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문제 정의
- 또한, 토양만으로는 오염도를 측정할 수 없으며, 각 심도별 공극수의 화학적 및 생물학적 변화가 해석되어야 한다. 본 연구는 토양공극수의 추출과 분석방법을 토양수분압력 (Soil water pressure)측정과 토양공극수 포집을 위한 연속추출장치로 구성하여 토양공극수내 오염물질의 거동을 해석하였다. 이를 위해서 대표적인 두개부지 의 유류오염토양을 충진한 토양라이시 미터 (Soill* ysimeter) 설치한 후 토양공극수를 연속 추출하여추출압력, 시간, 심도에 따른 변화를 고찰하였다.
- 이를 위해서 대표적인 두개부지 의 유류오염토양을 충진한 토양라이시 미터 (Soill* ysimeter) 설치한 후 토양공극수를 연속 추출하여추출압력, 시간, 심도에 따른 변화를 고찰하였다. 위의 실험 결과로부터 얻어진 토양공극수의 평형관계를 통해 토양지구화학과 물리적 특성의 상관관계의 해석을 바탕으로 한 토양오염의 확산과 토양지구화학적 반응 관계를 해석하려고 한다.
- 유지된 심토와 표토에서 토양공극수를 채취하여 분석하였다. 이는 토양공극수의 불포화와 포화상태에서산화환원조건의 변화에 따른 유기오염물질과 주원소의변화를 측정하여 토양공극수의 화학적 평형의 변화를고찰하기 위해서이다. Fig.
제안 방법
- 237일 동안 토양라이시미터의 각각 불포화와 포화상태로 유지된 심토와 표토에서 토양공극수를 채취하여 분석하였다. 이는 토양공극수의 불포화와 포화상태에서산화환원조건의 변화에 따른 유기오염물질과 주원소의변화를 측정하여 토양공극수의 화학적 평형의 변화를고찰하기 위해서이다.
- 2b). 그리고 모니터링사양으로토양수분장력 데이터로거와 모니터링 장치로 구성하였다. Lysimeter 1은 철도정비창 유류오염토양을 충진설치하고, Lysimeter 2는 유류저장시설 주변 오염토양을 충진 설치하였다.
- 이때, 추출압력은 유속펌프를 사용하여 3, 5, 7, 9, 15, 21mL/min로 추출하여 평균적으로 11, 15, 19, 22, 32, 43 kPa의 압력을 얻었다. 그리고 토양라이시미터에서 시간과 심도에 따른 농도변화량을 측정하기 위해서 추출하여 분석하였다. 추출시간은 10~20분 동안 추출한 토양공극수내 오염물질 함량으로, 불포화층에서 10 분 동안 추출을 수행하고, 포화층에서는 15분내지 20 분 동안 추출을 행하였다.
- 이때, 토양수분 함량은 토양공극률을 산정하여 공극을 채울 수 있는 물의 무게를 기준으로 각 토양별로 주입하였다. 또한, 상부토양의 일정한 함수량을 갖는 불포화 토양환경을 조성하기 위해 총 주입물량을 10회로 주입하였다. 토양라이시미터는 약 60일간의 숙성과정을 거친 후 237일 동안 토양공극수의 채취와 측정을 수행했다.
- 본 연구는 토양오염확산 및 거동을 평가하기 위해서토양공극수 채취방법으로 토양물리적인 요소인 토양 장력을 고려한 직접적인 토양채취기를 이용하였다. 이때 구성한 토양라이시미터는 심도별 토양공극수를 추출장치와 함께 구성하고, 불포화층과 포화층의 토양 공극 수를 분석하여 오염물질의 거동을 해석하였다.
- 부지의 오염토양의 추출압력, 시간, 심도에 따른 토양공극수 특성을 고찰하기 위해서 토양라이시미터를 제작하여 텐시오닉 (Ibnsionic; Combined type of soil solution sampler with tensiometer)과 동시에 심도별 로 위치시켜서 Fig. 2와 같이 설치하였다. 이때, 토양공극수를 채취하기 위한 장치는 텐시오닉을 사용하여토양공극수와 토양수분장력을 동시에 측정하도록 구성하였다(Fig.
- L 로 만든 후 insult가 든 2mL vial에 담아 저장하였다. 분석표준시료는 15종을 포함한 MHs 표준시료(PAHs, Accustarmdard)로 0, 5, 10, 50, 100, 500)ig/L 순으로제조하였다. 이와 같이 전처리된 시료는 MSD5973 (Mass selective detector)이 장착된 가스크로마토그래피 질량분석기 (GC-MS, Agilent 6890 gas chromatography USA)로 분석하였다.
- 4). 불포화층에서 5분과 10분 두 번의 토양공극수를 채취하였고, 포화층에서는 토양공극 수의 채취가 원활하여 5, 10, 15, 20분의 네번의 채취가 이루어졌다. 10분과 15분 이후 추출한 농도는 초기 5분 동안 추출한 농도보다 4~67%범위의 낮은 농도 수준이었고, 이는 시간에 따라 토양공극으로 유입되는 낮은 장력의 수분CIEnsion-free water)인 중력수에 의한 희석효과가 큰 것으로 판단된다.
- 다. 유류오염농도는 토양오염물질인 탄화 수소화합물 총량 기준인 TPH함량과 잠재적인 오염물질인 다환방향족탄화수소 PAH류의 성분별 함량을 측정 하였다(Able 1). 철도정비창 오염부지는 유류저장시설부지보다 상대적으로 TPH와 PAH의 낮은 함량을 보였다.
- 이때 구성한 토양라이시미터는 심도별 토양공극수를 추출장치와 함께 구성하고, 불포화층과 포화층의 토양 공극 수를 분석하여 오염물질의 거동을 해석하였다. 토양공극수 추출장치는 공극수 추출용 압력펌프와 토양공극수추출부로 구성되는데, 토양수분장력과 추출압력을 동시에 측정하며 심도별로 토양공극수를 분석하게 구성하였다.
- 2와 같이 설치하였다. 이때, 토양공극수를 채취하기 위한 장치는 텐시오닉을 사용하여토양공극수와 토양수분장력을 동시에 측정하도록 구성하였다(Fig. 2a). 즉, 토양공극수의 시료채취동안 토양수분압력을 동시에 측정하여 추출되는 토양공극수의 물리적 특성에 따른 화학적 특성을 규명할 수 있도록 구성하였다.
- 상부 컬럼은 불포화 시켰다. 이때, 토양수분 함량은 토양공극률을 산정하여 공극을 채울 수 있는 물의 무게를 기준으로 각 토양별로 주입하였다. 또한, 상부토양의 일정한 함수량을 갖는 불포화 토양환경을 조성하기 위해 총 주입물량을 10회로 주입하였다.
- 본 연구는 토양공극수의 추출과 분석방법을 토양수분압력 (Soil water pressure)측정과 토양공극수 포집을 위한 연속추출장치로 구성하여 토양공극수내 오염물질의 거동을 해석하였다. 이를 위해서 대표적인 두개부지 의 유류오염토양을 충진한 토양라이시 미터 (Soill* ysimeter) 설치한 후 토양공극수를 연속 추출하여추출압력, 시간, 심도에 따른 변화를 고찰하였다. 위의 실험 결과로부터 얻어진 토양공극수의 평형관계를 통해 토양지구화학과 물리적 특성의 상관관계의 해석을 바탕으로 한 토양오염의 확산과 토양지구화학적 반응 관계를 해석하려고 한다.
- 분석표준시료는 15종을 포함한 MHs 표준시료(PAHs, Accustarmdard)로 0, 5, 10, 50, 100, 500)ig/L 순으로제조하였다. 이와 같이 전처리된 시료는 MSD5973 (Mass selective detector)이 장착된 가스크로마토그래피 질량분석기 (GC-MS, Agilent 6890 gas chromatography USA)로 분석하였다. 컬럼은 HP-5 column (30cmx0.
- 일정한 추출압력에서 추출시간에 따른 MH류의 농도변화를 고찰하였다. 토양라이시미터 1과 2에서 MH 류의 농도는 초기농도가 가장 높고 시간에 따라 낮아지는 경향을 보였다(Fig.
- 표준시료는 A1, Fe, Mn을 포함하여 0, 10, 50, 75, 100(ig/L이내의농도별 5개 용액으로 제조하였다. 준비된 용액은 유도결합플라즈마 질량분석기 (ICP-MS, Agilent 7500, USA)로 분석하였다.
- 2a). 즉, 토양공극수의 시료채취동안 토양수분압력을 동시에 측정하여 추출되는 토양공극수의 물리적 특성에 따른 화학적 특성을 규명할 수 있도록 구성하였다. 토양라이시미터 본체 사양은 SUS 재질로 상부컬럼 300x300mm (내경x높이)과 하부컬럼 300 x400 mm으로 상하부 컬럼의 분리와 해체 가능한 형태로 연결 구성하였고, 총 5개 라이시미터 본체는 스프레이 노즐 5개와 저울(load cell 방식, 최대용량: 500kg)을 포함한다(Fig.
- 그리고 토양라이시미터에서 시간과 심도에 따른 농도변화량을 측정하기 위해서 추출하여 분석하였다. 추출시간은 10~20분 동안 추출한 토양공극수내 오염물질 함량으로, 불포화층에서 10 분 동안 추출을 수행하고, 포화층에서는 15분내지 20 분 동안 추출을 행하였다. 심도별 공극수 농도는 시간에 따라 추출한 대표적인 고농도를 기준으로 산정하였다.
-
2. 추출압력에 따른 토양공극수 추출
추출압력에 따른 토양공극수의 화학적 특성의 변화에 대한 영향과 최적 추출압력을 결정하기 위해서, 구성된 토양공극수 연속추출장치로 추출압력에 따른 토양공극수 오염물질 농도 변화를 고찰하였다
. 추출압력을 llkPS에서 4* 3k 로 증가시킬수록 두 토양라이시미터에서 R\H류 성분의 농도변화는 거의 없었고(Lysimeter 1 in Fig. - 이때 구성한 토양라이시미터는 심도별 토양공극수를 추출장치와 함께 구성하고, 불포화층과 포화층의 토양 공극 수를 분석하여 오염물질의 거동을 해석하였다. 토양공극수 추출장치는 공극수 추출용 압력펌프와 토양공극수추출부로 구성되는데, 토양수분장력과 추출압력을 동시에 측정하며 심도별로 토양공극수를 분석하게 구성하였다.
- 토양라이시미터 실험은 압력에 따른 토양공극수, 시간에 따른 토양공극수 변화, 심도에 따른 토양공극수의 특성을 구분하여 실험하였다. 토양공극수는 물리적인 물 분자의 결합 세기에 따른 상대적인 추출량과의 비교를 위해서 50 mL 원심분리용 용기를 이용하여 강하게 흡착된 물 분자를 추출하였고, 토양라이시미터에서 다양한 추출압력으로 가압하여 추출한 토양공극수를 실시하였다. 이때, 추출압력은 유속펌프를 사용하여 3, 5, 7, 9, 15, 21mL/min로 추출하여 평균적으로 11, 15, 19, 22, 32, 43 kPa의 압력을 얻었다.
- 토양내 산화와 환원의 주요특성을 나타내는 Al, Fe, Mn의 주성분 원소의 농도와 유류 중 포함된 오염성분인 ph농도를 측정하였다. 주성분 원소의 상대적인비정질 산화물 형태로의 추출특성을 나타내는 Citratedithionite추출량은 총함량대비 Fee 0.
- 토양내 총함량과 산화물형태의 전자수용체의 상대적인 존재량을 고찰하기 위해서 왕수(HC1:HNC)3=3:1)용액과 Dithionite-citrate용액 (0.5M)을 이용하여 각각 추출하였다. 이를 위해서 토양 1.
- 토양라이시미터는 약 60일간의 숙성과정을 거친 후 237일 동안 토양공극수의 채취와 측정을 수행했다. 토양라이시미터 실험은 압력에 따른 토양공극수, 시간에 따른 토양공극수 변화, 심도에 따른 토양공극수의 특성을 구분하여 실험하였다. 토양공극수는 물리적인 물 분자의 결합 세기에 따른 상대적인 추출량과의 비교를 위해서 50 mL 원심분리용 용기를 이용하여 강하게 흡착된 물 분자를 추출하였고, 토양라이시미터에서 다양한 추출압력으로 가압하여 추출한 토양공극수를 실시하였다.
- 또한, 상부토양의 일정한 함수량을 갖는 불포화 토양환경을 조성하기 위해 총 주입물량을 10회로 주입하였다. 토양라이시미터는 약 60일간의 숙성과정을 거친 후 237일 동안 토양공극수의 채취와 측정을 수행했다. 토양라이시미터 실험은 압력에 따른 토양공극수, 시간에 따른 토양공극수 변화, 심도에 따른 토양공극수의 특성을 구분하여 실험하였다.
- 토양라이시미터를 이용하여 석유계 탄화수소로 오염된 대표적인 국내 유류오염부지 토양 내 PAH류의 오염 확산과 거동을 정량화하였다. 토양공극수에서 RAH 류 오염물질은 추출압력과 시간 및 심도에 따른 다음과 같은 영향을 보였다.
대상 데이터
- 두 가지 토양을 선정하였다. 고농도 오염토양을 중심으로 부지의 특성을 대표할 수 있는 토양으로 채취하였다. 오염토양은 토양실험을 위해 공기 중에서 자연건조 후 혼합 교반하여 사용하였다.
- 본 연구는 철도정비창부지와 유류저장부지의 유류오염부지의 두 가지 토양을 선정하였다. 고농도 오염토양을 중심으로 부지의 특성을 대표할 수 있는 토양으로 채취하였다.
- 즉, 토양공극수의 시료채취동안 토양수분압력을 동시에 측정하여 추출되는 토양공극수의 물리적 특성에 따른 화학적 특성을 규명할 수 있도록 구성하였다. 토양라이시미터 본체 사양은 SUS 재질로 상부컬럼 300x300mm (내경x높이)과 하부컬럼 300 x400 mm으로 상하부 컬럼의 분리와 해체 가능한 형태로 연결 구성하였고, 총 5개 라이시미터 본체는 스프레이 노즐 5개와 저울(load cell 방식, 최대용량: 500kg)을 포함한다(Fig. 2b). 그리고 모니터링사양으로토양수분장력 데이터로거와 모니터링 장치로 구성하였다.
- 심도별 공극수 농도는 시간에 따라 추출한 대표적인 고농도를 기준으로 산정하였다. 토양라이시미터 실험은 2006년 11월 22일부터 약 30일 간격으로 측정한 데이터의 일부를 도시하였다.
- 이때, 채취된 토양공극수의 pH와 Eh를 각각 측정하였다. 표준시료는 A1, Fe, Mn을 포함하여 0, 10, 50, 75, 100(ig/L이내의농도별 5개 용액으로 제조하였다. 준비된 용액은 유도결합플라즈마 질량분석기 (ICP-MS, Agilent 7500, USA)로 분석하였다.
성능/효과
- (1) 추출압력에 따른 토양공극수내 PAH류의 농도는 추출압력을 증가시킬수록 PAH류성분의 농도변화는 거의 없었고, 다만 가장 높은 추출압력 (43kP5)에서 낮은 농도를 보였다.
- (2) 일정한 추출압력에서 추출시간에 따른 토양공극수의 PAH류의 농도는 토양공극 내에서 유입되는 중력수에 의해서 희석에 의해 농도가 낮아지는 경향을 보였다.
- (3) 추출심도에 따라 토양의 산화환원전위의 영향에의해 불포화층의 산화환경에서 포화층의 환원환경보다자연저감정도가 높았다. 이는 산소와의 접촉빈도가 높은 불포화층의 PAH류 생분해 효과가 큰 것으로 판단되고, 토양수분장력의 세기에 따라 강한 장력의 모세관수와 약한 장력의 중력수에 해당하는 토양공극수를추출함으로써 토양공극수의 평형과 비평형관계를 해석할 수 있다.
- 불포화층에서 5분과 10분 두 번의 토양공극수를 채취하였고, 포화층에서는 토양공극 수의 채취가 원활하여 5, 10, 15, 20분의 네번의 채취가 이루어졌다. 10분과 15분 이후 추출한 농도는 초기 5분 동안 추출한 농도보다 4~67%범위의 낮은 농도 수준이었고, 이는 시간에 따라 토양공극으로 유입되는 낮은 장력의 수분CIEnsion-free water)인 중력수에 의한 희석효과가 큰 것으로 판단된다. 이때, Naphthalene과 Pyrenee 시간에 따른 농도변화가 상대적으로 낮았다.
- 5와 6은 각각 철도정비창토양과 유류저장시설로부터 오염된 토양에서 공극수를 분석한 결과이다. PAH류의 농도는 표층에서 35일전후로농도의 현저한 저감이 일어났고, 심충에서는 농도변화는 상대적으로 느리게 관찰되었다. MH류의 생분해는수분함량과 공기와의 접촉정도에 따라 분해정도가 결정 된다(Eriksson et al.
- 본 실험의 토양라이시미터의운전특성을 고려할 때, 30cm영역은 불포화상태가 유지되고, 60cm영역은 포화상태가 유지되었다. 따라서 소수성특성을 갖는 유기오염물질은 불포화층에서 물과 공기의 표면층에서 더 안정적으로 존재하는 것을 알 수 있다. 즉 토양표면과의 강한 흡착이 토양유기물질의 토양입자의 피복과 같은 소수성결합에 의해서 강하게 유지될 수 있다.
- 또한, 5분 이후에는 토양공극수와 토양표면이 비평형 관계를 이루었는데, 이는 시간이 지날수록 토양의 표면과 평형을 이루는 토양공극수가 추출된 후 점차 비평형 화학조성을 갖는 공극수가 추출되어 상대적인 평형 관계의 화학적 조성에서 멀어지는 특성을 보이기 때문이다. 따라서 토양추출장치를 사용한 추출 시간에 따른 추출결과로부터 초기 5분 동안은 토양표면과 평형을 이루는 조성의 토양공극수를 얻을 수 있었고, 5 분 이후에는 평형관계로부터 멀어진 토양공극수 조성을 얻을 수 있었다.
- 그러나 PAH류의 유기오염물질이 토양표면으로부터 낮은포텐셜 영역으로 이동되는 특성과는 반대로, 심도 30cm에서 농도가 높았다. 본 실험의 토양라이시미터의운전특성을 고려할 때, 30cm영역은 불포화상태가 유지되고, 60cm영역은 포화상태가 유지되었다. 따라서 소수성특성을 갖는 유기오염물질은 불포화층에서 물과 공기의 표면층에서 더 안정적으로 존재하는 것을 알 수 있다.
- 본 토양라이시미터는 오염토양^서 오염물질의 거동을 측정한 것으로, 토양공극수 추출장치가 유효하게 작용할 수 있음을 보여준 것이며, 특히, 불포화층과 포화 층 토양 모두에서 오염물질을 효과적으로 추출하고 측정할 수 있었다. 따라서 토양지구화학적 관점에서 토양 물리적 인자와 화학적 인자를 동시에 고려할 때 화학적 평형의 측정과 해석이 정확도를 높일 수 있을 것이다.
- 원심분리에 의해 추출한 토양공극수의 농도는 토양라이시미터에서 추출한 공극수 농도보다 높고, 총 함량보다는 낮은 수준이었다(Sble 2). 이는 원심분리에 의한토양공극수 추출은 모세관수와 일부 흡습수를 추출가능하기 때문에 토양광물표면과 평형을 이루는 화학적 조성과 가까운 것으로 판단된다.
- 따라서 오염된 토양표면과 평형을 이루고 있는 토양공극수의 추출을 위해서는 토양표면과 평형 관계를 이루는 모세관수를 추출해야 한다. 이를 위해서, 펌프유속이 21mL/min 이상일 때 43kPa의 수분압력으로 이론적인 토양수분장력과 비교할 때 모세관수의 토양 공극 수를 추출할 수 있었다. 그러나 추출압력에 따른 농도변화에 있어서 의미 있는 변화는 없었다.
- 토양라이시미터 내 토양공극수에서 채취한 PAH류의 농도는 Table 1의 총함량과 비교할 때 제한된 PAH류성분의 상대적으로 낮은 농도가 용출되었다. 즉, 철도정비창 오염토양의 공극수내 MH류는 Anthraceno Phenanthrene > Naphthalene > Pyrenee] 농도순서로 토양 총함량기준 1/1000이하의 용출정도를 보였다. 또한, 유류저장시설 오염토양은 토양^ 총함량에 대한 매우낮은 용출정도를 갖고, Anthracene > Phenanthrene > Naphthalene>Pyrenee] 농도순서였다.
- 유류오염농도는 토양오염물질인 탄화 수소화합물 총량 기준인 TPH함량과 잠재적인 오염물질인 다환방향족탄화수소 PAH류의 성분별 함량을 측정 하였다(Able 1). 철도정비창 오염부지는 유류저장시설부지보다 상대적으로 TPH와 PAH의 낮은 함량을 보였다. 장기간의 유류누출에 의해서 유류저장시설 오염부지(2, 154 mg kg』)의 TPH함량이 철도정비창 오염부지(740 mg kg】)보다 높은 것으로 판단된다.
- 오염물질 농도 변화를 고찰하였다. 추출압력을 llkPS에서 4* 3k 로 증가시킬수록 두 토양라이시미터에서 R\H류 성분의 농도변화는 거의 없었고(Lysimeter 1 in Fig. 3a and Lysimeter 2 in Fig. 3b),다만 가장 높은 추출압력 (43®)에서 낮은 농도를 보였다. 이는 추출압력에 의한 토양공극수중 모세관수의 농도를 반영하기 보다는 주변 낮은 농도의 공극수의 유입으로 희석의 효과가 큰 것으로 판단된다.
- 고찰하였다. 토양라이시미터 1과 2에서 MH 류의 농도는 초기농도가 가장 높고 시간에 따라 낮아지는 경향을 보였다(Fig. 4). 불포화층에서 5분과 10분 두 번의 토양공극수를 채취하였고, 포화층에서는 토양공극 수의 채취가 원활하여 5, 10, 15, 20분의 네번의 채취가 이루어졌다.
- 상대적으로 산화조건인 불포화 층에서는 Fe과 Mn의 용출농도가 증가하였고, 산소가 적은 환원조건의 포화층에서는 Mn의 용출농도는 증가하지만 토양공극내 환원조건으로 전이됨에 따라 Fe의 용출은 제한되는 특성을 보인다. 한편, Mne 불포화 층에서 Fe과 유사한 거동을 보이고, 포화 층에서도 용출농도가 증가하는 것으로 관찰되었다. 이는 Mn의 경우 환원성 용출이 강하게 작용하여 농도가 높아지는 것으로 판단된다.
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