계면동전위 특성평가는 분리막의 막오염 개선연구와 분리막의 표면전하 분석을 통한 고분자의 개질 확인 및 치환기 확인에 대한 연구로 활발히 진행되고 있다. 제타전위 (zeta potential)란 전기역학적 현상으로 발생하는 전위차를 정량화 한 값을 측정하는 것을 말한다. 이러한 제타전위를 측정하기 위해서는 전기영동 (electrophoresis), 전기삼투 (eletrosmosis), 유동전위 (streaming potential)를 측정하는 예가 있다. 그 중 평막은 유동전위 측정을 하는 것에 있어 가장 높은 재현성을 보인다. 따라서, 본 연구에서는 SEBS (polystyrene-ethylenebutylene-styrene) 고분자 개질을 통해 아민화된 SEBS 평막형 분리막을 제막하고, 제막한 아민화된 SEBS 고분자 분리막의 계면동전위 측정을 통해 계면 유동전위를 측정하여 결과를 분석하였다.

제타전위를 이용한 분리막의 막오염 개선연구와 분리막의 표면전하 분석을 통한 고분자의 개질 확인 및 치환기 확인에 대한 연구는 활발히 진행되고 있다. 제타전위(zeta potential)란 전기역학적 현상으로 발생하는 전위차를 정량화 한값을 측정하는 것을 말한다. 이러한 제타전위를 측정하기 위해서는 전기영동(electrophoresis), 전기삼투(eletrosmosis), 유동전위(streaming potential)를 측정하는 예가 있고 그중 평막은 유동전위 측정이 적합하다. 따라서, 본 연구에서는 SEBS(polystyrene-ethylene-butylene-styrene) 고분자를 개질하여 아민화된 SEBS 평막형택의 분리막을 제조하고, 제조한 아민화된 SEBS 고분자 분리막을 계면동전위 측정기 이용으로 유동전위를 측정하여 결과를 분석하였다.

우라늄으로 오염된 토양을 복원하기 위해 실규모의 동전기제염장치로 제염하는 과정에서 많은 산폐액이 발생한다. 발생한 산폐액에 CaO를 가해 우라늄수산화물을 침전시켜 여과한 다음, 방사성 폐액을 줄이기 위하여 이 용액을 재사용하였다. 그 러나 이 용액을 동전기에 재사용할 경우, 높은 농도의 칼슘 때문에 양극실에서 음극실로 용액이동 속도가 감소하여 여과포 의 약화, 전선 부식, 음극면에 산화물 부착 등의 문제점이 발생하였다. 이 문제들을 해결하기 위하여 재생액에 황산을 넣어 CaSO4로 침전시켜 칼슘을 제거하였다. 칼슘이 제거된 재생액을 사용하여 소형 동전기 장치에서 20 일간 토양제염 실험을 수 행한 결과는 세척후 토양내 우라늄 잔류 농도가 0.35 Bq/g로 감소하였으며, 이는 증류수 제염한 결과와 유사하게 나타났다.

방사능 오염 토양 복원을 위해 실험실 규모의 동전기 복원장치를 제작하여 가동 하던 중 토양 내 존재하던 금속이온의 용출로 금속 산화물이 발생하여 음극의 전류 흐름을 차단하는 문제가 발생하였다. 전류의 차단으로 토양 내 우라늄 제거 능력이 상실되어 이러한 문제를 해결하는 해결 방안을 모색하여 개선된 동전기 복원 장치를 제작하였다. 개선된 실험실 규모 동전기 복원 장치를 이용하여 토양복원 실험을 25 일간 수행 하였을 때 우라늄 잔류 농도는 0.81 Bq/g으로 약 96.8%의 제거 효율을 보였으며, 초기 우라늄 농도 50 Bq/g 일 때 우라늄 규제 해제 농도인 1 Bq/g 이하로 제거 되기 까지는 34 일의 복원 기간이 필요하고, 초기 우라늄 농도 75 Bq/g, 100 Bq/g 일 때 각 42 일, 49 일이 필요한 것으로 나타났다.

우라늄 오염토양을 동전기제염 시 많은 양의 동전기 침출액이 발생한다. 발생된 우라늄 침출액을 재이 용하기 위한 처리기술이 개발되었다. 동전기제염 시 발생된 우라늄침출액 내의 우라늄농도는 180 ppm이 었고, Mg(II), K(I), Fe(II), Al(III) 농도는 20 ppm∼1,210 ppm이었다. 우라늄침출액의 최적 처리공정은 혼합, 응집, 침전, 농축, 그리고 여과로 구성된다. 침전액의 pH를 11로 맞추기 위해, calcium hydroxide 는 3.0g/100ml 그리고 sodium hydroxide는 2.7g/100ml이 필요했다. 여러 침전실험 결과 NaOH+0.2g alum+0.15g magnetite가 여과를 위한 최적 침전혼합제로 선정되었다. NaOH+0.2g alum+0.15g magnetite 투입 시 침전입자의 평균크기는 600 ㎛이었다. pH=9에서 침전 후 상등액에 총 금속농도가 가 장 낮았기 때문에, 최적 침전을 위하여 먼저 0.2g/100 ml alum와 0.15g/100ml magnetite 투입한 후pH=9일 때까지 sodium hydroxide을 투입하여야 한다

방사성 토양을 복원하기 위해 원자력시설 주변 부지의 수리지질 특성을 분석하여 국내 방사성 토양 복원에 적합한 수직형 동전기세정장치를 개발하였다. 또한, 이 수직형 동전기세정장치를 이용한 실험을 통해 원자력시설 주변 방사성토양을 복원하기 위한 최적 세정제를 선정하고 단기간에 높은 제거효율을 확보할 수 있는 최적제염조건들을 도출하였다. 초산을 세정제로 사용하였을 때 토양으로부터 코발트와 세슘의 제거효율이 가장 높으므로 동전기제염을 위한 최적 세정제로 초산을 선정하였다. 동전기세정제염 시 세정제 주입량을 증가 시켰을 때 토양으로부터 코발트와 세슘의 제거효율은 평균 약 4.6% 제거효율이 증가했고 토양폐액 발생량도 동전기제염의 1.5배인 2.4 mL/g이었다. 동전기토양셀의 전압구배를 2배로 증가시켜 4 V/cm를 적용시켰을 때, 코발트와 세슘의 제거효율은 각각 98.9%와 96.7%로 평균 약 4.3% 제거효율이 증가했다. 그리고 세정제 농도를 0.01M로부터 0.05M로 증가시킨 후 제염실험 결과 코발트의 제거효율은 상승했지만 세슘의 제거효율은 감소하였다. 위 실험결과 개발한 수직형 동전기세정장치의 최적제염조건으로 제염시간은 20일 동안 초산 0.01M∼0.05M을 세정제로 사용하여 동전기토양셀의 전압구배는 4 V/cm를 가하고, 2.4 mL/g의 세정제를 주입하는 것이다.

투수성이 높은 토양에 대한 동전기세정 제염의 영향을 평가했다. 실험토양은 많은 모래를 함유하여 수리전도도가 높은 연구 원자로 주변부지로부터 채취했다. 세정용액의 방출속도는 제염시간 경과와 함께 감소했다. 시트릭산을 사용했을 때, 세정용액의 방출속도는 78.7 ml/day로 가장 빨랐다. 세정용액으로 초산을 사용하였을 때, 토양으로부터 코발트와 세슘의 제거효율은 가장 높은 값인 95.2%와 84.2%를 나타냈다. 동전기제염 시 발생된 토양 폐액부피는 토양세척제염시보다 1/20으로 감소했다. 반면에 동전기세정방법은 토양으로부터 코발트와 세슘 제거효율을 동전기방법 보다 각각 6%와 2%로 향상시켰다. 그러므로 동전기세정방법은 투수성이 높은 토양제염 시 좀 더 효과적이다.

10년 이상 된 방사능오염 토양에서 동전기적 방법에 의한 Cs과 Co의 제염효율을 높이기 위해 HSO과 시트르산을 첨가제로 사용했다. 동전기 토양복원 컬럼의 방출수 평균속도는 2.0 cm/min이고, 10일 동안 방출된 토양폐액의 부피는 컬럼의 3.6 공극부피다. 10일간 Cs 의 제거효율이 54%에 불과한 반면에, Co는 97%나 제거되었다. 이것은 Cs의 흡착평형계수가 Co 보다 크기 때문이라고 생각된다. 본 연구에서 제시한 수학적 모델에 의한 컬럼 잔류 오염도는 실험 오차 범위에서 실험결과와 잘 일치하였다.

하전된 마이크로채널의 전기이중층에서 계면동전기 흐름에 의해 발생되는 흐름전위는 일반적 Helmholtz-Smoluchowski 관계식으로부터 중공사 멤브레인 기공의 제타전위를 결정하는데 적용된다. 흐름전위는 실제 운전상황이나 물리화학적 조건에서의 표면특성 및 기공과 입자간 상호작용에 대한 유용한 실시간 정보를 제공함이 알려져 있다. 무리화학적 인자들이 주공사에 의한 여과에 미치는 영향을 투과플럭스와 흐름전위의 동시적 모니터링으로 고찰하였다. 특히, 본 연구에서는 중공사의 위치에 따른 흐름전위를 측정함으로써 중공사 길이 방향과 멤부레인 오염 진행에 따라 달라지는 케이크층 효과를 규명하는 실험방법을 다루었다. 실험결과, 입자농도가 증가할수록 투과플럭스는 감소하나 흐름전위는 증가하였다. 입자농도가 증가하면서 케이크층 성장은 활발하지만 쌓인 하전 입자들의 표면전하 효과로 흐름전위는 증가한 것이다. 용액의 이온화 세기를 KCI 0.1 mM에서 10mM로 증가하면 투과플럭스와 흐름전위가 함께 감소하였다. 이는, 이온화 세기의 증가로 라텍스입자 주위의 Debye 길이 감소로 치밀한 케이크층이 형성되고, 전기이중층의 얇아진 확산층에 의한 이온흐름의 약화로 흐름전위는 감소한 것을 판단된다.

More than 45 million tons of marine clay is dredged in the western and southern sea every year in Korea. Dredged soils, which are relatively easily supplied, have been known as an economical fill material for the construction of airports, ports, and industrial land. However, dredged soils can no longer be used as a construction material because they contain various types of heavy metals and organic pollutants. If an electric field is applied to dredged sediments, various phenomena such as electrophoresis, electro-osmosis, electro-migration, electrolysis occur because the surface of marine clay is negatively charged. The interpretation of sedimentation and self-weight consolidation is very important because this behavior is closely related to the stabilization of dredged sediments and the landfilling period. The analytical solution for the calculation of excess pore-water pressure is obtained by determining the initial and boundary conditions. Then, the surface settlement and density profiles are predicted by using this analytical solution. The analytical solution from Esrig’s one-dimensional electrokinetic consolidation theory and this study’s numerical simulation with mass conservation more easily predicted the electrically induced consolidation behavior of dredged sediments than the non-linear finite strain consolidation theory.

The amount of contaminated dredged materials are increasing every year in Korea. Secondary contamination would be expected, if contaminated marine clayey slurry remains without treatment. Therefore, the appropriate remedial treatments are required in order to prevent secondary contamination. Electrokinetic method is especially suitable for low permeability dredged clayey soils because pore fluid can be easily transported by electric field. Hydrogen ions created by electrolysis enhance the remedial processes by desorbing heavy metal contaminants from slurry soil surfaces. This study investigated variation of electrical current and voltage gradient during the treatment, and ICP analysis as well as pH measurements were carried out to measure zinc concentration during and after the treatment.

Electrokinetic technique was considered in removing arsenic from the abandoned mining tails. In order to estimate the removal characteristics of arsenic, the sequential extraction analysis and desorption experiment were carried out prior to the application of electrokientic process. The result of sequential extraction analysis indicated that the water soluble and exchangeable fraction, easily leachable to ground water, were very low as much as about 2.5% and the fraction except residual (38.3%), possibly extractable under very acidic or alkalic environment, was about 59%. In the result of desorption test using four different kinds of electrolytes, the mixture of citric acid and sodium dodecyl sulfate (SDS) showed the highest desorption efficiency as much as 77.3%. The removal efficiencies of arsenic from mining tailings by electrokinetic process under the different electrolyte environments were slightly low and resulted in the following order: citric acid + SDS (18.6%) > 0.1 NHNO3 (8.1%) > HAc (7.4%) > Distilled water(6.6%). Also, arsenic in soil matrix was moved favorably in the direction of anodic rather than cathodic region, which is opposite trend with cationic metal ions generally existing in soil, because anionic form of arsenic is dominated in acidic soil caused by the movement of acid front form anode.

In the removal of heavy metals from the mine deposit using electrokinetic processes, the effects of operation under both constant current and constant potential conditions were estimated. The results of soil pH distributions for DDW-20 V and DDW-100 ㎃ cases after the electrokinetic remediation tests were observed. In the former case, soil pH was not much changed and kept to almost constant value just little higher than initial soil pH of 3.52, except near the cathode, which was about pH 5. While in the latter case, soil pHs of anode and the cathode regions were less than pH 3 and about 6, respectively. The electroosmotic flow to the cathode increased rapidly till 10 hrs and decreased steadily and then maintained to constant rate until the end of operation at constant current condition. Electric potential gradient was continuously increased to as much as 34.375 V/cm. At the steady state, values of the apparent electric conductivity for DDW-20 V and DDW-100 ㎃ were around 40 ㎲/㎝ and 30 ㎲/㎝, respectively. In the DDW-100㎃ test, Cu, Cd, and Zn except Pb showed the tendency of moving toward the cathode. While in the DDW-20 V case, it was observed that Cu, Zn, and Pb except Cd were not moved to any directions. The results of the tests demonstrated that the electrokinetic soil remediation process could be operated better under constant current condition than constant electric potential condition.

Three kinds of toxic heavy metals, such as lead, copper, and cadmium, existing abundantly in contaminated soils were selected to investigate pH change, electroosmotic flow, and the removal rate in the application of electrokinetic process. In the change of pHs, they reached to about 12 and 2 at each cathodic and anodic region, respectively, and maintained for reaction being proceeded. Electroosmotic flow rates were not influenced by the kind of metal species but by electropotential gradient. On the soils contaminated by each metal, the removal rate of Cd was the fastest among three as in the order of Cd>Pb>Cu. While on the soils contaminated by mixed metal species, Cu was the fastest. Metal species transported by electrokinetic processes were distributed in between 0.9 and 1.0 of normalized region. In the case of soils contaminated by one kind of metal. the relative concentrations of Pb and Cd estimated in between normalized region 0.9 and 1.0 were 5.2 and 5.7, respectively.

Electrokinetic remediation technique offers the opportunity to extract heavy metals from soils with high plasticity. The experiment demonstrated the applicability of electrokinetic remediation on metal-mining deposit and the decision of the enhancement method for four kinds of bench-scale studies. According to the sequential extraction of heavy metals in the "I" mining deposit, Pb and Cu were mostly associated with residual fraction and Zn and Cd were associated with water soluble and residual fraction. Therefore, removable fractions by electrokinetic technology was determined by the sum of the fraction of water soluble and exchangeable, which is Cu : 19.53 %, Pb : 1.42 %, Cd : 52.82 %, Zn : 57.28 %, respectively. When considering electrical potential, volume of effluent, soil pH, and eliminated rate of contaminant, results determined by sum of each weight were Citric aic+SDS (13) > 0.1N HNO3 (10) > HAc (8) > DDW (4). Therefore, citric acid and SDS mixed solution was determined the best enhancing agent for the remediation of metal mining deposit.