KR102242839B1 - 화학사고 후 안정성동위원소 분석을 통한 토양내 화학물질 저감 양상 모니터링을 위한 모의 실험 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 화학사고 후의 토양 샘플을 수용하도록, 일단부가 개방되고 타단부에는 복수의 배수구가 형성된 칼럼; 칼럼의 일단부를 차단하고, 칼럼 내부에 유입수를 공급하기 위한 개구부가 형성된 캡; 및 칼럼 내부로부터 측정 대상 토양을 채취하기 위해 칼럼의 일측면에 형성된 채취구를 포함하고, 측정 대상 토양으로부터 화학사고로 인한 토양 내 화학물질의 저감 양상을 모니터링하는 모의 실험 시스템에 관한 것이다.

Description

화학사고 후 안정성동위원소 분석을 통한 토양내 화학물질 저감 양상 모니터링을 위한 모의 실험 시스템{EXPERIMENTAL TEST SYSTEM FOR MONITORING CHEMICAL MATERIALS DEGRADATION ACTION IN SOIL USING ANALYZING STABLE ISOTOPE AFTER CHEMICAL ACCIDENT}

본 발명은 토양 내 화학물질의 저감 양상을 모니터링하는 모의 실험 시스템으로서, 구체적으로, 화학사고 후 C 및 N을 포함하는 안정성 동위원소의 비율을 측정하여 토양의 오염 여부를 판별하는 모의 실험 시스템에 관한 것이다.

현대 사회의 과학의 발전에 따라 화학 물질의 사용량이 급증하고, 이에 따라 화학물질이 누출되는 사고가 지속적으로 발생량이 증가하고 있다.

사고 물질에 따라 그 분해 및 미생물에 의한 저감 속도가 매우 상이하며, 국내에 이러한 저감 양상을 파악하는 방법이 미흡한 실정이다.

토양 환경 내에서 토양 오염 물질의 종류에 따라, 다양한 분석을 진행해 오염물질의 잔류량, 저감량 등을 모니터링하는 기법은 매우 발전해 왔고, 대다수의 모니터링 기법은 중금속, 유류 오염물질에 초점이 맞춰져 있으며 그 중에서도 Conductivity 혹은 함량 측정을 이용한 기법을 주로 사용해 왔다.

종래의 기술은 지하수 및 토양의 분석을 진행하는데 있어 많은 시간이 요구된다는 점, 미생물에 의한 저감 양상을 확인하기에 적합하지 않고, 미생물의 저감양상을 보려면 1일 이상의 시간이 소요된다는 문제점이 있다.

한편, C 및 N 는 미생물이 자주 사용하는 원소이며 그 사용량이 매우 많고, 화학 사고 발생량 기준으로 화학사고 물질의 대부분은 C와 N의 비율이 매우 높은 편에 속한다.

또한, 위 C 및 N 는 안정성 동위원소를 보유하고 있으며, 생물이 위 원소를 사용함에 있어 그 반응시간이 짧을수록 가벼운 동위원소로 생성되고, 반응시간이 길수록 무거운 동위원소를 나타낸다.

즉, 미생물 혹은 산화작용을 통해 빠르게 오염물질이 사용되고 저감될 경우동위원소의 비율이 높아지기 때문에 그 비율 값을 측정, 도식화하여 생물 저감 양상을 가시적으로 확인할 수 있고, 저감이 완료되는 시점을 직접적으로 예측할 수 있다.

따라서, 이러한 것을 이용하여, 화학사고 이후 누출된 오염물질의 이동 경로, 이동에 걸리는 시간, 잔류된 오염물질의 생물저감 양상을 안정성 동위원소 측정을 통해 평가하는 기법을 제시하고자 한다.

본 발명의 목적은 전술한 바와 같이 화학사고 발생 후 과잉으로 누출된 화학물질의 잔류성과 생물학적 저감도를 용이하게 판별할 수 있는 모의 실험 시스템을 제공한다.

전술한 기술적 과제를 달성하기 위해, 본 발명은 화학사고 후의 토양 샘플을 수용하도록, 일단부가 개방되고 타단부에는 복수의 배수구가 형성된 칼럼; 칼럼의 일단부를 차단하고, 칼럼 내부에 유입수를 공급하기 위한 개구부가 형성된 캡; 및 칼럼 내부로부터 측정 대상 토양을 채취하기 위해 칼럼의 일측면에 형성된 채취구를 포함하고, 측정 대상 토양으로부터 화학사고로 인한 토양 내 화학물질의 저감 양상을 모니터링하는 모의 실험 시스템을 제공할 수 있다.

또한, 본 발명의 화학물질의 저감 양상의 모니터링은, 화학물질 중 안정성 동위원소 C 및 N의 비율로부터 추정될 수 있다.

또한, 본 발명의 화학물질의 저감 양상의 모니터링은, 안정성 동위원소 C 및 N의 비율로부터 시간에 따른 측정 대상 토양의 생분해도(biodegradation)를 산출하여 추정될 수 있다.

또한, 본 발명의 유입수는 자연 강우이고, 칼럼의 외면은 칼럼 내부의 토양에 빛이 투과되지 않도록 차단할 수 있다.

또한, 본 발명의 복수의 배수구로부터 유출되는 유출수로부터 안정성 동위원소 C 및 N의 비율을 측정할 수 있다.

본 발명은 화학사고 발생 후 과잉으로 누출된 화학물질의 잔류성과 생물학적 저감도를 용이하게 판별할 수 있다.

본 발명은 화학 사고 후 영향 평가 방법을 제공할 수 있으며, 토양 내의 화학 사고 물질의 거동 및 저감 양상을 해석하는 방법 및 이에 사용되는 실험 시스템을 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 모의 실험 시스템을 이용하여 토양 내 화학물질의 저감 양상을 모니터링하는 과정을 개략적으로 나타낸 순서도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 모의 실험 시스템의 실험 장치를 개략적으로 나타낸 사시도이다.
도 3는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 모의 실험 시스템의 실험 장치를 복수로 구비한 것으로 개략적으로 나타낸 사진이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 모의 실험 시스템을 이용하여 페놀에 오염시킨 토양의 13C 비율을 나타내는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 모의 실험 시스템을 이용하여 질산에 오염시킨 토양의 15N 비율을 나타내는 그래프이다.

이하, 첨부된 도면을 기준으로 본 발명의 바람직한 실시 형태를 통하여, 본 발명의 일 실시 형태에 따른 모의 실험 시스템과 이를 이용한 화학물질의 저감 양상을 모니터링하는 방법에 대하여 설명하기로 한다.

설명에 앞서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

또한, 본 발명의 구현예들이 첨부된 도면을 참고로 설명되었으나, 이는 예시를 위하여 설명되는 것이며, 이것에 의해 본 발명의 기술적 사상과 그 구성 및 적용이 제한되지 않는다.

도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 모의 실험 시스템을 이용하여 토양 내 화학물질의 저감 양상을 모니터링하는 과정을 개략적으로 나타낸 순서도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명은 도 2에 기재된 모의 실험 시스템 장치(1)에 오염된 토양을 충진하고, 시간 흐름에 따라 측정 대상 토양을 채취하고, 측정 대상 토양으로부터 안정성 동위 원소 비율을 측정한 후, 결과갑슬 산출하여, 토양 내 화학물질의 저감 양상을 모니터링할 수 있다.

구체적으로, 본 발명의 모의 실험 시스템은, 안정성 동위원소 기반의 화학물질, 즉, 오염원 물질의 저감 양상 모니터링 기법에서 원리를 채용하였으며, EA-IRMS (Elemental analysis isotope ratio mass spectrometry) 측정을 위해, 토양 시료를 적절히 채취하고, 수학식을 이용하여 도식화한 후 저감 양상을 정확하게 예측할 수 있다.

일반적으로, 안정성 동위원소 C와 N은 12C, 13C와 14N, 15N이 존재한다.

양자역학에 의거하여 안정동위원소 중 그 무게가 가벼운 것은 무거운 것보다 영점 에너지(Zero-point Energy)가 낮기 때문에, 자연계에서 미생물 또는 자연적인 저감이 촉진될 경우, 그 무게가 가벼운 12C, 14N의 존재비율이 높아진다.

아래의 [수학식 1]에서의 분결인자값 a의 값에서 C, N 등 원소별 상수가 다르지만, 무거운 동위원소의 반응속도상수보다 가벼운 동위원소의 반응속도상수가 작기 때문에, 모두 1보다 작은 값을 나타낸다.

[수학식 1]

또한, 12C와 13C의 비율을 나타내는 [수학식 2]는 아래와 같으며, 안정성 동위원소의 표준 비율의 값을 [표 1]에 기재하였다.

[수학식 2]

[표 1]

이러한 이론에 의거하여 12C/13C, 14N/15N 비율의 값이 커짐에 따라, 오염 물질이 생물내에 고정되거나, 다른 물질로 화학적 반응을 거쳤음이 반증되고, 저감되는 양상을 지켜볼 수 있다.

또한, 시간별 오염물질 저감 양상을 나타내는 것은 아래의 [수학식 3]으로 확인할 수 있으며, 주로 레일리(Rayleigh)의 공식을 사용한다.

[수학식 3]

한편, 위 식에서 (1)식과 (2)식의 차이점은 크게 없으며, a의 값을 (1)과 (2)식을 사용해 도출해낸다. 또한, R₀, C_o의 값은 실험을 진행시 최초의 농도, 비율값을 나타낸다. 또한, a값을 도출해낸 후 (3)식에 대입하여 생분해도(Biodegradation)을 도출하여, 시간에 따른 값을 도식화한다.

도 2는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 모의 실험 시스템의 실험 장치(1)를 개략적으로 나타낸 사시도이고, 도 3는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 모의 실험 시스템의 실험 장치(1)를 복수로 구비한 것으로 개략적으로 나타낸 사진이다.

도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 내부에 화학사고 후의 토양 샘플을 수용할 수 있도록, 일단부(23)가 개방되고 타단부(22)는 폐쇄된 칼럼(20)을 준비한다.

칼럼(20)의 상부에는, 칼럼(20)에 토양을 투입한 이후 개방된 일단부(23)를 폐쇄할 수 있는 캡(10)을 배치할 수 있으며, 캡(10)에는 칼럼(20) 내부에 유입수(31)를 공급할 수 있는 개구부(11)가 형성될 수 있다.

칼럼(20)의 일측면에는 칼럼(20) 내부의 측정 대상 토양을 채취하기 위하여 채취구(21)가 구비될 수 있다.

한편, 유입수(31)는 자연 강우를 사용하여, 실제 자연 환경의 조건을 조성하는 것이 바람직하다.

또한, 칼럼(20)의 외면은, 예를 들어, 알루미늄 재질의 호일(26)을 사용하여 빛 조사에 대한 효과를 차단하여 빛 영향을 최소화할 수 있으며, 이는 지표면에 드러나지 않은 지하 내부의 토양 조건을 조성할 수 있다.

한편, 공급된 유입수(31) 중에서 토양에 흡수되지 않은 초과의 액체는 칼럼(20)의 타단면(22)에 형성된 복수의 개구부(24)를 통해 유출수(32)로 배출될 수 있다.

또한, 유출수(32)에도 전술한 안정성 동위원소 C 와 N이 함께 포함되어 있을 수 있으므로, 유출수(32)로부터도 전술한 수학식 1 내지 수학식 3을 이용하여 토양 내 화학물질의 저감 양상을 추정할 수 있다.

도 3에 도시된 바와 같이, 다양한 실험 조건을 설정하기 위하여 복수의 실험 장치(1a 내지 1e)를 이용할 수 있다.

예를 들어, 실험 장치(1a)와 실험 장치(1b), 또는 실험 장치들(1c 내지 1e)는 유입수(31)를 공급한 이후, 토양 내 유입수(31)의 머무름 시간을 다르게 설정한 것이다.

또한, 예를 들어, 실험 장치(1a)와 실험 장치(1c)는, 전술한 바와 같이, 동일한 오염 물질에 대하여, 지표면과 지하 내부의 토양 조건을 다르게 설정한 것이다.

따라서, 동일한 오염 물질에 대하여, 복수의 실험 장치(1)를 마련함으로써, 정확한 화학물질의 저감 양상을 모니터링할 수 있다.

[실시예]

칼럼(20)에 C 및 N을 포함한 화학사고 대비물질 중 총 2종(페놀, 질산)을 선택하였으며, 충진용 토양으로 실제 사고지역의 위험반경 바깥의 비오염 토양을 채취하여 사용하였다.

이러한 비오염 토양을 실내에서 2일간 풍건하였으며, 10mesh(2mm) 체를 이용해 거른후 사용하였다. 충진용 토양에 2종 화학사고 대비물질을 오염시킨 후, 칼럼(20)에 충진하였다.

실험 목적에 맞는 화학사고 물질의 농도와 강우량을 설정하고, 시료 채취일을 설정하여 채취하였다. 화학사고의 시나리오는 아래의 [표 2]에 기재하였다.

[표 2]

준비된 컬럼의 토양을 시간이 지남에 따라 시기별로 토양을 채취하였다.

채취한 토양의 EA-IRMS 분석 처리를 진행하였다. 측정 대상 토양 시료는 강우 모사된 컬럼에서 일부 채취한 후 100mesh(직경0.15mm) 체를 이용해 토양을 걸러 내어 400mg가량의 시료를 만들었다.

지하수의 경우 켈달(Kjeldahl) 방법을 이용하여, 황산암모늄의 형태로 변환하고, 적외선 램프로 농축한 뒤 분석을 진행한다.

분석을 진행한 후 나온 결과값을 이용하여 화학사고 물질의 저감 양상을 모니터링 한다. 결과값 데이터와, [수학식 1] 내지 [수학식 3]을 이용하여 최종적으로 생분해도를 측정하였다. 아래의 [표 3]에 13C의 안정성 동위원소 비율을 이용한 것을 기재하였고, [표 4]에 15N의 안정성 동위원소 비율을 이용한 것을 기재하였다.

[표 3]

[표 4]

또한, 도 4는 위 [표 3]에 기재된 데이터를 그래프로 나타내었고, 도 5는 [표 4]에 기재된 데이터를 그래프로 나타내었다.

도 4를 통하여, 페놀을 오염시킨 토양의 화학물질 저감 양상을 파악할 수 있고, 도 5를 통하여 질산에 오염시킨 토양의 화학물질 저감 양상을 파악할 수 있었다.

따라서, 본 발명은 화학사고 발생 후 과잉으로 누출된 화학물질의 잔류성과 생분해도를 용이하게 판별할 수 있었다.

전술한 설명들을 참고하여, 본 발명이 속하는 기술 분야의 종사자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

그러므로, 지금까지 전술한 실시 형태는 모든 면에서 예시적인 것으로서, 본 발명을 상기 실시 형태들에 한정하기 위한 것이 아님을 이해해야만 하고, 본 발명의 범위는 전술한 상세한 설명보다는 후술하는 특허 청구 범위에 의하여 나타내지며, 특허 청구 범위의 의미 및 범위 그리고 균등한 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

1, 1a, 1b, 1c, 1d, 1e 모의 실험 시스템 장치
10 캡
11 개구부
20 칼럼
21 채취구
22 칼럼 타단부
23 칼럼 일단부
24 배수구
26 알루미늄 호일
31 유입수
32 유출수

Claims (6)

1. 화학사고 후의 토양 샘플을 수용하도록, 일단부가 개방되고 타단부에는 복수의 배수구가 형성된 칼럼;
   상기 칼럼의 일단부를 차단하고, 상기 칼럼 내부에 유입수를 공급하기 위한 개구부가 형성된 캡; 및
   상기 칼럼 내부로부터 측정 대상 토양을 채취하기 위해 상기 칼럼의 일측면에 형성된 채취구를 포함하고,
   상기 측정 대상 토양으로부터 상기 화학사고로 인한 토양 내 화학물질의 저감 양상을 모니터링하고,
   상기 화학물질의 저감 양상의 모니터링은, 상기 화학물질에 노출된 토양의 안정성 동위원소 C 및 N의 질량 비율로부터 시간에 따른 상기 측정 대상 토양의 생분해도(biodegradation)를 산출하여 추정되는 것을 특징으로 하는 모의 실험 시스템.
   
2. 삭제
3. 삭제
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 유입수는 자연 강우인 것을 특징으로 하는 모의 실험 시스템.
   
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 칼럼의 외면은, 상기 칼럼 내부의 토양에 빛이 투과되지 않도록 차단 가능한 것을 특징으로 하는 모의 실험 시스템.
   
6. 제 4 항에 있어서,
   상기 복수의 배수구로부터 유출되는 토양으로부터 상기 안정성 동위원소 C 및 N의 질량 비율을 측정할 수 있는 것을 특징으로 하는 모의 실험 시스템.

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