철 (산수)산화물들 중 지표환경에서 가장 안정된 형태로 알려진 적철석의 비소에 대한 흡착제로서의 다양한 특성을 조사하고 비소와의 흡착특성을 규명하였다. 본 연구에서 합성된 적철석은 31.8g m2/g의 비표면적을 가졌으며, 전위차 적정법(potentiometric titration)에 의해 측정된 영전하점(point of zero salt effect, PZSE)은 8.5로 비소에 대한 높은 흡착능은 이러한 적철석의 특성들에 기인한 것으로 판단된다. 동일한 수용상 농도와 pH 2.0~12 범위에서 3가 비소와 5가 비소의 적철석에 대한 흡착량을 비교한 결과 3가 비소가 5가 비소보다 큰 흡착량을 보였다. 그리고 pH에 따른 흡착경향은 3가 비소의 경우에는 pH 9.2까지 지속적으로 흡착량이 증가하다가 그 이상의 pH에서는 흡착량이 급격하게 감소한 반면, 5가 비소는 pH 2.0에서 가장 높은 흡착량을 나타내다가 pH가 증가하면서 지속적으로 감소하는 것으로 조사되었다. 이러한 pH에 따른 흡착특성은 pH에 따라서 적철석의 표면전하 특성과 비소 화학종의 존재형태가 변화하기 때문인 것으로 판단된다. 흡착 반응속도에 대한 실험 결과에 의하면, 두 비소 종 모두 20시간 이내에 평형 흡착에 도달하는 것으로 나타났다. 그리고 비소의 화학종과 관계없이 적철석과의 흡착반응속도를 가장 잘 모사하는 반응속도 모델로는 유사이차(Pseudo-second-order) 모델로 평가되었으며, 5가 비소가 3가 비소보다 반응속도상수가 크게 나타났다.

항만 및 공장용지 확보를 위한 해안 매립 시 해저 펌프준설 등의 방법을 이용하여 준설토를 활용하고 있으며, 육상의 경우에도 조립준설토를 성토재로 활용하려는 노력이 진행되고 있다. 서해안 지역의 해저바닥에 분포하는 원지반은 실트질 모래 또는 모래질 실트가 남해안과 동해안에 비해서 많이 분포하고 있고, 다른 연안에 비해 입자 또한 크다. 이러한 특성을 지닌 준설토는 침강과 압밀의 과정도 준설점토와 다른 거동 특성을 보인다. 본 연구에서는 서해안 지역의 비소성준설토를 매립재료로 활용하기 위한 연구의 일환으로 서해안(새만금)지역의 준설매립지반에 대해 모형실험을 실시하여 동다짐 에너지 변화에 따른 원지반의 상대밀도 및 N값의 변화를 예측할 수 있는 예측식을 제안하고, 효율적인 지반설계를 위한 동다짐 에너지를 산정하였다.

본 연구에서는 자연에서 산출빈도가 높은 3가 비소(아비산염)와 two-line ferrihydrite와의 표면흡착반응의 기작을 살펴보기 위하여 3가 비소를 흡착시킨 two-line ferrihydrite에 대한 X선 흡수분광 분석을 수행하였다 연구에 사용된 two-line ferrihydrite는 실험실에서 합성하여 사용하였으며, 산성과 염기성 환경에서의 표면반응 기작을 비교하기 위하여 pH 4와 10에서 연구를 수행하였다. 또한 각 pH 조건별 3가 비소의 흡착농도에 따른 표면반응의 차이를 비교 평가하였다. X선 흡수분광 분석결과에서 얻은 EXAFS 영역에서의 비소 3가에 대한 구조 변수들을 살펴보면 As-O 배위수는 3.1~3.3개 거리는 1.74~1.79 a으로 two-line ferrihydrite 표면에 흡착된 As(III) complex의 구조 단위체가 AsO3임이 확인되었다. As(III)-Fe쌍은 주로 안정된 형태의 bidentate binuclear comer-sharing (2C)의 결합구조를 갖는 것으로 나타났으며, bidentate mononuclear edge-sharing (2E)와 2C가 혼합된 결합구조도 공존하는 것으로 조사되었다. pH 4에서는 흡착농도에 따라 다른 표면구조를 가지는 반면, pH 10에서는 흡착 농도에 상관없이 동일한 표면구조를 보이는 것으로 나타났다. 이러한 결과는 3가 비소와 two-line ferrihydrite의 표면반응은 pH와 농도에 의해서 영향을 받는다는 거시적인(macroscopic) 흡착실험 연구결과가 미시적인(microscopic) X선 흡수분광 결과에 의해서 해석될 수 있음을 의미한다.

In this research, equilibrium of adsorption and kinetics of As(V) removal were investigated. The coal mine drainage sludge(CMDS) was used as adsorbent. To find out the physical and chemical properties of CMDS, XRD (X-ray diffraction), XRF (X-ray fluorescence spectrometer) analysis were carried out. The CMDS was consist of 70% of goethite and 30% of calcite. From the results, an adsorption mechanism of As(V) with CMDS was dominated by iron oxides. Langmuir adsorption isotherm model was fitted well more than Freundlich isotherm adsorption model. Adsorption capacities of CMDS 1 was not different with CMDS 2 on aspect of amounts of arsenic adsorbed. The maximum adsorption amount of two CMDS were respectively 40.816, 39.682 mg/g. However, the kinetic of two CMDS was different. The kinetic was followed pseudo second order model than pseudo first order model. Concentrations of arsenic in all segments of the polymer in CMDS 2 does not have a constant value, but the rate was greater than the value of CMDS 1. Therefore, CMDS 2, which is containing polymer, is more effective for adsorbent to remove As(V).

광물학적 지구화학적 방법을 이용하여 송천 금은광산 광미 내 중금속 및 비소의 거동특성에 대해 연구하였다. 광미 내 광물조성은 X-선 회절분석, 에너지 분산분광분석, 전자탐침미세현미분석(EPMA)을 이용하여 조사하였고, 중금속과 비소의 농도와 화학적 존재형태는 각각 왕수분해법과 연속추출법으로 분석하였다. 광물학적 연구결과, 방연석, 섬아연석, 황철석, 석영, 그리고 스코로다이트로 구성된 수지상 광물집합체가 관찰되었으며, 특히 스코로다이트는 기질의 형태로 나타났다. 이러한 광물집합체 내 다양한 황화광물의 풍화반응 정도를 평가하고자 EPMA 분석을 실시하였으며 그 결과, 유비철석, 방연석, 섬아연석, 황철석 순으로 풍화반응성이 높은 것으로 평가되었다. 방연석의 풍화는 이차광물로 이루어진 누대구조가 특징적으로 관찰되었으며, 이러한 누대구조에서 다량의 앵글레사이트와 소량의 보이단타이트를 관찰하였다. 그리고 유비철석은 거의 모두 스코로다이트로 변질되어 스코로다이트가 기질의 형태로 존재하였으며 이러한 기질 내에서 유비철석보다 풍화반응성이 떨어지는 방연석, 섬아연석, 황철석 등이 관찰되었다. 유비철석으로부터 스코로다이트로 변질되는 과정 중 일부 비소는 용출되어 주변 환경에 악영향을 끼쳤을 것으로 판단된다. EPMA 정량분석결과로 볼 때, 이러한 스코로다이트는 안정도가 비교적 높음을 알 수 있었으며, 또한 안정한 스코로다이트는 광미를 피복하여 광미 내 다른 일차광물들의 풍화를 억제하는 것으로 생각된다. 이러한 원인으로 송천광미가 지표환경에 장기간 노출되었음에도 불구하고 초기 풍화진행단계의 특성을 보이는 것으로 판단된다. 본 연구의 광물학적, 지구화학적 연구결과를 종합해보면 현재 납과 비소가 이동성이 높은 형태로 존재하기 때문에 광미가 지표에 계속 노출되어 풍화반응이 지속된다면 그러한 유해원소들의 용출 가능성이 클 뿐만 아니라 스코로다이트의 안정도가 감소하여 비소의 재용출 가능성도 높아 송천광산의 환경위해성이 큰 것으로 판단된다.

지표에 노출된 폐광미의 산화작용으로 인해 용출된 비소와 중금속들이 광산주변 환경에 심각한 오염을 야기할 수 있다. 본 연구는 황화광물의 산화작용과 이차 광물의 생성 및 변질과 같은 다양한 작용들이 비소의 거동에 미치는 영향을 광물학적 방법을 이용하여 고찰하였다. 연구대상 광미는 강원도 정선군에 위치한 낙동광산에서 채취하였다. 전처리한 광미로부터 자성광물과 비자성 광물을 선별한 후, 현미경 관찰을 통해 광물의 색 및 금속광택에 따라 분류하였고, X-선 회절 분석기, 에너지 분산분광기, 그리고 전자탐침미세현미경 등과 같은 다양한 기기분석들을 이용하여 광물학적 특성을 조사하였다. 문헌조사에서는 다양한 광석광물이 산출되는 것으로 알려졌지만, 산화 등과 같은 풍화작용으로 인하여 본 연구에서는 일부 광석광물들과 더불어 새롭게 형성된 이차 내지 삼차 광물들을 확인할 수 있었다. 특히 다량으로 존재했다고 알려진 자류철석은 동정되지 않았지만 특징적으로 콜로포옴 형태의 철 (산)수산화광물을 확인하였는데, 이는 자류철석의 큰 반응성으로 인하여 풍화가 급격하게 진행되어 자류철석이 모두 변질된 것을 입증한다. 뿐만 아니라 일차 광석광물인 유비철석의 균열부에 충진한 이차 광물인 스코로다이트를 확인할 수 있었는데 이러한 변질 과정을 통해 용출된 비소가 고정화되는 것으로 판단된다. 또한 이차 광물로 생성된 자로사이트가 다시 변질되어 삼차 광물인 철 (산)수산화광물이 형성되는 것도 관찰할 수 있었는데 이는 다양한 광석광물의 산화작용으로 인해 조성된 초기의 낮은 pH 환경으로부터 pH가 증가하는 환경으로의 전이를 지시한다. 이러한 환경의 변화는 이차 광물들과 주변 모암과의 작용 등에 기인하며 그 결과 이차 광물의 안정도가 떨어지게 되고 새로운 삼차 광물들이 형성된다. 이러한 과정에서 고정화된 비소가 재용출 되어 주변 환경에 확산되어질 수 있다.

옥천층군이 주요 지질인 옥천군 북부지역 지하수 조사 관정에서 지하수 내 비소 농도 범위는 0.0051~0.0887 mg/L이다. 지하수 내 비소의 농도는 주 양이온 및 음이온 등의 주요 수질인자와 뚜렷한 상관관계를 찾을 수 없었을 뿐만 아니라 주요 지질 및 공간분포와도 관련이 없었다. 코어 암석 시료에 대한 박편분석, X-선회절분석, 전자현미분석 결과 황철석, 황동석, 유비철석 등의 황화광물들이 확인되었는데 이러한 황화광물류의 산화가 일차적인 비소의 기원으로 판단된다. 용해도 특성 분석 결과, 방해석(CaCO3), 돌로마이트(CaMg(CO3)2) Magnesite (MgCO3) 등의 탄산염광물들과 포화상태임을 확인하였다. 비소는 일차적으로 함비소 황화광물의 산화에 의해 발생되지만 본 연구 지역과 같이 알칼리 산소 조건(pe+pH〉10)의 지하수 환경에서 이차적으로 탄산염광물과 평형을 이루는 Ca3(AsO4)2(c)와 Mn3(AsO4)2(c) 등의 비소 광물들의 침전과 용해 평형과정이 지하수 내 비소의 최대 농도를 제한할 수 있을 것으로 판단된다.

철 (산수)산화물은 높은 반응성과 큰 비표면적 등의 특성을 갖는 이차광물로서 환경관련 산업이나 연구에서 무기 및 유기 오염물질들을 효과적으로 제거할 수 있는 수착제로 널리 활용되어 오고 있다. 이러한 철 (산수)산화물들 중에서 침철석(α-FeOOH)은 지중에서 가장 많이 분포하고 안정된 광물로 알려져 있다. 본 연구에서는 이러한 침철석을 이용하여 비소를 제거하는데 있어서 주요한 기작인 흡착반응에 대하여 알아보았다. 순수한 침철석을 얻기 위하여 실험실에서 합성하였으며, 침철석의 다양한 광물학적, 물리화학적 특성들을 분석하여 비소와의 흡착반응을 해석하는데 이용하였다. 그리고 비소의 화학종별 침철석에 대한 흡착특성을 비교하기 위하여 흡착 등온식을 얻기 위한 평형흡착실험, pH에 따른 흡착실험, 흡착반응속도 실험 등을 수행하였다. 합성된 침철석의 영전하점(point of zero charge, PZC)은 7.6으로 다른 철 (산수)산화물들에 비해서 상대적으로 약간 높은 값으로 측정되었다. 침철석의 비표면적은 29.2 m2/g으로 다른 철 (산수)산화물들에 비해 비교적 낮게 나타나서 흡착력이 다소 떨어질 것으로 예상되었다. 침철석에 대한 친화도는 3가 비소(아비산 이온)가 5가 비소(비산 이온)보다 훨씬 더 커서 동일한 pH 조건에서 3가 비소가 5가 비소보다 침철석에 많이 흡착되는 것으로 조사되었다. pH에 따른 비소 화학종별 흡착특성을 살펴보면 3가 비소는 중성의 pH 범위(7.0~9.0)에서 가장 높은 흡착을 보였으며, 산성 또는 염기성 pH 조건에서는 흡착량이 크게 감소하는 것으로 나타났다. 5가 비소의 경우에는 낮은 pH 조건에서 가장 흡착이 잘 일어났으며 pH가 증가함에 따라서 흡착은 감소하는 것으로 나타났다. 이러한 거시적인 현상은 pH에 따라서 각 비소종의 화학적 존재형태와 침철석의 표면 전하가 변하기 때문에 발생하는 정전기적인 작용에 의한 것으로 생각된다. 침철석과 비소와의 흡착반응속도를 가장 잘 모사하는 반응속도 모델은 parabolic diffusion 모델인 것으로 평가되었으며, 회귀 분석 결과 5가 비소가 3가 비소보다 반응속도상수가 크게 나타났다.

토양과 지하수의 비소 오염은 최근 심각한 환경문제들 중 하나로 대두되고 있으며, 이러한 비소 오염은 다양한 자연적 또는 인위적 원인들로 인하여 발생할 수 있다. 지중에서 비소의 거동은 철, 망간, 알루미늄 등과 같은 여러 종류의 산화물 또는 수산화물들과 점토광물에 의하여 영향을 받고, 특히 이중에서 철 (산)수산화물이 가장 효과적으로 비소를 제어하는 것으로 알려져 있다. 이에 본 연구에서는 철 산화물의 일종인 자철석의 비소 흡착 특성을 연구하였다. 자철석이 비소의 화학종(5가와 3가 비소)에 따라서 어떠한 흡착 특성을 나타내는가 알아보기 위하여 비소 흡착에 주요하게 영향을 줄 수 있는 자철석의 물리화학적 특성들을 측정하고, 평형론적 실험과 반응속도론적 실험을 병행하여 수행하였다. 비소 흡착제로 사용하기 위하여 실험실에서 합성한 자철석의 영전하점(point of zero charge, PZC)과 비표면적은 각각 6.56과 16.6 g/m2로 다른 철 (산)수산화물들에 비해 상대적으로 낮은 간들을 나타냈다. 두 비소 화학종과 자철석의 평형실험 결과, 3가 비소가 5가 비소보다 더 많이 흡착되는 것으로 조사되어, 3가 비소가 흡착제로 사용된 자철석과 더 높은 친화력을 가지는 것으로 나타났다. 3가 비소는 pH 7에서, 5가 비소는 pH 2에서 흡착량이 가장 높았으며, 5가 비소의 경우 pH가 증가함에 따라 자철석의 표면과 전기적 반발력으로 인해 그 흡착량이 감소하는 것으로 나타났다. 이는 pH에 따른 자철석의 표면전하의 변화와 비소의 화학적 형태 등이 비소를 제어하는데 있어서 중요한 인자로 고려되어야 한다는 것을 지시한다. 시간에 따른 흡착 반응연구에서는 5가 비소가 3가 비소보다 더 빠르게 흡착됨을 알 수 있었으나, 비소의 화학적 존재형태에 관계없이 모두 4시간 이내에 평형 흡착에 도달하였다. 또한, 반응속도 실험결과를 지금까지 제안된 다양한 반응속도 모델들과 비교하였을 때, power function과 elovich 모델이 본 연구에서 사용된 자철석과 비소의 흡착을 가장 잘 모사하는 것으로 나타났다.