충북 괴산 덕평리 일대 흑색셰일 및 흑색점판암기원 토양의 점토광물 조성 및 중금속원소의 분산

전철민,문희수,최선경,우남칠,Chon, Chul-Min,Moon, Hi-Soo,Choi, Sun Kyung,Woo, Nam Chil 대한자원환경지질학회 1997 자원환경지질 Vol.30 No.6

Concentrations of several heavy metals in soils derived from black shale and slate have been reported to be higher than the average concentrations in non-polluted soils. This study describes and characterizes soil minerals, and investigates the distribution of heavy metals in soils, and then examines their relationship. Soils in the study area are mainly consist of guartz and feldspars with minor amount of kaolin, illite, vermiculite, chlorite and illite-vermiculite interstratified minerals. Mineral compositions are similar in mountain-, farmland-, and paddy-soils. The residual soils derived from sandy phyllites contain less illites than those from black shale and black slate. Heavy metals appear to be more concentrated in soils than in rocks. The concentrate ratios in soils to rocks ranges 1.1 times for Cr, 2 for Cu, 1.4 for Ni. The contour maps of Cd, Zn, Pb, Cu contents using 0.43N $HNO_3$-extraction imply that these elements are highly concentrated in the soils near the past uranium exploration region, coal seams, black slate beds and tailings than other parts of the study area. The proportions of the day in most soils are less than 10%. In spite of small proportions of the clay, the concentrations of heavy metals from clay fractions to the total concentrations are high: 1~2.4 times for Co, 1.4~2.5 for Cu, 1.2~2.6 for Ni, 1~5 for Pb, 1~2.7 for Zn and 1.6~1.8 for Cr and V. The contents of organic carbons in clay fractions are also 1.5~3.9 times higher than in silt and sand fractions. Cu, Pb and organic carbons show positive relationship in all size fractions. In the size-fractionated soil profile samples, the contents of heavy metals and organic carbons show analogous trends with depth. For the clay fractions of soil profile samples, the contents of heavy metals with depth have analogous trends to abundances of vermiculites, which have the high CEC in main clay minerals.

중금속 오염 토양 정화를 위한 습식자력선별법 사용 시 최적 토양분산 조건

전철민,박정식,박숙현,김재곤,남인현,Chon, Chul-Min,Park, Jeong-Sik,Park, Sook-Hyun,Kim, Jae-Gon,Nam, In-Hyun 대한자원환경지질학회 2012 자원환경지질 Vol.45 No.2

본 연구에서는 자력선별 토양정화기술 공정에 적합한 토양의 최적 분산 조건을 도출하기 위하여 토성이 다른 중금속 오염토양 2종의 시료(US, JIK)를 대상으로 분산특성 및 중금속 용출 특성을 파악하였다. 분산제로는 인산염(pyrophosphate, hexametaphosphate, orthophosphate), 계면활성제(sodium dodecyl sulfate, SDS)가 사용되었으며, pH = 9~12와 농도변화(1~200 mM)에 따른 토양입단의 분산특성 및 중금속 함량을 파악하고, 효율적인 분산조건을 도출하였다. 분산용액의 pH변화에 따른 토양분산 특성은 입도변화 결과를 통하여 파악할 수 있는데, 분산용액의 pH가 12에 가까워질수록 현탁액의 점토함량이 증가하였다. 이는 pH가 상승함에 따라 PZC(point of zero charge)이상의 pH가 유지되면서 점토입자들이 분산된 상태로 유지된 것으로 여겨진다. 농도변화에 따른 토양분산 실험 결과, 농도가 증가함에 따라서 높은 점토함량을 나타내었는데, 이는 산화철, 산화망간의 PZC보다 높은 분산용액의 pH조건과 분산제의 흡착에 기인한 것으로 판단된다. 토양입자의 분산에 따른 중금속 용출은 pyrophosphate, hexametaphosphate, orthophosphate는 50 mM 이상의 농도에서, SDS의 경우 100 mM이상의 농도에서 비소 용출량이 일정하게 나타났다. 또한, 분산용액의 pH가 증가함에 따라 비소 용출량도 증가하였다. 인산염은 비소와 유사한 화학구조를 지니고 있어 토양입자표면에서 흡착경쟁을 하여 비소의 탈착을 유발하고, 계면활성제는 토양입자표면에 흡착하여 비소가 탈착되는 것으로 파악된다. 분산용액에 따른 분산효과는 pyrophosphate > hexametaphosphate > SDS > orthophosphate의 순으로 나타났다. 결과적으로 분산효율 및 비소용출량을 고려한 최적의 토양분산용액 조건은 pH 11, 10 mM pyrophosphate로 판단된다. 이러한 결과들은 고구배 자력선별 기술을 이용한 토양정화 공정을 최적화하는데 활용될 수 있을 것으로 기대된다. Soil dispersion and heavy metal leaching with two heavy metal-contaminated soils were studied to derive the optimal dispersion condition in the course of developing the remedial technology using magnetic separation. The dispersion solutions of pyrophosphate, hexametaphosphate, orthophosphate and sodium dodecylsulfate (SDS) at 1 - 200 mM and the pH of solutions was adjusted to be 9 - 12 with NaOH. The clay content of suspension as an indicator of dispersion rate and the heavy metal concentration of the solution were tested at the different pHs and concentrations of the dispersion solution during the experiment. The dispersion rate increased with increasing the pH and dispersion agent concentration of the solution. The dispersion efficiency of the agents showed as follows: pyrophosphate > hexametaphosphate > SDS > orthophosphate. Arsenic leaching was sharply increased at 50 mM of phosphates and 100 mM of SDS. The adsorption of $OH^-$, phosphates and dodecysulfate on the surface of Fe- and Mn-oxides and soil organic matter and the broken edge of clay mineral might decrease the surface charge and might increase the repulsion force among soil particles. The competition between arsenic and $OH^-$, phosphates and dodecylsulfate for the adsorption site of soil particles might induce the arsenic leaching. The dispersion and heavy metal leaching data indicate that pH 11 and 10 mM pyrophosphate is the optimum dispersion solution for maximizing dispersion and minimizing heavy metal leaching.

대전 산업단지 지하수의 6가 크롬 오염 및 확산 평가

전철민,문상호,안주성,김영식,원종호,안경환,Chon, Chul-Min,Moon, Sang-Ho,Ahn, Joo-Sung,Kim, Yung-Sik,Won, Jong-Ho,Ahn, Kyoung-Hwan 대한자원환경지질학회 2007 자원환경지질 Vol.40 No.4

본 연구의 목적은 대전 산업단지 폐수종말처리장 내 국가지하수관측망(대전, 문평)의 6가 크롬 오염지하수의 오염 현황을 파악하고 그 확산 여부를 평가하는 것이다. 대전(문평) 관측소에서 나타나는 6가 크롬($Cr^{+6}$) 수질장해의 원인을 규명하고 6가 크롬의 오염 범위를 파악하기 위해 금번 연구에서는 보조 관측정을 설치 활용하였다. 수질분석 결과, 6가 크롬이 $3.2{\sim}4.5mg/L$ 정도 검출됨으로써 6가 크롬에 의한 관측소 충적공의 수질오염은 지속되고 있음이 파악되었다. 그러나 관측소의 암반관정 및 0.05mg/L 수질기준 이하의 농도를 보이는 MPH-1과 3번 관측공을 제외한 주변 관측공에서는 검출되지 않았다. 따라서 6가 크롬 및 총 크롬 함량의 오염 범위는 관측소 충적층 관정 인근에 한정되어 나타나고 있는 것으로 파악되었다. 또한 신규 5개 보조 관측정에서 채취한 77개의 시추 코어 및 슬라임 시료 모두에서 수용성/교환성 6가 크롬이 검출 한계(0.01mg/L) 이하로 나타나, 오염이 관측된 관측소 관정 주변의 토양 및 풍화토에서는 직접적으로 6가 크롬의 오염원이 확인되지 않았다. 지하수 수질분석 및 코어시료 분석 결과, 그 오염원의 중심 및 오염 확산 범위는 관측소 주위 반경 100m 이내로 매우 한정되는 것으로 판단되며 그 확산의 범위가 매우 좁을 것으로 예상된다. 시추조사 결과, 폐수종말처리장 부지조성 당시의 불량 매립층이 확인되었으며, 이러한 불량 매립산업폐기물이 관측소 인근의 6가 크롬 수질장해 원인으로 추론된다. 지표매질의 6가 크롬 자연저감능 평가를 위해 초기 농도 5mg/L Cr(VI)을 이용한 6가 크롬 유효 환원능을 분석하였다. 그 결과, 암회색 점토층에서 각각 58%, 66%, 64% 정도의 높은 6가 크롬 저감율을 보였으며, 이는 유기물 함량과 상호 관련이 있을 것으로 판단되었다. 비포화대/충적층 매질에 대한 6가 크롬 함량 및 자연저감 능력의 정량적 평가 결과, 매질에 의한 6가 크롬의 자연 저감능이 확인되었으며 관정 주변으로의 오염 확산은 충분히 제어되고 있는 것으로 판단된다. 그러나 시추 관측정 및 기설 관정의 수가 부족했기 때문에 매우 제한적인 선택적 유동(preferential flow) 경로에 의한 확산 가능성을 완전히 배제할 수 없다. 정기적인 양수작업을 통하여 지하수에 부화된 6가 크롬의 농도를 지속적으로 제거하고 관측소 주변에 설치된 보조 관측정들을 지속적으로 활용하여 6가 크롬의 농도 변화 추이 및 시간의 흐름에 따른 오염 확산 여부를 지속적으로 관측하고 감시하는 방안이 필요할 것으로 판단된다. The objective of this research was to characterize the fate and transport of Cr(VI) contaminated groundwater in the Daejeon industrial area. Five subsidiary monitoring wells were newly installed and two existing wells were utilized for the investigation and the reduction process of Cr(VI) contaminated groundwater of the Daejeon(Mun-pyeong) national groundwater monitoring station. The Cr(VI) concentrations at the shallow aquifer well of the station were in the range of 3.2-4.5 mg/L indicating continuous contamination. However, Cr was not detected at the deep bedrock well and the other monitoring wells except MPH-1 and 3. The Cr(VI) concentrations of MPH-1 and MPH-3 were below the drinking water guideline value (0.05 mg/L). Therefore, the plume of the Cr(VI) contaminated groundwater was predicted to be confined within the narrow boundary around the station. The soluble/exchangeable Cr(VI) concentrations were below the detection limit in all core and slime samples taken from the five newly installed wells. Although the exact source of contamination was not directly detected in the study area, the spatial Cr(VI) distribution in groundwater and characteristics of the core samples indicated that the source and the dispersion range were confined within the 100 m area from the monitoring station. The contamination might be induced from the unlined landfill of industrial wastes which was observed during the installation of an subsidiary monitoring well. For the evaluation of the natural attenuation of Cr(VI), available reduction capacities of Cr(VI) with an initial concentration of 5 mg/L were measured in soil and aquifer materials. Dark-gray clay layer samples have high capacities of Cr(VI) reduction ranging from 58 to 64%, which is obviously related to organic carbon contents of the samples. The analysis of reduction capacities implied that the soil and aquifer materials controlled the dispersion of Cr(VI) contamination in this area. However, some possibilities of dispersion by the preferential flow cannot be excluded due to the limited numbers of monitoring wells. We suggest the removal of Cr(VI) contaminated groundwater by periodical pumping, and the continuous groundwater quality monitoring for evaluation of the Cr(VI) dispersion should be followed in the study area.

6가 크롬 오염 지하수 수질의 계절변화와 자연저감 가능성

전철민,안주성,노열,이성근,서현희,김구영,고동찬,손영철,김지욱,Chon, Chul-Min,Ahn, Joo-Sung,Roh, Yul,Rhee, Sung-Keun,Seo, Hyun-Hee,Kim, Gue-Young,Koh, Dong-Chan,Son, Young-Chul,Kim, Ji-Wook 대한자원환경지질학회 2008 자원환경지질 Vol.41 No.6

The Cr(VI) concentrations at the shallow aquifer well (MPH-0-1) of the Moonpyung groundwater monitoring station were in the range of 0.5 to 3.1 mg/L exceeding 10 to 62 times the guideline for drinking-water quality, indicating continuous contamination. However, Cr was not detected at the deep bedrock well and the other subsidiary monitoring wells except for MPH-1 and 6. Cross-correlation analyses were conducted for rainfall and groundwater level time series, resulting in the mean time of recharge after precipitation events to be 5.6 days. For rainy season, the water level was raised and the Cr(VI) concentration was several times lower than that during dry season at well MPH-0-1 well. Correlation of the Cr(VI) concentration with the groundwater-level showed that the Cr(VI) reduction was closely related with the groundwater-level rise in the well. However, the groundwater level rise during high water season induced the lateral migration of the Cr(VI)-contaminated groundwater at well MPH-4. We enriched and isolated a chromium reducing bacteria, Enterobacter aerogenes, from the Cr(VI)-contaminated groundwater in the wells MPH-0-1 and MPH-1. The bacteria may play an important role for immobilizing Cr(VI) in the Cr(VI)-contaminated groundwater. Therefore, the migration of the contaminant (Cr(VI) must has been restricted because of the natural attenuation by microbial reduction of Cr(VI) in the groundwater. This research suggests that the bioremediation of the Cr(VI)-contaminated groundwater by the indigenous bacteria may be feasible in the Cr(VI) contaminated groundwater. 국가 지하수 관측망인 대전(문평)관측소 및 주변 보조관측정 지하수 수질을 6개월간 관측한 결과, 관측소 충적관정(MPH-0-1)에서 6가 크롬이 0.5-3.1 mg/L의 범위로 검출되어 수질기준의 10-62배를 초과하는 오염이 지속되고 있었다. 또한 하천 방향에 위치한 두 관정(MPH-1과 MPH-6)에서 6가 크롬이 0.1 mg/L 이하로 검출되어 미세한 오염 확산의 징후가 나타났다. 동일기간 지하수 수위 및 강우 관측자료의 시계열분석 결과 6개 관측정에서의 지하수위는 강우에 대하여 평균 5.65일 후에 최대값을 보였다. 시기별 강우/수위 변화와 6가 크롬 농도의 변화를 통하여 강우 반응에 의한 수위상승이 관측소 충적관정의 6가 크롬 농도 감소와 밀접한 관련이 있는 것으로 파악되었다. 이와 더불어 지하수 내 미생물의 종류 및 다양성을 분석하였으며, 6가 크롬으로 오염된 대전문평지역 지하수(MPH-0-1과 MPH-1 관정)에서 크롬환원 미생물인 Enterobacter aerogenes을 분리 배양하였다. 따라서 유기물, 광물 등의 토양 및 대수층 매질에 의한 6가 크롬 저감뿐만 아니라 이 토착미생물에 의한 크롬 오염 지하수의 자연저감이 실제 진행되고 있음을 확인할 수 있었다. 향후 이 미생물의 활성에 대한 심도 있는 연구를 통하여, 크롬오염 지하수의 저감 및 정화 기술의 개발과 적용에 활용할 수 있을 것으로 기대한다.

비정질 실리카 함유 인공광물혼합시료의 정량 X-선회절 분석

전철민(Chul-Min Chon),이수정(Sujeong Lee) 대한지질학회 2013 대한지질학회 학술대회 Vol.2013 No.10

정량 X-선회절분석을 이용한 황철석 함량 결정과 산성 암반 배수 발생 평가에의 응용

전철민 ( Chul Min Chon ),김재곤 ( Jae Gon Kim ),이규호 ( Gyoo Ho Lee ) 한국광물학회 2006 광물과 암석 (J.Miner.Soc.Korea) Vol.19 No.2

중금속 오염토양의 광물 조성 및 대자율 특성

전철민(Chul-Min Chon),박정식(Jeong Sik Park),김재곤(Jae Gon Kim),이윤수(Youn-Soo Lee) 한국암석학회 2010 한국암석학회 학술발표회 논문집 Vol.2010 No.5

토양의 물리화학적 특성, 중금속 함량, 대자율 간의 상호관계 연구

전철민 ( Chul Min Chon ),박정식 ( Jeong Sik Park ),김재곤 ( Jae Gon Kim ),이윤수 ( Youn Soo Lee ) 한국광물학회 2010 광물과 암석 (J.Miner.Soc.Korea) Vol.23 No.4

비오염토양, 폐광산 주변토양, 산업단지 주변토양을 채취하여 X-선 회절분석, pH, 전기전도도, 양이 온교환능력, 작열감량, 산화철·산화망간 함량, 중금속 함량 및 중금속 존재형태와 토양대자율의 상관관계를 파악하였다. 시료의 X-선회절분석 정량분석결과 비오염지역 토양에서는 모암에 따라 다양한 광물이 분포하고 있지만, 적철석과 자철석은 거의 관찰되지 않았다. 폐광산 주변토양은 폐광석, 광물찌꺼기 등의 영향으로 적철석이 많이 확인되었고, 일부 시료에서는 자철석도 존재하였다. 산업단지 주변시료에서는 방해석과 철백운석 등의 탄산염 광물들이 대부분의 시료에서 확인되었다. 중금속의 존재형태를 파악하기 위한 연속추출 실험 결과, 폐광산 주변지역 토양시료에서 철, 망간, 중금속 원소들은 reducible, oxidizable, residual 단계별 추출 형태로 80% 이상, 산업단지 주변시료에서는 50% 이상 존재하였다. 산업단지 주변시료의 경우, 탄산염 광물의 영향으로 carbonate 형태가 높게 나타났다. 왕수로 추출된 철, 망간, 비소, 아연 함 량은 산화철/산화망간 형태를 지시하는 dithionite-citrate-bicarbonate (DCB) 용출 함량과 매우 밀접한 정의상관관계를 보여주었다. 철과 비소는 각각 왕수추출함량의 54%, 58%가 산화철/산화망간 형태과 함께 거동하는 것으로 나타났다. 대자율은 0.005∼2.131 × 10(-6) m3 kg-1의 범위로서, 시료 내에 적철석, 자철석 등 산화철 광물이 존재할 경우 대자율이 높게 측정되었다. 토양 내 중금속 함량과 대자율의 상관관계를 살펴본 결과 철(r = 0.608, p < 0.01), 망간(r = 0.615, p < 0.01)과 유의한 정의 상관관계를 보였으며, 카드뮴(r = 0.544, p < 0.05), 크롬(r = 0.714, p < 0.01), 니켈(r = 0.645, p < 0.05), 납(r = 0.703, p < 0.01), 아연(r = 0.496, p < 0.01) 등의 중금속 원소와도 유의한 정의 상관관계를 보였다. 철, 망간 및 중금속원소들 간의 상관관계를 살펴본 결과, 왕수로 용출된 철, 망간 함량과 카드뮴, 크롬, 구리, 니켈, 아연 등의 중금속 함량이 정의 상관관계를 보이고 있다. 또한 산화철 및 산화망간 함량은 비소 및 니켈 함량과 밀접한 상관성이 있는것으로 나타났다. 이는 비소와 니켈은 산화철, 산화망간에 흡착되어 함께 거동함을 암시한다. This paper deals with magnetic susceptibility, mineralogy, soil properties (pH, EC, CEC, loss on ignition), iron and manganese oxides, the content and partitioning of heavy metals (As, Cd, Cr, Cu, Ni, Pb, Zn), and their mutual relationship in the soil samples of an unpolluted, abandoned mine area, and industrial complex area. The various minerals derived from weathered bedrock were identified by X-ray diffraction in the unpolluted soil samples, except for the magnetic minerals. XRD analysis also revealed the existence of hematite and magnetite related to mine tailings and waste rocks in the abandoned mine area samples. The industrial complex area samples had carbonate minerals, such as calcite and dolomite, that might be due to anthropogenic deposition. The sum of the reducible, oxidizable, and residual fractions was over 80% for the abandoned mine area samples and over 50% for the industrial complex area samples using the sequential extraction method. The industrial complex area samples had a relatively high carbonate fraction that was associated with carbonate minerals. The content of aqua regia-extractable Fe, Mn, As, and Zn had a high positive correlation with the content of the dithionite-citrate-bicarbonate (DCB)-extractable method related to Fe/Mn oxide phases. The 54% and 58% of aqua regia-extractable Fe and As content, respectively, acted together with the concentrations of the DCB-extractable phases. Magnetic susceptibility values of total samples ranged from 0.005 to 2.131 × 10(-6) m3kg-1. The samples including iron oxide minerals, such as hematite and magnetite, had a high magnetic susceptibility. The magnetic susceptibility showed a significant correlation with the heavy metals, Cd (r = 0.544, p < 0.05), Cr (r = 0.714, p < 0.01), Ni (r = 0.645, p < 0.05), Pb (r = 0.703, p < 0.01), and Zn (r = 0.496, p < 0.01), as well as Fe (r = 0.608, p < 0.01) and Mn (r = 0.615, p < 0.01). The aqua regia-extractable Fe and Mn content had a significant positive correlation with Cd, Cr, Cu, Ni, and Zn. However, the DCB-extractable Fe and Mn content had a significant positive correlation with As and Ni, indicating that the heavy metals were associated with Fe and Mn oxide minerals.

크롬산화환원반응을 이용한 제주도 화산회토양 내 토양산화환원능 평가

전철민 ( Chul Min Chon ),안주성 ( Joo Sung Ahn ),김구영 ( Kue Young Kim ),박기화 ( Ki Hwa Park ) 韓國鑛物學會 2008 광물과 암석 (J.Miner.Soc.Korea) Vol.21 No.2

PONKCS 방법을 이용한 비정질 실리카 함유 인공광물혼합시료의 정량 X-선회절 분석

전철민 ( Chul Min Chon ),이수정 ( Su Jeong Lee ),이성우 ( Sung Woo Lee ) 한국광물학회 2013 광물과 암석 (J.Miner.Soc.Korea) Vol.26 No.1

X- 선회절 분석은 결정질 물질의 정량과 정성분석을 위한 가장 효과적인 분석기술이며, 따라서 회절자료를 이용한 매우 다양한 광물조성 정량분석법이 존재한다. 본 연구에서는 비정질 실리카, 석영, 뮬라이트, 강옥으로 제조한 인공광물혼합시료를 대상으로 리트벨트법과 PONKCS (partial or no know crystal structure) 방법을 적용하여 정량 x-선회절 분석을 수행하였다. 100% 비정질 실리카와 내부표준시료 첨가 시료의 회절자료를 이용하여 PONKCS 방법으로 비정질 실리카의 결정 모형을 성공적으로 구축하였다. 비정질 실리카의 경우, 원 중량 대비 치우침의 절대값 평균은 1.85 wt%였다. 비정질 실리카의 함량이 작은 경우 상대적으로 높은 치우침을 보이는데, 이는 배경 회절패턴의 강도가 낮음에 기인하는 것으로 판단된다. 그밖에 석영, 뮬라이트, 강옥의 경우, 치우침의 절대값 평균은 각각 0·53 wt%, 0.87 wt%, 0.57 wt%였다. 내부표준물질 혼합법을 적용한 전통적인 리트벨트 정량분석 결과와 비교할 때 PONKCS 방법이 비정질 실리카를 포함한 인공광물혼합시료에 대하여 신뢰도 높고 성공적인 정량 분석법임을 확인해 주었다. X-ray powder diffraction is one of the most powerful techniques for qualitative and quantitative analysis of crystalline compounds. Thus, there exist a number of different methods for quantifying mineral mixtures using X - ray diffraction pattern. We present here the use of Rietveld and PONKCS (partial or no known crystal structure) methods for quantification of amorphous and crystallized mineral phases in synthetic mixtures of standard minerals (amorphous silica, quartz, mullite and corundum). Pawley phase model of amorphous silica was successfully built from the pattern of 100wt% amorphous silica and internal standard-spiked samples by PONKCS approach. The average of absolute bias for quantities of amorphous silica was 1.85 wt%. The larger bias observed for lower quantities of amorphous silica is probably explained by low intensities of diffraction pattern. Averages of absolute bias for minerals were 0.53 wt% for quartz, 0.87 wt% for mullite and 0.57 wt% for corundum, respectively. The PONKCS approach achieved improved quantitative results compared with classical Rietveld method by using an internal standard.