사격장 부지 내 monopotassium phosphate에 의한 TNT 흡착증가가 광분해에 미치는 영향

Abstract

국내 사격장에서의 화약류 및 중금속의 오염이 국방부/환경부 국정감사에서 논의될 정도로 사회적 이슈가 되고 있다. 사격장에서의 대표적인 화약류는 TNT, RDX 등이 있는데, 그 중 TNT는 잠재적인 환경독성을 지니고, 발암성 및 돌연변이 유발물질로서 심각한 위해성을 가지고 있는 것으로 알려져 있다. 또한, 지속적인 군사훈련으로 인해 발생되는 불발탄으로부터 새어나와 사격장 부근 수계로 이동, 인체에 접촉할 수 있기 때문에 TNT의 이동 및 확산을 방지하는 처리가 요구된다. Potassium (K+)의 처리는 오염물질의 흡착을 증진시킬 뿐만 아니라 난분해성 물질을 생산하기 때문에, 이는 사격장에 존재하는 TNT가 분해될 수 있는 태양에 의한 광분해에 영향을 미칠 수 있다고 생각된다. 따라서 본 연구에서는 현장특성(태양광, 토양 내 철산화물, lime 처리)에 의한 분해효율 비교 및 기작을 연구하고, 사격장 부지 내 K+ 처리에 의한 TNT 흡착증가가 광분해에 미치는 영향에 대해서 검증․해석하였다. 본 연구에서 선정한 현장특성 분해인자는 태양광, 토양 내 철산화물, lime이며 TNT에 대한 분해실험을 수행하였다. 태양광을 모사한 광분해 실험은 자외선램프를 사용하여 진행하였다. 그 결과, 유사일차반응에 의해 예측된 물에서의 TNT 분해속도는 수분이 존재하지 않는 토양에서의 분해속도보다 약 1,000배 정도 빠른 경향을 보였으며, 빛의 세기가 강할수록 분해가 발생하는 phase에 관계없이 분해속도가 빨라졌다. 또한, 토양 내의 수분함량을 증가시켰을 경우 수분이 존재하지 않는 토양보다 약 7～20배 정도 분해가 빨리 일어났다. 이러한 결과를 통해 TNT의 흡착 또는 토양입자의 간섭에 의해 TNT의 분해가 저해되었으며, 물이 존재하는 경우 이러한 저해요인의 영향이 감소하기 때문에 분해효율이 높아지는 것으로 사료된다. Water holding capacity만큼의 물이 존재하는 토양에서의 철산화물에 의한 오염물질 환원여부를 알아보기 위한 분해실험을 진행하였다. 현장 토양 내 철산화물은 Citrate Bicarbonate Dithionite (CBD) method를 참고하여 제거하였다. 그 결과, 철산화물이 제거된 토양에서의 분해속도는 현장 토양에서의 분해속도보다 약 3배 느린 경향을 보였으며, 철산화물의 종류(Magnetite, Ferrihydrite, Goethite)에 의해서도 3～8배의 속도차이가 나는 것을 확인할 수 있었다. K+에 의한 TNT의 흡착증가가 광분해효율에 미치는 영향을 알아보기 위해 을 K+ 처리한 토양에 대해 분해실험을 진행하였다. 많은 양의 K+를 토양에 주입하였을 경우 TNT는 2～10배 더 많이 토양에 잔류하는 것으로 나타났으며 분해속도는 약 4배정도 느려졌다. 이는 K+ 에 의해 TNT가 강하게 흡착되어 난분해성 오염물질의 성질의 띄거나 토양에서 물로 용해되는 비율이 줄어 전체적인 분해효율이 떨어진다고 사료된다. 추가적으로 K+ 처리가 철산화물과 lime에 의한 분해에 미치는 영향을 알아본 결과, 3～6배 분해가 저해되는 현상을 보였다. 따라서 K+ 처리로 인해 TNT는 토양 내 이용가능하지 (non-available fraction) 않게 되어, 철산화물에 의한 환원 또는 lime에 의한 염기성 가수분해와 같은 다양한 기작에 의해 쉽게 분해되지 않는다고 생각된다.

Energetic compounds such as 2,4,6-Trinitrotoluene (TNT) are major contaminants in military firing ranges. They need to be taken care of not only because they are soil pollutants posing risk to human beings but also because they are released into the surrounding environment exhibiting adverse impact to ecosystem. K+ application could produce persistent contaminants as well as control mobility of TNT and it can affect to TNT photolysis by sunlight. In this study, degradation mechanism and mechanism were studied by site specific characteristics (sunlight, soil iron oxide, lime treatment). and TNT sorption enhancement by K+ application. The combined effect of sunlight (i.e, UV) and soil water on TNT degradation was investigated. In aqueous solution, complete TNT degradation was achieved within less than 1 day, and the degradation rate increased with increasing UV intensity

9.5×10-5, 3.91×10-3, and 1.94×10-2 min-1 at 0.12, 1.2, and 4.2 mW cm-2, respectively. In air-dried soil, however, degradation of soil-sorbed TNT was negligible at 0.12 and 1.2 mW cm-2 and about 20% degradation was observed at 4.2 mW cm-2 for 5.5 days. Comparing to the degradation rate of 1.94×10-2 min-1 at 4.2 mW cm-2 in aqueous phase, TNT degradation rate in soil (i.e., 2.38×10-5 min-1) was about 1,000 times slower. Interestingly, TNT degradation in soil was enhanced with the addition of water. In the soil samples which received water after 5.5 d of experiment to maintain the ratio of soil to water at 1:0.5 (w/v) and 1:1, TNT degradation increased to 53 and 87%, respectively during the four more days of photodegradation at 4.2 mW cm-2. For the same period, the soil samples that water was not added showed only an additional 10% TNT degradation. The results indicate that TNT photodegradation was interference with TNT sorption and soil particles. The sorption enhancement effect of K+ application was investigated. In K+ applied soil, TNT remained 2～10 times more than no K+ soil and photodegradation rate in K+ soil was about 4 times slower. The results indicate that K+ application could produce persistent contaminants as well as control mobility of TNT and it can affect to TNT photolysis by sunlight.