불포화대 공극 내 휘발성유기화합물 기체상농도 측정을 위한 현장 적용형 수동시료채취 기술 개발
Development of Field Application Passive Sampling Technology for Determination of Gas-Phase Concentration of Volatile Organic Compounds in Unsaturated Zone
- 주제(키워드) 수동 샘플링 , 휘발성유기화합물 , 평형 분배 계수 , 토양 공극 , 증기 침투 , 폴리디메틸실록산
- 발행기관 고려대학교 대학원
- 지도교수 홍용석
- 발행년도 2023
- 학위수여년월 2023. 2
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 대학원 환경공학과
- 세부전공 환경공학전공
- 세부분야 해당없음
- 원문페이지 121 p
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/korea/000000270770
- UCI I804:11009-000000270770
- DOI 10.23186/korea.000000270770.11009.0001419
- 본문언어 한국어
초록/요약
휘발성유기화합물이 불포화대 공극내로 대류 및 확산을 통하여 이동하고, 건물 지하실내 갈라진 틈으로 침투하는 토양증기침투 현상은, 지하수 및 토양오염에서 심각한 인체 위해성을 유발하는 중대한 흡입노출경로중 하나이다. 이를 평가하기 위하여 불포화대 공극내 기체상으로 존재하는 VOCs를 정량하는 평형 수동 샘플링 기술을 개발하였다. 폴리디메틸실록산(Polydimethylsiloxane, PDMS)을 VOCs 흡수 매질로 사용하였으며, 표면의 ePTFE(expanded Polytetrafluoroethylene)는 오염으로부터 지하수 및 토양의 직접적인 접촉으로부터 PDMS를 보호하는 데 사용하였다. 흡수매질인 PDMS가 기체상 및 수상 사이에서 9종 VOCs를 흡수하여 평형에 도달하는 데 필요한 시간을 측정하였다. 실험에 사용된 모든 VOCs는 온도별로 편차를 보였으나 7 일 이내에 평형에 도달했다. 평형에 도달하는 시간을 바탕으로 PDMS, 기체상 및 수상에서 9 종의 VOCs의 온도에 따른 헨리상수를 도출하고 Cgas와 Cwater를 계산하여 평형 분배 계수를 측정하였다. 기체상 및 수상에 각각 노출된 PDMS의 농도는 5 °C, 14 °C, 25 °C에서 거의 동일했으며, 이는 토양 공극 내 Cgas와 Cwater가 다양한 온도에서 평형을 이룬 후 CPDMS에서 정확하게 추론할 수 있음을 시사한다. 도출된 평형 분배 계수를 적용한 수동 샘플링과 능동 샘플링 측정을 동시에 수행하였으며, Cgas의 비율을 확인했을 때, 0.85~2.5 사이의 매우 유사한 값을 보였다. 추가적으로 토양의 성분에 따른 샘플링에 관해 실험하였다. 토양의 성분에서는 다양한 함수율과 무관하게 동일한 양이 샘플링되었으며, 이는 함수율이 변동하는 불포화대에서 적용할 수 있음을 나타낸다. 열역학적 관점에서 기체상 및 수상에서 모든 △G° 값이 음수였으며, 이는 수동 샘플러에 대한 VOCs의 흡수가 모든 실험 온도에서 자발적이었음을 시사한다. 이러한 실험들을 바탕으로 최종적으로 오염 현장에서 개발된 수동 샘플러를 적용하였다. Background와 오염된 현장에서의 수동 샘플링 결과를 비교하면 현장에 오염된 타겟 VOCs를 샘플링하여 수동샘플러를 입증할 수 있었다. 따라서 개발된 수동 샘플러는 토양 위해성 평가 및 오염 현장에서 VOCs의 확산을 관찰하고 농도를 도출하는데 적합함을 보여준다.
more초록/요약
Soil vapor intrusion, in which volatile organic compounds move into pores in the unsaturated zone through convection and diffusion and penetrate through cracks in basements of buildings, is one of the major inhalation exposure pathways that cause serious human hazard in groundwater and soil contamination. To evaluate this, an equilibrium passive sampling technique was developed to quantify VOCs present in the gas phase in pores of the unsaturated zone. Polydimethylsiloxane(PDMS) was used as the VOCs absorption medium, and expanded polytetrafluoroethylene(ePTFE) on the surface was used to protect PDMS from direct contact with groundwater and soil from contamination. PDMS, an absorption medium, absorbed nine types of VOCs between gaseous and aqueous phases and measured the time required to reach equilibrium. All the VOCs used in the experiment showed a deviation by temperature, but reached equilibrium within 7 days. Based on the time to reach equilibrium, the Henry constant according to the temperature of 9 types of VOCs in PDMS, gaseous phase, and aqueous phase was derived, and the equilibrium partition coefficient was measured by calculating Cgas and Cwater. The concentrations of PDMS exposed to gas phase and water, respectively, were almost identical at 5 °C, 14 °C, and 25 °C, suggesting that Cgas and Cwater in soil voids can be equilibriumed at various temperatures and then deduced accurately from CPDMS. Manual sampling and active sampling measurements were performed simultaneously with the derived equilibrium distribution coefficient, and when the ratio of Cgas was confirmed, very similar values were shown between 0.85 and 2.5. Additionally, sampling according to soil components was experimented. In soil components, the same amount was sampled regardless of various moisture rates, indicating that it can be applied in an unsaturated zone where the moisture content fluctuates. From a thermodynamic perspective, all △ G° values in gas phase and water were negative, suggesting that the absorption of VOCs for manual sampler was spontaneous at all experimental temperatures. Based on these experiments, a manual sampler developed at the contamination site was finally applied. Comparing the results of manual sampling at the background and contaminated sites, it was possible to demonstrate manual sampling by sampling the target VOCs contaminated at the site. Therefore, we show that the developed manual sampler is suitable for soil risk assessment and for observing the diffusion of VOCs at contamination sites and deriving concentrations.
more목차
1. 서론 1
1.1 연구배경 1
1.2 연구목적 3
2. 문헌연구 5
2.1 휘발성유기화합물(VOCs)의 일반적 정의 및 특징 5
2.2 토양오염 9
2.2.1 토양오염의 정의 9
2.2.2 토양오염원 및 토양오염물질 10
2.2.3 토양증기침투 및 실내공기질 관리 13
2.3 위해성평가 18
2.4 수동 샘플러의 정의 및 특징 24
2.5 폴리머 샘플러 - PDMS 26
3. 연구방법 28
3.1 실험가설 28
3.2 분석방법 31
3.3 실험방법 35
3.3.1 PDMS, 기체상 및 수상에서의 평형 도달 시간 35
3.3.2 PDMS, 기체상 및 수상의 평형 분배 계수 38
3.3.3 수동 샘플러 검증 40
3.3.4 토양 성분에 따른 수동 샘플러의 영향 41
3.3.5 오염지역에서의 적용 42
3.4 해석방법 48
4. 연구결과 50
4.1 PDMS, 기체상 및 수상에서의 평형 도달 시간 50
4.2 PDMS, 기체상 및 수상의 평형 분배 계수 65
4.3 수동 샘플러 검증 74
4.4 토양 성분에 따른 수동 샘플러의 영향 79
4.5 수동 샘플러의 흡수에 대한 온도의 영향 84
4.6 오염지역에서의 적용 90
5. 결론 95
참고문헌 97
