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나노 FeS를 이용한 투과성반응벽체의 중금속 오염 지하수 처리에 관한 연구
A Study on the Removal of Heavy Metals from Groundwater Using Permeable Reactive Barriers Based on Nano FeS 원문보기

지하수토양환경 = Journal of soil and groundwater environment, v.14 no.6, 2009년, pp.19 - 28  

정관주 (서울시립대학교 환경공학부) ,  최상일 (광운대학교 환경공학과) ,  이재영 (서울시립대학교 환경공학부)

초록
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폐금속광산과 비위생매립지로 인하여 중금속으로 오염된 지하수를 처리하기 위해 FeS를 이용한 투과성반응벽체(Permeable Reactive Barriers; PRBs)를 이용한다면 효과적인 결과를 보일 것으로 예상되어 FeS를 PRB 매질로 사용하기 위한 연구를 수행하였다. 컬럼 실험에 앞서 반응 매질들의 중금속 제거 특성을 알바보고자 합성 나노 FeS, 원석 FeS, 경량기포콘크리트에 대하여 96시간까지 인공중금속오염지하수와 반응을 시키는 회분식 실험을 수행하였다. 3가지 매질 모두 pH 6 이상에서 평형을 이뤘으며, 합성 나노 FeS는 반응 1시간 이후부터 평형상태에 가까워졌다. 중금속 제거효율은 합성 나노 FeS가 반응 1시간에 As와 Ni를 제외한 모든 중금속 제거율이 99% 이상으로 다른 매질에 비하여 상대적으로 빠른 제거 속도와 높은 효율을 나타내었다. 컬럼실험 결과 합성 나노 FeS로 피복된 경량기포콘크리트로 충진된 컬럼은 회분식 실험과 같은 결과로 나타났으며, 원석 FeS로 충진된 컬럼에서는 초반에 Ni을 제외한 모든 중금속이 99%이상 제거되었으나 pH는 약 9.20에서 평형을 이루었다. 본 연구에서 나타난 결과를 종합하였을 때 다양한 중금속으로 오염되어 있는 지하수를 처리하기 위한 방법으로 별도의 pH 조절이 필요 없는 합성 나노 FeS로 피복된 경량기포콘크리트를 이용한 투과성반응벽체의 적용은 매우 효과적인 것으로 판단된다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

The acid mine drainage (AMD) and landfill leachates released into the subsurface environment can result in serious environmental problems like soil and groundwater contamination. The AMD and the leachates of landfill were known to contain many heavy metals. In this study, the author assessed the rea...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 따라서 본 연구에서는 합성 나노 FeS와 경량기포콘크리트를 이용하여 낮은 pH에서 존재하는 중금속오염지하 수의 중화와 중금속 제거효율을 알아보고자 한다. 또한 합성 나노 FeS를 투과성반응벽체의 매질로 사용하기 위한 경량기포콘크리트에 대한 피복실험과 컬럼실험을 통해 중금속 제거효율을 확인하고자 한다.
  • 따라서 본 연구에서는 합성 나노 FeS와 경량기포콘크리트를 이용하여 낮은 pH에서 존재하는 중금속오염지하 수의 중화와 중금속 제거효율을 알아보고자 한다. 또한 합성 나노 FeS를 투과성반응벽체의 매질로 사용하기 위한 경량기포콘크리트에 대한 피복실험과 컬럼실험을 통해 중금속 제거효율을 확인하고자 한다.
  • 본 연구에서는 산성광산배수와 비위생매립지의 침출수로 인해 낮은 pH와 중금속으로 오염된 지하수처리를 위한 투과성반응벽체의 매질에 대하여 연구하였다. 반응 매질로써 다른 황화금속을 형성하는 중금속들과 반응을 일으켜 용해도가 아주 낮은 안정한 화합물의 황화중금속을 형성하는 FeS와 합성 나노 FeS의 지지체로써 경량기포콘크리트를 이용하기 위한 실험을 수행하였다.
  • 본 연구에서는 비교적 손쉽게 구할 수 있으며, 비표면적이 넓은 경량기포콘크리트에 합성 나노 FeS를 피복하는 실험을 수행하였다. 피복실험은 일정량의 합성 나노 FeS와 경량기포콘크리트를 혼합 후 회전진공농축기 (EYELA, Japan)를 이용하여 합성 나노 FeS의 농축에 따른 경량기포콘크리트 표면으로의 피복이 일어날 수 있도록 하였다.
  • 본 연구에서는 산성광산배수와 비위생매립지의 침출수로 인해 낮은 pH와 중금속으로 오염된 지하수처리를 위한 투과성반응벽체의 매질에 대하여 연구하였다. 반응 매질로써 다른 황화금속을 형성하는 중금속들과 반응을 일으켜 용해도가 아주 낮은 안정한 화합물의 황화중금속을 형성하는 FeS와 합성 나노 FeS의 지지체로써 경량기포콘크리트를 이용하기 위한 실험을 수행하였다.
  • 연구는 회분식 실험, 피복 실험, 컬럼 실험으로 나누어 수행하였다. 회분식 실험에서는 초기농도와 pH를 조절하여 반응매질에(합성 나노 FeS, 원석 FeS, 경량기포콘크리트) 따른 저감경향을 살펴보았으며, 합성 FeS의 첨가량에 따른 중금속 제거 경향을 알아보기 위한 실험을 수행하였다. 컬럼 실험은 지중에 매설된 투과성반응벽체를 모사한 원통형 스테인리스 스틸 컬럼을 제작하여 중금속오염지하수가 연속적으로 투과할 때 중금속들에 대한 반응성을 확인하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
투과성반응벽체란? 본 연구에서 고려하고 있는 투과성반응벽체(Permeable Reactive Barriers; PRBs)는 오염된 지하수를 복원하기 위하여 반응성의 매질로 채워진 지중벽체이다(Fig. 1).
중금속 오염과 유기물 오염의 차이점은? 지하수의 오염원과 오염 물질은 다양하게 나타난다. 이중 중금속 오염은 유기물과 달리 자연형태에서 분해가 어렵다. 또한 생물체에서 영양상 없어서 안되는 필수금속이 필요하나 필요량 이상으로 섭취되면 대사 작용이 일어나지 않아 일정농도 이상으로 축적되었을때 유독작용을 일으킬 수 있다(Khan and Khan, 1983).
산업화와 인구증가에 따른 지하 수의 실정은? 1%로 앞으로 수원으로써 지하 수의 가치가 매우 높음을 알 수 있다(환경부, 2007a). 그러나 산업화와 인구 증가로 외부 오염물이 지하수 내에 유입되어 수질이 악화되는 곳이 늘어나는 실정이다. 지하수의 오염은 지표수의 오염과 연결되어 있으며, 한 번 오염되면 반영구적으로 지하환경 내에 잔존하여 오랜 기간 동안 환경적으로 영향을 미칠 뿐 아니라 오염물질의 거동불확실성 때문에 오염된 지하수를 복원 시 오랜 정화기간과 많은 정화비용이 소요된다(한정상, 1998).
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참고문헌 (20)

  1. 박상원, 박병주, 1999, 유기 리간드 존재하에서 FeS(S)의 중금속 제거 특성 연구, 한국환경과학회지, 8(3), 411-417 

  2. 한정상, 1998, 오염지하수·토양의 자연정화와 위해성 평가, 한림원, 서울, 3-42 

  3. 환경부, 2007a, 환경백서 2007, 환경부, 과천, 648-658 

  4. 환경부, 2007b, 천연환원제에 의한 유해 화학물질 오염 토양과 지하수의 자연복원, 환경부, 과천, 46-56 

  5. Blowes, D.W., Ptacek, C.J., Cherry, J.A., Gillham, R.W., and Robertson, W.D., 1995, Passive Remediation of Groundwater Using In Situ Treatment Curtains, Geotechnical Special Publication, 46(2), 1588-1607 

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  7. Butler, E.C. and Hayes, K.F., 1998, Effects of Solution Composition and pH on the Reductive Dechlorination of Hexachloroethane by Iron Sulfite, Environmental Science and Technology, 32(9), 1276-1284 

  8. David, L.N., Stan, J.M,, Christopher, C.F., and James, A.D., 2002, Handbook of Groundwater Remediation Using Permeable Reactive Barriers, Elsevier Science, USA, 19-37 

  9. Donald, M.K., 1994, Applied Wetland Science and Techanology, Lewis Publishers, USA, 241-280 

  10. Edward, A.M., Feank, A.R., and Crahame, J.F., 1995, Solid Waste Landfill Engineering And Design, Prentice Hall PTR, USA, 293-354 

  11. EPA, 2001, Cost analyses for selected groundwater cleanup projects : Pump and Treat system and Permeable Reactive Barriers, Soild Waste and Emergency Response (5102G), United States Environmental Protection Agency, 542-R-00-013 

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  13. Gaudin, A.M., Fuerstenau, D.W., and Turkanis, M.M., 1957, Activation and Deactivation of Sphalerite with Ag and CN Ions, AIME Transactions, 203, 65-69 

  14. George, T., Hilary, T., and Vigil, S.A., 1993, Integrated Solid Waste Management: Engineering Principles and Management Issues, McGRAW HILL, USA, 3-22 

  15. Georgios, B., Kostas, K., and Ioannis, P., 2006, Laboratory evaluation of $Fe^0 $ barriers to treat acidic leachates, Minerals Engineering, 19(5), 505-514 

  16. Gupta, V.K., Saini, V.K., and Neeraj, J., 2005, Adsorption of As(III) from aqueous solutions by iron oxide-coated sand, Journal of Colloid and Interface Science, 288(1), 55-60 

  17. James, R.O. and Park, G.A., 1975, Adsorption of Zinc(II) at the Cinnabar (HgS)/H2O Interface, Inst. Chem. Eng. Symp., Ser. 71, USA, 157-164 

  18. Khan, S. and Khan, N.N., 1983, Influence of lead and cadmium on the growth and nutrient concentration of tomato (Lycopersicum esculentum) and egg-plant (Solanum melongena), Plant and Soil, 74(3), 387-394 

  19. Moigmard, M.S., James, R.O., and Healy, T.W., 1977, Adsorption of calcium at the zinc sulphide-water interface, Australian Journal of Chemistry, 30(4), 733-740 

  20. Richard T.W. and Mary S.M., 2003, Laboratory evaluation of zero-valent iron to treat water impacted by acid mine drainage, Chemosphere, 53(7), 715-725 

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