자갈 (Gravel) 크기에 해당하는 유비철석이 토양에 매립되었을 때 토양환경 조건에 따라 유비철석으로부터 유래되는 비소이온이 토양 내에서 흡착과 이동, 동태에 대해 규명하고자 수소이온농도, 산화환원전위 변화에 따른 비소의 용해 특성, 비소의 등온흡착과 흡착속도, 그리고 토양 내 수리특성에 따른 비소의 이동과 용출 특성을 조사하였다.
수소이온농도 변화에 따른 유비철석이 혼합된 토주의 용출수 내 pH 변화는 강염기인 유비철석의 혼합으로 인해 pH 3, 6.64, 9일 때 최대 4, 1.1, 1.5 수준으로 상승하였고, sandy clay loam 토양에서 산화환원전위는 3.5, 3.2, 3.7배 공극수량일 때 pH 3 > 9 > 6.64 순으로 최대값을 나타내었다. 용출수 내 누적비소함량을 조사한 결과 sandy clay loam 토양에서는 pH 조건과 관계없이 대부분 용출되지 않았고, sandy loam 토양에서는 비철석의 함량이 75% > 50% > 25% 순으로 유비철석의 입자 크기가 2.0∼0.6 ㎜ > 3.35∼2.0 ㎜ > 4.75∼3.35 ㎜ 순으로 비소의 용출이 증가하였다. 용출수 내 비소이온의 형태는 5가의 HAsO₄<SUP>2-</SUP>, H₂AsO₄<SUP>-</SUP>, H₃AsO₃ 로 존재하는 것으로 확인되었고, 5가 비소형태에서 시간이 경과함에 따라 3가의 형태로 환원되어 용출되는 이유는 토양의 pH변화로 초기에 산성조건의 유입수가 유비철석 내 존재하는 비소를 용해시키면서 용출되는 과정에서 pH가 감소함에 따라 비소가 3가의 형태로 변하게 되는 것이고, 토양의 산화환원전위가 유입수로 인해 담수상태로 진행되어 산화환원 전위가 낮아짐으로 인해 5가 비소에서 3가 비소로 환원되어 용출되는 것에 기인하는 것으로 추정한다. 또한 대부분의 유기물은 루이스 염기로 전자를 내놓으면서 5가 비소가 토양 용액 내의 전자와 수소를 받아들이면서 3가 형태의 비소로 전환되는 것이고, 점토입자의 함량이 증가할수록 반응에 참여하는 표면적이 넓어지고 수리전도도를 감소시켜 토양에 존재하는 시간이 많아져 환원되어 3가 비소의 형태로 전환되는 것이다.
흡착반응속도에서는 배경용액의 농도와 관계없이 평형 농도의 약 80%가 1시간 안에 도달하는 하는 것을 확인하였고, pH가 감소할수록 흡착반응속도는 빠르게 이루어지는 것을 확인하였다. 비소의 등온흡착시험결과 두 개의 토양 모두 pH가 증가할수록 흡착량이 감소하였고, Langmuir, Freundlich 흡착등온식에 대한 회귀분석을 수행한 결과 두 가지 토양 모두 각 pH 조건에서 Langmuir 흡착등온식이 Freundlich 흡착등온식보다 높은 상관계수를 나타내는 것으로 조사되었다. 그리고 sandy clay loam 토양이 sandy loam 토양보다 비소이온의 흡착이 높은 이유는 상대적으로 점토 함량과 유기물 함량이 높아 표면적이 넓어지고 유속에 영향을 미쳐 비소의 흡착량이 높은 것으로 판단된다. 또한 비소이온의 흡착은 ligand exchange의 강한 흡착으로 인해 쉽게 제거되지 않는 specific adsorption 상태로 존재한다.
격변곡선은 토양 내 물질의 이동에 있어 고농도에서 저농도로 이동하는 확산계수 (diffusion coefficient)와 물질이 이동하는 속도 (velocity)를 이용하여 토양 내 유입되는 초기농도에서 확산이 이루어지면서 초기농도는 줄어들고 토양 내 농도는 증가하는 혼합된 상태 부분이 하부로 이동하게 되면서 흡착이 이루어지게 된다. 상대농도 1을 기준으로 용출수의 곡선이 급격하게 증가하는 지점을 격변점이라하며 sandy clay loam 토양의 격변점은 13배 공극수량, sandy loam 토양에서는 초기 유입부터 격변점이 발생되어 급격히 상승하는 longitudinal dispersion 형태로 격변곡선이 이 형성되었다. 두 개 토양의 격변점이 다르고 상대농도 1에 도달하는 공극수량이 sandy clay loam 토양에서 증가하는 이유는 상대적으로 점토 함량이 높음으로 인해 비소의 흡착량이 증가하게 되는 것이고, 이로 인해 비소이온은 sandy loam 토양에서 보다 쉽게 이동되지 않는 것이다.
이상의 결과로부터 유비철석으로부터 유래된 비소 성분의 토양 내 흡착과 이동은 토양의 pH, 산화환원전위, 유기물함량, 토성, 수리특성에 따라서 비소의 존재형태가 결정되는 것으로 조사하였다. 따라서 토양 내 비소의 흡착과 이동에 관련하여 1) 유기물 함량의 조절 및 제거를 통한 비소이온의 고정화 또는 탈착에 관란 연구와 2) 토성과 관련하여 점토의 함량 조절, 3) 수소이온농도의 조절, 4) 토양 수분함량과 용존산소, 5) 유기태 비소에 관한 연구를 구체적으로 진행한다면 토양 및 유기물 등에 비소이온을 흡착시켜 지하수로의 이동을 억제하여 음용수의 비소오염의 진행을 저지하고, 비소로 오염된 토양의 정화 기술에 적용하는 매우 유용한 방법이 될 것으로 판단된다.

Arsenic which is found in several different chemical forms and oxidation states, causes acute and chronic adverse health effects is a toxic trace element widely distributed in soils and aquifers from both geologic and anthropogenic sources. Adsorption and miscible displacement and of arsenic which could be derived from arsenopyrite rock and gravels buried in soils as landfill to treat general environmental waste treatment were investigated to identify its fate and behavior leading to groundwater To achieve this goal, we observed the types and status of arsenic in rocks, solubilities, redox potential, arsenic adsorption isotherms depending on soil solution pHs, adsorption kinetics, mobility and miscible displacement for two different soils of sandy clay loam and sandy loam with and without organic matter. From the experiments, we obtained the following results.
We verified that the forms of arsenic ion in effluent were As (Ⅴ); HAsO₄<SUP>2-</SUP>, H₂AsO₄<SUP>-</SUP>, and H₃AsO₃. The changes of electrical potential and pH in soil is the most probable reason why As (Ⅴ) reverts to As (Ⅲ). In the initial stages, acidic solution as inflow water to the soil could dissolves arsenic from arsenopyrite. In the dissolution process of As from arsenopyrite gravel fractions, it turns into As (Ⅲ) form due to lower in pH. It’s assumed that redox potential of soil proceeds as anaerobic condition caused by continuous inflow water produced and As (Ⅴ) turns into arsenic (Ⅲ) by reduced redox potential. Almost every organic matter donates electron as Lewis base and it turns into As (Ⅲ) with accepting electron and hydrogen of As (Ⅴ) soil solution. As clay content increased more, surface area participating the response is widened and hydraulic conductivity is decreased.
Adsorption kinetics of As (Ⅴ) in sandy clay loam and sandy loam under various solution pHs showed that approx. 80 % of As from solution phase was disappeared, indicating that As adsorption was instant reaction onto the surface of charged clay and organic matter. From adsorption isothermal experiment about arsenic, Adsorption of As was gradually reduced with increasing pH in both kinds of soil. The results of regression analysis about Langmuir and Freundlich adsorption isotherm showed that Langmuir adsorption has a higher correlation coefficient than that of Freundlich adsorption isotherm.