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문제 정의
- 토양세척 문헌 중 자료가 가장 많은 EDTA를 대표 세척제로 선정하였고 중금속 오염물질은 Cu, Pb, Zn로 선정하여 문헌을 검색하였다. 10개의 문헌에서 75개의 세척 자료를 수집하였으며, 이를 통해 세척 효율과 W/H 사이의 상관관계를 분석하고자 하였다. W/H 모델의 신뢰성을 더 높이기 위하여 MP의 범위에 따라 자료 집단을 두 그룹으로 나누었으며, 각각의 그룹에 대하여 상관관계 분석이 실시되었다.
- 토양 세척의 효율에 영향을 끼치는 다양한 변수들 중에서, 그 영향력이 큰 인자들을 파악하기 위해 실험실 규모의 토양 세척 문헌자료를 수집하고 회귀분석을 실시하였으며 이를 토대로 W/H(molar ratio of Washing agent to Heavy metal) 변수를 구성하였다. 구성한 W/H 변수를 실제 토양 세척 실험과 문헌데이터에 적용하여, 세척제의 효율을 거시적으로 분석 및 예측할 수 있는 모델을 제시하고자 하였다.
- 따라서 본 연구에서는 다양한 변수들을 통제하지 않고, 거시적으로 효율을 한 번에 분석, 예측할 수 있는 모델을 제시하고자 하였다. 토양 세척의 효율에 영향을 끼치는 다양한 변수들 중에서, 그 영향력이 큰 인자들을 파악하기 위해 실험실 규모의 토양 세척 문헌자료를 수집하고 회귀분석을 실시하였으며 이를 토대로 W/H(molar ratio of Washing agent to Heavy metal) 변수를 구성하였다.
- 따라서 세척제 – 중금속 몰비율과 세척 시간, 세척 횟수 변수를 조합하여 새로운 변수를 만들어낸 뒤, 이를 토양 세척에서의 대표 영향 인자로서 사용하여 중금속 제거효율을 분석하고자 하였다.
- 본 연구에서는 W/H 변수를 활용하여 세척제의 중금속 제거 효율을 비교하고 더 나아가 효율을 예측할 수 있는 W/H 모델을 제시하고 이에 대한 신뢰성을 입증하기 위해,실제 중금속 세척 실험 자료와 문헌 자료를 W/H 모델에 적용하였다. 첫번째 단계에서는 실험실 규모 실험의 결과가 사용되었다.
- 본 연구에서는 중금속으로 단일 또는 복합 오염된 다양한 토양에서의 토양 세척 효율을 분석하기 위해 W/H 변수를 제시하고, W/H 변수를 활용하여 효율의 변화 양상을 관찰할 수 있는 모델을 제시하였다. 실험실 규모의 실험 자료를 W/H 변수에 적용시킨 결과 5가지 중금속 모두에서 합성 킬레이트 세척제인 EDTA와 NTA의 효율이 가장 높은 것으로 나타났고, 아세트산, 구연산, 옥살산, 말산 4가지의 유기산 세척제는 비교적 효율이 낮은 것으로 판단되었다.
- 토양 세척의 효율을 분석하기위한 첫 번째 단계에서는 다양한 변수를 종합적으로 고려하기 위한 새로운 인자를 설정하고, 실험실 규모의 실험 자료를 적용하여 새로운 인자의 적용가능성에 대하여 판단하고자 하였다. 앞서 2.
제안 방법
- 그 첫 번째 단계인 비교 단계를 검증하기 위하여 실제 실험실 규모 토양 세척 실험을 진행하였다. 5가지 중금속 오염물질을 제거하기위한 6가지 세척제 선정하고 토양 세척 실험을 진행하였다. 실험 조건들은 W/H 값을 산출하는데 사용되었으며, W/H 값은 효율과의 상관관계를 판단하기 위해 Fig.
- EDTA – Pb 세척 문헌에서도 마찬가지로 MP값 0.6을 기준으로 두 그룹으로 나누어 분석하였다(Fig. 3).
- 모든 W/H 범위에서 EDTA와 NTA가 Pb 제거에 효율적인 것으로 나타났으며, 구연산 > 말산 > 옥살산 > 아세트산 순으로 효율이 높은 것을 알 수 있다. Pb 또한 구연산 세척 실험에서 다양한 토양과 인자의 범위로 실험을 하였다. 그 결과 W/H와 효율 사이의 일정 상관관계가 존재하긴 하나, W/H 값이 증가할수록 효율 값의 변화폭이 심해지고 경향성이 낮아지는 현상이 나타났다.
- 이는 다양한 변수에 대해 세척 효율을 분석한 기존의 문헌들에서 관찰된 실험 결과와 같았으며, 이를 통해 W/H 모델의 신뢰성을 검증할 수 있었다. W/H 모델의 두번째 검증에서는 다양한 토양에의 적용 가능성을 알아보기 위해 토양 세척 문헌 자료를 수집하고 이를 토대로 W/H 모델에 적용하였다. Cu, Pb, Zn을 EDTA로 세척한 문헌들을 조사하였으며, W/H값이 증가함에 따라 효율이 증가하는 경향성이 나타났다.
- W/H 변수의 적용가능성을 판단하고 W/H 모델의 신뢰성을 증명하기 위해, W/H – 세척 효율 그래프 분석을 실험 자료와 같은 방법으로 문헌자료에 적용하였다.
- 구연산 토양 세척 문헌자료 내 변수들의 범위는 고액비 0.005 − 0.5, 세척제 농도 0.0001 − 0.1 M, 오염물질 농도 79.38 − 30350 mg/kg, 세척 시간 2 − 144시간, 세척 횟수 1 − 5회로 넓은 범위의 변수 값을 분석하였다.
- W/H 변수를 이용한 W/H 모델은 세척제의 효율을 비교, 분석한 뒤, 이를 토대로 다른 조건에서의 효율을 예측할 수 있게 해준다. 그 첫 번째 단계인 비교 단계를 검증하기 위하여 실제 실험실 규모 토양 세척 실험을 진행하였다. 5가지 중금속 오염물질을 제거하기위한 6가지 세척제 선정하고 토양 세척 실험을 진행하였다.
- 6을 기준으로 두 그룹으로 나누어 그래프 분석을 실시하였다. 그래프상 W/H 변수와 효율의 상관관계를 명확히 판단하기 위하여, 모델 식을 적용하여 그래프의 방정식과 상관관계값을 계산하였다.
- 하지만 토양 세척의 반복 횟수는 효율에 유효한 영향을 끼치는 영향인자임은 많은 문헌에서 다루었기 때문에 W/H 변수를 구성할 때에 포함하도록 하였다. 네 번째, 다섯 번째 조합은 세 번째 조합에 MB와 MP값을 각각 추가하였다. 다중회귀분석 결과, 전반적으로 MB를 포함한 네 번째 조합에서보다 MP를 포함한 다섯 번째 조합에서 높은 신뢰 수준과 상관계수값을 나타냈다.
- 다양한 세척제의 중금속 별 세척 효율을 비교하기 위해서 실험실 규모의 토양 세척 실험을 진행하였다. 세척제로는 아세트산(acetic acid), 구연산(citric acid), 말산(malic acid), 옥살산(oxalic acid) 총 4가지의 유기산 세척제와 ethylenediamine tetraacetic acid(EDTA), nitriloacetic acid(NTA) 총 2가지의 킬레이트 세척제가 사용되었으며, 토양은 Cu, Pb, Zn, Ni, As 총 5가지 오염물질로 단일 또는 복합으로 오염된 토양이 사용되었다.
- 위의 분석 결과와 같이, 다른 실험 조건들이 일정하지 않은 상황에서 단일 변수에 대하여 세척 효율과의 상관관계를 분석하는 것은 유의미한 결과를 도출해내기에는 어려움이 있다. 따라서 세척 실험의 인자 중 몇 가지를 선택 및 조합하여 다중회귀분석을 실시하였으며, 다양한 실험 인자 중에서 주요 영향 인자를 선택해 낼 수 있었다. 첫 번째 조합은 기존 세척제 − 중금속 몰비율 변수 산정에 포함되는 고액비, 세척제 농도, 중금속 농도 세가지 변수로 구성되었다(Table 2).
- Table 1과 같이 문헌에서 실험에 사용된 토양은 중금속으로 단일 또는 복합 오염되어 있었으며, 실험은 모두 실험실 규모로 진행되었다. 모든 중금속에 대하여 토양 내 중금속 존재상의 영향을 고려하여, MP값 0.6을 기준으로 두 그룹으로 나누어 그래프 분석을 실시하였다. 그래프상 W/H 변수와 효율의 상관관계를 명확히 판단하기 위하여, 모델 식을 적용하여 그래프의 방정식과 상관관계값을 계산하였다.
- 문헌 자료 내 데이터 변수들의 범위는 고액비 0.04 − 0.5, 세척제 농도 0.001 − 0.25 M, 오염물질 농도 35.5 − 65200 mg/kg, 세척 시간 0.5 − 144시간, 세척 횟수 1 − 5회로 다양한 변수 조합을 통해 EDTA 세척제에 대한 주요 영향인자를 분석하고자 하였다.
- 세 번째 조합은 세척 시간, 세척 횟수, 고액비, 세척제와 중금속의 농도, 총 5가지의 변수로 구성되었다. 두 번째 조합의 경우와 비교하여, 상관계수 r값과 p값 모두에서 큰 변화가 일어나지 않았으며, EDTA를 사용하여 Cu와 Zn를 세척한 경우에는 오히려 신뢰 수준과 상관계수의 값이 떨어지는 현상이 나타났다: Cu - citric acid(r =0.
- 실험결과를 W/H 변수에 대입하고, 각각의 중금속 오염물질에 대하여 W/H –효율 그래프를 작성하였으며 이를 토대로 중금속 별 세척제들의 효율성을 비교하였다.
- 6개의 산 세척제에 대한 82개의 실험 결과를 대입하여 W/H 값을 계산하였으며 효율과의 상관관계 분석이 수행되었다. 실험에 사용된 시료의 경우 2.1에서 서술된 바와 같이 용산 철도 부지의 단일, 복합 오염된 시료가 사용되었으며, 세척제 농도, 고액비, 세척 시간 등의 실험 인자들을 다양하게 적용하여 W/H 변수의 적용 가능성 또한 같이 살펴보았다. 실험결과를 W/H 변수에 대입하고, 각각의 중금속 오염물질에 대하여 W/H –효율 그래프를 작성하였으며 이를 토대로 중금속 별 세척제들의 효율성을 비교하였다.
- 몇몇 지점의 토양은 단일 중금속으로 오염 되어있었으며, 다른 지점에서의 토양들은 다양한 중금속과 함께 총석유계탄화수소(total petroleum hydrocarbons, TPHs)로 복합오염 되어있었다. 중금속 오염토양 세척 실험은 고액비, 세척제 및 중금속 농도, 세척 시간, 세척 횟수, 총 5가지의 영향 인자를 다양하게 적용하여 실시되었다. 토양 세척 실험은 고액비 1:5 – 1:1, 세척제 농도 5 – 400 mM, 세척 시간 0.
- 중금속 제거 효율은 세척 시간, 세척 횟수, 고액비, 토양내 중금속 농도, 세척제 농도, 점토질 함유량, 중금속 생체 흡수 가능도(metal bioavailability, MB), 중금속 잠재 유동도(metal potential mobility, MP) 총 8가지 영향 인자에 대하여 회귀분석이 실시 되었다. 특히 점토질 함유량, MB, MP 3가지 영향 인자는 토성과 관련된 영향 인자로서 가변적으로 수치를 변형하기 힘든 특성이 있다 MB와 MP는 몇몇 연구들에서 토양내 중금속의 존재상 비율을 수치적으로 재구성하여 만들어진 변수이다(Ma and Rao, 1997; Wei et al.
- 첫 번째 조합은 기존 세척제 − 중금속 몰비율 변수 산정에 포함되는 고액비, 세척제 농도, 중금속 농도 세가지 변수로 구성되었다(Table 2).
- 토양 세척 실험은 고액비 1:5 – 1:1, 세척제 농도 5 – 400 mM, 세척 시간 0.5 – 24시간, 세척 횟수 1 – 13회의 조건하에서 진행되었다.
- 토양 세척에 있어서 주요 영향 인자를 규명하기 위해서, 단일 및 다중 회귀 분석이 실시 되었다. 토양 세척 실험을 실시한 기존 문헌들에서 수집된 자료를 이용해 세척효율과 변수들의 상관관계를 분석하였다. 토양세척에서 가장 널리 사용되는 유기산 세척제인 구연산과 킬레이트 세척제인 EDTA를 대표 세척제로 선정하여 문헌자료를 수집하였으며, 구연산 세척의 경우 9가지 문헌에서, EDTA 세척의 경우 15가지 문헌에서 세척 실험 자료를 수집하였다.
- 토양 세척의 다양한 인자들 중 주요 영향 인자를 판단하기 위해 세척 시간, 세척 횟수, 중금속 및 세척제의 농도, 점토질 함유량, 고액비, MB값과 MP값에 대한 단일 및 다중 회귀 분석이 수행되었다. 회귀분석시에는 구연산과 EDTA가 사용되었으며, 8종의 단일 변수와 5가지의 변수 조합에 대해서 단일 및 다중 회귀 분석을 실시하였다.
- 따라서 본 연구에서는 다양한 변수들을 통제하지 않고, 거시적으로 효율을 한 번에 분석, 예측할 수 있는 모델을 제시하고자 하였다. 토양 세척의 효율에 영향을 끼치는 다양한 변수들 중에서, 그 영향력이 큰 인자들을 파악하기 위해 실험실 규모의 토양 세척 문헌자료를 수집하고 회귀분석을 실시하였으며 이를 토대로 W/H(molar ratio of Washing agent to Heavy metal) 변수를 구성하였다. 구성한 W/H 변수를 실제 토양 세척 실험과 문헌데이터에 적용하여, 세척제의 효율을 거시적으로 분석 및 예측할 수 있는 모델을 제시하고자 하였다.
- 네 번째, 다섯 번째 조합은 높은 상관계수값을 보여주지만, 신뢰 수준이 낮아 W/H 수식에는 MB나 MP를 넣지 않는 것이 타당하다고 판단하였다. 하지만 MP의 경우 중금속의 존재상을 판단할 수 있는 중요한 지표인 것으로 분석되었으며, 따라서 문헌 자료를 사용한 W/H 변수의 검증에 MP값을 활용하였다.
대상 데이터
- 문헌 조사 시 Ni과 As의 경우 국내외의 토양 세척 연구 문헌이 희박하여 유의미한 데이터 집단을 만들 수 없었기 때문에 문헌 자료 분석에서는 Ni과 As이 제외되었다. Table 1과 같이 문헌에서 실험에 사용된 토양은 중금속으로 단일 또는 복합 오염되어 있었으며, 실험은 모두 실험실 규모로 진행되었다. 모든 중금속에 대하여 토양 내 중금속 존재상의 영향을 고려하여, MP값 0.
- 이는 Pb의 황화물, 철 산화물 등 다양한 화합물 형태에도 EDTA가 강력한 킬레이트제로 작용할 수 있기 때문에 높은 효율을 보인 것으로 판단된다. W/H 모델 검증을 위한 마지막 문헌 자료는 Zn 토양 세척 실험 자료를 선택하였다(Fig. 4). Cu와 Pb의 경우와 같이 MP > 0.
- W/H 변수 값을 계산하기 위해서 실험실 규모 실험 또는 문헌에서 조사한 자료들을 사용하였다. nw와 nh는 각각 세척제와 중금속의 몰수를 나타내며; Cw(M)와 Ch(mg/kg)는 각각 세척제와 중금속의 농도를 나타내며; Vw(m3)는 세척제의 부피를 나타내며; Ms는 중금속의 질량을 나타내고(kg); R은 고액비(kg/m3); N은 세척 과정 전체의 세척 횟수를 의미하며; t는 세척 시간을 나타낸다
- 문헌 조사에서는 Google Scholar를 사용하였으며, 키워드로는 “soil washing”과 다음의 단어 조합을 사용하였다: “citric acid”, “EDTA”, “sequential extraction”, “BCR extraction”, “Tessier extraction”, “variable”, “influence factor”, “Cu”, “Pb”, “Zn”, “metal mobility”
- W/H 변수의 적용가능성을 판단하고 W/H 모델의 신뢰성을 증명하기 위해, W/H – 세척 효율 그래프 분석을 실험 자료와 같은 방법으로 문헌자료에 적용하였다. 문헌에서 토양 세척에 가장 많이 사용되는 EDTA를 대표 세척제로 선정하고, 오염물질로는 국내에서 가장 많이 발견되는 중금속인 Cu, Pb, Zn를 선정하였다. 문헌 조사 시 Ni과 As의 경우 국내외의 토양 세척 연구 문헌이 희박하여 유의미한 데이터 집단을 만들 수 없었기 때문에 문헌 자료 분석에서는 Ni과 As이 제외되었다.
- 다양한 세척제의 중금속 별 세척 효율을 비교하기 위해서 실험실 규모의 토양 세척 실험을 진행하였다. 세척제로는 아세트산(acetic acid), 구연산(citric acid), 말산(malic acid), 옥살산(oxalic acid) 총 4가지의 유기산 세척제와 ethylenediamine tetraacetic acid(EDTA), nitriloacetic acid(NTA) 총 2가지의 킬레이트 세척제가 사용되었으며, 토양은 Cu, Pb, Zn, Ni, As 총 5가지 오염물질로 단일 또는 복합으로 오염된 토양이 사용되었다. 실험에 사용된 토양의 경우 국내 오염철도부지에서 채취한 토양이 사용되었으며, 넓은 부지의 특성상 시료 채취 지점에 따라 오염의 양상이 다양하게 나타났다.
- 세척제로는 아세트산(acetic acid), 구연산(citric acid), 말산(malic acid), 옥살산(oxalic acid) 총 4가지의 유기산 세척제와 ethylenediamine tetraacetic acid(EDTA), nitriloacetic acid(NTA) 총 2가지의 킬레이트 세척제가 사용되었으며, 토양은 Cu, Pb, Zn, Ni, As 총 5가지 오염물질로 단일 또는 복합으로 오염된 토양이 사용되었다. 실험에 사용된 토양의 경우 국내 오염철도부지에서 채취한 토양이 사용되었으며, 넓은 부지의 특성상 시료 채취 지점에 따라 오염의 양상이 다양하게 나타났다. 몇몇 지점의 토양은 단일 중금속으로 오염 되어있었으며, 다른 지점에서의 토양들은 다양한 중금속과 함께 총석유계탄화수소(total petroleum hydrocarbons, TPHs)로 복합오염 되어있었다.
- 토양세척에서 가장 널리 사용되는 유기산 세척제인 구연산과 킬레이트 세척제인 EDTA를 대표 세척제로 선정하여 문헌자료를 수집하였으며, 구연산 세척의 경우 9가지 문헌에서, EDTA 세척의 경우 15가지 문헌에서 세척 실험 자료를 수집하였다. 중금속 오염물질로는 우리나라의 중금속 토양오염의 많은 비중을 차지하는 Cu와 Pb, Zn이 선택되었다(Korea MoE, 2016). 문헌 조사에서는 Google Scholar를 사용하였으며, 키워드로는 “soil washing”과 다음의 단어 조합을 사용하였다: “citric acid”, “EDTA”, “sequential extraction”, “BCR extraction”, “Tessier extraction”, “variable”, “influence factor”, “Cu”, “Pb”, “Zn”, “metal mobility”
- 따라서 문헌 자료를 W/H 변수에 적용하여 검증하는 과정이 필요하였다. 토양세척 문헌 중 자료가 가장 많은 EDTA를 대표 세척제로 선정하였고 중금속 오염물질은 Cu, Pb, Zn로 선정하여 문헌을 검색하였다. 10개의 문헌에서 75개의 세척 자료를 수집하였으며, 이를 통해 세척 효율과 W/H 사이의 상관관계를 분석하고자 하였다.
- 토양 세척 실험을 실시한 기존 문헌들에서 수집된 자료를 이용해 세척효율과 변수들의 상관관계를 분석하였다. 토양세척에서 가장 널리 사용되는 유기산 세척제인 구연산과 킬레이트 세척제인 EDTA를 대표 세척제로 선정하여 문헌자료를 수집하였으며, 구연산 세척의 경우 9가지 문헌에서, EDTA 세척의 경우 15가지 문헌에서 세척 실험 자료를 수집하였다. 중금속 오염물질로는 우리나라의 중금속 토양오염의 많은 비중을 차지하는 Cu와 Pb, Zn이 선택되었다(Korea MoE, 2016).
데이터처리
- 첫번째 단계에서는 실험실 규모 실험의 결과가 사용되었다. 6개의 산 세척제에 대한 82개의 실험 결과를 대입하여 W/H 값을 계산하였으며 효율과의 상관관계 분석이 수행되었다. 실험에 사용된 시료의 경우 2.
- 10개의 문헌에서 75개의 세척 자료를 수집하였으며, 이를 통해 세척 효율과 W/H 사이의 상관관계를 분석하고자 하였다. W/H 모델의 신뢰성을 더 높이기 위하여 MP의 범위에 따라 자료 집단을 두 그룹으로 나누었으며, 각각의 그룹에 대하여 상관관계 분석이 실시되었다.
- 수집된 구연산 토양 세척 문헌은 Table 1과 같으며, 각 문헌의 영향 인자 자료는 Cu, Pb, Zn 각각의 중금속의 제거 효율과 상관관계를 분석하기 위해 회귀분석이 실시되었다(Chen et al., 2015; Chen et al., 2016; Di Palma and Mecozzi, 2007; Gao et al., 2003; Neale et al., 1997; Perez-Esteban et al., 2013; Suanon et al., 2016; Wang et al., 2015; Wuana et al., 2010). 구연산 토양 세척 문헌자료 내 변수들의 범위는 고액비 0.
- 토양 세척에 있어서 주요 영향 인자를 규명하기 위해서, 단일 및 다중 회귀 분석이 실시 되었다. 토양 세척 실험을 실시한 기존 문헌들에서 수집된 자료를 이용해 세척효율과 변수들의 상관관계를 분석하였다.
- 회귀분석결과는 Table 2에 나와있는 바와 같이, 회귀분석을 이용하여 p값과 r값을 도출하였고, 두개의 수치를 이용해 변수들의 효율과의 상관관계를 판단하였다. 그 결과, 단일 변수에 대한 회귀분석의 경우 다른 변수 값들이 다양하게 존재하여 효율과의 상관관계가 두드러지게 나타나지 않았다.
- 토양 세척의 다양한 인자들 중 주요 영향 인자를 판단하기 위해 세척 시간, 세척 횟수, 중금속 및 세척제의 농도, 점토질 함유량, 고액비, MB값과 MP값에 대한 단일 및 다중 회귀 분석이 수행되었다. 회귀분석시에는 구연산과 EDTA가 사용되었으며, 8종의 단일 변수와 5가지의 변수 조합에 대해서 단일 및 다중 회귀 분석을 실시하였다. 일부 문헌에서 언급된 바와 같이 토질의 구성중 점토질의 함량이 구성성분에 비해 중금속의 세척 효율에 더 많은 영향을 끼치기 때문에, 토성 중 점토질의 함량만을 영향 인자 분석에 포함하였다(Sungur et al.
성능/효과
- W/H 모델의 두번째 검증에서는 다양한 토양에의 적용 가능성을 알아보기 위해 토양 세척 문헌 자료를 수집하고 이를 토대로 W/H 모델에 적용하였다. Cu, Pb, Zn을 EDTA로 세척한 문헌들을 조사하였으며, W/H값이 증가함에 따라 효율이 증가하는 경향성이 나타났다. 또한 MP값 0.
- Zn는 다른 두 중금속에 비하여, MP값에 따른 효율 차이가 크지 않은 것으로 나타났다. Cu와 Pb의 경우 평균적으로 두 그룹간 50-60%의 세척 효율 차이가 나타났으나, Zn의 경우 두 그룹간 효율 차이가 30-40%인 것으로 나타났다. 이는 Zn의 토양 세척 효율은 다른 중금속에 비하여 토양내 존재상에 의한 영향력이 약하기 때문인것으로 판단된다.
- Cu와 Pb의 경우와 같이 MP > 0.6 그룹에서는 효율과의 상관관계가 R2= 0.193으로, MP < 0.6 그룹에서의 상관관계보다 비교적 낮게 나타났다(Table 4).
- Cu의 문헌 자료 분석 결과, MP값 0.6 이상 그룹에서는 W/H와 효율 사이의 상관관계가 비교적 낮게 나타났다(Table 4, Fig. 2). Cu의 경우 같은 W/H값을 가진 자료에서도, 고액비의 효율에 미치는 영향이 세척제의 농도나 세척 횟수보다 높기 때문에 위와 같은 결과가 나온 것으로 판단된다.
- 1(c, d, e)에서는 각각 Zn, As, Ni에 대한 토양세척 실험결과를 W/H − 효율 그래프로 나타내었다. Zn, As, Ni 모두에서 EDTA 또는 NTA의 효율이 가장 높게 나타났으며 아세트산의 효율이 가장 낮은 것으로 관찰되었다. 세가지 중금속 모두에서 세척제의 종류와 상관없이 W/H값이 증가함에 따라 세척 효율이 증가하는 경향성이 나타났다.
- , 2007). pH와 중금속의 존재상에 따라 4가지 세척제의 효율을 비교하였으며, 그 결과 킬레이트제가 유기산보다 전반적인 효율이 높다는 것을 분석하였다. 하지만 다른 문헌과 마찬가지로 한정된 변수를 통해 효율을 분석하는 것은 현장의 다양한 인자들을 충분히 고려할 수 없으며, 세척제의 비교에 사용된 변수 또한 부족하다고 할 수 있다.
- 각 그룹에 대한 상관관계 분석 결과 MP > 0.6 그룹에서는 R2 =0.243, MP 0.6 그룹에서는 W/H값이 10 이상이 되면 Pb의 제거효율이 80% 이상으로 나타나며, W/H값이 50을 초과할 경우 95% 이상의 Pb가 제거될 수 있는 것으로 보여진다.
- Pb 또한 구연산 세척 실험에서 다양한 토양과 인자의 범위로 실험을 하였다. 그 결과 W/H와 효율 사이의 일정 상관관계가 존재하긴 하나, W/H 값이 증가할수록 효율 값의 변화폭이 심해지고 경향성이 낮아지는 현상이 나타났다. 이는 Pb의 경우 W/H 변수에 사용된 영향 인자 외에 다른 인자들에 민감하게 반응한다는 것을 알 수 있다.
- 두 번째 조합에서는 첫 번째 조합에 사용된 변수에 세척 시간 변수를 추가하였다. 그 결과 대부분 케이스에서 상관계수 r값이 증가하였으며, 신뢰 수준 또한 높아졌다. 특히 구연산으로 세척하였을 경우, 모든 중금속에 대해 r값이 0.
- 위의 분석 결과를 토대로, W/H 변수는 가장 높은 신뢰수준 값을 보여준 세 번째 조합에 사용된 인자들로 구성되었다. 네 번째, 다섯 번째 조합은 높은 상관계수값을 보여주지만, 신뢰 수준이 낮아 W/H 수식에는 MB나 MP를 넣지 않는 것이 타당하다고 판단하였다. 하지만 MP의 경우 중금속의 존재상을 판단할 수 있는 중요한 지표인 것으로 분석되었으며, 따라서 문헌 자료를 사용한 W/H 변수의 검증에 MP값을 활용하였다.
- 네 번째, 다섯 번째 조합은 세 번째 조합에 MB와 MP값을 각각 추가하였다. 다중회귀분석 결과, 전반적으로 MB를 포함한 네 번째 조합에서보다 MP를 포함한 다섯 번째 조합에서 높은 신뢰 수준과 상관계수값을 나타냈다. MB의 경우 중금속 전체의 존재상 중 가장 제거되기 쉬운 exchangeable fraction의 비율만 고려하기 때문에, 제거가능성이 높은 다른 fraction을 고려할 수 없다.
- 첫 번째 조합은 기존 세척제 − 중금속 몰비율 변수 산정에 포함되는 고액비, 세척제 농도, 중금속 농도 세가지 변수로 구성되었다(Table 2). 단일 회귀 분석에 비하여 구연산, EDTA 두 세척제 모두에서 전반적으로 효율과의 상관관계가 높은 것으로 나타났다. Cu − citric acid와 Cu − EDTA의 경우 각각 r값이 0.
- Cu, Pb, Zn을 EDTA로 세척한 문헌들을 조사하였으며, W/H값이 증가함에 따라 효율이 증가하는 경향성이 나타났다. 또한 MP값 0.6을 기준으로 두 그룹으로 나눈 결과 fitting equation을 통해 각 그룹의 식을 도출할 수 있었으며, W/H 값에 따른 세척 효율의 예측까지 가능한 것으로 판단되었다.
- 모든 W/H 범위에서 EDTA와 NTA가 Pb 제거에 효율적인 것으로 나타났으며, 구연산 > 말산 > 옥살산 > 아세트산 순으로 효율이 높은 것을 알 수 있다.
- Zn, As, Ni 모두에서 EDTA 또는 NTA의 효율이 가장 높게 나타났으며 아세트산의 효율이 가장 낮은 것으로 관찰되었다. 세가지 중금속 모두에서 세척제의 종류와 상관없이 W/H값이 증가함에 따라 세척 효율이 증가하는 경향성이 나타났다. 이는 Zn, As, Ni의 경우 Cu, Pb에 비하여 다른 영향 인자에 크게 영향을 받지 않는 것으로 판단할 수 있다.
- 본 연구에서는 중금속으로 단일 또는 복합 오염된 다양한 토양에서의 토양 세척 효율을 분석하기 위해 W/H 변수를 제시하고, W/H 변수를 활용하여 효율의 변화 양상을 관찰할 수 있는 모델을 제시하였다. 실험실 규모의 실험 자료를 W/H 변수에 적용시킨 결과 5가지 중금속 모두에서 합성 킬레이트 세척제인 EDTA와 NTA의 효율이 가장 높은 것으로 나타났고, 아세트산, 구연산, 옥살산, 말산 4가지의 유기산 세척제는 비교적 효율이 낮은 것으로 판단되었다. 이는 다양한 변수에 대해 세척 효율을 분석한 기존의 문헌들에서 관찰된 실험 결과와 같았으며, 이를 통해 W/H 모델의 신뢰성을 검증할 수 있었다.
- 그 결과, 단일 변수에 대한 회귀분석의 경우 다른 변수 값들이 다양하게 존재하여 효율과의 상관관계가 두드러지게 나타나지 않았다. 위의 결과는 서론에서도 언급한 바와 같이 토양 세척의 효율에는 다양한 인자들이 유기적으로 영향을 끼친다는 것을 입증한다.
- 위의 분석 결과를 토대로, W/H 변수는 가장 높은 신뢰수준 값을 보여준 세 번째 조합에 사용된 인자들로 구성되었다. 네 번째, 다섯 번째 조합은 높은 상관계수값을 보여주지만, 신뢰 수준이 낮아 W/H 수식에는 MB나 MP를 넣지 않는 것이 타당하다고 판단하였다.
- 실험실 규모의 실험 자료를 W/H 변수에 적용시킨 결과 5가지 중금속 모두에서 합성 킬레이트 세척제인 EDTA와 NTA의 효율이 가장 높은 것으로 나타났고, 아세트산, 구연산, 옥살산, 말산 4가지의 유기산 세척제는 비교적 효율이 낮은 것으로 판단되었다. 이는 다양한 변수에 대해 세척 효율을 분석한 기존의 문헌들에서 관찰된 실험 결과와 같았으며, 이를 통해 W/H 모델의 신뢰성을 검증할 수 있었다. W/H 모델의 두번째 검증에서는 다양한 토양에의 적용 가능성을 알아보기 위해 토양 세척 문헌 자료를 수집하고 이를 토대로 W/H 모델에 적용하였다.
- 위의 그래프 분석 결과 세척제 별 효율의 순서를 Table 3에 요약하였으며, 효율이 비슷해 효율의 순서를 판단하기 어려운 세척제는 따로 표시하였다. 전반적으로 NTA, EDTA와 같은 합성 킬레이트 세척제가 구연산, 말산, 옥살산, 아세트산과 같은 유기산 세척제에 비하여 효율이 높은 것으로 나타났다. 이와 같은 결과는 다른 토양 세척실험 문헌에서 언급한 바와 같이 킬레이트 세척제가 유기산 세척제 보다 높은 효율을 보이는 것을 반증하는 결과로 볼 수 있다(Quartacci et al.
- 1(a)는 Cu로 오염된 토양의 W/H 값에 따른 제거효율을 보여준다. 전반적으로 모든 세척제에서 W/H 값이 증가함에 따라 제거 효율이 증가하는 경향성이 나타났다. Cu 제거에는 NTA가 가장 효율이 높은 것으로 나타났으며, EDTA > 옥살산 ≅ 말산 > 구연산 > 아세트산 순의 세척 효율을 보여주었다.
- Cu 제거에는 NTA가 가장 효율이 높은 것으로 나타났으며, EDTA > 옥살산 ≅ 말산 > 구연산 > 아세트산 순의 세척 효율을 보여주었다. 특히 구연산 세척 자료의 경우 4가지 다른 토양을 이용한 실험 자료를 이용하였으나, W/H 값과 세척 효율 간의 상관관계가 비교적 명확하게 나타났다. 이를 통해 Cu 토양 세척에 있어 토성의 영향이 다른 영향 인자들에 비하여 약하다는 것을 알 수 있다.
- 실험결과를 W/H 변수에 대입하고, 각각의 중금속 오염물질에 대하여 W/H –효율 그래프를 작성하였으며 이를 토대로 중금속 별 세척제들의 효율성을 비교하였다. 효율 비교 결과는 기존 토양 세척 실험 문헌들과 비교하여 W/H를 이용한 세척제 효율 분석의 타당성이 검토되었다.
후속연구
- W/H 모델은 토성에 따라 오차가 발생할 수 있으며, 각 인자들의 효율에 끼치는 영향을 개별적으로 판단하기 어렵다는 단점이 있으나, 인자들을 간편하게 계산하여 효율을 예측하고 판단할 수 있다는 점에 그 효용성이 매우 높다. 따라서 토양 세척 공정을 설계하거나, 정화 공법의 선택 단계에서 매우 유용한 결정 자료로 사용될 수 있을 것으로 판단된다.
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