분배성 추적자 시험은 NAPLs(Nonaqueous Phase Liquids)로 오염된 대수층 및 토양 내 오염물질의 양을 예측하는 새로운 모니터링 방법으로 최근 많이 연구되고 있다. 분배성 추적자 시험은 액상과 NAPL 간에 분배되는 분배성 추적자의 분배계수를 정확히 구해야 높은 신뢰도를 가진 결과를 얻을 수 있다. 본 연구에서는 등가 알칸 탄소수(Equivalent Alkane Carbon Number; EACN) 접근법을 이용하여 액상과 벤젠, 톨루엔, 에틸벤젠, 자일렌 그리고 BTEX 혼합물질간에 분배되는 알코올 계열 추적자의 분배계수를 예측해보았다. 이 예측식을 이용한 예측값과 실험값은 BTEX 뿐만 아니라 BTEX 혼합물에서도 비교적 잘 일치하였으며, 이를 통해 추적자와 오염물질의 EACN 값을 알고 있을 경우 직접적인 분배계수 실험을 하지 않고도 간단하게 예측할 수 있음을 확인하였다.
분배성 추적자 시험은 NAPLs(Nonaqueous Phase Liquids)로 오염된 대수층 및 토양 내 오염물질의 양을 예측하는 새로운 모니터링 방법으로 최근 많이 연구되고 있다. 분배성 추적자 시험은 액상과 NAPL 간에 분배되는 분배성 추적자의 분배계수를 정확히 구해야 높은 신뢰도를 가진 결과를 얻을 수 있다. 본 연구에서는 등가 알칸 탄소수(Equivalent Alkane Carbon Number; EACN) 접근법을 이용하여 액상과 벤젠, 톨루엔, 에틸벤젠, 자일렌 그리고 BTEX 혼합물질간에 분배되는 알코올 계열 추적자의 분배계수를 예측해보았다. 이 예측식을 이용한 예측값과 실험값은 BTEX 뿐만 아니라 BTEX 혼합물에서도 비교적 잘 일치하였으며, 이를 통해 추적자와 오염물질의 EACN 값을 알고 있을 경우 직접적인 분배계수 실험을 하지 않고도 간단하게 예측할 수 있음을 확인하였다.
The partitioning tracer method has been studied as an alternative method for detecting and characterizing the distribution of nonaqueous phase liquids (NAPLs) contaminants in subsurface. The reliability of the partitioning tracer method depends on accurate measurements of partition coefficients of t...
The partitioning tracer method has been studied as an alternative method for detecting and characterizing the distribution of nonaqueous phase liquids (NAPLs) contaminants in subsurface. The reliability of the partitioning tracer method depends on accurate measurements of partition coefficients of the partitioning tracers between water and NAPLs. In this study, partition coefficients of several alcohol tracers between water and benzene, toluene, ethylbenzene, xylene, and BTEX mixtures are estimated using the modified approach of equivalent alkane carbon number (EACN). Agreements between the measured and estimated partition coefficients were generally observed in experiments. Based on these results, it is confirmed that the partition coefficients of tracers are readily obtained without experiments if the EACN values for the tracers and LNAPLs are known.
The partitioning tracer method has been studied as an alternative method for detecting and characterizing the distribution of nonaqueous phase liquids (NAPLs) contaminants in subsurface. The reliability of the partitioning tracer method depends on accurate measurements of partition coefficients of the partitioning tracers between water and NAPLs. In this study, partition coefficients of several alcohol tracers between water and benzene, toluene, ethylbenzene, xylene, and BTEX mixtures are estimated using the modified approach of equivalent alkane carbon number (EACN). Agreements between the measured and estimated partition coefficients were generally observed in experiments. Based on these results, it is confirmed that the partition coefficients of tracers are readily obtained without experiments if the EACN values for the tracers and LNAPLs are known.
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문제 정의
따라서 본 연구에서는 유류오염물질로 대표적 유류물질인 가솔린의 주요 구성성분인 벤젠, 톨루엔, 에틸벤젠, 자일렌(BTEX)을 선정하여 BTEX와 그 혼합물에 대한 분배 실험을 실시하고, EACN 개념을 이용하여 예측한 분배계수 값들을 실험값들과 비교함으로서 EACN 개념을 이용하여 분배성 추적자의 BTEX 혼합물과 액상 간의 분배계수 예측에 대한 적용성을 평가하였다.
가설 설정
이렇게 분리된 두 상 중에서 액 상 부분을 피펫을 이용하여 GC분석용 2 mL 바이얼에 담고 GC-FID를 이용하여 액상에 존재하는 추적자의 농도(CW)를 구하였다. NAPL상에 존재하는 추적자의 농도(CN)는 측정된 CW을 바탕으로 반응 전후의 추적자의 농도 차이만큼 NAPL상으로 분배되었다고 가정하여 구하였다. 또한 실험적 오차를 고려하여 모든 시료는 각각 두 개씩 동일한 조건에서 제작하여 분석하였다.
제안 방법
NAPL상에 존재하는 추적자의 농도(CN)는 측정된 CW을 바탕으로 반응 전후의 추적자의 농도 차이만큼 NAPL상으로 분배되었다고 가정하여 구하였다. 또한 실험적 오차를 고려하여 모든 시료는 각각 두 개씩 동일한 조건에서 제작하여 분석하였다.
혼합물 A는 BTEX가 각각 동일 비율로 혼합된 혼합물질을 대표하기 위해, 혼합물 B~D는 BTEX 중 한 가지 성분이 많을 때를 대표하기 위해 제조하였다. 또한, 혼합물 E는 박현미 등(2000)이 연구한 주유소 주변 유류로 오염된 흙의 BTEX 성분비 중 하나를 선택하여 실제 유류로 오염된 흙의 BTEX 성분비를 모사하기 위해 제조하였다. BTEX ‘혼합비 1 : 1 : 1 : 2’는 ‘혼합비 1 : 1 : 2 : 1’과 이론상 같은 결과가 나오게 되므로 본 실험에서 제외하였는데 이에 대해서는 결과 및 토의 부분에 그 내용을 언급하였다.
분배계수는 총 5종류의 알코올 계열 추적자들과 벤젠, 톨루엔, 에틸벤젠, 자일렌 및 5종류의 BTEX 혼합물들을 이용하여 측정되었다. 먼저 추적자 물질을 각각 100, 200, 400, 600 mg/L의 농도로 제조한 후, 20 mL 규격의 유리병에 추적자 용액과 BTEX를 각각 10 mL씩 주입하고 테프론 재질의 마개로 빈 공간을 최소화하여 밀봉하였다. 이후 소용돌이식 교반기로 30초간 교반시키고 회전식 교반기로 24시간 교반하여 BTEX와 추적자가 충분히 반응 할 수 있게 하였다.
본 연구에서는 유류 오염물질의 주요 성분인 벤젠, 톨루엔, 에틸벤젠, 자일렌 및 BTEX 혼합물을 제조하여 알코올 계열 추적자의 분배 특성을 파악하였고, 분배계수를 예측하기 위해 실험적으로 구한 분배계수 값과 예측된 분배계수 값을 비교해 본 결과, 다음과 같은 결론을 얻었다.
분배계수는 총 5종류의 알코올 계열 추적자들과 벤젠, 톨루엔, 에틸벤젠, 자일렌 및 5종류의 BTEX 혼합물들을 이용하여 측정되었다. 먼저 추적자 물질을 각각 100, 200, 400, 600 mg/L의 농도로 제조한 후, 20 mL 규격의 유리병에 추적자 용액과 BTEX를 각각 10 mL씩 주입하고 테프론 재질의 마개로 빈 공간을 최소화하여 밀봉하였다.
교반이 끝난 후, 1 시간가량 안정화 시키고, 5분 동안의 원심분리를 통해 NAPL 상과 액상이 완전히 분리되게 하였다. 이렇게 분리된 두 상 중에서 액 상 부분을 피펫을 이용하여 GC분석용 2 mL 바이얼에 담고 GC-FID를 이용하여 액상에 존재하는 추적자의 농도(CW)를 구하였다. NAPL상에 존재하는 추적자의 농도(CN)는 측정된 CW을 바탕으로 반응 전후의 추적자의 농도 차이만큼 NAPL상으로 분배되었다고 가정하여 구하였다.
추적자 물질과 유류물질의 EACN 값을 이용하여 분배 계수를 예측하기 위하여 추적자의 EACN 값에 따른 분배 계수의 값과 유류물질의 EACN 값에 따른 분배계수의 값을 각각 정리하였다. 3개의 인자(분배계수, 추적자의 EACN, 그리고 유류물질의 EACN)를 포함한 식을 구하고자 다중회귀분석을 수행하였고, 그 결과 식 (3)과 같은 쌍 일차 회귀 방정식을 도출하였다.
BTEX 혼합물들은 Table 2와 같이 5가지 조합의 몰분율로 혼합하여 사용하였다. 혼합물 A는 BTEX가 각각 동일 비율로 혼합된 혼합물질을 대표하기 위해, 혼합물 B~D는 BTEX 중 한 가지 성분이 많을 때를 대표하기 위해 제조하였다. 또한, 혼합물 E는 박현미 등(2000)이 연구한 주유소 주변 유류로 오염된 흙의 BTEX 성분비 중 하나를 선택하여 실제 유류로 오염된 흙의 BTEX 성분비를 모사하기 위해 제조하였다.
대상 데이터
본 실험에 사용한 추적자 물질들은 일반적으로 많이 쓰이는 알코올 계열의 물질들로 그 종류와 특성은 Table 3과 같다.
본 실험에서는 가솔린의 주요 구성성분인 벤젠, 톨루엔, 에틸벤젠, 자일렌(BTEX)을 대상 오염물질로 선정하였고 그 특성은 Table 1과 같다
데이터처리
추적자 물질과 유류물질의 EACN 값을 이용하여 분배 계수를 예측하기 위하여 추적자의 EACN 값에 따른 분배 계수의 값과 유류물질의 EACN 값에 따른 분배계수의 값을 각각 정리하였다. 3개의 인자(분배계수, 추적자의 EACN, 그리고 유류물질의 EACN)를 포함한 식을 구하고자 다중회귀분석을 수행하였고, 그 결과 식 (3)과 같은 쌍 일차 회귀 방정식을 도출하였다.
성능/효과
알코올 추적자가 hexanol인 경우 분배계수의 크기는 에틸벤젠이 가장 크고, 톨루엔이 가장 낮게 나왔다. BTEX 혼합물인 경우도 에틸벤젠이 많이 포함된 Mixture D가 크게, 톨루엔이 많이 포함된 Mixture C가 가장 낮게 나온 것으로 보아 혼합물질의 분배계수는 혼합물 내 높은 함유량을 가지는 물질의 분배계수에 크게 영향을 받는 경향성을 확인할 수 있었다.
액상에 존재하는 추적자의 농도와 BTEX에 존재하는 추적자의 농도는 각각 선형 관계임을 알 수 있다. 그리고 다른 4종류의 추적자들(1- butanol, 1-pentanol, 4-methyl-2-pentanol, 2-ethyl-1-butanol) 역시 선형관계임을 확인하였다. 그리고 식 (2)를 바탕으로 각 그래프의 추세선의 기울기들이 해당 추적자들의 분배 계수임을 알 수 있다.
95 이상으로 실험적으로 구해진 분배계수 값을 신뢰할 수 있음을 확인하였다. 그리고 추적자의 종류에 따라 BTEX 각각의 분배계수의 값이 다르지만 대체적으로 벤젠의 분배계수가 가장 크게 나오는 것을 확인하였다.
두 번째, 4~6 사이의 EACN 값을 가진 알코올 추적자의 경우, 알코올 추적자의 EACN 값 및 BTEX의 EACN 값과 분배계수 값과의 상관관계를 이용하여 세 인자들을 포함한 쌍일차 회귀 방정식을 도출할 수 있었다.
Butanol의 경우, 분배계수 예측값이 실험값과 큰 오차를 띠는데 이는 butanol이 BTEX에 거의 분배되지 않아 실험으로 구한 평균 분배계수는 0에 가까워 조그만 실험적 오차에도 예측값과 실험값이 큰 오차를 나타내는 것으로 판단된다. 따라서 BTEX 혼합물에 대한 분배계수의 예측 결과도 벤젠, 톨루엔, 에틸벤젠, 자일렌에 대한 예측 결과와 유사하게 분배계수의 실험값과 예측값은 비교적 잘 일치함을 알 수 있었다.
실험에 사용된 데이터 수와 실험적 오차를 감안할 때, 분배계수의 실험값과 예측값은 비교적 잘 일치함을 알 수 있다. 따라서 본 실험에서 사용된 알코올 추적자들의 EACN 범위에서 액상(물)과 벤젠, 톨루엔, 에틸벤젠, 자일렌 사이에 각각 분배되는 알코올 추적자의 분배계수들은 알코올 추적자의 EACN 값을 알고 있을 경우 식 (3)을 통해 비교적 정확하게 예측할 수 있음을 확인하였다. 그러나, 본 실험에 사용된 EACN 범위를 벗어난 알코올 추적자들의 분배계수 예측을 위한 식 (3)의 적용은 추가 실험과 보완이 필요하다.
세 번째, 도출된 쌍일차 회귀 방정식을 이용하여 예측한 분배계수 값과 실험을 통해 얻은 분배계수 값을 비교한 결과, 4~6사이의 EACN 값을 가진 알코올 추적자를 이용하여 BTEX 류 오염물질의 분배계수를 예측할 때 분배계수를 비교적 정확하게 예측할 수 있음을 확인할 수 있었다.
실험에 사용된 데이터 수와 실험적 오차를 감안할 때, 분배계수의 실험값과 예측값은 비교적 잘 일치함을 알 수 있다. 따라서 본 실험에서 사용된 알코올 추적자들의 EACN 범위에서 액상(물)과 벤젠, 톨루엔, 에틸벤젠, 자일렌 사이에 각각 분배되는 알코올 추적자의 분배계수들은 알코올 추적자의 EACN 값을 알고 있을 경우 식 (3)을 통해 비교적 정확하게 예측할 수 있음을 확인하였다.
먼저 추적자 물질을 각각 100, 200, 400, 600 mg/L의 농도로 제조한 후, 20 mL 규격의 유리병에 추적자 용액과 BTEX를 각각 10 mL씩 주입하고 테프론 재질의 마개로 빈 공간을 최소화하여 밀봉하였다. 이후 소용돌이식 교반기로 30초간 교반시키고 회전식 교반기로 24시간 교반하여 BTEX와 추적자가 충분히 반응 할 수 있게 하였다. 교반이 끝난 후, 1 시간가량 안정화 시키고, 5분 동안의 원심분리를 통해 NAPL 상과 액상이 완전히 분리되게 하였다.
첫째, 회분식 규모의 분배계수 실험 결과, 본 실험에 사용된 알코올 추적자와 BTEX 오염물질의 경우, 액상(물)에 존재하는 추적자의 농도와 BTEX에 존재하는 추적자 물질의 농도는 서로 비례하며 커지는 선형관계임을 확인 할 수 있었고, 그 회귀선의 기울기들이 추적자의 분배계수가 됨을 기존의 연구와 마찬가지로 확인하였다.
은 액상(물)에 존재하는 추적자의 농도이다. 추적자의 분배계수가 클수록, 추적자는 NAPL에 더 많이 분배되고, 이는 분배성 추적자 시험법 시 높은 분배계수를 가지는 추적자가 낮은 분배계수를 가지는 추적자에 비해 더 지연됨을 뜻한다.
후속연구
따라서 본 실험에서 사용된 알코올 추적자들의 EACN 범위에서 액상(물)과 벤젠, 톨루엔, 에틸벤젠, 자일렌 사이에 각각 분배되는 알코올 추적자의 분배계수들은 알코올 추적자의 EACN 값을 알고 있을 경우 식 (3)을 통해 비교적 정확하게 예측할 수 있음을 확인하였다. 그러나, 본 실험에 사용된 EACN 범위를 벗어난 알코올 추적자들의 분배계수 예측을 위한 식 (3)의 적용은 추가 실험과 보완이 필요하다.
따라서 현재까지의 연구결과를 바탕으로 EACN을 이용한 분배계수 예측법을 현장에 바로 적용하기는 어려우나, 파일럿 규모의 현장 실험을 통해 그 적용성이 검증된다면 직접적인 분배계수 실험을 거치지 않고도 본 논문에서 도출된 쌍일차 회귀 방정식을 통해 분배계수를 간단하게 예측할 수 있으리라 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
유류 물질의 주요 구성물질은?
이와 더불어 저장 시설의 누유 등에 의한 환경문제의 발생 빈도도 점점 증가하고 있다. 유류 물질의 주요 구성 물질인 벤젠, 톨루엔, 에틸벤젠, 자일렌(BTEX) 등은 발암성 물질로 토양에 누출되었을 경우 토양뿐만 아니라 지하수를 오염시켜 환경과 인체에 큰 피해를 유발시킬 수 있는 가능성이 높다. 따라서 유류물질이 유류 저장고의 누유나 공정상의 실수로 인해 지반 내로 유출되었을 경우, 즉시 지반 내로 유출된 양과 오염도를 조사하여 정화를 하는 것이 필요하다(Bachman et al.
시추 조사법과 같은 기존에 주로 사용된 유류 오염 조사법의 단점을 해결할 수 있는 대안으로 연구되고 있는 조사법은?
분배성 추적자 시험(partitioning tracer method)은 기존 조사방법의 단점을 해결할 수 있는 대안으로 최근 연구되고 있다. 분배성 추적자 시험의 가장 큰 장점은 상대적으로 넓은 오염 지역을 점원조사가 아닌 연속적인 공간적 측정이 가능하여 신뢰할 만한 결과를 얻을 수 있다는 점이다(Jin et al.
벤젠, 톨루엔, 에틸벤젠, 자일렌(BTEX) 등의 물질이 토양에 누출되었을 경우 어떤 문제가 일어나는가?
이와 더불어 저장 시설의 누유 등에 의한 환경문제의 발생 빈도도 점점 증가하고 있다. 유류 물질의 주요 구성 물질인 벤젠, 톨루엔, 에틸벤젠, 자일렌(BTEX) 등은 발암성 물질로 토양에 누출되었을 경우 토양뿐만 아니라 지하수를 오염시켜 환경과 인체에 큰 피해를 유발시킬 수 있는 가능성이 높다. 따라서 유류물질이 유류 저장고의 누유나 공정상의 실수로 인해 지반 내로 유출되었을 경우, 즉시 지반 내로 유출된 양과 오염도를 조사하여 정화를 하는 것이 필요하다(Bachman et al.
참고문헌 (10)
박현미, 김지현, 김용만, 이강봉, 2000, 국내 주유소 주변 토양의 BTEX 오염도, 한국환경분석학회집, 3(4), 223-227
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Jin, M., Delshad, M., Dwarakanath, V., McKinney, D.C., Pope, G.A., Sepehrnoori, K., and Tilburg, C.E., 1995, Partitioning tracer test for detection, estimation, and remediation performance assessment of subsurface nonaqueous phase liquids, Water Resources Research, 31(5), 1201-1211
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