[논문]동래 납석광산 산성 광석배수의 중화실험: 중금속의 거동 특성 규명

염승준; 윤성택; 김주환; 박맹언

[국내논문] 동래 납석광산 산성 광석배수의 중화실험: 중금속의 거동 특성 규명
Neutralization of Acid Rock Drainage from the Dongrae Pyrophyllite Deposit: A Study on Behavior of Heavy Metals 원문보기

지하수토양환경 = Journal of soil and groundwater environment, v.7 no.4, 2002년, pp.68 - 76

염승준 (고려대학교 지구환경과학과) , 윤성택 (고려대학교 지구환경과학과) , 김주환 (고려대학교 지구환경과학과) , 박맹언 (부경대학교 환경지질과학과)

초록
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동래 납석광산 지역의 산성광석배수(ARD)에 의해 오염된 동래천의 공간적 화학조성 변화와 중금속의 제거 과정을 중화실험을 통하여 조사하였다. 광산에 인접한 동래천은 강산성(pH 3.0~4.2)이며 많은 양의 Al. Fe, $SO_4$및 중금속(Pb, Cu, Zn, Cd)을 포함하고 있다. 동래천의 화학조성은 산성배수의 침출지에서부터 수영강과의 합류지점까지 체계적으로 변화한다. 즉, 동래천으로 유입되는 침출수는 Al과 Fe가 풍부하나 하류로 갈수록 Al이 풍부한 조성으로 변한다. 침출수(pH 2.3)는 오염되지 않은 동래천(pH 6.5)과 소규모의 지류(pH 6.2)와 혼합되면서 pH가 최대 4.2까지 증가한다. 이러한 낮은 pH 범위(<4.2)에서는 거의 모든 Fe가 침전되나 Al은 대부분 용존상태로 남게 되어 하류로 갈수록 A띠 풍부한 조성으로 변화하게 된다. 한편, Al이 풍부한 하류의 지표수는 유량이 큰 수영강(pH 6.9)과 혼합되면서 pH가 증가(5.7)하여 흰색의 Al 침전물을 형성시킨다. 침출수를 대상으로 한 중화실험 결과. pH 3.5 이하에서 Fe침전물이, pH 4~6범위에서 Al 침전물이, 그리고 pH 6.0이상에서 Mn침전물이 형성되었다. pH의 증가에 따른 이러한 Fe, Al 및 Mn의 단계적인 침전은 실제 동래천에서 관찰되는 침전물의 형성과 잘 일치하고 있다. 또한 pH 증가에 따른 Fe및 Ai침전물에 의한 중금속의 흡착순서는 Pb>Cu>Cd$\geq$Zn이었으며, 50%의 흡착을 보이는 pH의 값($pH_{50}$은 Pb 3.2, Cu 4.5, Cd 5.2 및 Zn 5.8이었다. 이와 비교하기 위해서, Al이 풍부한 하류의 지표수를 대상으로 한 중화실험 결과, $pH_{50}$의 값은 Pb 4.5, Cu 5.8, Cd 7.4 및 Zn 7.0으로서 침출수에 비해 높은 값을 보였다. 이와 같은 결과로부터, 광산배수에서의 중금속의 제거는 pH의 변화뿐 만 아니라 하천수의 Fe 및 Al의 상대적인 양에 따라 결정됨을 알 수 있다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, we have investigated the geochemical behavior and fate of heavy metals in acid rock drainage (ARD). The ARD was collected from the area of the former Dongrae pyrophyllite mine. The Dongrae Creek waters were strongly acidic (pH : 2.3~4.2) and contained high concentrations of $SO_4$, Al, Fe, Mn, Pb, Cu, Zn, and Cd, due to the influence of ARD generated from weathering of pyrite-rich pyrophyllite ores. However, the water quality gradually improved as the water flows downstream. In view of the change of mole fractions of dissolved Fe, Al and Mn, the generated ARD was initially both Fe- and AA-ich but progressively evolved to more Al-rich toward the confluence with the uncontaminated Suyoung River. As the AR3 (pH 2.3) mixed with the uncontaminated waters (pH 6.5), the pH increased up to 4.2, which caused precipitation of $SO_4$-rich Fe hydroxysulfate as a red-colored, massive ferricrete precipitate throughout the Dongrae Creek. Accompanying the precipitation of ferricrete, the Dongrae Creek water progressively changed to more Al-rich toward downstream sites. At the mouth of the Dongrae Creek, it (pH 3.4) mixed with the Suyoung River (pH 6.9), where pH increased to 5.7, causing precipitation of Al hydroxysulfate (white precipitates). Neutralization of the ARD-contaminated waters in the laboratory caused the successive formation of Fe precipitates at pH6. The removal of trace metals was dependent on the precipitation of these compounds, which acted as sorbents. The pHs for 50% sorption ($pH_{50}$) in Fe-rich and Al-rich waters were respectively 3.2 and 4.5 for Pb, 4.5 and 5.8 for Cu, 5.2 and 7.4 for Cd, and 5.8 and 7.0 for Zn. This indicates that the trace metals were sorbed preferentially with increasing pH in the general order of Pb, Cu, Cd, and Zn and that the sorption of trace metals in Al-rich water occurred at higher pH than those in Fe-rich water. The results of this study demonstrated that the partitioning of trace metals in ARD is not only a function of pH, but also depends on the chemical composition of the water.

Keyword

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구의 목적은 동래 납석 광산에 인접한 동래천을 대상으로, (1) 비금속 광산에서의 산성광석 배수에 의한 수계오염의 특성을 고찰하고, (2) 중화실험을 통하여 Fe 및 A1 침전물에 대한 중금속의 흡착 과정을 정량적으로 밝힘으로써, (3) 중금속의 이동과 운명을 조절하는 물리화학적 작용에 대하여 규명하는 것이다.
이 논문은 윤성택에 대한 2002년 고려대학교 교내 연구비 및 BK21 사업단의 연구비 지원에 의하여 수행되었음을 밝히며 이에 감사드린다. 또한, 논문을 심사해주신 정명채 교수와 익명의 심사위원의 의견은 본 논문의 질적 향상에 많은 도움이 되었기에 감사드린다.

제안 방법

1). 또한 pH의 변화에 따른 Fe 및 A1 침전물의 형성과 침전물에 흡착되는 중금속의 거동을 알아보기 위한 중화실험용 시료로 침출수 및 수영강과 합류되기 전의 지표수를 각각 2리터씩 채수하였다(“A” and "15” in Fig. 1). 채수된 시료는 간이 수동 펌프를 이용하여 공극 크기 0.
1). 채수된 시료는 간이 수동 펌프를 이용하여 공극 크기 0.45 um인 셀룰로오스 질산염 막 필터에 통과시켜 부유물질을 제거한 후에 Nalgene제 폴리에틸렌 용기에 담았다. 양이온 분석용 시료에 대해서는 양이온 흡착, 침전, 산화 및 미생물성장을 방지하기 위하여 진한 질산을 첨가하였다.
45 um인 셀룰로오스 질산염 막 필터에 통과시켜 부유물질을 제거한 후에 Nalgene제 폴리에틸렌 용기에 담았다. 양이온 분석용 시료에 대해서는 양이온 흡착, 침전, 산화 및 미생물성장을 방지하기 위하여 진한 질산을 첨가하였다. 시료의 운반 및 저장시 아이스박스와 냉장고를 이용하여 항상 4°C 상태를 유지하였다.
시료의 운반 및 저장시 아이스박스와 냉장고를 이용하여 항상 4°C 상태를 유지하였다. 채수와 동시에 현장에서는 온도 및 pH (Orion제 model 290A pH meter; Ag/AgCl 전극), EC (Orion제 model 130 Conductivity meter) 등을 즉정하였다. 알칼리도는 산중화적정법에 의하여 현장에서 측정한 후, 실험실에 돌아와 그랜적정법을 통하여 검증하였다.
채수와 동시에 현장에서는 온도 및 pH (Orion제 model 290A pH meter; Ag/AgCl 전극), EC (Orion제 model 130 Conductivity meter) 등을 즉정하였다. 알칼리도는 산중화적정법에 의하여 현장에서 측정한 후, 실험실에 돌아와 그랜적정법을 통하여 검증하였다.
주요 용존이온의 화학분석은 고려대학교 전략광물자원연구센터에서 수행하였다. 양이온은 ICP-AES(Perkin Elmer제 model XL3000)로, 음이온은 IC(Dionex제 model 120)로 분석하였다. 모든 분석치는 측정값의 정확성, 재현성과 최저 측정한계를 고려한 QA/QC하에서 분석되었다.
동래천의 하상에 형성된 갈색 침전물과 수영강과의 합류지점에 형성된 흰색 침전물은 플라스틱 삽을 이용하여 최상부 부분만을 채취하였으며, 비닐용기에 담아서 실험실로 운반하였다. 실험실에서는 자연건조시킨후 HNO3- HF-HCIO4 혼합강산으로 완전용해한 후 화학분석(ICP- AES)을 실시하였다. 또한 광물동정을 위하여 XRD 분석 (MAC Science제 model MXP3A-HF)을 수행하였다.
실험실에서는 자연건조시킨후 HNO3- HF-HCIO4 혼합강산으로 완전용해한 후 화학분석(ICP- AES)을 실시하였다. 또한 광물동정을 위하여 XRD 분석 (MAC Science제 model MXP3A-HF)을 수행하였다.
평형 상태에 도달한 이후, 각 용액은 20분 동안 3000 rpm의 속도로 원심분리기를 이용하여 침전물과 잔류용액을 분리시켰다. 잔류용액은 다시 0.45 |^m 셀룰로오스 질산염 막 필터로 여과하고 질산을 첨가한 후, ICP-AES를 이용하여 양이온 분석을 하였고 음이온은 이온크로마토그래피를 이용하여 분석하였다. 중화작용에 의해 형성된 침전물은 상온에서 건조시켰으며, 하상침전물과 같은 방법으로 화학분석과 광물동정을 하였다.
45 |^m 셀룰로오스 질산염 막 필터로 여과하고 질산을 첨가한 후, ICP-AES를 이용하여 양이온 분석을 하였고 음이온은 이온크로마토그래피를 이용하여 분석하였다. 중화작용에 의해 형성된 침전물은 상온에서 건조시켰으며, 하상침전물과 같은 방법으로 화학분석과 광물동정을 하였다. 한편, 화학 조성의 변화에 따른 침전물의 형성과 중금속 흡착의 변화 양상을 알아보기 위하여 동래천의 지표수(시료 15)를 대상으로 침출수와 같은 방법으로 중화실험을 수행하였다.
중화작용에 의해 형성된 침전물은 상온에서 건조시켰으며, 하상침전물과 같은 방법으로 화학분석과 광물동정을 하였다. 한편, 화학 조성의 변화에 따른 침전물의 형성과 중금속 흡착의 변화 양상을 알아보기 위하여 동래천의 지표수(시료 15)를 대상으로 침출수와 같은 방법으로 중화실험을 수행하였다. 조절된 pH는 각각 3.
5). Pb, Cu, Zn, Cd의 침전물에 의한 흡착제거율(%)은 침출수의 초기 농도와 pH를 조절한 각 용액의 농도 차이를 이용하여 구하였다(Fig. 3f). 흡착의 순서는 Pb>Cu>Cd≥Zn으로 Dzombak and Morel(1990)과 Lee et a/.
지표수의 물리화학적 특성 변화와 중화실험 결과를 이용하여 동래천에서의 화학 조성의 변화 및 중금속의 거동을 고찰하였다.

대상 데이터

건기인 2001년 11월에 동래천의 지표수와 폐석더미로 부터 직접 유출되는 침출수를 대상으로 양이온과음이온 분석용 시료 각 30 ml를 채수하였다(Fig. 1). 또한 pH의 변화에 따른 Fe 및 A1 침전물의 형성과 침전물에 흡착되는 중금속의 거동을 알아보기 위한 중화실험용 시료로 침출수 및 수영강과 합류되기 전의 지표수를 각각 2리터씩 채수하였다(“A” and "15” in Fig.
주요 용존이온의 화학분석은 고려대학교 전략광물자원연구센터에서 수행하였다. 양이온은 ICP-AES(Perkin Elmer제 model XL3000)로, 음이온은 IC(Dionex제 model 120)로 분석하였다.
동래천의 하상에 형성된 갈색 침전물과 수영강과의 합류지점에 형성된 흰색 침전물은 플라스틱 삽을 이용하여 최상부 부분만을 채취하였으며, 비닐용기에 담아서 실험실로 운반하였다. 실험실에서는 자연건조시킨후 HNO3- HF-HCIO4 혼합강산으로 완전용해한 후 화학분석(ICP- AES)을 실시하였다.

성능/효과

채취한 침전물에 대한 ICP 분석 결과, 갈색 침전물의 화학조성은 Fe(15.0wt.%)와 Al(4.4 wt.%)로, 흰색 침전물은 Al(15.1 wt.%)와 Fe(5.2 wt.%)로서 각각 Fe 침전물과 Al 침전물이 우세함을 알 수 있다. XRD 분석 결과, 갈색 침전물은 비정질로서 특징적인 광물상을 확인할 수 없었다.
%)로서 각각 Fe 침전물과 Al 침전물이 우세함을 알 수 있다. XRD 분석 결과, 갈색 침전물은 비정질로서 특징적인 광물상을 확인할 수 없었다.e흰색 침전물은 20= 2(/에서 미약한 peak를 보이는데, 이는 A1이 풍부한 산성 배수로부터 형성되는 침전물에서 특징적 N으로 나타나는 비정질 또는 결정화가 잘 안된 A1 수산화물 O임을 지시한다(Brady et al.
즉, Fe는 pH<4에서, A1은 pH 4~6에서 침전되어 물내의 Fe, Al의 상대적인 양이 중금속을 제거하는 pH 범위를 결정하게 된다. 이번 실험의 결과, 중금속의 흡착은 Fe, Al, Mn 중에서 가장 많은 양으로 존재하는 원소가 침전되는 pH 범위에서 제거됨을 확인하였다. 즉, 동래천에서의 중금속은 대부분 pH가 3.

후속연구

동래 납석 광산에서 형성된 산성광석 배수(ARD)는 모 암변질대 내의 황철석의 산화와 그에 수반된 2차적인 모암성분의 용해에 의하여 다량의 Fe, Al 및 SO4를 포함하고 있다. 또한 상류에서 하류로 갈수록 하천수의 화학 조성이 변화하고 있어 비금속광산 산성배수의 화학적 진화 메커니즘과 중금속의 제거 특성을 연구할 수 있는 좋은 장소를 제공한다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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