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문제 정의
- 본 연구에서는 속경성이 있으며 양이온과의 반응성이 우수한 것으로 알려져 있는 특수 시멘트의 일종인 인산염 마그네시아 시멘트를 사용하여 중금속 이온의 고정화 및 안정화를 확인하고자 하였다.
제안 방법
- 2) 한편 환경부는 지난 96년부터 전국 토지를 농경지와 주거지 그리고 공업지역으로 구분하여 중금속 6개 항목과 PCB 등 5개 물질을 포함한 토양오염물질 11종, 환경오염 예상물질 5종과 농약성분 10종을 대상으로 대대적인 지반 오염 수치를 조사하였다.
- 경소 마그네시아와 사소 마그네시아에 크로뮴과 납을 시약으로 마그네시아 중량에 대하여 5%, 10%, 15%로 첨가하여 제작한 시편을 3일, 7일, 28일의 재령에 용출되어 나오는 용출수를 ICP 분석을 통하여 중금속 양을 확인하고자 하였다.
- 경소 마그네시아의 경우는 염화마그네슘(MgCl2)을 28 Baume 값으로 하여 1:1의 비율을 적용하여 실험을 진행하였으며 첨가한 중금속인 크로뮴과 납은 시약으로 시료 전체 중량에 대하여 5%, 10%, 15%로 첨가하여 KS L 5109에 따라서 실험을 실시하였다.
- 경소 및 사소 마그네시아를 이용하여 중금속의 고정화 효과를 확인하기 위한 배합비는 사소 마그네시아와 제 1 인산암모늄(MAP)=6:4으로 혼합하였으며 W/C는 50 wt%로 실험을 진행하였으며 첨가한 중금속인 크로뮴과 납은 시약으로 시료전체 중량에 대하여 5 wt%, 10 wt%, 15 wt% 로 첨가하여 실험을 진행하였다.
- 또한 G와 H 및 I로 표기한 PbMg(CO3)2, Mg2Pb 및 (NH4)2PbP4O12은 첨가한 중금속인 납 이온이 사소 마그네 시아와의 반응에 의하여 생성됨을 XRD를 통하여 확인하 였다. 그러나 (NH4)2PbP4O12은 재령 3일에서는 확인되었으나 재령 7일에서는 확인되지 않았다.
- 사소 및 경소 마그네시아와 각각에 활성화제를 사용하여 반응시킨 시편을 3일, 7일, 28일 재령일에 맞춰 XRD 분석을 실시함으로써 사소 및 경소 마그네시아가 중금속과 반응후 생성되는 생성물을 확인하였으며, 또한 동일한 시편의 SEM-EDAX분석을 통하여 생성물의 결정형태와 생성물에 포함되어 있는 이온을 확인하였다.4)
- 예비 실험을 통하여 사소마그네시아와 경소 마그네시아의 각각에 활성화제에 대한 최적의 배합비 사소마그네 시아:제 1 인산암모늄=6:4, 경소마그네시아:염화마그네슘 수용액=5:5로 하였으며 첨가한 중금속인 질산납, 질산크로뮴을 사소 및 경소 마그네시아를 사용하여 중금속의 고정화 및 안정화 효과를 XRD, ICP, SEM-EDAX 분석을 통하여 확인하였다.
- 제작한 시편을 침수시킨 이후에 3일, 7일, 28일 54일의 재령일에 맞춰 용출수를 채취하여 ICP 분석을 실시하였다.
대상 데이터
- 마그네시아의 XRD 분석결과는 Figs. 1, 2, Tables 1, 2에 나타내었으며 사소 마그네시아의 활성화 재료로는 제1인산암모늄을 사용하였으며 제1인산암모늄의 화학식은 NH4H2PO4이며 공기 중에 안정하고 비중은 1.803이며, 수용액의 pH는 4.3~5.0로 합성팽창제의 주원료로 사용되어 지고 있다.4) 경소 마그네시아의 활성화제인 염화마그네슘의 화학식은 MgCl2로 무색의 결정성 분말로, 녹는점 712℃, 끓는점 1,412℃, 비중 2.
- 본 실험에 사용한 마그네시아 시멘트 재료는 800~900℃로 소성된 경소 마그네시아와 1400℃ 이상에서 소성되는 사소 마그네시아로 분류하게 된다. 마그네시아의 XRD 분석결과는 Figs.
성능/효과
- 1) XRD와 SEM-EDAX 분석결과 사소 마그네시아와 경소 마그네시아가 각각의 활성화제와 반응하면서 첨가한 중금속인 크로뮴 이온 및 납 이온이 MgCrO4, MgCrO4H2O, PbMg(CO3)2, Mg2Pb의 생성물을 만들어 납 이온과 크로뮴 이온을 안정화 시키는 것으로 판단된다.
- 2) 활성도가 경소 마그네시아에 비하여 낮은 사소 마그 네시아의 경우 크로뮴 이온과 납 이온의 고정화 반응은 사소마그네시아와의 직접 반응과 제1인산암모늄과의 반응을 거쳐 다시 사소 마그네시아와 반응하는 2단계 반응에 의하여 중금속 이온을 고정화 시키는 것으로 판단된다.
- 3) 납 이온의 고정화에는 사소 마그네시아가 경소 마그네시아 보다 탁월한 효과가 있으며 크로뮴 이온의 고정화는 경소 마그네시아가 사소 마그네시아 보다 탁월한 효과가 있는 것으로 나타났다.
- Fig. 6은 사소 마그네시아에 납을 첨가하여 제작한 시편의 XRD 분석결과로서 사소 마그네시아와 제1인산암모늄이 반응하여 NH4MgPO46H2O가 생성되며 재령일이 경과함에 따라 NH4MgPO46H2O의 peak Intensity가 강하게 나타나는 것을 확인하였다.
- 2) 한편 환경부는 지난 96년부터 전국 토지를 농경지와 주거지 그리고 공업지역으로 구분하여 중금속 6개 항목과 PCB 등 5개 물질을 포함한 토양오염물질 11종, 환경오염 예상물질 5종과 농약성분 10종을 대상으로 대대적인 지반 오염 수치를 조사하였다. 그 결과 약 20.3%가 중금속 이온에 오염되어 있음을 확인할 수 있었다. 이처럼 우리주변에 중금속 이온에 오염된 지역이 많이있으나 우리나라에서 실시되고 있는 지반 오염정화기술의 수준은 선진국에 비하여 매우 미약한 실정이므로 이들 중금속 이온 또는 불용성 유기물들로 부터 미래의 수원으로서 지하수를 보호하기 위한 자연 친화적이고 경제적인 기술의 개발이 시급한 상황이다.
- 그러나 사소 마그네시아의 경우 재령 3일에서는 납 이온의 용출량이 미비하나 재령 7일에서 높게 나타나는 것을 확인할 수 있었는데, 이는 XRD 분석결과 납 이온이 제1인산암모늄과 반응하여 (NH4)2PbP4O12를 생성하나 재령 7일에서는 이 생성물의 peak를 확인할 수 없었다. 즉초기에 생성된 (NH4)2PbP4O12가 분해되어 다시 마그네시아와 반응하여 PbMg(CO3)2와 Mg2Pb이 생성되는 동안 미반응의 납 이온이 검출된 것으로 판단된다.
- 납 이온의 감소는 경소 마그네시아에 비하여 사소 마그네시아가 감소율이 큰 것으로 나타났는데 이것으로 보아 경소 마그네시아보다는 사소 마그네시아가 납 이온을 고정화하는데 더욱 효과적인 것으로 판단된다.
- 또한 Fig. 11와 Fig. 12는 재령일이 경과함에 따라 용출되어지는 크로뮴 이온의 누계량을 나타낸 그래프로써 재령일이 경과함에 따라 크로뮴 이온의 전체 용출량을 확인하고자 하였으며, 경소 마그네시아의 경우 재령일이 경 과함에 따른 크로뮴 이온의 증가량은 감소하며 누적량의 그래프 역시 조금씩 감소하는 경향을 확인할 수 있었다.
- 또한 MgCrO4H2O 및 NH4Cr(PO3F)H2O은 첨가한 중금 속인 크로뮴 이온과 사소 마그네시아의 반응에 의하여 생성됨을 XRD 분석을 통하여 확인하였으며, NH4Cr(PO3F)-H2O는 재령 3일에서는 확인되나 재령 7일에서는 확인되지 않았다.
- 4는 경소 마그네시아에 납을 첨가하여 제작한 시편의 XRD 분석결과로써 이 역시 경소 마그네시아와 염화마그네슘이 반응하여 Mg(OH)2이 생성되며 재령이 경과함에 따라 Mg(OH)2의 생성량이 증가한다는 것을 확인 하였다. 또한 PbMg(CO3)2의 경우 납이온이 경소 마그네시아와 반응하여 생성된 것을 XRD의 분석을 통하여 확인할 수 있었다.
- 또한 납 이온의 검출량은 공정시험법의 기준치에 하회하는 결과를 확인할 수 있었다.5)
- 또한 크로뮴 이온과 경소 마그네시아와 반응하여 MgCrO4가 생성된 것임을 XRD를 통하여 확인하였다.
- 또한 크로뮴 이온의 검출량은 공정시험법의 기준치에 하회하는 결과를 확인할 수 있었다.5)
- 분석 결과 사소 마그네시아에 첨가한 납 이온의 경우 재령이 경과함에 따른 납 이온의 증가량이 현저하게 감소하였으며 재령별 납 이온의 누계량 그래프 역시 재령이 경과함에 따라서 감소하는 경향을 나타내는 것을 확인할 수 있었다.
- 크로뮴 이온의 감소는 사소 마그네시아에 비하여 경소 마그네시아가 감소율이 큰 것으로 나타났는데 이것으로 보아 사소 마그네시아보다는 경소 마그네시아가 크로뮴 이온을 고정화하는데 더욱 효과적인 것으로 판단된다.
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