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문제 정의
- 또한 점토광물과 세슘의 관계에 대한 연구는 수행되었지만 실제 토양에는 유기물 함량과 토양을 구성하는 점토광물, 그리고 각 토양이 가지고 있는 CEC가 다르기 때문에, 이러한 특성은 세슘의 흡착반응에 영향을 미치게 된다. 따라서, 본 연구에서는 세슘으로 인공오염 된 토양을 대상으로 하여 토양 유기물 함량, CEC, 점토광물의 구성 등 다양한 토양 특성에 따른 세슘의 흡착 특성에 대하여 연구하였다.
- 본 연구에서는 세슘을 인공오염 시킨 실제 토양을 이용하여 다양한 토양 특성에 따른 세슘의 흡착 특성에 대하여 연구하였다. 세슘이 토양에 오염되었을 때 토양 유기물의 함량, 토양이 가지는 양이온 교환 능력(CEC), 토양의 입도 분포는 세슘의 흡착에 많은 영향을 미칠 것으로 예상되었다.
제안 방법
- 3가지 Sample을 구성하고 있는 점토광물의 종류를 알아보기 위하여 XRD를 이용해 분석하였다(Fig. 1). 각 Sample은 Illite, Kaolinite, Vermiculite의 표준 XRD pattern과 비교하여 분석하였다.
- XRD 분석조건은 CuKα(λ=1.5406 nm) 파장을 이용하였고 40 kV, 30 mA로 설정하여 0.4 degree/min의 속도로 5~20 degree까지 분석하였다.
- 1). 각 Sample은 Illite, Kaolinite, Vermiculite의 표준 XRD pattern과 비교하여 분석하였다. Sample-1과 3은 거의 비슷한 형태의 결과를 얻었다.
- 실험은 토양 3g에 30 mL 세슘용액을 24시간 동안 교반 하였으며 교반 후 9000 rpm에서 10분동안 원심분리를 통해 고액 분리하여 용액과 토양을 분석하였다. 또한, 세슘이 토양에 오염되었을 때 토양 중에서 이동성을 확인하기 위하여 컬럼 실험을 진행하였다. 실험에 사용된 컬럼은 길이 20 cm, 내경 2 cm의 유리관을 사용하였으며 용액의 유입구와 유출구에는 토양의 유실을 방지하기 위해 유리섬유를 이용하여 마감하였다.
- 먼저, 토양 입도분포에 따른 세슘의 흡착 특성을 확인하였다. 세슘 오염은 토양 500 g과 1000 mg/L 세슘용액1 L를 48시간 동안 교반하였다.
- 단, Sample-1의 경우, 미세토 함량이 높아 실험에 사용한 펌프로는 흐름을 야기할 수 없어 컬럼 실험을 수행하지 못하였다. 본 연구에서 세슘의 농도는 ICP-MS(Agilent 7500 ICP-MS, USA)를 이용하여 분석하였다.
- 세슘으로 오염된 토양은 2~0.5 mm, 0.5~0.15 mm, 0.15~0.075 mm, 0.075~0.038 mm, < 0.038 mm로 습식 입도분리 하여 토양 입자에 따라 세슘의 농도를 분석하였다.
- 토양 유기물의 존재에 따른 세슘의 흡착특성을 확인하기 위하여 초기 토양과 450℃에서 24시간 동안 열처리 된 2가지 토양에 세슘을 인공오염 시켜 흡착되는 양을 비교하였다. 실험은 토양 3g에 30 mL 세슘용액을 24시간 동안 교반 하였으며 교반 후 9000 rpm에서 10분동안 원심분리를 통해 고액 분리하여 용액과 토양을 분석하였다. 또한, 세슘이 토양에 오염되었을 때 토양 중에서 이동성을 확인하기 위하여 컬럼 실험을 진행하였다.
- 컬럼에 충진 된 토양 시료의 길이는 약 7 cm로 적용하였으며 펌프(Cole Parmer 7524-45, Masterflex, USA)를 이용하여 약 27 mL/h의 유속으로 100 ug/L의 세슘용액을 상향류로 주입하였다. 실험이 진행되는 동안 유출된 용액을 채취하여 분석하였고 실험 종료 후 토양은 세 등분으로 나누어 세슘의 농도를 분석하였다. 단, Sample-1의 경우, 미세토 함량이 높아 실험에 사용한 펌프로는 흐름을 야기할 수 없어 컬럼 실험을 수행하지 못하였다.
- 토양 유기물의 존재에 따라 세슘 흡착의 영향을 확인하기 위하여 초기 Sample과 유기물을 제거한 Sample을 비교하였다(Fig. 5). Sample-2에서는 토양 유기물에 따른 세슘의 흡착 영향을 확인할 수 없었다.
- 038 mm로 습식 입도분리 하여 토양 입자에 따라 세슘의 농도를 분석하였다. 토양 유기물의 존재에 따른 세슘의 흡착특성을 확인하기 위하여 초기 토양과 450℃에서 24시간 동안 열처리 된 2가지 토양에 세슘을 인공오염 시켜 흡착되는 양을 비교하였다. 실험은 토양 3g에 30 mL 세슘용액을 24시간 동안 교반 하였으며 교반 후 9000 rpm에서 10분동안 원심분리를 통해 고액 분리하여 용액과 토양을 분석하였다.
- 토양 입자 크기에 따른 세슘의 흡착 특성을 확인하기 위하여 토양에 세슘을 오염 시킨 후 습식 입도분리를 통해 입도 분리하고 입경 별 세슘의 농도를 분석하였다. 3가지 토양 시료에 대한 입도 분포는 Fig.
- 토양의 물리화학적 특성을 확인하기 위하여 유기물 함량, CEC, pH, EC를 측정하였다(Table 1). 유기물 함량은 Sample-1이 8.
- 토양의 물리화학적 특성을 확인하기 위하여 토양의 유기물 함량, 양이온 교환 능력(Cation exchange capacity, CEC), pH, 전기전도도(Electric conductivity, EC)를 측정하였다(Table 1). 또한 세슘의 흡착에 영향을 미칠 수 있는 양이온의 함량을 전함량 분석법(Aqua-resia extraction method)을 통하여 확인하였으며 분석은 Inductively coupled plasma optical emission spectrometry(ICP-OES 720, Agilent, USA)를 이용하였다.
- 원전사고 발생 시, 방사성 물질에 의한 토양오염은 낙진에 의하여 발생한다. 표토에 낙진 된 방사성 오염물질은 우수에 의하여 토양 중으로 이동하게 되는데, 본 실험을 통해 세슘의 이동성을 확인하였다. 전체 토양에 흡착된 세슘 중 약 80% 이상의 세슘이 주입구 부분에 흡착되어 존재하였으며 유출구 부분에 흡착된 세슘은 5% 미만인 것으로 확인되었다.
대상 데이터
- 실험에 사용된 토양은 각기 다른 위치에서 채취된 3가지 시료로서 Sample-1, 2, 3은 각각 충남 서천 장항의 농경지, 전북대학교 공과대학 인근, 전북대학교 인근의 야산에서 채취하여 실험에 사용하였다. 본 연구에서는 방사성 세슘(137-Cs)과 물리/화학적 특성이 매우 흡사한 비방사성 세슘(133-Cs)을 실험에 CsCl 형태로 Sigma Aldrich (USA)에서 구입하여 사용하였다.
- 또한, 세슘이 토양에 오염되었을 때 토양 중에서 이동성을 확인하기 위하여 컬럼 실험을 진행하였다. 실험에 사용된 컬럼은 길이 20 cm, 내경 2 cm의 유리관을 사용하였으며 용액의 유입구와 유출구에는 토양의 유실을 방지하기 위해 유리섬유를 이용하여 마감하였다. 컬럼에 충진 된 토양 시료의 길이는 약 7 cm로 적용하였으며 펌프(Cole Parmer 7524-45, Masterflex, USA)를 이용하여 약 27 mL/h의 유속으로 100 ug/L의 세슘용액을 상향류로 주입하였다.
- 실험에 사용된 토양은 각기 다른 위치에서 채취된 3가지 시료로서 Sample-1, 2, 3은 각각 충남 서천 장항의 농경지, 전북대학교 공과대학 인근, 전북대학교 인근의 야산에서 채취하여 실험에 사용하였다. 본 연구에서는 방사성 세슘(137-Cs)과 물리/화학적 특성이 매우 흡사한 비방사성 세슘(133-Cs)을 실험에 CsCl 형태로 Sigma Aldrich (USA)에서 구입하여 사용하였다.
이론/모형
- 토양의 물리화학적 특성을 확인하기 위하여 토양의 유기물 함량, 양이온 교환 능력(Cation exchange capacity, CEC), pH, 전기전도도(Electric conductivity, EC)를 측정하였다(Table 1). 또한 세슘의 흡착에 영향을 미칠 수 있는 양이온의 함량을 전함량 분석법(Aqua-resia extraction method)을 통하여 확인하였으며 분석은 Inductively coupled plasma optical emission spectrometry(ICP-OES 720, Agilent, USA)를 이용하였다. 또한, 각 토양에 포함된 점토광물을 확인하기 위하여 X-ray diffractometer(XRD, D/MAX 2500, Rigaku Instrument, Japan)을 이용하였다.
- 또한 세슘의 흡착에 영향을 미칠 수 있는 양이온의 함량을 전함량 분석법(Aqua-resia extraction method)을 통하여 확인하였으며 분석은 Inductively coupled plasma optical emission spectrometry(ICP-OES 720, Agilent, USA)를 이용하였다. 또한, 각 토양에 포함된 점토광물을 확인하기 위하여 X-ray diffractometer(XRD, D/MAX 2500, Rigaku Instrument, Japan)을 이용하였다. XRD 분석조건은 CuKα(λ=1.
성능/효과
- , 2014). 따라서 본 실험에서 많은 세슘이 0.038 mm 이하의 토양 입자에 흡착되어 존재하는 것은 토양에 존재하는 점토광물이 세슘의 흡착에 영향을 미친 것으로 추측되었다.
- 일반적으로 토양에 유출되는 세슘 및 다른 방사성 물질은 저농도로 유출되어 최대 흡착량보다 적은 양의 세슘이 토양에 유출되기 때문에 대부분 토양 표토층에 흡착되는 것으로 예상된다. 따라서, 낙진으로 인한 토양의 세슘 오염 발생 시 표토에 약 80%의 Cs이 집적되어, 표토를 수거한다면 처리해야 할 Cs 오염 토양의 양을 줄일 수 있을 것으로 기대된다.
- 토양 유기물은 세슘이 토양에 흡착될 수 있는 토양표면을 일부 막고 있어 유기물의 함량에 따라 세슘의 흡착량이 달라질 것으로 예상되었으며 CEC가 높을수록 토양의 양이온이 세슘과 이온교환되어 세슘이 토양에 흡착될 기회가 많아질 것으로 예상되었다. 또한, 세슘은 작은 토양입자, 특히 점토광물과 강하게 결합한다고 알려져 있는데 실험을 통해 상당량의 세슘이 작은 입자 사이즈의 토양에 흡착되어 존재하는 것으로 나타났다. 또한, 점토광물의 종류에 따라 세슘의 흡착 특성이 다르기 때문에 토양을 구성하는 점토광물을 확인하는 것이 중요하다.
- 본 연구에서는 세슘을 인공오염 시킨 실제 토양을 이용하여 다양한 토양 특성에 따른 세슘의 흡착 특성에 대하여 연구하였다. 세슘이 토양에 오염되었을 때 토양 유기물의 함량, 토양이 가지는 양이온 교환 능력(CEC), 토양의 입도 분포는 세슘의 흡착에 많은 영향을 미칠 것으로 예상되었다. 토양 유기물은 세슘이 토양에 흡착될 수 있는 토양표면을 일부 막고 있어 유기물의 함량에 따라 세슘의 흡착량이 달라질 것으로 예상되었으며 CEC가 높을수록 토양의 양이온이 세슘과 이온교환되어 세슘이 토양에 흡착될 기회가 많아질 것으로 예상되었다.
- 토양의 물리화학적 특성을 확인하기 위하여 유기물 함량, CEC, pH, EC를 측정하였다(Table 1). 유기물 함량은 Sample-1이 8.6%로 가장 높았으며 CEC는 Sample-2가 35.2 cmol/kg으로 가장 높았고 Sample-3이 23.9 cmol/kg으로 가장 낮게 분석되었다. 토양의 pH는 Sample-3이 4.
- 이러한 이유로 Vermiculite가 구성된 Sample-2가 Sample-1이나 3보다 더 많은 세슘이 흡착되는 경향을 보이는 것으로 사료된다. 이 결과를 통해 Sample-1과 3은 세슘 흡착에 많은 영향을 미치는 점토광물이 거의 비슷하게 구성되어 있기 때문에 토양에 흡착되는 세슘의 흡착특성이 비슷할 것으로 판단된다.
- 표토에 낙진 된 방사성 오염물질은 우수에 의하여 토양 중으로 이동하게 되는데, 본 실험을 통해 세슘의 이동성을 확인하였다. 전체 토양에 흡착된 세슘 중 약 80% 이상의 세슘이 주입구 부분에 흡착되어 존재하였으며 유출구 부분에 흡착된 세슘은 5% 미만인 것으로 확인되었다. 토양을 통과해 외부로 유출되는 세슘은 초기에는 대부분 토양에 흡착되어 세슘이 유출되지 않았으며 유출되더라도 많은 세슘이 토양에 흡착된 후 약 10%의 세슘만이 유출되는 것을 확인할 수 있었다.
- 그러나, Sample-1과 Sample-3에서는 토양 유기물이 존재하지 않을 때, 더 많은 세슘이 흡착되는 것으로 나타났다. 즉, 토양 유기물의 존재는 세슘의 흡착에 방해요인으로 확인되었다. 토양 유기물은 토양 내에 존재하면서 세슘이 흡착할 수 있는 점토광물의 표면에 흡착되어 세슘의 흡착을 방해할 수 있기 때문으로 판단된다(Livens et al.
- 세슘이 토양에 오염되었을 때 토양 유기물의 함량, 토양이 가지는 양이온 교환 능력(CEC), 토양의 입도 분포는 세슘의 흡착에 많은 영향을 미칠 것으로 예상되었다. 토양 유기물은 세슘이 토양에 흡착될 수 있는 토양표면을 일부 막고 있어 유기물의 함량에 따라 세슘의 흡착량이 달라질 것으로 예상되었으며 CEC가 높을수록 토양의 양이온이 세슘과 이온교환되어 세슘이 토양에 흡착될 기회가 많아질 것으로 예상되었다. 또한, 세슘은 작은 토양입자, 특히 점토광물과 강하게 결합한다고 알려져 있는데 실험을 통해 상당량의 세슘이 작은 입자 사이즈의 토양에 흡착되어 존재하는 것으로 나타났다.
- 전체 토양에 흡착된 세슘 중 약 80% 이상의 세슘이 주입구 부분에 흡착되어 존재하였으며 유출구 부분에 흡착된 세슘은 5% 미만인 것으로 확인되었다. 토양을 통과해 외부로 유출되는 세슘은 초기에는 대부분 토양에 흡착되어 세슘이 유출되지 않았으며 유출되더라도 많은 세슘이 토양에 흡착된 후 약 10%의 세슘만이 유출되는 것을 확인할 수 있었다. 이것은 약 80% 이상의 세슘이 토양에 흡착되어 이동성이 떨어지며 나머지 약 20% 이하의 세슘만이 이동성을 가지고 있어 지하수로 이동하게 되며, 또한 토양에 흡착된 세슘은 대부분 토양 표토층에 흡착되어 존재하는 연구결과와 동일하다(Askbrant et al.
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