나노 기술로 강화된 지하수 순환정의 옥시테트라사이클린 오염 복원 시뮬레이션 연구

May 30, 2023

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 9136(2023) 이 기사 인용

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최근 몇 년 동안 광범위한 항생제 사용으로 인해 얕은 지하수의 항생제 오염이 증가했습니다. 가장 널리 사용되는 테트라사이클린계 항생제인 옥시테트라사이클린은 분자 구조가 안정적이고 분해가 어려워 연구자들의 많은 관심을 받아왔다. 얕은 지하수의 옥시테트라사이클린 오염을 정화하기 위해 나노 과산화칼슘(nCaO2)과 오존(O3)을 사용하여 지하수 순환정(GCW)에서 옥시테트라사이클린의 분해를 강화합니다. 순환 우물을 위한 3차원 샌드박스 테스트 장치는 다양한 산화제로 강화된 순환 우물의 수리 효율성을 탐색하도록 설계되었습니다. 결과에 따르면 nCaO2 및 O3 강화 순환정이 10시간 동안 작동한 후 OTC의 평균 제거율은 83%에 도달하고 최고 제거율은 88.13%로 nCaO2 및 O3보다 각각 79.23% 및 13.96% 더 높은 것으로 나타났습니다. 순환 우물만 강화되고 폭기 중단 후 반동 현상이 없습니다. nCaO2와 O3에 의한 강화된 GCW의 현장 처리는 지하수 환경에서 OTC 제거에 잠재적인 응용이 가능합니다.

옥시테트라사이클린은 가장 흔한 테트라사이클린 항생제입니다1. 이는 축산업에서 널리 사용되지만 소량의 옥시테트라사이클린만이 흡수되어 일반적으로 대변의 형태로 환경에 유입됩니다. 옥시테트라사이클린은 안정된 분자구조를 가지고 있어 미생물에 의해 분해되기 어렵고, 장기간 존재하여 환경오염을 일으킨다2,3,4,5. López-Serna 등6은 스페인 바르셀로나의 지하수에서 항생제 농도를 검출했으며, 지역 지하수가 다양한 수준으로 오염되었으며, 최고 농도의 테트라사이클린이 188ng/L에 도달했다는 사실을 발견했습니다. Jiang7은 중국 북부의 지하수 샘플에서 16종의 항생제를 검출했으며, 이 지역 지하수의 옥시테트라사이클린 함량이 8325.8ng/L인 것을 발견했습니다. 따라서 현재 옥시테트라사이클린 오염을 통제하는 것이 항생제 오염을 제거하는 주요 과제입니다8.

지하수의 옥시테트라사이클린 오염을 해결하기 위해 현장 복원과 현장 복원이라는 두 가지 일반적인 접근 방식이 있습니다. 항생제는 지하수에 유입되면 물과 함께 흐르기 때문에 현장외 정화 비용이 많이 들고 오염 물질을 장기간 처리할 수 없으므로 오염을 처리하기 위해 현장 정화 방법 중 하나를 선택합니다. 지하수 순환 우물(GCW) 기술은 현장 공기 교란 기술 및 기상 추출 기술9,10을 기반으로 합니다. 그러나 GCW 기술만으로는 오염물질을 토양으로 이동시켜 처리할 수 있을 뿐 근본적으로 오염물질을 직접 분해할 수는 없습니다. 따라서 생물학적 강화11,12, 전기적 강화13 및 계면활성제 강화14,15와 같은 GCW를 강화하기 위해 다른 수단이 종종 사용됩니다. 오존과 과산화칼슘은 지하수에서 유기 오염물질을 제거하는 데 사용될 수 있습니다. 오존은 반응 속도가 빠르고 효과가 현저하다는 장점이 있어 지하수 처리에 널리 사용되지만16,17,18 오염물질이 다시 되돌아오기 쉽습니다. 산화제로서 과산화칼슘은 유기물을 분해할 때 O2를 생성하여 미생물에 산소 공급원을 제공하고 오염 물질을 더 빨리 제거할 수 있으므로 지하수 정화에 널리 사용됩니다. 동시에, CaO2의 또 다른 가수분해 생성물인 Ca(OH)2는 오염물질을 흡착할 수 있지만, 오염물질이 다시 튀어오르게 하는 것은 쉽지 않다는 연구 결과가 나왔습니다21,22.

나노-과산화칼슘은 활성이 높은 산화제로서 옥시테트라사이클린과 같은 유해 물질을 빠르게 산화 및 분해할 수 있습니다. 오존은 옥시테트라사이클린의 분해 및 제거를 촉진하여 오염된 지하수를 빠르고 효과적으로 복구할 수 있는 강력한 산화물질입니다. NCaO2와 오존은 무독성, 무해한 환경 보호 물질로 환경에 2차 오염을 일으키지 않으며 녹색 환경 보호 개발 개념에 더 부합합니다. 저자는 실내 3차원 시뮬레이션 실험을 통해 - nCaO2 및 O3 순환 우물을 통한 옥시테트라사이클린 오염 지하수의 현장 복원, 순환 우물의 운영 매개변수 최적화, 항생제로 오염된 지역의 장기적인 복원을 위한 새로운 아이디어 제시.