본 연구에서는 기존 바이오차의 제한점인 비소 오염토양 안정화에 대
한 낮은 효율을 극복하기 위해 목재 폐기물인 전정부산물과 one-pot 합
성 과정을 이용하여 철 나노입자 담지 바이오차(INPBC, Iron
Nano-Particles Impregnated BioChar)를 제조하였다. 본 연구의 목표는
비소와 양이온 중금속 복합오염 토양을 효과적으로 안정화하는 것이며 현
장 적용성을 높이기 위해 개질된 형태인 INPBC/bead와
INPBC/suspension의 특성 및 성능을 평가하여 안정화제로써의 활용 가능
성을 확인하는 것이다.
전정부산물과 Fe(III) 용액을 220°C에서 3시간 동안 수열반응하고 이
를 600°C, N2 분위기에서 1시간 동안 소성하여 INPBC를 제조하였다. 수
열반응 단계에서 사용되는 Fe(III) 용액 농도에 따른 결과물의 특성을 비
교 평가하였다. Fe(III) 용액의 사용 및 농도는 BET 비표면적, 공극률 등
합성 결과물의 구조와 CEC, As(V) 및 Pb(II)에 대한 반응성 등 여러 특
성에 영향을 미치는 것으로 확인되었다. Fe(III) 용액의 농도를 0.25M으로
하였을 때 다른 농도 조건으로 합성한 결과물에 비해 높은 BET 비표면
적과 As(V)와 Pb(II)에 대한 흡착성능을 갖는 것으로 나타났다. 바이오차
표면의 철의 결정성은 영가철로서 그 크기는 약 10nm 내외인 것으로 확
인되었다. Langmuir isotherm model을 이용하여 계산한 INPBC의 As(V)
와 Pb(II)에 대한 최대 흡착량은 각각 18.11, 116.28 mg/g 으로 계산되어
비소 및 양이온 중금속에 반응성을 모두 가지는 것으로 나타났다. 또한
기존 분말형태의 바이오차를 안정화제로써 토양에 적용할 때 발생되는 문
제점인 바람 또는 강우에 의한 유실 가능성을 극복하기 위해 분말 형태의
INPBC 안정화제를 비드 형태(INPBC/bead)와 액상 형태
(INPBC/suspension)의 안정화제를 제조하였다.
국내 E폐광산과 S폐광산의 인근 농경지에서 채취한 Soil-E와 Soil-S
를 안정화 성능평가를 위한 배양 실험에 사용하였다. Soil-E는 비소가 대
책기준을 초과하였고 납이 우려기준을 초과하는 복합 오염토양으로 확인
되었다. Soil-S는 비소와 납이 대책기준을 초과하고 구리가 우려기준을
초과하는 복합 오염토양으로 나타났다. 안정화 성능평가를 위해 항온 배
양실험을 실시하였으며 INPBC, INPBC/bead, INPBC/suspension를
Soil-E에 각각 토양 무게 대비 1, 2.5% 비율로 적용하였으며 Soil-S에는
각각 토양 무게 대비 2.5, 5%로 적용하였으며 4주 동안 배양을 진행하였
다. 배양실험 4주 후 안정화 효율을 확인하기 위해 단일용출시험과 연속
추출시험을 실시하였다. 단일용출시험에는 중금속의 이동성과 식물체에
대한 생물이용도, 생물접근도를 확인하기 위해 TCLP, SPLP, KSLT,
NH4NO3, PBET 용출실험을 실시하였다. SPLP 용출시험에서 용출액 중
비소와 양이온 중금속의 농도를 확인한 결과 안정화제의 적용 비율이 증
가할수록 용출액 중 오염물질의 농도가 저감되는 것을 확인할 수 있었으
며, 용출액의 농도를 먹는물 수질기준과 비교한 결과, 대책기준을 초과한
비소와 양이온 중금속의 농도가 먹는물 수질 기준치 이하로 저감되었다.
이와 더불어 TCLP, KSLT에서 비소와 양이온 중금속의 이동성 저감 및
안정화 효과를 확인할 수 있었으며 NH4NO3 및 PBET 용출실험에서는 생
물이용도와 생물접근도가 모두 저감되었다. 연속추출시험에서는 비소와
양이온 중금속 모두 쉽게 용출되는 1단계 및 2단계의 존재형태 비율이 감
소되고 그 보다 용출이 어려운 3단계 및 4단계의 존재형태가 증가되는 것
을 확인할 수 있었다. 이러한 현상은 표면에 철 나노입자를 풍부히 가지
고 있으며 안정화제인 INPBC의 적용으로 인해 토양 중 철의 농도가 증
가하였고 토양 내 비소와 함께 공침한 결과로 판단된다. 양이온 중금속의
경우 산화철 표면의 흡착 또는 알칼리 침전되는 것으로 판단된다. 형태에
따른 안정화 효율을 비교해보면, INPBC 분말을 비드와 액상 형태로 개질
한 후에도 효율에는 차이를 보이지 않았다. 따라서 INPBC/bead와
INPBC/suspension은 비소 및 양이온 중금속 오염 농경지 등에서 충분히
사용 가능한 안정화제 이며 특히 INPBC/bead의 경우 분말 형태의 바이
오차와 달리 토양의 pH를 증가시키지 않으며 토양 중 교환성 Ca2+의 함
량을 높이는 효과를 보여 농경지 토양에 적합한 안정화제로 판단된다.

In this study, three kinds of soil stabilizers such as iron
nanoparticles impregnated biochar(INPBC), INPBC based bead
type(INPBC/bead) and suspension type(INPBC/suspension) were
prepared to improve the existing disadvantages of the biochar as an
amendment such as potential loss and low stabilization efficiency for
As in the contaminated soil. The purpose of this study is to develop
the amendment for stabilization of the soil contaminated by As and
heavy metals and to evaluate the characteristics of stabilization
performance of INPBC/bead and INPBC/suspension.
During hydrothermal carbonization (HTC) process, the mixture of
pruning residue and ferric nitrate (0.1∼0.5M) as a lignocellulosic
biomass and a precursor of iron nanoparticles, respectively, were added
and heated to 220°C for 3 h in a teflon sealed autoclave, followed by
calcination at 600°C in N2 atmosphere for 1 h. For the characterization
of the as-synthesized materials, cation exchange capacity (CEC),
X-ray diffraction (XRD), fourier transform infrared spectrometer
(FT-IR), Brunauer-Emmett-Teller (BET), transmission electron
microscope (TEM), Energy Dispersive X-ray spectroscopy (EDS) were
used. The change of Fe(III) concentration during HTC process
influenced characteristics of produced INPBC and adsorption efficiency
towards As(V) and Pb(II). According to the Langmuir isotherm test,
maximum As(V) and Pb(II) removal capacity of INPBC were found to
be 11.81 and 116.28 mg/g, respectively. In order to improve the
existing disadvantages of biochar powders as an amendment that is
the flammability and potential loss by wind and water, INPBC/bead
produced by cross-linking of sodium alginate and INPBC/suspension
were prepared with polyvinyl alcohol (PVA) solution as a dispersion
stabilization, respectively.
Soil-E and Soil-E were sampled from E-abandoned mine and
S-abandoned mine in South Korea, respectively, for the cultivation test
that was carried out for the evaluation of the stabilization performance.
For Soil-E, the total As exceeded the counter-measure standard and
total Pb exceeded the concern standard of MOE of South Korea
(Ministry of Environment). For Soil-S, the total As and Pb exceeded
counter-measure standard and the total Cu exceeded the concern
standard. During the cultivation test, INPBC, INPBC/bead and
INPBC/suspension were applied to Soil-E with the ratios of 1, 2.5%
(w/w) and to Soil-S with the ratios of 2, 2.5%(w/w) and the
stabilization was proceeded for 4 weeks. After treatment, the single
extraction procedure including TCLP, SPLP, KSLT, NH4NO3, PBET
method was conducted to determine the hazardous of As and heavy
metals from contaminated soils. According to SPLP results, the
concentrations of As and heavy metals in the extractant were
decreased with increasing the amendment ratio and satisfied the
drinking standard level of MOE of South Korea. In the TCLP, KSLT
test, the reducing of mobility of As and heavy metals from two soils
was confirmed with high stabilization efficiency. NH4NO3 and PBET
test results showed that the as-prepared amendments reduced the
bioavailability and bioaccessibility of As and heavy metals from two
soils as compared to the un-treated soils.
The fractionation of As and heavy metals in two soils using
sequential extraction method indicated that the ratios of faction 1 and
2 that correspond liable and known as bioavailable fraction was
decreased and fraction 3 and 4 that correspond relatively non-liable
fraction was increased by application of INPBC, INPBC/bead,
INPBC/suspension. This phenomenon can be explained by increasing of
iron concentration in contaminated soils by application of INPBC that
posses abundant iron nanoparticles on the surface and complexation
and co-precipitation of As with iron. And it was assumed that heavy
metals were stabilized due to adsorption onto oxygen-containing
functional groups or iron oxide surface and alkaline precipitation as
well as cation exchange. The significant difference of stabilization
efficiency between the types of amendment was not observed.
Therefore INPBC/bead and INPBC/suspension can be promising
amendments for soil contaminated by As and heavy metals. Especially,
INPBC/bead that can maintain optimum pH of upland soil and its bead
shape while the cultivation duration can be a suitable amendment for
paddy field soil.