한성대입구 토양시료채취

Ⅰ. 개요

□ 연구목적

○ 실개천 지역의 토양과 물의 화학성분 분석을 통한 토질과 수질 모니터 링 방법 개발

○ 학교 주변 생태환경보존에 대한 의식함량 고취

○ 참여 학생의 다양한 분석기기 사용법 습득을 통한 연구 분야 확대

□ 연구범위

○ 토질과 수질에 관한 연구이므로 기반암의 특징을 잘 파악한다. 그 이유는 기반암이 풍화되어 토양이 되며 토양에 포함된 다양한 성분이 수질 형성과 밀접한 관계에 있기 때문이다. 이 연구에서는 지질학 및 광물학에 대한 이해가 필요하며, 다양한 화학분석기기와 MBL 장비를 사용하므로 기기분석에 대한 기초적인 지식과 교육이 필요하 다.

○ 토양과 개천수 시료를 채집한 후, 화학성분 분석을 위한 시료의 전처 리과정을 거쳐야 한다. 시료의 분석을 위해 토질 및 수질 분석 키트, 다항목수질측정기, MBL 센서, COD 측정 장치, 자외-가시 분광광도 계, ICP-MS 등을 이용한다.

Ⅱ. 연구 수행 내용

□ 이론적 배경 및 선행 연구

○ 성북천에 대한 선행연구를 조사해본 결과 성북천 복원사업의 효과 평가에 대한 서울시정개발연구원의 보고서(2004)를 찾게 되었다. 이 보고서를 통해 성북천 상류 실개천 지역에 대한 수질 및 토질에 대한 자료가 전무함을 알게 되었다. 이로부터 실개천 지역에 인접한 학교 에서 분석가능한 기기를 이용하여 수질과 토질에 대한 모니터링을 할 필요성을 인식하게 되어 이 과제를 계획하였다.

□ 연구주제의 선정

○

문제의 착안점

- 서울시의 성북천 복원사업

서울시에서는 2015년까지 54개의 서울하천을 자연 친화형 하천으로 복원 하는 사업을 추진하고 있으며 성북천도 이에 포함되어 있다. 서울과학고에서 성곽 길을 따라 40분 정도 걸어가면 성북천의 발원지에 도달할 수 있다. 성북천 의 발원지인 삼청각 주변에는 아름답고 깨끗한 실개천이 조성되어 있다. 이 실개천에는 개구리, 도롱뇽, 맹꽁이 및 다양한 물고기가 살고 있고 아름다운 경관과 환경이 조성되어 있다. 본 연구에서는 성북천 상류 실개천의 토질과 수질을 주기적으로 모니터링 하는 방법을 개발하고자 한다. 토질과 수질의 모니 터링을 위해서는 화학분석기기들이 이용되어야 하는데, 과학영재학교인 서울 과학고의 경우 다양한 분석기기를 보유하고 있으며 이를 학생들의 연구 활동에 오랫동안 사용하여 왔다. 이 연구에서는 토양과 물에 함유된 다양한 성분들을 주기적으로 분석하여 토질과 수질의 변화양상을 살펴보고자 한다. 또한 이를 통해 오염물질 및 오염원 지역을 파악하여 성북천의 생태와 환경을 청정하게 보존하는데 기여하고자 한다.

○

연구주제의 선정 과정

- GLOBE(Global Learning and Obserbations to Benefit the Environment)는 1994년 미국의 앨 고어 부통령이 제창하여 전 세계의 초, 중, 고등학교에 만든 학교와 지역사회에 기반을 두고 체험 중심으로 지구 환경의 역동성에 대하여 연구하는 프로그램이다. 우리나라의 경우 1995년 전국의 과학고에 GLOBE 동아리를 만들었으며 매년 동아리 활동 비를 2011년까지 지원하였다. 서울과학고의 경우 2010년부터 GLOBE반에 서는 서울과학고 주변 암석 및 토양에 관한 연구 및 서울지역 주요 하천 지역 토양의 중금속 오염도에 대한 연구를 지속적으로 수행하였다. 토질에 대한 연구에 연관하여 수질에 대한 연구가 필요하다는 생각을 하게 되었다. 또한 수질과 토질의 모니터링을 위해 교내에 있는 화학분석기기를 최대한 사용하기 위해 화학 동아리 학생들의 도움이 필요하여 GLOBE와 더불어 화학 동아리가 함께 연구에 참가하도록 하여 이 과제를 기획하였다.

□ 연구 방법

1. 성북천의 토양 및 개천수 시료 채취

본 연구에서 시료의 채취 위치는 그림1에 나타나 있다. 개천수는 성북천 발원지, 삼청각, 한성대입구의 세 지점에서 채취하였으며, 토 양시료는 서울과학고와 국제고 주변에서 채취하였다. 토양시료에서는 일반적인 분석항목인 질소(N), 인(P), 칼륨(K), pH를 선정하여 분석하 였으며, 수질의 측정은 먹는 물 수질검사 항목(나규환 외, 2007) 중 일부를 선정하여 실시하였다.

한성대입구 토양시료채취

그림 1. 성북천의 개략적인 흐름과 토양과 개천수 채취 위치

2. 준비물 및 분석 장비

가. 시료채취시 준비물 : 무균 채수병(개천수 채취), 플라스틱 팩(토 양 채취), soil sampler, MBL 인터페이스, MBL 센서 등

나. Lamotte 토질분석 키트 : N, P, K, pH 측정

다. Lamotte 수질분석 키트 : 암모니아성 질소, pH 측정

라. 다항목수질측정기(SMART2 COLORIMETER) : Cu, Pb, Zn, Phenol 측정

마. MBL 센서 : 수온, 유속, 전기전도도, pH 측정 바. COD 분석 장치 : 화학적 산소 요구량 측정

사. 자외-가시 분광광도계 : 흡광도 측정하여 수질 성분 추정 아. ICP-MS : 중금속 이온 농도 측정

그림 2. 2013년 10월 16일 채취한 시료 및 Lamotte 분석키트의 모습.

3. 측정 방법

가. Lamotte 토질분석 키트를 이용한 측정 (1) 질소(N) 농도 측정

① Test Tube의 line 7까지 *Universal Extracting Solution를 채운다.

② 흙을 0.5g spoon으로 4번 용액에 넣는다. 뚜껑을 닫고 1분 동안 흔 든다.

③ filter paper을 4등분해서 깔때기 모양으로 접고, 깔때기에 끼워 넣 는다.

④ filterate tube위에 깔때기를 놓고 위의 혼합물을 거른다. 깨끗한 용액을 얻을 수 있다.

⑤ 1ml 피펫을 이용해서 1ml의 깨끗한 용액을 spot plate에 떨어뜨린 다.

⑥ 피펫을 이용해서 Nitrate Reagent #1를 10방울 떨어뜨린다.

⑦ 0.5g spoon으로 Nitrate Reagent #2을 한 번 넣고 막대기로 잘 젓 는다.

⑧ 5분 동안 기다린다.

⑨ Nitrate-Nitrogen Color Chart와 비교해서 pound/acre를 알아본다.

그림 3. 토양의 질소(N) 농도 측정

(2) 인(P) 농도 측정

① Test Tube의 line 7까지 *Universal Extracting Solution를 채운다.

② 흙을 0.5g spoon으로 4번 용액에 넣는다. 뚜껑을 닫고 1분동안 흔 든다.

③ filter paper을 4등분해서 깔때기 모양으로 접고, 깔때기에 끼워 넣 는다.

④ filterate tube위에 깔때기를 놓고 위의 혼합물을 거른다. 깨끗한 용액을 얻을 수 있다.

⑤ pHospHorus B tube를 위의 깨끗한 용액으로 표시된 지점까지 채 운다.

⑥ pHospHorus Reagent #2를 6방울 넣고 잘 섞는다.

⑦ pHospHorus Reagent #3 Tablet 한 알을 넣고 다 녹을 때까지 뚜 껑을 덮고 흔든다.

⑧ pHospHorus Color Chart와 비교해서 pound/acre를 알아본다.

그림 4. 토양의 인(P) 농도 측정

(3) 칼륨(K) 농도 측정

① Universal Extracting Solution을 테스트 튜브에 7까지 채운다.

② 0.5g 스푼을 이용하여 측정할 흙을 4번 넣는다. 그리고 테스트 튜 브의 마개를 닫고 1분간 흔든다.

③ 거름종이를 반으로 접고 한번 더 반으로 접는다. 그리고 콘 모양 을 만든 후 깔때기에 위치시킨다.

④ 깔때기를 깨끗한 여과할 튜브에 위치시키고 여과시킬 용액을 거름 종이를 통과시킨다. 튜브에는 깨끗한 용액이 여과된다.

⑤ 여과시킨 용액을 깨끗한 테스트 튜브에 3까지 채운다.

⑥ Potassium Reagent B Tablet을 하나 넣는다. 뚜껑을 닫고 tablet이 없어질 때까지 흔든다.

⑦ Potassium Reagent C를 7까지 넣는다. 넣을 때 벽면을 따라서 천 천히 넣는다. 뚜껑을 닫고 부드럽게 흔든다. 칼륨이 있다면 침전이 생 길 것이다.

⑧ Potash Tube "B"를 Potash Reading 판의 검은 선 위에 올려놓는 다.

⑨ 피펫을 사용하여서 만들어진 용액을 Tube "B"에 천천히 벽면을 따라서 넣는다. 그리고 검은 선이 안 보일 때까지 넣는다.

⑩ 그 때의 높이의 측정값을 읽는다. 단위는 pound/acre이다.

그림 5. 토양의 K 측정(측정과정 ⑧ 이후의 용액)

(4) pH 측정

① Tricon Flocculating Reagent 용액을 튜브에 채운다.

② 튜브에 0.5g 스푼으로 세 번 흙을 넣는다. 뚜껑을 닫고 앞뒤로 흔 들어 전부 섞이도록 한다. 다음, 흙이 전부 가라앉을 때까지 가만히 놓아둔다.

③ Tricon Soil pH Indicator 용액 9방울을 떨어뜨린다. 뚜껑을 닫고 뒤 집어 흔든 후, 다시 흙이 가라앉을 때까지 놔둔다.

④ 튜브를 Tricon pH Comparater의 옆에 두고, 색을 비교하여, pH를 구한다.

그림 6. pH 측정(측정 과정 ④ 이후의 용액)

나. Lamotte 수질분석 키트를 이용한 측정 (1) 암모니아성 질소 측정방법

샘플 5를 모아두고 Ammonia Nitrogen Reagent #1을 4방울 넣고 Ammonia Nitrogen Reagent #2을 8방울 넣은 뒤 색을 비교한다.

그림 7. Lamotte 키트를 이용한 암모니아성 질소 측정

(2) pH 측정방법

샘플 5를 모아두고 Wide Range Indicator를 적당량 넣은 후 색을 비교해본다.

그림 8. Lamotte 키트를 이용한 pH 측정

다. 다항목수질측정기를 이용한 측정 (1) 구리(Cu) 측정 방법

샘플 mL를 모아두고 Copper1 용액을 5방울 넣고 섞은 뒤 기계에 넣었다. (code : 32)

(2) 아연(Zn) 측정 방법

mL 실린더에 Zinc Indicator Solution mL를 넣고 이 용액을 Dilute Zinc Indicator Solution이라고 적혀 있는 병에 넣었다. 메탄올을 눈금실린더로 mL, mL(두 번 합쳐서 총 mL)를 측정해 Dilute Zinc Indicator Solution에 첨가했다. 그리고 Dilute Zinc Indicator Solution의 뚜껑을 닫은 후 섞고 방치하였다.

시료 mL에 Sodium Ascorbate Powder 0.1g, Zinc Buffer Powder 0.5g을 넣고 뚜껑을 닫은 후 1분 동안 세차게 흔들어 섞어 주었다. 이후 10% Sodium Cyanide를 3방울 넣고 Dilute Zinc Indicator Solution을

mL 추가하였다. 마지막으로 37% Formaldehyde Solution 4방울을 가하 고 기계에 넣었다. (code : 99)

(3) 납(Pb) 측정 방법

샘플을 mL 측정 후에 0으로 초기화하였다. 그 다음, 샘플을 mL 만 남기고 나머지는 주사기로 뽑아 폐기하였다. Ammonium Chloride Buffer를 mL 추가한 후 섞

어 주었다. 피펫을 사용해서 PAR Indicator mL를 추가 하고 돌려서 섞었다. 피펫을 사용해서 Stabilizing Reagent

mL를 추가하고 뚜껑을 닫 은 후 섞어주었다. DDC Reagent 3방울을 가하고 SMART2 COLORIMETER에 넣 어 ppm단위로 측정하였다.

그림 9. SMART2 COLORIMETER를 이용한 납 측정 모습

(4) 페놀(phenol) 측정 방법 샘플을 mL 측정 후에 0으 로 초기화하였다. 그 다음 0.1g의 Aminoantipyrine Reagent를 넣고 잘 섞었다. Plain pipet을 이용하 여 Ammonium Hydroxide Solution 4방울을 떨어뜨리고 잘 섞었다. mL pipet을 이용하여 Potassium Ferricyanide Solution

mL를 첨가한 후 잘 섞었다.

SMART2 COLORIMETER에 넣고 ppm단위로 읽어들였다.

라. MBL 센서를 이용한 측정

개천수 채취 현장에서 MBL 장치를 설치한 후 pH, 온도, 유속 및 전 기전도도 센서를 이용해 시료의 각 항목을 측정하였다.

마. 화학적 산소 요구량 측정

화학적 산소 요구량(Chemical Oxygen Demand, COD)은 산화제를 이 용하여 물속의 각종 유기물을 강제로 산화시킬 때 소비되는 산소의 양을 말하며 주로 강한 산화제인 과망간산칼륨(KMnO_)를 사용한다.

본 연구에서는 2013년 6월 13일에 성북천 발원지에서 채취한 물의 화 학적 산소 요구량 값을 측정하기 위해 과망간산칼륨법을 이용하였다.

(1) 과망간산칼륨 용액의 표준화

증류수 mL에 옥살산나트륨(Na_C_O_) 약 0.3g을 녹여 표준용액을 제작하였다. 또한 증류수 mL에 과망간산칼륨(KMnO_) 약 0.8g을 녹여 과망간산칼륨 용액을 제작하였다. 표준용액을 mL 취하여

그림 10. Potassium Ferricyanide Solution을 첨가한 후의 모습. 페놀이 함유되어있을 경우에 붉은 색을 띄게 된다.

(  ) 황산을 mL 가하고 ℃에서 과망간산칼륨 용액으로 적정하 였다. 종말점은 30초 이상 stirring 하여도 옅은 분홍색이 없어지지 않 는 지점으로 판단하였다. 적정을 3회 반복하여 평균값을 취하였고 이 를 통해 과망간산칼륨 용액을 표준화하였다.

(2) 하천수의 화학적 산소 요구량 측정

시료 mL에 증류수를 가하여 총 용액의 부피를 mL로 만들었 다. 이 용액에 (  ) 황산 mL와 황산은(Ag_SO_) 1g을 가한 뒤 약 10분간 방치하였다. M 과망간산칼륨 용액 mL를 가한 뒤

℃에서 15분간 reflux시켰다. 이 용액에 M 옥살산나트륨 용 액 mL를 가한 뒤 ℃에서 M 과망간산칼륨 용액으로 옅은 분 홍색의 종말점에 도달할 때 까지 역적정 하였다.

바. 자외-가시 분광광도계를 이용한 하천수의 분석

서울과학고등학교에서 보유하고 있는 자외-가시 분광광도계(UV-Vis Spectrophotometer)를 이용하여 2013년 6월 13일에 성북천 발원지에 서 채취한 하천수와 2013년 10월 1일에 성북천 발원지, 삼청각 아래 개천에서 각각 채취한 하천수를 분석하였다. nm에서 nm까지

nm간격으로 흡광도를 측정하였다. 모든 시료는 quartz cell에 담아 측정하였으며, air blank 조건 하에서 증류수와 시료의 흡광도를 측정 하였다.

사. ICP-MS를 이용한 하천수의 분석

서울과학고등학교에서 보유하고 있는 ICP-MS(Inductively Coupled Plasma-Mass Spectroscopy)를 이용하여 하천수에 포함된 Cu, Zn, Fe, Pb, Cd 총 5가지 금속종의 함량을 분석하였다. 하천수에 포함된 금 속종의 함량이 상당히 낮을 것이라 예측하고 시료를 묽히지 않은 상 태에서 필터로 한 번 걸러주는 것으로 sampling을 마쳤다. ppm의 표 준 용액을 1배, 10배, 100배 묽힌 용액으로 ICP-MS를 표준화 하였으

며 ICP-MS 자체에서 시료의 데이터를 총 5번 측정한 뒤 평균낸 값을 취하였다.

□ 연구 활동 및 과정

월 연구 활동 비고

6

○ 서울과학고에서 보유하고 있는 토질 및 수질 분석이 가능한 기기 조사 및 시료채취 지점 선정

site 1. 성북천 발원지 site 2. 삼청각 아래 개천

site 3. 한성대입구역 성북천 복원 시작점

○ 시료채취 : 6/13

토양시료는 서울과학고와 국제고 주변에서 채취함.

site 1, 2 지점은 실개천 지역임.

site 3은 실개천 지점과 비교하기 위해 선정함.

7

○ 수질 및 토질 분석 항목 선정 : 수온, 유속, 전기전도 도, 탁도, 수소이온농도, 용존산소량, 구리, 아연, 철, 납, 카드뮴, 질소, 인, 칼륨, 암모니아성 질소, 페놀

○ 연구참여학생 역할 분담

1) GLOBE반(이종원, 이세훈, 송준규) - 다항목수질측정기(Cu, Zn, Fe, Pb, 페놀)

- lamotte : 수질 분석 키트(pH, 암모니아성 질소), 토질 분석 키트(N, P, K, pH)

- MBL 센서(수온, 유속, 전기전도도, 탁도, pH, DO) 2) 화학반(원승환, 임종찬)

- BOD/COD

- 자외-가시 분광광도계(유기물 성분 및 농도) - ICP-MS(Cu, Zn, Fe, Pb, Cd)

화학 분석 기기의 사용법 및 분 석 방법에 대해 극지연구소 이종 익 박사의 조언과 검토를 받음

8

○ 분석 기기별 사용법 교육

○ 수질 및 토질 시료에 대한 예비 분석(6월 13일 채취 시료 사용)

ICP-MS 성분 분석은 기기수리 관계로 분석을 연기함

9

○ 시료 채취 : 9/7, 9/8, 9/30

○ 시료 분석 : 수질 분석 키트, MBL 센서, BOD/COD 분석 , 자외-가시 분광광도계 분석, SEM-EDS 분석

BOD 분석장비 고장으로 분석하 지 않기로 결정

10 ^{○ 시료 채취} : 10/1, 10/16

○ 시료 분석 : 수질 분석

11 ○ 시료 분석 및 데이터 정리

○ 결과보고서 작성

ICP-MS 수리 완료했지만

calibration 안됨. 차후 분석 예정

Ⅲ. 연구 결과 및 시사점

□ 연구 결과

1. Lamotte 토질분석 키트

토양 채취 장소 N (lbs/acre) P (lbs/acre) K (lbs/acre) pH

서울과학고 화단(표면~30cm) 30 300 140 7.5

서울과학고 화단(30~60cm ) 20 180 185 5.5

서울과학고 화단(60~90cm) 70 240 180 8.0

국제고 서쪽(풍화초기) 10 150 120 5.5

국제고 뒤 30 600 275 5.5

국제고 서쪽 70 300 330 6.0

천년바위 20 30 145 5.5

후문 화단 20 15 155 6.5

표 3. Lamotte 토질분석 키트로 측정한 토질 데이터

성북천 주변의 기반암은 북한산 화강암이다. 이 연구에서 토양시료를 채취한 서울과학고 주변 지역도 모두 화강암지대이다. 성북천 주변 지 역의 토양은 화강암이 풍화되어 형성되었으며 풍화초기 토양과 풍화후 기 토양은 성분에 있어 차이가 나타난다. 토질분석 결과 풍화가 많이 진행되고 유기물의 함량이 많을수록 N, P, K의 함량과 pH가 전반적으 로 높아짐을 관찰할 수 있다. 풍화초기 토양의 경우 pH가 5.5정도임에 유의하고 아래에서 수질분석 데이터와 비교할 것이다.

토양에 포함된 중금속(Cu, Pb, Zn, Cd 등)의 함량을 ICP-MS를 이용하 여 측정하고자 하였으나 기기가 정상화되지 않아 측정을 하지 못하였 다. 토양의 중금속 분석은 차후의 연구에서 실시할 계획이다.

2. Lamotte 수질분석 키트, 다항목수질측정기, MBL 센서

Lamotte 키트

날짜 위치 시간 암모니아성 질소 pH

9/8

발원지 16:30 1 ppm 이하 6.5~7.0

삼청각 16:46 1 ppm 이하 7.0

한성대입구 17:00 1 ppm 이하 7.5

9/30 발원지 11:40 1 ppm 이하 6.5~7.0

삼청각 12:40 1 ppm 이하 6.5~7.0

10/1 발원지 09:30 1 ppm 이하 7.0

삼청각 10:50 1 ppm 이하 7.0

다항목수질측정기

날짜 위치 시간 Cu Pb Zn ^Phenol

9/30 발원지 11:40 0.00 0.4 0.00 0.26

삼청각 12:40 0.00 0.7 0.00 0.22

10/1 발원지 09:30 0.00 0.7 0.00 0.41

삼청각 10:50 0.00 0.5 0.00 0.45

10/16 발원지 0.00 0.5 0.00 0.34

삼청각 0.00 0.6 0.00 0.36

MBL

날짜 위치 시간 수온 pH ^{유속 전기전도도}

10/1

발원지 09:30 16.66℃ 7.20 0.48cms ^217.40

Scm

삼청각 10:50 17.05℃ 7.34 10.60 cms

267.20

Scm

표 4. Lamotte 키트, 다항목수질측정기, MBL로 측정한 수질 데이터

성북천 발원지와 삼청각 아래 개천의 수질을 Lamotte 수질분석 키 트, 다항목수질측정기, MBL 센서를 이용하여 측정한 결과 위와 같은 유의미한 결과를 얻었다.

Lamotte 키트를 이용해 암모니아성 질소와 pH를 측정한 결과 암모 니아성 질소는 검출되지 않았으며, pH는 성북천의 상류에서 하류로

갈수록 높아지는 경향성을 파악할 수 있다. 앞의 토양 시료의 분석 결과를 보면 풍화초기 토양의 pH가 낮은데 풍화초기 토양이 주로 상 류에 분포하므로 토양의 pH가 수질에 반영되었음을 파악할 수 있다.

다항목수질측정기로는 물속의 Cu 이온, Zn 이온, Pb 이온, 페놀 등 의 농도를 측정하였다. 측정 결과, 두 지점에서 공통적으로 Cu 이온 과 Zn 이온은 모두 측정되지 않았다. Pb 이온과 페놀은 검출되었으 나 ‘먹는 물 수질기준’에 의한 기준치인 Pb (500ppm), 페놀 (5ppm) 에 비해 매우 작은 것으로 보아 채취한 시료는 거의 오염되지 않은 것임을 알 수 있다. 특히 Pb 이온의 경우는 채취한 날짜와 장소에 관 계없이 거의 일정한 값을 얻을 수 있었고, 페놀은 채취한 날짜에 따 라 검출된 양이 다른 것을 알 수 있다.

MBL 센서로는 시료채취 지점에서 즉각적으로 수온, pH, 유속, 전 기전도도 등을 측정하였다. 실제로 수온, 유속, pH는 날씨와 시간에 따라서 쉽게 변하는 요인으로 지속적인 관찰이 필요하다. MBL은 데 이터를 지속적이고 연속적으로 읽어들일 수 있는 장치이므로 저가의 미니컴퓨터에 접속하여 한 지점에 설치해 놓으면 지속적으로 수질 환 경을 모니터링할 수 있을 것이다. MBL 센서로 측정한 pH의 경우 Lamotte 키트로 측정한 값과 유사하게 나옴을 확인할 수 있었다.

Lamotte 키트의 경우 색을 비교하여 육안으로 판독하기 때문에 0.5 단위로 읽을 수밖에 없으므로 정밀하게 측정하려면 MBL 센서를 이용 하는 것이 더 좋을 것이다.

3. 화학적 산소 요구량

3번의 표준화 과정을 통해 얻어진 과망간산칼륨 용액의 농도는

M이다. 또한, 과망간산칼륨을 이용한 역적정 과정에서 소모된

M 과망간산칼륨 용액의 부피는 평균 mL이다.

이때, (산화제가 가져간 전자 수의 총합) = (환원제가 내 놓은 전자 수의 총합) 이기 때문에 다음과 같은 식을 얻을 수 있다.

M_KMnO

V_ V_  M_Na

C_O_V_Na

C_O_ 

이로부터 시료 내의 유기물이 강산 산화제에 의해 모두 산화되는 데는 하천수 mL당 전자  × ^{ }몰이 필요하다는 것을 알 수 있다. 따라서 산소 기체가 모든 유기물을 산화시키는 반응에서 약

gL의 산소 기체가 필요하다는 결과를 얻었다. 이를 토대로 도 출한 과망간산칼륨 소비량은 mgL이다. 먹을 수 있는 물의 과망 간산칼륨 소비량 한계치가 mgL임을 감안하면 상당히 큰 값이 얻 어졌다. 그 이유는 발원지에서 시료를 채취한 뒤 플라스틱으로 만들 어진 conical tube에 오랜 시간동안 방치한 후에 COD 값을 측정하였 기 때문이다. 시료를 채취한 일자는 2013년 6월 13일이고, 시료의 COD를 측정한 일자는 2013년 9월 10일로 약 3개월의 공백이 있다.

채취한 시료 내에 이끼가 껴 있었고 긴 시간동안 미생물이 번식하여 시료 내의 유기물의 농도를 높였을 가능성이 농후하다. 또한, 플라스 틱으로 만들어진 conical tube에서 3개월 동안 각종 유기물이 스며 나 왔을 것이다. 시료를 보관한 장소가 실내였고, 때는 기온이 매우 높은 여름이었기 때문에 충분히 가능성이 있는 추측이다.

따라서 우리는 하천에서 시료를 채취한 이후에 최대한 빠른 시일 내에 분석하며, 시료를 채취할 때 conical tube가 아닌 무균 채수병을 이용하는 방법을 사용하였다.

4. 자외-가시 분광광도계를 이용한 하천수의 분석

자외-가시 분광광도계를 이용하여 분석한 하천수의 흡광도 값은 아 래와 같다.

그림 11. 6월 13일자 분석 자료 (Sample : 성북천 발원지)

그림 12. 10월 1일자 분석 자료 (Sample #1 : 성북천 발원지, Sample #2 : 삼청각 아래 개천)

위 데이터로부터 다음과 같은 사실을 알 수 있다.

우선, 10월 1일자 분석 자료에서 알 수 있듯이 성북천 발원지와 삼 청각 아래 개천에서 채취한 하천수는 거의 같은 흡광도 값을 가진다.

실제로 위 그래프에서 성북천 발원지의 흡광도 그래프 (Sample #1)와 삼청각 아래 개천의 흡광도 그래프 (Sample #2)에서 삼청각 아래 개 천수의 그래프가 성북천 발원지 개천수의 그래프를 덮어 보이지 않음

을 확인할 수 있다. 따라서 두 하천수는 거의 비슷한 상태의 물임을 먼저 짐작할 수 있다.

증류수와 개천수의 흡광도 값을 비교해보면 공통적으로 nm에서 의 봉우리를 확인할 수 있다. 이는 H_O 자체의 최대흡수파장(_max)값 이다. 우리가 주목해야 할 부분은 nm 부근에서 나타난 봉우리이 다. nm 부근에서 최대흡수를 보이는 물질은 단백질의 펩타이드 결합이나 아세톤 등 주로 유기물이다. 그러나 MBL 측정 결과 및 Lamotte 측정 결과를 보면 실제로 유기물은 상당히 소량 포함되어있 다는 점을 알 수 있다. 자외-가시 분광광도계의 특성상 어떤 물질이 포함되어있는지 알고 있다면 그 물질의 농도를 구할 수 있지만, 포함 된 물질을 알지 못한다면 어떤 물질이 얼마나 포함되어있는지 분석하 기 힘들다. 자외-가시 분광광도계의 데이터를 통해 하천수에 증류수 에는 포함되어있지 않은 다른 물질이 있음을 확인할 수 있다.

5. ICP-MS를 이용한 하천수의 분석

서울과학고등학교에서 보유한 ICP-MS에 고장이 생겨 11월 초에 한 차례 수리를 받았다. 그러나 그 이후로도 여러 가지 크고 작은 고장 이 생기고 calibration에 문제가 발생하여 유의미한 데이터를 얻지 못 하였다. 따라서 이 보고서를 작성한 이후 기기를 좀 더 수리하여 추 가 보고서 작성 과정에서 ICP-MS를 이용한 분석 자료를 첨부할 예정 이다.

□ 결과 정리 및 종합

○ 토질의 분석에는 Lamotte 토질분석 키트와 ICP-MS를 둘 다 이용할 수 있다. ICP-MS의 경우 기기의 가격과 유지 비용이 비싸고 고체시료의 경우 산으로 녹이고 필터링하는 과정이 복잡하고 시간이 많이 들기 때문에 간편하게 분석하기 위해서는 토질분석 키트를 이용하는 것이 좋다. 하지만 함량이 낮은 성분에 대한 정밀한 분석을 위해서는 ICP-MS를 이용해야 한다.

○ 수질 분석의 경우 대부분의 성분을 다항목수질측정기로 분석할 수 있고 ppm 단위로 정밀하게 측정할 수 있다. 또한 시료의 전처리가 매우 간편하기 때문에 다항목수질측정기를 이용하면 ICP-MS 보다 매우 빠르고 편리하다.

○ Lamotte 수질분석 키트의 경우 간편하게 분석할 수 있지만 육안으로 색깔을 비교하여 함량을 추정해야 하므로 정밀한 분석은 불가능하다. 하지 만 전처리가 간편하고 분석 시간도 짧다는 장점도 있다.

○ MBL 센서와 장비를 이용하면 시간에 따라 연속적으로 실시간 분석이 가능하다. 날씨에 영향을 받는 요소의 경우 MBL을 이용하면 많은 장점이 있을 것으로 판단된다. 또한 저가의 미니컴퓨터에 연결하여 한 지점의 수질을 모니터링하는 방식이 개발된다면 스마트폰 등을 이용하여 실시간 모니터링도 가능할 것이다.

○ 자외-가시 분광광도계의 경우 파장별 흡광도를 파악하여 물속에 포함 된 물질을 간편하고 빨리 추정할 수 있으므로 물속에 다량 포함된 유기물을 전체적으로 파악하는데 유리하다.

□ 시사점

○ 환경보호동아리(GLOBE)와 화학동아리 학생들의 연합으로 팀을 구 성하여 연구에서의 역할분담이 원활하게 잘 이루어졌다. 적절한 연구주제 를 선정한다면 서로 다른 분야 간의 융합이 가능함을 보여주었다.

○ 참여 학생들이 다양한 분석기기 사용법을 체득하였으며, 이를 이용하 여 다양한 연구분야에 응용할 가능성이 높아졌다.

○ 서울과학고의 경우 꽉 짜여진 수업, 과제연구, R&E 연구, 과학나눔

봉사활동, 해외이공계체험활동, 다양한 학교행사 등으로 이 연구를 할 시간 이 많이 부족하였고 모임을 함께 가질 시간을 만들기가 힘들었다. 그럼에도 불구하고 참가 학생들이 책임감과 열정을 가지고 시간을 쪼개어 가며 연구 에 임해주어 대견함을 느꼈다.

Ⅳ. 홍보 및 사후 활용

○ 서울과학고 축제 기간 중 특별활동 발표회에 이 연구 결과를 전시할 예정이며, 앞으로도 동아리 간의 연합으로 팀을 구성하여 과제연구나 R&E 연구를 진행할 계획이다. 이번 연구를 통해 토질과 수질 모니터링 방법을 개발하였으므로 앞으로 GLOBE 동아리 활동을 통해 실제 모니터링을 지속 적으로 진행할 계획이다.

Ⅴ. 참고문헌

○ 나규환 외, 2007, 수질오염학. 신광문화사

○ 박병윤, 2007, 수질오염개론. 형설출판사

○ 박석순, 2009, 수질관리학. 도서출판 해치

○ 이민효 외, 2008, 토양지하수환경. 도서출판 동화기술

○ 조용모 외, 2004, 성북천 복원사업의 효과평가 연구. 서울시정개발연 구원