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다공성 매질내에서 CMC로 표면개질된 영가철 나노입자의 이동 특성에 관한 연구
A Study on Transport Characteristics of CMC-modified Zero Valent Iron (ZVI) Nanoparticles in Porous Media

조윤철    (광운대학교 환경공학과   ); 최상일    (광운대학교 환경공학과  );
  • 초록

    카르복시메틸 셀룰로즈(carboxymethyl cellulose, CMC)와 같은 안정화제는 오염된 지하대수층에서 영가철 나노입자의 이동을 촉진할 수 있다. 본 연구에서는 CMC로 개질된 영가철 나노입자의 이동성을 컬럼실험을 통해 조사하였다. CMC로 개질된 100 mg/L 영가철 나노입자는 모래로 이루어진 공극매체에서 이동이 가능하였다. 하지만 비개질된 영가철 나노입자는 제조된 용액에서 쉽게 엉김현상이 나타났고, 모래로 이루어진 공극매체에서 통과하지 못했다. pH가 7일 때 영가철 나노입자 약 80%가 컬럼을 통과하여 흘러나왔다. pH가 5이하로 감소할 때는, 100%의 CMC로 개질 된 영가철 나노입자는 100%가 흘러나왔다. 이온강도세기 실험에서 $Na^+$ 과 $Ca^{2+}$ 이온의 농도가 증가함에 따라 CMC로 개질된 영가철의 이동성이 다소 감소하는 것으로 나타났다. 점토과 자연유기물(natural organic matter, NOM) 영향 실험에서는, 1과 5%의 점토와 100과 1000 mg/L의 자연유기물질은 CMC로 개질된 영가철 나노입자의 이동성에는 크게 영향을 주지 못하는 것으로 나타났다. 본 실험의 결과로부터 CMC로 개질된 영가철 나노입자는 다양한 이온세기, 자연유기물농도 및 점토함량을 가진 토양내에서도 효과적으로 이동될 것으로 기대된다.


    Carboxymethyl cellulose (CMC) as stabilizer is expected to facilitate in-situ delivery of zero-valent iron (ZVI) nanoparticles in a contaminated aquifer because it increases dispersity of ZVI nanoparticles. This work investigated the transport of CMC-stabilized ZVI nanoparticles (CMC-Fe) using column breakthrough experiments. The ZVI nanoparticles (100 mg/L Fe) were transportable through sand porous media. In contrast, non-stabilized ZVI nanoparticles rapidly agglomerate in solution and are stopped in sand porous media. At pH 7 of solution approximately 80% CMC-Fe were eluted. When the pH of solution is below 5, 100% CMC-Fe were eluted. These results suggest that the mobility of CMCFe was increased as pH decreases. In the mobility test under different ionic strengths using $Na^+$ and $Ca^{2+}$ ions, there was no signigficant difference in the mobility of CMC-Fe. Also, in the experiments of effect of clay and natural organic mater (NOM) on the mobility of ZVI, there was no significant difference in the mobility of CMC-Fe not only between 1 and 5% clay, but 100 and 1000 mg/L NOM. The results from this work suggests that the CMC-Fe nanoparticles could be easily delivered into the subsurface over a broad range of ionic strength, clay and NOM.


  • 주제어

    영가철 나노입자 .   이동성 .   이온세기 .   점토 .   자연유기물.  

  • 참고문헌 (16)

    1. He, F., Zhao, D., Liu, J., and Roberts, C.B., 2007, Stabilization of Fe - Pd nanoparticles with sodium carboxymethyl cellulose for enhanced transport and dechlorination of trichloroethylene in soil and groundwater. Industrial and Engineering Chemistry Research, 46, 29-34 
    2. Kanel, S.R., Nepal, D., Manning, B., and Choi, H., 2007, Transport of surface-modified iron nanoparticle in porous media and application to arsenic(III) remediation. Journal of Nanoparticle Research, 9, 725-735 
    3. Nurmi, J.T., Tratnyek, P.G., Sarathy, V., Baer, D.R., Amonette, J.E., Pecher, K., Wang, C., Linehan, J.C., Matson, D.W., Penn, R.L., and Driessen, M.D., 2005, Characterization and properties of metallic iron nanoparticles: Spectroscopy, electrochemistry, and kinetics. Environmental Science and Technology, 39, 221-1230 
    4. Liu, Tongzhou, Rao, Pinhua, Mak, Mark S.H., Wang, Peng, and Lo, Irene M.C., 2009, Removal of co-present chromate and arsenate by zero-valent iron in groundwater with humic acid and bicarbonate. Water Research, 43, 9, 2540-2548 
    5. Zhang, L. and A. Manthiram (1997) Chains composed of nanosize metal particles and identifying the factors driving their formation. Appl. Phys. Lett., 70(18), 2469-2471 
    6. Schrick, B., Hydutsky, B.W., Blough, J.L., and Mallouk, T.E., 2004, Delivery vehicles for zerovalent metal nanoparticles in soil and groundwater. Chemistry of Materials, 16, 2187-2193 
    7. He, F. and Zhao, D., 2007, Manipulating the size and dispersibility of zerovalent iron nanoparticles by use of carboxymethyl cellulose stabilizers. Environmental Science and Technology, 41, 6216-6221 
    8. Johnson, R.L., Johnson, G.O'B., Nurmi, J.T., and Tratnyek, P.G., 2009, Natural Organic Matter Enhanced Mobility of Nano Zerovalent Iron. Environmental Science and Technology, 43(14), 5455-5460 
    9. Weng, Liping, Fest, Ellen P.M.J., Fillius, Jeroen, Temminghoff, Erwin J.M., and Van, Willem H., 2002, Transport of Humic and Fulvic Acids in Relation to Metal Mobility in a Copper-Contaminated Acid Sandy Soil. Environmental Science and Technology, 36(8), 1699-1704 
    10. He, F. and Zhao, D., 2005, Preparation and characterization of a new class of starch-stabilized bimetallic nanoparticles for degradation of chlorinated hydrocarbons in water. Environmental Science and Technology, 39, 3314-3320 
    11. Saleh, N., Kim, H.J., Phenrat, T., Matyjaszewski, K., Tilton, R.D., and Lowry, G.V., 2008, Ionic strength and composition affect the mobility of surface-modified $Fe^0$ nanoparticles in water-saturated sand columns. Environmental Science and Technology, 42, 3349-3355 
    12. Sirk, Kevin M., Saleh, Navid B., Phenrat, Tanapon, Kim, Hye-Jin, Dufour, Bruno, Ok, Jeongbin, Golas, Patricia L., Matyjaszewski, Krzysztof, Lowry, Gregory V., and Tilton, Robert D., 2009, Effect of Adsorbed Polyelectrolytes on Nanoscale Zero Valent Iron Particle Attachment to Soil Surface Models, Environmental Science and Technology, 43(10), 3803-3808 
    13. Saleh, N., Phenrat, T., Sirk, K., Dufour, B., Ok, J., Sarbu, T., Matyjaszewski, K., Tilton, R.D., and Lowry, G.V., 2005, Adsorbed triblock copolymers deliver reactive iron nanoparticles to the oil/water interface. Nano Letters, 5, 2489-2494 
    14. Baalousha, M., Manciulea, A., Cumberland, S., Kendall, K., and Lead, J.R., 2008, Aggregation and surface properties of iron oxide nanoparticles: Influence of pH and natural organic matter. Environmental Toxicology and Chemistry, 27, 1875-1882 
    15. He, F. and Zhao, D., 2008, Hydrodechlorination of trichloroethene using stabilized Fe-Pd nanoparticles: Reaction mechanism and effects of stabilizers, catalysts and reaction conditions. Applied Catalysis B: Environmental, 84, 533-540 
    16. He, F., Zhang, M., Qian, T., and Zhao, D., 2009, Transport of carboxymethyl cellulose stabilized iron nanoparticles in porous media: Column experiments and modeling. Journal of Colloid and Interface Science, 334, 96-102 
  • 이 논문을 인용한 문헌 (1)

    1. Lim, Taesook ; Cho, Yunchul ; Cho, Changhwan ; Choi, Sangil 2016. "A Study on Enhancement of Nitrate Removal Efficiency using Surface-Modified Zero-Valent Iron Nanoparticles" Journal of environmental science international = 한국환경과학회지, 25(4): 517~524     

 저자의 다른 논문

  • 조윤철 (4)

    1. 2009 "예비패커를 이용한 오염지하수 관정 상.하부 대수층의 지하수 수질 평가" 지하수토양환경 = Journal of soil and groundwater environment 14 (6): 73~77    
    2. 2010 "연속 안정화 공법을 이용한 중금속 오염 농경지 토양 안정화 처리를 위한 Column 실험 연구" 지하수토양환경 = Journal of soil and groundwater environment 15 (4): 39~45    
    3. 2011 "석탄광산배수슬러지를 이용한 액상상태의 비소제거 흡착특성 및 반응속도에 관한 연구" 한국환경과학회지 = Journal of the environmental sciences 20 (2): 241~249    
    4. 2016 "표면개질된 영가철 나노입자를 이용한 질산성 질소 제거율 향상에 대한 연구" Journal of environmental science international = 한국환경과학회지 25 (4): 517~524    
  • 최상일 (59)

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