1. 서 론
2. 실험 시료 및 방법
2.1 실험 시료
2.2 미세플라스틱 응집 실험(Kinetic test)
2.3 모래 컬럼 실험
2.4 미세플라스틱 농도 분석
3. 결과 및 고찰
3.1 미세플라스틱 응집 특성
3.2 응집에 따른 미세플라스틱 이동성
3.3 변동 유량에서의 미세플라스틱 이동성
4. 결 론
1. 서 론
전 세계적으로 플라스틱 생산과 사용이 증가함에 따라 플라스틱 폐기물의 발생량 또한 지속적으로 증가하고 있다. 적절히 처리되지 않은 플라스틱 폐기물은 해양, 토양 및 지반환경으로 유입될 수 있다. 플라스틱은 자연환경에서 분해 속도가 느리고 장기간 잔류할 수 있으며, 이 과정에서 점차 작은 입자로 분해되어 미세플라스틱(microplastic)을 형성한다(Song et al., 2017). 미세플라스틱은 일반적으로 1μm에서 5mm 크기의 플라스틱 입자로 정의되며(Zhao et al., 2025), 최근 이러한 미세플라스틱이 수환경뿐만 아니라 토양 및 지하수 환경에서도 검출되면서 지반환경 내 거동에 대한 관심이 증가하고 있다(Yun et al., 2025).
지반환경에 존재하는 미세플라스틱의 주요 발생원으로는 매립지 침출수, 농업용 비닐, 비료, 하수 슬러지 등이 보고되고 있다(Chia et al., 2023). 지반으로 유입된 미세플라스틱은 표층에 잔류할 수 있을 뿐만 아니라, 강우 등에 의해 침투수와 함께 지반의 공극을 따라 지반 내부로 이동하여 지하수로 유입될 가능성이 있다. 특히 모래층은 입자성 오염물질의 이동 과정에서 여과 매질로 작용할 수 있다(Ahn et al., 2014). 따라서 모래지반 내 미세플라스틱의 이동 및 잔류 특성을 파악하는 것은 토양 및 지하수 오염 가능성을 평가하는 데 중요한 요소이다.
일반적으로 지하수 흐름은 층류 조건으로 가정되는 경우가 많으나, 균열성 지반 또는 fracture network에서는 국부적으로 난류가 발생하거나 층류와 난류가 공존할 수 있다(Fang et al., 2022). 이러한 난류 조건에 미세플라스틱이 유입될 경우 입자 간 충돌 빈도가 증가하여 입자의 응집이 발생할 수 있다(Sun et al., 2021). 즉 지반환경에서 미세플라스틱은 항상 단일 입자 상태로 존재하지 않을 수 있으며, 유동 조건에 의해 응집체를 형성할 수 있다. 따라서 미세플라스틱의 지반 내 이동성을 평가하기 위해서는 분산 상태뿐만 아니라 응집 상태에서의 이동 특성을 함께 고려하여야 한다.
또한 실제 지반환경에서의 침투 및 지하수 흐름은 항상 일정한 유량으로 지속되는 것이 아니라, 강우 등에 의해 시간에 따라 변동할 수 있다(Vanderborght and Vereecken, 2007). 특히 간헐적 강우(intermittent rainfall) 조건에서는 지하수 유속이 강우에 의해 증가하고 감소하는 현상이 반복적으로 발생할 수 있으며 이러한 조건에서는 미세플라스틱 입자와 모래 입자의 접촉시간이 일정하지 않고 반복적으로 감소하고 증가한다(Sobotkova et al., 2018). 선행 연구에서는 유동 정지 시간이 증가할수록 콜로이드 입자의 공극 내 체류 시간이 증가하게 되어 입자의 잔류량이 증가할 수 있음이 보고되었다(Carstens et al., 2017). 따라서 미세플라스틱의 이동성에 대한 변동 유량 조건의 영향을 검토해야 할 필요가 있다.
본 연구에서는 미세플라스틱을 대상으로 입자의 응집 상태, 주입 유량 조건, 모래 입경을 변수로 하여 1차원 모래 컬럼 실험을 수행하였다. 직경 1μm 크기의 미세플라스틱 시료를 사용하여 교반을 통해 입자의 응집을 유도하여 분산 상태와 응집 상태의 미세플라스틱 현탁액(suspension)을 각각 조성하여 실험 결과를 비교하였다. 또한 일정 유량 조건과 변동 유량 조건에서 미세플라스틱을 주입하여 변동 유량 조건의 영향을 분석하였다. 이를 바탕으로 미세플라스틱의 응집에 따른 유효 입경 변화와 유량 조건 및 모래의 공극 구조가 미세플라스틱의 이동 및 잔류 특성에 미치는 영향을 분석하였다.
2. 실험 시료 및 방법
2.1 실험 시료
본 연구에서는 균질한 규사 모래(SiO2, Kyoungin Corp. Korea)를 사용하여 1차원 컬럼(column) 실험을 수행하였다. 모래 입경과 PSMP의 상대적 크기 관계가 이동성에 미치는 영향을 평가하고 굵은 모래부터 가는 모래까지의 입경을 모두 모사하기 위해 이에 해당하는 중간 입경(d50)을 가진 K2(굵은 모래), K3(중간 모래), K5(중간 모래), K6(중간 모래), K7(가는 모래), K8(가는 모래) 모래를 이용하였다(Fig. 1). 각 모래 시료의 기본 물리적 특성은 Table 1에 제시하였다. 실험에 앞서 모래 시료에 존재할 수 있는 미세 입자 및 잔류 불순물을 제거하기 위해 전처리를 수행하였다. 먼저 모래 시료를 탈이온수(deionized water)로 여러 차례 세척한 후, 초음파 세척기를 이용하여 2시간 동안 추가 세척하였다. 이를 통해 컬럼 실험 중 유출수의 흡광도 측정에 모래 시료 자체의 불순물이 영향을 미치는 것을 방지하였다. 세척된 모래는 24시간 동안 오븐 건조하여 실험에 사용하였다.
Table 1.
Physical properties of sands used in this study
미세플라스틱 시료는 직경 1μm의 폴리스티렌(polystyrene) 라텍스 입자(Sigma-Aldrich)를 사용하였다(Fig. 1). 폴리스티렌 미세플라스틱(PSMP) 입자의 비중(Gs)은 1.05이며, 표면이 카복실기 처리된 입자를 사용하였다. 미세플라스틱은 자외선 및 산화에 의한 분해 과정을 거치며 표면에 산소 함유 작용기가 형성될 수 있다(Sarkar et al., 2021). 또한 PSMP의 영전하점(point of zero charge)은 산성 영역(pH = 2.5－4.5)에 위치하는 것으로 알려져 있다(Zhang et al., 2023). 따라서 본 연구에서의 실험 조건(pH = 6.26)에서 PSMP는 음전하를 띠는 것으로 판단되며, 이는 자연 지하수 조건(pH = 6.0－8.5)에서의 PSMP 표면 전하 특성을 카복실기 개질 입자로 모사하기에 적합하다. 컬럼 주입용 PSMP 현탁액은 원액(25g/L)을 희석하여 7.5mg/L로 조성하였다. 해당 농도는 수환경에서 보고된 미세플라스틱 유입 농도 범위(1－30mg/L)를 고려하여 설정하였다(Choe et al., 2025). 실험 용액의 이온강도(ionic strength)는 NaCl을 이용하여 지하수 조건과 유사한 5mM로 조절하였다.
2.2 미세플라스틱 응집 실험(Kinetic test)
미세플라스틱의 응집 상태에 대한 영향을 평가하기 위하여 분산 상태(dispersed state)와 응집 상태(aggregated state)의 PSMP 현탁액을 각각 준비하였다. PSMP 현탁액에 교반으로 인한 turbulent flow 조건을 부여하여 응집을 유도하고, 시간에 따른 응집 거동을 확인하기 위한 kinetic test를 수행하였다. Kinetic test는 PSMP 현탁액을 교반하여 수행하였으며, 교반 속도는 교반에 의한 전단력이 미세플라스틱 입자 간 충돌과 응집을 유도할 수 있음을 보고한 선행연구(Sun et al., 2021)을 참고하여 500rpm으로 설정하였다. PSMP의 응집 여부는 교반 중 시료를 채취하여 시간에 따른 흡광도 및 입도분포를 측정을 통해 확인하였으며, 두 측정값이 수렴하는 시점(응집 완료 시점)까지 측정하고 수렴에 소요되는 시간(24시간)을 산정하여 컬럼 실험에 적용하였다. 흡광도는 UV-Vis 분광광도계(Genesys 150, Thermo Scientific)를 이용하여 502nm 파장에서 측정하였으며, 측정 파장 선정 및 농도 분석 방법은 2.4절에 제시하였다. 응집이 진행되면 분산 상태로 존재하는 개별 입자의 수가 감소하므로 흡광도 감소에 따라 PSMP cluster가 형성되는 것으로 볼 수 있었다. 또한 시간에 따른 흡광도 변화가 수렴하는 시점을 입자의 응집이 평형 상태에 도달한 것으로 판단하였다. 채취한 시료의 입도분포는 입도분석기(Practica LA-960V2, Horiba)를 이용하여 측정하였으며, 이를 통해 시간에 따른 응집 입자 크기 변화를 정량적으로 확인하였다. 한편 분산 상태의 안정성을 확인하기 위해 교반하지 않은 상태의 PSMP 현탁액 또한 흡광도 및 입도분포 변화를 측정하였다.
2.3 모래 컬럼 실험
본 연구에는 내경 5.08cm, 높이 15.24cm의 원통형 아크릴 컬럼을 사용하였다(Fig. 2). 또한 실험 중 모래 입자의 유실을 방지하기 위해 컬럼 하부에 플라스틱 mesh를 설치하였다. K2－K6 모래에는 opening size 105μm의 mesh를 설치하였으며, 상대적으로 입경이 작은 K7 및 K8 모래의 경우 opening size 74μm의 mesh를 설치하였다. Wet pluviation 방법(Won et al., 2021)을 이용하여 오븐 건조된 모래로 상대밀도 70%의 포화 모래 컬럼을 조성하였다. PSMP 주입에 앞서 모래 컬럼 준비 과정에서 남아있을 수 있는 불순물의 영향을 최소화하기 위해 배경 용액(background solution)을 컬럼에 주입하였다. 본 연구에서 사용한 배경 용액은 PSMP가 포함되지 않은 NaCl 5mM 용액으로, 이 과정은 유출수의 흡광도가 0에 도달할 때까지 수행하였다.
컬럼 실험은 PSMP의 응집 상태와 주입 유량 조건에 따라 구분하여 수행하였다. 먼저 PSMP의 응집 상태에 따른 영향을 평가하기 위해 일정 유량 조건에서 분산 상태와 응집 상태의 PSMP 현탁액을 각각 주입하였다. 각 현탁액은 2.2절에서 제시한 응집 kinetic test 결과를 바탕으로 조성하였으며 그 결과에 대해서는 3.1절에 서술하였다. 일정 유량 조건에서는 PSMP 현탁액을 peristaltic pump를 이용하여 8mL/min의 유량(Darcy velocity = 3.95mm/min)으로 5 pore volume(PV)동안 주입하였다. 본 연구에서 1PV는 포화 모래 컬럼 내 공극수의 부피로 정의하여, 각 모래 시료의 최대 및 최소 간극비(emax, emin)와 목표 상대밀도(Dr = 70%)를 이용하여 컬럼 내 간극비를 산정하고, 이를 간극률(n = e/(1+e))로 환산한 후 컬럼 부피에 곱하여 산정하였다. PSMP 주입 후에는 3-way 밸브를 이용하여 PSMP가 포함되지 않은 배경 용액을 추가로 5PV 주입하여 유출 농도 변화를 통한 PSMP의 탈착 여부를 관찰하였다. Peristaltic pump에 의해 발생할 수 있는 유량 변동을 줄이기 위해 펌프와 컬럼 사이에 pulse dampener를 배치하였다.
본 연구에서는 간헐적 강우와 같이 실제 지반환경에서 침투와 유동 정지가 반복될 수 있는 유량 조건이 PSMP 이동성에 미치는 영향을 평가하기 위해 구형파 유량 조건(변동 유량 조건)의 컬럼 실험을 추가로 수행하였다. 변동 유량 조건의 실험은 분산 상태의 PSMP 현탁액으로 수행하였으며, 진폭에는 일정 유량 조건과 동일한 주입 유량인 8mL/min을 사용하였다. 이때 주입시간과 정지시간은 각각 1PV에 해당하는 시간으로 설정하여 용액을 주입하였다. PSMP 현탁액의 총 주입량은 5PV으로 일정 유량 조건과 동일하게 유지하였으며, 이후 배경 용액 또한 변동 유량으로 5PV 주입하였다. 이를 통해 동일한 주입량에서 연속 주입과 pulse 형태의 주입이 PSMP의 컬럼 내 이동성에 미치는 영향을 비교하였다.
2.4 미세플라스틱 농도 분석
PSMP 현탁액의 흡광도 및 유출수 내 PSMP 농도는 UV-Vis 분광광도계를 이용하여 분석하였다. 실험 전 1－100mg/L 농도 범위의 PSMP 현탁액을 준비하고, 각 농도 조건에서 190－1100nm 범위의 흡광도 스펙트럼을 2nm 간격으로 측정하였다. 측정 결과를 바탕으로 현탁액 농도 변화에 대한 선형성이 가장 높은 502nm를 분석 파장으로 선정하였다. 이후 현탁액의 농도와 502nm 파장에서 측정된 흡광도 사이의 검량선(calibration curve)(Fig. 3)을 산정하였으며, 이를 통해 컬럼 실험 중 측정된 유출수 내 미세플라스틱 농도를 산정하였다.
컬럼 실험 중 유출수는 컬럼 하부 outlet과 연결된 flow cell을 통해 UV-Vis 분광광도계로 연속적으로 유입되도록 하였다. 이를 통해 실험 전 과정에서 유출수를 별도로 채취하지 않고 일정한 시간 간격으로 흡광도를 자동으로 측정할 수 있었다. 본 연구에서는 2분 간격으로 유출수의 흡광도를 측정하였으며, 이는 약 0.16PV에 해당한다. 산정된 유출 농도(C)는 주입 농도(C0)에 대한 비(C/C0)로 정규화하여 유출곡선(breakthrough curve, BTC)으로 나타내었다. 또한 주입된 PSMP 총량 대비 유출된 PSMP의 비율을 유출 회수율(Me)로 산정하여 조건별 이동성을 비교하였다.
3. 결과 및 고찰
3.1 미세플라스틱 응집 특성
미세플라스틱의 응집 kinetic test 결과는 Fig. 4와 같다. 먼저 교반하지 않은 PSMP 현탁액의 경우 24시간 동안 흡광도와 입도분포가 큰 변화 없이 유지되었다(Figs. 4(a), 4(b)). 이는 turbulent flow가 가해지지 않은 조건에서 PSMP가 비교적 안정적인 분산 상태를 유지하였음을 나타낸다. 반면, 교반한 PSMP 현탁액의 경우 시간이 지남에 따라 흡광도가 감소하는 경향을 보였다(Fig. 4(c)). 흡광도는 약 24시간 이후 수렴하는 양상을 나타냈으며, 이는 교반에 의해 PSMP 응집이 진행된 후 비교적 안정한 상태에 도달했음을 의미한다. 동일한 시료에 대해 측정한 입도분포 결과에서도 시간 경과에 따른 입경 증가가 확인되었다(Fig. 4(d)). 특히, 교반 후 PSMP의 d50은 약 5μm까지 증가하였으며, 이는 초기 입경인 1μm에 비해 약 5배 큰 값이다.
이러한 결과는 IS = 5mM 조건에서 교반에 의해 PSMP 응집 cluster가 형성되었음을 보여준다. 2.1절에서 제시된 바와 같이, 카복실기 개질 PSMP 입자는 본 연구의 pH 조건에서 음전하를 띠는 것으로 판단된다(Zhang et al., 2023). 그러나 용액 내 전해질(electrolyte) 이온이 존재할 경우 전기이중층(electrical double layer)이 압축되어 입자 간 반발력이 감소할 수 있으며, 이에 따라 응집 현상이 일어날 수 있다(Chu et al., 2019). 본 연구에서는 이온강도 5mM 조건을 사용하였기 때문에 입자 간 반발력이 일부 감소한 상태에서 교반에 의한 충돌이 지속적으로 발생하였고, 그 결과 응집체 형성이 촉진된 것으로 판단된다. 이러한 경향은 전해질이 존재하는 조건에서 교반에 의해 미세플라스틱 응집이 증가한다고 보고한 Sun et al.(2021)의 결과와도 일치한다.
또한 Fig. 3(c)에서 흡광도 감소 속도는 초기 교반 단계에서 크게 나타난 반면, 시간이 지남에 따라 감소 폭이 점차 줄어드는 경향을 보였다. 이는 초기에는 단일 입자 상태의 PSMP가 다수 존재하여 입자 간 충돌 가능성이 높지만, 응집이 진행됨에 따라 현탁액 내 분산 입자의 수가 감소하기 때문으로 해석할 수 있다. 실제로 흡광도가 수렴한 시점에서 PSD 또한 더 이상 큰 변화를 나타내지 않았으며, 이는 응집 형상이 평형 상태에 도달하였음을 의미한다. 따라서 본 연구에서는 교반하지 않은 PSMP 현탁액을 분산 상태, 24시간 교반 후 d50 증가가 확인된 PSMP 현탁액을 응집 상태로 구분하여 컬럼 실험에 사용하였다.
3.2 응집에 따른 미세플라스틱 이동성
Fig. 5는 분산 상태와 응집 상태의 PSMP를 일정 유량으로 주입하였을 때와 분산 상태의 PSMP를 변동 유량으로 주입하였을 때 모래 d50에 따른 유출곡선을 나타낸 것이다. Fig. 5에 나타난 바와 같이 전반적으로 응집 상태의 PSMP는 분산 상태에 비해 낮은 유출 농도를 보였으며, 이러한 차이는 모래 d50이 작아질수록 더욱 뚜렷하게 나타났다. 이는 PSMP의 응집에 따른 유효 입경 증가가 모래 공극 내 이동성을 감소시키는 요인으로 작용하였음을 보여준다. 즉, Fig. 5의 결과는 동일한 모래에서도 PSMP가 단일 입자에 가까운 분산 상태로 존재하는 경우와 응집체 상태로 존재하는 경우 공극 내 이동 양상이 달라질 수 있음을 의미한다.
K2와 K3 모래의 경우 분산 상태와 응집 상태의 유출곡선 차이가 비교적 작게 나타났다(Figs. 5(a), 5(b)). K2 모래의 경우 분산 상태에서 Me값은 83.7%였으며, 응집 상태에서도 82.3%로 유사한 값을 보였다. K3 모래에서도 Me값은 분산 상태에서 77.8%, 응집 상태에서 70.2%로 감소하였으나 그 차이는 크지 않았다. 이는 K2 및 K3 모래의 공극 크기가 PSMP 단일 입자 및 응집된 입자의 크기에 비해 상대적으로 크기 때문에 응집에 의한 공극 이동 제한 효과가 크지 않았기 때문으로 판단된다. 이때 모래와 PSMP의 상대적인 입경비(size ratio)를 모래의 d50(d50,sand)에 대한 PSMP의 d50(d50,PSMP)의 비로 정의하였다. 분산 상태와 응집 상태의 PSMP에 대한 입경비는 각각 SRDisp.와 SRAgg.로 구분하여 Fig. 5에 제시하였다. K3 모래의 입경비는 PSMP 응집 상태에서 약 280으로 산정된다. 즉, 입경비가 280 이상일 때는 모래의 공극 구조가 PSMP의 이동을 제한할 정도로 작지 않아 PSMP가 공극을 따라 비교적 원활하게 이동한 것으로 해석된다.
반면, K5 모래부터는 분산상태에 비해 응집 상태에서 PSMP의 이동성 감소가 뚜렷하게 나타났다(Fig. 5(c)). K5와 K6 모래에서는 응집 상태일 때 입경비가 200 이하로 감소하였으며, Me값이 각각 10.6%, 10.3%로 크게 낮아졌다(Figs. 5(c), 5(d)). 이는 모래 d50이 작아짐에 따라 응집된 PSMP 입자의 유효 입경에 비해 공극 크기가 감소하였기 때문이라고 볼 수 있다. 하지만 분산 상태 실험 결과를 살펴보면 PSMP의 이동성은 단순히 입경비만으로 설명되지 않음을 알 수 있다. 예를 들어 K3 모래의 응집 조건에서는 입경비가 약 280이었음에도 비교적 높은 Me값을 보인 반면, K5 및 K6 모래의 분산 조건에서는 입경비가 각각 약 980, 470임에도 Me값이 53.8%, 47.9%로 더 낮게 나타났다. 이는 입경비가 입자 간 상대적인 크기를 나타내는 지표이지만, 복잡한 지반 내 공극 구조 전체를 직접적으로 대표할 수 없다는 것을 시사한다. 모래 d50이 작아질수록 단위 부피당 비표면적이 증가하고 PSMP가 공극을 통과하는 과정에서 모래 입자 표면과 접촉할 가능성이 커진다. 또한 본 연구는 5mM NaCl 조건에서 수행되었기 때문에 전해질에 의해 PSMP와 모래 입자 사이의 정전기적 반발력이 감소하고, 입자 간 인력이 증가할 수 있다. 따라서 d50이 0.98mm 이하인 세립질 모래 조건에서는 단순히 공극 크기에 대한 PSMP의 상대적인 입경뿐만 아니라, 증가한 모래 표면적과 전해질 조건에서의 모래 표면에 부착 현상이 함께 작용하여 PSMP의 유출량이 감소한 것으로 해석된다. 특히 K5와 K6 모래 실험에서 유출곡선의 plateau가 주입 시간에 따라 증가하는 경향을 보였다. 이는 초기 주입 단계에서 PSMP가 모래 표면에 부착되면서 모래 표면의 유효 부착 용량(available attachment sites)을 점유하면서 유출량이 감소하게 되었으나, 주입이 지속됨에 따라 부착 가능한 지점이 점차 감소하게 되고 이에 따라 추가로 유입되는 PSMP의 부착이 점차 제한되는 부착 포화(blocking) 현상이 나타난 것으로 해석된다. 따라서 K5와 K6 모래에서는 PSMP의 이동성이 초기에는 부착으로 인해 제한될 수 있으나, PSMP의 유입이 지속될수록 부착 포화 현상으로 인해 이동성이 증가할 수 있음을 보여준다.
K7과 K8 모래에서는 낮은 입경비로 인해 PSMP의 이동이 대부분 제한되고 모래에 잔류하는 것을 볼 수 있다(Figs. 5(e), 5(f)). K7 모래의 경우 분산 상태에서도 Me값이 9.5%로 낮게 나타났으며(입경비 = 190), 응집 상태에서는 유출수 내 PSMP가 거의 검출되지 않았다. K8 모래에서는 분산 상태와 응집 상태 모두에서 PSMP가 거의 유출되지 않았다. 이는 모래 d50이 충분히 작아 입경비가 120 이하일 경우, PSMP가 분산 상태로 주입되더라도 공극 구조에 의해 이동이 크게 제한될 수 있음을 의미한다. 특히 응집 상태에서는 PSMP의 유효 입경이 증가하기 때문에 PSMP가 공극을 이동하는 과정에서 입자 크기에 비해 좁은 공극 목(pore throat)을 통과하지 못하고 모래 입자 사이에 물리적으로 포획되는 straining 현상이 지배적으로 작용한 것으로 판단된다(Wel et al., 2026).
3.3 변동 유량에서의 미세플라스틱 이동성
Fig. 5에는 변동 유량 조건에서의 실험 결과를 분산상태와 응집상태의 결과와 함께 나타내었다. Fig. 5에 나타난 바와 같이 K8 모래에서는 일정 유량 조건에서도 PSMP 유출이 거의 발생하지 않아 이동성이 매우 제한적인 것으로 나타나 변동 유량 조건의 경우 K8 모래를 제외한 K2, K3, K5, K6, K7 모래에 대한 실험만 수행하였다. 변동 유량 실험은 분산 상태의 PSMP를 사용하여 진행하였으므로, 분산 상태의 일정 유량 실험 결과와 비교했을 때 변동 유량 조건에서 전반적으로 Me값의 감소가 확인되었다. 이는 컬럼 내 유동이 주입 정지 구간이 추가 되면서 공극 내 PSMP의 이동 양상에 영향을 준 것으로 사료된다. 특히 K6 모래의 경우 주입과 정지 과정의 반복에 따라 유출 농도가 불연속적으로 변화하는 양상이 가장 뚜렷하게 관찰되었다. 이 조건에서는 주입이 재개될 때 유출 농도가 주입 정지 직전 수준으로 바로 회복되지 않고, 낮은 농도에서 다시 증가하는 경향을 보였다. 이는 정지 구간 동안 PSMP의 이동이 중단되는 동시에 모래 표면과의 접촉 시간이 증가하게 되고, 그 결과 일부 PSMP가 모래 표면에 추가적으로 부착되었기 때문으로 해석된다. 이러한 결과는 앞서 일정 유량 실험에 대한 해석 중 입자 간의 인력으로 인해 K5와 K6 모래에서 분산 상태의 PSMP임에도 유출량이 감소했던 결과와 일치한다. 이후 주입이 재개되면 다시 유동이 형성되면서 공극 내에 남아있던 PSMP 또는 새롭게 유입된 PSMP가 이동하여 유출 농도가 점차 증가한 것으로 해석된다. 이러한 결과를 통해 실제 지반환경에서 간헐적인 침투가 발생할 경우, steady state 유량 조건과 다른 PSMP 이동 패턴이 나타날 수 있음을 알 수 있다.
한편, K7 모래에서는 변동 유량 조건에서 Me값이 18.8%로 나타나 일정 유량 조건의 9.5%보다 높은 값을 보였다(Fig. 5(e)). 이는 주입 초기에는 일정 유량 조건과 유사한 유출농도를 나타내다가 주입 정지 구간을 통해 PSMP의 모래 표면에의 부착이 촉진되며 유효 부착 용량이 빠르게 줄어들었기 때문으로 판단된다. 그 결과 변동 유량 조건에서 일정 유량 조건보다 더 뚜렷한 부착 포화 현상을 보이며 유출곡선의 plateau가 주입 시간이 증가함에 따라 증가하는 형상을 나타낸 것을 알 수 있다. 따라서 Fig. 5(e)의 결과는 입경비가 190보다 작은 경우, 유량 변동 시에 일정 유량에 비해 미세플라스틱의 이동이 증가할 수 있음을 의미한다.
4. 결 론
본 연구에서는 미세플라스틱의 응집 상태와 주입 유량 조건이 포화 모래지반 내 이동 특성에 미치는 영향을 평가하기 위하여 PSMP 현탁액을 이용하여 응집 kinetic test와 1차원 모래 컬럼 실험을 수행하였다. PSMP는 분산 상태와 응집 상태로 구분하여 주입하였으며, 모래 입경에 따른 유출 곡선과 Me값을 비교하였다. 또한 분산 상태의 PSMP를 대상으로 일정 유량 조건과 변동 유량 조건에서의 유출 특성을 비교하였다. 본 연구를 통해 얻은 결론은 다음과 같다.
(1) 응집 kinetic test 결과, 교반하지 않은 PSMP 현탁액은 24시간 동안 안정적인 분산 상태를 유지하였다. 반면, 교반 조건에서는 시간이 지남에 따라 흡광도가 감소하고 입경이 증가하였으며, 약 24시간 이후 비교적 안정적인 응집 상태에 도달하였다. PSMP 응집 상태의 d50은 초기 d50보다 약 5배 증가하였으며, 이를 통해 교반에 의한 PSMP 응집체 형성을 확인하였다.
(2) PSMP의 응집은 모래 컬럼 내 이동성을 감소시키는 주요 요인으로 작용하였다. 특히 응집에 의해 PSMP의 유효 입경이 증가하면서 PSMP 응집체의 모래 공극 통과가 제한되었으며, 이로 인해 분산 상태에 비해 응집 상태에서 유출 농도와 Me값이 전반적으로 감소하였다. 특히 입경비가 약 120(K7 모래와 응집된 PSMP, K8 모래와 분산된 PSMP) 이하일 때는 유출이 거의 일어나지 않음을 확인하였다. 따라서 미세플라스틱의 이동성을 평가할 때 단일 입자 크기뿐만 아니라 실제 유입 과정에서 형성될 수 있는 응집체의 크기를 함께 고려해야 함을 확인하였다.
(3) 응집된 PSMP의 K3 모래(입경비 = 280, Me = 70.2%) 내 이동성과 분산된 PSMP의 K5 모래(입경비 = 980, Me = 53.8%) 내 이동성 평가 결과는 PSMP의 모래지반 내 이동성이 입경비 뿐만 아니라 모래의 비표면적 및 입자 간 부착 가능성에 큰 영향을 받음을 의미한다. 이를 통해 미세플라스틱의 지반 내 이동은 모래 지반 공극의 상대적 크기뿐만 아니라 모래-PSMP 입자 간 부착 가능성을 모두 반영해야 함을 알 수 있다.
(4) 변동 유량 실험을 통해 주입 정지 구간으로 인한 PSMP와 모래 입자 사이의 접촉 시간 증가로 인해 일정 유량 조건 대비 PSMP의 이동성 감소에 영향을 미치는 것을 확인하였다. 하지만 K7 모래(입경비 = 190)의 경우 변동 유량 flow 조건에서 이동성이 오히려 증가함을 확인하였다. 따라서 본 연구에서의 실험결과는 지반환경에서 미세플라스틱의 이동성을 평가할 때 모래 또는 PSMP 입자의 크기뿐만 아니라 강우 또는 침투 조건에 따른 시간적 유량 변동도 함께 고려할 필요가 있음을 시사한다.
(5) 본 연구에서는 균질한 규사를 사용하여 실험을 수행하였으며, 이를 통해 각 실험 변수에 따른 PSMP의 이동 및 잔류 특성을 비교하였다. 이러한 실험 결과는 향후 수치 모델을 통해 PSMP 이동 거동을 정량화하기 위한 자료로 활용할 수 있을 것으로 생각된다. 다만 실제 지반환경에서는 세립분 함량, 유기물, 광물 조성 및 불균질한 입도분포 등이 미세플라스틱의 이동에 추가적인 영향을 줄 수 있기 때문에 실제 자연지반환경의 모사를 위해서는 향후 다양한 지반 조건에서의 추가 실험을 수행이 요구된다.
