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문제 정의
- 본 연구의 목적은 산성광산배수 처리과정에서 발생되는 슬러지를 재활용하기 위한 기술의 개발이며, 그 중에서도 특히 슬러지의 주성분인 수산화철Fe(OH)3이 중금속에 대한 흡착능력이 우수한 특성을 이용하여 슬러지를 중금속 흡착제의 원료로 활용하기 위한 기초 자료를 얻고자 하였다.
제안 방법
- 5종의 중금속 농도가 각각 10 mg/l가 되도록 조제한 시험용액 200 ml에 슬러지를 0에서 10 g 까지 변화시키면서 첨가하여 슬러지 첨가농도가 0~5g/100ml가 되도록 하고 2시간 동안 진탕하였다. 진탕이 끝난 슬러리의 pH를 측정하고 나서 원심분리하여 상등액을 채취하고 중금속 농도를 분석하여 Fig.
- 건조된 슬러지를 압축 펠릿으로 만든 다음 XRF를 이용하여 주요 성분의 함량을 측정하였고, 이와 별도로 1 g의 건조 분말 시료를 질산에 용해시킨 다음 ICP로 중금속 농도를 측정하였다. Table 3의 분석결과에서 함태슬러지는 CaO와 Fe2O3를 주성분으로 하며 각종 중금속의 농도는 46~118ppm이고 나전슬러지의 경우는 Fe2O3 함량이 84.
- 이를 위하여 먼저 슬러지의 물성파악을 위하여 슬러지의 화학조성, 광물조성, 입도, 형상 등을 조사하였고 온도, pH, 슬러지 첨가량에 따른 중금속 종별 흡착능을 측정하였다. 다음으로 중금속으로 오염된 토양을 대상으로 슬러리의 중금속 고정화 능력을 조사하였다.
- 에 의한 단계별 용출 시험을 수행하였다. 동명 및 세우광산 지역의 오염토를 대상으로 함태슬러지의 첨가량을 0%, 1%, 5%로 변화시켜 시험하였다. 시료의 전처리로 토양 시료를 40에서 건조시켜 망눈의 크기 63인 비금속체(nylon bolting cloth sieve)로 체질하여 분석에 사용하였다.
- 시료용액 내에 용존하는 금속의 농도는 ICP-AES로 분석하였으며 Varian 사의 Vista pro 모델을 사용하였다. 미립자의 형상은 JEOL사 JSM-5410 SEM으로 관찰하였고, 광물의 조성은 Rigaku D/Max 2500 XRD로 분석하였다.
- 슬러지를 중금속오염 토양에 혼합할 경우 어느 정도의 중금속 고정화 효과가 발생하는지를 확인하기 위하여 동명 및 세우광산 지역의 대표적 오염토를 대상으로 Sobek 방법9)에 의한 단계별 용출 시험을 수행하였다.
- 슬러지의 중금속 흡착실험도 진탕시험과 동일한 장치와 방법을 사용하였으나 진탕시간은 2시간을 기준으로 하였고, 용액의 부피는 200ml로 하였다.
- 이를 위하여 먼저 슬러지의 물성파악을 위하여 슬러지의 화학조성, 광물조성, 입도, 형상 등을 조사하였고 온도, pH, 슬러지 첨가량에 따른 중금속 종별 흡착능을 측정하였다. 다음으로 중금속으로 오염된 토양을 대상으로 슬러리의 중금속 고정화 능력을 조사하였다.
대상 데이터
- 본 연구에 사용된 AMD 처리 슬러지는 함태 AMD 처리장과 나전 AMD 처리장에서 채취하였으며 각 처리장의 개요를 Table 1과 2에 각각 나타내었다.
- 본 연구에서는 소석회 중화법을 사용하는 함태탄광 갱내수 처리시설에서 발생하는 슬러지와 전기정화법을 사용하는 나전광산 슬러지를 연구 대상으로 하였다.
- 동명 및 세우광산 지역의 오염토를 대상으로 함태슬러지의 첨가량을 0%, 1%, 5%로 변화시켜 시험하였다. 시료의 전처리로 토양 시료를 40에서 건조시켜 망눈의 크기 63인 비금속체(nylon bolting cloth sieve)로 체질하여 분석에 사용하였다. 중금속의 존재형태는 Tessier 등(1979)의 방법10)에 따라 adsorbed form, carbonate form, reducible form, organic form, residual form로 분석하고 이들의 합을 총량으로 하였다.
- 중금속 흡착실험을 위한 시험용액은 시약들(PbCl2, 60%-Arsenic acid solution, CrCl3·6H2O, CuCl3·2H2O, Cd(NO3)2·4H2O)을 사용하여 각 중금속의 농도가 각각 10 mg/l가 되도록 조제하여 사용하였다.
이론/모형
- 슬러지를 중금속오염 토양에 혼합할 경우 어느 정도의 중금속 고정화 효과가 발생하는지를 확인하기 위하 여 Sobek 방법9)에 의한 단계별 용출 시험을 수행하였다. 동명 및 세우광산 지역의 오염토를 대상으로 함태슬러지의 첨가량을 0%, 1%, 5%로 변화시켜 시험하였다.
- 시료용액 내에 용존하는 금속의 농도는 ICP-AES로 분석하였으며 Varian 사의 Vista pro 모델을 사용하였다. 미립자의 형상은 JEOL사 JSM-5410 SEM으로 관찰하였고, 광물의 조성은 Rigaku D/Max 2500 XRD로 분석하였다.
- 중금속 용출시험은 폐기물공정시험법의 용출시험방법을 준용하였으며, 진폭이 5 cm인 진탕기의 속도를 200 회/분으로 고정하여 사용하였다. 진탕기의 온도는 20로 고정하였고, 진탕시간은 6시간으로 하였다.
- 시료의 전처리로 토양 시료를 40에서 건조시켜 망눈의 크기 63인 비금속체(nylon bolting cloth sieve)로 체질하여 분석에 사용하였다. 중금속의 존재형태는 Tessier 등(1979)의 방법10)에 따라 adsorbed form, carbonate form, reducible form, organic form, residual form로 분석하고 이들의 합을 총량으로 하였다.
성능/효과
- 3에 나타내었다. 그림의 결과 중 pH 변화 곡선을 살펴보면 슬러지의 첨가량이 증가함에 따라 pH가 증가하는 현상을 관찰할 수 있는데 이는 두 슬러지 모두 산을 중화시키는 능력이 우수함을 의미한다. 그 중에서도 함태슬러지의 경우 0.
- 그림의 결과에서 함태슬러지는 대부분의 중금속 잔류 농도가 소결온도의 증가와 함께 약간씩 증가하여 흡착능이 다소 개선되는 경향을 보이지만 비소의 경우는 800°C 이상의 소결온도에서 잔류농도가 급격히 증가하는 현상을 보였다.
- 카드뮴의 잔류농도 변화곡선에서는 두 슬러지 모두에서 첨가량이 1 g/100ml가 될 때 까지는 잔류농도가 급격히 감소하지만 그 이후는 완만히 감소하는 경향을 보인다. 두 슬러지 중 함태슬러지가 흡착능력이 더 우수하여 5 g/100ml의 첨가량에서 0.01 mg/l의 잔류농도를 나타내었고 나전슬러지는 5 g/100ml의 첨가량에서 0.05 mg/l의 잔류농도를 나타내었다.
- 두 슬러지는 모두 산중화능력이 우수한 것으로 조사 되었으며 그 중에서도 함태슬러지의 중화능력이 더 우수하였다. 따라서 이들의 첨가량을 변화시키면 pH의 증가와 함께 중금속 잔류농도가 급격히 감소하는 경향을 보인다.
- 비소의 경우는 두 슬러지 모두에서 pH 3~5의 영역에서 잔류농도가 최소가 되는 공통점을 나타내었고, 함태슬러지가 나전슬러지에 비하여 더 낮은 잔류농도를 나타내어 비소 흡착능이 우수함을 보였다.
- 비소의 잔류농도를 살펴보면, 함태슬러지의 경우 첨가량이 0.1 g/100 ml 일 때 잔류농도 1.48 mg/l 에서 첨가량이 5 g/100 ml 일 때 잔류농도 0.04 mg/l을 나타내어 슬러지의 첨가량과 비례하여 흡착농도가 증가하는 경향을 보였다. 나전슬러지의 경우는 첨가량 0.
- 오염토에 함유되어 있는 Cd의 총 농도는 5.44 mg/kg으로 나타났으며 이 중 이동성이 높은 adsorbed가 0.78 mg/kg, carbonate가 0.59 mg/kg 존재하였고, 오염토에 함태슬러지를 1% 첨가한 경우는 adsorbed와 carbonate가 각각 0.14 mg/kg, 0.49 mg/kg로 감소하였다.
- 오염토에 함유되어 있는 구리의 존재형태별 농도는 adsorbed, carbonate, reducible, organic, residual이 각각 0.59 mg/kg, 0.51 mg/kg, 6.96 mg/kg, 48.93 mg/kg, 51.82 mg/kg로 조사되었다. 이 오염토에 함태슬러지를 1% 첨가 시 adsorbed form과 carbonate form이 각각 0.
- 오염토에 함유되어 있는 크롬의 존재형태별 농도는 adsorbed, carbonate, reducible, organic, residual이 각각 0.38 mg/kg, 1.35 mg/kg, 5.70 mg/kg, 8.03 mg/kg, 52.34 mg/kg로 조사되었다. 이 오염토에 함태슬러지를 1% 첨가 시 adsorbed form과 carbonate form이 각각 0.
- 오염토에 함유되어있는 비소의 존재형태별 농도는 adsorbed, carbonate, reducible, organic, residual이 각각 0.51 mg/kg, 0.17 mg/kg, 21.26 mg/kg, 52.77 mg/kg, 304.74 mg/kg로 이동성 성분이 매우 낮은 특징을 나타내었다. 이 오염토에 함태슬러지를 5% 첨가한 결과 이동성인 adsorbed form과 carbonate form이 각각 0.
- 52 mg/kg 존재하였다. 오염토에 함태슬러지를 첨가한 경우는 1% 이상 첨가 시 adsorbed가 0으로 낮아짐을 확인하였다.
- 82 mg/kg로 조사되었다. 이 오염토에 함태슬러지를 1% 첨가 시 adsorbed form과 carbonate form이 각각 0.13 mg/kg, 0.55 mg/kg로 감소하였고 5% 첨가 시는 각각 0.11 mg/kg, 0.54/로 감소하였다.
- 34 mg/kg로 조사되었다. 이 오염토에 함태슬러지를 1% 첨가 시 adsorbed form과 carbonate form이 각각 0.31 mg/kg, 1.37 mg/kg로 감소하였고 5% 첨가 시는 각각 0.21 mg/kg, 1.32 mg/kg로 감소하였다.
- 74 mg/kg로 이동성 성분이 매우 낮은 특징을 나타내었다. 이 오염토에 함태슬러지를 5% 첨가한 결과 이동성인 adsorbed form과 carbonate form이 각각 0.01 mg/kg, 0.06 mg/kg로 급격히 감소하는 경향을 나타내었다.
- 이상의 결과에서 함태슬러지를 중금속 오염토양에 첨가할 경우 이동성인 adsorbed form의 중금속을 현저히 감소시킴으로써 그 용출을 매우 효과적으로 억제할 것으로 판단된다.
- 카드뮴, 구리, 크롬이온의 경우도 두 슬러지 모두에서 pH의 증가에 따라 잔류농도가 감소하는 공통적인 경향을 보이며, 그 중에서도 특히 나전슬러지가 pH의 증가에 따른 잔류농도가 감소가 더욱 현저한 특징을 보인다.
- 크롬의 경우도 첨가량의 증가에 따라 잔류농도가 감소하는 경향은 동일하였으나 두 슬러지 모두에서 다른 중금속에 비하여 가장 높은 잔류농도를 나타내어 흡착능력이 저조함을 보였다. 그러나 이 경우도 1 g/100 ml 이상 첨가하면 청정지역을 제외한 지역의 배출허용 기준치인 2 mg/l를 만족시킨다.
- 함태슬러지를 중금속 오염토양에 첨가할 경우 이동성인 adsorbed form의 중금속을 현저히 감소시킴으로써 그 용출을 매우 효과적으로 억제할 것으로 판단되었다.
후속연구
- 이는 나전슬러지의 주 구성 물질인 철산화물의 수화물이 소결 온도의 증가와 함께 탈수반응과 소결에 의한 입도증가가 일어나 흡착활성을 소실하기 때문으로 생각된다. 따라서 향후 슬러지를 이용한 중금속 흡착용 소결체의 제조 시 흡착능의 감소를 방지할 수 있는 방법이 강구되어야 할 것이다.
- 3 mg/g으로 조사되었다. 슬러지를 소결할 경우 소결 온도가 증가할수록 중금속 흡착능은 급격히 감소하였으며, 따라서 슬러지를 이용하여 소결체와 같은 중금속 흡착용 구조체를 제조하고자 할 경우 중금속 흡착능을 감소시키지 않고 구조체를 제조하는 기술을 개발할 필요가 있음을 알았다.
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