Earticle

안정화는 오염물질의 흡착능을 지닌 안정화제를 퇴적상에 적층 및 주입하여 수환경을 보호하는 대표적인 기술이다. 특히, 친환경 소재를 활용한 오염물질 저감은 시공성 및 경제성이 우수하여 각광 받는 대표적인 복원 기술로 주목받고 있다. 본 연구는 효과/비용이 우수한 천연 제올라이트를 이용하여 중금속으로 오염된 안동댐 퇴적토를 중금속 안정화 및 혼합 기술(기계혼합, 생물혼합)을 적용하여 수행되었다. 천연 제올라이트의 중금속 이온교환능 및 현장 적용성 평가를 위해 증류수 및 인공하천수로 중금속 용액을 제조하여 반응속도 및 등온흡착(Langmuir, Freundlich model) 연구를 수행하였다. 퇴적토 중금속 안정화 및 친환경성 평가는 microcosm 실험으로 수행되었으며, DGT에 축적된 퇴적토 공극수의 중금속 농도 및 Flux의 총량을 28일간 모니터링 후 평가되었다. 이때, 저서생물로 활용한 L.variegathus의 생존/증식률 및 BSAF(생체내 축적계수)를 도출하여 평가되었다. DGT를 활용한 중금속 안정화 효율은 29.4~100%의 범위로 평가되었으며, 초기에 투입된 L.variegathus의 개체 수보다 증식되었다. 상기 실험결과를 바탕으로 천연 제올라이트는 퇴적물 안정화제로 활용될 수 있을 것으로 판단된다.

낙동강 상류지역인 안동댐 상류지역에서 2008년부터 매년 반복되는 조∙어류 집단 폐사의 원인으로 오염퇴적물이 언론 및 지역 주민으로부터 꾸준히 제기되어 왔다. 이에 환경부는 선행연구를 통해 안동댐 상류 퇴적물이 중금속으로 오염되어 있음을 공식적으로 확인하였고 오염퇴적물의 제거 및 정화가 필요하다고 평가하였다. 이에 따라 낙동강 상류 하천 오염 퇴적물에 적합한 맞춤형 퇴적물 관리대책을 마련하고 시범지역(Test-bed) 운영을 통해 오염 퇴적물 처리 방안 수립에 반영하고자 한다. 시범지역에서 채취한 퇴적물을 대상으로 깊이별 중금속 오염도 조사 결과 대부분 용출 가능성이 낮은 형태로 존재하고, 용출 가능성이 있는 일부 중금속(납과 아연)도 호소 퇴적물 오염도 기준으로 대부분 Ⅰ등급 이하의 농도로 존재하는 것을 확인하였다. 카드뮴의 경우, 표층(Ⅲ등급)을 제외한 모든 심도에서 Ⅳ등급 이상으로 나타났으며, 용출 및 이동 가능성이 높은 형태(이온교환 + 탄산염 형태)로 존재하는 비율과 농도 또한 각각 32.9 ~ 56.9 %와 0.49 ~ 3.28 mg/kg으로 표층(Ⅰ등급)을 제외하고 퇴적물 오염도가 Ⅱ등급과 Ⅲ등급으로 나타났다. 정화대상 퇴적물 물량(부피) 산정을 위해 준설프리즘법과 면적×깊이법을 비교 검토하였다.

수계로 유출되어 침전된 오염물질은 하천 퇴적토 내의 세립자와 유기물에 의해 퇴적토와 강하게 결합하여 저서에 장기간 존재하며 생태계에 영향을 끼친다. 활성탄을 이용한 퇴적토 내 오염물질 저감은 생태교란을 최소화하면서 준설을 대체하여 중금속으로 오염된 퇴적토를 처리할 수 있는 경제적인 방법이다. 하지만 활성탄은 대게 파우더 형태로 물리적인 충격에 의하여 이동할 수 있으며, 수중의 탁도나 색도를 변화시킬 수 있는 위험이 있다. 본 연구에서는 표면에 산소작용기를 부착한 활성탄을 PDVF에 부착시켜 카드뮴, 구리 그리고 아연을 연속칼럼실험을 통하여 흡착하였다. 활성탄과 개질된 활성탄이 부착된 막들은 컬럼내에서 각각 26%와 65% 이상의 중금속 흡착률을 보여주었고. 에탄올로 PVDF의 소수성 성질을 친수성으로 치환할 시에는 78%의 흡착률을 보였다. PVDF에 부착된 개질된 활성탄은 수중에서 확산되지 않으면서, PVDF 특징 중 하나인 성형성으로 인하여 원하는 모양의 막을 만들 수 있는 장점을 보인다.

오염 퇴적물의 관리는 지속 가능한 환경 관리의 주요 이슈로 대두되고 있으며, 원위치 안정화 공법은 이러한 문제의 비용효율적이고 환경친화적인 해결책으로 주목받고 있다. 퇴적물의 수리학적 안정성은 복잡한 변수로 인해 직접적인 예측이 어렵기 때문에, 그 안정성을 평가하기 위해서는 실험적 접근이 필요하다. 본 연구는 퇴적물 침식률 측정 장비인 SEDflume을 활용하여 활성탄을 안정화제로 사용한 퇴적물의 수리학적 안정성을 평가하였다. SEDflume 실험은 안동호 상류에서 채취한 퇴적물을 활성탄과 혼합한 후 16일간 압밀한 시료로 실시하였다. 혼합하는 활성탄의 양과 입경을 다양하게 적용하여 조건별 침식 양상을 조사하였다. 활성탄 혼합 비율에 따른 실험 결과, 5 wt% 혼합 퇴적물은 활성탄을 혼합하지 않은 대조군 퇴적물과 유사한 침식 양상을 보였으나, 10 wt% 및 15 wt%의 경우 혼합 비율이 증가할수록 침식률이 증가하는 경향을 확인하였다. 활성탄의 입경에 따른 실험에서는 75-425 μm의 활성탄을 혼합한 경우 425-1700 μm과 <75 μm의 활성탄에 비해 침식에 안정적인 것으로 나타났다. 이 연구를 통해 원위치 안정화 공법에서 활성탄의 혼합 비율과 입경이 퇴적물의 수리학적 안정성에 어떻게 영향을 미치는지를 확인하였다. 위 결과는 활성탄을 안정화제로 이용한 오염 퇴적물 원위치 안정화 공법의 설계에 핵심적인 기초 자료로 활용될 수 있다.

A new electrochemical system aluminium- air reverse electrodialysis cell with metal anode and air cathode for producing electricity was approached. Previous studies with Al- air batteries was achieved for a stable power production of 146.7 mW/g and 2119.09 Wh/kg. The study aimed to evaluate the electricity production. The cell containing eleven pairs of high concentration (HC) and low concentration (LC) with the novel flow design where the HC and LC are directed serially into every cell of the stack. Anolyte and catholyte was used for different optimization with recirculation (R) and without recirculation (WRC-10 and WRC-598) to study the effective operation methods. The cell produced 0.698-1.449 W/m2 of maximum power density with 8 h of operation time for WRC-10, WRC-598 and R, respectively. The results hold good for electricity production with a new technique of Al-air reverse electrodialysis.

이종 전기펜톤 공정은 슬러지 발생이 적고 자체적인 과산화수소 생성이 가능하여 기존 펜톤 공정의 대안으로 연구되고 있다. 기존 전기펜톤을 위한 이종 촉매로 주로 사용되는 산화철은 낮은 전도성과 내부식성으로 인해 전극으로 활용되지는 못하였다. 본 연구에서는 기존 산화철 전극의 단점을 개선하기 위해 스테인리스 스틸 표면을 양극산화 처리한 스테인리스 스틸 나노튜브를 전기 펜톤 전극으로 도입하였다. 스테인리스 스틸 나노튜브는 과염소산과 에틸렌글리콜 전해액에서 양극산화로 합성되었다. 합성된 전극은 주사전자 현미경, X-선 회절 및 X-선 광전자 분광법으로 분석되었다. 스테인리스 스틸 나노튜브 전극을 이용한 이종 전기 펜톤 공정의 유기물 분해 특성은 로다민 B 분해를 통해 조사되었다. 공정은 별도의 철염 투입 없이 150분 반응에서 59% 로다민 B 분해를 보였다. 스테인리스 스틸 나노튜브는 철의 침출 없이 이종 촉매와 전극으로 동시에 기능하여 성공적으로 이종 전기펜톤 공정에 도입되었다.

페난트렌(Phenanthrene)은 유기물질의 불완전 연소과정에서 발생되며 긴 시간 토양 내에 잔류하여 인체와 환경에 장기적인 악영향을 끼치는 물질이다. 본 연구는 퇴적토 내 존재하는 페난트렌 안정화 효율을 알아보기 위해 알칼리 활성화된 왕겨 바이오차(RH-NaOH)를 사용하여 microcosm 규모의 연구를 수행하였다. 다공성 구조와 큰 비표면적을 지닌 알칼리 활성화된 왕겨 바이오차는 왕겨(Rice Husk)와 NaOH를 800℃ 열분해하여 제조하였다. 인위적 오염시킨 낙동강 상류 지역 퇴적토와 강한 흡착능을 지닌 알칼리 활성화된 왕겨 바이오차를 microcosm 반응기에 혼합 또는 적층하여 오염물질의 용출 차단 및 안정화 효율을 평가하였다. 기계적 혼합 및 생물학적 혼합방식으로 안정화제의 최적 주입량을 선정하였고 실지렁이붙이(Lumbriculus variegatus)를 이용하여 생물 축적량 평가를 진행하였다. 연구 결과, 28일 후 공극수 내 페난트렌 농도는 90% 저감하였으며 실지렁이붙이 내 생물 축적량 또한 50% 감소함을 확인하였다. 향후 알칼리 활성화된 바이오차를 현장에 적용할 예정이며, 유기오염물질 저감에 효과적인 안정화제로 활용될 될 수 있을 것으로 기대된다.

바이오가스와 석유정제산업에서는 부산물로 생성되는 황화수소의 악취와 독성(두통, 구토유발) 때문에 해결책을 고안하고자 다양한 연구들이 진행 중인 상황이다. 하지만, 황화수소는 인간 활동뿐만 아니라 고농도의 유기물이 모여있는 퇴적토 중 혐기성 상태의 심해에서도 발생한다. 해당 영역에서는 용존 산소량이 낮아 황산환원균의 활동에 의해 황화수소가 발생하게 된다. 이때 발생한 황화수소는 어류의 호흡을 방해하여 질식사에 이르게 한다. 따라서, 본 연구에서는 퇴적토로 인해 발생하는 황화수소를 제거하기 위해 TiO2 기반의 흡착 소재를 개발하였다. 해당 흡착소재는 FeCl3를 전구체로 사용하여 소성온도 300, 500, 700, 900℃에 반응시간 3시간을 거쳐 제작되었다. 황화수소는 Fe2O3와 반응하여 Fe2S3와 H2O 형태로 분리될 수 있으며 본 메커니즘을 기반으로 황화수소 흡착 실험을 설계하였다. 실험 조건으로는 황화수소 10 mg/L N2 balanced로 제작하여 사용했으며 MFC를 이용하여 0.7 L/min의 일정 유속으로 흡착능을 평가했다. Fe/TiO2의 황화수소 흡착 성능은 소성 온도와 상관성 있는 것으로 나타났으며, 각 소성온도 조건 별 시료의 변형을 해석하기 위해 X-ray diffraction(XRD), Scanning electron microscope(SEM), X-ray photoelectron spectroscopy(XPS)를 진행하였다.

본 연구는 양극산화를 이용하여 Zn판 표면에 나노 ZnO를 합성하고, Machine Learning을 적용하여 양극산화 조건을 최적화하는 목표를 가지고 있다. 양극산화를 통해 Zn판 표면에 나노 ZnO를 생성하고, 넓은 밴드갭(3.10~3.37eV)의 반도체인 ZnO는 높은 전자이동도, 강한 광발광, 우수한 광촉매 활성 등 물리화학적 특성을 보여준다. 이러한 특성으로 ZnO는 광촉매, 가스 감지, 에너지 저장 등 다양한 응용 분야에서 유망한 소재가 되고 있다. 전압, 시간, 전해질 조성 등 양극산화 조건을 최적화하기 위해 SVM(Support Vector Machine) 회귀 알고리즘을 사용하여 실험 데이터를 체계적으로 분석하고, 최적의 나노 ZnO 특성을 보여주는 조건을 찾아낸다. 본 연구의 결과는 우수한 ZnO 기반 재료의 개발을 발전시킬 뿐만 아니라 재료 합성 공정 최적화를 위해 SVM Machine Learning을 사용하는 것의 효과를 강조한다.

현대산업에서 염료는 직물, 제지, 화장품, 인쇄, 가죽 등에서 다양하게 사용되고 있으며, 이러한 염료의 수계 방출로 인한 환경 오염문제가 지속적으로 나타나고 있다. 염료는 방향족 구조로 인해 안정적인 화합물이며, 폐수에서 제거가 어렵다는 문제가 있다. 이러한 염료 폐수가 토양으로 유입될 경우 독성으로 인해 미생물, 작물 생산 등에 영향을 미칠 수 있다. 이러한 염료를 제거하기 위해서 흡착, 광분해 등의 다양한 연구가 수행되고 있다. 흡착제로 연구되고 있는 자성 덴드리머는 자성을 보유한 중심부와 유기가지로 구성된 고분자로 말단에 다수의 작용기를 함유하고 있다. 이러한 자성 덴드리머는 말단 작용기의 결합, 치환 등을 통해 변형이 용이하며, 자성을 이용한 물질 회수의 이점이 있다. 따라서 본 연구에서는 자성 덴드리머에 석신산을 기능화하여 메틸렌 블루를 흡착하고자 한다. 합성된 물질은 투과전자현미경, 비표면적 분석, 푸리에 변환 적외선 분광법, 진동시료 자화율 측정기 등의 통해 자성 덴드리머의 합성 및 석신산의 기능화를 확인하였다. 또한, 흡착 실험 통해 메틸렌 블루의 흡착 효율을 분석하고, 자성 덴드리머에의 메틸렌 블루의 흡착 매커니즘을 파악하여, 자성 덴드리머의 적용성을 확대시키고자 한다.

수생태계로 유입된 오염물질은 하천의 퇴적토양에 존재하는 미립자 및 유기물에 의해 흡착되어 저서환경에 장기간 영향을 미친다. 퇴적토에 흡착된 중금속 및 유기오염물질을 처리하기 위해 준설작업을 진행할 수 있으나, 활성탄을 이용하면 준설을 대체하여 경제적으로 오염물질을 처리하고 퇴적물 교란을 최소화할 수 있다. 활성탄을 개질함으로써 흡착성능을 향상시킬 수 있으며 개질된 활성탄은 높은 다공성을 가진 구조를 보이고 개질을 통해 수산기를 포함한 작용기가 증가되어 향상된 흡착 성능을 나타낸다. 본 연구에서는 활성탄 표면을 HNO3와 NaOH로 개질하여 개질 활성탄을 제조 후 Phenanthrene, Benzyl butyl phthalate로 인공 오염시킨 토양에 적용하여 개질 활성탄의 유무에 따른 유기오염물질 흡착량을 비교 및 분석하였다. 또한, 대표적 저서생물인 실지렁이를 이용하여 개질 활성탄의 유무에 따른 오염퇴적토 내 실지렁이의 유기오염물질 생체축적량을 비교 분석하여 독성저감 평가를 수행하였다.

하천 및 호소에 존재하는 퇴적토의 중금속 오염은 자연발생적 또는 폐기물투기와 제강산업 등의 인위적 요인에 의해 발생한다. 특히, 납(Pb)은 신경독성물질로써 고농도로 오염될 수 있는 원소 중 하나이며, 수생태계 및 인간 건강에도 부정적인 영향을 끼칠 수 있다. 납은 미세 퇴적토 및 유기물과 복합체를 형성할 수 있으며, 결합력은 pH와 유기물 함량과 높은 상관관계를 갖는 것으로 알려져 있다. 본 연구에서는 퇴적토 내에 존재하는 Pb의 오염 농도를 추정하기 위해 다변량 통계 기법을 적용하였다. 적절하게 채취된 퇴적토를 왕수 추출법을 이용해 전함량을 분석했으며, SCIP (Sample core induced polarization) tester를 통해 퇴적토의 전기적 특성(전기비저항, 유도분극)을 측정하였다. 수집된 지구화학적, 지구물리학적 데이터를 통계 기법인 다변량 통계 분석을 실시하였으며, 서로 다른 영역의 데이터 간의 인과관계를 해석하고 회귀식을 도출하였다. 도출된 회귀식을 바탕으로 전기적 특성에 기반한 Pb 오염 농도를 추정 및 검증을 수행하였다.

호수의 수질은 외부오염원, 내부오염원에 의해 오염될 수 있다. 외부오염원은 생활폐수, 농·축산폐수, 산업폐수 등을 통해 유입된 오염물질이고, 내부오염원은 호수 내에서 생성되어 축적된 오염물질이다. 특히, 인공호수와 같은 정체수역에서는 퇴적되는 오염물질의 양이 상대적으로 많아 저층 퇴적물에서 용출되는 영양염이 수질에 미치는 영향이 크다. 또한, 계절 변화에 따른 호수 내 수층의 온도 및 밀도 차이로 인한 성층 현상으로 인해 호수의 상·하층 간 물질교환이 활발하게 이루어지지 못하고 대기 중 공기가 퇴적물 층에 도달하는 것을 방해하여 퇴적물 층은 혐기성 상태가 된다. 혐기성 상태의 호수에서는 용존산소의 양이 감소하고, 영양염 등의 용출이 활발해져 수질 저하를 야기한다. 아산호는 유역비가 높아 유역에서 유입된 오염물질로 인한 부영양화의 가능성이 높은 하구형 호수이다. 본 연구에서는 3차원 수리 및 수질 동역학 모델인 Environmental Fluid Dynamics Code(EFDC)를 활용하여 아산호의 수리·수질을 재현하고 성층현상에 따른 하구 퇴적물 용출이 아산호의 수질 변화에 미치는 영향을 모의하였다. 이를 통해 호수의 퇴적물 층에 존재하는 오염물질 용출에 의한 내부오염원의 효과적인 관리 필요성을 제시하고자 한다.

아산호는 경기도 평택시에 위치하고 있는 인공호수로, 길이 2,564 m, 높이 8.5 m,의 아산방조제가 건설되는 과정에서 형성되었다. 아산호와 같은 호수는 외부에서 유입되는 영양물질과 같은 외부 유입원뿐만 아니라, 하상 퇴적물에 의해서도 영향을 받는다. 성층현상은 상ㆍ하층간의 산소전달를 감소시켜 내부 영향을 극대화시키는 요인 중 하나이다. 성층현상 발생 시 유기물이 빠르게 산화되는 현상이 나타나 산소의 소비 및 혐기성 상태로 유기물 분해 과정의 최종산물로 메탄이 생성된다. 이러한 메탄은 온실가스에 기여하는 요인 중 하나로, 호수에서 성층현상에 따라 메탄과 유기물과의 상관관계에 대한 국내 연구사례는 현재 많지 않다. 따라서 본 연구는 형광분석을 이용하여 용존 유기물의 특성분석을 수행하여 메탄과의 연관성을 분석하였다, 메탄 측정 방법은 헤드스페이스 방법을 사용하였으며, 수심 별 농도를 측정하여 메탄의 분포를 확인하였다. 또한 퇴적물 코어 배양을 이용해 3 site 배양에 따른 메탄 flux를 정량화하였다. 유기물 측정의 경우, 형광 excitation-emission matrix (EEM) 분석을 이용해 시료 내 용존 유기물의 공간적인 분획특성 정보를 확인하였다.

Methane is considered the second most important greenhouse gas in the atmosphere and has 21 times high global warming potential(GWP) of CO2. Methane emissions have increased by more than 150% since 1750, with agriculture being the major source for human living. In Korea, approximately 22% of domestic methane(CH4) emissions are emitted from rice cultivation. Study for reducing methane emission from paddy soil is needed. Biochar has the potential to mitigate CH4 emissions from flooded soils that has characteristic of wetlands and irrigated fields cropped to rice(paddy soils). In this study, biochar(BC) is pyrolyzed from diverse temperature and time condition. BC pyrolyzed from 200,300,400,500°C(BC-200, 300, 400, 500) and lasted for 1,3,5 hours are injected to rice paddy and monitored to evaluate which one has best potential for reducing methane. For BC-500 sample, methane generation rate(MGR) is high at week 4 while BC-300,400 sample has highest MGR at week 5. For blank and BC-200 sample has highest MGR at week 6. Further monitoring is needed to evaluate which BC has a high potential for mitigating CH4.

Manganese which is eluted from the sediment can be toxic to humans, so we need a method of measuring the exact concentration of manganese. Generally, when measuring manganese in rivers and lakes, most of them analyse the concentration using the ex-situ method. This method takes lots of time and manpower for analysing sediments of rivers and lakes. To solve this problem, use of a voltameter on site at different depths of sediments in river was considered instead of doing an ex-situ analysis. A microelectrode made of gold-amalgam was developed as a working electrode, and the square voltammetry device using this electrode was then studied for its accuracy in measuring manganese present in the voids of river sediments. We examined the correlation of the electrode current with Mn2+ concentration through calibration. For this purpose, we analysed currents 3 times per each concentration ranging from 0.1 to 0.4 mM at 0.1 increment. As a result, coefficient of determination was found to be 0.98, suggesting good correlation. Developed microelectrode looks promising to be used for reliable voltammetry of Mn2+ concentration.

토양 및 지하수에서 휘발성유기화합물(Volatile Organic Compounds, VOCs)이 유출된 경우, 토양 공극에서 기체상태로 상대적으로 빠르게 이동하여 건물내부로 침투할 수 있다. 이러한 VOCs의 기체상 거동으로 인해 실내공기질의 저하를 가져오는 것을 토양증기침투(soil vapor instrusion)라 하며, 오염토양 및 지하수 위해성평가에서 중요한 요인이다. 불포화토양에서의 공극은 VOCs 등의 오염물질에 대해 상대적으로 빠른 이동 속도를 보이면서 주요 통로로 파악되고 있다. 이를 위해 시간에 따라 폴리디메틸실록산(Polydimethylsiloxane, PDMS)에 흡착되는 VOCs 농도를 측정하였다. 또한 토양의 성분에서 함수율, 유기물, 무기물의 함량에 따라서 PDMS에 흡착되는 VOCs의 양이 다를 것으로 예측했으며, 결과는 Fig 1 & Table 1과 같다. 함수율이 높을수록 토양에 존재하는 VOCs의 양은 감소하는 경향을 보였다. 유기물의 함량의 경우에는 더욱 뚜렷하게 나타났는데, 토양에 유기물의 양이 많을수록 불포화토양 내 공극에서의 농도는 감소하였다. 반대로 무기물의 함량에서는 VOCs의 거동에 영향을 주지 못하기 때문에 무기물의 함량과 VOCs 농도에서의 연관성은 없는 것으로 나타났다.