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문제 정의
- 제거율을 높이기 위하여 처리기간을 길게 할 수 있으나, 처리기간과 제거효율 사이의 상관관계를 평가하여 적절한 처리기간을 산정하는 것이 전체적인 공정비용을 최소화하는데 반드시 필요하다. 따라서, 본 연구에서는 전기동역학적 정화공법을 이용한 염류집적 토양의 정화에서 처리기간에 따른 염류의 제거율 및 전력소비량의 관계에 대해서 평가하고자 한다.
- 본 연구에서는 실제 시설 제배지에서 염류집적으로 연작장애를 일으키고 있는 토양에 대한 전기동역학적 정화 공정에서의 전기전도도 감소를 위한 적절한 처리기간을 알아보기 위하여 실험실 규모의 연구를 실시하여 처리기간별 염류의 제거율과 전력소비량을 비교 평가하였다. 실험결과 기간에 따른 염류 전기전도도 감소에는 크게 차이가 없었으며, 처리기간이 증가하면 Cl−는 3주차에는 감소한 것은 전해질의 재유입된 것으로 보인다.
제안 방법
- 토양오염공정시험기준에 따라 토양 5 g(건조중량)에 25 mL의 증류수를 가하여 (고액비 1 : 5) 실온에서 1시간 동안 진탕한 후 거름종이(5B)로 여과하여 그 여과액의 pH 및 EC를 측정하였다. pH와 EC는 pH/ISE meter (Istek 735K, Korea)와 conductivity meter (Istek, 455C, Korea)를 이용하여 분석에 사용하였다. 수용성 음이온을 측정하기 위하여 고액비를 1:5로 하여 1시간 동안 진탕한 후 거름종이(5B)로 여과하여 그 상등액을 IC(Ion chromatography, Futecs, Korea)를 이용하여 분석하였다.
- 실험 종료 후, 토양실의 토양을 균등하게 10등분하여 수분함량, pH, EC, 양이온과 음이온의 농도를 측정하였다. 본 연구에서는 처리기간에 따른 염류의 제거율 및 경향을 평가하기 위하여 14일(EXP1), 21일(EXP2), 28일(EXP3) 동안 수행하였다.
- pH와 EC는 pH/ISE meter (Istek 735K, Korea)와 conductivity meter (Istek, 455C, Korea)를 이용하여 분석에 사용하였다. 수용성 음이온을 측정하기 위하여 고액비를 1:5로 하여 1시간 동안 진탕한 후 거름종이(5B)로 여과하여 그 상등액을 IC(Ion chromatography, Futecs, Korea)를 이용하여 분석하였다. 치환성 양이온의 추출은 1 N NH4OAc(CH3COONH4)용액의 pH를 7로 조절하여 사용하였고, 토양 5 g(건조중량)과 NH4OAc 50 mL을 섞어 1시간 동안 진탕한 후 5B거름종이로 여과하여 여과액을 ICP-OES (Inductively Coupled PlasmaOptical Emission Spectrometer, 730-ES, Varian, USA)를 이용하여 분석하였다.
- 양극실에 순환펌프를 이용하여 수돗물 1L를 일정한 속도로 순환시켜 주었고, 전기삼투흐름(electro-osmotic flow, EOF)이 발생하면 음극실의 위쪽에서 월류 할 수 있도록 설계하였고, 초기에 약 65 mL의 수돗물을 음극실에 채웠다. 수위 차에 의한 영향을 최소화하기 위하여 반응기의 수평을 맞춘 후 이리듐(IrO2)이 코팅된 티타늄 전극을 양극 및 음극에 설치하고 전극을 직류전원공급기(0-60 V, 0-1.5 A,)에 연결하여 전기동력학적 정화 실험을 수행하였다.
- 실험이 진행되는 동안 전류변화를 데이터 로거(LOGGER GL220, GRAPHTEC Corporation, German)를 이용하여 10분 간격으로 측정하였고, 양극순환수와 EOF를 측정하였다. 실험 종료 후, 토양실의 토양을 균등하게 10등분하여 수분함량, pH, EC, 양이온과 음이온의 농도를 측정하였다. 본 연구에서는 처리기간에 따른 염류의 제거율 및 경향을 평가하기 위하여 14일(EXP1), 21일(EXP2), 28일(EXP3) 동안 수행하였다.
- 실험에 사용한 반응기의 크기는 W 4 × H 4 × L 20 cm였으며, 반응기 토양실에 함수율을 증류수로 약 25%로 조절한 염류토양을 채웠고 전극은 토양 양 끝에 위치한 전극실에 설치하였다.
- 실험이 종료된 후에 균일하게 10등분한 토양을 105℃에서 4시간 이상 건조 시킨 후 수분함량을 측정하였다. 토양오염공정시험기준에 따라 토양 5 g(건조중량)에 25 mL의 증류수를 가하여 (고액비 1 : 5) 실온에서 1시간 동안 진탕한 후 거름종이(5B)로 여과하여 그 여과액의 pH 및 EC를 측정하였다.
- 각 실험은 1 V/cm의 직류 정전압 조건에서 실시하였고, 전해질로서 수돗물을 사용하였다. 실험이 진행되는 동안 전류변화를 데이터 로거(LOGGER GL220, GRAPHTEC Corporation, German)를 이용하여 10분 간격으로 측정하였고, 양극순환수와 EOF를 측정하였다. 실험 종료 후, 토양실의 토양을 균등하게 10등분하여 수분함량, pH, EC, 양이온과 음이온의 농도를 측정하였다.
- 토양실과 전극실의 경계에는 거름종이(5B, Advantec, japan)를 사용하여 토양의 유실 및 침투를 방지하였다. 양극실에 순환펌프를 이용하여 수돗물 1L를 일정한 속도로 순환시켜 주었고, 전기삼투흐름(electro-osmotic flow, EOF)이 발생하면 음극실의 위쪽에서 월류 할 수 있도록 설계하였고, 초기에 약 65 mL의 수돗물을 음극실에 채웠다. 수위 차에 의한 영향을 최소화하기 위하여 반응기의 수평을 맞춘 후 이리듐(IrO2)이 코팅된 티타늄 전극을 양극 및 음극에 설치하고 전극을 직류전원공급기(0-60 V, 0-1.
- 수용성 음이온을 측정하기 위하여 고액비를 1:5로 하여 1시간 동안 진탕한 후 거름종이(5B)로 여과하여 그 상등액을 IC(Ion chromatography, Futecs, Korea)를 이용하여 분석하였다. 치환성 양이온의 추출은 1 N NH4OAc(CH3COONH4)용액의 pH를 7로 조절하여 사용하였고, 토양 5 g(건조중량)과 NH4OAc 50 mL을 섞어 1시간 동안 진탕한 후 5B거름종이로 여과하여 여과액을 ICP-OES (Inductively Coupled PlasmaOptical Emission Spectrometer, 730-ES, Varian, USA)를 이용하여 분석하였다.
- 실험에 사용한 반응기의 크기는 W 4 × H 4 × L 20 cm였으며, 반응기 토양실에 함수율을 증류수로 약 25%로 조절한 염류토양을 채웠고 전극은 토양 양 끝에 위치한 전극실에 설치하였다. 토양실과 전극실의 경계에는 거름종이(5B, Advantec, japan)를 사용하여 토양의 유실 및 침투를 방지하였다. 양극실에 순환펌프를 이용하여 수돗물 1L를 일정한 속도로 순환시켜 주었고, 전기삼투흐름(electro-osmotic flow, EOF)이 발생하면 음극실의 위쪽에서 월류 할 수 있도록 설계하였고, 초기에 약 65 mL의 수돗물을 음극실에 채웠다.
- 실험이 종료된 후에 균일하게 10등분한 토양을 105℃에서 4시간 이상 건조 시킨 후 수분함량을 측정하였다. 토양오염공정시험기준에 따라 토양 5 g(건조중량)에 25 mL의 증류수를 가하여 (고액비 1 : 5) 실온에서 1시간 동안 진탕한 후 거름종이(5B)로 여과하여 그 여과액의 pH 및 EC를 측정하였다. pH와 EC는 pH/ISE meter (Istek 735K, Korea)와 conductivity meter (Istek, 455C, Korea)를 이용하여 분석에 사용하였다.
대상 데이터
- 각 실험은 1 V/cm의 직류 정전압 조건에서 실시하였고, 전해질로서 수돗물을 사용하였다. 실험이 진행되는 동안 전류변화를 데이터 로거(LOGGER GL220, GRAPHTEC Corporation, German)를 이용하여 10분 간격으로 측정하였고, 양극순환수와 EOF를 측정하였다.
- 본 연구에서 사용한 토양은 경북 구미 지역의 염류 장애가 발생하고 있는 시설재배지 표토층(0-20 cm)을 채취하여 이용하였으며, 토양의 물리화학적 특성을 분석한 결과를 Table 1에 정리하였다. 토양은 염류집적의 지표인 전기전도도(Electric conductivity, EC)가 약 19.
- 또한 처리 기간이 길어질수록 제거율이 낮아지는 경향을 나타냈다. 실험에 사용한 토양은 참외 시설 재배지에서 채취하였는데, 참외 재배시에는 질소 성분의 비료를 주로 사용한다. 따라서 토양에 포함된 황산염은 화학비료와 같은 인위적인 원인보다는 자연유래인 것으로 판단된다.
데이터처리
- 6와 7에 각각 도시하였으며, Table 2에 각 이온의 평균 제거율을 표시하였다. 평균제거율은 실험 후 10등분한 이온의 농도를 초기농도 대비 제거율을 구하여 전체적인 평균값으로 평균제거율을 구하였다. 결과에서 나타난 봐와 같이 실험 기간에 따른 염류의 제거율 및 제거 경향의 차이는 뚜렷이 관찰되지 않았다.
성능/효과
- 8은 전기역학적 정화 후 토양의 각 구간별 전기전도도를 측정하여 나타낸 것이다. EXP.1, EXP.2, EXP.3의 처리기간에 따른 전기전도도의 감소는 각각 61.6%, 64.4%, 62.4%로 큰 차이가 없었다. 잔류토양의 전기전도도와 SO43−의 분포가 유사하기 때문에 잔류토양에서의 전기전도도는 황산염에 의한 영향이 가장 큰 것으로 판단된다.
- 시간이 지날수록 토양 중 이온의 탈착과 함께 이온의 이동과 전기 삼투에 의해 토양에서 이온성 물질이 제거되면서 저항이 증가하게 되고 이로 인해 전류는 서서히 감소하는 경향을 보였다. 결과적으로, 정전압 하에서 전류의 감소는 토양공극수에서 이온성 물질의 농도 감소에 대한 간접적인 증거가 되며, 염류집적 토양에서 염류의 지속적인 제거를 의미한다.
- 토양의 특성에 따라 정전압하에서의 실험은 전류값이 다르게 측정되며, 동일한 토양이라 하더라도 토양의 압밀정도에 따라 그 차이가 크다. 본 연구에서 2주와 4주 실험결과를 비교해보면, 전력소비량은 약 2배정도 차이를 보였지만 처리기간이 증가해도 전체적인 전기전도도 감소는 비슷하기 때문에 2주 이상 처리를 하는 것은 효과적이지 않은 것으로 판단된다.
- 본 연구에서 사용한 수돗물 중 염소이온의 분석 결과 농도가 21.5 mg/l이었는데, 전해질 순환에 의하여 처리기간이 길어질수록 수돗물에 함유된 Cl−가 토양에 잔류하여 Cl−의 제거에 영향을 미친 것으로 판단된다.
- 본 연구에서 전류변화와 전기삼투흐름 결과를 비교해보면, 초기에 160시간까지의 전류변화가 급격하게 증가하는 경향을 보였는데, 마찬가지로 전기삼투흐름도 급격히 증가하는 것을 알 수 있다. 따라서 초기 160시간까지의 급격한 전기삼투흐름의 증가는 전류의 증가에 의한 영향으로 판단된다.
- SO42−는 선행 연구결과에서는 처리 기간이 짧아 이온의 제거율이 상대적으로 약 19% 정도로 낮았다. 본 연구에서는 처리기간을 2배 증가하였을 때 약 68%정도 높아졌다. 실험에 사용한 토양에 황산염의 상대적인 농도와 존재형태로 인한 차이점으로 판단된다.
- 토양 표면에 흡착되어 있던 이온들이 전기장 하에서 탈착되어 토양공극수로 이동하기 때문에 공극수 내의 이온농도가 높아지고 전기전도도가 증가하여 전류가 증가하였다. 시간이 지날수록 토양 중 이온의 탈착과 함께 이온의 이동과 전기 삼투에 의해 토양에서 이온성 물질이 제거되면서 저항이 증가하게 되고 이로 인해 전류는 서서히 감소하는 경향을 보였다. 결과적으로, 정전압 하에서 전류의 감소는 토양공극수에서 이온성 물질의 농도 감소에 대한 간접적인 증거가 되며, 염류집적 토양에서 염류의 지속적인 제거를 의미한다.
- 8배 빠르므로(이현호 외, 2003) 반응기내에서 양극에서 음극으로 약 2/3 지점에서 pH의 분포가 급격하게 변화되는 현상을 볼 수 있었다. 실험 종료 후, 반응기의 양극에서 음극까지 거리를 1이라할 때 반응기의 양극으로부터 0.7-0.8구간에서 토양의 수분이 거의 없고 딱딱해지는 현상을 볼 수 있었다. 이는 앞서 설명한바와 같이 전기삼투흐름이 전해질의 제타전위에 비례하는데, 제타전위는 전해질의 pH에 따라서 낮은 pH에는 +값을 가지고 높은 pH에서는 –값을 가진다.
- 실험결과 기간에 따른 염류 전기전도도 감소에는 크게 차이가 없었으며, 처리기간이 증가하면 Cl−는 3주차에는 감소한 것은 전해질의 재유입된 것으로 보인다.
- Ca2+는 전기삼투흐름과 전기이동의 방향이 동일하기 때문에 토양에서 탈착된 후 전기이동과 전기삼투에 의해 이동하는 것으로 보인다. 양극부근에서 낮은 pH로 인하여 토양에서 공극수로의 탈착이 증가하고 이후 전기이동과 전기 삼투 현상에 의해 음극으로 이동하는 경향이 뚜렷이 관찰되었다. 그러나 양극에서 이동한 Ca2+은 음극에서 음극전해질로 제거되지 않고 음극부근에 축적되었다.
- SO42−의 경우에는 실험이 종료된 후에 반응기 중앙으로 집적되는 결과를 보였으며, 결과적으로 SO42−와 Ca2+의 영향으로 인해 전기전도도의 평균 감소는 크게 높지 않은 것으로 판단된다. 전력 소비량을 비교해 보면 처리기간이 길어질수록 전력 소비량이 증가하는 것을 볼 수 있는데, 전기역학적 정화공법의 적용 시 전력소비량은 공정비용 중 가장 큰 비중을 차지하기 때문에 본 연구결과 전력소비량과 전기전도도 감소 효율 측면을 고려하면 2주간의 실험이 가장 효율적인 것으로 판단된다. 본 연구결과를 바탕으로 토양의 염의 제거율 향상과 전기전도도 기준의 충족을 위한 추가적인 연구의 수행이 필요할 것으로 판단된다.
- 2에 나타내었다. 전류값은 초기부터 30시간까지 급격하게 증가하여 8~11 mA의 높은 값을 유지하다가 48시간 이후부터는 감소하여 2주 뒤부터는 2 mA 이하로 떨어져 지속적으로 감소하는 경향을 보였다. 또한 전기역학적 정화에서 전류-전압의 관계는 Ohm의 법칙으로 설명할 수 있다.
- 처리기간이 길어질수록 Ca2+는 제거율이 증가하였고 상대적으로 이동성이 좋은 NO3−와 Na+는 처리기간의 증가에 관계없이 2주 안에 높은 제거율을 얻을 수 있었다.
- 본 연구에서 사용한 토양은 경북 구미 지역의 염류 장애가 발생하고 있는 시설재배지 표토층(0-20 cm)을 채취하여 이용하였으며, 토양의 물리화학적 특성을 분석한 결과를 Table 1에 정리하였다. 토양은 염류집적의 지표인 전기전도도(Electric conductivity, EC)가 약 19.8 dS/m 정도로 아주 높아 작물생육이 불가능 한 상태였으며, 특히 음이온과 양이온의 초기 농도가 매우 높은 전형적인 염류 집적토양으로 미사가 65% 이상 분포하는 미사질 양토로 분류되었다.
- , 1995). 토양의 pH가 급격히 변하는 구간에서 처리기간이 길어질수록 수분이 낮아짐에 따라 염류의 이동성이 떨어져 축적되는 것을 볼 수 있었고, 기간이 짧은 2주는 그 영향을 적게 받아서 음극근처에서 적게 집적되고, 양극근처에서 많이 집적되는 것을 볼 수 있었다. 본 연구에서 사용한 수돗물 중 염소이온의 분석 결과 농도가 21.
후속연구
- 전력 소비량을 비교해 보면 처리기간이 길어질수록 전력 소비량이 증가하는 것을 볼 수 있는데, 전기역학적 정화공법의 적용 시 전력소비량은 공정비용 중 가장 큰 비중을 차지하기 때문에 본 연구결과 전력소비량과 전기전도도 감소 효율 측면을 고려하면 2주간의 실험이 가장 효율적인 것으로 판단된다. 본 연구결과를 바탕으로 토양의 염의 제거율 향상과 전기전도도 기준의 충족을 위한 추가적인 연구의 수행이 필요할 것으로 판단된다.
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