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문제 정의
- 본 연구를 통하여 복합 중금속으로 오염된 토양에 중금속을 제거하는 실험을 하기 위하여 중금속으로 오염된 논 토양을 채취하였으며 5가지 순환수 조건을 다르게 하고 정전류 조건에서 전기 동력학적 정화기술을 적용한 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
- 본 연구에서는 전기 동력학적 정화기술을 적용하여 Cu, Pb 및 As가 복합적으로 오염된 토양에서 이를 정화하는데 있어서 다양한 전해질 용액을 사용하여 전류의 세기와 pH, 전해질 종류에 따른 중금속의 제거율 및 에너지비용에 대해서 연구하였다.
제안 방법
- 2주 후 전기 동력학적 정화 실험을 종료하고 반응기 내의 토양을 각각 10등분하여 용기에 담아 105℃에서 4시간 건조시킨 후 수분함량을 측정하였다. 건조토양 5g에 증류수 25 mL를 넣은 후 1시간 정치를 시키고, pH meter(isTEK,pH-250L, KOREA)를 이용하여 pH를 측정하였다.
- 또한 토양 중 중금속의 농도는 토양오염공정시험기준(환경부, 2008)에 따라 분석 하였다. Cu와 Pb은 토양 10 g에 0.1N HCl를 50 mL 취한 후 1시간 진탕 후 여과지를 이용하여 여과를 거치고 As는 토양 10 g에 1.0 N HCl를 50 mL 취한 후 30분 진탕 후 여과지를 이용하여 여과를 거쳐 ICP-Mass(Agilent 7500, USA)를 이용하여 분석하였다.
- Exp. 1은 대조실험으로써 수돗물을 순환시켜주었고, Exp. 2에서는 염기성 조건을 인위적으로 만들어 주기 위해 H+이온이 발생하는 양극에 NaOH를 순환시켜 주었으며, 반대로 Exp. 3은 산성 조건에 따른 효과를 보기 위하여 OH−이온이 발생하는 음극쪽에 HNO3를 순환 시켰다.
- 3은 산성 조건에 따른 효과를 보기 위하여 OH−이온이 발생하는 음극쪽에 HNO3를 순환 시켰다. Exp. 4와 Exp. 5는 각각 citric Acid과 Na2EDTA를 음극순환수로 사용하여 중금속 및 As의 제거에 미치는 영향을 평가하였다. 실험이 진행되는 동안 순환수는 2일마다 교체하였고 교체 시 pH와 순환용기의 부피변화를 측정하여, 전기 삼투 흐름(electro-osmosis flow; 이하 EOF)의 양을 추정하였다(조정민 등, 2009).
- , 2009). 본 연구에서는 1 V/cm의 정전압을 적용하였으며 실험이 진행되는 동안 측정한 전류의 변화를 Fig. 2에 나타내었다. 수돗물을 이용한 대조실험에서 약 0.
- 실험이 진행되는 동안 순환수는 2일마다 교체하였고 교체 시 pH와 순환용기의 부피변화를 측정하여, 전기 삼투 흐름(electro-osmosis flow; 이하 EOF)의 양을 추정하였다(조정민 등, 2009). 실험에 1 V/cm의 정전압을 2주 동안 적용하였으며 실험이 진행되는 동안 각각의 전류 변화를 관찰 하였다.
- 5는 각각 citric Acid과 Na2EDTA를 음극순환수로 사용하여 중금속 및 As의 제거에 미치는 영향을 평가하였다. 실험이 진행되는 동안 순환수는 2일마다 교체하였고 교체 시 pH와 순환용기의 부피변화를 측정하여, 전기 삼투 흐름(electro-osmosis flow; 이하 EOF)의 양을 추정하였다(조정민 등, 2009). 실험에 1 V/cm의 정전압을 2주 동안 적용하였으며 실험이 진행되는 동안 각각의 전류 변화를 관찰 하였다.
- 전기 동력학적 정화 실험 장치에 토양 600 g을 수분함량 30%로 하여 압밀하여 넣어주었다. 전기 동력학적 정화실험은 일정한 전압을 유지하며 2주에 걸쳐 5가지 순환수를 사용하여 Table 1과 같이 실험을 진행하였다. Exp.
- 3은 시간의 경과에 따른 전기 삼투량의 변화를 나타낸 것이다. 축적된 EOF의 양은 양극과 음극의 순환수 부피 변화로부터 산출하였다. 이때 음극 순환수가 초기량(1L) 보다 적어지면 EOF의 부피가 감소한 것으로써 이는 음극방향으로 흐르던 EOF가 양극 방향으로 이동방향이 바뀌었다는 것을 의미한다(Baek et al.
대상 데이터
- 실험에 사용된 토양은 A지역에서 채취된 논 토양으로서협작물을 제거하고 24시간 풍건시킨 후, 2 mm(10 mesh) 체를 이용하여 입자크기가 2 mm 이하인 것을 사용하였다. 평균농도는 Cu가 137.
- 실험에 사용한 반응기는 아크릴재질로 그 크기는 4 × 4 × 20 cm3로 이루어져 있으며, 양극부에 전류를 흐르게 하기 위해 양극에는 내구성이 높은 백금으로 코팅한 티타늄 전극을 사용하였고 음극에는 탄소전극(4 × 4 × 0.8 cm3)을 사용하였다.
- 8 cm3)을 사용하였다. 전원공급기는 최대 60 V와 1.5 A까지 조절이 가능한 가변 직류전원 공급기를 사용하였다. 순환수를 일정한 유량과 수압으로 공급 해주기 위해 펌프를 이용하였다.
이론/모형
- 건조토양 5g에 증류수 25 mL를 넣은 후 1시간 정치를 시키고, pH meter(isTEK,pH-250L, KOREA)를 이용하여 pH를 측정하였다. 또한 토양 중 중금속의 농도는 토양오염공정시험기준(환경부, 2008)에 따라 분석 하였다. Cu와 Pb은 토양 10 g에 0.
성능/효과
- 1. 전기역학적 정화에서 정전압 하에서 전류의 증가는 전기 삼투량의 증가를 가져왔다. NaOH를 순환시킨 실험에서 전류가 점차 상승을 하자 전기 삼투량이 상승 하였고, 순환수 HNO3와 citric acid 같은 경우 실험 초기에 전기삼투흐름이 많이 발생하였으나 시간이 지날수록 전류가 안정화 되어가면서 전기삼투흐름 또한 안정화가 되었다.
- 2. Cu와 Pb는 이동성은 하였으나, 제거는 되지 않은 것으로 보아 토양표면에 강하게 흡착되었으며, Cu보다 Pb의 이동성이 낮고 흡착능이 더 강한 것으로 나타났다.
- 4. 에너지 비용과 제거율을 비교하였을 때 HNO3 보다 citric acid가 제거효율이 높았다. 또한 HNO3보다는 citric acid가 토양환경 및 생태계에 미치는 영향도 적기 때문에 실제오염지역에 적용 시 고려사항이 된다.
- Fig. 2와 Fig. 3을 보면 NaOH를 사용한 실험에서 전류의 상승으로 인하여 전기 삼투량이 상승 하였고, HNO3와 citric acid 전해질로 사용한 경우 초기에 전류가 흐르기 시작을 하면서 EOF 양도 증가하였으며, 시간이 지날수록 전류가 안정화 되어가면서 전기삼투량 또한 감소하는 것을 알 수 있다. NaOH의 경우 산성조건인 HNO3와 비교하였을 때 최종적으로 EOF의 양이 많이 발생한 것을 알 수 있다.
- NaOH를 사용한 실험에서의 EOF는 초기에는 점차 증가 하였다가 288시간 이후 급격이 증가 하였다. HNO3와 citric acid는 240시간을 전후로 증가에서 점차 일정한 양이 발생하는 것을 확인 할 수 있었다. EDTA 순환 실험에서 144시간까지 267 mL의 EOF가 발생하였으나 이후 조금씩 감소하여 실험 종료시에는 248 mL로 누적 EOF가 줄어들었다.
- citric acid를 사용한 실험에서 양극과 가장 가까운 토양구간의 pH가 HNO3를 사용한 실험 다음으로 낮게 나타남에 따라서 낮은 pH 조건에서 탈착된 Cu가 양극으로부터 2번째 토양구간에 축적되었다. NaEDTA는 킬레이트 화합물로 중금속과 결합하여 음전하를 띠므로 음극 순환수로 사용한 EDTA가 음극 주변의 토양에서 중금속과 결합하여 전기적 이동에 의하여 양극방향으로 이동하므로 Cu 및 Pb의 농도가 음극쪽에서 가장 낮았고 중앙부분에서 높게 나타났다. Pb는 Cu에 비하여 낮은 이동성을 보였으며, 제거율 또한 크게 나타나지 않았다.
- 전기역학적 정화에서 정전압 하에서 전류의 증가는 전기 삼투량의 증가를 가져왔다. NaOH를 순환시킨 실험에서 전류가 점차 상승을 하자 전기 삼투량이 상승 하였고, 순환수 HNO3와 citric acid 같은 경우 실험 초기에 전기삼투흐름이 많이 발생하였으나 시간이 지날수록 전류가 안정화 되어가면서 전기삼투흐름 또한 안정화가 되었다. Na2EDTA의 경우 초기에는 전기삼투 흐름이 양극에서 음극으로 이동하다가 124시간 이후 전류가 감소하면서 EOF의 방향이 반대로 변화된 것으로 보인다.
후속연구
- 5. 전함량 분석에 의한 중금속 분석과 2주보다 오랜 기간의 실험을 통해 제거율을 향상시키는 연구가 필요하다.
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