KR100228750B1

KR100228750B1 - 수용성 및 생분해성 금속 이온포착제를 이용한 토양 정화방법

Info

Publication number: KR100228750B1
Application number: KR1019970061769A
Authority: KR
Inventors: 최영국; 김동권; 이광원; 이동진; 이수복; 박인준
Original assignee: 김충섭; 한국화학연구소
Priority date: 1997-11-21
Filing date: 1997-11-21
Publication date: 1999-11-01
Also published as: KR19990041211A

Abstract

본 발명은 수용성 및 생분해성 금속 이온포착제를 이용한 토양 정화방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 에스신(Escin)을 금속 이온포착제로 사용하여 중금속으로 오염된 토양을 정화할 수 있을 뿐만 아니라 이들이 수용성 및 생분해성 특성을 지니고 있어 자연환경으로 방출시에도 2차적인 환경오염을 발생시키지 않고, 또한 재활용이 가능하며 경제적으로도 유용한 수용성 및 생분해성 금속 이온포착제를 이용한 토양 정화방법에 관한 것이다.

Description

수용성 및 생분해성 금속 이온포착제를 이용한 토양 정화방법

본 발명은 수용성 및 생분해성 금속 이온포착제를 이용한 토양 정화방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 에스신(Escin)을 금속 이온포착제로 사용하여 중금속으로 오염된 토양을 정화할 수 있을 뿐만 아니라 이들이 수용성 및 생분해성 특성을 지니고 있어 자연환경으로 방출시에도 2차적인 환경오염을 발생시키지 않고, 또한 재활용이 가능하여 경제적으로도 유용한 수용성 및 생분해성 금속 이온포착제를 이용한 토양 정화방법에 관한 것이다.

오늘날 산업이 발전함에 따라 그에 부수적으로 유해한 오염물질이 발생하여 주어진 환경용량을 넘어서 사람의 건강이나 생명을 해하고 생활환경에 나쁜 영향을 미치거나 미칠 우려가 있는 환경오염을 유발하고 있다. 특히, 토양속에 오염물질이 함유되는 현상을 '토양오염'이라고 통칭한다. 이러한 토양오염의 원인으로는 대기오염물질의 강하, 폐수

하수

폐기물의 투기

농약

비료 등의 살포에 의하며 토양오염은 곧 지하수의 오염이나 하천수의 오염원인이 될 염려가 있다.

토양오염은 카드뮴

수은

납

아연

비소

6가 크롬 등의 중금속에 의해 유발되는데, 이들에 의한 농작물의 오염이 국민건강에 중대한 영향을 미치므로 자연환경 보존의 관점으로부터 토양중에 존재하는 이들 유해중금속을 제거하는 방법이 사회적으로 요구되고 있다.

이러한 토양중에 존재하는 유해중금속을 제거하는 방법으로는 금속이온 포착제의 사용을 생각할 수 있는데, 종래의 일반적인 금속 이온포착제는 비수용성이어서 토양에 재흡착되므로 토양중의 중금속을 제거하는 데에는 적용하기 매우 어려운 문제점이 있으며, 또한 생분해적인 관점에서도 자연환경에 방출되었을 경우 2차적인 환경오염의 원인이 되는 문제점이 있다.

본 발명은 수용성 및 생분해성 특성을 갖고 있어 2차적인 환경오염을 유발하지 않는 에스신(Escin)을 금속 이온포착제로 사용하여 토양을 정화하는 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

본 발명은 에스신(Escin)을 금속 이온포착제로 사용하는 토양 정화방법을 그 특징으로 한다.

이와 같은 본 발명을 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 수용성 및 생분해성 특성을 갖는 에스신을 금속 이온포착제로 이용하므로써 보다 효율적이면서도 2차적인 환경오염을 유발하지 않는 토양 정화방법에 관한 것이다.

본 발명에서 금속 이온포착제로서 사용하는 에스신은 일본 칠엽수(A.turbinata Blume), 시나 칠엽수(A.chinensis Bunge), 서양 칠엽수(A.hippocastanum L.)등의 칠엽수과(Aesculus) 고목나무의 열매에 함유되어 있는 물질로서 칠엽수나무 열매로부터 쉽게 추출분리하며, 구입도 가능하다. 에스신(Escin)은 3개의 다당류기와 1개의 카르복실기를 지닌 사포닌 혼합물로서 유해중금속과 복합체를 형성하는 카르복실산 형태를 지니고 있어 중금속흡착에 용이하며, 또한 수용성, 특히 알칼리성 물에 잘 녹는 수용성을 나타내며 표면장력 저하능력이 큰 계면활성작용을 나타낸다. 또한, 이러한 에스신은 산성 이하에서도 수용성이지만 pH 2.5 이하에서는수소결합에 의해 서서히 화합하고 침전을 만드는 특성이 있다[Shulman, H.Erbring, W.Winkler, Kolloide-Z.Z, Polymere, 216

217, 347(1963)].

그리고, 에스신은 생체의 대사물이어서 생분해성을 나타내고 더욱이 생체에 대하여 높은 안전성을 나타낸다. 따라서, 이러한 물질은 자연계에 방출되면 용이하게 분해되어 자연계로 돌아가는 특성이 있다.

상기와 같은 특성을 지닌 에스신은, 본 발명에 있어서 금속 이온포착기능을 갖는 계면활성제로서 쓰여 수중에 용해되어 있는 금속 이온을 포착한다. 이 경우 포착되는 금속 이온으로서는 Ca, Mg, Ba, Cu, Al, Fe, Ni, Cr, Cd, Pb, Zn등의 금속이온을 들 수 있는데, 이들 금속 이온은 수용액상에서 양이온의 형태로 양전하는 성질을 갖는 특성이 있어 에스신에 잘 포착된다. 따라서, 본 발명에 있어 에스신은 오염된 토양으로부터 Cd, Cu, Zn, Pb등의 유해중금속을 포착하여 제거할 수 있으므로 토양정화가 가능하다.

또한, 에스신은 비수용성의 금속화합물인 푸민산 중금속염이나 금속산화물등을 미립자화하여 분산시키는 분산제로서의 기능을 갖는다.

본 발명은 상기와 같은 특성을 지닌 에스신을 이용한 토양 정화방법에 관한 것으로서, 이를 보다 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.

본 발명에 따라 에스신을 이용하여 토양을 정화하기 위하여 우선, 유해중금속으로 오염된 토양에 대하여 에스신을 녹인 수용액을 접촉시킨다. 이 경우 에스신 수용액 중의 에스신의 농도는 15

60mM, 바람직하게는 30

60mM가 되도록 한다. 만일 수용액중의 에스신 농도가 상기한 15mM 미만이면 임게 마이셀 농도 이하인 점에서 바람직하지 않으며, 반면에 60mM를 초과하여 함유되면 과포화상태로 물에 용해되지 않고 침전되는 점에 있어 바람직하지 않다. 또한, 본 발명에서 사용되는 에스신 수용액의 pH는 3

10이 바람직하다. 왜냐하면, 만일 이 수용액의 pH가 3미만이면 에스신 자체가 해리되지 않고 카르복실산이 되어 침전되는 점이 좋지 않으며, 또한 pH가 10을 초과하여도 역시 에스신의 수용액 상태에서의 중금속 흡착능력이 NaOH의 Na+이온과 중금속이온과의 경쟁에 의해 급속히 떨어지는 문제가 발생하여 바람직하지 않다.

이때, 토양에 대하여 에스신의 접촉방법으로는 에스신이 수용성인 특성을 이용하여 에스신 수용액중에서 토양을 교반시키는 방법, 토양중에 에스신 수용액을 투과시키는 방법, 또는 토양의 수성 슬러리액 중에 에스신 또는 그 수용액을 혼합하는 방법 등이 있다.

상기와 같은 에스신 수용액 접촉에 의하여 토양중의 중금속이온은 수용액 중의 에스신의 카르복실기에 포착되어 복합체를 형성한 뒤, 수용액중으로 이동한다.

그런다음, 중금속을 포함한 수용액을 토양으로부터 분리하여 회수함으로써 토양을 정화한다.

다음으로, 중금속을 포함한 에스신 수용액내의 에스신은 pH 2.5이하에서는 수소결합에 의해 서서히 회합하여 침전되는 특성을 가지고 있으므로, 그 수용액의 pH를 2.5이하, 바람직하게는 1

2로 저정하면 에스신은 수용액으로부터 분리 회수하여 재활용 할 수 있게 된다.

이하 본 발명을 실시예에 의거 더욱 상세히 설명하겠는 바, 본 발명이 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.

[제조예]

[모델 중금속 오염토양의 제조.]

일본 이바라키 현의 미세한 검은 복토를 입경 2㎜이하의 토양만을 분리하였다. 분리된 토양은 pH 4.3, 푸민산 함유량 4.5％, 수분함량 8.2％의 특성을 가지고 있었다. 이를 20g 채취하여 500

의 삼각 플라스크에 넣고 50

의 20mM Pb(NO₃)₂수용액, 혹은 20mM Cd(NO₃)₂수용액을 넣어 pH를 5.5로 조정하였고, 교반하여 1개월간 방치시키면서 표준토양을 오염시켰다. 그런 다음, 수용액을 여과한 후 토양을 건조시켰다. 건조된 토양에 납 및 카드뮴의 농도를 각각 5.848ppm, 2.70ppm이 되도록 하여 오염된 토양의 모델을 제조하였다.

[실시예 1]

[에스신 농도에 따른 카드뮴 오염토양 정화]

에스신(β-Escin; 시그마사)의 최종 농도가 3, 15, 45 및 60mM이 되게끔 25

매스 플라스크에 넣어 물을 가해 pH 6.8로 조정하였다. 그후 제조예에서 만들어진 카드뮴 오염토양(카드뮴 함량 2.7ppm) 1g을 35

폴리 카보네이트 원심침전관에 넣고 상기의 에스신 수용액 25

를 가한 후 진폭 10㎝로 20℃ 진탕기에서 24시간 동안 흔들어 주었다.

그런 다음, 8000rpm에서 20분간 원심분리하였고 분리된 수용액(상등액)을 0.45㎛의 막필터로 거른 후 물로 희석하여 카드뮴 함량을 고주파 유도 플라즈마 발광 분석장치(ICP-AES)를 이용하여 측정하였고, 카드뮴 제거율을 구하였다.

그 결과, 에스신 농도를 증가시킴에 따라 수용액상 중으로 이동하는 카드뮴 농도가 증가하고, 에스신 30

의 경우 카드뮴 제거율은 30％, 45

의 경우 카드뮴 제거율은 32％, 그리고 60

의 경우에서도 카드뮴 제거율은 32％이었다. 이때, 이들 중금속의 제거율은 토양중의 중금속이 수용액중으로 이동한 비율(％)을 나타낸다.

[실시예 2]

[에스신 농도에 따른 납 오염토양 정화]

실시예 1과 동일한 방법으로 상기 제조예에서 준비한 납 오염토양(납 함량 5.84ppm) 1g을 35

의 폴리카보네이트 원심 침전관에 넣고 pH 6.8로 조정한 에스신 30mM, 수용액 25

를 넣은 뒤 상기 실시예 1에서와 동일한 방법에 의하여 토양정화 실험을 수행하였고, 납의 제거율을 측정하였다.

그 결과, 에스신의 농도가 15, 30, 45 및 60mM인 경우에 납의 제거율은 37％이었으며, 에스신 수용액이 3mM이하인 경우에는 납이 제거되지 않았다.

[실시예 3]

[카드뮴 오염토양 정화시 에스신 수용액의 적정 pH]

에스신의 최종농도률 30mM로 일정하게 하고 pH를 각각 2.8, 4.8, 6.8, 7.8, 9.8 및 11.8로 조정한 에스신 수용액을 이용하여 제조예에서 제조한 카드뮴 오염토양으로부터 카드뮴의 제거여부를 상기 실시예 1에서와 동일한 방법에 의하여 수행한 결과, pH 7.8에서 41％의 최대치를 나타냈고, pH 4.8에서 35％, pH 9.8에서 30％를 나타내었다.

[실시예 4]

[납 오염토양 정화시 에스신 수용액의 적정 pH]

에스신의 최종 농도률 30mM로 일정하게 하고 pH를 각각 2.8, 4.8, 6.8, 7.8, 9.8 및 11.8로 조정한 에스신 수용액을 이용하여 제조예에서 준비한 납 오염토양으로부터 납 제거 실험을 실시예 1에서와 동일한 방법으로 수행하였다.

그 결과 pH 6.8에서 납 제거율은 37％로서 최대치를 나타냈고 pH 9.8에서의 납 제거율은 25％, pH 3.8에서의 납 제거율은 19％이었으며, 또한 에스신이 납염은 카르복실산의 흡수가 FT-IR에 의해 1586㎝^-1인 것을 알았다.

[실시예 5]

[카드뮴 오염토양 정화후 에스신의 재활용 가능성 측정]

상기 제조에에서 준비한 카드뮴 토양을 정화처리하여 얻은 수용액상은 에스신 수용액의 농도가 30mM의 경우 염기성에서는 투명한 상태를 나타내지만, pH 7부터 점점 탁해져 이 경우 에스신은 평균 61.9㎚의 입자경을 나타냈다. 또한, 에스신 30mM 수용액은 pH 3.8에서 탁하게 되지만 침전을 생성하지는 않았다.

그리고 상기 에스신 수용액에 카드뮴이온을 넣으면 탁도가 더욱 증가되어 헤이즈 측정기(일본 전색주식회사)로 측정하면 탁도가 63％, 광산란장치에 의한 평균 입경은 316㎚까지 증대되었다. 그 후, 이 수용액에 1N염산을 넣어 pH를 1.5로 조정하였고, 그 결과 침전이 발생하였다. 침전물을 여과하여 FT-IR로 측정하면 1719㎝^-1의 에스신 카르복실기의 피크가 재차 나타났다.

따라서, pH에 의해 에스신이 재복구가 가능하게 되어 토양정화에 재사용할 수 있게 된다. 또한, 결과된 여과액중에는 카드뮴이온이 존재하였다.

[실시예 6]

[납 오염토양 정화후 에스신의 재활용 가능성 측정]

납 오염토양에 대하여도 상기 실시예 5와 동일한 방법에 의하여 pH를 1.5로 조정한 결과, 역시 침전이 생성되었고, 또한 FT-IR로 측정한 결과 역시, 침전물이 카르복실기를 갖게됨을 알 수 있었다.

따라서, 납으로 오염된 토양의 정화에 있어서도 에스신을 재활용할 수 있었다.

[실험예]

[카드뮴 제거 메카니즘]

카드뮴의 제거 메카니즘을 명확하게 하기 위하여 에스신의 카르복실기를 수산화나트륨으로 중화하였다. 그 후, FT-IR로 측정하면 에스신의 카르복실기의 흡수(1719㎝^-1)가 작게 되는 동시에 대신 카르복실산의 흡수(1611㎝^-1)가 나타났다.

또한, 카드뮴으로 복분해하였을 경우 1601㎝^-1로 흡수대가 이동하였다.

그밖에 3mM 에스신 수용액(pH 7로 조정)을 0.45㎛의 필터로 여과한 후 오츠카(Otsuka) 전자 주식회사의 DLS-6000 동적 광산란 장치로 입경을 측정하면 61.9㎚이었으나, 이 에스신 수용액에 1mM 카드뮴 수용액(pH 7)을 넣으면 입경은 115.1㎚까지 증대되었다. 따라서, 이는 카드뮴 이온과 에스신이 카르복실기 사이에 복합체가 형성되었을 것으로 생각된다.

본 발명에 따른 천연물 계면활성제로부터 얻은 금속 이온포착제인 에스신을 사용함으로써 유해중금속으로 오염된 토양을 정화할 수 있을 뿐만 아니라 이들 금속 이온포착제의 성질이 수용성 및 생분해성을 나타내므로 자연환경내로 방출시 2차 오염을 발생시키지 않아 생물에 보다 안정한 효과를 나타낸다. 또한, 이 금속 이온포착제는 pH를 조정함으로써 간단히 회수할 수 있어 재활용할 수 있는 특성을 지녀 경제적으로도 유용한 효과가 있으며, 기타 금속 이온포착제가 요구되는 분야, 예를 들면 화장품 분야 또는 식품 분야 등에도 유용하게 사용될 수 있다.

Claims

에스신(Escin)을 금속 이온포착제로 사용하는 것을 특징으로 하는 토양 정화방법.
제1항에 있어서, 상기 에스신은 15
60mM 농도의 수용액 상태로 이용하는 것을 특징으로 하는 토양 정화방법.
제2항에 있어서, 상기 에스신 수용액은 pH 3
10인 것을 특징으로 하는 토양 정화방법.