유류/중금속 복합오염토양 정화를 위한 다단 토양세척 효율평가 Performance Evaluation of the Multistage Soil Washing Efficiency for Remediation of Mixed-contaminated Soil with Oil and Heavy Metals원문보기
In typical remediation practices, separate washing systems have to be applied to clean up the soils contaminated with both oil and heavy metals. In this study, we evaluated the efficiency of successive two-stage soil washing in removal of mixed-contaminants from soil matrix. Two-stage soil washing e...
In typical remediation practices, separate washing systems have to be applied to clean up the soils contaminated with both oil and heavy metals. In this study, we evaluated the efficiency of successive two-stage soil washing in removal of mixed-contaminants from soil matrix. Two-stage soil washing experiments were conducted using different combinations of chemical agent: 1) persulfate oxidation, followed by organic acid washing, and 2) Fenton oxidation, followed by inorganic acid washing. Persulfate oxidation-organic acid washing efficiently removed both organic and inorganic contaminants to meet the regulatory soil quality standard. The average removal rates of total petroleum hydrocarbons (TPH), Cu, Pb, and Zn were 88.9%, 82.2%, 77.5%, and 66.3% respectively, (S/L 1:10, reaction time 1 h, persulfate 0.5 M, persulfate:activator 3:1, citric acid 2 M). Fenton oxidation-inorganic acid washing also gave satisfactory performances to give 89%, 80.9%, 87.1%, and 67.7% removal of TPH, Cu, Pb, and Zn, respectively (S/L 1:10, reaction time 1 hr, hydrogen peroxide 0.3 M, hydrogen peroxide:activator 5:1, inorganic acid 1 M).
In typical remediation practices, separate washing systems have to be applied to clean up the soils contaminated with both oil and heavy metals. In this study, we evaluated the efficiency of successive two-stage soil washing in removal of mixed-contaminants from soil matrix. Two-stage soil washing experiments were conducted using different combinations of chemical agent: 1) persulfate oxidation, followed by organic acid washing, and 2) Fenton oxidation, followed by inorganic acid washing. Persulfate oxidation-organic acid washing efficiently removed both organic and inorganic contaminants to meet the regulatory soil quality standard. The average removal rates of total petroleum hydrocarbons (TPH), Cu, Pb, and Zn were 88.9%, 82.2%, 77.5%, and 66.3% respectively, (S/L 1:10, reaction time 1 h, persulfate 0.5 M, persulfate:activator 3:1, citric acid 2 M). Fenton oxidation-inorganic acid washing also gave satisfactory performances to give 89%, 80.9%, 87.1%, and 67.7% removal of TPH, Cu, Pb, and Zn, respectively (S/L 1:10, reaction time 1 hr, hydrogen peroxide 0.3 M, hydrogen peroxide:activator 5:1, inorganic acid 1 M).
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
‘과수복합세척제-복합세척제’ 실험은 과수 산화에 의해 TPH를 산화시키고, 복합세척제 세척에 의해 TPH 산화 및 중금속을 제거하기 위한 목적으로 수행하였다.
‘과황산-과황산-유기산’ 실험은 과황산을 2회 수행함으로써 TPH 산화 효율을 향상시키고, 유기산 세척을 통해 중금속을 제거시키기 위한 목적으로 수행하였다.
‘과황산-유기산-유기산’ 유기산 세척을 2회 수행함으로써 중금속 제거효율을 향상시킬 목적으로 수행하였다.
본 연구에서는 유류 및 중금속으로 복합오염된 토양을 개별시스템이 아닌 하나의 시스템으로 정화하여 경제성 및 정화효율 확보하고자 하였다. 기존에는 유류오염, 중금속오염을 개별처리하는 기술은 많이 개발되었으나, 하나의 공정으로 동시에 처리하는 기술 및 복합오염토양 정화기술이 없었다.
본 연구에서는 유류 및 중금속으로 복합오염된 토양을 동시에 제거할 수 있는 시스템을 구현하여 연구하였으며, 기존의 산화/세척제인 과수/무기산과 현재 지속적인 연구가 진행 중인 과황산/유기산을 상호 비교하는 실험을 수행한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
가설 설정
, 2012). 일반적으로 킬레이트제가 가져야할 조건은 일반적으로 5가지가 있는데, 1) 넓은 pH범위에서 매우 안정한 화합물을 형성할 수 있어야 하고, 2) 생성된 금속화합물은 다시 토양표면으로 흡착되지 않으며, 3) 재이용을 위하여 낮은 생분해율을 가져야 하며, 4) 경제성이 있어야 하고, 5) 중금속 회수도 용이하여야 한다.
제안 방법
‘과수-복합세척제-복합세척제’에 의한 TPH, 중금속 제거가 효과적인지 비교하기 위해 ‘과수-염산-염산’ 실험을 비교 수행하였다.
TPH 및 중금속 분석은 토양오염공정시험법에 의거하여 수행하였다. TPH는 토양시료 10 g을 분취하여 초음파 추출기로 추출하고 회전증발농축기로 농축한 후, GCFID(Agilent GC7890B)로 측정하였다. 중금속은 건조된 시료를 0.
4, 5에 나타내었다. 과수/무기산 세척 실험은 다양한 농도 및 고액비, 반응시간으로 실험하였다. ‘과수복합세척제-복합세척제’ 실험은 과수 산화에 의해 TPH를 산화시키고, 복합세척제 세척에 의해 TPH 산화 및 중금속을 제거하기 위한 목적으로 수행하였다.
과수/무기산 세척실험은 ‘과수-복합세척제-복합세척제’, ‘복합세척제-복합세척제-복합세척제’ 등 2가지 조건으로 실험하였다.
과황산/유기산 세척실험은 ‘물세척-과황산-유기산’, ‘과황산-과황산-유기산’, ‘과황산-유기산-유기산’ 등 3가지 조건으로 실험하였다.
과수/무기산 세척실험은 ‘과수-복합세척제-복합세척제’, ‘복합세척제-복합세척제-복합세척제’ 등 2가지 조건으로 실험하였다. 과황산/유기산 실험과 마찬가지로 모든 조건에서 3단 세척을 하였으며, 각 단계별 세척 후 고액분리하여 세척수는 버리고 토양만을 재세척하였다. 실험토양 각100 g, 고액비 1:10, 반응시간 1시간, 과산화수소농도 0.
모든 조건에서 3단 세척을 하였으며, 각 단계별 세척 후 고액분리하여 세척수는 버리고 토양만을 재세척하였다. 실험토양 각 100 g, 고액비 1:10, 반응시간 1시간, 과황산나트륨농도 0.3 M, 0.5 M, 산화제:활성화제비 3:1, 유기산(구연산) 농도 2M로 하여 실험하였으며, 1 L 비커에 물과 토양을 채운 후, jar tester(200 rpm)를 이용하여 교반하였다.
과황산/유기산 실험과 마찬가지로 모든 조건에서 3단 세척을 하였으며, 각 단계별 세척 후 고액분리하여 세척수는 버리고 토양만을 재세척하였다. 실험토양 각100 g, 고액비 1:10, 반응시간 1시간, 과산화수소농도 0.3 M, 산화제:활성화제비 5:1, 복합세척제(염산+과산화수소) 농도 0.5 M, 1 M, 2 M로 하여 실험하였으며, 1 L 비커에 물과 토양을 채운 후, jar tester(200 rpm)를 이용하여 교반하였다. 과수/무기산 실험에서 사용된 복합세척제는 염산+과산화수소를 혼합한 세척제이다.
기존에는 유류오염, 중금속오염을 개별처리하는 기술은 많이 개발되었으나, 하나의 공정으로 동시에 처리하는 기술 및 복합오염토양 정화기술이 없었다. 이를 해결하기 위해 유류 및 중금속으로 복합오염된 토양을 이용하여 과황산/유기산과 기존에 일반적으로 토양세척에서 사용하는 과수/무기산과의 다단 토양세척 비교실험을 수행하였다.
그 중 킬레이트화가 가능한 유기산을 이용한 토양세척 기술은 오염토양으로부터 중금속의 추출에 있어서 유망한 기술로 평가받고 있다. 토양 내 중금속 제거를 위해 다양한 킬레이트 세척제 연구가 진행되고 있으며, Cu, Ni, Zn, Cd, Pb 등에 대하여 다양한 킬레이트제들을 비교하였는데. EDTA > Citric acid > Tartaric acid 순으로 효과적이다(Zhang et al.
대상 데이터
본 실험에 사용한 토양은 유류와 중금속으로 복합오염된 OO시에 위치한 구)철도기지 토양으로 0~3 m 깊이에서 샘플링하였으며, 토양 균질화를 위해 2 mm로 체거름하여 사용하였다.
실험에 사용된 토양은 사질토로써 유기물 함량 2.9%, CEC 40.09 cmol/kg, pH 7.01, 수분함량 11%, TPH는 Fig. 1과 같이 fresh diesel과 weathered diesel의 특성을 가지고 있으며, 오염 후 오랜시간이 경과하여 풍화가 상당부분 진행이 된 것으로 보인다. 평균 오염농도는 TPH 2,707 mg/kg, Cu 617 mg/kg, Pb 1,323 mg/kg, Zn 413mg/kg이다.
실험에 사용한 약품은 과황산나트륨(Na2S2O8), 황산제1철(FeSO4·7H2O), 구연산(Citric acid), 과산화수소 35%(H2O2), 염산 35%(HCl)를 사용하였다.
이론/모형
TPH 및 중금속 분석은 토양오염공정시험법에 의거하여 수행하였다. TPH는 토양시료 10 g을 분취하여 초음파 추출기로 추출하고 회전증발농축기로 농축한 후, GCFID(Agilent GC7890B)로 측정하였다.
TPH는 토양시료 10 g을 분취하여 초음파 추출기로 추출하고 회전증발농축기로 농축한 후, GCFID(Agilent GC7890B)로 측정하였다. 중금속은 건조된 시료를 0.15 mm 표준체로 체거름 한 후, 3 g을 분취하여 왕수추출법으로 전처리하였으며, ICP-OES(Agilent 5100 ICP-OES)로 측정하였다.
성능/효과
1) 과황산/유기산 세척실험에서 ‘과황산-유기산-유기산’ 공정에서 TPH, Cu, Pb, Zn 모두 1지역 기준을 만족하였다.
2) 과수/무기산 세척실험에서 ‘과수-복합세척제-복합세척제’, ‘복합세척제-복합세척제-복합세척제’ 공정에서 TPH, Cu, Pb, Zn 모두 1지역 기준을 만족하였다.
3) 일반적인 고농도 오염토양 정화에서 1단 세척은 기준치를 만족하지 못하는 경우가 대부분이며, 만족하더라도 고농도의 약품을 투입함으로써 복원 후 토양에 생태학적인 문제가 발생하는 경우를 개선하기 위해 수행한 다단세척 실험에서는 2단 또는 3단 세척에서 1지역 기준을 만족하였다. 처리효율은 TPH, Cu, Pb, Zn 모두 평균 20~30% 향상되는 효과를 나타내었다.
4) 본 연구를 통해 유류 및 중금속으로 복합오염된 토양을 개별 시스템이 아닌 하나의 시스템으로 정화가 가능하며, 낮은 시설비, 운영비로 경제성을 확보할 수 있고, 다단세척을 통해 고효율의 정화가 가능하다.
1) 과황산/유기산 세척실험에서 ‘과황산-유기산-유기산’ 공정에서 TPH, Cu, Pb, Zn 모두 1지역 기준을 만족하였다. 고액비 1:10, 반응시간 1시간, 과황산 0.5 M, 산화제:활성화제 비 3:1, 유기산 2M의 조건이었으며, 평균제거율은 TPH 88.9%, Cu 82.2%, Pb 77.5%, Zn 66.3%로 높은 처리 효율을 나타내었다.
‘과수-복합세척제-복합세척제’에 의한 TPH, 중금속 제거가 효과적인지 비교하기 위해 ‘과수-염산-염산’ 실험을 비교 수행하였다. 과수 0.3 M, 염산 2M 농도로 실험하였으며, 그 결과 Pb,Zn만 1지역 기준을 만족하였다(Fig. 4, ④). 특히 TPH 제거 효율은 상당히 낮게 나타났다.
2, ③, ④). 과황산산화를 2회 수행하였을 때 약 3%의 TPH 제거효율 향상 효과가 있었다. 이는 과황산산화 1에 의해 TPH가 상당량 제거가 되어 과황산산화 2에서의 TPH 제거효율이 낮게 나온 것으로 판단되어진다.
‘과황산-과황산-유기산’ 실험은 과황산을 2회 수행함으로써 TPH 산화 효율을 향상시키고, 유기산 세척을 통해 중금속을 제거시키기 위한 목적으로 수행하였다. 그 결과 과황산 0.3 M, 0.5 M, 유기산 2M에서 Pb을 제외한 모든 항목에서 1지역 기준을 만족하였다(Fig. 2, ③, ④). 과황산산화를 2회 수행하였을 때 약 3%의 TPH 제거효율 향상 효과가 있었다.
‘과황산-유기산-유기산’ 유기산 세척을 2회 수행함으로써 중금속 제거효율을 향상시킬 목적으로 수행하였다. 그 결과 과황산 0.3 M, 유기산 2M에서 Pb을 제외한 모든 항목에서 1지역 기준을 만족하였다(Fig. 2, ⑤). 과황산 0.
5 M, 유기산 2M의 경우에는 Pb을 제외한 모든 항목에서 1지역 기준을 만족하였다. 물세척 실험결과 약 60%의 TPH 제거 효율을 나타내었으며, 중금속의 경우 그 효과가 20~30% 정도로 그 효과가 미미하였다(Fig. 2, ①, ②). 이는 물세척으로 토양의 유기물이 제거되면서 TPH와 중금속이 제거된 것으로 보이며, 이를 통해 본 실험에 사용된 토양의 경우 물세척만으로도 높은 TPH 제거효율을 기대할 수 있을 것으로 판단된다.
4, ⑤). 복합세척제 1 M, 고액비 1:10, 반응시간 1시간에서는 모든 항목에서 1지역 기준을 만족하였다(Fig. 4, ⑥). 과수/무기산을 실 공정에 적용시킬 경우, 경제성을 고려하여 ‘과수-복합세척제-복합세척제’공정, 농도는 과수 0.
본 실험에 사용된 토양의 경우 과황산/유기산을 적용시킬 경우 ‘과황산-유기산-유기산’ 공정, 약품 농도는 과황산 0.5 M, 유기산 2M이 가장 적합할 것으로 보인다.
특히 TPH 제거 효율은 상당히 낮게 나타났다. 이를 통해 단순히 염산을 적용하는 것보다 과수+염산을 조합한 복합세척제를 적용하는 것이 적합할 것으로 판단되고, 물리적 교반력에 의한 탈착을 제외하고 염산에 의한 TPH, 유기물 제거효과는 거의 없는 것으로 보인다. 또한 복합세척제 농도를 높게 하여도 기준치를 만족하지 못하므로, ‘과수-복합세척제-복합세척제’ 공정은 과수 0.
이를 통해 적절한 복합세척제 농도를 적용하면 ‘과수-복합세척제’의 2단 세척으로도 복합오염토양 정화가 가능할 것으로 판단된다.
3) 일반적인 고농도 오염토양 정화에서 1단 세척은 기준치를 만족하지 못하는 경우가 대부분이며, 만족하더라도 고농도의 약품을 투입함으로써 복원 후 토양에 생태학적인 문제가 발생하는 경우를 개선하기 위해 수행한 다단세척 실험에서는 2단 또는 3단 세척에서 1지역 기준을 만족하였다. 처리효율은 TPH, Cu, Pb, Zn 모두 평균 20~30% 향상되는 효과를 나타내었다.
후속연구
2, ①, ②). 이는 물세척으로 토양의 유기물이 제거되면서 TPH와 중금속이 제거된 것으로 보이며, 이를 통해 본 실험에 사용된 토양의 경우 물세척만으로도 높은 TPH 제거효율을 기대할 수 있을 것으로 판단된다. ‘과황산-과황산-유기산’ 실험은 과황산을 2회 수행함으로써 TPH 산화 효율을 향상시키고, 유기산 세척을 통해 중금속을 제거시키기 위한 목적으로 수행하였다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
생물학적 처리방법의 단점은?
기존의 유류 오염토양 정화는 대부분 생물학적 처리방법인 토양경작법이 주를 이루고 있다. 하지만 생물학적 처리의 경우 호기성 생분해 공정의 특성상 장기간의 처리기간 소요 및 부지와 기후의 영향을 받으며, 높은 유류오염농도에서는 법적 기준치 이내로 정화가 어려운 단점이 있다(Lee et al., 2013).
생물학적 처리의 단점을 보완하기 위해 적용되는 것은?
, 2013). 이를 보완하기 위해 화학적 처리방법을 적용하고 있으며, 대표적으로 과산화수소(hydrogenperoxide)를 이용한 Fenton 기법을 적용하여 왔다. 하지만 최근 과황산(persulfate)과 과산화일황산(peroxymonosulfate)산화제를 이용한 화학적 처리기법의 개발이 진행되고 있다.
토양 내 중금속 추출에 주로 어떤 것을 이용하는가?
토양 내 중금속 추출은 보통 강산(HCl, H2SO4, HNO3,H3PO4)을 이용하거나 아세트산과 같은 약한 유기산을 이용한다. HCl은 경제성 및 효율성 면에서 다른 강산에 비하여 더 좋은 것으로 알려져 있는 데, 이는 낮은 pH에서중금속 탈착 이외에도 metal chloride를 형성함으로써 추가적인 탈착이 일어 날 수 있기 때문이다(Tuin and Tels,1990).
참고문헌 (12)
Anipsitakis, G.P. and Dionysiou, D.D., 2003, Degradation of organic contaminants in water with sulfate radicals generated by the conjunction of peroxymonosulfate with cobalt, Environ. Sci. Technol., 37(20), 4790-4797.
Furman, O.S., Teel, A.L., Ahmad, M., Merker, M.C., and Watts, R.J., 2011, Effect of basicity on persulfate reactivity, J. Environ. Eng., 137(4), 241-247.
Im, J.W., Kim, Y.J., Yang, K., and Nam, K.P., 2014, Applicability of soil washing with neutral phosphate for remediation of arsenic-contaminated soil at the former janghang smelter site, J. Soil & Groundwater Env., 19(4), 45-51.
Jean-Soro, L., Bordas, F., and Bollinger, J.C., 2012, Column leaching of chromium and nickel from a contaminated soil using EDTA and citric acid, Environ. Pollut., 164, 175-181.
Ko, I., Chang, Y.Y., Lee, C.H., and Kim, K.W., 2005, Assessment of pilot-scale acid washing of soil contaminated with As, Zn and Ni using the BCR three-step sequential extraction, J. Hazard. Mater., 127(1-3), 1-13.
Lee, C.D., Yoo, J.C., Yang, J.S., Kong, J., and Baek, K.T., 2013, Extraction of total petroleum hydrocarbons from petroleum oilcontaminated sandy soil by soil washing, J. Soil & Groundwater Env., 18(7), 18-24.
Liang, C.J., Bruell, C.J., Marley, M.C., and Sperry, K.L., 2004a, Persulfate oxidation for in situ remedation of TCE. I. Activated by ferrous ion with and without a persulfate-thiosulfate redox couple, Chemosphere, 55(9), 1213-1223.
Liang, C.J., Bruell, C.J., Marley, M.C., and Sperry, K.L., 2004b, Persulfate oxidation for in situ remediation of TCE. II. Activated by chelated ferrous ion, Chemosphere, 55(9), 1225-1233.
Tampouris, S., Papasiopi, N., and Paspaliaris, I., 2001, Removal of contaminant metals from fine grained soils, using agglomeration, chloride solutions and pile leaching techniques, J. Hazard. Mater., 84(2-3), 297-319.
Tuin, B.J. and Tels, M., 1990, Removing heavy metals from contaminated clay soils by extraction with hydrochloric acid, EDTA or hydrochlirite solutions, Environ. Technol. Letters, 11(11), 1039-1052.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.