52…NICE, 제22권 제1호, 2004
NRL
National Research Laboratory (국가지정연구실)양 지 원
한국과학기술원 생명화학공학과 [email protected]
연구실 소개
한국과학기술원 환경복원공학연구실은 1990년 대부터 미생물과 바이오 물질을 이용하여 생물계 면활성제의 생산 및 합성을 통해 오염된 토양을 정화하는 연구를 수행해 왔다. 이러한 연구실적을 바탕으로 본 연구실은 “미세계면현상을 응용한 지 하환경 통합복원 공정개발”이라는 과제로 2002년 국가지정연구실로 선정되었으며, 현재 2차년도 연 구를 진행하고 있다.
환경기술은 후처리 위주의 1세대 기술과 오염 물질의 배출을 억제하는 2세대 기술을 거쳐 관리 와 복원의 3세대 공정으로 발전되어 왔다. 오염 토 양 및 지하수 정화기술은 3세대 환경기술인 환경 복원분야에서 가장 중요한 토양과 지하수를 복원 하기 위한 기술이며 고상, 액상, 기상을 포괄하는 다매체 정화기술이다. 현재까지는 물리화학적 또 는 생물학적 개별 기술의 적용을 통해 지하환경을 복원하려는 시도들이 진행되어 왔다. 그러나 다매 체 오염원인 토양과 지하수의 정화는 물리적, 화 학적, 생물학적 복원기술의 개별적인 적용만으로
는 완벽한 복원이 이루어 질 수 없으며, 계면에서 일어나는 다양한 현상들을 이용하는 요소 기술들 을 복합적으로 적용해야만 가능하다. 지금까지 대 부분의 연구는 개별요소의 적용에 초점을 맞추어 왔으며, 더욱이 국내에서 오염 토양 및 지하수의 복원을 위해 사용되고 있는 대부분의 기술들은 외 국 기술들이며, 대부분의 경우 충분한 현장 적용 성에 대한 검증없이 사용되어 왔다. 따라서 국내 에 적용성을 충분히 고려한 미세계면현상을 응용 한 통합 지하환경 복원 기술의 개발이 요구된다.
이를 위해서는 먼저 오염부지의 특성과 오염물의 종류, 그리고 오염 특성에 따라 적용 가능한 기술 군을 도출해야 하고, 이를 바탕으로 물리화학적/
생물학적 단위기술들을 개발하여 이를 통합적으 로 적용해야 한다. 이에 본 연구실에서는 개별적 인 토양 및 지하수 복원 기술(토양세척, 동전기 토 양세척, 생물학적 복원, 계면활성물질을 이용한 오 염물 추출, 계면활성물질을 이용한 오염물 고정화 및 분리기술)을 기반으로 지하환경 통합복원 공 정 개발을 목표로 하고 있다.
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http://erel.kaist.ac.kr
NEWS & INFORMATION FOR CHEMICAL ENGINEERS, Vol. 22, No. 1, 2004…53
N·R·L·소·개
연구과제의 내용
1) 토양 세척 및 에멀젼을 이용한 지하수 복원 토양을 오염시키는 물질중 휘발성 물질을 처리 하는 대표적인 공정이 토양 세척이다. 토양세척은 일반적으로 계면활성제와 유기용매 등을 이용하여 오염 토양에서 오염물을 분리하는 방법으로 오염 토양을 지상에서 처리하는 지상토양세척방법(ex- situ soil washing)과 지중에서 처리하는 지중수정 식세정방법(in-situ flushing, [그림 1])이 있다.
그러나 기존의 토양세척에 가장 많이 이용되는 화 학적 계면활성제의 경우 토양에의 흡착, 미생물에 대한 독성, 생분해의 어려움 등의 문제점을 내포 하고 있다. 본 연구실에서는 이러한 문제점을 해 결하기 위하여 생물계면활성제의 이용 및 계면활 성제를 대체할 수 있으며 동시에 유기 오염물을 잘 용해할 수 있는 생적합한 비수용성 물질을 이 용한 복원 공정을 연구하고 있다. 특히 비수용성 액체를 이용한 토양세척 공정을 이액상 시스템이 라고 한다. 사용되는 비수용성 액체 물질은 물과 섞이지 않기 때문에 오염토양과 혼합하여 처리하 면 토양 슬러리상(soil slurry phase)과 수용액상 (aqueous phase)으로 분리된다. 이액상 시스템의 특징은 비수용성 액체가 토양에 흡착되는 양이 적 으며, 생적합한 성질을 띠고 있기 때문에 미생물 에 유해한 영향을 끼치지 않는 것이다.
대수층에 존재하는 오염물 중 소수성과 물보다
큰 밀도를 가지는 특성을 가진 dense non- aqueous phase liquid(DNAPL)을 처리하기 위 해 다양한 공정이 소개되었다. 그러나 물보다 높 은 밀도와 소수성으로 인해 기존의 양수처리 (pump & treat) 방법으로는 거의 처리가 되지 않는 결과를 보여 이를 대체할 수 있는 기술이 개 발되어 왔으며, 계면활성제를 이용한 처리 방법이 하나의 대안으로 주목받고 있다. 그러나 계면활성 제를 이용할 경우 계면활성제로 분리된 DNAPL 이 상대적으로 높은 밀도로 인해 더 아래로 이동 하여 오염을 확산시키는 문제점을 가지고 있다.
이에 본 연구실에서는 DNAPL을 처리할 수 있는 다른 한 방법으로 비수용성이면서 생적합한 오일 을 가지고 만든 에멀젼을 이용하여 처리하는 공정 을 개발하여 연구하고 있다.
2) 동전기를 이용한 토양 복원
동전기 정화기술은 세립토와 같은 저투수성 토 양의 정화를 위해서 토양 내에서 일정 유속을 형 성하는 원위치 공정이다[그림 2]. 이 기술은 토양 내에 전극을 설치하고 전류를 흐르게 하여 전기적, 화학적, 수력학적 전도현상을 유발시킴으로써 토 양 내의 공극수가 이동하면서 오염물을 제거하는 방법이다. 많은 연구자들이 동전기 기술을 이용하 여 저투수성 토양으로부터 중금속과 물에 대한 용 해도가 높은 유기화합물에 대해 높은 제거 효율을 얻었다. 그러나 토양 및 지하수 내에 존재하는 소 수성 유기오염물은 대부분 물에 대한 용해도가 낮 고 토양에 대한 흡착도가 높기 때문에 동전기 기 술만으로는 제거가 어렵다.
계면활성제는 미셀의 유화작용에 의해 토양입 자에 흡착되어있는 유기물의 표면장력을 감소시 켜 토양으로부터 분리시키고, 용해도를 증가시켜 제거효율을 높일 수 있다. 본 연구실에서는 이러 한 특성의 계면활성제를 이용한 동전기 정화기술 그림 1. 지중토양세척의 모식도.
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N·R·L·소·개
에 대한 연구를 진행하고 있다.
또한 기존의 생물학적 처리기술(bioremediation) 의 장기간 처리시간과 불균일한 처리효과의 단점 을 극복하기 위하여 동전기 기술과 생물학적 처리 기술을 결합한 공정을 연구하고 있다.
3) 미셀한외여과를 이용한 지하수 정화
과거 한외여과는 주로 분자량이 큰 물질을 제거 하는 것에 한정되어 있었으며 중금속이나 분자량 이 작은 유기물을 제거하는 것에는 효율적이지 못 했다. 금속 이온이나 분자량이 작은 유기 오염물 을 제거하기 위해서 막의 공극이 매우 작은 나노여 과막이나 역삼투막을 사용할 수도 있으나, 이 경우 설비 및 운전 비용이 크게 증가한다. 미셀한외여과 (MEUF, micellar enhanced ultrafiltration)는 산 업폐수나 오염된 지하수로부터 금속 이온과 용해 성 유기물을 효과적으로 제거하는 기술이다. 임계 미셀농도(CMC, critical micelle concentration) 이상으로 계면활성제를 오염된 지하수 또는 산업 폐수에 주입하면 계면활성제는 미셀(milclle)을 형성한다. 금속 이온이 미셀 표면에 결합하는 경 향이 크고, 유기물이 소수성의 미셀 내부로 용해 되는 경향이 클 때, 대부분의 금속과 유기물은 미 셀에 의해 제거된다. 미셀과 오염물이 혼합된 용 액을 미셀이 통과하지 못할 정도로 작은 공극을 가진 한외여과막에 통과시키면, 유출수에는 미셀 과 결합하지 못한 금속, 미셀의 내부로 용해되지
못한 유기 오염물 그리고 계면활성제 단분 자가 매우 낮은 농도만이 존재하며, 이렇 게 깨끗해진 유출수는 재활용되거나 외부 로 방류하는 것이 가능하다.
본 연구실에서는 이러한 개별기술을 통 합하여 오염물과 토양의 특성에 따른 복원 공정을 선택할 수 있는 통합적인 복원공정 의 개발에 목표를 두고 있다. 즉, DNAPL 과 같은 오염물의 경우 지중토양세척을 진행한 후 처리수를 미셀한외여과 방법으로 처리하는 것이 나, 저투수성 토양에서 동전기 기술을 통한 오염 물의 토양에서 분리와 미셀한외여과 방법으로 유 출수를 처리하는 방법 등이 있다.
주요 보유 장비 및 기기 GC(gas chromatograph)
HPLC(high performance liquid chromato- graph)
IC(ionic chromatograph)
자외선-가시광선 분광광도계(UV/vis spectro- photometer)
표면장력계(surface tensiometer) 진공원심분리기(vacuum centrifuge) 증류수 제조장치(distilled water apparatus) Vacuum chamber & pump
그림 3. 미셀한외여과의 모식도.
그림 2. 동전기 정화의 모식도.
