납 동위원소 분석은 국지적 및 지구적 납 오염 특성 해석을 위한 유용한 기법으로 널리 활용되어왔다. 본 연구는 국내 환경 중 납 오염원을 추적하기 위해 주요 배출원별 납 동위원소인벤토리 구축사업의 일환으로 수행되었다. 특히 비철금속 제련시설은 가장 중요한 인위적 납 오염원으로 알려져 있으며, 본 연구에서는 국내에서 가동 중인 아연 (2 개 시설), 납 및 구리 제련시설에서의 납 동위원소의 유입 및 배출특성을 조사하였다. 각 제련시설에서 사용 중인 정광, 슬러지 및 폐수, 배출가스, 부산물로 생산되는 황산 및 제련된 금속제품 중의 납 농도와 납 동위원소 조성을 조사하였다. 아연 제련시설에서의 아연광석의 납 동위원소 분포는 1.179~1.198의 높은 $^{206}Pb/^{207}Pb$ 값을, 아연 제련시설에서 배출되는 배출가스, 제품, 폐기물 등은 1.105~1.147의 낮은 $^{206}Pb/^{207}Pb$ 값을 나타냈다. 국내 수입되는 아연광석은 주로 호주 및 페루 등이 주요 산지로서, 아연 제련시설에서 배출되는 물질들의 납 동위원소 분포는 중남미산 광석 및 호주산 광석의 납 동위원소 비율이 혼합된 것으로 추정되었다. 납 제련시설에서 배출되는 납 동위원소 패턴은 호주산 광석 및 중남미산 광석의 혼합 형태를 보이며, 구리 제련시설은 중남미 지역의 광석패턴을 따르는 것으로 추정되었다.
납 동위원소 분석은 국지적 및 지구적 납 오염 특성 해석을 위한 유용한 기법으로 널리 활용되어왔다. 본 연구는 국내 환경 중 납 오염원을 추적하기 위해 주요 배출원별 납 동위원소 인벤토리 구축사업의 일환으로 수행되었다. 특히 비철금속 제련시설은 가장 중요한 인위적 납 오염원으로 알려져 있으며, 본 연구에서는 국내에서 가동 중인 아연 (2 개 시설), 납 및 구리 제련시설에서의 납 동위원소의 유입 및 배출특성을 조사하였다. 각 제련시설에서 사용 중인 정광, 슬러지 및 폐수, 배출가스, 부산물로 생산되는 황산 및 제련된 금속제품 중의 납 농도와 납 동위원소 조성을 조사하였다. 아연 제련시설에서의 아연광석의 납 동위원소 분포는 1.179~1.198의 높은 $^{206}Pb/^{207}Pb$ 값을, 아연 제련시설에서 배출되는 배출가스, 제품, 폐기물 등은 1.105~1.147의 낮은 $^{206}Pb/^{207}Pb$ 값을 나타냈다. 국내 수입되는 아연광석은 주로 호주 및 페루 등이 주요 산지로서, 아연 제련시설에서 배출되는 물질들의 납 동위원소 분포는 중남미산 광석 및 호주산 광석의 납 동위원소 비율이 혼합된 것으로 추정되었다. 납 제련시설에서 배출되는 납 동위원소 패턴은 호주산 광석 및 중남미산 광석의 혼합 형태를 보이며, 구리 제련시설은 중남미 지역의 광석패턴을 따르는 것으로 추정되었다.
This study was conducted to build up the inventories of Pb isotopic compositions of major Pb pollution sources in South Korea. Since non-ferrous metal smelters are one of major anthropogenic sources, two smelters for zinc, each one of smelter for lead and copper were selected for the study. The Pb c...
This study was conducted to build up the inventories of Pb isotopic compositions of major Pb pollution sources in South Korea. Since non-ferrous metal smelters are one of major anthropogenic sources, two smelters for zinc, each one of smelter for lead and copper were selected for the study. The Pb concentrations and isotopic compositions of metal ores, wastewater, sludge, metal rod and produced sulfuric acid were analysed to understand the Pb isotopic patterns in environment. The isotopic ratio, $^{206}Pb/^{207}Pb$, of zinc ores from zinc smelter were in the range of 1.179~1.198 and the ratio of waste, flue gas and products samples were 1.105~1.147. This results implied that the isotopic patterns of output samples showed mixing patterns between two distinct metal ore soerces. In 2011, major importing countries of zinc ore were Australia, Peru and Mexico. Thus Pb isotopic patterns from zinc smelter is originated from the mixing patterns between less radiogenic Australian ores and more radiogenic South America's ores. Lead smelters also showed the same mixing patterns with those of zinc smelters. However copper smelter showed same Pb isotopic patterns with more radiogenic South America's ores.
This study was conducted to build up the inventories of Pb isotopic compositions of major Pb pollution sources in South Korea. Since non-ferrous metal smelters are one of major anthropogenic sources, two smelters for zinc, each one of smelter for lead and copper were selected for the study. The Pb concentrations and isotopic compositions of metal ores, wastewater, sludge, metal rod and produced sulfuric acid were analysed to understand the Pb isotopic patterns in environment. The isotopic ratio, $^{206}Pb/^{207}Pb$, of zinc ores from zinc smelter were in the range of 1.179~1.198 and the ratio of waste, flue gas and products samples were 1.105~1.147. This results implied that the isotopic patterns of output samples showed mixing patterns between two distinct metal ore soerces. In 2011, major importing countries of zinc ore were Australia, Peru and Mexico. Thus Pb isotopic patterns from zinc smelter is originated from the mixing patterns between less radiogenic Australian ores and more radiogenic South America's ores. Lead smelters also showed the same mixing patterns with those of zinc smelters. However copper smelter showed same Pb isotopic patterns with more radiogenic South America's ores.
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문제 정의
국내 환경 중 납 오염특성을 파악하기 위하여, 아연, 납 및 구리 제련시설에서의 원광석, 배출가스, 폐기물 및 제품 중의 납 농도 및 납 동위원소 조성을 조사하였다.
따라서 본 연구에서는 국내 비철금속 생산으로부터의 납 배출특성을 파악하기 위하여 주요 납 배출원인 비철금속 제련시설에서의 납 동위원소 유입 및 배출 특성을 조사하였다.
본 연구는 납 동위원소를 이용한 납 오염원 추적을 위해 국내 주요 배출원의 납 동위원소 데이터베이스 구축을 위해 수행되었다. 특히 납에는 광석의 생성 시기와 광상구에 따라 동위원소의 비율이 변하는 방사기원 동위원소들이 존재하며, 이로부터 납 광석 등은 산지에 따라 고유의 동위원소 비를 갖게 된다.
본 연구에서는 환경 중 납 오염원의 추적을 위하여 국내 주요 납 배출원으로 알려진 비철금속(납, 아연 및 구리) 제련시설에서의 원광석, 배출가스, 폐기물 및 제품 중의 납 농도 및 납 동위원소 조성을 조사하였다. 아연 및 납 광석의 206Pb/207Pb값은 각각 1.
제안 방법
납 동위원소(204Pb, 206Pb, 207Pb, 208Pb)는 총 9 개 검출기 중 center faraday 검출기를 기준으로 왼쪽에 위치한 L1 검출기로 204Pb를 측정하며, 오른쪽에 위치한 H1, H2, H3사용하여 206Pb, 207Pb, 208Pb를 측정하였다. 또한 시료에 첨가한 203Tl과 205Tl은 각각 L2와 center 검출기로 측정하며, 204Pb에 중첩되는 204Hg의 간섭을 보정하기 위해 204Hg 동위원소인 202Hg를 측정하였다, Pb 동위원소 표준물질로는 NIST SRM 981을 사용하였다.
최종적으로 1% 질산용액으로 20 g을 만들어, EPA 시험방법 3051에 따라 ICP-OES(Optimer 5000DV, Perkin Elmer, USA)로 납 화합물을 분석하였다. 이후 이 용액을 다시 20 배 희석하고 여기에 질량분별을 보정하기 위해 Thallium (Tl)을 spike하여 고분해능 다중채널검출기 유도결합플라즈마 질량분석기(Multi-collector Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometer, MC-ICP-MS)로 납 동위원소를 분석하였다.6
채취한 시료는 동결건조 후 막자사발을 이용해 균질화 하였으며 균질화된 시료에서 0.2 g 정도를 정확히 취해 테플론 분해 용기(Teflon digestion vessel, Savillex, USA)에 넣고 혼합산(HF+HNO3+HClO4)을 이용하여 분해하였다. 최종적으로 1% 질산용액으로 20 g을 만들어, EPA 시험방법 3051에 따라 ICP-OES(Optimer 5000DV, Perkin Elmer, USA)로 납 화합물을 분석하였다.
Pb를 측정하였다. 또한 시료에 첨가한 203Tl과 205Tl은 각각 L2와 center 검출기로 측정하며, 204Pb에 중첩되는 204Hg의 간섭을 보정하기 위해 204Hg 동위원소인 202Hg를 측정하였다, Pb 동위원소 표준물질로는 NIST SRM 981을 사용하였다. Table 2과 Table 3에 각각 기기측정조건과 Pb 동위원소 측정의 검출기 배열을 표시하였다.
현재 국내에는 아연제련 2 개 시설, 납 제련 1 개 시설 및 구리 제련 1 개 시설이 있으며, 본 조사에서는 이들 시설을 조사 대상 시설로 선정하였다. 선정된 시설별로 원광석, 부원료, 배출가스, 슬러지 및 폐수 등과 함께 아연괴 및 납괴 등의 제품과 부산물로 생산되는 황산 등을 채취하였다. 조사대상 시설별 시료채취 내역을 Table 1에 제시하였다.
조사 대상시설은 비철금속 제련시설 중 납, 아연 및 구리의 1차 제련 시설로 선정하였다. 현재 국내에는 아연제련 2 개 시설, 납 제련 1 개 시설 및 구리 제련 1 개 시설이 있으며, 본 조사에서는 이들 시설을 조사 대상 시설로 선정하였다.
조사 대상시설은 비철금속 제련시설 중 납, 아연 및 구리의 1차 제련 시설로 선정하였다. 현재 국내에는 아연제련 2 개 시설, 납 제련 1 개 시설 및 구리 제련 1 개 시설이 있으며, 본 조사에서는 이들 시설을 조사 대상 시설로 선정하였다. 선정된 시설별로 원광석, 부원료, 배출가스, 슬러지 및 폐수 등과 함께 아연괴 및 납괴 등의 제품과 부산물로 생산되는 황산 등을 채취하였다.
이론/모형
2 g 정도를 정확히 취해 테플론 분해 용기(Teflon digestion vessel, Savillex, USA)에 넣고 혼합산(HF+HNO3+HClO4)을 이용하여 분해하였다. 최종적으로 1% 질산용액으로 20 g을 만들어, EPA 시험방법 3051에 따라 ICP-OES(Optimer 5000DV, Perkin Elmer, USA)로 납 화합물을 분석하였다. 이후 이 용액을 다시 20 배 희석하고 여기에 질량분별을 보정하기 위해 Thallium (Tl)을 spike하여 고분해능 다중채널검출기 유도결합플라즈마 질량분석기(Multi-collector Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometer, MC-ICP-MS)로 납 동위원소를 분석하였다.
성능/효과
기존 연구결과에서 납 및 아연 제련 등 비철금속 제련에 의한 납 동위원소 배출 특성은 1 차 제련의 경우는, 납 동위원소가 제련과정 중 분별작용이 거의 일어나지 않거나, 그 영향이 미미하여, 광석 중의 납 동위원소 비율을 그대로 반영하는 것으로 알려져 있다.5 따라서 제련시설에서 배출 물질들의 납 동위원소 분포는 유입 광석 중의 납 동위원소 분포 특성을 반영하여야 한다는 면에서 본 연구에서 조사된 아연 광석 이외에 추가적인 타 지역의 아연 광석이 사용된 것으로 추정할 수 있었다.
기존 연구결과에서 일반적으로 중국의 납 광석은 본 연구결과보다 다소 낮은 1.025~1.106의 206Pb/207Pb값을 나타내는 것으로 확인되어,12 추후 국내 대기 환경 중 납 오염원 조사 시, 중국의 비철제련과 국내 비철제련으로부터의 납 오염 특성의 구분이 어느 정도 가능할 수 있을 것으로 추정되었다.
한국무역협회의 통계자료에 따르면, 납 광석 또한 호주 뿐 아니라, 페루와 볼리비아 등 남미 지력에서부터 대부분 수입되는 것으로 확인되었다. 따라서 납 제련시설에서 배출되는 배출물질의 납 동위원소 조성 분포도 호주산 광석 및 중남미산 광석의 혼합 형태를 보이는 것으로 추정할 수 있었다.
250에 비해 낮은 값을 갖는 것으로 나타났다. 이로부터 토양 등의 환경 매체에서 과거의 국내 납 광석에 의한 비철금속 제련과 현재 수입광석에 의한 비철금속 제련으로부터의 오염특성의 구분이 가능할 수 있을 것으로 추정되었다.
제련 납 금속 소비량은 중국 4,632천 톤(45%), 유럽 1,626천 톤(16%), 미국 1,578천 톤(15%), 인도 448천 톤(4%) 및 한국 384천 톤(4%) 이었다. 전 세계 제련 납 생산량 중 2차 납 제련량이 1차 납 제련량 보다 약 12% 많으며, 특히 중국은 1차 납 제련량이 전체 제련량의 약 68%를 차지하였으나, 미국은 2차 납 제련량이 전체 제련량의 91%를, 유럽은 69%, 일본은 98%를 차지하는 것으로 나타났다.2
조사된 비철금속 제련시설에서 납 농도 및 매체별 배출량을 조사한 결과, 대기로의 납 배출은 1% 미만으로 나타났으며, 대부분의 납은 납 괴 등과 같은 제품 및 슬러지 등과 같은 폐기물로 환경 중으로 배출 되는 것으로 확인되었다. 특히 슬러지로의 배출량은 100여 톤 이상으로, 비철금속 제련시설에서 배출되는 대부분의 슬러지는 지정폐기물 매립시설로 유입되는 것으로 알려져 있다.
특히 아연 제련시설의 카드뮴 제조공정은 1.105의 낮은 206Pb/207Pb값을 보였으며, 구리 제련시설은 1.184의 높은 206Pb/207Pb값을 가져, 다른 시설과 구분 되는 배출가스 중 납 동위원소 분포를 보였다.
후속연구
따라서 최근에는 대기 입자 중의 납 동위원소와 함께 스트론튬, 아연 등의 다른 원소들의 동위원소들을 함께 분석하여, 발생원을 추적하는 연구가 진행되고 있다. 13 따라서 우리나라는 최대 납 배출국인 중국의 인접 국가로서, 국내 납 오염원에 대한 체계적 조사와 함께, 대기 입자 중의 다중 원소들에 대한 동위원소 특성 연구 등을 통한 납 오염 기원 추적 연구가 빠른 시일 내에 이루어져야 할 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
납 동위원소 분석은 어디에 활용되었는가?
납 동위원소 분석은 국지적 및 지구적 납 오염 특성 해석을 위한 유용한 기법으로 널리 활용되어왔다. 본 연구는 국내 환경 중 납 오염원을 추적하기 위해 주요 배출원별 납 동위원소 인벤토리 구축사업의 일환으로 수행되었다.
납은 주로 어디에 함유되어 있는가?
납은 지각 중에 존재하는 원소로서 특히 은, 아연, 구리 및 금광석 중에 함유되어 있으며 전체 생산량의 30% 정도가 아연-납 광석에서 생산된다. 현재 40개국 이상이 납을 생산하고 있으며 2011년 기준 납 채광량은 4,616천 톤, 제련 납 금속 생산량은 10,372천 톤, 소비량은 10,216천 톤이다.
납 채광량이 가장 많은 나라와 비율은?
현재 40개국 이상이 납을 생산하고 있으며 2011년 기준 납 채광량은 4,616천 톤, 제련 납 금속 생산량은 10,372천 톤, 소비량은 10,216천 톤이다. 중국이 전체 채광량의 51%를 차지, 호주 12%, 유럽 8% 미국 7%, 페루 및 멕시코가 각 5%를 차지하였다. 2010년 대비 채광량은 약 9.
참고문헌 (13)
UNEP. Final review of scientific information on lead (2010).
ILZSG, http://www.ilzsg.org, Press release, Feb 2011.
http:sodac.nier.go.kr/index.do
C. Cloquet, J. Carignan, G. Libourel, T. Sterckeman and E. Perdrix, Environ. Sci. Technol., 40(8), 2525-2530 (2006).
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