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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 다양하게 발생하는 폐석회, 굴패각, 바닥재를 이용하여 산성토양 중화 시 적용할 수 있는 중화제 개발에 관한 연구를 진행하였다.
제안 방법
- 3. 2단계 Batch-Test는 pH의 변화 뿐 아니라 토양학적 측면에서의 염류집적토양 기준에 비교하여 판단하였다. 그 결과, Case 1과 2를 제외한 나머지 배합비에서는 전기전도도를 4.
- 함량으로 인한 토양의 염류집적으로 알칼리토양이 될 확률이 높다. 따라서 염류집적토양을 분류하기 위한 기준으로 전기전도도(EC), 교환성 나트륨퍼센트(ESP), 나트륨흡착비(SAR), 수소이온농도(pH) 결과를 토대로 판단하였다(Table 5).
- 우선 산성토양과 대비하여 시간 경과에 따른 폐자원 매질 별 산성토양 중화능력을 알아보는 1단계 Batch-Test를 진행한 후 그 결과를 토대로 폐자원 매질의 중화능 순위를 책정한 후 각 매질 별 배합비율에 따른 산성토양 중화능력을 알아보는 2단계 BatchTest를 실시하였고, 최종적으로 실제 토양과 중화매질의 최적 배합비를 알아보는 3단계 Batch-Test를 실시하였다. 또한 모든 Batch-Test에서 pH, EC, CEC, 알칼리금속을 분석하였다.
- 실험재료는 1단계 Batch-Test에서 사용하였던 폴리에틸렌(PE) 재질의 POT을 동일하게 사용하였으며 토양과 매질의 배합은 앞서 1단계에서 수행된 실험조건인 8 : 2(토양 400 g : 매질 100 g)로 실험하였다. 실험기간은 1단계 Batch-Test의 결과를 토대로 기간에 따른 중화효율은 큰 영향이 없는 것으로 판단하고 인공강우 살포 후 1일 후 시료를 풍건하여 분석을 실시하였다.(Table 2) 또한 2단계 Batch-Test에서는 알칼리금속(Na+ )에 따른 염류집적토양을 구분하기 위한 교환성 나트륨퍼센트(ESP), 나트륨흡착비(SAR)를 추가적으로 계산하였다(Nyle and Ray, 2010).
- 실험은 기 수행된 1단계 Batch Test 실험결과를 토대로 기존 폐자원 매질 중 바닥재를 제외한 폐석회와 굴패각을 이용하여 실험을 실시하였다. 실험은 폐석회와 굴패각의 혼합비율을 10 : 0 부터 0 : 10으로 하여 총 11가지 배합비를 가지고 실험하였다.
- 실험은 기 수행된 1단계 Batch Test 실험결과를 토대로 기존 폐자원 매질 중 바닥재를 제외한 폐석회와 굴패각을 이용하여 실험을 실시하였다. 실험은 폐석회와 굴패각의 혼합비율을 10 : 0 부터 0 : 10으로 하여 총 11가지 배합비를 가지고 실험하였다. 실험재료는 1단계 Batch-Test에서 사용하였던 폴리에틸렌(PE) 재질의 POT을 동일하게 사용하였으며 토양과 매질의 배합은 앞서 1단계에서 수행된 실험조건인 8 : 2(토양 400 g : 매질 100 g)로 실험하였다.
- 앞서 토양 및 매질별 실험을 통해 도출된 물리·화학적 특성을 토대로 폐자원 매질의 배합을 통한 실험실 규모의 실험을 진행하였다.
- 앞서 토양 및 매질별 실험을 통해 도출된 물리·화학적 특성을 토대로 폐자원 매질의 배합을 통한 실험실 규모의 실험을 진행하였다. 우선 산성토양과 대비하여 시간 경과에 따른 폐자원 매질 별 산성토양 중화능력을 알아보는 1단계 Batch-Test를 진행한 후 그 결과를 토대로 폐자원 매질의 중화능 순위를 책정한 후 각 매질 별 배합비율에 따른 산성토양 중화능력을 알아보는 2단계 BatchTest를 실시하였고, 최종적으로 실제 토양과 중화매질의 최적 배합비를 알아보는 3단계 Batch-Test를 실시하였다. 또한 모든 Batch-Test에서 pH, EC, CEC, 알칼리금속을 분석하였다.
- 5 cm)의 폴리에틸렌(PE) 재질로 제작하였다. 인공강우 살포 시 강우의 원활한 배출을 위해 POT 밑면에 구멍을 만들고 그 위를 여과지로 막은 후 토양과 매질을 배합하여 실험을 진행하였다.
- , 2001). 토양과 매질의 배합 후 산성 중화 교정효과를 보기 위해 하루 간격으로 인공강우를 살포 후 해당 날짜의 POT을 해체하여 풍건 후 실험을 실시하였다(Table 1).
대상 데이터
- 각 실험구에 배합된 토양과 매질은 모두 양질사토로서압밀도의 차이는 크지 않아 인공강우의 투수에는 큰 영향이 없을 것으로 판단되었다. 1단계 Batch-Test에서 진행하는 배합비는 관련 문헌 및 연구 자료를 토대로 토양과 폐자원 매질을 8 : 2(토양 400 g : 매질 100 g)로 선정하였다(Moon et al., 2001). 토양과 매질의 배합 후 산성 중화 교정효과를 보기 위해 하루 간격으로 인공강우를 살포 후 해당 날짜의 POT을 해체하여 풍건 후 실험을 실시하였다(Table 1).
- 17로 모두 알칼리성으로 나타났다. 따라서 폐석회, 굴패각, 바닥재 모두 토양 중화제 개발을 위한 Batch-Test 실험 재료로 사용하였다.
- 따라서, 본 1단계 Batch-Test에서 도출된 최적 폐자원 매질로는 바닥재를 제외한 폐석회와 굴패각이 선정되었다.
- 채취한 폐석회는 덩어리 형태로 존재하기 때문에 토양과 원활한 배합을 위해 Jaw crusher와 Pulverizer를 이용하여 분쇄하였다. 또한 굴패각과 바닥재는 대전 유성구에 위치한 식생복원 전문업체에서 제공받아 실험을 실시하였다.
- 실험은 토양과 폐자원 매질(폐석회, 굴패각, 바닥재)을 이용하여 진행하였다. 실험은 윗지름(9.3 cm), 아랫지름(5.6 cm), 높이(13.5 cm)의 폴리에틸렌(PE) 재질로 제작하였다. 인공강우 살포 시 강우의 원활한 배출을 위해 POT 밑면에 구멍을 만들고 그 위를 여과지로 막은 후 토양과 매질을 배합하여 실험을 진행하였다.
- 실험은 토양과 폐자원 매질(폐석회, 굴패각, 바닥재)을 이용하여 진행하였다. 실험은 윗지름(9.
- 실험은 폐석회와 굴패각의 혼합비율을 10 : 0 부터 0 : 10으로 하여 총 11가지 배합비를 가지고 실험하였다. 실험재료는 1단계 Batch-Test에서 사용하였던 폴리에틸렌(PE) 재질의 POT을 동일하게 사용하였으며 토양과 매질의 배합은 앞서 1단계에서 수행된 실험조건인 8 : 2(토양 400 g : 매질 100 g)로 실험하였다. 실험기간은 1단계 Batch-Test의 결과를 토대로 기간에 따른 중화효율은 큰 영향이 없는 것으로 판단하고 인공강우 살포 후 1일 후 시료를 풍건하여 분석을 실시하였다.
- 앞서 기 수행된 1, 2 단계 Batch-Test 실험결과를 종합하여 폐석회와 굴패각의 배합비를 9:1로 하였을 경우가 가장 적합한 매질 배합비로 산출되었다. 토양과 매질의 총 중량은 기존 실험과 같이 500 g으로 하였으며 배합비 범위는 토양 : 매질이 10 : 0 ~ 7 : 3으로 선정하였다. 자세한 실험조건은 Table 3에 나타내었다.
- 토양은 부산광역시 기장군에 위치한 ‘S’ 광산 부근에서 토양을 채취하였다.
- 폐자원 매질로 폐석회는 강원도 영월군에 위치한 석회석광산인 ‘O’ 광산에서 채취하였다.
이론/모형
- 토양 및 폐자원 매질은 입자의 분포 특성을 알아보고자 한국산업규격 KSF 2302에 준하여 수행하였다. pH, EC는 multi-meter(Neomet PDC-700L Multimeter, Istek, Korea)를 이용하여 측정하였으며, CEC(Cation Exchange Capacity)는 SSSA(Soil Society of America)법, 환경적 유해성을 알아보기 위한 중금속 농도는 토양환경공정시험기준에 준하여 토양을 왕수에 가온 분해하여 전처리 한 후 ICP-AES(Spectro, Genesis, USA)로 분석하였다.
- 토양 및 폐자원 매질은 입자의 분포 특성을 알아보고자 한국산업규격 KSF 2302에 준하여 수행하였다. pH, EC는 multi-meter(Neomet PDC-700L Multimeter, Istek, Korea)를 이용하여 측정하였으며, CEC(Cation Exchange Capacity)는 SSSA(Soil Society of America)법, 환경적 유해성을 알아보기 위한 중금속 농도는 토양환경공정시험기준에 준하여 토양을 왕수에 가온 분해하여 전처리 한 후 ICP-AES(Spectro, Genesis, USA)로 분석하였다.
성능/효과
- 1. 토양 및 폐자원 매질 특성 결과, 토양은 pH가 3.19로 극산성으로 나타났으며 폐자원 매질인 폐석회, 굴패각, 바닥재는 각각 9.62, 10.08, 9.17로 모두 알칼리성으로 나타났다. 따라서 폐석회, 굴패각, 바닥재 모두 토양 중화제 개발을 위한 Batch-Test 실험 재료로 사용하였다.
- 3단계 Batch-Test 결과, 정상범주에 해당하는 Case가 많지만, Case 3 이후로는 pH를 비롯한 다른 항목에서도 큰 변화가 없는 것으로 나타나 최적의 토양 : 매질 배합비로는 Case 3(토양 : 매질 = 9.4 : 0.6)으로 선정되었다.
- 5. 모든 Batch-Test 실험결과, 폐자원 매질로는 바닥재를 제외한 폐석회와 굴패각이 선정되었으며, 폐자원의 배합비율은 폐석회와 굴패각이 9:1이 최적의 효율을 나타내었고, 최종적으로 토양과 매질의 최적 배합비율은 9.4 : 0.6으로 나타났다.
- 6. 굴패각은 함량이 많아질수록 Na+ 함량이 증가하는 것을 알 수 있다. 이는 앞서 설명한 바와 같이 해양폐기물로서 염류이온이 많기 때문인 것으로 생각된다.
- Ca2+, Na+, Mg2+의 경우 2단계 Batch-Test의 다른 항목의 분석결과와 비슷하게 굴패각의 함량이 많이질수록 Ca2+ 함량이 증가하는 것으로 나타났다. 이러한 Ca2+ 함량의 증가는 pH 분석 결과와도 영향이 있는 것으로 사료된다.
- Ca2+의 분석 결과, 토양과 바닥재는 미량 검출된 반면 폐석회와 굴패각은 월등히 많은 양을 나타내었다. 이는 석회석의 주를 이루는 Ca2+이 다량 함유된 것으로 파악할 수 있다.
- Case 1이 약 3.8 dS/m에서 Case 11이 6.5 dS/m로 굴패각 함량이 많아질수록 상승하는 것으로 나타났다. 이는 굴패각 내에 함유하는 Na+ 함량이 많아지기 때문인 것으로 판단된다(Fig.
- pH는 Case 1 ~ Case 15까지 모든 Case에서 pH 6이상으로 나타나 본 연구의 중화목표에 도달한 것을 확인할 수 있었다. 그러나 Case 3 이후로 매질양이 증가하여도 pH 상승폭이 그리 크지 않은 것으로 확인되었다(Fig.
- 각 실험구에 배합된 토양과 매질은 모두 양질사토로서압밀도의 차이는 크지 않아 인공강우의 투수에는 큰 영향이 없을 것으로 판단되었다. 1단계 Batch-Test에서 진행하는 배합비는 관련 문헌 및 연구 자료를 토대로 토양과 폐자원 매질을 8 : 2(토양 400 g : 매질 100 g)로 선정하였다(Moon et al.
- 2단계 Batch-Test는 pH의 변화 뿐 아니라 토양학적 측면에서의 염류집적토양 기준에 비교하여 판단하였다. 그 결과, Case 1과 2를 제외한 나머지 배합비에서는 전기전도도를 4.0 dS/m을 초과하여 염류토양에 해당하였다. 따라서 본 2단계 Batch-Test에서 도출된 최종 배합비율은 Case 1과 2 중 pH 값이 더 높은 Case 2로 선정하였다.
- 이는 굴패각이 폐석회보다 많은 양의 Ca2+을 함량하고 있기 때문인 것으로 사료된다. 그러나 본 연구에서는 중화하고자 하는 토양의 목표 pH는 5.5 ~ 6.0으로 Case 1에서 Case 11 모두 목표 pH를 만족하는 것으로 나타났다. 잠산성도 역시 활산성도에서 약 0.
- Ca2+은 pH를 결정짓는 매우 중요한 역할을 한다. 본 실험 결과로만 판단하였을 시, 폐석회와 굴패각은 충분한 양을 가지고 있지만 바닥재의 경우 그렇지 못한 것으로 판단된다. 이는 차후 1단계 Batch-Test 결과 해석에서 매우 중요하게 작용할 것으로 사료된다(Fig.
- 앞서 진행한 pH, EC와 같은 양상으로 폐석회와 굴패각 모두 Ca2+ 함량이 높은데다 굴패각의 경우 Na+ 함량까지 높아 굴패각이 많이 배합될수록 CEC가 상승되는 것으로 확인되었다(Fig. 3 (c)).
- 토양은 산성토양으로 Ca2+함량이 매우 적을 것으로 예상했지만 바닥재의 경우 토양과 비슷한 결과 값을 나타내었다. 이는 앞서 수행한 pH 및 CEC 실험에서도 언급되었듯 토양 및 다른 폐자원 매질에 비해 바닥재의 교환성 이온함량이 적은 것을 확인할 수 있었으며, 차후 바닥재를 이용한 중화실험 시 효율이 좋지 않을 것으로 예상되었다. K+의 경우 굴패각을 제외한 나머지 토양과 폐자원 매질에서는 모두 불검출 되었으며 굴패각의 함량 역시 매우 미량으로 볼 수 있었다.
- 입도분석 결과 토양은 사양토로 판단되며, 폐자원 매질은 모두 양질사토로 구분되었다(Table 4).
- 중금속 함량 분석 결과, 토양을 비롯한 폐자원 매질 모두 기준치를 초과하지 않는 것으로 나타났다. 따라서 차후 진행될 모든 실험에서의 중금속 함량 분석은 실시하지 않기로 하였다(Table 4).
- 토양, 폐석회, 굴패각, 바닥재의 전기전도도 값은 각각 2.11, 0.39, 8.79, 0.24 dS/m로 나타났다. 토양과 비교하여 폐석회, 바닥재는 매우 낮은 전기전도도 값을 나타내었으나 굴패각의 경우 월등히 높은 값을 나타내었다.
- 토양과 바닥재는 각각 0.4, 0.44 cmol/kg로 매우 낮은 값을 나타낸 반면, 폐석회와 굴패각은 19.03, 35.72 cmol/kg으로 토양과 바닥재와 비교하였을 때, 매우 높은 값을 나타내었다. 철과 알루미늄의 산화물 및 유기물의 음전하가 대부분 pH의존성 음전하이고, 규산염점토광물의 음전하는 부분적으로 pH 의존성 전하이다.
후속연구
- 7. 차후 연구시 폐자원을 이용한 중화제의 상용화를 위하여 기존에 사용되고 있는 중화제와의 효율성 및 경제성을 비교 평가하여 단점 및 개선사항 등을 고려하여 실제 현장에 적용시킬 수 있는지를 판단해야 할 것으로 사료된다.
- 이는 바닥재 자체 pH 함량은 높지만, 산성토양이 함유하고 있는 수소이온(H+)을 해리시키기에는 상대적으로 pH 의존성 전하의 양이 적어 중화에는 실패한 것으로 사료된다. 그러나 바닥재는 발생원에 따라 그 특성이 달라질 수 있으므로 추후 유사 연구에서는 필히 바닥재에 대한 특성을 평가하여야 한다.
- 이는 앞서 설명한 바와 같이 해양폐기물로서 염류이온이 많기 때문인 것으로 생각된다. 따라서 동전기기법 및 토양세척기법 등을 통하여 굴패각의 과다한 Na+ 함량을 감소시킬 수 있을 것으로 사료된다.
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