[논문]비 무기산 세척제에 의한 중금속 오염 토양 세척효과 평가

이가빈; 정원균; 이수민; 박진; 조용환; 백기태

doi:10.7857/jsge.2022.27.5.010

비 무기산 세척제에 의한 중금속 오염 토양 세척효과 평가
Evaluation on Soil Washing of Metal-contaminated Soil using Non-Inorganic Acids 원문보기

지하수토양환경 = Journal of soil and groundwater environment, v.27 no.5, 2022년, pp.10 - 17

이가빈 (전북대학교 환경에너지융합학과 및 토양환경연구센터) , 정원균 (전북대학교 환경에너지융합학과 및 토양환경연구센터) , 이수민 (전북대학교 환경에너지융합학과 및 토양환경연구센터) , 박진 (전북대학교 환경에너지융합학과 및 토양환경연구센터) , 조용환 (전북대학교 환경에너지융합학과 및 토양환경연구센터) , 백기태 (전북대학교 환경에너지융합학과 및 토양환경연구센터)

Abstract ▼ AI-Helper

Inorganic acids such as HCl, HNO3, and H2SO4 have been commonly applied to soil washing of heavy metals-contaminated soil due to their cost-effectiveness. However, implementing the 'Chemical Substance Control Act' requires off-site risk assessment of the chemicals used in the soil washing. Therefore, in this study, organic acids or Fe(III)-based washing agents were evaluated to replace commonly used inorganic acids. Ferric removed heavy metals via H+ generated by hydrolysis, which is similar to the HCl used in the control group. Oxalic acid and citric acid were effective to remove Cu, Zn, and Cd from soil. Organic acids could not remove Pb because they could form Pb-organic acid complexes with low solubility. Furthermore, Pb could be adsorbed onto the iron-organic acid complex on the soil surface. Ferric could remove exchangeable-carbonate, Fe-Mn hydroxide, and organic matter and sulfides bound heavy metals (F1, F2, and F3). Organic acids could remove the exchangeable-carbonate and Fe-Mn hydroxide bound metals (F1&F2). Therefore, this research shows that the fractionation of heavy metals in the soil and the properties of washing agents should be considered in the selection of agents in the process design.

주제어

표/그림 (10)

표 Table 1. Stability constant (Ks) of organic acids
표 Table 2. Detailed method of Sequential extraction procedure (SM&T)
표 Table 3. Physicochemical properties of soil samples
$Fig. 1. Sequentially extracted fraction of a) Pb, b) Cu, c) Zn, d) Cd from initial soil.$ 그림 Fig. 1. Sequentially extracted fraction of a) Pb, b) Cu, c) Zn, d) Cd from initial soil.
표 Table 4. Removal efficiency (%) of heavy metal using extracting agents
$Fig. 2. Sequentially extracted fraction of heavy metals before and after soil washing from S9.$ 그림 Fig. 2. Sequentially extracted fraction of heavy metals before and after soil washing from S9.
표 Table 5. Solubility equilibrium constant (K_sp) of lead, copper, zinc, cadmium oxalate
그림 Fig. 3. FT-IR spectra of soil 1, 7, 9 before and after washing with oxalic acid and citric acid.
표 Table 6. Determination Coefficient of soil washing efficiency regression analysis (Independent variable: soil-heavy metal forms of initial soil, dependent variable: removed concentration of heavy metals)
그림 Fig. 4. Concentration of removed heavy metals ; Pb (a, e, i, m), Cu (b, f, j, n), Zn (e, g, k, o), Cd (d, h, l, p).

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서 기존에 사용되던 염산, 질산, 황산과 같은 무기산을 대체하기 위하여 세척제의 화학적 특성 및 경제성을 고려해 유기산, 철 기반 세척제를 선정하였으며, 중금속으로 오염된 토양의 세척효율을 평가하였다. 납, 구리, 아연, 카드뮴에 대하여 연속추출을 통해 중금속의 결합형태를 확인하여 토양 중 중금속의 특성과 세척제의 영향을 확인할 수 있었다.

제안 방법

0%, JUNSEI, Japan)을 사용하였다. 대조군으로 염산(HCl, 35.0~37.0%, SAMCHUN, Korea)을 사용하여 대상 세척제의 효율을 비교하였다. 토양 세척 후 8000 rpm에서 5분 동안 원심분리 후 여과하여 여과액을 ICP-OES로 분석하였다.

대상 데이터

세척제별 토양의 정화효율을 평가하기 위하여 0. 2 M의 세척제로 토양세척실험을 수행하였다(Table 4). 실험결과 유기산인 옥살산과 구연산은 납을 제외한 구리, 아연, 카드뮴에 대하여 세척효율이 대조군으로 사용된 염산보다 높거나 비슷한 효율을 보여주었다.
유기산 세척제는 옥살산(Oxalic acid, OA, 99.0%, SAMCHUN, Korea), 구연산(Citric acid, CA, ≥ 99.5%, DAEJUNG, Korea)을 사용하였으며, 철 기반 세척제는 염화제이철(FeCl3, FC, ≥ 97.0%, JUNSEI, Japan)을 사용하였다

성능/효과

Table 6에서 세척 전 토양의 중금속과 토양의 결합형태와 제거된 중금속의 농도를 회귀분석한 결정계수를 나타내었다. 각 중금속에 대한 결정계수를 바탕으로 상관성이 높은 결합형태를 선정한 결과, 염산과 비슷한 경향을 보여주었던 염화제이철은 F1 + F2 + F3를 의미하는 교환가능-탄산염 결합태, 철-망간 수산화물 결합태, 유기물-황화합물 결합태를 제거할 수 있는 것으로 나타났다(Fig. 4).
본 연구에서 기존에 사용되던 염산, 질산, 황산과 같은 무기산을 대체하기 위하여 세척제의 화학적 특성 및 경제성을 고려해 유기산, 철 기반 세척제를 선정하였으며, 중금속으로 오염된 토양의 세척효율을 평가하였다. 납, 구리, 아연, 카드뮴에 대하여 연속추출을 통해 중금속의 결합형태를 확인하여 토양 중 중금속의 특성과 세척제의 영향을 확인할 수 있었다. 대조군으로 사용된 염산과 유사하게 염화제이철은 가수분해로 인하여 생성된 수소이온의 영향으로 중금속을 제거하였다.
중금속의 결합형태와 세척효율을 회귀분석한 결과 염화제이철은 염산과 유사하게 교환가능-탄산염 결합태, 철-망간 수산화물 결합태, 유기물-황화합물 결합태를 제거할 수 있는 것으로 나타났으며 유기산은 1, 2단계의 합에 영향을 받는 것을 확인하였다. 따라서, 토양 중 중금속의 결합형태와 세척제의 특성은 세척효율에 큰 영향을 주는 것을 확인하였으며, 일반적으로 토양세척공정에 사용되는 염산을 대체할 수 있는 대체 세척제로 염화제이철이 적합함을 확인할 수 있었다. 또한 유기산의 경우 Pb의 제거에는 효과가 없으나 Cu, Zn, Cd의 제거에는 효과적이었다.
따라서, 토양 중 중금속의 결합형태와 세척제의 특성은 세척효율에 큰 영향을 주는 것을 확인하였으며, 일반적으로 토양세척공정에 사용되는 염산을 대체할 수 있는 대체 세척제로 염화제이철이 적합함을 확인할 수 있었다. 또한 유기산의 경우 Pb의 제거에는 효과가 없으나 Cu, Zn, Cd의 제거에는 효과적이었다. 따라서 토양세척공정에서 화학물질관리법을 대응하면서, 친환경성 및 경제성을 답보할 수 있는 세척제의 발굴이 필요하며, 대체 세척제의 선정과정에서 세척제의 특성 및 중금속의 결합형태를 고려할 필요가 있다.
2 M의 세척제로 토양세척실험을 수행하였다(Table 4). 실험결과 유기산인 옥살산과 구연산은 납을 제외한 구리, 아연, 카드뮴에 대하여 세척효율이 대조군으로 사용된 염산보다 높거나 비슷한 효율을 보여주었다. 염화제이철은 납, 구리, 아연, 카드뮴 모두 제거하였지만 염산보다는 효율이 낮았다.
대조군으로 사용된 염산과 유사하게 염화제이철은 가수분해로 인하여 생성된 수소이온의 영향으로 중금속을 제거하였다. 유기산으로 사용된 옥살산과 구연산은 Pb을 제외한 Cu, Zn, Cd의 제거에 효과적이었다. 유기산을 사용하였을 때 Pb은 유기산과 납의 복합체 형성 또는 유기산에 존재하는 carboxilic group과 철의 결합에 의해 생성된 복합체에 Pb의 흡착으로 인하여 제거효율이 낮음을 보여주었다.
반면에 옥살산, 구연산은 납을 제외한 중금속의 제거에 적합하며, 중금속에 따라서 제거할 수 있는 형태가 다른 경향을 보였다. 유기산은 F1 + F2 + F3 형태의 구리와 아연을 제거할 수 있으나, 카드뮴은 F1 + F2 형태를 제거할 수 있는 것으로 확인되었다. 이는 염산 및 염화제이철과 같이 수소이온을 방출하여 산성조건을 형성하나, 중금속과 안정한 복합체를 형성하여 토양으로부터 중금속의 완전한 제거를 이루기 어렵다(Eq.
유기산을 사용하였을 때 Pb은 유기산과 납의 복합체 형성 또는 유기산에 존재하는 carboxilic group과 철의 결합에 의해 생성된 복합체에 Pb의 흡착으로 인하여 제거효율이 낮음을 보여주었다. 중금속의 결합형태와 세척효율을 회귀분석한 결과 염화제이철은 염산과 유사하게 교환가능-탄산염 결합태, 철-망간 수산화물 결합태, 유기물-황화합물 결합태를 제거할 수 있는 것으로 나타났으며 유기산은 1, 2단계의 합에 영향을 받는 것을 확인하였다. 따라서, 토양 중 중금속의 결합형태와 세척제의 특성은 세척효율에 큰 영향을 주는 것을 확인하였으며, 일반적으로 토양세척공정에 사용되는 염산을 대체할 수 있는 대체 세척제로 염화제이철이 적합함을 확인할 수 있었다.
3% 보다 높은 것을 알 수 있었다. 토양 중 중금속 농도는 Pb 7483.6-400.5 mg/kg, Cu 1282.8-61.4 mg/kg, Zn 1128.1-177.1 mg/kg, Cd 14.4-1.3 mg/kg로 모든 토양에서 한가지 중금속 이상이 토양오염 우려기준을 모두 초과하였다.

후속연구

또한 유기산의 경우 Pb의 제거에는 효과가 없으나 Cu, Zn, Cd의 제거에는 효과적이었다. 따라서 토양세척공정에서 화학물질관리법을 대응하면서, 친환경성 및 경제성을 답보할 수 있는 세척제의 발굴이 필요하며, 대체 세척제의 선정과정에서 세척제의 특성 및 중금속의 결합형태를 고려할 필요가 있다.

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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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