[논문]입상 활성탄을 이용한 형광물질 추적자시험 적용성 연구

이진용; 황현태; 이명재; 김용철; 염병우

입상 활성탄을 이용한 형광물질 추적자시험 적용성 연구
Feasibility of Granular Activated Charcoal as a Detector in Fluorescent Tracer Tests 원문보기

지하수토양환경 = Journal of soil and groundwater environment, v.12 no.4, 2007년, pp.86 - 93

이진용 (강원대학교 지질학과) , 황현태 (지오그린21) , 이명재 (지오그린21) , 김용철 (한국지질자원연구원) , 염병우 (한국지질자원연구원)

초록
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최근에 형광물질을 이용한 추적자 시험이 빈번해지고 있다. 본 연구에서는 형광물질 추적자 시험시 농도측정 방법으로서 입상 활성탄을 이용하는 방법의 적용가능성을 실내 및 현장실험을 통해 평가하였다. 실내실험 결과 로다민 WT 및 우라닌 개별용액의 경우 활성탄 흡착 농도는 실제 표준농도와는 일부 차이가 있지만 각 표준농도와 선형성은 매우 뛰어난 것으로 나타났다. 또한 $10{\mu}g/L$ 이상의 형광물질 농도에서는 활성탄의 적용성이 뛰어났다. 한편 두 형광물질을 혼합한 경우에는 간섭의 영향으로 활성탄 적용성이 떨어졌다. 실제 현장에서 활성탄을 이용하여 추적자 시험을 한 결과, 통상적으로 수행하는 직접적인 물시료 채취분석법과 비교하였을 때 활성탄을 이용한 흡착방법도 충분히 현장 적용성이 있으며 저농도에서는 습식 그리고 고농도에서는 건식으로 분석한다면 보다 정확한 형광물질 농도측정이 되는 것으로 나타났다. 특히 오염물질 확산 평가 등이 목적이 아니라 추적자 물질의 도달확인(즉 수리적 연결성 진단)이 주요 목적이고 추적자시험의 예상 소요기간이 길다면 활성탄을 활용한 방법은 매우 비용경제적일 것으로 사료된다.

Abstract ▼ AI-Helper

In recent tests using tracer have been frequently conducted by fluorescent tracers. In this study, granular activated charcoal (GAC) as a detector for the fluorescent tracers (rhodamine WT and uranine) was investigated through laboratory and field tests. In the laboratory tests, tracer concentrations of rhodamine WT and uranine determined by the GAC were slightly different from those of standard solutions but they were excellent in linearity. Results show that GAC is excellent as tracer detector when concentration of the fluorescent tracers is greater than 10 & micro; g/L whileas no obvious differences in mixed solutions of the two tracers due to interferences. Compared to conventional methods of water sampling, field results shows a high potential of GAC as a tracer in the field. Our results also show that wet analysis is better for the lower concentrations of tracers whileas dry analysis is good for high concentrations of tracers. This study demonstrates that fluorescent tracer detection using the GAC is very useful and economical for a hydraulic connection between target areas and very longer period of the tracer test.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 형광물질 추적자 시험시 농도측정 방법으로서 입상 활성탄을 이용하는 방법의 적용가능성을 실내 및 현장실험을 통해 평가하였다. 실내실험 결과 로다민 WT 및 우라닌 개별용액의 경우 활성탄 흡착 농도는 실제 표준농도와는 일부 차이가 있지만 각 표준농도와 선 형성은 매우 뛰어난 것으로 나타났다.
그러므로 보다 경제적으로 형광성 추적자의 도달(혹은 농도)을 확인할 수 있는 방법을 고민하게 되었다(Smart and Simpson, 2002). 본 연구에서는 활성탄의 유기물질에대한 흡착특성을 이용하여 형광물질 추적자 시험에 대한 적용가능성을 실내 및 현장시험을 통해 평가하였다. 실내실험에서는 다양한 농도하에서 물 시료를 직접 측정하는 방법과 활성탄을 이용하여 측정하는 방법을 비교하였으며 또한 실제 현장에 대한 형광추적자 시험을 통해 직접 측정법과 활성탄 흡착측정법을 비교·분석하였다.
앞서 기술한 실내시험과 더불어 활성탄을 이용한 형광 추적자 시험의 적용성을 평가하기 위하여 실제 현장에서 추적자 시험을 수행하였다. 본 현장추적자 시험은 당초 강원도 태백시에 위치하는 황지못과 주변 지역과의 수리적 연결성을 파악하는 연구의 일환으로 계획된 것이다(지오 그린21, 2006). 황지못 주변 지역의 지하수 관정에 형광물질 추적자(여기서는 우라닌)를 주입하고 황지못의 다수의 위치에서 추적자의 도달을 확인하는 실험이었다(Fig.
앞서 기술한 실내시험과 더불어 활성탄을 이용한 형광 추적자 시험의 적용성을 평가하기 위하여 실제 현장에서 추적자 시험을 수행하였다. 본 현장추적자 시험은 당초 강원도 태백시에 위치하는 황지못과 주변 지역과의 수리적 연결성을 파악하는 연구의 일환으로 계획된 것이다(지오 그린21, 2006).

제안 방법

각 형광물질의 농도에 따른 검출능력을 측정하기에 앞서 형광분석기 자체의 검출 능력과 활성탄과 순수한 증류수에서 형광 성분으로 오인되는 나타나는 배경 농도를 측정하기 위해 증류수를 사용하여 실내실험을 수행하였다. 실험 방법은 앞서 언급한 형광 용액의 실험과 똑같은 절차를 거쳤다.
약 30 g의 입상활성탄(granular activated carbon)을 직경 15 cm의 구형체 스테인레스 스틸 재질의 망에 넣어 설치하였다. 또한 스테인레스 망 외부에는 미리 주입장소, 주입일, 채취일을 기재할 수 있는 인식표를 설치하여 교체시간을 확인할 수 있도록 하였다. 형광 추적자 검출용 활성탄은 추적자 주입지점과 추적자 검출지점인 황지못에 설치하였다.
로다민 WT와 플루어레시언(우라닌)을 혼합하였을 때 나타나는 간섭현상과 두 종류의 형광 추적자가 동시에 검출될 수 있는 농도를 측정하기 위해 로다민 WT와 플루어레시언(우라닌) 용액 20 mL씩 활성탄 10 g과 함께 24시간을 놓아두었다. 실험에 적용된 두 추적자의 농도는 1, 10, 그리고 100 µg/L이며, 활성탄은 건조 상태와 젖은 상태로 분리해서 검출실험을 하였다.
KOH 용액의 경우 100 mL의 이소프로필(isopropyl) 알콜에 6~7 g의 수산화 칼륨(potassium hydroxide)을 용해시켜 제조하며, 스마트 용액은 38% 수산화암모늄(ammonium hydroxide), 43%1-propano 및 19%의 증류수를 혼합하여 제조한다(Smart and Simpson, 2002). 본 연구에서는 스마트 용액을 사용 하여 활성탄에 흡착된 형광추적자를 탈착시켰다.
본 연구에서는 직접 또는 활성탄을 통해 채취된 형광 시료는 추적자 분석 장비를 통해 시료의 농도를 측정하였다. 본 시험에서 농도 측정에 사용한 장비는 Turner Designs사(미국)의 10-AU-005-CE Field Fluorometer이며 (Fig.
본 활성탄법의 적용성 평가를 위해 이 추적자시험 기간동안 활성탄을 세 번 교체·설치하였는데 각 활성탄은 연못내에 24시간 노출시켰다.
실내실험에서는 다양한 농도하에서 물 시료를 직접 측정하는 방법과 활성탄을 이용하여 측정하는 방법을 비교하였으며 또한 실제 현장에 대한 형광추적자 시험을 통해 직접 측정법과 활성탄 흡착측정법을 비교·분석하였다.
실험에 적용된 두 추적자의 농도는 1, 10, 그리고 100 µg/L이며, 활성탄은 건조 상태와 젖은 상태로 분리해서 검출실험을 하였다.
우선 활성탄에 존재하는 미세 활성탄을 제거하기 위해 증류수에 세척하였다. 세척된 활성탄은 표면에 존재하는 물기를 자연 건조를 통해 제거하여 추적자와 접촉시 나타나는 오차를 사전에 제거 하였다.
직접 물시료를 채취할 경우 별다른 전처리없이(탁도가 높은 경우 부유물을 가라앉힌 후) 분석 기기(혹은 미터기)에 주입하여 농도를 측정한다. 이와 같이 직접 물시료의 추적자 농도를 측정하는 방법 대신 본 연구에서 고려하는 방법은 활성탄을 이용한 추적자의 검출이다. 활성탄은 목재, 갈탄 혹은 무연탄 등을 원료로 제조되는 미세 세공이 잘 발달된 무정형 탄소의 집합체로서큰 내부 표면적을 가지는 흡착제이다.
황지못 내 활성탄 설치시 연못의 깊이(2~3 m)를 고려하여 지하수 유출지점에 활성탄 고정 추를 내리고, 연못바닥에 존재하는 이물질로부터의 오염을 막기 위해 부표를 이용해 활성탄이 연못 바닥으로부터약 30~50 cm 이격 되도록 설치하였다. 한편 본 연구의 활성탄 방법과 별도로 황지연못의 수리적 연결성을 평가 하는 연구를 위해 황지못 동일 지점 및 심도에서 주기적으로 물시료를 채취하여 직접 형광추적자의 농도를 측정 하였다.
활성탄의 형광 추적자 검출능 추정에 사용된 추적자용액은 로다민 WT, 플루어레시언(우라닌) 각각 blank, 1.0 × 10−2, 1.0 × 10−1, 1.0 ×100, 1.0 × 101, 1.0 × 102, 1.0 × 103, 1.0 × 104, 1.0 × 105,1.0 × 106 µg/L의 시료를 준비하여 각 추적자용액 20 mL 에 활성탄 10 g을 갈색 시료병에 넣어서 24시간(1일) 경과 후 시료를 분석하였다.
5 참조). 황지못 내 활성탄 설치시 연못의 깊이(2~3 m)를 고려하여 지하수 유출지점에 활성탄 고정 추를 내리고, 연못바닥에 존재하는 이물질로부터의 오염을 막기 위해 부표를 이용해 활성탄이 연못 바닥으로부터약 30~50 cm 이격 되도록 설치하였다. 한편 본 연구의 활성탄 방법과 별도로 황지연못의 수리적 연결성을 평가 하는 연구를 위해 황지못 동일 지점 및 심도에서 주기적으로 물시료를 채취하여 직접 형광추적자의 농도를 측정 하였다.

대상 데이터

본 시험에서 농도 측정에 사용한 장비는 Turner Designs사(미국)의 10-AU-005-CE Field Fluorometer이며 (Fig. 1 참조), 로다민 WT와 플루어레시언(우라닌)의 분석에 최저 0.01 µg/L의 검출능을 가지고 있다.
본 연구에서 고려한 추적자는 형광물질인 로다민 WT(Rhodamine WT)와 플루어레시언(별칭 우라인(Uranine)) 이다. 로다민 WT는 적색을 띄는 형광물질로서 최소 검출 능력, 광화학적, 미생물학적 분해 비율 및 흡착성 등에서 유용한 추적자로 사용되고 있으며, 하천과 카르스트 지역 추적자 시험에 사용되는 염료 중 가장 보존성이 높다(김정우 외, 2004).
또한 스테인레스 망 외부에는 미리 주입장소, 주입일, 채취일을 기재할 수 있는 인식표를 설치하여 교체시간을 확인할 수 있도록 하였다. 형광 추적자 검출용 활성탄은 추적자 주입지점과 추적자 검출지점인 황지못에 설치하였다. 황지못의 검출용 활성탄 설치방법은 다음과 같다.
황지못의 검출용 활성탄 설치방법은 다음과 같다. 황지못의 깊이와 흐름, 그리고 지하수 유출장소를 고려하여 지하수가 유출되는 지점을 대상으로 세 곳을 설정하였다(Fig. 5 참조). 황지못 내 활성탄 설치시 연못의 깊이(2~3 m)를 고려하여 지하수 유출지점에 활성탄 고정 추를 내리고, 연못바닥에 존재하는 이물질로부터의 오염을 막기 위해 부표를 이용해 활성탄이 연못 바닥으로부터약 30~50 cm 이격 되도록 설치하였다.

성능/효과

따라서 로다민 WT를 사용하여 추적자 검출시 로다민 WT의 농도가 적어도 10 µg/L 이상 되는 지점에서 활성탄을 설치하는 것이 바람직할 것으로 사료된다(Fig. 2).
6(b)). 또한 건식으로 측정한 농도는 대부분의 농도 범위에서 습식으로 분석한 농도에 비해 크게 평가되었다. 그럼에도 불구하고 활성탄흡착법은 개별 방법(즉 습식 혹은 건식)간에는 탁월한 선형성(r² = 0.
로다민 용액의 농도가 0.01~1.0 µg/L의 범위일 때 검출되는 농도는 활성탄이 젖은 상태일 경우 0.0~0.140µg*/L*로 분석되었으며, 자연 건조시킨 활성탄을 사용하였을 때, 0.086~0.628 µg*/L*의 범위를 보였다(Table 2).
로다민 용액의 농도가 10 µg/L 이상일 경우, 검출 되는 농도는 젖은 활성탄을 사용했을 때, 약 2.18 µg*/ L*로 나타났고, 건조상태일 때, 약 1.45 µg*/L*로서 일반 적인 배경 농도보다 높게 나타나고 있음을 확인하였다.
먼저 로다민 WT의 검출 농도는 1~10 µg/L 사이에서는 0.097~0.626 µg*/L* 로 순수하게 로다민 WT만 존재했을 때 보다 약 3.2배정도 낮은 검출 농도를 보였으며, 로다민 WT 농도가 100 µg/L 일 때의 경우, 젖은 상태의 활성탄에서 13.7µg*/L*, 건조상태의 활성탄에서 3.68 µg*/L*의 검출 농도를 보였다(Table 4).
본 연구에서는 형광물질 추적자 시험시 농도측정 방법으로서 입상 활성탄을 이용하는 방법의 적용가능성을 실내 및 현장실험을 통해 평가하였다. 실내실험 결과 로다민 WT 및 우라닌 개별용액의 경우 활성탄 흡착 농도는 실제 표준농도와는 일부 차이가 있지만 각 표준농도와 선 형성은 매우 뛰어난 것으로 나타났다. 또한 10 µg/L 이상의 형광물질 농도에서는 활성탄의 적용성이 뛰어난 것으로 사료된다.
추적자는 주입 후 약 2.2 일 후도달하였고 최고농도(138 µg/L)까지는 1.5일 정도 더 소요되었다.
플루어레시언(우라닌) 또한 로다민 WT 추적자 용액과 비슷하게 농도에 따라 비례관계를 보이고 있지만, 플루어레시언(우라닌)의 현장 배경농도는 0.01~1.00µg/L임을 감안했을 때, 0.01~1.0 µg/L의 범위내의 농도는 추적자 검출에 있어 오차를 유발할 가능성이 높은 것으로 판단된다.
플루어레시언(우라닌) 용액의 농도가 0.01~1.0 µg/L의 범위일 때 검출되는 농도는 젖은 상태의 활성탄일 경우 0.732~1.430 µg*/L*로 분석되었으며, 자연 건조시킨 활성탄을 사용하였을 때, 0.277~0.305 µg*/L*의 범위를 보였다(Table 3).
플루어레시언(우라닌) 용액의 농도가 10 µg/L 이상일 경우, 검출되는 농도는 젖은 활성탄을 사용시, 약 9.33 µg*/L*로 나타났고, 건조 상태일 때 약 1.82 µg*/ L*로서 일반적인 배경 농도보다 높게 나타나고 있음을 확인하였다.
플루어레시언(우라닌)의 농도와 로다민WT와의 간섭현상(interference)은 검출되는 플루어레시언(우라닌) 용액이 로다민 WT와 같은 이물질에 의해 농도가 측정되는 현상을 야기시키는데, 플루어레시언(우라닌)이 로다민 WT보다 상대적으로 높은 농도인1 × 105 µg/L에서 간섭현상이 나타났다.
하지만, 검출되는 로다민 WT 용액이 우라닌 용액으로 오인되는 경우 또한 1.79 µg*/L*에서 19.5 µg*/L*로 급격하게 증가하는 것이 관찰되었다.
형광물질 혼합액의 검출실험에서 로다민 WT는 100 µg/L부터 유의미한 검출능을 보이며, 우라닌의 경우, 1 µg/L부터 활성탄을 이용한 검출이 가능할 것으로 사료된다(Fig. 4).
활성탄에 흡착된 플루어레시언(우라닌)의 검출 시험을 통해 플루어레시언(우 라닌) 농도가 약 10 µg/L 이상일 때, 활성탄을 이용한 추적자 검출이 가능한 것으로 사료된다(Fig. 3).

후속연구

그럼으로 통상적으로 수행되는 직접적인 물시료 채취분석법을 표준적인 농도 측정방법이라고 하였을 때 활성탄을 이용한 방법도 충분히 적용가능성이 있으며 저농도에서는 습식 그리고 고농도에서는 건식으로 분석한다면 보다 정확한 형광물질 농도측정이 될 수 있을 것이다. 특히 정확한 농도측정이 목적이 아니라 추적자 물질의 도달확인(즉 수리적 연결성 진단)이 목적이라면 활성탄을 활용한 방법은 매우 비용경제적일 것으로 사료된다.
한편 두 형광물질을 혼합한 경우에는 간섭의 영향으로 활성탄 적용성이 떨어지는 것으로 보인다. 다만 본 실내실험에서 노출시간을 임의로 24시간으로 정하였기 때문에 향후 노출시간에 따른 영향 등을 평가할필요가 있다.
실제 현장에서 활성탄을 이용하여 추적자 시험을 한 결과, 통상적으로 수행하는 직접적인 물시료 채취분석법을 기본적인 농도 측정방법이라고 하였을 때, 활성탄을 이용한 흡착방법도 충분히 적용가능성이 있으며 저농도에서는 습식 그리고 고농도에서는 건식으로 분석한다면 정확한 형광물질 농도측정이 될 수 있을 것으로 기대된다. 특히 정확한 농도측정(오염물질 확산 등)이 목적이 아니라 추적자 물질의 도달확인(즉 수리적 연결성 진단)이 주요 관심이고 추적자시험의 예상 소요기간이 수 일에서 수 주로 길다면 활성탄을 활용한 방법은 매우 비용경제적일 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	추적자시험은 무엇을 확인하기 위해 수행하는가?	추적자시험은 흔히 대수층내에서 오염물질의 확산특성을 파악하거나 지점간의 수리적 연결성을 확인하기 위하여 수행한다(이진용 외, 2001). 전통적으로 국내에서는 보존성 이온물질(브롬, 염소 및 요오드 이온 등)을 이용한 추적자시험이 주류를 이루었다(e.
	국내에서 시행되는 추적자시험은 어떠한 보존성 이온물질을 사용하여 이루어졌는가?	추적자시험은 흔히 대수층내에서 오염물질의 확산특성을 파악하거나 지점간의 수리적 연결성을 확인하기 위하여 수행한다(이진용 외, 2001). 전통적으로 국내에서는 보존성 이온물질(브롬, 염소 및 요오드 이온 등)을 이용한 추적자시험이 주류를 이루었다(e.g.
	형광물질 추적자 시험시 농도측정 방법으로 입상 활성탄을 이용하여 추적자 시험을 한 결과는 어떠한가?	실제 현장에서 활성탄을 이용하여 추적자 시험을 한 결과, 통상적으로 수행하는 직접적인 물시료 채취분석법을 기본적인 농도 측정방법이라고 하였을 때, 활성탄을 이용한 흡착방법도 충분히 적용가능성이 있으며 저농도에서는 습식 그리고 고농도에서는 건식으로 분석한다면 정확한 형광물질 농도측정이 될 수 있을 것으로 기대된다. 특히 정확한 농도측정(오염물질 확산 등)이 목적이 아니라 추적자 물질의 도달확인(즉 수리적 연결성 진단)이 주요 관심이고 추적자시험의 예상 소요기간이 수 일에서 수 주로 길다면 활성탄을 활용한 방법은 매우 비용경제적일 것으로 사료된다.

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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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