[논문]반변천 상류 주변 토양의 중금속 이온 흡착제거 특성

김연정; 황해연; 김윤회; 류상훈; 백승철; 서을원

반변천 상류 주변 토양의 중금속 이온 흡착제거 특성
Adsorptive Removal Properties of Heavy Metal Ions By Soils from the Upper Banbyun Stream 원문보기

한국지반환경공학회논문집 = Journal of the Korean Geoenvironmental Society, v.8 no.2, 2007년, pp.5 - 9

김연정 (안동대학교 화학과 대학원) , 황해연 (안동대학교 생명과학과 대학원) , 김윤회 (안동대학교 생명과학과 대학원) , 류상훈 (안동대학교 공동실험실습관) , 백승철 (안동대학교 토목공학과) , 서을원 (안동대학교 생명과학과)

초록
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본 연구는 반변천 상류에 위치한 현동, 산성, 금촌 그리고 금학 지역의 토양을 이용하여 물속에 존재하는 Cu(II), Zn(II) 및 Cd(II)과 같은 중금속 이온의 제거능을 조사하였다. 조사 지역에서 채취한 토양의 pH는 8.8~9.2로서 약알칼리성을 나타냈으며, 토양의 화학적 구성 성분 중 $SiO_2$, $Al_2O_3$ 및 $K_2O$는 양적으로 비슷한 분포를 보였으나, $Na_2O$, $TiO_2$ $Fe_2O_3$ CaO 및 MgO는 토양마다 약간의 차이를 나타냈다. 이 지역의 토양을 XRD로 측정 결과, 석영과 장석은 공통된 광물질로 확인되었으나, 카올린, 일라이트, 몬모릴로나이트, 버뮤큘라이트 및 칼사이트는 토양에 따라 다소의 정성적 차이를 나타냈다. 또한 이들 지역의 토양을 사용하여 중금속 제거 실험을 한 결과 Cu(II), Zn(II) 및 Cd(II)의 제거 효율은 98% 이상으로 나타났으며, 특히 다른 중금속에 비하여 Cu(II)의 제거율이 가장 높게 나타났다. 이러한 결과로 보아 본 조사지역의 토양을 폐광과 같은 중금속 상시 유출 지역의 제방 및 복토재로 활용할 경우 폐광 유출수내 중금속을 보다 효율적으로 제거할 수 있을 것으로 사료된다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study carried out to investigate the removal capacity of heavy metals such as Cu (II), Zn (II) and Cd (II) dissolved in aqueous solution in the soils collected from Hyeon-Dong (HD), San-seong (SS), Keum-chon (KC) and Keum-Hac (KH) located in the upper Banbyun stream. The pH of all the soils was weak alkali such as 8.8 9.2. According to the analysis of chemical composition of the soils, the amount of $SiO_2$, $AlO_2$ and CaO were similar in all tested soils. However, the amount of $K_2O$, $FeO_3$ and MgO were different from each soil. The XRD measurement with these soils showed that quartz and feldspar were presented in all tested soils, and the distribution of kaoline, illite, montmorillonite, vermiculite and calcite were different from each soil. The results of the removal capacity of heavy metals indicated that all the soils had more than 98% of the removal efficiency of Cu (II), Zn (II) and Cd (II), and among the heavy metals, Cu (II) was removed the most effectively. These results suggested that the soils collected from the upper Banbyun stream have the high removal capacity of heavy metals, and these soils could be used for the banking a river around the abandoned mine area, containing the higher concentrations of heavy metals than the usual stream.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 X-선 회절분석기(X-Ray Diffractometer : XRD)와 EDS(Energy Dispersive X-ray Spectrometer)를 이용하여 반변천 상류지역 토양의 물리·화학적 특성을 조사하였다.
본 연구에서는 환경 친화적인 황토성 토양을 소재로 한중금속 제거제에 관한 연구를 하였다. 특히 임하호의 탁수 원인으로 알려진 반변천 상류 일원의 토양을 이용하여 중금속 제거제로의 이용가치에 대한 효용성을 분석하고, 이를 이용한 가치를 살펴보았다.

제안 방법

3.2.1 접촉 시간에 따른 제거 특성 지역별 토양의 접촉 시간에 따른 Cu(II), Zn(II) 및 Cd(II) 이온들의 제거 특성을 파악하기 위하여 초기 중금속 농도가 5mg/ℓ인 용액 1ℓ에 각 지역에서 채취한 토양 시료를 50g씩 넣고 접촉 시간을 10분, 20분, 40분, 60분, 80분, 100분, 120분, 140분, 160분 및 200분 간격으로 측정 하였다(그림 3, 그림 4, 그림 5).
중금속 제거율이 가장 크게 나타난 산성 지역 시료에 대하여 중금속 제거에 따른 pH와 conductivity 변화 특성을 관찰하였다. Cu(II), Zn(II) 및 Cd(II) 이온들의 제거 특성을 파악하기 위하여 초기 금속 이온 농도가 5mg/ℓ인용액 1ℓ에 각 지역에서 채취한 토양 시료를 50g을 넣고 300분간 실험하였다. 그 결과 pH 상승에 따라 conductivity 는 감소한 이후 다시 증가하여 평형을 유지하였다(그림 6).
채취된 상등액은 GF/C 유리 섬유여지로 필터 후 측정하였으며, 각 중금속 이온의 제거율은 AAS(Varian, Spectra A-220FS)를 사용하여 분석하였다. 또한 pH 변화 및 conductivity에따른 중금속 제거의 상관관계 분석은 산성 지역 시료를 이용하여 Zeta-potential Analyzer를 이용하여 측정하였다.
따라서 본 연구에서는 X-선 회절분석기(X-Ray Diffractometer : XRD)와 EDS(Energy Dispersive X-ray Spectrometer)를 이용하여 반변천 상류지역 토양의 물리·화학적 특성을 조사하였다. 또한 채취된 토양을 중금속 용액에 접촉하여 접촉 시간에 따른 중금속 이온 제거량, pH 및 conductivity 의 변화를 통해 중금속 이온 흡착제거 특성을 조사하였다.
반변천 상류지역인 현동, 산성, 금촌 및 금학지역에서 채취한 황토의 물리 화학적 특성과 중금속 이온 제거량, pH 및 conductivity 변화에 따른 중금속 이온 흡착제거 특성을 조사한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
실험용 Cu(II), Zn(II) 및 Cd(II) 중금속 용액은 중금속 표준용액(Kanto) 1,000mg/ℓ를 3차 증류수에 5mg/ℓ로 희석 후, 혼합 용액으로 사용하였다. 제거실험은 5mg/ℓ로 희석된 혼합 용액 1ℓ에 시료 50g을 사용하였으며, 100rpm으로 교반하면서 일정 시간별로 상등액을 취하여 중금속을 분석하였다. 채취된 상등액은 GF/C 유리 섬유여지로 필터 후 측정하였으며, 각 중금속 이온의 제거율은 AAS(Varian, Spectra A-220FS)를 사용하여 분석하였다.
중금속 제거율이 가장 크게 나타난 산성 지역 시료에 대하여 중금속 제거에 따른 pH와 conductivity 변화 특성을 관찰하였다. Cu(II), Zn(II) 및 Cd(II) 이온들의 제거 특성을 파악하기 위하여 초기 금속 이온 농도가 5mg/ℓ인용액 1ℓ에 각 지역에서 채취한 토양 시료를 50g을 넣고 300분간 실험하였다.
제거실험은 5mg/ℓ로 희석된 혼합 용액 1ℓ에 시료 50g을 사용하였으며, 100rpm으로 교반하면서 일정 시간별로 상등액을 취하여 중금속을 분석하였다. 채취된 상등액은 GF/C 유리 섬유여지로 필터 후 측정하였으며, 각 중금속 이온의 제거율은 AAS(Varian, Spectra A-220FS)를 사용하여 분석하였다. 또한 pH 변화 및 conductivity에따른 중금속 제거의 상관관계 분석은 산성 지역 시료를 이용하여 Zeta-potential Analyzer를 이용하여 측정하였다.
토양 시료의 화학적 구성 원소 분석은 EDS를 사용하였으며, 구조적 특성 및 구성하고 있는 광물의 특성은 XRD를 사용하여 전압 40㎸, 전류 30㎃, scan speed 0.5°/min, step 0.025, CuKα 선을 사용하였다.
본 연구에서는 환경 친화적인 황토성 토양을 소재로 한중금속 제거제에 관한 연구를 하였다. 특히 임하호의 탁수 원인으로 알려진 반변천 상류 일원의 토양을 이용하여 중금속 제거제로의 이용가치에 대한 효용성을 분석하고, 이를 이용한 가치를 살펴보았다. 이들 지역에 분포하고 있는 토양은 황토 성분의 일종으로서 황토는 분산성과 그 결과 로부터 생기는 계면 활성은 물과 화학물질의 흡착, 이온교환, 팽창 수축 및 응집 등의 작용으로 수중에 존재하는 중금속과의 흡착이 가능하다고 알려져 있다(정두영, 1981).

대상 데이터

본 실험에 사용한 토양은 반변천 상류에 위치한 영양의 현동, 산성, 금촌 및 금학의 절개지에서 채취한 토양을 대상으로 하였다(그림 1). 시료 채취 방법은 절개지 중앙부 1m × 1m 반경의 5개 지점에서 채취하였다.
시료 채취 방법은 절개지 중앙부 1m × 1m 반경의 5개 지점에서 채취하였다.
실험용 Cu(II), Zn(II) 및 Cd(II) 중금속 용액은 중금속 표준용액(Kanto) 1,000mg/ℓ를 3차 증류수에 5mg/ℓ로 희석 후, 혼합 용액으로 사용하였다. 제거실험은 5mg/ℓ로 희석된 혼합 용액 1ℓ에 시료 50g을 사용하였으며, 100rpm으로 교반하면서 일정 시간별로 상등액을 취하여 중금속을 분석하였다.

성능/효과

(1) 반변천 상류 일대 대부분의 토양은 셰일암으로 알칼리성 토양으로 이루어져 있으며, 현동, 산성 및 금촌 지역에서는 다른 지역의 황토 성분들과 달리 3.02Å에서 관찰되어지는 알칼리성 광물인 calcite가 많이 분포하는 것이 특징적으로 나타났다.
(2) 각 토양 시료를 이용하여 접촉시간에 따른 중금속 제거특성을 조사한 결과 접촉시간 200분 경과에서 금촌 지역 시료를 제외하고 98% 이상의 높은 Cu(II), Zn(II) 및 Cd(II) 제거 효율을 나타냈다. 또한 모든 지역 토양의 중금속 제거율에서는 Cu(II)의 제거율이 가장 크게 나타났으며, Zn(II)과 Cd(II)의 제거율은 Cu(II)에 비하여 다소 떨어지는 경향을 나타냈다.
(3) 중금속 제거율이 크게 나타난 산성지역 시료에 대한 중금속 제거에 따른 pH와 conductivity 변화 특성을 조사한 결과 pH가 상승함에 따라 제거 효율이 증가하였다. pH 7 이상에서 Cu(II), Zn(II) 및 Cd(II)의 98% 이상 높은 제거 효율이 나타나는 것은 pH 증가에 따른 중금속 이온의 수산화 침전에 의한 현상으로 판단된다.
본 실험 결과는 시간의 경과에 따라 일정한 속도로 중금속들이 제거되는 경향을 나타냈다. 또한 모든 지역 토양의 중금속 제거율에서는 Cu(II)의 제거율이 가장 크게 나타났으며, Zn(II)과 Cd(II)의 제거율은 Cu(II)에 비하여 다소 떨어지는 경향을 나타냈다. 이러한 연구 결과는 활성탄, 폐슬러지 및 황토를 이용한 흡착 실험 결과와 유사한 결과를 나타냈다(이경호, 2002; 조석호 등, 2004).
2%～84%의 Cd(II) 제거율을 나타냈다. 또한 최종 200분 반응에서 산성 지역 토양이 98%로 가장 높은 제거율을 나타냈으며, 금촌 지역 토양이 83.6%로 가장 낮은 제거율을 나타냈다..
7% 이상의 Zn(II) 제거율을 나타냈다. 또한 최종 200분 반응에서 산성 토양이 98%로 가장 높은 제거율을 보였으며, 금촌 지역 토양은 86%로 가장 낮은 제거율을 나타냈다.
XRD 측정 결과를 살펴보면 quartz와 feldspar는 모든 조사 지점에서 다량 관찰되었 으며, 현동, 산성 및 금촌 지역에서 채취한 토양에서는 알칼리성 광물인 calcite가 관찰되었다(서을원 등, 2006)(그림 2). 본 시료들의 구성 성분들은 국내에 분포하고 있는 황토에서 나타나는 전형적인 구성요소로서 다른 지역의 황토 성분들과 달리 3.02Å에서 관찰되는 calcite가 많이 분포하였다.
본 연구에 사용한 시료는 외관상 붉은색과 진한 회색이 였으며, 각 시료 원소의 조성 분석을 위한 EDS 실험 결과에 의하면 SiO₂, Al₂O₃ , Na₂O, TiO₂ 및 Fe₂O₃는 대부분 큰차이를 나타내지 않았으나, K₂O, CaO 및 MgO는 지역별로 다소 차이를 보이고 있다(표 2). XRD 측정 결과를 살펴보면 quartz와 feldspar는 모든 조사 지점에서 다량 관찰되었 으며, 현동, 산성 및 금촌 지역에서 채취한 토양에서는 알칼리성 광물인 calcite가 관찰되었다(서을원 등, 2006)(그림 2).
5% 제거율을 보인 후 다소 완만한 제거 경향을 나타냈다. 산성과 금학 지역의 토양은 시간의 변화에 관계없이 일정한 속도로 제거되었으며, 또한 140분 반응에서 모든 시료에서 98% 이상의 Cu(II) 제거율을 나타냈다. 최종 200분 반응에서 산성지역의 토양이 99.
산성과 금학 지역의 토양은 시간의 변화에 관계없이 일정한 속도로 제거되었으며, 또한 140분 반응에서 모든 시료에서 98% 이상의 Cu(II) 제거율을 나타냈다. 최종 200분 반응에서 산성지역의 토양이 99.2%로 가장 높은 제거율을 나타냈으며, 금촌 지역 시료는 86.3%로 가장 낮은 제거율을 나타냈다.

후속연구

른 중금속 이온의 수산화 침전에 의한 현상으로 생각되며, 본 실험에서 반변천 일대 토양이 물속에서 pH를 상승 시키는 반응을 유도함으로서 이로 인한 수중의 중금속들이 흡착 및 수산화 침전 반응을 형성하여 중금속 제거가 이루어 진 것으로 판단된다. 그러므로 이와 같은 알칼리성 토양을 이용하여 산성을 띠는 폐광산의 유출수 처리에 활용하면 폐광산의 산성화되어진 침출수를 알칼리화시켜 중금 속을 흡착 및 침전시키는 효과를 기대할 수 있을 것으로 판단된다.
(4) 따라서 임하호 일대의 반변천 토양을 이용할 경우 산성을 띠는 중금속 용액과의 접촉만으로도 수산화 침전 반응을 유도하여 중금속을 제거할 수 있다고 판단된다. 향후 반변천 상류 토양에서 제거할 수 있는 중금속에 대한 연구가 수반될 경우 폐광과 같은 중금속 상시 유출 지역의 제방 및 복토재로 활용할 수 있을 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	반변천 상류지역인 현동, 산성, 금촌 및 금학지역에서 채취한 황토의 물리 화학적 특성과 중금속 이온 제거량, pH 및 conductivity 변화에 따른 중금속 이온 흡착제거 특성을 조사한 결과 어떤 결론은 얻었는가?	(1) 반변천 상류 일대 대부분의 토양은 셰일암으로 알칼리성 토양으로 이루어져 있으며, 현동, 산성 및 금촌 지역에서는 다른 지역의 황토 성분들과 달리 3.02Å에서 관찰되어지는 알칼리성 광물인 calcite가 많이 분포하는 것이 특징적으로 나타났다. (2) 각 토양 시료를 이용하여 접촉시간에 따른 중금속 제거특성을 조사한 결과 접촉시간 200분 경과에서 금촌 지역 시료를 제외하고 98% 이상의 높은 Cu(II), Zn(II) 및 Cd(II) 제거 효율을 나타냈다. 또한 모든 지역 토양의 중금속 제거율에서는 Cu(II)의 제거율이 가장 크게 나타났으며, Zn(II)과 Cd(II)의 제거율은 Cu(II)에 비하여 다소 떨어지는 경향을 나타냈다. (3) 중금속 제거율이 크게 나타난 산성지역 시료에 대한 중금속 제거에 따른 pH와 conductivity 변화 특성을 조사한 결과 pH가 상승함에 따라 제거 효율이 증가하였다. pH 7 이상에서 Cu(II), Zn(II) 및 Cd(II)의 98% 이상 높은 제거 효율이 나타나는 것은 pH 증가에 따른 중금속 이온의 수산화 침전에 의한 현상으로 판단된다. (4) 따라서 임하호 일대의 반변천 토양을 이용할 경우 산성을 띠는 중금속 용액과의 접촉만으로도 수산화 침전 반응을 유도하여 중금속을 제거할 수 있다고 판단된다. 향후 반변천 상류 토양에서 제거할 수 있는 중금속에 대한 연구가 수반될 경우 폐광과 같은 중금속 상시 유출 지역의 제방 및 복토재로 활용할 수 있을 것으로 판단된다.
	최근 수질오염에 의한 환경문제가 심각한 가운데 가장 큰 비중을 차지하는 것은 무엇인가?	최근 수질오염에 의한 환경문제가 심각한 가운데 가장큰 비중을 차지하는 중금속은 생활하수를 비롯하여 폐광산, 농업하수 및 각종 산업 활동을 통하여 발생되고 있다. 이러한 중금속이 토양이나 하천 및 지하수로 유입되면 수중 생태계를 파괴시키고, 인간의 건강과 생활환경에 커다란 폐해를 끼치고 있다.
	중금속은 어떤 피해를 끼치는가?	최근 수질오염에 의한 환경문제가 심각한 가운데 가장큰 비중을 차지하는 중금속은 생활하수를 비롯하여 폐광산, 농업하수 및 각종 산업 활동을 통하여 발생되고 있다. 이러한 중금속이 토양이나 하천 및 지하수로 유입되면 수중 생태계를 파괴시키고, 인간의 건강과 생활환경에 커다란 폐해를 끼치고 있다. 특히 수중 생태계나 인간에 나쁜 영향을 주는 중금속이 우리 몸속에 유입되면 쉽게 배출이 되지 않고 주로 간, 지방 및 뼈 속에 농축된다(이경호, 2002).

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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