초록 ▼

Ⅳ. 연구개발 결과 및 활용에 대한 건의
1. 연구개발 결과
○ 1차년도
국내산 Zeolite와 양이온 계면활성제를 이용하여 Zeolite-Surfactant라는 경제적인 Organoclay를 개발하였으며, Zeolite-Surfactant를 이용하여 친수성 및 소수성 독성유기화합물을 분리-제거하는 기술을 확보 하였다.
그 내용으로 Zeolite-Surfactant의 구조적 특성, pH, 온도, 및 교반속도등에 따른 흡착특성, 분배계수 결정과 경쟁이온의 존재 시 분배계수와 흡착반응속도 결정, 또한 Humine

Ⅳ. 연구개발 결과 및 활용에 대한 건의
1. 연구개발 결과
○ 1차년도
국내산 Zeolite와 양이온 계면활성제를 이용하여 Zeolite-Surfactant라는 경제적인 Organoclay를 개발하였으며, Zeolite-Surfactant를 이용하여 친수성 및 소수성 독성유기화합물을 분리-제거하는 기술을 확보 하였다.
그 내용으로 Zeolite-Surfactant의 구조적 특성, pH, 온도, 및 교반속도등에 따른 흡착특성, 분배계수 결정과 경쟁이온의 존재 시 분배계수와 흡착반응속도 결정, 또한 Humine 물질의 존재 시 친수성과 소수성 유기화합물의 흡착특성을 밝혀, 지하수와 토양세척과정에서 오염되어 있는 독성유기화합물을 제거하는 기초기술을 확보하였다.
토양 중에 오염된 독성 유기화합물의 제거를 위한 전기운동시스템(electrokinetic system)장치(bench-scale)를 제작하고 토양에 오염된 독성유기염소화합물의 제거를 위한 기초 실험을 수행하여 그 가능성을 검토하였다. 또한, EDTA용액으로 중금속으로 오염된 토양을 세척하여 토양을 복원하는 기초실험을 수행하기 위한 중금속 제거 장치(bench-scale)를 제작하였다. 또한 EDTA로 중금속 오염토양을 세척한 후 중금속 제거장치를 이용하여 중금속을 분리제거하고 EDTA를 회수하는 기초기술을 확보 하였다.
광촉매-광산화 공정에 의한 지하수와 오염토양의 세척 수에 포함된 독성 유기물질의 파괴기술을 연구하였다. 우리는 광촉매로 사용하고자하는 TiO₂ 나노분말 입자를 제조하는 NT기술을 확보 하였다. 그리고 고체 받침대(황토 알갱이)위에 TiO₂ 나노분말 입자를 coating하는 film 합성기술과 film의 광촉매 효율을 증가시킬 수 있는 전이금속들의 혼입 기술을 이용하여 지하수중의 독성 유기화합물의 광촉매-광분해 특성을 밝혔다.
○ 2차년도
한국산 Na형-Zeolite와 황토-Na형-Zeolite 담체 알갱이에 HDTMAB나 STAC(Stearly Trimethyl Ammonium Chloride)와 같은 4급 아민 계면활성제를 반응시켜 유기점토광물(HDTMA⁺-Zeolite 혹은 STMA⁺- Zeolite)을 얻었다 이 신소재를 이용한 column 과 batch실험을 통해 친수성과 소수성 독성 유기염소화합물, 중금속이온 및 유해성 무기음이온(CrO₄^2-, Cr₂O₂^2-, SeO₄^2-, AsO₄^3-, NO₃^- 및 SO₄^2-)을 흡착제거하여 그들의 흡착특성을 각각 규명하였다.
현재 Electrokinetic Process는 금속오염 토양처리에만 그 연구가 한정 되어 있으나 우리들은 비휘발성-친수성 독성 유기오염물에 대한 처리가능성에 대하여 계속 평가하였다. 또한, 중금속으로 오염된 토양을 복원시키는 기술로 EDTA를 이용하여, 오염토양을 세척하고 세척 후 생성된 용액으로부터 중금속과 킬레이트제를 분리-회수하였다.
농촌지역 음용지하수에 잔류하는 독성 유기화합물의 산화분해처리를 위한 연속흐름장치를 개발하였다. 이들의 목적을 달성하기위하여, 첫째, 우리들은 근자외선-가시광선을 효율적으로 흡수하는 TiO₂의 나노분말 입자를 다음과 같이 실용적으로 조제하였다.
① 1- 20 nm 사이의 나노입자크기를 갖는 TiO₂분말 입자 생산.
② 나노분말 입자의 구조 화학적 및 광학적 특성을 규명
③ 순수 및 변형된 TiO₂ 극세분말 입자의 화학적 및 광화학적 성질을 규명하고, 특히 TiO₂ 나노분말 입자의 표면에 Nd, La, Pt 및 Ag의 전이금속 입자들을 도핑하는 기술개발
④ 전이금속-TiO₂ 도핑재료의 광학적 감응성질의 이론을 세우기 위한 체계적인 원자레벨의 연구를 수행하였다.
둘째, TiO₂의 나노분말 입자를 이용하여 효율적인 고체지지체(support) 표면에 TiO₂ 나노분말 입자를 Coating할 수 있는 기술과 여기에 촉매 금속 입자를 혼입(dope)할 수 있는 기술을 확보하였다.
세 번째, TiO₂ film이나 doped TiO₂ film을 이용하여 독성 유기화합물로 오염된 지하수를 연속적으로 산화처리 하였다.
○ 3차년도
1) 흡착기술에 의한 오염토양 및 지하수 처리
ZeoSTA 흡착제를 이용하여, 농업용 토양과 지하수를 오염시킬 가능성이 큰 독성 유기오염물로 환경부 지정 인간의 환경보호에 관한 수질 환경기준과 먹는 샘물의 수질기준 항목 중 농약류로 용해도가 비교적 큰 유기인계 농약 Diazinone, Parathion, 및 Fenitrothion과 난용성 유기염소계 독성 농약인 Chlorothalonil과 비농약 성분으로 독성 유기화합물인 Chloroform, Dichloroacetonitrile, Toluene, PCE, Ethylbenzene, Bromoform, Dichloromethane, 1.1.1-Trichloroethane, Tetrachloromethane, Benzene, 1,1-dichloroethylene, Chloral hydrate, Trichloroethylene, 및 Trichloroacetonitrile 혼합용액의 흡착제거효율에
대한 연구를 연속흐름법으로 수행하였다. 그리고 중금속오염 토양의 복원기술로 흡착제를 적용할 목적으로 우선 중금속오염 토양을 EDTA 용액으로 세척한 후 생성된 중금속(Mⁿ⁺ = Cu²⁺, Cd²⁺, Zn²⁺, Pb²⁺, Fe³⁺) 킬레이트 용액(MY^n-4)을 처리하였다. 또한 지하수와 음용수에 오염된
중금속이온(Mⁿ⁺)과 중금속 음이온(MnO₄^-, Cr₂O₇^2-, AsO₄^3-)을 황토-Zeolite 와 황토-ZeoSTMA 알갱이로 흡착제거하여 그들의 흡착특성을 각각 검토하였다.
황토-ZeoSTMA에 의한 독성 중금속음이온과 독성 친수성-소수성 유기화합물 흡착 제거를 위해 ① 황토-ZeoSTMA 알갱이의 대량생산을 위한 공정개발
② 황토-ZeoSTMA를 이용한 pilot형 장치 제작 및 중금속이온, 무기음이온 및 독성 친수-소수성 유기화합물의 흡착 제거를 위한 실험을 수행하였다.
2) EDTA용액에 의한 중금속오염토양 복원기술
중금속 오염토양을 복원하는 기술로 다양한 연구들이 진행되고 있다.
EDTA용액에 의한 중금속 오염토양 세척기술은 다른 기술과 비교할 때 경제적이며 효율적이고 간편하다는 장점이 있다. 또한 본 연구의 시스템은 EDTA 용액을 회수하고 재사용하는 기술로 경제성과 자원 재이용이라는 관점에서 매우 유리한 연구라 할 수 있다. 그리고 이들의 연구결과는 도시 생활하수 슬러지의 중금속처리 후 하수 슬러지의 飼料-肥料化 기술로 유도할 수 있다. 또한 본 연구결과는 중금속 도금 폐수 처리기술로 이용되어 금속자원의 확보와 재이용기술로서 가치가 있다.
본 연구에서는 2차년도에 이어 EDTA 용액에 의한 토양세척기술과 전기분해 및 H₂S 처리공정에 의한 EDTA와 금속회수 기술공정을 개발하여 그들의 효율성을 검토하였다.
3) Electrokinetic(EK) Process에 의한 독성 유기물과 중금속 오염 토양 처리
EK 기술에 의한 오염토양 복원은 실험실 및 Pilot-scale 연구에 적합하기 때문에 지난 10년간 외국과학 기술자나 정부 관료들의 매력적인 연구 분야로 큰 관심을 가져왔다. 이것은 유기물 또는 중금속으로 오염된 토양에 직류전류를 흘려보내어 투과성이 낮은 토양으로부터 중금속이나 유기물을 이동시켜 제거하는 기술이다. 그러나 좋은 실험결과를 얻을 수 있음에도 불구하고, 이 기술은 전해질로 사용되는 아세트산의 농도 조건에 의존하기 때문에 실험용액상으로 중금속이나 유기물이 방출하기 쉽다. 그리고 토양의 완충용량이 높을 경우 산성조건을 조절하기가 쉽지 않을 뿐만 아니라,토양을 직접 산성화 하는 것은 환경에 치명적인 해악을 줄 수 있기 때문에 과도한 산성조절은 삼가야 한다. 또한 EK 기술은 토양처리 시간의 함수로 경제성과 처리효율성이 결정되기 때문에 처리시간을 줄여 주어야하는 기술적인 문제점을 갖고 있다. 본 연구에서는 ① EK 시스템의 pilot 장치 제작, ② EK시스템에 의한 난분해성 독성유기물(PCB, Phenol, Chlorophenol, Toluene, 및 Trichloroethane)로 오염된 토양 처리 ③ EK 시스템에 의해서 처리 이동된 독성 유기물-계면활성제의 복합체에 대한 미생물 분해반응속도와 반응기구 해석, ④ 중금속(Pb, Cr, Cd, 및 Cu) 으로 오염된 토양에 대한 EK 기술 적용을 검토하였다.
4) 미량 독성 유기화합물로 오염된 지하수와 음용수의 처리를 위한 광촉매-광산화 공정 개발
2 차년도에 수행한 기술에 의하여 ① Ag, Pt, 및 Nd 금속이온으로 교환된 이온으로 치환된 황토-ZeoSTMA 알갱이 합성, ② (황토-ZeoSTMA)-광촉매-UV-모래 필터의 연속 시스템에 의한 정수처리 및 음용지하수 실증처리장치 개발-제작, ③ 정수처리 장치의 기술-경제성평가를 수행하였다. 우리들은 ① 황토-Zeolite와 황토-ZeoSTMA에 의한 지하수와 음용수 중의 독성 친수성-소수성 유기화합물, 중금속이온 및 중금곡 음이온 흡착제거 장치개발 ② 광촉매-광산화 공정에 의한 잔류독성 유기화합물의 분해 및 살균처리 장치를 개발한 다음, 이들의 공정을 다음과 같이 배열 시켜 Clean Water System(CWS)의 Pilot와 실증 장치를 개발하고 그들의 효율을 평가하였다.
③ Electrokinetic Process 기술에 의한 오염토양중의 비휘발 독성 유기화합물 및 중금속제거 장치개발, ④ EDTA용액을 이용한 중금속 오염토양 세척 후 electromembrane-elecrolysis기술에 의해 중금속이온과 킬레이트 회수-재이용 장치를 개발 하여 오염토양과 지하수를 복원하고 EDTA와 중금속을 회수하였다.
2. 결과 활용에 대한 건의
4개 분야 ① ZeoSTMA에 의한 수처리 시스템의 개발, ② Electromembrane-Electrolysis 공정에 의한 중금속제거 및 EDTA회수장치 개발, ③ Electrokinetic process에 의한 비 휘발성-소수성유기화합 물로 오염된 토양복원 기술 개발, ④ 광촉매-태양광 광산화반응에 의한 음용지하수 정화기술 및 소독후부산물 정수처리 시스템개발에 대한 특허 출원을 신청하여 득한 후 참여기업인 (주) 세양수질로 하여금 지하수 정수처리 공정의 사업화추진 하도록 하고, 참여 연구원(김삼혁)으로, 위의 과제를 내용으로 하는 기술을 이용하여 지하수 및 토양복원,
그리고 도금폐수와 하수 Sludge 처리를 위한 창업을 추진하고 있으며, 아울러 하수 Sludge를 이용한 사료-비료화 기술사업을 함께 할 계획이다.
또한, 연구결과를 원활이 활용하기 위새서는 태양광을 이용하여 유해 유기화합물로 오염된 음용지하수 및 정수처리시 소독후부산물을 처리하기 위한 실증장치를 보급할 필요가 있다. 이 기술은 에너지원을 태양광으로 직접사용하기 때문에 매우 경제적이며 친환경적이며 처리 효율성이 어느 기술보다 우수하다. 그러나 이들의 기술을 적용하기 위해 근자외선 영역의 파장을 투과할 수 있는 소재의 개발이 우선 필요하다.
또한, 하수 Sludge의 비료-사료화 기술에 대한 추가 연구와 Electrokinetic process에 의한 실증연구가 필요하다.

Abstract ▼

Ground water soil contamination are among the most complex and challenging environmental problems faced by many countries. Superfund site and other locations with contaminated soil and ground water represent a technological challenge both in this region and nationwide. Surface waters in some locatio

Ground water soil contamination are among the most complex and challenging environmental problems faced by many countries. Superfund site and other locations with contaminated soil and ground water represent a technological challenge both in this region and nationwide. Surface waters in some locations regionally suffer from contamination due to low levels of chlorinated organic compounds, pesticides, polycyclic aromatic hydrocarbons(PAHs) and heavy metals.
We have studied to assess the use of surfactant-modified zeolite clays(called 「organoclay」) to preferentially sorb and remove these organic pollutants, hazardous inorganicoxoanions and some heavy metals from contaminated natural and engineered systems and also evaluated the use of EDTA(ethylenediaminetetraacetic acid)to wash contaminated soil with toxic heavy metals, posing a subsequent potential fouling of ground water at many hazardous waste site. The most commonly detected nickel. zinc, copper, arsenic, cadmium, manganate, chromium, lead and selenium. The organic-clay has been offered an alternative to activated carbon and other remidiation technologies, with particular advantages in leachate and contaminated soil and ground water that contain significant quantities of natural organic matter that impair treatment when activated carbon and other non-preferential process are used.

목차 Contents

• 제출문 ... 1
• 요약문 ... 2
• SUMMARY ... 12
• 목차 ... 23
• CONTENTS ... 25
• 제1장 연구개발과제의 개요 ... 27
• ○1차년도 ... 27
• ○2차년도 ... 28
• ○3차년도 ... 29
• 제2장 국내외 기술개발 현황 ... 34
• 제1절 Organic Clay의 제조와 흡착특성 ... 34
• 제2절 EDTA용액에 의한 중금속 오염토양의 복원 추 EDTA와 중금속 회수기술 ... 46
• 제3절 Electrokinetic process에 의한 중금속과 비휘발성 독성 유기화합물의 오염토양에 대한 복원기술 ... 50
• 제4절 독성유기화합물로 오염된 지하수의 복원 및 정수처리를 위한 광촉매-광산화 공정개발 ... 53
• 제3장 연구개발수행 내용 및 결과 ... 63
• 제1절 흡착기술에 의한 오염토양 및 지하수 처리 ... 63
• 1. 유기점토광물의 제조 ... 63
• 2. 친수-소수성 유기화학종의 흡착실험 ... 65
• 3. 무기음이온 및 중금속이온의 흡착특성과 경쟁이온의 흡착분배 ... 66
• 4. 연속실험법(Column법)에 의한 친수성과 소수성 유기 화합물, 무기 음이온, 및 중금속 이온의 흡착특성평가 ... 67
• 5. Pilot 실험장치(Column 법)시스템에 의한 친수성과 소수성 유기화합물, 무기음이온 및 중금속이온의 동시흡착제거 ... 70
• 6. 음용수 정수처리 장치 개발과 흡착특성 ... 71
• 7. Organic Clay의 흡착기술에 의한 오염토양 및 지하수 처리 실험결과와 검토 ... 73
• 제2절 EDTA용액에 의한 중금속 오염토양의 복원 후 EDTA와 중금속 회수기술에 대한 실험 결과와 검토 ... 134
• 제3절 Electrokinetic process에 의한 중금속과 비휘발성 독성 유기화합물로 오염된 토양의 복원에 대한 실험결과 및 고찰 ... 165
• 제4절 독성유기화합물로 오염된 농업용 지하수의 복원 및 정수처리를 위한 광촉매-광산화 공정개발에 대한 실험 및 검토 ... 193
• 제4장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 ... 276
• 제5장 연구개발결과의 활용계획 ... 278
• ○추가연구 필요성 ... 278
• ○ 타연구에의 응용 ... 278
• ○ 기업화 추진방안 ... 278
• 제6장 연구개발과정에서 수집한 해외과학기술 정보 ... 280
• 제7장 참고문헌 ... 308
• 끝페이지 ... 332