Zn의 경우 pH 4까지는 1에서 6까지 증가하였고 pH 4 이후 다시 3 으로 감소하는 경향을 보였다.
- 즉 토양 총 농도에 대해 각 pH에서 용출된 중금속의 양을 계산해 함량으로 나타냈다. Cu는 pH 2에서 토양 총 농도의 10~40% 정도용출 되는 것으로 나타났으며, pH증가에 따라 20~ 40% 더 용출 되는 것으로 나타났다. 그리고 Zne pH 2에서 토양 총 농도의 10~70% 정도 용출 되는 것으로 나타났지만 pH 증가에 따라 급격히 용출 되지는 않는 것으로 나타났다.
- 64로 가장 낮은 상관성을 보였다. Illinoise와 Butte 토양에 함유된 Fe의 함량은 비슷한 수준이나, LOI가 높고 실트질을 많이 함유한 Illinoise 토양에서 Fe 용출과 DOC와의 관계가 크게 나타난 반면, LOI가 낮고 모래질을 많이 함유한 Butte 지역에서는 상관성이 다소 낮아, 유기물과 Fe 용출과 어느정도 상관성이 있는 것으로 판단된다.
- 5는 pH 변화에 따라 용출된 Cu와 Zn의 농도 변화를 나타낸 것인데 앞서 언급한 Ca의 용출 형태와 비슷한 L type이었다. 가장 낮은 pH에서 LOI가 10% 이상인 Boonton과 Illinois 토양에서는 Zn가 Cu보다 5배 높은 농도가 용출 되었고, LOI가 5% 이하인 Matapeak와 Butte 토양에서는 Cu가 Zn 보다 2배 이상 높은 농도를 나타내 토양에 존재하는 유기물 양에 따라 용출되는 중금속의 농도가 달라지는 것으로 판단되었다.
- Cu는 pH 2에서 토양 총 농도의 10~40% 정도용출 되는 것으로 나타났으며, pH증가에 따라 20~ 40% 더 용출 되는 것으로 나타났다. 그리고 Zne pH 2에서 토양 총 농도의 10~70% 정도 용출 되는 것으로 나타났지만 pH 증가에 따라 급격히 용출 되지는 않는 것으로 나타났다.
- pH실험에서 0.01M NaNQ?로 1:25의 비가 되게 혼합하여 측정한 결과 pH가 4.64~6.42의 범위를 나타내어 실험에 사용된 토양은 모두 산성 상태임을 알 수 있었다. 토양입자는 clay-함량의, , 8~28% 범위였고, LOI는 2.
- 4에 나타내었다. 상관분석은 통계분석프로그램을 이용하여 단순상관분석 방법으로 얻었으며, 그 결과를 보면, 상관계수 범위는 0.64~0.97이었고, Illinois 토양에서 0.97로 가장 높은 상관성을 나타냈고, Butte 토양에서 0.64로 가장 낮은 상관성을 보였다. Illinoise와 Butte 토양에 함유된 Fe의 함량은 비슷한 수준이나, LOI가 높고 실트질을 많이 함유한 Illinoise 토양에서 Fe 용출과 DOC와의 관계가 크게 나타난 반면, LOI가 낮고 모래질을 많이 함유한 Butte 지역에서는 상관성이 다소 낮아, 유기물과 Fe 용출과 어느정도 상관성이 있는 것으로 판단된다.
- 이상의 결과를 Impellitteri이 18 Dutch soil을 pH 2에서 pH 9로 변화시키면서 용출한 결과 Zn이 Cu보다 4.5배 더 용출 된다고 발표한 것과 비교해보면, 10%이상의 LOI에서는 잘 일치 하였지만 5% 미만에서는 반대되는 결과임을 알 수 있었다.
- A1은 유기물 용출 경 향과 비슷하게 초기 pH 2 부근에서 많은 양 용출되고 pH 3 부근에서 가장 낮게 추출되었으며 이후의 용출 정도는 토양의 유기물 함량에 따라 다른 형태를 보였다. 즉 LOI 함량이 10% 이상인 Boonton, Illinois 및 treaty 토양은 L type을 나타냈고, LOI 함량이 5% 이하인 나머지에서는 pH 6~9 부근에서 다시 최대를 나타내는 형태였다. Mne 뚜렷한 특성을 보이지 않았으나, Fe는 pH 증가에 따라 증가 되는 양상을 나타냈다.
- 한편 용존 유기탄소의 농도는 토양 유기물 농도가 높은(LOI 10% 이상) 경우에는 pH 10 부근에서 가장 많이 용출되었고, 토양유기물 농도가 낮은(LOI 5%미만) 경우에는 pH 8~9 부근에서 가장 높게 용출되 었다.
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