나노물질은 다양한 형태로 응용·이용되고 있으며, 급증하는 사용량으로 미루어 궁극적으로 상당량이 자연계로 유출될 것으로 예상된다. 나노물질의 환경 유해성에 관한 연구는 비교적 활발하나, 위해성 판단에 필수적인 이동성에 대한 연구는 전 세계적으로 미미하다. 위해성 규명을 위해서는 필수적으로 나노물질의 자연환경 내 이동성은 연구되어야 하며, 이를 토대로 적정한 관리기준과 처리기준 수립에 필요한 기초자료를 제공할 수 있을 것이다. 본 연구에서는 세계적으로 사용빈도가 높은 대표 나노물질인 다중벽 탄소나노튜브를 이용하였다. 탄소나노튜브가 지하수계에 노출되었을 때 물리화학적 특성과 이동현상을 분석한 후, 칼럼실험을 통해 도출한 자료를 바탕으로 나노물질의 이동예측을 위한 수학적 모형을 고찰하였다. 먼저, 매질이 없는 상태의 회분식 실험인 공실험을 실시하여 pH, 이온강도, 천연유기물질 등 조건을 변화시켜 수계에서 나노물질의 특성 변화를 알아본 후 동일 조건에 토양을 주입하여 나노물질과 토양 매질간의 회분식 실험을 수행하여 부착경향을 알아보았다. 나노물질이 평형흡착이론을 따른다는 가정 하에 진행된 본 실험은 공실험을 통해 자체적으로 응집되는 탄소나노튜브의 양을 보정한 후 평형흡착모델중 선형모델 분배계수를 도출할 수 있었으나, 이후 모델링의 계수로 적용하는 데 무리가 있었다. 따라서 동역학적모델(비평형 흡착모델)을 적용하기로 재 가정을 하였고, 비평형 흡착모델을 해석하기 위해 부착이 되면 탈착이 일어나지 않는다는 비가역적 부착(irreversible attachment)만 작용한다는 여과모델에 초점을 두고 접근하였다. 다음으로는 위 접근방식을 기반으로 이동예측을 위한 칼럼실험을 수행하였다. 지하수 포화대를 모사하기 위해 모래로 충전한 칼럼을 이용하여 나노물질이 매질에 의한 이동현상을 관찰하였다. 99% 이상의 탄소(C)로 이루어져 있는 탄소나노튜브의 이동은 칼럼을 통과한 탄소나노튜부를 총 유기탄소 측정기(Total organic carbon analyzer)를 이용해 탄소나노튜브의 최초 주입농도와의 상대적 농도(C/C0)를 구하여 해석하였다. 이온강도를 조절하지 않은 조건(증류수 주입)부터 NaCl로 이온강도를 조절(1.0×10^-3, 2.5×10^-3, 5.0×10^-3)하여 실험을 수행한 결과, 다중벽 탄소나노튜브는 2.5×10^-3의 이온강도 (I) 조건부터 여과에 의해 뚜렷한 이동현상의 감소가 나타났다. 5×10^-3 이상의 이온강도 (I) 부터는 주입된 모든 탄소나노튜브 응집체가 여과되어 유출수에서 농도가 검출되지 않았다. 즉, 일반적인 이온강도의 지하수 조건에서는 이동 현상이 상당히 저감될 것으로 예상된다. 실제 시하수(이온강도: 0.5×10^-3)를 이용한 실험 또한 진행하였는데, 1.0×10^-3 이온강도 조건보다 높은 상대적 농도를 나타냈다. 따라서 혼합이온 상태인 지하수의 이온강도 조건에서 단일이온인 NaCl로 이온강도를 조절한 실험결과의 경향이 유사하게 나타났음을 판단할 수 있었다. 마지막으로 칼럼실험 실험조건과 결과를 바탕으로 유도한 수학적 모형을 실험을 통한 측정값과 모의곡선을 비교하는데 최소제곱오차법을 적용하여 각 조건마다 최적의 변수를 정량화하였다. 추적자실험을 통해 유체의 칼럼 내 실제 이동속도를 도출하였으며, 칼럼실험을 통한 탄소나노튜브의 상대농도 측정값은 수학적 모형을 통해 모의된 파과곡선과 비교 분석하였으며, 모델링 결과를 토대로 확산(D)과 여과계수(k) 도출이 가능하였다.

주요어: 다중벽 탄소나노튜브, 콜로이드, 여과, 부착계수, 모델링