토양학 레포트 - 염소계 유기화합물 처리를 위한 영가철 기반 투수성 반응벽체와 호기성 공동대사법의 원리를 비교하여

I. 서론

지하수 오염을 배울 때 가장 흥미로웠던 점은 같은 오염물질을 없애더라도 처리 방식이 전혀 다를 수 있다는 사실이었다. 염소계 유기화합물은 세척제나 용제로 널리 쓰였고 토양과 지하수에 남으면 이동하면서 오염대를 만든다. 영가철 기반 투수성 반응벽체는 지하수 흐름 길목에 반응성 철을 놓아 화학적 환원 반응을 일으킨다. 호기성 공동대사법은 미생물이 다른 먹이를 이용해 자라면서 만든 산소화효소가 염소계 물질까지 우연히 산화하는 성질을 이용한다. 한쪽은 철 표면의 전자 이동이 중심이고, 다른 쪽은 살아 있는 미생물의 효소 반응이 중심이라는 차이가 비교의 출발점이다.

II. 본론

1) 철이 전자를 내놓는 투수성 반응벽체

투수성 반응벽체는 오염된 지하수를 뽑아 지상에서 처리하는 방식과 달리 지하수의 자연 흐름을 이용한다. 오염 plume이 지나가는 방향을 가로질러 반응성 재료가 들어 있는 벽체를 설치하고, 물은 그 벽체를 통과하도록 만든다. 이름에 투수성이 붙는 이유도 물길을 완전히 막지 않기 때문이다. 반응재가 주변 지층보다 지나치게 낮은 투수성을 가지면 지하수가 옆으로 우회하므로, 오염 물질과 반응할 만큼 오래 머물면서도 흐름을 유지하도록 재료 입도와 벽체 두께를 설계해야 한다. 영가철은 현장 규모 투수성 반응벽체에서 오래 활용된 대표 반응재다.

영가철의 핵심은 철이 산화되면서 전자를 내놓는 환원제라는 점이다. 철 원자는 물과 접촉하면서 부식되고 철 이온으로 바뀌며 전자를 방출한다. 염소가 붙은 유기화합물이 철 표면에 접근하면 그 전자를 받아 환원적 탈염소 반응이 진행될 수 있다. 염소 원자가 떨어져 나가고 수소로 치환되거나, 결합 구조가 바뀌어 염소 수가 더 적은 물질과 최종 산물이 생긴다. 미국 환경보호청 자료도 영가철을 이용한 염소계 탄화수소 처리의 중심 기작을 철 부식과 전자 전달에 따른 환원적 탈할로겐화로 설명한다. 반응이 미생물 대사를 기다리지 않고 철 표면에서 일어난다는 점이 특징이다.

트리클로로에틸렌인 TCE와 테트라클로로에틸렌인 PCE처럼 염소 치환도가 높은 물질은 영가철과 반응할 수 있다. 다만 모든 염소계 유기화합물이 같은 속도로 분해되는 것은 아니다. 분자 구조와 철의 표면적, 물의 산도, 지하수에 녹아 있는 무기성분, 체류시간이 속도를 바꾼다. 철 알갱이가 작아 표면적이 넓으면 반응 자리가 많아질 수 있지만 너무 미세하면 수리학적 성질과 취급성에서 문제가 생길 수 있다. 그래서 벽체 설계에서는 화학 반응성만 볼 수 없고, 지하수가 실제로 벽체를 통과하는지까지 함께 계산해야 한다.

장기간 운전에서는 철 표면의 변화가 중요하다. 영가철이 부식되면 철의 수산화물이나 탄산염 계열 침전물이 생길 수 있고, 지하수의 칼슘과 탄산 성분도 광물 침전에 관여한다. 침전이 계속 쌓이면 철 표면의 반응 자리를 가리고 공극을 줄여 투수성을 떨어뜨릴 수 있다. 진성욱과 Gillham의 검토 논문도 영가철 투수성 반응벽체의 장기 성능에서 반응 메커니즘과 함께 광물 침전, 반응재 수명, 수리학적 성능을 중요하게 다룬다. 설치 뒤 손을 떼는 영구 장치라기보다, 시간이 지나며 반응성과 물길이 어떻게 달라지는지를 관찰해야 하는 지중 처리 시설에 가깝다.