[논문]하천 퇴적물의 입자크기에 따른 불소의 흡착 특성

김채림; 오종민

doi:10.11614/ksl.2016.49.4.289

하천 퇴적물의 입자크기에 따른 불소의 흡착 특성
Effect of Particle Size of Sediment on Adsorption of Fluoride 원문보기

생태와 환경 = Korean journal of ecology and environment, v.49 no.4, 2016년, pp.289 - 295

김채림 (경희대학교 환경응용과학부) , 오종민 (경희대학교 환경학 및 환경공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

The purpose of this study is to find out the effect of particle size of sediment on adsorption of fluoride. Particle size is classified as sand, silt and clay. Adsorption equilibrium time, adsorption isotherms and the effect of pH were investigated through batch tests. The $pH_{pzc}$ of sand, silt, clay was respectively 6, 8, 4.5 and AEC (anion exchange capacity) was highest in silt, respectively 0.0095, 0.0224, $0.014meq\;g^{-1}$. Adsorption of fluoride on the sediment was in equilibrium within 300 minutes from all particle size. The experimental data of isotherms at various pH were well explained by Freundlich equation. As the experimental results of the effect of pH, the adsorption efficiency of sand and silt were reduced after the $pH_{pzc}$. However, the adsorption efficiency of clay was maintained after the $pH_{pzc}$, and decreased rapidly higher than pH 12.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 하천 퇴적물을 입자 크기에 따라 sand, silt, clay로 나누어 흡착평형도달시간, 등온흡착, pH에 따른 흡착 특성 실험을 진행하여 입자 크기에 따른 불소의 흡착 특성에 대해 알아내고자 하였다. 입자의 크기에 따른 불소의 흡착 특성을 통해 하천의 불소 농도, pH, 하상의 입자분포에 따른 불소의 이동을 예측해 볼 수 있다.
본 연구는 하천 퇴적물을 입자 크기에 따라 sand, silt, clay로 나누어 흡착평형도달시간, 등온흡착, pH에 따른 흡착 특성 실험을 진행하여 입자 크기에 따른 불소의 흡착 특성에 대해 알아내고자 한다. 하천은 유속 등의 조건에 따라 다양한 하상 퇴적물의 입자 분포를 가지고 있다.
하천은 유속 등의 조건에 따라 다양한 하상 퇴적물의 입자 분포를 가지고 있다. 본 연구를 통해 하상의 입자 크기 변화 시 퇴적물의 불소 이동에 대해 예상해 볼 수 있고, 사고로 인한 불소의 다량 유입이나 pH 조건의 변화 시 퇴적물의 불소 농도 변화를 예측해 볼 수 있다.

가설 설정

5 이상에서도 흡착율이 바로 감소하지 않고 유지되는 것으로 나타났다. 이는 pH가 pka보다 낮을 때, 양으로 하전된 토양의 표면은 커지지만 용액 내 음이온 종의 비율이 작아져 음이온의 교환이 줄어들고, 또한 강한 산성에서는 F^-의 일부가 흡착되지 못하고 수용액 내에서 강한 결합력을 지닌 HF (aq)를 형성하여 흡착율이 감소하는 것으로 가정할 수 있다. 유사하게, 높은 pH에서는 용액 내의 음이온의 비율은 증가하지만 음으로 하전된 토양 표면도 증가하게 되어 음이온의 흡착율이 감소할 수 있다(Cornell and Schwertman, 1996).

제안 방법

등온흡착 실험과 동일하게 풍건 퇴적물 2g에 용액 30 mL를(1 : 15 비율) 50 mL conical tube에 넣어 25±1℃에서 교반기를 이용해 반응시켜 평형에 이르도록 하였다. 그 후 현탁액을 원심분리하여 상층액의 불소 농도를 이온전극(ISE meter)으로 측정하였다.
교반시간은 흡착평형도달시간 실험을 근거로 선택하였다. 그 후 현탁액을 원심분리하여 상층액의 불소 농도를 이온전극(ISE meter)을 이용해 측정하였다.
수용성 불소 분석(water soluble F)은 각 시료 2 g에 증류수 30 mL를(1 : 15 비율) 50 mL conical tube에 넣어 25±1℃에서 교반기를 이용해 반응시켜 평형에 이르도록 하였다. 그 후 현탁액을 원심분리하여 상층액의 불소 농도를 이온전극(ISE meter, Thermo scientific ORION STAR A214)으로 측정하였다.
네 가지 pH 조건(3, 5, 7, 10)에서 등온흡착 실험을 실시하였다. 실험 전 용액의 pH를 HCl과 NaOH를 이용하여 조절하였고 불소의 초기 농도를 0.
실험은 흡착평형도달시간, 등온흡착, pH에 따른 흡착 특성 변화 세 가지로 나누어 실시했다. 모든 실험은 실내에서 회분식 흡착 실험으로 수행하였다. 불소용액은 Ultra Scientific사의 불소 표준용액(NaF 1000 mgL^-1)을 희석하여 사용하였다.
불소 용액의 초기 농도를 두 가지(1.05, 5.26 mmol L^-1)로 조절하여 흡착평형도달시간 실험을 진행하였다. 시료 2g에 불소의 초기 농도를 조절한 용액을 각각 30 mL를(1 : 15 비율) 50 mL conical tube에 넣어 25±1℃에서 교반하였다.
불소 흡착에 있어서 pH의 영향을 알아보기 위하여 불소 농도 0.26 mmol L^-1 용액의 pH를 2~12 사이로 조절하여 실험하였다. pH 조절을 위해 HCl과 NaOH를 이용하였다.
불소 흡착에 있어서 pH의 영향을 알아보기 위하여 불소 농도 0.26 mmol L^-1 용액의 pH를 2~12 사이로 조절하여 실험하였다. pH 조절을 위해 HCl과 NaOH를 이용하였다.
수용성 불소 분석(water soluble F)은 각 시료 2 g에 증류수 30 mL를(1 : 15 비율) 50 mL conical tube에 넣어 25±1℃에서 교반기를 이용해 반응시켜 평형에 이르도록 하였다.
시간 경과에 따른 퇴적물에 대한 불소의 흡착 특성을 분석하기 위하여 불소 용액의 초기 농도를 두 가지(1.05, 5.26 mmol L^-1)로 조절하여 흡착평형도달시간 실험을 진행하였다. 실험 결과를 Fig.
시료 2g에 pH와 불소의 초기 농도를 조절한 용액을 각각 30 mL를(1 : 15 비율) 50 mL conical tube에 넣어 25±1℃에서 교반기를 이용해 반응시켜 평형에 이르도록 하였다.
네 가지 pH 조건(3, 5, 7, 10)에서 등온흡착 실험을 실시하였다. 실험 전 용액의 pH를 HCl과 NaOH를 이용하여 조절하였고 불소의 초기 농도를 0.05~1.2 mmol L^-1 사이에서 10가지로 조절하였다. 시료 2g에 pH와 불소의 초기 농도를 조절한 용액을 각각 30 mL를(1 : 15 비율) 50 mL conical tube에 넣어 25±1℃에서 교반기를 이용해 반응시켜 평형에 이르도록 하였다.
실험은 흡착평형도달시간, 등온흡착, pH에 따른 흡착 특성 변화 세 가지로 나누어 실시했다. 모든 실험은 실내에서 회분식 흡착 실험으로 수행하였다.
시료 2g에 불소의 초기 농도를 조절한 용액을 각각 30 mL를(1 : 15 비율) 50 mL conical tube에 넣어 25±1℃에서 교반하였다. 용액의 교반시간은 각각 15, 30, 60, 120, 180, 240, 300분으로 다르게 하였다. 현탁액을 원심분리하여 상층액의 불소 농도를 이온전극(ISE meter)을 이용해 측정하였다.
실험에 사용한 sand와 silt 시료는 경기도에 위치한 중소하천에서 채취하였다. 퇴적물을 두 지점에서 20 kg 정도의 시료를 채취하여 3~4일 동안 그늘지고 통풍이 잘되는 곳에서 상온 건조하였다. 2 mm 체로 거른 후 잘 섞어서 균질화하여 sand 시료로 사용하였고, 0.
퇴적물의 pH를 측정하기 위해 퇴적물과 초순수의 비율을 1 : 10 (5 g : 50 mL)으로 1시간 동안 진탕하여 상등액을 pH미터기로 측정하였다.
퇴적물의 음이온 교환 능력을 측정하기 위해 AEC(anion exchange capacity) 실험을 진행하였다. 풍건 퇴적물 5g을 1 N NH₄Cl 200 mL로 세정하여 음이온을 Cl^- 이온으로 치환시킨다.
용액의 교반시간은 각각 15, 30, 60, 120, 180, 240, 300분으로 다르게 하였다. 현탁액을 원심분리하여 상층액의 불소 농도를 이온전극(ISE meter)을 이용해 측정하였다.

대상 데이터

퇴적물을 두 지점에서 20 kg 정도의 시료를 채취하여 3~4일 동안 그늘지고 통풍이 잘되는 곳에서 상온 건조하였다. 2 mm 체로 거른 후 잘 섞어서 균질화하여 sand 시료로 사용하였고, 0.025 mm 체로 습식 거름을 하여 건조 후 silt 시료로 사용하였다.
Clay 시료는 우리나라 토양의 대표적인 점토광물인 카올린(kaolin, H2Al2Si2O8 · H2O)을 사용하였다.
모든 실험은 실내에서 회분식 흡착 실험으로 수행하였다. 불소용액은 Ultra Scientific사의 불소 표준용액(NaF 1000 mgL^-1)을 희석하여 사용하였다. 실험의 조건을 Table 1에 나타내었다.
실험에 사용한 sand와 silt 시료는 경기도에 위치한 중소하천에서 채취하였다. 퇴적물을 두 지점에서 20 kg 정도의 시료를 채취하여 3~4일 동안 그늘지고 통풍이 잘되는 곳에서 상온 건조하였다.

이론/모형

퇴적물의 pH_pzc는 전위차적정법(potentiometric titration) 방법으로 측정하였고, 실험 과정은 다음과 같다. 퇴적물 시료 2.

성능/효과

0095 meq g^-1으로 나타났다. Silt에 대한 음이온교환능력을 특정한 결과 0.0224 meq g^-1으로 sand에 비해 약 2.4배 강한 음이온교환 능력을 가지고 있는 것으로 알려졌다. 이는 silt의 표면적이 sand의 표면적에 비해 크기 때문이라 예상된다.
등온흡착 실험 결과 모두 Freundlich식에 잘 맞았고, sand와 silt는 pH 3에서 clay는 pH 10에서 최대 흡착량을 보였다. pH 에 따른 흡착 특성 실험 결과 sand와 silt는 pH_pzc 이후로 흡착율이 감소하는 반면 clay의 경우 pH_pzc인 4.5 이후로도 흡착율이 유지되다 pH 12 이후에 급격히 감소하는 것으로 나타났다.
각 시료의 water soluble F 값은 sand는 6.61 mg kg^-1, silt는 27.58 mg kg^-1, clay는 0.96 mg kg^-1으로 나타났다. 이는 증류수에 토양을 넣고 교반시켰을 때 용출되는 불소의 농도로 시료를 채취한 지점이나 사용한 시료의 종류에 따라 다른 농도를 가지고 있다.
모든 실험 조건에서 용액의 초기 불소 농도가 증가함에 따라 흡착된 불소의 양이 증가했다. 네 가지 pH 조건(3, 5, 7, 10)에서 실시한 결과 sand와 silt의 경우 pH 3에서 최대 흡착량을 보였고, clay의 경우 pH 10에서 최대 흡착량을 보였다. Sand와 silt의 경우 가장 낮은 조건인 pH 3에서 흡착이 더 잘 일어나는 것은 정전기적 인력으로 설명할 수 있다.
하천 퇴적물에서의 불소 흡착은 모든 하상 재료에서 300분 이내에 평형에 도달하였다. 등온흡착 실험 결과 모두 Freundlich식에 잘 맞았고, sand와 silt는 pH 3에서 clay는 pH 10에서 최대 흡착량을 보였다. pH 에 따른 흡착 특성 실험 결과 sand와 silt는 pH_pzc 이후로 흡착율이 감소하는 반면 clay의 경우 pH_pzc인 4.
2에 나타내었다. 모든 실험 조건에서 용액의 초기 불소 농도가 증가함에 따라 흡착된 불소의 양이 증가했다. 네 가지 pH 조건(3, 5, 7, 10)에서 실시한 결과 sand와 silt의 경우 pH 3에서 최대 흡착량을 보였고, clay의 경우 pH 10에서 최대 흡착량을 보였다.
본 연구에 사용한 퇴적물의 특성 파악 결과, pH_pzc는 snad, silt, clay가 각각 6, 8, 4.5로 나타났고 음이온교환능력 AEC는 각각 0.0095, 0.0224, 0.014 meq g^-1으로 silt에서 가장 높게 나타났다. 하천 퇴적물에서의 불소 흡착은 모든 하상 재료에서 300분 이내에 평형에 도달하였다.
그러므로 산성을 띠고 있는 clay 시료가 다른 시료보다 실험 흡착량이 클 것으로 예상된다. 전위차적정법(potentiometric titration)에 따른 pH_pzc는 snad, silt, clay가 각각 6, 8, 4.5로 나타났다.

후속연구

5 mmol kgsoil^-1과최대 10% 흡착율을 보이고 그 이후로 감소하여 pH 7 이상에서는 토양 내 가지고 있던 불소가 오히려 용출되는 것으로 나타났다. 이는 sand 자체가 water soluble F^-를 6.61 mg kg^-1 가지고 있기 때문인 것으로 생각되며 더 정확한 실험을 위해서는 5 mgL^-1보다 고농도 조건의 실험이 필요할 것으로 고려된다. Sand의 pH_pzc는 6으로 pH 6 이하에서 토양 표면은 양전하를 띠고 불소 이온은 음이온으로 존재하기 때문에 주로 정전기 인력에 의한 흡착 반응이 일어난다.
유사하게, 높은 pH에서는 용액 내의 음이온의 비율은 증가하지만 음으로 하전된 토양 표면도 증가하게 되어 음이온의 흡착율이 감소할 수 있다(Cornell and Schwertman, 1996). 정확한 분석을 위해서 각 시료 표면의 구조에 대한 추가적인 연구가 진행되어야 할 것이다.
또한 불소의 탈기, bioflim의 형성 등으로 인한 흡착의 방해 현상에 대한 고려가 필요할 것으로 보인다. 하천 퇴적물에 대한 연구가 미약한 시점에서 본 연구가 국내 하천의 불소 관리와 퇴적물 관리에 기초적인 자료가 되길 기대해 본다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	하천으로 유입되는 다양한 유해물질의 영향은?	산업화에 따른 환경오염 문제가 커지는 가운데 산업폐수 및 생활하수에 의한 하천오염은 우리나라 전역에서 진행되고 있다. 하천으로 유입되는 다양한 유해물질들은 수질을 비롯한 수중생태계 및 하상퇴적물을 오염시켜 환경에 영향을 주고 있다. 하천의 수질은 오염물질의 유입에 따라 단기간에 변하는 반면, 퇴적물은 장기간에 걸쳐 대기, 토양, 수질의 오염물질을 최종적으로 축적하는 특징을 가지고 있다(Lee, 1997).
	할로겐 원소들과 비교한 불소의 성질은?	하천생태계에 영향을 주는 물질 중 불소(fluorine)는 원자번호 9, 원자량 19이며 할로겐 원소군의 하나이다. 할로겐 원소들 중에서도 불소는 전기음성도가 가장 크고, 원자의 크기가 가장 작아 헬륨, 네온, 아르곤을 제외한 모든 원소와 결합해 이온 또는 공유결합 불화물을 만든다. 불화물의 산화수는 -1뿐이며, 불소 이온(F-)의 크기가 작기 때문에 양이온과 결합해 많은 안정한 착화물을 이룬다(Ministry of food and drugs safety, 2010).
	불소가 여러 산업에서 사용되는 예는?	불소는 반응성이 좋아 여러 산업에서 사용 중이다. 치약부터 쥐약, 세라믹, 반도체 공장, 알루미늄 제련, 석탄화력발전 등에서 사용 중이며 특히 국내의 불소 폐수는 전자산업 반도체 및 LCD (liquid crystal display) 제조 공정에서 주로 발생되고 있다. 불산 폐수는 pH 1~3의 산성폐수로, 300~500 mgL-1의 불소를 함유하고 있다.

참고문헌 (11)

Brindley, G.W. and G. Brown. 1980. Crystal structures of clay minerals and their X-ray identification. Mineralogical Society 5: 1-123.
Cornell, R.M. and U. Schwertmann. 2006. The iron oxides: structure, properties, reactions, occurrence and uses. John Wiley & Sons. New Jersey.
Dixon, J.B. 1989. Kaolin and serpentine group minerals. Minerals in Soil Environments 2: 467-525.
Jeong, P.J., M.J. Kim, J.B. Lee, J.Y. Kwon and J.H. Park. 2006. Treatment of high concentration fluoride wastewater by chemical precipitation. Korean Society of Water Quality 06: 139-142.
Kim, G.H., G.Y. Kim, J.G. Kim, D.M. Sa, J.S. Seo, B.Y. Son, J.E. Yang, G.C. Um, S.E. Lee, G.Y. Jeong, Y.T. Jung, J.B. Jung and H.N. Hyeon. 2006. Soil Science. Hyangmunsa. Seoul.
Lee, I.S., S.K. Park, C.K. Shin, J.K. Yoo, I.A. Huh, D.H. Ryu, D.S. Shin, G.H. Hong and W.C. Park. 1997. Inspection for sediments of lakes and streams. National Institute of Environmental Research. Incheon.
Ministry of Environment. 2013. Result of environmental effects. Sejong.
Ministry of food and drugs safety. 2010. Fluoride Risk Profile. Korea Ministry of food and drugs safety. Seoul.
Schulthess, C.P. and C.P. Huang. 1990. Adsorption of heavy metals by silicon and aluminium oxide surfaces on clay minerals. Soil Science Society of America 54: 679-688.

상세보기
Woo, G.N. 2009. Treatment of Fluorine in Semiconductor Wastewater with $CaF_2$ Crystallization Method. Chungbuk national university. Cheongju. p. 6.
http://water.nier.go.kr (Korea Water Information System) 2016.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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