다중매질에서의 오염물질의 거동 연구

Theories and Applications of Chem. Eng., 2002, Vol. 8, No. 1

신현철, 신치범, 이종협*

아주대학교 화학공학과, 서울대학교 응용화학부*

A Study for the Pollutant Fate in Multimedia Environment

Hyun Cheol Shin, Chee Burm Shin, Jong Heop Yi*

Dept. of Chem. Eng., Ajou University,

School of Chem. Eng., Seoul National University*

서론

화학공학의 이론과 응용 제8권 제1호 2002년

우리나라의 환경은 지속적인 산업 개발로 인하여 자원의 보존 및 생산성이라는 측면에서나 환경 생태학적인 측면에서 모두 심각한 압력에 직면하고 있다. 또한 환경매질에 존재하는 오염 물질의 농도를 실측하는 것은 대부분의 경우 많은 비용과 시간이 소요된다. 따라서 현재 사회적으로 문제가 되고 있는 POPs(persistent organic pollutants), VOCs(volatile organic compounds) 및 SOCs(semivolatile organic compounds) 등에 의한 환경 오염 추이의 현황과 장래의 환경 오염에 대한 예측이 요구되어지고 있다[1]. 환경 중에 분포하는 유해화합물의 농도는 극미량으로 존재하고 인간에게 해롭기 때문에 실측을 통한 연구가 어려운 경우가 많다. 또한 이러한 환경 오염물질은 수질, 대기, 토양 등의 한 매질에 국한되어 존재하는 것이 아니라 다중매질(multimedia)에 존재하며 서로 이동하면서 여러 경로를 통해 생태계에 영향을 미치게 된다. 그리고 종류에 따라 다른 물질로 분해 또는 변환되기 전까지의 이동거리 및 이동 속도가 다르기 때문에 다중매질에서의 공간적 이동 범위(spatial range)와 잔류성(persistence)은 환경 생태계 내의 생물 및 인간이 노출되는 오염 물질의 농도 및 노출 시간을 결정하는 오염 물질 유해성 평가의 주요한 특성이 된다. 환경 오염 물질의 잔류성과 이동 범위는 다중매질 내에서의 대상물질의 물리□화학적 성질, 화학반응, 전달현상 및 매질간의 분배(partitioning)등에 복합적으로 관계되며, 이들 특성은 오염 물질의 배출지점 분포, 배출빈도 및 지속시간과 같은 배출 특성과 계절에 따른 기온 및 강수량의 변화와 같은 기후특성에 의해서도 영향을 받는다. 따라서 앞에서 열거한 모든 인자들의 영향을 고려하여 다중매질 내에서 오염물질의 거동을 정량적으로 예측할 수 있는 모델을 설정하고, 이 모델에 근거한 환경 오염물질의 위해성 평가에 대한 연구는 반드시 수행 될 필요가 있다.

다중매질 모델의 종류는 목적과 특성에 따라 process model, evaluative model, local and regional model, global model 등으로 나눌 수 있으며 목적에 따라 적절하게 선택 되어야 하는데 본 연구에서와 같이 일반적인 환경 거동을 정량적으로 이해하고 우선순위를 평가하여 정책결정을 지원하기 위해서는 ‘평가모델’(evaluative model)이 적절할 것으로 판단된다. 따라서 본 연구에서는 서울, 안산 지역 내의 관심 오염물질에 대하여 다중매질 내에서의 이동 및 화학반응을 고려할 수 있는 복합적 모델들을 살펴보고 고찰함으로써 적절한 평가모델 수립의 기초를 제시하고자 한다.

다중매질모델의 종류

오염물질의 거동과정(fate processes)은 물질들이 속해 있는 환경, 기상인자, 주요 물리□화학적 특성의 함수로서 표시되기 때문에 결과적으로 거동과정의 정량적 평가는 복합적인 함수관계를 전제로 이루어지게 된다. 일반적으로 다중매질 거동에 있어서 매질과 매질사이 또는 매질내에서의 오염물질의 거동 모사는 질량보존의 법칙에 근거한 물질수지식이지만 이러한 거동과정을 정량적으로 모사하는 식은 동일한 과정에 대해서도 여러 가지 방법으로 표시될 수 있다. 대표적인 수학적 모델의 종류와 특성은 아래와 같다.

1) Fugacity Model

일반적으로 화학평형에서 어떤 분자들의 확산 정도를 파악하기 위해서 chemical potential이라는 개념을 이용한다. 즉 화합물은 chemical potential이 높은 매질에서 낮은 매질로 이동하며 chemical potential이 같게 되면 평형에 도달하게 되어 더이상의 변화가 발생하지 않게 된다. Fugacity는 chemical potential을 나타내는 하나의 척도로 이상기체 거동으로부터 벗어난 정도를 보정한 기체압력을 나타낸다. 따라서 이 모델에서는 보다 현실적인 계산을 위해 partial pressure 대신 fugacity를 도입하여 식(1)과 같이 나타낸다[2].

[eqn: fV`=`nRT~~~{ n } over { V } `=` { f } over { RT }~~~`C`=`fZ~~~`Z_{ } `=` { 1 } over { RT }]               (1)

Fugacity model은 다음과 같이 4가지 type으로 구별할 수 있다.

Level Ⅰ : Equilibrium, no reactions, closed system

Level Ⅱ : Equilibrium, reactions, open system, steady-state

Level Ⅲ : Non-equilibrium, reactions, open system, steady-state

Level Ⅳ : Non-equilibrium, reactions, open system, unsteady-state

2) CalTOX Model

CalTOX 모델은 fugacity의 원리에 기초를 두고 있지만 fugacity 대신 molar inventory를 사용하였으며, 식(2)와 같이 나타낼 수 있다. 본 모델에서는 토양매질을 표면층(surface), 중간층(root), 밑바닥층(vadose)의 3부분으로 나누고 토양매질에서의 확산에 의한 물질전달속도를 추정하는 방법으로 오염물질의 물리□화학적 특성(vapor pressure[Pa], solubility[mol/m3] and sorption coefficient)과 토양의 성질(porosity, moisture cintent and organic carbon content)을 이용한다. 이때 [eqn: N_{ i }]가 매질 [eqn: i]에서의 molar inventory(mol)이다[3].

[eqn: C_{ i } =``f_{ i } Z_{ i } `=` { N_{ i } } over { V_{ i } }]	(2)

3) Spatial Multimedia Compartmental Model(SMCM)

SMCM은 다중매질을 크게 균일매질(uniform compartment)과 불균일매질(nonuniform compartment)로 분리하여 물질수지식을 세운 모델이다. 균일매질(well-mixed)에는 air, water, biota, suspended solid가 해당되며, 토양과 침전물등이 불균일 매질에 해당된다. SMCM은 오염물질의 다중매질에서의 분포와 정상상태에서 screening 수준의 분석에 있어 매우 유용하고 효과적이다[4].

4) Circular(Ring) Model

Circular model은 global model로서 오염물질의 수송 메카니즘에서 두 가지 가정을 하였다. 첫 번째로 대기와 해양이 수평적인 eddy 확산을 통해 나타내는 장거리 수송에 대해서만 다룬다. 이것은 대기가 수직방향으로 잘 섞이며 해양은 표면만을 포함한다는 것을 의미한다. 두 번째는 이런 수송 메카니즘이 1차원식이라는 것을 가정하였다. 이런 가정을 바탕으로 매질을 대기, 수질, 토양의 3부분으로 나누고 지속성(persistence)과 공간적 이동범위(spatial range)를 수학적으로 정의하여 매질내에서의 오염물질의 농도를 예측하였다[5].

5) Multi-Box Model

Multi-Box model은 global model로서 환경오염물질의 수송, 분해, 분배와 Henry 상수를 온도의 함수로 보고 토양, 수질, 대기에서의 농도를 시간의 함수로 놓아 물질수지식을 세운 model이다. 이 모델에서는 인접한 두 지역의 전달현상은 물과 대기의 교환에 의해 나타내었다[6].

6) Lagrangian Cell Model

Lagrangian Cell Model은 이동매질(moving compartment)인 대기와 고정매질(nonmoving compartment)인 토양 또는 식물사이의 확산과 대류로부터 유도되었다. 또한 정상상태 다중매질을 기초로한 fugacity방법을 추가함으로서 매질들과 전환속도(transformation rates)사이의 상호관계에의해 농도를 결정할 수 있게 물질수지식을 완성하였다. 이 모델은 단순하지만 화학물질의 특징적인 이동거리(characteristic travel distance, CTD)를 결정하는데 유용한 방법이다[7].

적용사례

본 연구에서는 다중매질에서의 화합물의 거동을 평가하는데 가장 많이 쓰이는 Level III fugacity model에 기초하여 Benzene의 거동을 추정하였다. 본 모델에서는 매질을 대기, 물, 토양, 퇴적물의 4개로 나누어 각 매질과 매질 사이에서의 오염물질의 농도변화를 계산하였으며 그 결과를 Figure 1에 나타내었다. Fugacity capacity와 transport parameter를 구하는 방법은 Mackay의 방법을 따랐으며 가우스 소거법을 이용하여 fugacity를 계산하였다. 본 모델에 사용된 계산과정의 flow diagram을 Figure 2에 나타내었다. 각 매질의 Z value의 정의는 Table 1에 열거되어 있으며, 그 값들은 Benzene의 물리․화학적 성질과 환경매질의 특성치로부터 계산된다.

결론

본 연구의 적용사례에서는 Level Ⅲ fugacity model을 사용하여 각 매질과 매질 사이의 Benzene의 농도변화를 살펴보았다. 그러나 본 모델에서는 지역에 따른 환경인자들을 충분히 고려하지 않았으며 방출량, 유입농도, 분해 공정과 관련된 매질에 따른 반감기(half-life)등에 대한 정확한 정보가 주어지지 않아 임의적으로 선택하였다. 따라서 본 연구에서 오염물질의 거동을 보다 정확하게 예측하기 위해서는 선정 물질에 대한 각 매질에서의 물리․화학적 특성과 기상현상과 같은 환경인자의 정보가 고려될 필요가 있다.

참고문헌

[1] Atsuo Kishimoto, Tosihiro Oka, Kikuo Yoshida and Junko Nakanishi, 2001, Cost Effectiveness of Reducing Dioxin Emissions from Municipal Solid Waste Inclusion in Japan, Environ. Sci. Technol., 35:2861-2866.

[2] Donald Mackay, 1991, Multimedia Environmental Models: The Fugacity Approach, Lewis Publisher, Chelsea, MI, USA.

[3] Randy L. Maddakena, Thomas E. McKone, David W. Layton and Dennis P.H. Hsieh, 1995, COMPARISON OF MULTI-MEDIA TRANSPORT AND TRANSFORMATION MODELS: REGIONAL FUGACITY MODEL vs. CalTOX, Chemosphere, 30:869-889.

[4] Yoram Cohen, Wangteng Tsai, Steven L. Chetty and Glenn J. Mayer, 1990, Dynamic Partitioning of Organic Chemicals in Regional Environments: A Multimedia Screening-Level Modeling Approach,  Environ. Sci. Technol., 24:1549-1558.

[5] Martin Scheringer, 1996, Persistence and Spatial Range as Endpoints of an Exposure-Based Assessment of Organic Chemicals,  Environ. Sci. Technol., 30:1652-1659.

[6] Liisa M.M. Jantunen and Terry F. Bidleman, 2000, Temperature dependent Henry's law constant for technical toxaphene, Chemosphere-Global Change Science,2:225-231.

화학공학의 이론과 응용 제8권 제1호 2002년

[7] Deborah H. Bennett, Thomas E. McKone, Michael Matthies and Willam E. Kastenberg, 1998, General Formalation of Characteristic Travel Distance for Semivolative Organic Chemicals in a Multimedia Environment, Environ. Sci. Technol., 32:4023-4030.

Figure 1 Four compartment Level III calculation.

Table 1 Definition of Z values for compartment

Subconpartment	Z values
Pure air(ZA)	1/RT
Air particles(ZQ)	KPA/RT
Pure water(ZW)	1/H
Pure soil(ZS)	KPSρS/H
Pure sediment(ZX)	KPX)ρX/H
Suspended sediment(ZSS)	KPSρSS/H
Asphalt pavement(ZAS)	KAsρAsfAs/H
Vesetation(plant)(ZV)	KPW/H
Bulk compartment	Z values
Air(Z1)	ZA+vQZQ
Water(Z2)	ZW+vssZss
Soil(Z3)	ZS
Bottom sediment(Z4)	ZX
Asphalt pavement(Z5)	ZAs
Vegetation(Z6)	ZV

Figure 2 Flow diagram for Level Ⅲ fugacity model.

Theories and Applications of Chem. Eng., 2002, Vol. 8, No. 1

화학공학의 이론과 응용 제8권 제1호 2002년