Abstract
Adsorption onto the surfaces of solid particles is a well known phenomenon that causes the retardation effect of heavy metals in soils. For adequate remediation of soil and groundwater contamination, it is important to investigate the mobility of heavy metals that largely depends on pH conditions in the soil water since adsorption of heavy metals is pH-dependent. In this study, we investigated the transport of Zn ion under various pH conditions in a sandy soil by conducting batch and column tests. The batch test was performed using the standard procedure of equilibrating fine fractions collected from the soil with eleven different initial $ZnCl_2$ concentrations, and analysis of Zn ion in the equilibrated solutions using ICP-AES. The column test consisted of monitoring the concentrations of soil solutions exiting the soil column with time known as a breakthrough curve (BTC). We injected respectively $ZnCl_2$ and KCl solutions with the concentration of 10 g/L as a tracer in a square pulse type under three different pH conditions (7.7, 5.8, 4.1) and monitored the flux concentration at the exit boundary using an EC meter and ICP-AES. The resident concentration was also monitored at the 10cm-depth by Time Domain Reflectometry (TDR). The results of batch test showed that ion exchange process between Zn and other cations (Ca, Mg) was predominant. The retardation coefficients obtained from adsorption isotherms (Linear, Freundlich, Langmuir) resulted in the various values ranging from 1.2 to 614.1. No retardation effect but ion exchange was found for the BTCs under all pH conditions. This can be explained by the absence of other cations to desorb Zn ion from soil exchange sites under the conditions of ETC experiment imposing blank water as leachate in steady-state flow. As pH decreased, the peak concentration of Zn increased due to the competition of Zn with hydrogen ions ($H^+$) and the concentrations of other cations decreased. The peak concentration of Zn was increased by 12.7 times as pH decreased from 7.7 to 4.1.
중금속은 토양 내에서 비보존성 화학물질로 작용하므로 흡착에 의해 지연효과가 발생할 수 있고 흡착은 pH에 영향을 받는다고 보고된 바 있다. 그러므로 토양 및 지하수 오염을 예방하고 복구하기 위해서는 다양한 pH조건에서 중금속의 이동형태를 파악하는 것이 중요한 연구과제가 된다. 본 연구에서는 사질토양에서 pH에 따른 중금속의 이동특성을 연구하기 위하여 배치실험과 주상실험올 수행하였다. 배치실험의 경우 초기농도별로 11가지의 $ZnCl_2$ 40 mL 용액과 사질토양 10g을 교반기에서 72시간 반응시켜 평형상태에 도달하게 한 후 용액을 채취하여 Zn, Ca, Mg의 세 가지 양이온을 ICP-AES로 분석하였다. 주상실험은 3가지 pH조건 (7.7, 5.8, 4.1)에서 10 g/L의 KCl과 $ZnCl_2$를 추적자로 사용하여 순간주입 (pulse injection) 형태로 토양시료 상부에 투입한 후 Time Domain Reflectometry (TDR)를 사용하여 10 cm 깊이에서 잔존수농도를, EC-meter와 ICP분석을 통하여 20 cm 깊이의 하부 경계면에서 침출수농도를 분석하였다. 배치실험 결과, Zn은 Ca, Mg와 이온교환의 형태로 흡착이 발생하였고 등온 흡착방정식의 각 모델 (Linear, Freundlich, Langmuir)별로 최저 1.2에서 최고 614.1의 지연계수를 나타냈다. 주상실험에서도 모든 pH조건에서 Zn이온이 이온교환을 하여 흡착이 발생하였으나, 잔존수와 침출수 형태의 파과곡선 모두에서 Zn이용의 첨두농도 도달시간이 K이온과 일치하여 지연효과는 발생하지 않은 것으로 나타났다. 이는 정상류 상태로 부과한 낮은 배경농도의 용탈수내에 Zn보다 강한 이온교환능을 가지는 원소가 존재하지 않아 Zn의 탈착이 발생하지 않았기 때문이다. pH가 낮을수록 Zn는 용액내 수소이온 ($H^+$)의 증가로 치환능이 감소하여 첨두농도가 높게 나타났고, 상대적으로 치환되는 Ca, Mg의 양은 줄어들었다. 따라서 본 연구에 적용된 배치실험과 주상실험의 조건하에서는 Zn이온이 이온교환반응에 의한 흡착이 발생하였으나 지연효과는 발생하지 않았고 가장 낮은 pH에서 첨두농도가 최고 12.7배까지 증가하였다.