초임계 이산화탄소와 리간드를 이용한 토양 내 오염금속 추출 연구

국문 초록 (Abstract)

지난 2011년 후쿠시마 사고 이후, 후쿠시마 원자력발전소 부지의 토양에서 핵분열 생성물 유출에 의한 토양오염이 보고되었다. 토양오염은 오염의 원인이나 지역 특성에 따라 다양하게 나타나기 때문에 제염이 쉽지 않다. 기존의 제염 방법은 화학적 용매나 산 등을 사용하여 제염 후의 결과물이 2차 오염물질로 발생하므로 근본적으로 이를 방지할 수 있는 토양제염법이 필요하다. 따라서 본 연구에서는 2차 폐기물 발생을 줄일 수 있는 친환경적인 토양제염법으로 무독성이며 물질에 대한 침투성이 좋은 초임계 이산화탄소를 이용한 토양 내 오염금속 제염 방법을 고려하였다.
초임계유체는 임계점 이상에서 존재하는 물질을 말하며, 액체의 높은 반응성과 기체의 빠른 반응속도를 동시에 지니고 있다. 또한 온도와 압력을 변화시킴으로써 원하는 물성 상태를 조절할 수 있다. 이산화탄소와 같이 상온에서 기체인 유체의 경우, 공정 후 감압을 통하여 폐기물과 유체를 분리시킬 수 있기 때문에 2차 폐기물이 되는 잔존 용매의 문제를 해결할 수 있다. 하지만 초임계 이산화탄소는 비극성 물질이기 때문에 이를 이용하여 극성 금속 이온을 제거하기 위해서는 공용매나 계면활성제가 필요하며, 본 연구에서는 새로 합성한 킬레이팅 리간드와 보조리간드를 함께 이용하였다.
연구는 추출제의 성능 평가와 토양 내 오염금속 제염 효율 평가 두 가지로 진행되었다. 먼저 경희대학교 응용화학과에서 합성한 킬레이팅 리간드 중에 카테콜 아민 복합체를 리간드로 선정한 뒤 용해도 테스트를 수행하였다. 보조리간드는 알려진 NEt4pFOSA (perfluoro-1-octanesulfonic acid tetraethylammonium salt)를 이용하였다. 40℃의 조건에서 용해도 테스트를 진행한 결과 리간드의 용해도는 96bar에서 M이고, 보조리간드의 용해도는 190bar에서 M임을 확인하였다. 또한 추출제와 초임계 이산화탄소를 교반하고 25분이 경과하였을 때 추출제가 초임계 이산화탄소에 모두 용해됨을 확인하였다. 따라서 리간드와 보조리간드가 충분히 용해될 수 있는 실험조건은 40℃, 210bar, 정적추출 30분으로 결정하였다.
토양 내 오염금속의 제염 효율 평가를 위하여 표준시편 (sea sand)과 일반토양시편 (soil) 두 가지로 모의시편을 제조하였다. 표준시편을 이용하여 리간드, 보조리간드, 물의 양이 각기 다른 조건으로 추출 실험을 진행하였고, 초임계 이산화탄소와 카테콜 아민을 이용하여 토양 내 세슘과 스트론튬 이온에 대하여 100% 추출이 가능함을 확인하였다. 본 연구의 목적인 2차 폐기물의 발생량 감소를 위하여 최적의 추출 조건을 도출하였으며, 최적의 추출 조건은 물 0.1ml을 사용하고, 세슘 이온과 리간드, 보조리간드의 몰수 비가 1 : 50 : 50인 조건, 스트론튬 이온과 리간드, 보조리간드의 몰수 비가 1 : 34 : 34인 조건으로 선정하였다. 또한 이를 일반토양시편에 적용하였다. 일반토양 제염 실험 결과 입자의 크기가 0.2mm 이상인 토양은 sea sand와 비슷한 추출율을 보였으며, 0.2mm 이하의 토양은 sea sand보다 약 20% 낮은 추출율이 나타났다. 따라서 각기 다른 입자 크기의 토양이 섞여있는 일반토양의 제염 가능성을 확보하였다. 마지막으로 회귀분석을 수행하여 추출율에 영향을 주는 리간드, 보조리간드, 물의 양에 대하여 추출율과의 상관관계를 도출하였다. 그 결과 선형 회귀식을 도출하였으며, 이를 이용하여 원하는 추출율을 얻기 위해 필요한 리간드, 보조리간드, 물의 양의 파악이 가능하였다.
본 연구를 통하여 초임계 이산화탄소와 리간드로 카테콜 아민을 활용한 토양 내 오염금속 제염에 대한 효과를 확인하였다. 본 연구는 2차 폐기물의 발생을 근본적으로 줄일 수 있는 친환경적인 토양 제염법으로 정의할 수 있으며, 후쿠시마 사고로 인하여 오염된 토양 제염에 적용될 수 있을 것이라 기대된다.

목차 (Table of Contents)

• 요 약 ⅰ
• 목 차 ⅲ
• 표 목차 ⅴ
• 그림 목차 ⅵ
• 제 1 장 서 론 1
• 제 1 절 연구 배경 1
• 제 2 절 연구 목적 3
• 제 2 장 토양오염의 이론적 고찰 4
• 제 1 절 토양오염 4
• 1. 토양오염의 정의 4
• 2. 후쿠시마 사고에서의 토양오염 4
• 제 2 절 일반적인 토양 제염법 7
• 1. 일반적인 제염법의 분류 7
• 2. 일반적인 제염법의 한계 10
• 제 3 장 초임계유체를 이용한 금속추출법 11
• 제 1 절 초임계 유체 11
• 1. 초임계유체의 정의와 특징 11
• 2. 초임계 이산화탄소의 특징 13
• 제 2 절 초임계유체를 이용한 금속추출법 15
• 1. 킬레이팅 리간드의 합성 15
• 2. 킬레이팅 리간드를 이용한 금속추출 메커니즘 17
• 3. 추출 실험을 위한 추출제 선정 18
• 제 4 장 추출제의 성능 평가 20
• 제 1 절 실험방법 20
• 제 2 절 실험결과 23
• 1. 용해도 테스트 결과 23
• 2. 교반시간 테스트 결과 26
• 제 5 장 토양 내 오염금속 제염 효율 평가 27
• 제 1 절 실험방법 27
• 1. 모의시편 제작 27
• 2. 실험장치 및 실험방법 29
• 3. 실험조건 31
• 4. 분석방법 36
• 제 2 절 실험결과 38
• 1. 추출제의 단독 효과 38
• 2. 추출제의 복합 효과 39
• 3. 보조리간드의 양에 따른 효과 44
• 4. 일반토양 제염 결과 45
• 제 3 절 추출율과 인자별 상관관계 도출 50
• 1. 선형 회귀식 도출 50
• 2. 추출율과 추출인자 별 상관관계 50
• 제 6 장 결론 53
• 참고문헌 55
• Abstract 59
• 감사의 글 60