Natural concrntrations of heavy metals in soil deposits are not high; however, shtdies have indicated that many areas near urban complexes, metalliferous mines or major roads display abnermally high concentrations of these elements. Soil contaminationwith lead, which may result from its use in petrol, paints, batteries, and pesticide,smelting of metals and ruining, aad disposal of lead-acid storage batteries, has beendocumented at concentrations that may go up to 10％ to 20％ by weight. Compared to of her hazardous species, lead is shown to be the most firequently identified species inhazardous waste sites.
A variety of options may exist to select a cleanup remedy at a site, however the efficiency costs of these options may vary widely. Most of the existing remediation technologies are limited to soils with big]h hydraulic conductivities and are not eHectivein removing heavy metals adsorbed on soil particles, particularly fine-gained deposits.There exists a need to introduce cost-effective, innovative, and freferably in-situremediation technologies.
Electrokinetic soil processing is a new, innovative, and cost-effective remediation technology that employs conduction phenomena under electric currents far transport,extraction, and separation. A low level direct electric current (or electric potentialdiffsrence) is applied across contaminated soil depesits tlwough inert electrodes placedin holes or trenches in the soil filed with precessing fluids. The afplied electric current leads to electrolysis reactions at the elecodes generating an acidic medium at the anode and an alkaline medium at the cathode. The electric Held across thecontaminated seil mass leads to transport of hydrogen ion from the anode to cathodeand the hydroxyl ion fi-om the cathode to the anode. The hydrogen ion transport isgreater thn the base transport due to high ionic mobility of $H^+$ which is furtherenhanced with the electroosmotic flow. The soil mass is thus acidified. Thisacidification facilitates desorption and dissolution of heavy metals in the soil pore fluid.Charged species present in the soil pore fluid or desorped fiom the soil surftce areDunsported under electric fieldg towards the electrodes 4epending on their electriccharge. The driving meehanisms fur species fraasfort are ion migration by electricalgradients, pore fluid advection by prevailing electroosmotic flow, pore fluid flow dueto any extemally applied or internally generated by(kaulic potential diflsrencei anddiffusion due to generated chemical gradients. As a result, cations are accumulated atthe cathode and anions at the anode, while there is a continuous transfer of hydrogenand hydroxyl ions across the medium. Verious la-scale studies on the feasibility of the process have shewn that heavy metals and other cationic species can be removed from soil specifically when Frocess enhancement techniques are, such as electrolyte conditioning, are elnployed. The demenstated faasibility of the process prompted the need to formalize multispecies transport under an electric field.
Many lab-scale tests are conducted in order to investigate the effect of up-scalingbench-scale tests and to demonstrate the feasibility and cost efficiency of eletrokinetic soil remediatien. The tests are conducted on kaolinite samples spiked with lead nitrate solution in water and phenanthrene in acetone. The samples are consolidated at the wet of optimum to achieve a high degee of satIKation. Inert gaphite eleetrodes are used in both anode and cathode compartments. The physicochemical changes in the soil aremeasured during processing such as voltage drop, volume of effluent, soil pH,electrolyte pH, water content and pollutant concentration. A constant current density of 0-0.4 mA/㎠ is applied across the soil.
In this study, electrolytes were circulated externally from the cathode compartment to the anode comparhnents to control electrolyte pH in order to simulfaneougly prevent excess OH from a decrease in electHrosmotic flow and excess Of from an increase of heavy metal precipitation. It was shown experimentally that changing of the electrolyte pH by such a circulation system affects the pore fluid composition in the clay andincreases both the viable remediatien period and removal efficiency of heavy metals. This is because the relatively slow decrease rate of the soil pH with a ciculation system decreases the rate of the zeta potential of soil particles and also that of the electro-osmotic flow. Supply of a comparatively clean, OH-rich solution, free from Pb(Ⅱ) contamination, ey external circulation from the cathode to the anode comparhnent is possible because a significant amount of the removed Pb(Ⅱ) was electroplated onto the cathode and the Pb(Ⅱ) concentration in the flow from the cathode to the anode compartment was under 0.1 mg/L. As a reguIL significant return of Pb(Ⅱ) to the clay in the anode comparonent did not occur. The additional advantage of acirculation process is that there is no need to treat the wastewater because there is no effluent from the cathode ccomparment and the electrolyte volume required to substantive electrolytic reaction was sufncient fur the whole electrokinetic remediation process. In the case of phenanthrene removal using surfactan L the removal efficiency of phenanthrene significantly depended on the electrokinetic flow and tilers was no relations between phenanthrene solubility and electrokinetic removal efficiency.
자연상태에서의 중금속 오염은 심하지 않은 편이지만, 도시지역 광산 주요 도로들의 주변에서는 비정상적으로 높은 토양오염을 보여준다. 특히 납으로 오염된 토양의 경우에는 석유, 페인트, 베터리, 농약, 채광, 불법매립등에 의해서 토양 무게당 최고 10-20% 까지 높은 오염도가 보고 되었다. 다른 오염 중금속들과 비교하면, 납은 가장 자주 발견되는 오염원이다. 이러한 오염토양을 정화하기 위한 방법으로는 여러가지가 존재하며, 그 효율성이나 처리비용 또한 다양하다. 그러나 점토와 같이 투수계수가 낮은 토양의 경우에는 그 처리 효율이 매우 낮은 실정이다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 경제적이고, 개혁적이며, in-situ 적용이 가능한 기술이 요구되었다.
동전기 정화 기술은 이러한 요구를 만족시키는 새롭게 개혁적이며, 경제적인 기술로 평가되고 있다. 이 기술은 토양에 전기장을 걸어서 물질의 이동, 추출, 분리를 유도한다. 오염토양 주변에 구멍을 뚫고 전극을 삽입한 후 전해질을 채운다. 이후, 이전극에 낮은 직류전류(혹은 전압)를 걸어주면, 전극주위에서는 전해질의 전기분해 반응에 의해서 양극에서는 수소이온이, 음극에서는 수산화 이온이 생성된다. 이렇게 생성된 수소와 수산화이온은 전기장에 수소이온은 음극으로 수산화 이온은 양극으로 이동을 한다. 이때 수소 이온의 높은 이동 속도로 인하여 electroosmotic flow가 유포되며, 또한 토양은 점점 산성화 되어진다. 이러한 산성화는 토양에 흡착되어 있는 중금속의 탈착을 유도하여 공극수 내의 중금속 농도를 높이게 된다. 이때 공극수로 용해된 중금속 이온은 electroosmotic flow에 의하여 음극으로 이동하게 된다. 이때 관여하는 주요 이동 기작은 전기장에 의한 이온이동(ion migration), electroosmotic flow 에 의한 advection, 수력학적 경사에 의한 흐름, 농도차에 의한 확산으로 나눌수 있다. 그 결과 양이온들은 음극으로 이동하고 음이온들은 양극으로 이동한다. 그러나 양극에서 생성된 수소이은이 토양내로 과다하게 유입될 경우 토양입자의 zeta-potential 을 낮추게 되어 토양입자간의 반발력을 증가시키며, 이로 인하여 electroosmotic flow가 감소하게 된다. 또한 음극에서 생성된 수산화 이온이 토양내로 과다하게유입될 경우 중금속과 수산화 이온이 만나서 침전을 일으키게된다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 세계 각국의 연구 그룹에서 많은 시도를 하였지만, 그 근본적인 해결책을 제시하지는못하였다.
본 연구에서는 경남 산청에서 구입한 점토 토양을 납과 phenanthrene으로 각각 오염시켜 in-situ토양 정화를 시도하였다. 각각 오염된 토양은 압밀을 통하여 토양 상태와 유사한 환경을조성하였다. 전극은 side effect를 최소화 하기 위하여 탄소 전극을 사용 하였으며, 토양의 물리화학적 성질을 실험기간을 통하여 관찰하였다. (예, 전압, electroosmotic flow, 토양 pH, 전해질pH, 함수율, 오염물 농도)
납의 제거에 있어서는 수소이온에 의한 electroounotic flow의 감소와 수산화 이온에 의한 중금속 침전등의 피해를 줄이기 위하여 순환공정이 도입되었다. 이 방법은 음극에서 생성된 수산화이온을 펌프에 의하여 양극으로 이동시키고, 양극에서 생성된 수소이은은 수력학적 경사에 의하여 자동으로 음극으로 이동하게 하여 양극과 음극의 전해질 pH를 조절하고자 하였다. 이러한 순환공정에 의한 전해질의 pH 조절은 토양내의 토양 pH와 공극수의 pH에 영향을 주어서 조업기간의 증가와 오염물 제거율의 중가를 보였다. 이것은 순환공정에 의하여 토양의 pH를 느리게 감소시킬 수 있었기 때문이다. 또한 순환공정에 의하여 음극에서 토양을 빠져나온 중금속 이온은 양극으로 이동하지 않았으며, 대부분의 중금속 이온들은 음극 전극 표면에 전착(electrodeposition) 되는 것으로 나타났다. 또한 이 순환공정은일반적은 동전기 정화 기술과 달리 폐수의 발생이 전혀 없으며, 로 인하여 조업중 전해질의 사용량이 크게 감소하였다.
Phenanthrene 제거에 있어서는 계면활성제가 사용되었다. 본 연구결과에서는 유기 오염물을 동전기 정화기술을 이용하여 제거할 경우에는 각각의 계면활성제가 가지는 유기 오염물의 용해도는 제거 효율에 아무런 영향을 미치지 못하였으며, 오히려 electroosmotic flow 를 증가 시키는 것이 제거 효율을 높이는데 중요한 실험변수임을 알 수 있었다.
