염기성 가수분해와 아임계수 추출을 이용한 화약류 오염 토양의 처리 = Treatment of explosive -contaminated soils using alkaline hydrolysis and subcritical water degradation

국문 초록 (Abstract)

국문요약

염기성 가수분해와 아임계수 추출을
이용한 화약류 오염 토양의 처리

울산대학교 대학원
건설환경공학과
신동식

대표적 화약류인 TNT (2,4,6-trinitrotoluene)는 동?식물 및 미생물에 대한 독성이 존재하고 돌연변이와 유전자 변이를 일으키며 피부자극, 호흡기 장애, 빈혈 및 간에 대한 발암 가능 물질 (carcinogen class C)로 알려져 있다. US EPA는 DNT (2,4-dinitrotolune), TNT, RDX (hexahydro-1,3,5-trinitro-1,3,5-triazine)를 발암 가능 물질과 priority pollutant로 분류하여 관리하고 있다. 본 연구에서는 니트로기(-NO2)를 보유한 화약류가 염기성 환경에서 가수분해된다는 가정 하에 pH 11 이상 조건에서 화약류 오염 토양을 처리하였다. 또한 아임계수 추출을 이용하여 화약류 물질을 분해 추출하였다. 염기성 가수분해를 통하여 DNT 오염토양 (10 mg/kg)은 pH 12에서 60 분 반응 하였을 때 완전 분해되었다. TNT 오염토양 (5 mg/kg)의 경우 pH 12 이상에서 반응시간 10 분 안에 토양내의 TNT가 완전 분해되었고, RDX (25 mg/kg) 오염토양은 pH 12 이상에서 초기반응 시간 10분에서 RDX가 완전 분해되었다. DNT 및 TNT 오염토양의 pseudo-first-order rate constant는 pH 12인 경우 각각 0.085 min-1, 0.1 min-1 였으며 약 1 order 정도 차이를 보였다. RDX 오염토양 (0.7 min-1)의 경우는 DNT 오염토양 및 TNT 오염토양에 비하여 pH 12인 경우 약 6-7 배 높은 pseudo-first-order rate constant 값을 보였다.
아임계수 추출 실험 결과 DNT 오염토양은 초기 농도 (50 mg/kg) 대비하여 250~300 ℃에서 60 분 반응 하였을 때 완전히 분해되었다. RDX (255 mg/kg) 오염토양은 200 ℃ 일 때 반응시간 120분에서 완전 분해되었다. 그에 비해서 TNT 오염토양 (200 mg/kg)의 경우 250 ℃ 이상에서 40분 이상 반응할 때 토양내의 TNT가 완전 분해되었다.
염기성 가수분해 및 아임계수 추출 조건에서 화약류 오염토양과 용액의 실험 비율을 각각 1:4, 1:3으로 조절 하였을 때 전체적인 분해효율은 40~60% 감소하였다. DNT, TNT, RDX로 오염된 토양의 염기성 가수분해 정도를 평가한 결과 pH 12 이상의 경우 3시간 이내에 완전히 분해되었다. 또한 화약류로 오염된 토양과 물의 비율이 염기성 가수분해의 정도를 증가시키는데 매우 중요한 요소였으며 토양과 물의 비율이 1:6 이상이었을 경우 완전한 제거를 관찰하였다. 염기성 가수분해와 마찬가지로 토양과 물의 비율은 아임계수 추출에 중요한 요소였으며 1:5 이상이었을 때 토양내의 화약류가 완전분해가 되었다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

ABSTRACT

Treatment of explosive-contaminated soils using alkaline hydrolysis and subcritical water degradation
Dong-Sik Shin
Department of Civil & Environmental Engineering
Graduate School, University of Ulsan

2,4-Dinitrotoluene (DNT), 2,4,6-trinitrotoluene (TNT), hexahydro-1, 3, 5-trinitro-1, 3, 5-triazine (RDX) are toxic to plants, animals, and microorganism. Due to this reason, they are classified as possible carcinogens (Class C) and priority pollutants by US EPA. In this study, we investigated alkaline hydrolysis and subcritical water degradation of the explosives via a series of batch experiments.
The results indicated that DNT and TNT in contaminated soils (10 and 5 mg/kg, respectively) were completely hydrolyzed at pH 12 in 60 and 10 min, respectively. RDX in contaminated soil (25 mg/kg) was also fully decomposed at pH 12 in 10 min. The pseudo-first-order hydrolysis rate constants for DNT, TNT, and RDX in contaminated soils were 0.085, 0.1, and 0.7 min-1 at pH 12, respectively. It appears that pH 12 is a critical pH to enhance the alkaline hydrolysis.
Through subcritical water degradation, DNT in contaminated (50 mg/kg) soil was completely removed at 250~300℃ in 60 min. RDX and TNT in contaminated soils (255 and 200 mg/kg, respectively) were also completely decomposed at 200 ℃ in 120 min and 250 ℃ in 40 min, respectively.
For both alkaline hydrolysis and subcritical water degradation, the soil-to-water ratio affected the degradation efficiency. When the ratio was increased to 1:4 and 1:3, the decomposition efficiency was decreased by 40~60%. The critical soil-to-water ratios to maintain constant degradation rates were 1:5 and 1:6 for alkaline hydrolysis and subcritical water degradation, respectively. Our results suggest that alkaline hydrolysis and subcritical water degradation can effectively treat explosive-contaminated soils.

목차 (Table of Contents)

• 목차
• 그림 목차 1
• 표 목차 1
• 1. 서론 6
• 1.1 연구목적 및 배경 6
• 2. 이론적 배경 8
• 2.1 Alkaline hydrolysis (염기성 가수분해) 8
• 2.2. Subcritical water extraction (아임계수 추출) 8
• 2.3 오염원으로서의 DNT, TNT, RDX 9
• 3. 실험 방법 및 재료 11
• 3.1 실험재료 11
• 3.2 실험기기 11
• 3.3 화약류 분석 11
• 3.4 화약류오염 토양 토성 분석 12
• 3.5 실험방법 12
• 3.5.1 Alkaline hydrolysis of explosives in water 12
• 3.5.2 Alkaline hydrolysis of explosives in soil 13
• 3.5.3 Subcritical water degradation of explosive 14
• 3.5.3 Subcritical water degradation of explosive 15
• 4. 실험결과 16
• 4.1. Alkaline hydrolysis of DNT in water 17
• 4.2 Alkaline hydrolysis of TNT in water 18
• 4.3 Alkaline hydrolysis of RDX in water 19
• 4.4 Alkaline hydrolysis of DNT in contaminated soil 20
• 4.5 Alkaline hydrolysis of TNT in contaminated soil 21
• 4.6 Alkaline hydrolysis of RDX in contaminated soil 22
• 4.7 Effect of soil to water ratio on the alkaline hydrolysis of explosives in contaminated soils 24
• 4.8 Subcritical water degradation of DNT in water 26
• 4.9 Subcritical water degradation of TNT in water 27
• 4.10 Subcritical water degradation of RDX in water 29
• 4.11 Subcritical water degradation of DNT in contaminated soils 30
• 4.12 Subcritical water degradation of TNT in contaminated soils 32
• 4.13 Subcritical water degradation of RDX in contaminated soils 33
• 4.14 Effect of soil to water ratio on the subcritical water degradation of DNT in contaminated soils 35
• 4.15 Effect of soil to water ratio on the subcritical water degradation of TNT in contaminated soils 36
• 4.16 Effect of soil to water ratio on the subcritical water degradation of RDX in contaminated soils 38
• 4.17 Product identification via GC-MS analysis 39
• 5. 결론 46
• 첨고문헌 48