본 연구에서는 강산 및 강염기 유출사고가 발생하였을 때 육상생물의 생육에 영향을 미칠 수 있는 토양특성의 변화를 살펴보았다. 강산과 강염기 화학물질로 HCl과 NaOH을 선정하였으며 이들 물질을 토양과 반응시킨 후 토양의 토성, 비표면적, 유기물함량, pH, 양이온교환능력 및 치환성양이온 함량 변화를 측정하였다. 토양과 반응한 HCl 및 NaOH 농도가 각각 10 M과 1 M인 경우 (즉, 토양 1 g 당 50 mmol의 HCl이나 5 mmol의 NaOH가 유입된 경우) 유의한 수준의 토양 특성 변화가 관찰되었다. 10 M HCl 및 1 M NaOH 용액과 반응한 토양의 토성은 sandy loam에서 loamy sand로 변하였으며, 비표면적은 $5.84m^2/g$에서 각각 4.85 및 $1.92m^2/g$으로 감소하였다. 토양 유기물 함량은 3.23%에서 0.96 및 0.44%로 크게 감소하였으며, 반응 전 pH 5.05로 약산성인 토양의 pH는 각각 2.35 및 10.65로 변하였다. 토양 내 양이온교환능력은 10.27 cmol/kg에서 4.52 및 5.60 cmol/kg으로 크게 감소하였으며 $Na^+$을 제외한 알칼리성 양이온 ($K^+$, $Mg^{2+}$, $Ca^{2+}$)의 함량이 감소하였다. HCl과 반응한 경우 $Na^+$ 함량은 감소, $Al^{3+}$ 함량은 증가하였으나 반대로 NaOH와 반응한 경우 $Na^+$ 함량은 증가, $Al^{3+}$ 함량은 감소하였다. 높은 농도의 $Al^{3+}$과 $Na^+$은 각각 토양생물에게 직접적인 독성을 발현하거나 토양의 투수성을 감소시키고 중탄산염의 농도를 증가시켜 독성을 발현할 수 있다. 본 연구는 강산 및 강염기유출사고로 인하여 변화한 토양특성이 토양의 생태기능에 영향을 줄 수 있음을 보여준다.
본 연구에서는 강산 및 강염기 유출사고가 발생하였을 때 육상생물의 생육에 영향을 미칠 수 있는 토양특성의 변화를 살펴보았다. 강산과 강염기 화학물질로 HCl과 NaOH을 선정하였으며 이들 물질을 토양과 반응시킨 후 토양의 토성, 비표면적, 유기물함량, pH, 양이온교환능력 및 치환성양이온 함량 변화를 측정하였다. 토양과 반응한 HCl 및 NaOH 농도가 각각 10 M과 1 M인 경우 (즉, 토양 1 g 당 50 mmol의 HCl이나 5 mmol의 NaOH가 유입된 경우) 유의한 수준의 토양 특성 변화가 관찰되었다. 10 M HCl 및 1 M NaOH 용액과 반응한 토양의 토성은 sandy loam에서 loamy sand로 변하였으며, 비표면적은 $5.84m^2/g$에서 각각 4.85 및 $1.92m^2/g$으로 감소하였다. 토양 유기물 함량은 3.23%에서 0.96 및 0.44%로 크게 감소하였으며, 반응 전 pH 5.05로 약산성인 토양의 pH는 각각 2.35 및 10.65로 변하였다. 토양 내 양이온교환능력은 10.27 cmol/kg에서 4.52 및 5.60 cmol/kg으로 크게 감소하였으며 $Na^+$을 제외한 알칼리성 양이온 ($K^+$, $Mg^{2+}$, $Ca^{2+}$)의 함량이 감소하였다. HCl과 반응한 경우 $Na^+$ 함량은 감소, $Al^{3+}$ 함량은 증가하였으나 반대로 NaOH와 반응한 경우 $Na^+$ 함량은 증가, $Al^{3+}$ 함량은 감소하였다. 높은 농도의 $Al^{3+}$과 $Na^+$은 각각 토양생물에게 직접적인 독성을 발현하거나 토양의 투수성을 감소시키고 중탄산염의 농도를 증가시켜 독성을 발현할 수 있다. 본 연구는 강산 및 강염기유출사고로 인하여 변화한 토양특성이 토양의 생태기능에 영향을 줄 수 있음을 보여준다.
In this study, changes of soil properties including soil texture, specific surface area, organic matter content, pH, cation exchange capacity and exchangeable cations content were investigated in response to strong acid or base accident. The properties changed significantly when the soil reacted wit...
In this study, changes of soil properties including soil texture, specific surface area, organic matter content, pH, cation exchange capacity and exchangeable cations content were investigated in response to strong acid or base accident. The properties changed significantly when the soil reacted with 10 M HCl or 1 M NaOH (i.e., when one gram of soil received 50 and 5 mmol of HCl or NaOH), respectively. When the soil reacted with 10 M HCl or 1 M NaOH solution, soil texture changed from sandy loam to loamy sand and specific surface areas decreased from $5.84m^2/g$ to 4.85 and $1.92m^2/g$, respectively. The soil organic matter content was reduced from 3.23% to 0.96 and 0.44%, and the soil pH changed from 5.05 to 2.35 and 10.65, respectively. The cation exchange capacity decreased from 10.27 cmol/kg to 4.52 and 5.60 cmol/kg, respectively. Especially, high concentrations of $Al^{3+}$ or $Na^+$ were observed in acidic or basic spills, respectively, which is likely to cause toxicity to terrestrial organisms. The results suggest that restoration of soil properties, as well as soil remediation, needs to be carried out to maintain the soil function in chemical spill sites.
In this study, changes of soil properties including soil texture, specific surface area, organic matter content, pH, cation exchange capacity and exchangeable cations content were investigated in response to strong acid or base accident. The properties changed significantly when the soil reacted with 10 M HCl or 1 M NaOH (i.e., when one gram of soil received 50 and 5 mmol of HCl or NaOH), respectively. When the soil reacted with 10 M HCl or 1 M NaOH solution, soil texture changed from sandy loam to loamy sand and specific surface areas decreased from $5.84m^2/g$ to 4.85 and $1.92m^2/g$, respectively. The soil organic matter content was reduced from 3.23% to 0.96 and 0.44%, and the soil pH changed from 5.05 to 2.35 and 10.65, respectively. The cation exchange capacity decreased from 10.27 cmol/kg to 4.52 and 5.60 cmol/kg, respectively. Especially, high concentrations of $Al^{3+}$ or $Na^+$ were observed in acidic or basic spills, respectively, which is likely to cause toxicity to terrestrial organisms. The results suggest that restoration of soil properties, as well as soil remediation, needs to be carried out to maintain the soil function in chemical spill sites.
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문제 정의
본 연구에서는 강산 및 강염기 물질이 유출되어 토양과 완전히 반응하여 자연 배수된 상황을 모사하고자 하였다. 화학사고 모사를 위하여 토양 50 g과 HCl 용액(0.
따라서 강산이나 강염기로 인한 화학사고가 발생한 경우, 이들 물질의 고유한 유해성으로 인한 인체 및 환경영향 외에도 토양 특성 변화에 의해 유발될 수 있는 영향을 평가하는 방안도 마련되어야 한다. 본 연구에서는 이러한 영향평가 방안의 일환으로 강산이나 강염기 물질이 토양에 유입되었을 때 변할 수 있는 토양의 물리･화학적 특성의 유형을 우선적으로 파악하였다. 이를 위해 본 연구에서는 토양에 강산이나 강염기 물질을 다양한 농도로 주입하고, 농도에 따라 발생할 수 있는 토양의 물리･화학적 특성 변화를 관찰하였다.
본 연구에서는 이러한 영향평가 방안의 일환으로 강산이나 강염기 물질이 토양에 유입되었을 때 변할 수 있는 토양의 물리･화학적 특성의 유형을 우선적으로 파악하였다. 이를 위해 본 연구에서는 토양에 강산이나 강염기 물질을 다양한 농도로 주입하고, 농도에 따라 발생할 수 있는 토양의 물리･화학적 특성 변화를 관찰하였다. 본 연구에서 평가한 토양의 물리･화학적 특성은 토양의 입도 분포, 비표면적, 유기물 함량, pH, 양이온 교환능력 (cation exchange capacity, 이하 CEC), 치환성 양이온 중 알칼리성 양이온 (Na+, Ca2+, Mg2+, K+) 및 알루미늄 (Al3+) 이온 함량이었다.
제안 방법
본 연구에서는 HCl 혹은 NaOH와 화학반응이 일어나기 전후 토양의 물리･화학적 특성을 분석하여 비교하였고, 분석대상 항목은 토양의 입도 분포, 비표면적, 유기물 함량, 토양 pH, CEC, 치환성 양이온 중 Na+, Ca2+, Mg2+, K+ 및 Al3+ 함량이었다. 토양의 입도 분포는 pipette method로 분석하였으며 (Miller and Miller 1987), 토양의 비표면적은 질소흡착에 의한 Brunauer, Emmett and Teller (BET) method로 측정하였다(Brunauer et al.
대상 데이터
본 연구에 사용된 토양은 서울대학교 부근 관악산에서 채취하였다. 채취한 토양을 2 mm로 체거름한 후 풍건하여 상온에 보관하였다.
채취한 토양을 2 mm로 체거름한 후 풍건하여 상온에 보관하였다. 본 연구에서는 개별 물질별로 사고 빈도가 가장 높은 HCl과 NaOH를 강산 및 강염기 화학사고 물질로 선정하였다 (National Institute of Environmental Research 2013).
이론/모형
토양 pH를 측정하기 위하여 토양과 증류수를 고액비 1:5 비율로 하여 한 시간 동안 교반하였으며 30분 동안 정치시킨 후 상등액의 pH를 측정하였다 (Conyers and Davey 1988). 유기물 함량은 Walkley-Black method로 분석하였으며 (Walkley and Black 1934), CEC와 알칼리성 양이온의 함량은 모두 ammonium acetate method (Schollenberger and Simon 1945)로 측정하였다. CEC는 암모늄 이온을 Kjeldahl 증류하여 0.
함량이었다. 토양의 입도 분포는 pipette method로 분석하였으며 (Miller and Miller 1987), 토양의 비표면적은 질소흡착에 의한 Brunauer, Emmett and Teller (BET) method로 측정하였다(Brunauer et al. 1938).
성능/효과
1과 같다. 1M 농도 이하의 HCl 용액과 반응한 토양 유기물 함량은 기존의 함량인 3.23%와 차이가 0.6% 이내였으나, 1 M이하의 NaOH 용액과 반응시킨 토양의 유기물 함량은 HCl 용액과 반응시켰을 때에 비해 상대적으로 차이가 크게 발생하였으며 NaOH 용액의 농도가 1 M일 때에는 유기물 함량이 0.44%까지 감소하는 경향을 보였다. 염기의 경우 fulvic acid와 humic acid를 모두 용해시킬 수 있으므로 상대적으로 낮은 농도의 염기와 반응하여도 토양 유기물 함량은 크게 감소하지만, 산의 경우 fulvic acid만을 용해시킬 수 있기 때문에 염기와 반응한 토양에 비해 유기물 함량 감소 정도가 낮은 것으로 판단된다 (Hillel and Hatfield 2005, Bohn et al.
강산 혹은 강염기와 반응한 토양은 모래의 비율이 증가하며 실트와 점토의 비율이 감소하였고 이로 인하여 토성이 변하였다. 또한 동식물의 영양분인 유기물과 알칼리성 양이온이 감소하였으며 특히 강산과 반응한 토양은 식물독성에 관련된 알루미늄 이온의 함량이 크게 증가하였다. 환경부에 따르면 토양에 강산이나 강염기 물질이 유입된 경우 즉각적인 중화 조치를 취한다(Ministry of Environment 2011).
1). 또한, 강산이나 강염기와 반응한 토양의 치환성 양이온 함량에도 큰 변화가 있었는데, 강산과 반응한 토양의 알칼리성 양이온 함량은 감소하고 알루미늄 이온의 함량이 증가하는 것으로 나타났다 (Table 3). 알칼리성 양이온은 토양생물의 필수 영양소로 사용되는 반면 (Bohn et al.
이를 위해 본 연구에서는 토양에 강산이나 강염기 물질을 다양한 농도로 주입하고, 농도에 따라 발생할 수 있는 토양의 물리･화학적 특성 변화를 관찰하였다. 본 연구에서 평가한 토양의 물리･화학적 특성은 토양의 입도 분포, 비표면적, 유기물 함량, pH, 양이온 교환능력 (cation exchange capacity, 이하 CEC), 치환성 양이온 중 알칼리성 양이온 (Na+, Ca2+, Mg2+, K+) 및 알루미늄 (Al3+) 이온 함량이었다.
본 연구에서는 강산 (HCl)이나 강염기 (NaOH)와 반응한 토양 유기물 함량, pH, 치환성 양이온 함량 등의 변화를 살펴보았으며, 이러한 변화는 모두 육상생물의 생육에 악영향을 미치는 방향으로 진행되는 것으로 판단된다. 강산이나 강염기는 토양 유기물의 구성성분인 humic 및 fulvic acid를 용해시킬 수 있으며 (Bohn et al.
후속연구
토양의 물리･화학적 변화에 따른 토양의 생태기능 변화는 강산이나 강염기 물질이 고유하게 가지고 있는 유해성이 아니기 때문에 ｢화학물질 위해 성평가의 구체적 방법 등에 관한 규정｣에 의해서는 평가되지 않는다. 따라서 강산이나 강염기로 인한 화학사고가 발생한 경우, 이들 물질의 고유한 유해성으로 인한 인체 및 환경영향 외에도 토양 특성 변화에 의해 유발될 수 있는 영향을 평가하는 방안도 마련되어야 한다. 본 연구에서는 이러한 영향평가 방안의 일환으로 강산이나 강염기 물질이 토양에 유입되었을 때 변할 수 있는 토양의 물리･화학적 특성의 유형을 우선적으로 파악하였다.
그렇지만 이러한 중화 조치를 실시한다 하더라도 토양 내 유기물 함량 감소나 치환성 양이온 함량 변화 등 토양생태에 악영향을 유발할 수 있는 토양의 물리･화학적 특성 변화는 중화 후에도 지속적으로 잔류할 수 있다. 따라서 강산이나 강염기에 의한 화학사고가 발생하였을 때 즉각적인 중화조치를 실시하였다 하더라도 토양생태에 영향을 미칠 수 있는 인자들에 대한 조사 및 조치 방안이 강구되어야한다.
뿐만 아니라, 산･염기 반응은 토양의 흡착 능력을 감소시켜서 후에 유입되는 오염물질이 쉽게 지하수로 유출될 수 있다. 산･염기 유출사고를 산･염기물질의 고유한 유해성만으로 평가한다면 토양 특성 변화에 따른 생태학적 영향을 간과하게 되며 이를 고려한 위해성 평가를 실시하기 위하여 토양과 산･염기 물질의 반응 기작을 더욱 미시적인 관점에서 살펴보아야 할 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
토양의 물리･화학적 특성이란?
이를 위해 본 연구에서는 토양에 강산이나 강염기 물질을 다양한 농도로 주입하고, 농도에 따라 발생할 수 있는 토양의 물리･화학적 특성 변화를 관찰하였다. 본 연구에서 평가한 토양의 물리･화학적 특성은 토양의 입도 분포, 비표면적, 유기물 함량, pH, 양이온 교환능력 (cation exchange capacity, 이하 CEC), 치환성 양이온 중 알칼리성 양이온 (Na+, Ca2+, Mg2+, K+) 및 알루미늄 (Al3+) 이온 함량이었다.
환경매질이란 ?
국립환경과학원은 ｢화학물질 위해성평가의 구체적 방법 등에 관한 규정｣에 따라서 환경매질 (수질, 토양, 퇴적물, 대기 등)에 존재하는 화학물질의 위해성평가를 실시한다 (National Institute of Environmental Research 2014). 이 지침은 화학물질의 급/만성 인체 및 환경유해성을 파악하며 이를 통하여 위해도를 측정하는 지침이다.
토양생태에서 강산 혹은 강염기와 반응하게 되면 어떻게 되는가 ?
강산 혹은 강염기와 반응한 토양은 모래의 비율이 증가하며 실트와 점토의 비율이 감소하였고 이로 인하여 토성이 변하였다. 또한 동식물의 영양분인 유기물과 알칼리성 양이온이 감소하였으며 특히 강산과 반응한 토양은 식물독성에 관련된 알루미늄 이온의 함량이 크게 증가하였다.
참고문헌 (23)
Agency for Toxic Substances and Disease Registry. 2017. Minimal Risk Levels (MRLs), available at https://www.atsdr.cdc.gov/mrls/pdfs/atsdr_mrls.pdf.
Bohn, H.L., McNeal, B.L. and O'Conner, G.A. 2002. Soil Chemistry, Second Edition, John Wiley & Sons.
Brunauer, S., Emmett, P.H. and Teller, E. 1938. Adsorption of gases in multimolecular layers, Journal of the American chemical society, 60(2): 309-319.
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National Institute of Environmental Research (NIER). 2013. A study on the method of environmental impact investigation by accident of acidic chemicals (#11-1480523-001642-01). (in Korean)
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