초록 ▼

요 약 문 Ⅰ. 제 목 방사선이용 환경처리 기술개발 Ⅱ. 연구개발의 목적 및 필요성 ● 연구개발 목적 본 연구개발의 목적은 방사선을 이용하여 지하수에 함유되어 있는 미량의 염소계 유기화합물 및 질산성질소를 제거하는 기술을 개발하는 한편 방사선에 의해 분해되는 염소계 유기화합물의 분해산물 독성을 파악 함으로써 방사선을 이용한 오염지하수 정화기술을 개발하고자 한다. ● 연구개발 필요성 우리 나라는 현재 UN이 지정한 물부족 국가중 하나로 매년 기하급수적으로 증가하고있는 물 수요량에 비하여 극히 부족한 가용지표수량만을 가지고 있는 실정이

요 약 문 Ⅰ. 제 목 방사선이용 환경처리 기술개발 Ⅱ. 연구개발의 목적 및 필요성 ● 연구개발 목적 본 연구개발의 목적은 방사선을 이용하여 지하수에 함유되어 있는 미량의 염소계 유기화합물 및 질산성질소를 제거하는 기술을 개발하는 한편 방사선에 의해 분해되는 염소계 유기화합물의 분해산물 독성을 파악 함으로써 방사선을 이용한 오염지하수 정화기술을 개발하고자 한다. ● 연구개발 필요성 우리 나라는 현재 UN이 지정한 물부족 국가중 하나로 매년 기하급수적으로 증가하고있는 물 수요량에 비하여 극히 부족한 가용지표수량만을 가지고 있는 실정이다. 이에 공업용수, 농업용수, 약수 및 생활용수로서의 대체수자원 확보가 시급하며 이로 인한 지하수 개발이 활발하게 이루어지고 있다. 그러나 1994년 이전까지 지하수 자원 보호 및 보존에 관한 법률이 전무한 상황에서 시행된 이러한 무분별한 개발은 심각한 지하수 오염을 야기시키고 있다. 따라서, 효과적인 대체수자원으로서의 지하수 개발을 위해서는 적절한 수질과 필요한 수량을 동시에 만족시킬 수 있는 기술이 필요하다. 방사선을 이용한 오염지하수 정화는 이러한 조건에 부합하는 효과적인 방법으로 다량의 지하수에 존재하고 있는 미량의 염소계유기화합물질뿐만 아니라 이들의 분해산물 및 미생물등을 동시에 대량으로 처리할 수 있는 최적의 기술이다. Ⅲ. 연구개발의 내용 본 연구개발은 방사선이용 오염지하수 처리와 관련된 기반기술 연구와 시범시설 개발로 이루어져 있다. 기반기술 연구로, 오염지하수내 유기물질들의 방사선 처리특성과 이러한 오염유기물질로부터 생성되는 분해산물들의 독성 및 돌연변이성을 연구하였다. 또한, 질산성질소의 흡착제거를 위한 복합섬유이온교환체를 개발하였다. 위 기반기술 연구를 바탕으로, 오존수 제조장치, 방사선 조사장치, 복합섬유이온교환장치로 구성된 시범시설을 개발하였고, 운전을 통한 시범시설의 운영인자들을 최적화 하였다. Ⅳ. 연구개발결과 ● 방사선 이용 지하수 정화기술의 실험실적 특성 규명 오염지하수의 방사선 처리에 앞서, 오염 유기물질의 대상물질로 TCE, PCE를 사용하여 실험하였다. 초기농도 각각 10 mg/L 의 TCE와 PCE는 500 Gy의 방사선을 조사했을 경우 모두 99 % 가 제거되었다. TCE, PCE 분해산물인 TCAA, DCAA, MCAA 등을 GC/MS를 이용하여 정성분석하였다. 금속이온의 첨가하여 처리효율의 변화를 확인하였다. 제거효율은 Fe를 첨가한 경우가 가장 우수하였으며, Fe(Ⅲ)>Si(IV)>Ni(Ⅱ)>Co(Ⅱ)> Mg(II)> Ca(II)>No metal (γ-ray only)>Cr(Ⅲ)>Zn(Ⅱ)>Al(III)>Mn(Ⅱ)>Cu(II)순으로 나타났다. TCE 및 PCE의 경우 10 ppm 농도 이하에서는 독성을 보이지 않았고 100 ppm 이상의 농도에서 독성효과가 나타났다. TCE의 경우 300-500 ppm에서 그리고 PCE의 경우 150 ppm에서부터 세포독성효과가 시작되어 농도가 증가할수록 독성도 증가하는 경향을 보였다. 질산성 질소 제거를 위한 음이온 및 양이온 교환체 합성법을 개발하였다. ● 방사선 이용 합성지하수 정화기술 개발 표본설정된 합성지하수 조성에 따라 만든 인공지하수에 TCE와 PCE를 주입하여 실험하였다. 순수를 이용하여 진행한 실험과 대등한 결과를 나타내어 실제 오염지하수정화에의 적용가능성을 확인하였다. 감마선 단독공정과 오존/감마선 병용공정의 효율을 비교하였다. 오존이 첨가될 경우 감마선 단독공정에 비하여 50% 이상의 효율증가를 확인하였다. EPR을 이용한 스펙트라 분석을 통하여 방사선에 의한 유기오염물질의 분해기작을 규명하였다. 대상물질의 세포독성 기작 규명을 위하여 활성산소 발생과의 관계를 규명하였다. 그 결과 활성산소는 세포독성에 직접 관여하지 않음을 확인하였다. TCE,PCE의 경우 DNA breakage를 일으키지 않는 반면, 분해산물인 TCAA,DCAA,MCAA의 경우 DNA를 절단할 수 있음을 확인하였다. 방사선 중합에 의해 합성한 섬유상 음이온교환체의 연속식 공정에 의한 질산성? 유속에서 1보다 큰 값을 나타내어 수중 존재하는 Cl- 이온보다 높은 선택능을 나타내었고, 또한 연속 흡?탈착 실험 결과 최소 10회 이상 흡?탈착이 가능한 흡착제임이 판명되었다. ● 방사선 이용 지하수 정화 시범시설 개발 위 기반기술 연구결과 감마선/오존수/복합섬유이온교환수지를 이용한 처리가 오염지하수를 처리하기 위한 가장 적합한 기술로 밝혀졌다. 따라서, 원수저장조, 실시간 오존모니터링이 가능한 오존접촉조, 방사선조사장치, 복합섬유이온교환탑 으로 구성된 시범시설을 제작하였다. TCE와 PCE 모두 감마선 단독공정보다는 감마선/오존 병용공정에서 동일 조사량 기준 25 % 이상의 높은 제거효율 향상을 보여주었다. 이는 90 % 이상의 제거효율을 얻기위한 조사량을 50 % 이상 낮출수 있는 효과이며 원물질 뿐만아니라 분해산물의 분해제거에도 높은 효율을 나타내었다. 복합섬유이온교환탑의 NO3- 이온에 대한 흡착 성능 평가한 결과 흡착시간이 증가함에 따라 NO3- 흡착량은 증가하였으며, NO3- 농도의 증가할수록 흡착속도는 빨라졌다. 이들 결과로부터 본 연구에서 자체 제작한 시범시설의 NO3- 흡착은 흡착시간 20시간, 유속 2ℓ/min , 농도 50ppm가 최적임을 알 수 있었다. Ⅴ. 연구개발결과의 활용계획 ● 본 연구에서 개발된 기술은 오염지하수를 처리하여 대체수자원을 확보하는데 직접적으로 적용될 수 있다. ● 본 연구에서 개발된 처리 공정은 , 안정적이고 안전한 음용수를 공급하는데 이용될 수 있으며, 개발된 복합섬유이온교환체를 이용할 경우 질산성 질소에 오염되어 음용수 기능을 상실한 약수터나 지하수에 대해 음용수 기능 회복이 가능할 수 있다. ● 본 연구에서 개발된 공정을 도입할 경우 공단주변등의 오염지하수 복원에 활용하는등 수자원 보존에 적용할 수 있다.

Abstract ▼

SUMMARY I. PROJECT TITLE Development of Radiation Technique for Environmental Treatment II. OBJECTIVE AND IMPORTANCE OF PROJECT ● OBJECTIVE This study was carried out for development of radiation technique which can be used in purification of ground water contaminated by chlorinated organic compound

SUMMARY I. PROJECT TITLE Development of Radiation Technique for Environmental Treatment II. OBJECTIVE AND IMPORTANCE OF PROJECT ● OBJECTIVE This study was carried out for development of radiation technique which can be used in purification of ground water contaminated by chlorinated organic compounds and NO3-. ● NECESSITIES Korea has been well known as one of the water shortage nations appointed by UN and possesses a limited surface water resource despite of explosively increasing needs for the water. As a results, the attempts to secure the water resource from the ground water have been promoted since the necessity of alternative water resources which are useful for the purpose of an industrial , an agricultural , a mineral and a living use are urgent. However, the reckless attempts to secure the ground water had induced a serious contamination of ground water preferably until 1994 when the laws preserving and protecting the ground water had not been established. Therefore, it is needed that a proper technique which can purify the contaminated ground water with satisfaction not only water quality but also water quantity in order to secure effectively an alternative water resources. From this point of view, a purification using radiation can be regarded as an effective technique which can handle the small quantity of organic compounds, their by-products and microorganisms contained in the ground water simultaneously as well as treatment of large amount of contaminated ground water. III. SCOPE AND CONTENTS OF PROJECT This study includes the research for development of a basic technology by radiation to treat the contaminated ground water and the development of small scale of model plant. For study of basic technology, a reaction characteristics between the chlorinated organic compounds and the radiation under the various conditions in the ground water were examined , and determination of toxicity by their by-products as well as their mutation characteristics were carried out. Fibrous ion exchangers for removal of trace amount of inorganic ions contained in the ground water were developed by the irradiation polymerization and hydrolysis method. With a results of the basic research, a small scale of model plant which was consisted of the ozone generator, the irradiation facility and the fibrous ion exchanger was developed, and the operation conditions were optimized. IV. RESULTS OF PROJECT ● A purification of ground water by the radiation in a laboratory scale TCE and PCE were used as the model pollutants for organic compounds. The removal efficiency of TCE and PCE with 10 mg/l of initial concentration was 99% at the irradiation dose of 500Gy, respectively. Their by-products such as TCAA, DCAA, and MCAA were qualitatively analysed. The effect of metal ions on removal efficiency of TCE and PCE when it was irradiated was examined. The most effective removal efficiency was observed from adding of Fe(III) and showed decreasing trend with sequence of Fe(III) > Si(IV) > Ni(II) > Co(III) > Mg(II) > No metal (γ-ray only) > Cr(III) > Zn(II) > Al(III) > Mn(II) > Cu(II). The toxicity by TCE and PCE with concentration below than 10 mg/l respectively was not observed but it was shown to be increased as their concentration increase. ● The purification of the synthetic ground water by radiation The experiments were conducted with an artificial synthetic ground water prepared after spiking with TCE and PCE. A comparison on removal efficiency of PCE and PCE between process with gamma irradiation only and process with gamma irradiation combined by ozone was carried out. The removal efficiency of PCE and PCE could be increased over 50% in the process with gamma irradiation combined by ozone. The decomposition mechanism of TCE and PCE by irradiation was investigated with EPRs. It was confirmed that main decomposition of TCE and PCE was governed by concentration of OH radical produced by radiolysis of water. The relationship between the generation of activated oxygen by radiation and the cell toxicity showed that the toxicity was not affected by the activated oxygen. However, the by-products of TCE and PCE such as TCAA, DCAA, and MCAA could cause the DNA breakage of the cell while TCE and PCE could not. The NO3- adsorption capacity of the fibrous anion exchanger showed over 1 at the flow rate of 1.5 and 3.0 ㎖/min when it has an initial concentration of 50 an 100 mg/l, respectively, and it showed higher selectivity than that of the Cl- in aqueous solution. It was also confirmed that fibrous ion exchanger was an excellent adsorbent which could be reused more than 10 times through the continuous adsorption/desorption test. ● The development of the model plant for the purification of ground water by radiation As a result of the basic research, it could be cautiously concluded that a combined system with γ-ray, ozone and fabric ion exchanger process can be one of the effective processes to purify the contaminated ground water. A small scale of model plant was designed with unit process by the water reservoir, the ozone generator, the irradiator, and the fibrous ion exchanger. The process combined with γ-ray and ozone showed that the removal efficiency of TCE and PCE was improved by 25% compared with that of γ-ray process. This means that irradiation dose can be reduced over 50%, which is enough to remove the contaminants by more than 90% and the combined process is a very effective to eliminate not only original pollutants but also their by-products. The capacity on adsorption amounts and the rate for NO3- in the fibrous ion exchanger were affected by the operation time and the initial concentration of NO3- respectively. The optimum operation conditions of the process could be obtained when it has 50 mg/l of initial concentration, 2ℓ/min of flow rate and 20 hours of adsorption time. V. PROPOSAL FOR APPLICATIONS ● The developed technology can be applicable to secure the alternative water resources from the contaminated ground water. ● The fibrous ion exchanger can be applicable to remove the NO3- and other valuable metal ions selectively in aqueous solution . ● The developed technology can be applicable to remedy the contaminated ground water in industrial complex area.

목차 Contents

• 제 1 장 서 론 1
  
  제 1 절 연구개발 목적 및 필요성 1
  1. 오염지하수 정화의 목적 1
  2. 오염지하수 정화의 필요성 1
  
  제 2 절 지하수 오염현황 및 대책 2
  1. 지하수 오염 현황 2
  2. 지하수 오염 정화 방법 3
  
  제 3 절 방사선 이용 지하수 오염정화 4
  
  제 2 장 국내?외 기술개발 현황 7
  
  제 1 절 연구사례 현황 7
  1. 외국 연구사례 7
  2. 국내 연구사례 8
  3. 연구사례 평가 8
  
  제 3 장 연구개발 수행내용 및 결과 10
  
  제 1 절 방사선 이용 지하수 정화기술 10
  1. 실험 재료 10
  2. 실험 방법 10
  제 2 절 방사선 이용 지하수 정화기술의 실험실적 특성 12
  1. 유기오염물질의 분해 12
  가. 방사선량의 영향 12
  나. pH의 영향 13
  다. 음이온 및 양이온의 영향 13
  라. 첨가물의 영향 17
  마. 산화 및 환원조건에서의 분해특성 19
  바. 방사선 분해산물의 정성분석 20
  2. 분해산물의 독성 및 돌연변이성 연구 21
  가. V79 Cell을 이용한 세포독성 검사 21
  나. S.Typhimurium TA98과 TA100을 이용한 돌연변이성 검사 26
  3. 복합섬유이온교환체의 무기이온 흡착특성규명 29
  가. 강염기성 음이온 교환체 합성 29
  나. 섬유형 양이온 교환체 합성 31
  
  제 3 절 방사선 이용 합성지하수 정화기술 35
  1. 방사선 조사공정 변수들의 최적화 35
  가. 합성지하수 방사선 조사 영향인자들의 최적화 35
  (1) 합성지하수에서의 TCE, PCE 분해제거 35
  (2) 합성지하수에서의 첨가제 영향 36
  나. 합성지하수 방사선 조사시 최적 첨가제 개발 42
  (1) 촉매 개발 42
  (2) 촉매 성형 46
  다. 합성지하수 방사선 조사공정 분해산물 특성 49
  라. 방사선에 의한 유기오염물질 분해기작 규명 52
  2. 유기오염물질과 분해산물의 세포독성 및 DNA 손상 평가 55
  가. Metabolic activation에 의한 세포독성 평가 55
  나. 세포독성 기작 규명 59
  다. DNA 손상 평가 63
  3. 섬유이온교환체 개발 및 흡착성능 개선 65
  가. 섬유형 음이온 (질산성질소 제거) 교환체 개발 65
  나. 섬유형 이온교환체의 내구성 및 내산성 평가 70
  다. 흡착 성능 개선 71
  
  제 4 절 방사선 이용 지하수 정화 시범시설 개발 78
  1. 시범시설 설계 및 제작 78
  2. 시범시설 운영 80
  3. 시범시설 운영결과 82
  
  제 5 절 결 론 90
  
  제 4 장 연구개발목표 달성도 92
  
  제 5 장 연구개발 결과의 활용계획 94
  
  제 6 장 참고문헌 95
  
  위탁연구 (1) 101
  
  위탁연구 (2) 145