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문제 정의
- 그러나, 본 실험에서는 IC system 중에서 기존의 유기산 분석에 사용되는 이온 배제 크로마토그래피(ion-exclusion chromatography)가 아닌 무기 음이온 분석에 보편적으로 사용되는 이온 교환 크로마토그래피(ion-exchange chromatography)를 이용하여 시료 내에 용존 되어 있는 유기산을 정성 · 정량해 보고자 하였다.
- 예외적으로 formate와 acetate는 두 화합물간에 간섭이 있었지만, 대표적인 저분자 유기산으로 정성 · 정량해 보고자 하였다.
- 이온 교환 크로마토그래피는 한번 분석 수행(analytical run)으로 무기 음이온 정량 뿐만 아니라 이온 배제 크로마토그래피보다 짧은 분석 시간 안에 C1~C6 carboxylic acids를 정성 · 정량 할 수 있는 이점이 있다. 이번 연구에서는 이온 교환 크로마토그래피를 이용 하여 시료내의 무기 음이온 검출 외에 유기산의 정성분석법과, 다른 이온의 간섭을 받지 않는 유기산에 대한 정량 분석법을 개발하고, 이 방법을 쓰레기 매립장 침출수에 의해 영향 받은 지하수에 대해 적용하여 검출된 유기산의 분포 특성을 평가해 보고자 하였다.
제안 방법
- 1) 물 시료에 대해 이온 교환 크로마토그래피를 이용하여 기존에 유기산 정성 분석에만 이용되던 방법을 무기음이온 정량과 동시에 유기산의 정성 · 정량하는 분석법을 개발하여 분석 대상 항목과 적용성을 평가하고 세부분석 조건을 확립하였다.
- 2) 생활쓰레기 매립장 주변에서 채취한 침출수와 환원 환경이 우세한 지하수 시료에 대해 본 연구에서 평가된 이온 교환 크로마토그래피 방법을 적용하여 Cl¯ , NO3¯ , SO42¯등의 무기 이온 분석과 동시에 유기산 분석을 실시하였다.
- 검출한계(MDL : method detection limit)는 실험에 사용된 모든 표준 유기산에 대해 동일한 기준으로 계산되었다. baseline noise에 대한 signal 비를 5로 하여 IDL(instrumental detection limit)을 정하고, 계산된 IDL의 5배에 해당하는 농도를 검출한계로 하여 검량선의 최저 농도로 사용하였다.
- 그리고, C1~C6의 유기산들 중에서도 water dip 부근, 음이온과 유기산, 유기산과 유기산간의 RT가 너무 가까운 것들은 최소한으로 하여 제외시키고, halide 이온 외에 음이온의 간섭에 큰 영향을 받지 않으면서 검출 가능한 유기산을 선별하였다. 그 중에서도 다른 이온에 의해 간섭을 받지 않는 propionate, pyruvate, oxalate, succinate에 대해서는 정량분석도 시행하였다. 예외적으로 formate와 acetate는 두 화합물간에 간섭이 있었지만, 대표적인 저분자 유기산으로 정성 · 정량해 보고자 하였다.
- 이러한 Cl−이온의 유기산에 대한 피크 간섭을 제거하기 위해서 halide 이온의 제거에 효과적인 On-Guard Cartridge Ag(Dionex)를 이용하여 시료중의 Cl¯ 이온, Br¯ 이온을 제거하였다(Fischer, 2002; Manning and Bewsher, 1997). 그리고, C1~C6의 유기산들 중에서도 water dip 부근, 음이온과 유기산, 유기산과 유기산간의 RT가 너무 가까운 것들은 최소한으로 하여 제외시키고, halide 이온 외에 음이온의 간섭에 큰 영향을 받지 않으면서 검출 가능한 유기산을 선별하였다. 그 중에서도 다른 이온에 의해 간섭을 받지 않는 propionate, pyruvate, oxalate, succinate에 대해서는 정량분석도 시행하였다.
- 음이온 peak 외에 검출되는 unknown peak들을 low-molecular-weight carboxylic acids라고 간주하고, unknown peak을 확인하기 위해 C1~C6까지의 다양한 low-molecular-weight carboxylic acids의 retention time을 확인하였다. 동결 보존하던 시료를 분석 직전에 실온에서 녹인 다음 이온 교환 크로마토 그래피 시스템에 직접 주입하였다. 이온 교환 크로마토그래피 시스템으로는 ICS-1500(Dionex)을 사용하였다.
- 이온 교환 크로마토그래피 시스템으로는 ICS-1500(Dionex)을 사용하였다. 분석 컬럼은 IonPac AS14(Dionex)를, 용리액(eluent)은 3.5 mM sodium carbonate/1.0 mM sodium bicarbonate 용액을 사용하였으며, 1.2 mL/min로 유속을 설정하여 ASRS ULTRA II 4mm Self-Regenerating Suppressor(Dionex)로 유기산을 검출하였다.
- 시료 채취 후 현장에서 바로 냉동 하여 보관한 시료를 실온에서 녹인 다음 앞에서 언급한 실험법대로, On-Guard Cartridge Ag(Dionex)를 사용하여 시료 내의 Cl¯ , Br¯를 제거한 뒤 이온 교환 크로마토그래피를 이용하여 침출수 시료 내에 용존 되어 있는 유기산의 정성 · 정량 실험을 수행하였다.
- kr). 시료 채취는 2005년 10월에 시행하였으며, 시료채취방법으로는 현장에서 지하수의 온도, pH, 전기 전도도(EC), 용존 산소(DO) 등이 안정된 이후에 실시하였다. 유기산 분석용 시료는 0.
- 예외적으로 formate와 acetate는 두 화합물간에 간섭이 있었지만, 대표적인 저분자 유기산으로 정성 · 정량해 보고자 하였다. 실험에 사용된 유기산들을 탄소 수에 따라 정리해 보았다(Table 1).
- 유기산 분석용 시료는 0.45 µm syringe filter로 시료를 여과한 뒤 20 mL vial에 옮겨 담고, 미생물의 번식과 활동으로 유기산이 분해되는 것을 예방하기 위해 0.2% chloroform 수용액을 0.1 mL 첨가 하였다.
- 1) 물 시료에 대해 이온 교환 크로마토그래피를 이용하여 기존에 유기산 정성 분석에만 이용되던 방법을 무기음이온 정량과 동시에 유기산의 정성 · 정량하는 분석법을 개발하여 분석 대상 항목과 적용성을 평가하고 세부분석 조건을 확립하였다. 유기산과 음이온의 간섭을 최소화 하면서 검출 가능한 유기산을 선별하여, 유기산의 정성 분석 뿐만 아니라 formate, acetate, propionate, pyruvate, succinate, oxalate 유기산에 대해서는 정량 분석을 실시하였다. propionate, pyruvate 등의 유기산 피크와 간섭을 일으키는 Cl¯ 은 Ag성분을 포함하는 Cartridge 를 이용한 전처리를 통해 200 mg/L의 농도까지 간섭이 제거됨을 확인하였다.
- 유기산의 carboxyl(COOH) 그룹이 수용액 상에서 COO−+ H+ 로 해리되면서 유기산의 표면전하가(−)를 나타내는 특성을 이용하여 이온 교환 크로마토그래피를 이용하여 유기산 분석을 수행하였다.
- + H+ 로 해리되면서 유기산의 표면전하가(−)를 나타내는 특성을 이용하여 이온 교환 크로마토그래피를 이용하여 유기산 분석을 수행하였다. 음이온 peak 외에 검출되는 unknown peak들을 low-molecular-weight carboxylic acids라고 간주하고, unknown peak을 확인하기 위해 C1~C6까지의 다양한 low-molecular-weight carboxylic acids의 retention time을 확인하였다. 동결 보존하던 시료를 분석 직전에 실온에서 녹인 다음 이온 교환 크로마토 그래피 시스템에 직접 주입하였다.
- 이번 연구에 이용된 분석 방법은 기본적으로 Manning and Bewsher(1997)에 의해 gradient eluent program을 이용한 이온 교환 크로마토그래피 방법으로 매립지 침출수에서 Cl을 제외한 무기이온의 정량과 유기산의 정성 분석을 위해 개발된 방법을 이용하였으며 isocratic eluent program을 적용하여 분석 시스템을 단순화하고 일반적인 무기 이온 분석에 이용되는 용리액과 분석 컬럼을 이용하여 분석 조건들을 최적화하였다.
- 이온 교환 크로마토그래피를 이용하여 유기산의 RT를 확인할 때 시료속의 Cl¯ 가 propionate, pyruvate peak와 RT가 거의 일치하기 때문에, Cl−이온의 간섭을 줄이기 위해 On-Guard Cartridge Ag(Dionex)를 사용하여 Cl− 가제거되는지 확인해 보았다.
- 지하수에 대한 침출수의 영향을 시료군별로 평가하기 위해 Cl¯과 pyruvate의 농도 관계를 선형적으로 확대하여 비교하였다 (Fig. 6).
대상 데이터
- 본 실험의 연구지역은 금산군 금성면 양전리의 생활 쓰레기 매립장으로 대도시 매립장에 비하면 비교적 작은 생활쓰레기 매립장이다(Fig. 1). 연구지역 특성상 산업시설이나 폐기물 유발시설이 적기 때문에 매립장에 매립되는 쓰레기는 대부분 주민들에 의해 버려지는 음식이나 생활 폐기물이 주를 이루고 있다.
- 본 연구에서는 유기산 분석을 위해서 시료를 직접 주입할 수 있는 이점을 가진 IC를 이용하였다. 그러나, 본 실험에서는 IC system 중에서 기존의 유기산 분석에 사용되는 이온 배제 크로마토그래피(ion-exclusion chromatography)가 아닌 무기 음이온 분석에 보편적으로 사용되는 이온 교환 크로마토그래피(ion-exchange chromatography)를 이용하여 시료 내에 용존 되어 있는 유기산을 정성 · 정량해 보고자 하였다.
- 실험에 사용된 유기산은 순도가 높은 시약급(Sigma, Aldrich, Merck-A.C.S. regeant, EP grade)으로 구입하여 사용하였으며, 유기산 표준용액은 먼저, 각각의 유기산을 1000 mg/L의 농도로 만들어 갈색병에 담아 냉장보관 하였다. 검량선 농도 범위는 0.
이론/모형
- 동결 보존하던 시료를 분석 직전에 실온에서 녹인 다음 이온 교환 크로마토 그래피 시스템에 직접 주입하였다. 이온 교환 크로마토그래피 시스템으로는 ICS-1500(Dionex)을 사용하였다. 분석 컬럼은 IonPac AS14(Dionex)를, 용리액(eluent)은 3.
성능/효과
- 3) 지하수내의 pyruvate는 침출수에서 높은 농도를 보이는 Cl¯ , HCO3¯등과 높은 상관성을 보이며, 매립지 하부의 지하수들은 침출수 조성과 배경 지하수의 혼합 특성을 나타내고 침출수의 영향은 매립지에서 멀어질수록 작았다.
- Cl¯ 농도에 따른 Cl¯ 제거 실험 결과 On-Guard Cartridge Ag는 200 mg/L 농도까지의 Cl¯ 이온을 제거함을 확인하였다.
- ¯등의 무기 이온 분석과 동시에 유기산 분석을 실시하였다. oxalate, propionate, succinate를 포함한 다른 유기산은 검출되지 않았지만, formate(C1)는 0.01~0.07 mg/ L, acetate(C2)는 0.08~0.48 mg/L로 침출수와 지하수에서 모두 낮은 수준을 보였으나, pyruvate(C3)는 침출수에서는 12.5~37.5 mg/L, 주변 지하수에서는 0.45~3.90 mg/L 범위로 비교적 높은 농도로 검출되었다.
- propionate, pyruvate 등의 유기산 피크와 간섭을 일으키는 Cl¯ 은 Ag성분을 포함하는 Cartridge 를 이용한 전처리를 통해 200 mg/L의 농도까지 간섭이 제거됨을 확인하였다.
- 검량선 농도 범위는 0.5 mg/L~20 mg/L로 하였는데, 분석 할 때마다 1000 mg/L stock solution을 적절한 농도로 희석 · 혼합하여 사용하였고(Fig. 2), 이때 검량선의 직선성은 succinate는 R2= 99.66, propionate, pyruvate, oxalate, formate, acetate는 R2 > 99.95로 아주 좋게 나타났다.
- 결과적으로, 이온 교환 크로마토그래피를 이용한 유기산 정량 · 정성 실험방법은, 음이온 분석과 동시에 유기산 정량이 가능하므로 시간과 노력을 많이 줄일 수 있는 효율적인 실험 방법이라 할 수 있다.
- 그리고, On-Guard Cartridge Ag가 다른 무기 이온들에 미치는 영향을 알아보기 위해 anion mixture standard solution의 cartridge 처리 전·후의 peak area 변화를 계산해본 결과 area 변화량이 5% 이내로 확인되어 그 변화는 무시할 만 하다 (Table 4).
- 그리고, 대부분의 지하수 환경의 호흡성 미생물들은 lactate, acetate, formate 등의 유기산 들을 기질로 이용한다고 보고 되어져 있는데(Chapelle, 2001), 조사 지역 침출수는 acetate나 formate보다는 발효 초기 단계에 해당하는 pyruvate가 상대적으로 높은 농도를 가진다. 따라서 조사된 침출수는 생분해되기 쉬운 유기산은 호흡성 미생물들에 의해 소진된 특성을 보이고 있어 매립된 폐기물내 유기물의 생분해 단계가 어느정도 진전된 것으로 평가된다.
- 그리고, On-Guard Cartridge Ag가 다른 무기 이온들에 미치는 영향을 알아보기 위해 anion mixture standard solution의 cartridge 처리 전·후의 peak area 변화를 계산해본 결과 area 변화량이 5% 이내로 확인되어 그 변화는 무시할 만 하다 (Table 4). 또한, On-Guard Cartridge Ag 처리에 따른 유기산 농도의 변화 가능성을 평가하기 위해 각 유기산의 농도가 10 mg/L인 표준 유기산 용액에 대해 조사된 시료의 pH 범위와 유사하게 pH 7.0으로 조절하고, 처리 전후의 peak area를 비교한 결과, 변화량은 10% 이내로 확인되어, On-Guard II Cartridge Ag 처리에 따른 유기산의 농도 변화는 크지 않음을 확인하였다(Table 5).
- 3). 뿐만아니라, 본 연구지역 지하수 시료에서는 이온 배제 크로마토그래피에서 분석시간이 오래 걸리는 hexanoate(valerate), n-butyrate, iso-butyrate들도 검출되지 않았기 때문에, 이온 배제 크로마토그래피를 이용하여 유기산을 분석할 때 분석시간을 짧게 조절하여 분석 할 수 있었다. 유기산 함량이 제일 높은 시료 15는 침출수를 직접 채취한 것으로 다른 지점에 비해 특히 pyruvate 함량이 높음을 확인할 수 있었다(Table 3).
- Manning and Bewsher(1997)는 이온 배제 크로마토그래피에서 뒷부분에 검출되는 C5, C6, C7 유기산들로 인해서 분석시간이 100분 이상 소요되는 점을 보완하기 위해 유기산을 정량하기에 앞서 이온 교환 크로마토그래피를 이용하여 시료내에 valerate, hexanoate, heptanoate의 존재 유무를 확인한 뒤, 이온 배제 크로마토그래피로 유기산을 정량할 때 분석시간을 조절하여 실험하였다. 실제로, 본 실험 조건에서도, 크로마토그램에서 미지의 피크를 확인하는 과정에서 butyrate, valerate, hexanoate(Adipate, fumarate) 등이 이온 배제 크로마토그래피의 RT보다 현저히 짧은 11분 이내에 검출되는 것을 확인하였고, 동시에 halide 이온을 제외한 무기 음이온의 정량분석결과도 얻을 수 있었다. 하지만, 유기산과 무기 음이온, 또는 유기산과 유기산간의 분석시간이 비슷하게 겹치는 종류도 있기 때문에(Table 2) 무기 음이온과 유기산의 분석시간을 잘 조절하여 목적 유기산을 선별한다면 이온 교환 크로마토그래피를 이용해서도 충분히 유기산을 정성 · 정량 할 수 있다.
- 뿐만아니라, 본 연구지역 지하수 시료에서는 이온 배제 크로마토그래피에서 분석시간이 오래 걸리는 hexanoate(valerate), n-butyrate, iso-butyrate들도 검출되지 않았기 때문에, 이온 배제 크로마토그래피를 이용하여 유기산을 분석할 때 분석시간을 짧게 조절하여 분석 할 수 있었다. 유기산 함량이 제일 높은 시료 15는 침출수를 직접 채취한 것으로 다른 지점에 비해 특히 pyruvate 함량이 높음을 확인할 수 있었다(Table 3). 앞서 언급한대로 유기산은 유기물의 발효산물로 형성되는 것인데, 그 중에서도 특히, pyruvate는 미생물 대사의 발효과정 중 해당을 거쳤을 경우에 생성되는 산물로(Chapelle, 2001), 이와 같은 결과로 미루어보아 금산 쓰레기 매립장 침출수 오염지역은 미생물에 의한 발효가 활발히 일어나고 있는 것으로 생각된다.
- 조사 지역 지하수의 산화-환원 환경은 침출수와 주변지하수에서 DO가 포화 상태보다는 낮은 수준이나 1 mg/L 이상 측정되었다. 지하수는 유동 상태에서 대기와 차단되어 측정되었으므로 대기에 의해 지하수의 DO가 높게 측정될 가능성은 낮다.
- 지하수내의 무기 이온 농도와 유기산중 가장 높게 검출되는 pyruvate 농도와의 상관성을 보면, 배경지하수에 비해 침출수에서 농도가 높은 Cl¯ , HCO3¯ , SO42¯와는 상관성을 가지나, NO3와는 상관성이 없거나 약한 음의 상관성을 보인다(Fig. 5).
- 지하수의 용존 유기산을 분석한 결과 18개 지점에서 채취한 금산 쓰레기 매립장 침출수 오염시료에는 pyruvate(C3)가 모든 시료에서 비교적 높은 농도로 존재함을 확인하였다. 또한, 미량이지만(< 1 mg/L) formate(C1)와 acetate(C2)가 검출되었다.
후속연구
- 조사된 두 지점의 침출수의 조성의 변화폭이 커서 pyruvate의 분해 가능성을 정량적으로 평가하기 어렵지만, Cl¯과의 상관성을 볼 때, 매립지 인근 지역에서 pyruvate의 분해는 빠르지 않을 수 있음을 시사한다. 그러나 매립된 폐기물들은 매우 불균질할 수 있으므로 대표성 있는 유기산 분포 특성과 변화 과정 연구를 위해서는 매립지에서 생성된 침출수에 대한 더 많은 조사가 필요하다.
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