[논문]중금속 오염 철도 토양의 세척에 의한 정화 타당성 연구

백기태; 신민철; 현충호; 이재영; 강해숙

중금속 오염 철도 토양의 세척에 의한 정화 타당성 연구
Feasibility study on soil washing to treat heavy metals-contaminated railway soil 원문보기

한국철도학회 2007년도 추계학술대회 논문집, 2007 Nov. 08, 2007년, pp.1236 - 1241

백기태 (금오공과대학교 환경공학과) , 신민철 (금오공과대학교 환경공학과) , 현충호 (금오공과대학교 환경공학과) , 이재영 (철도기술연구원 환경화재연구팀) , 강해숙 (철도기술연구원 환경화재연구팀)

초록
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철도에서 유래한 중금속 오염 토양을 정화하기 위해 세척방법의 타당성을 연구하였다. 유기산과 무기산을 사용하여 중금속 세척효율을 비교한 결과 무기산이 유기산보다 우수한 효과를 나타내었다. 일반적으로 세척효율이 우수하다고 알려진 ethylene diamine tetraacetic acid (EDTA)는 본 오염 토양의 세척에는 효과적이지 않았다. 무기산 중에는 HCl이 제일 우수한 효과를 보였으나, 세척효율은 0.5 M 에서도 30% 수준이었다. 특히 Zn와 Ni의 제거율이 다른 중금속에 비해 낮았다. 이는 Zn 와 Ni의 토양오염공정시험방법 상의 분석법이 왕수 추출에 의한 전함량이기 때문에 더 낮은 것으로 사료된다. 다른 중금속은 비교적 높은 70% 이상의 세척효율을 얻을 수 있었다. 결과적으로 단순한 세척공법은 중금속 유래 철도오염 토양을 처리하는데 적합하지 않다.

Abstract ▼ AI-Helper

The feasibility of soil washing was investigated in the laboratory to treat heavy metals-contaminated railway soil. Various organic acids including ethylene diamine tetraacetic acid (EDTA) and citric acid as well as inorganic acids such as hydrochloric acid (HCl) and phosphoric acid were tested to evaluate washing efficiency. Generally, inorganic acid showed higher removal efficiency compared to organic acids. Specially, EDTA, which are well known as most effective washing agent to remove heavy metals from soil, was not efficient to remove heavy metals in this study. Among washing agents tested in this study, HCl was most effective. The removal of Cd, Cu, and Pb was high, however, that for Zn and Ni was less than 30% with 0.5 M HCl. This difference comes from analytical methods (Korean Standard Test Method for Soil). Aqua regia was used to extract Zn and Ni, however 0.1 N HCl was used for other metals. As a result, simple washing technology is not effective, to treat railway contaminated soil with heavy metals.

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 철도 부자에서 채취한 중금속 오염토양을 토양세척 방법으로 처리할 때 다양한 세척제의 효과를 비교하고 이러한 결과를 바탕으로 토양 세척법의 중금속 오염철도 토양의 정화 타당성을 검토하고자 한다.

제안 방법

5 M까지 농도를 증가시키며 세척을 하였다. Citrate와 EDTA는 1.0 mM - 10.0 mM까지 농도를 변화시키며 세척 효율 을 평가하였다.
시간에 따른 세척효과를 살펴보기 위하여 일정 시간이 경과한 후 3000 rpm에서 10분간 원심분리하여 토양과 세척액을 분리하였다. 분리된 세척액을 원자흡광 광도계 (AAS, Shimadzu 6300, Japan)를 이용하여 분석하였다.
Zn, Ni, Cu의 오염도가 다른 중금속보다 높은 것으로 나타났고, Cd과 Pb는 배경농도와 유사한 수준으로 나타났다. 세척실험은 Zn, Ni, Cu에 대한 제거 효율 평가로 초점을 맞추었다.
세척제에 농도에 따른 세척 효율을 평가하기 위하여 HC₁ 0.01 M에서 0.5 M까지 농도를 증가시키며 세척을 하였다. Citrate와 EDTA는 1.
채취된 토양을 상온에서 풍건하여 2 mm 체로 체걸음하여 2 mm보다 작은 입경의 토양만 연구에 사용하였다. 토양세척실험은 회분식으로 진행되었다. 250 ml 삼각 프라스크에 오염토양 20 g과 세척액 100 ml을 넣고, 교반기에서 20℃, 150 rpm 조건으로 교반하였다.

대상 데이터

세척액으로는 강산인 HCl(Junsei, Japan) 과 H₃PO₄(Junsei, Japan), 유기산인 sodium citrateQunsei, Japan)와 disodium ethylenediaminetetraacetate (Junsei, Japan)을 사용하였다. 일반적으로 HC₁ 과 유기산은 대부분의 중금속 오염 토양에서 세척에 효과가 큰 것으로 알려져 있다.
실험에 사용된 토양의 초기 중금속 농도는 Zn, Ni, Pb, Cu, Cd이 각각 273, 87, 34, 108, 0.114 ㎎/㎏이었다. 오염 정도는 모두 토양 오염 우려 기준의 나 지역 기준치 이하였으나, 가지 역 기준치를 상회하는 수준이었다.
연구에 사용된 오염토양은 A지역 철도역에서 채취하였다. 채취된 토양을 상온에서 풍건하여 2 mm 체로 체걸음하여 2 mm보다 작은 입경의 토양만 연구에 사용하였다.
연구에 사용된 오염토양은 A지역 철도역에서 채취하였다. 채취된 토양을 상온에서 풍건하여 2 mm 체로 체걸음하여 2 mm보다 작은 입경의 토양만 연구에 사용하였다. 토양세척실험은 회분식으로 진행되었다.

성능/효과

Citrate와 EDTA는 수많은 세척 논문에서 세척 효율이 우수한 것으로 보고되었다 [1-2], 그러나 본 연구에 사용된 철도 유래 중금속 오염 토양에서는 Zn, Ni의 제거에 효과적이지 않았다 (Fig. 2). 일반적으로 Citrate와 EDTA는 양이온과 복합체를 형성하여 수용액에서 용해도를 증가시킨다.
Ni의 제거율은 0.5M의 인산을 사용한 경우에도 Zn의 절반 정도인 10% 정도였으며, 인산 농도가 증가함에 따라 추출율이 증가하는 경향은 비슷하게 나타났다. Cu의 경우 인산에 의해 효과적으로 제거되었다.
오염 정도는 모두 토양 오염 우려 기준의 나 지역 기준치 이하였으나, 가지 역 기준치를 상회하는 수준이었다. Zn, Ni, Cu의 오염도가 다른 중금속보다 높은 것으로 나타났고, Cd과 Pb는 배경농도와 유사한 수준으로 나타났다. 세척실험은 Zn, Ni, Cu에 대한 제거 효율 평가로 초점을 맞추었다.
HC₁ 은 다양한 중금속의 용출에 매우 효과적인 강산으로 알려져 있다. 본 연구에서도 유기산인 citrate나 EDTA보다 HC₁ 의 세척능이 우수한 것으로 나타났다. 그러나 전체적인 제거율은 Zn가 약 35%, Ni이 약 45%를 보여 높지 는 않았다.
114 ㎎/㎏이었다. 오염 정도는 모두 토양 오염 우려 기준의 나 지역 기준치 이하였으나, 가지 역 기준치를 상회하는 수준이었다. Zn, Ni, Cu의 오염도가 다른 중금속보다 높은 것으로 나타났고, Cd과 Pb는 배경농도와 유사한 수준으로 나타났다.
결국 수용액에서의용해도 증가는 토양에서의 중금속 주줄 증가로 이어져 전체적인 토양 세 척의 효율이 증가하게 된다. 이론적으로 보고된 EDTA와 Zn, Ni, Cu의 안정화 상수는 Ni>Zn 순이며, Citrate와의 안정화상수는 Ni>Zn 순이다. 본 연구에서 사용된 오염토양에서는 EDTA 에 대해서는 Zn>Ni였으며, Ni에 대해서는 비슷한 값을 나타내었다.
30분 이후에는 더 이상 추출이 진행되지 않고 평형을 유지함을 알 수 있다. 인산의 농도가 증가하면서 추출되는 중금속의 농도도 증가하였으며, 인산의 농도가 0.05 M 에서 0.5 M로 10배 증가한 경우 Zn의 제거율은 8%에서 20%로 증가하였다 (Fig. 3).

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