미세플라스틱 오염 토양 모사 시스템 내 침투수 유기물 특성과 잠재적 트리할로메탄 생성능 연구 :Characteristics of dissolved organic matter in infiltration water from microplastic (MP)- containing soil and its trihalomethanes (THMs) formation potential

유하영

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자료유형: 학위논문

저자정보: 유하영 (세종대학교, 세종대학교 대학원)

지도교수: 허진

발행연도: 2021

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이 논문의 연구 히스토리 (2)

2021

미세플라스틱 오염 토양 모사 시스템 내 침투수 유기물 특성과 잠재적 트리할로메탄 생성능 연구

유하영 환경에너지융합학과 2021.01 학위논문

2020

플라스틱 오염 토양 침출수 내 미세플라스틱 유래 유기물질 거동 및 잠재적 소독 부산물 생성능 연구

유하영 , 허진 대한환경공학회 학술발표논문집 2020.11 학술대회자료

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미세플라스틱은 대량 생산과 무분별한 폐기로 인해 수생태계의 가장 큰 위험 요소 중 하나로 꼽힌다. 토양/퇴적 환경 내 보고된 고농도의 미세플라스틱 오염이 가진 위험성에도 불구하고 해양과 담수 환경의 플라스틱 오염에 비해 상대적으로 연구가 미비한 실정이다. 자연환경으로 유입된 미세플라스틱으로부터 다양한 풍화작용들 (예: 파도, 햇빛 등)에 의해 용해된 유기물질, 이른바 미세플라스틱 유래 용존유기물질 (Micro-plastic derived dissolved organic matter, MP-DOM)은 일반적으로 제조 과정 중 포함된 다양한 첨가제 뿐만 아니라 주요 폴리머 구조에서 유래한 중합체 및 단일체를 함유하고 있는 비균질적인 구조를 지닌 유기물 복합체로 볼 수 있다. 이는 미세플라스틱 오염 토양에서 용출된 MP-DOM가 최종적으로 토양 공극 내로 침출 또는 침투함으로써 대수층에 도달하여 토양/퇴적 환경 내 주요 인위적 오염원이 될 수 있음을 시사한다. 따라서 토양 유래 DOM과 구분 가능한 MP-DOM의 고유한 특징을 파악하고 MP-DOM이 가지는 환경적 반응성에 대한 연구가 필요하다. 본 연구에서는 토양 침투 모사 시스템을 구축한 후 UV 광조사 시간 및 체류 시간에 따른 MP-DOM의 거동을 조사하였다. 침출된 MP-DOM은 기본적인 자연 유래 용존유기물질(Natural organic matter, NOM) 성상 분석 방법들(FT-IR(Fourier transform infrared spectrometer), DOC(Dissolved organic carbon), 형광 및 크기 배제 분획 크로마토그램)을 통해 특성화 하였다. 대표적인 환경 영향 중 하나인 트리할로메탄 생성가능성도 조사되었다.
그 결과. FT-IR을 통해 MP-DOM의 기원이 토양 내 미세플라스틱임을 확인하였으며, DOC 농도와 C2/C1 비율에서 대조군 과의 유의한 차이를 보였다. 미세플라스틱 오염 토양 모사 시스템 내 체류시간이 길어질수록 DOC, C2/C1, 저분자량 부분(LMWN, Low molecular weight neutral)이 모두 감소하는 경향을 보였으며, 이는 MP-DOM이 MP 표면 혹은 토양 입자 표면에 흡착될 수 있음을 시사한다. UV 광조사 기간에 따라 DOC 농도와 350 Da 미만의 저분자량 부분이 증가하는 경향을 보여 UV광으로 인해 플라스틱 중합체의 구조가 깨져 저 분자에 해당하는 DOM을 용출 되었음을 보여준다. 토양 모사 시스템 속 용출 된 MP-DOM은 염소화 시 트리할로메탄을 형성할 수 있는 높은 잠재력이 관찰되었으며, 이러한 결과는 대수층 내 지하수를 이용하기 위한 여러 상수원 처리(예: 강변 여과수) 적용할 때 토양 환경 내 미세플라스틱이 중요한 요인으로 인지해야 할 필요성을 보여준다.

Owing to their rapidly increasing production and improper disposal, micro-sized plastic particles (microplastics, MPs) are considered a significant emerging risk in aquatic ecosystems. In recent years, terrestrial/sedimentary environments contaminated with MPs have also received tremendous research attention, but not enough. Most disposed MPs are subjected to various weathering processes (e.g. waves, sunlight, etc.), leading to the release dissolved organic matter into surrounding water. These dissolved organic substances, so-called microplastic-derived DOM, typically contain several additives as well as oligomers and monomers that originally formed to main polymer chains of the plastic. It can be expected that the MP-DOM in MP-contaminated environment may reach finally the deep aquifer by leaching or infiltrating the soil pore and become one of major pollutant. It is necessary to identify the unique characteristics of MP-DOM that can be distinguished from soil-derived DOM and to evaluate the environmental reactivity of MP-DOM. To answer all the questions, this study aimed that the behavior of MP-DOM was compared according to UV weathering time on the MP particles and contact time within simulated soil infiltration system. The leached MP-DOM samples were characterized using basic NOM analysis methods (FT-IR, DOC, fluorescence EEM-PARAFAC, and SEC-OCD). The trihalomethane formation potentials (THMFP), one of the representative engineered reactivity in aquatic environment, was also explored.
The FT-IR spectra of the MP-DOM obtained from the MP-contaminated column evidenced the origins of the two MPs. The significant difference from control group (i.e., no MPs in soil system) in DOC concentration and the ratio of C2/C1 obtained from PARAFC modeling. With increasing retention time in the MP-contaminated soil system, the decrease of the DOC, ratio of C2/C1, and LMWN fractions were observed, suggesting that the MP-DOM could be adsorbed on the surface of soil or MP particles. The increasing tendency of the DOC and LMWN fraction (<350 da) with increasing UV irradiation time on MP particles indicates that UV-irradiation might play a role in changing the MP particles into more vulnerable structures composed of low molecular weight fractions. All the MP-DOM leached from the designated soil system has been observed to have high potential to form trihalomethane during chlorination. This study highlighted the potential risk of MP-DOM to produce toxic disinfection byproducts for the MP-contaminated environment in case of the effective application of water resources (e.g., river bank-filtration water) from the use of groundwater in the aquifer.

#미세플라스틱 #용존유기물질 #토양 침투수 #UV 광 조사 #트리할로메탄

Ⅰ. 서 론 13
1.1 연구 배경 14
1.2 연구 가설 및 목적 22
II. 연구 방법 24
2.1 토양 및 미세플라스틱 준비 25
2.2 지하수 침투 모사 시스템 구축 27
2.2.1 UV 광 조사 27
2.2.2 토양 모사 실험 29
2.3 플라스틱 용출 유기물(MP-DOM)과 토양 입자 흡착능 실험 31
2.4 유기물 성상 분석 32
2.4.1 FT-IR분석 32
2.4.2 용존 유기탄소 농도 33
2.4.3 형광 EEM-PARAFAC 모델링 34
2.4.4 SEC-OCD를 이용한 분자량 분포 38
2.4.5 트리할로메탄(THM) 생성능 분석 40
III. 결과 및 고찰 44
3.1 FT-IR을 통한 MP-DOM의 기원 식별 45
3.2 대조군과의 비교를 통한 MP-DOM의 구분 49
3.3 토양 모사 시스템 속 MP-DOM의 DOC 농도 변화 52
3.3.1 체류시간 (1일 vs 7일) 52
3.3.2 입자 개수 당 DOC 농도 (PVC vs PS) 56
3.3.3 UV 광조사 기간 (0-7일) 58
3.4 체류시간/ UV 광조사 기간에 따른 MP-DOM의 형광 특성 변화 60
3.4.1 형광 EEM 62
3.4.2 형광 PARAFAC 모델링 65
3.4.3 형광 성분에 대한 비율 (C2/C1) 68
3.5 MP-DOM의 분자량 분포 특성 변화 70
3.6 MP-DOM의 잠재적 트리할로메탄 생성능 (THMFP) 변화 73
Ⅴ. 결론 78
4.1 결 론 79
4.2 환경적 영향 81
Abstract (In English) 83
참고 문헌 85

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