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소성가공 굴껍질을 이용한 군부대 사격장내 고농도 납 오염토양의 안정화
Stabilization of Pb Contaminated Army Firing Range Soil using Calcined Waste Oyster Shells 원문보기

대한환경공학회지 = Journal of Korean Society of Environmental Engineers, v.32 no.2, 2010년, pp.185 - 192  

문덕현 ((주)해천ETS) ,  정경훈 (조선대학교 BK21 바이오가스기반수소생산사업팀) ,  김태성 ((주)해천ETS) ,  김지형 (고려대학교 건축사회환경공학부) ,  최수빈 ((주)해천ETS) ,  옥용식 (강원대학교 자원생물환경학과) ,  문옥란 (조선대학교 환경공학과)

초록
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본 연구에서는 방해석을 주성분으로 하는 폐굴껍질을 고온에서 소성하여 생석회로 가공한 후 고농도의 납(전함량 29,000 mg/kg)으로 오염된 군부대내 사격장 토양에 처리하여 안정화 효율을 평가하였다. 소성 효과를 평가하고자 소성 전 폐굴껍질(NOS)과 소성 후 폐굴껍질(COS)을 각각 납 오염토양에 처리하였으며 28일간 습윤 양생한 후 0.1N HCl 추출에 의한 가용성 납 농도 변화를 관찰하였다. 실험결과 전 기간 동안 방해석을 주성분으로 하는 NOS에 비해 생석회가 주성분인 COS의 안정화 효율이 높게 나타났다. 또한 완전 습윤 상태 이상의 수분투여는 안정화 효율에 큰 영향을 미치지 않았으며, -#10 mesh에 비해 -#20 mesh의 입경에서 높은 안정화 효율을 나타내었다. NOS에 의한 안정화 처리 결과는 모든 처리에서 토양환경보전법상 '가'지역의 우려1기준 100 mg/kg (환경부 2009년 기준)을 만족 시키지 못 하였으나 COS 15% 및 20% 첨가 시 무처리구의 8,106 mg/kg에 비해 각각 47 mg/kg(28 days) 및 3 mg/kg(28 days)로 현격하게 저감되어 우려기준 100 mg/kg을 만족시켰다. 소성 굴껍질의 안정화 기작을 조사하고자 주사전자현미경(SEM)을 이용하여 elemental dot maps을 수행한 결과 Pb의 안정화는 Al 및 Si와 높은 상관관계가 있음을 확인할 수 있었다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

The objective of this study was to investigate the effectiveness of stabilization for army firing range soil highly contaminated with Pb (total Pb: 29,000 mg/kg) using calcined waste oyster shells. The calcination was conducted to activate quicklime from calcite. In order to evaluate the effectivene...

주제어

AI 본문요약
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제안 방법

  • 사용된 안정화제의 종류와 양에 따른 효율을 측정하기 위해 준비된 오염토양시료 Soil A에 NOS 안정화제(#10 mesh, 2 mm) 5. 10, 15 및 20%, COS 안정화제(#10 mesh) 5, 10, 15 및 20%를 무게대비 함량으로 각각 첨가하였으며, 첨가 후에는 충분한 혼합교반을 통해 균질한 상태가 될 수 있도록 하였다. 토양시료에 완전 습윤상태를 보인 오염토양, 안정화제 혼합시료에 20 wt%의 수분을 첨가하여 혼합교반을 수행하였다.
  • 고농도의 납으로 오염된 토양과 안정화제를 혼합교반하고 수분을 첨가하여 반응을 진행시키며 경과를 관찰, 분석하였다. 사용된 안정화제의 종류와 양에 따른 효율을 측정하기 위해 준비된 오염토양시료 Soil A에 NOS 안정화제(#10 mesh, 2 mm) 5.
  • 본 연구에서는 폐자원으로 발생하는 굴껍질을 사용하여 고농도의 납(전함량 29,000 mg/kg)으로 오염된 군부대 사격장 토양을 안정화 처리 하였다. 군부대 사격장 토양에 파쇄한 굴껍질(-#10 mesh)을 900℃에서 2시간 소성한 후 오염토양 무게 대비 5%, 10%, 15% 및 25% 수준으로 주입, 혼합교반 한 다음 습윤양생 시켜 처리하였다. 또한 소성 처리된 굴껍질의 안정화 효율을 비교하기 위해서 소성전 굴껍질도 같은 수준으로 처리하였다.
  • 굴껍질 소성 전 후의 특성을 X-ray diffraction(XRD) (PANalytical-X'Pert PRO MPD, Netherlands)와 SEM(Hitachi S-4800, Japan)-EDX(ISIS 910, Oxford, England)를 이용하여 분석하였다.
  • 군부대 사격장 토양에 파쇄한 굴껍질(-#10 mesh)을 900℃에서 2시간 소성한 후 오염토양 무게 대비 5%, 10%, 15% 및 25% 수준으로 주입, 혼합교반 한 다음 습윤양생 시켜 처리하였다. 또한 소성 처리된 굴껍질의 안정화 효율을 비교하기 위해서 소성전 굴껍질도 같은 수준으로 처리하였다. 안정화 처리 후 28일 뒤에 시료를 채취, 0.
  • 폐굴껍질은 자연상태와 가공상태로 연구에 사용되었다. 또한 안정화 처리 후 메카니즘을 규명하기 위해 energy dispersive X-ray spectroscopy(EDX)장착 주사전자현미경(scanning electron microscope, SEM) (Hitachi S-4800, Japan)을 이용하였다.
  • 본 연구에서는 최근 심각한 문제를 안고 있는 군부대내에 고농도의 납으로 오염된 토양을 폐굴껍질을 이용, 안정화 기법을 적용하여 토양오염공정시험기준9)(2009년 기준)에 따른 납 용출 저감효율을 평가하였다. 폐굴껍질은 자연상태와 가공상태로 연구에 사용되었다.
  • 본 연구에서는 폐자원으로 발생하는 굴껍질을 사용하여 고농도의 납(전함량 29,000 mg/kg)으로 오염된 군부대 사격장 토양을 안정화 처리 하였다. 군부대 사격장 토양에 파쇄한 굴껍질(-#10 mesh)을 900℃에서 2시간 소성한 후 오염토양 무게 대비 5%, 10%, 15% 및 25% 수준으로 주입, 혼합교반 한 다음 습윤양생 시켜 처리하였다.
  • 소성 전 후 굴껍질 분말의 광물학적 특성을 평가하기 위해 X선 회절분석(XRD)을 이용하였다. 소성 전 굴껍질에서는 2θ= 29.
  • 또한 소성 처리된 굴껍질의 안정화 효율을 비교하기 위해서 소성전 굴껍질도 같은 수준으로 처리하였다. 안정화 처리 후 28일 뒤에 시료를 채취, 0.1 N HCl로 추출하여 납 용출 농도와 pH를 분석하였다. 안정화 처리 결과 소성 전 방해석을 주성분으로 하는 폐굴껍질에 비해 소성 후 생석회가 주성분인 폐굴껍질이 안정화 효율이 높았다.
  • 토양시료에 완전 습윤상태를 보인 오염토양, 안정화제 혼합시료에 20 wt%의 수분을 첨가하여 혼합교반을 수행하였다. 안정화제의 입경에 따른 안정화 효율을 관찰하기 위해 20 mesh (0.85 mm)로 체질한 NOS, COS를 각각 5%, 10% 첨가하여 같은 방법으로 실험하였고, 수분과량첨가에 따른 영향을 분석하기 위해 혼합교반을 수행한 시료 중 1개를 선정하여 수분 30 wt%를 첨가한 대조 시료를 만들었다. 전체 실험에 대한 matrix는 Table 3과 같다.
  • 본 연구에 사용된 토양 시료는 납으로 오염된 부산지역 군부대 사격장 토양으로 표층에서 30 cm 깊이의 토양을 채취하였다. 자갈 및 이물질을 제거하기 위하여 실온에서 풍건 후 10 mesh 체질을 하였다. 채취된 토양은 Soil A로 명명하였으며, 전함량 추출에 의한 총 납의 농도는 약 29,000 mg/kg이였다.
  • 1N HCl을 이용해 추출했다. 토양 10 g에 0.1 N HCl 50 mL를 가하고 항온수평 진탕기를 사용하여 30℃, 100 rpm에서 1시간 교반한 후 Whatman No. 42 여과지로 거른 후 여과액을 유도결합플라즈마 ICP-OES (Optima 5300 DV, PerkinElmer Inc.)를 이용하여 광주과학기술원 환경분석센터에서 분석하였다.
  • 10, 15 및 20%, COS 안정화제(#10 mesh) 5, 10, 15 및 20%를 무게대비 함량으로 각각 첨가하였으며, 첨가 후에는 충분한 혼합교반을 통해 균질한 상태가 될 수 있도록 하였다. 토양시료에 완전 습윤상태를 보인 오염토양, 안정화제 혼합시료에 20 wt%의 수분을 첨가하여 혼합교반을 수행하였다. 안정화제의 입경에 따른 안정화 효율을 관찰하기 위해 20 mesh (0.

대상 데이터

  • 본 연구에 사용된 토양 시료는 납으로 오염된 부산지역 군부대 사격장 토양으로 표층에서 30 cm 깊이의 토양을 채취하였다. 자갈 및 이물질을 제거하기 위하여 실온에서 풍건 후 10 mesh 체질을 하였다.
  • 안정화제로 사용된 폐굴껍질은 경남 통영지역에서 채취하였으며 굴 양식업 후 폐기되어 배출된 상태로 방치되어 있었다. 채취된 폐굴껍질은 이물질과 염분 제거를 위해 간단한 세척처리를 수행한 다음 hammer-mill(성창기계)과 ball-mill(성창기계)을 이용하여 10 mesh 이하로 분쇄하는 과정을 통해 제작된 안정화제를 NOS(Natural Oyster Shells) 라고 명명하였다.
  • (2009년 기준)에 따른 납 용출 저감효율을 평가하였다. 폐굴껍질은 자연상태와 가공상태로 연구에 사용되었다. 또한 안정화 처리 후 메카니즘을 규명하기 위해 energy dispersive X-ray spectroscopy(EDX)장착 주사전자현미경(scanning electron microscope, SEM) (Hitachi S-4800, Japan)을 이용하였다.

이론/모형

  • 25 g을 취하여 HNO3 1 mL와 HCl 3 mL를 가한 다음 70℃ heating block에서 1시간 heating시켜 추출하였다. 안정화처리 후 납 추출은 토양오염공정시험기준9)(환경부 2009년 기준, 2010년부터 용출법이 함량법으로 변경 시행)에 따라 0.1N HCl을 이용해 추출했다. 토양 10 g에 0.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
중금속이 토양에 유입 되면 장기간 잔존하는 이유는? 중금속은 용해성과 이동성이 낮으므로 일단 토양에 유입 되면 장기간 잔존한다. 또한 토양에서 용출된 중금속은 식물에 축적되고, 먹이사슬을 통하여 직∙간접적으로 사람이나 가축에 피해를 줄 수 있다.
군부대 사격장의 중금속 오염에 대한 인식이 미흡하다고 판단되는 이유는? 폐광으로 인한 중금속 오염피해가 많이 알려진 것과 달리 군부대 사격장의 중금속 오염에 대한 인식은 미흡한 실정이다. 납 성분이 다량 함유된 탄환을 사용하는 사격장 주변토양이 납 오염으로 심각한 상태에 있는데도 그동안 특별한 관리규정이 미비하고 관리자들의 토양오염에 대한 대처가 부족한 실정일 뿐만 아니라 토양오염의 현황 파악조차 잘 이루어져 있지 않고, 군부대 특성 상 일부 조사된 사격장에 대한 결과도 거의 공개가 되고 있지 않다.현재 우리나라에는 15개의 사격 경기장과 17개의 레져용 사격장, 1,300여개의 군부대 사격장 및 미군부대에서 사용하는 95개의 훈련용 사격장이 있는 것으로 조사되고 있다.
우리나라의 중금속 오염은 주로 무엇에 의해 발생하는가? 또한 토양에서 용출된 중금속은 식물에 축적되고, 먹이사슬을 통하여 직∙간접적으로 사람이나 가축에 피해를 줄 수 있다. 우리나라의 중금속 오염은 주로 군부대 사격장이나 금속광산의 채광, 선광 및 제련과정 등에서 발생되는 광물찌꺼기의 유실과 산성광산배수의 유출 등에 의해 발생한다. 폐광으로 인한 중금속 오염피해가 많이 알려진 것과 달리 군부대 사격장의 중금속 오염에 대한 인식은 미흡한 실정이다.
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참고문헌 (16)

  1. 환경부, "사격장(군, 민간)의 중금속 오염 토양복원을 위한 태양에너지를 이용한 환경친화형 복합 동전기 정화기술 개발,"40-63(2005). 

  2. Jenkins, T. F., Walssh, M. E., Thorne, P. G., Miyares, P.H., Ranney, T. A., Grant, C. L. and Esparza, J. R., " Site characterization for explosives contamination at military firing range area impact area. U.S. Army Corps of Engineers," Waterways Experiment Station IRRP-98-3(1998). 

  3. USEPA., "Drinking water standards and health advisories," EPA 822-B-00-001(2000). 

  4. 박석효, 배범한, 김민경, 장윤영," 국내 소규모군사격장 복합 오염물질(화약물질 및 중금속)의 분포 및 거동," 한국물환경학회지, 24(5), 523-532(2008). 

  5. 국방부," 사격장 토양오염조사 및 오염확산 방지대책 연구," (2002). 

  6. 송호철, 송두섭, 조동완, 박성원, 최상훈, 전병훈, 이장호, 박준홍," 구연산/칼슘/인산염 용액을 이용한 토양 중금속 안정화: 토양 미생물이 미치는 영향,"대한환경공학회지, 31(4), 241-248(2009). 

  7. Conner, J. R., Chemical Fixation and Solidification of Hazard Wastes, Van Nostrand Reinhold, New York, 1990. 

  8. USEPA, "Treatment technologies for site cleanup: annual status report (twelfth edition),"EPA-542-R-07-012(2007). 

  9. 환경부(MOE), 토양오염공정시험기준(2008.7.30 개정) 

  10. Gilchrist, J. D., Extraction metallurgy (3rd ed.), Oxford: Pergamon Press., p.145(1989). 

  11. Islam, M. and Patel, R. K.," Evaluation of removal efficiency of fluoride from aqueous solution using quicklime,"J. Hazard. Mater., 143, 303-310(2007). 

  12. Yoon, G. L., Kim, B. T., Kim, B. O. and Han, S. H.," Chemicalmechanical characteristics of crushed oyster-shell,"Waste Manage., 23(9), 825-834(2003). 

  13. Rose, J., Moulin, I., Hazemann, J.-L., Masion, A., Bertsch, P. M., Bottero, J.-Y., Mosnier, F. and Haehnel, C., "X-ray absorption spectroscopy study of immobilization processes for heavy metals in calcium silicate hydrates: 1. case of lead," Langmuir, 16, 9900-9906(2000). 

  14. Palomo, A. and Palacios, M., "Alkali-activated cementitious materials: alternative matrices for the immobilization of hazardous wastes: Part II. Stabilization of chromium and lead," Cem. Concr. Res., 33, 289-295(203). 

  15. Moon, D. H. and Dermatas, D., "An evaluation of lead leachability from stabilized/solidified soils under modified semidynamic leaching conditions," Eng. Geol., 85(1-2), 67-74 (2006). 

  16. Moulin, I., Stone, W. E., Sanz, J., Bottero, J.-Y., Mosnier, F. and Haehnel, C., "Lead and zinc retention during hydration of tricalcium silicate: a study by sorption isotherms and 29Si nuclear magnetic resonance spectroscopy," Langmuir, 15, 2829-2835 (1999). 

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