선택한 단어 수는 입니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
선택한 단어 수는 30입니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
문제 정의
- 본 연구는 국내 화력발전소 네 곳에서 발생한 석탄 바닥재를 도로 포장, 지표면 포장 또는 포설 등의 방법으로 비포화대 부분에 매립하고 그 상부에 토양을 복토하여 지반의 매질로 구성하는 방식으로 지표 매립하는 경우, 바닥재에 포함된 중금속 성분이 용출되어 지하수 환경에 미칠 수 있는 영향을 규명하고자 수행되었다. 이를 위하여 바닥재 시료에 대한 연속 추출시험과 칼럼 용출시험을 수행하여 용출되는 중금속 함량과 존재상 및 용출량을 분석하였으며, 이를 통해 바닥재 지표매립에 의한 지하수의 오염 가능성을 해석하고자 하였다.
- 연속추출시험은 고체 시료 내의 무기/금속 물질의 존재 형태를 확인하고, 시료로부터 이들의 주변 환경으로의 유동 가능성을 판단하기 위하여 수행하였다. 시험 방법은 Tessier et al.
제안 방법
- 이 방법은 광산 지역에서 지표에 매립 또는 노출된 광미와 광산폐기물 등으로부터 중금속의 용출가능성을 평가하여 산성광산배수의 생성을 예측하기 위해 사용하고 있는 방법으로, 본 과제에서 수행하는 바닥재의 지표 매립 방법에서 강우에 의한 용출과 이로 인한 지하수 환경에의 영향을 평가하는데 적절한 방법으로 판단되어 본 용출시험의 기본틀로 적용하였다. 석탄 바닥재로부터 중금속 용출특성을 규명하기 위한 실험용 칼럼은 길이 11 cm의 플라스틱(Polypropylene, PP) 칼럼에 각 발전소에서 채취된 시료를 채워 넣어 제작하였으며, 이 칼럼을 3차 증류수에 24시간 동안 담아 포화시킨 뒤 Fig. 1의 모식도와 같이 설치해 실험을 수행하였다.
- 시험을 통해 얻은 용출액 시료는 0.45 µm 필터(cellulose acetate, ADVANTEC, Toyo Roshi Kaisha, Ltd.)로 여과하고, 양이온과 중금속 분석용 시료는 PE용기에 담아 질산을 이용해 pH 2 이하로 보전처리하였으며, 이후 한국기초과학지원연구원 서울지원에서 각각 ICP-AES(Ultima 2C, Horiba Jobin Yvon)와 ICP-MS(Elan DRC II, Perkin Elmer)를 사용하여 분석하였다.
- 실험실에서는 페리스탈틱 펌프를 이용해 칼럼에 증류수(pH 5.7)를 15 mL/h의 유량으로 약 11시간 동안 공급하여, 공극의 10배에 해당하는 부피만큼 배출된 용액을 채취해 양이온 및 음이온 농도를 측정하였다. Koh et al.
- 바닥재에 대한 칼럼 용출시험은 바닥재의 지표 매립 환경에서 강수에 의해 용출된 성분이 지하수 환경으로 유입되는 과정을 모사하기 위해, 강수에 의한 유동성 시험 방법-표준 컬럼 시험방법(Meteoric Water Mobility Procedure (MWMP)-Standardized Column Percolation Test Procedure, Nevada Mining Association, 1996)을 적용하였다. 이 방법은 광산 지역에서 지표에 매립 또는 노출된 광미와 광산폐기물 등으로부터 중금속의 용출가능성을 평가하여 산성광산배수의 생성을 예측하기 위해 사용하고 있는 방법으로, 본 과제에서 수행하는 바닥재의 지표 매립 방법에서 강우에 의한 용출과 이로 인한 지하수 환경에의 영향을 평가하는데 적절한 방법으로 판단되어 본 용출시험의 기본틀로 적용하였다. 석탄 바닥재로부터 중금속 용출특성을 규명하기 위한 실험용 칼럼은 길이 11 cm의 플라스틱(Polypropylene, PP) 칼럼에 각 발전소에서 채취된 시료를 채워 넣어 제작하였으며, 이 칼럼을 3차 증류수에 24시간 동안 담아 포화시킨 뒤 Fig.
- 이 연구에서는 변동계수가 50% 미만인 것을 “시료 간 유출경향이 유사함”으로 판단하고, 그 이상인 것을 “유출 경향이 다름”으로 구분하였다.
- 본 연구는 국내 화력발전소 네 곳에서 발생한 석탄 바닥재를 도로 포장, 지표면 포장 또는 포설 등의 방법으로 비포화대 부분에 매립하고 그 상부에 토양을 복토하여 지반의 매질로 구성하는 방식으로 지표 매립하는 경우, 바닥재에 포함된 중금속 성분이 용출되어 지하수 환경에 미칠 수 있는 영향을 규명하고자 수행되었다. 이를 위하여 바닥재 시료에 대한 연속 추출시험과 칼럼 용출시험을 수행하여 용출되는 중금속 함량과 존재상 및 용출량을 분석하였으며, 이를 통해 바닥재 지표매립에 의한 지하수의 오염 가능성을 해석하고자 하였다.
대상 데이터
- 시료채취 대상 시설은 한반도 중부지역(Y-plant, B-plant, J-plant)과 영동지역(D-plant)의 화력발전소 네 곳이다. 각 발전소들은 미분탄 연소 방식으로 원탄을 연소하고 있으며, D-plant의 경우 유동층 연소(Fluidized Bed Combustion)방식으로 재에 석회 성분이 포함되어있다.
- 연구에 사용된 석탄재는 2011년 2월 7일부터 18일 사이에 국립환경과학원에 의해 대상 화력발전소들의 회처리장에서 폐기물공정시험기준(환경부고시 제2010-106호)에 따라 채취되었으며, 어두운 장소에서 풍건한 뒤 2 mm로 체거름하여 실험에 사용하였다. 시험대상 석탄재의 광물 조성은 한국기초과학지원연구원 서울지원에서 XRF(Phillips PW2004)를 통해 동정한 결과, 네 종의 석탄재 모두에서 Si, Fe, Al 산화물이 주를 이루고 있다(Table 1).
- )로 여과하고, 양이온과 중금속 분석용 시료는 PE용기에 담아 질산을 이용해 pH 2 이하로 보전처리하였으며, 이후 한국기초과학지원연구원 서울지원에서 각각 ICP-AES(Ultima 2C, Horiba Jobin Yvon)와 ICP-MS(Elan DRC II, Perkin Elmer)를 사용하여 분석하였다. 음이온 분석용 시료는 냉장보관 하였다가 연세대학교 지하수토양 환경연구소에서 IC(DX-80, Dionex)를 사용하여 분석하였다.
- 이 연구에서 분석된 바닥재 시료 중 칼럼 용출시험을 통해 용출된 중금속은 Table 3에 나타낸 바와 같이 Pb, As, B, Cu, Zn, Mn, Ni, Ba, Sr, Sb, V, Cr, Mo, Hg 등이다. 용출된 미량원소들의 농도를 비교하면, 공통적으로 B, Sr, Ba, V 등이 다른 원소에 비해 상대적으로 높게 나타났으며, 이러한 농도들은 바닥재 시료간의 차이를 보인다(Table 3a).
데이터처리
- 분석결과는 용출된 성분의 함량을 국내 수질기준들과 비교하여 오염유발 가능성을 판단하였으며, 중금속 함량에 대한 변동계수(Coefficient of Variation; CV)를 계산하여 바닥재의 시료별 특성의 차이와 유사성을 검증하였다. 변동계수는 데이터의 무차원화된 산포도를 나타내어 여러 항목들의 측정치가 서로 크게 차이나는 경우 각각의 분산을 서로 비교할 수 있게 해주며, 다음의 식으로 표현할 수 있다(Choe, 2007):
이론/모형
- (1979)이 제안한 방법으로, 시험시료를 80메시 이하(< 180 µm)로 미분쇄하여 polysulfone 튜브에 1.0 g씩 넣고, Table 2에 나타낸 단계대로 강원대학교 환경연구소에서 수행하였다.
- 바닥재에 대한 칼럼 용출시험은 바닥재의 지표 매립 환경에서 강수에 의해 용출된 성분이 지하수 환경으로 유입되는 과정을 모사하기 위해, 강수에 의한 유동성 시험 방법-표준 컬럼 시험방법(Meteoric Water Mobility Procedure (MWMP)-Standardized Column Percolation Test Procedure, Nevada Mining Association, 1996)을 적용하였다. 이 방법은 광산 지역에서 지표에 매립 또는 노출된 광미와 광산폐기물 등으로부터 중금속의 용출가능성을 평가하여 산성광산배수의 생성을 예측하기 위해 사용하고 있는 방법으로, 본 과제에서 수행하는 바닥재의 지표 매립 방법에서 강우에 의한 용출과 이로 인한 지하수 환경에의 영향을 평가하는데 적절한 방법으로 판단되어 본 용출시험의 기본틀로 적용하였다.
성능/효과
- (1) 바닥재 시료로부터 약산성의 증류수로 용출될 수 있는 중금속 원소들의 양과 농도는 바닥재 시료에 함유된 총함량과 원소들의 존재형태에 따라 달라진다. 총함량이 많을수록, 그리고 흡착성분의 비율이 높을수록 지표환경을 모사하는 컬럼시험에서의 용출량도 많아진다.
- (2) 시험된 바닥재 시료의 용출성분을 국내 제반 수질 기준과 비교한 결과, B, Hg 성분이 가장 보수적 규제기준인 먹는물 수질기준치에 해당하는 농도가 용출액에서 검출되었다.
- J-plant의 바닥재에 대한 칼럼용출시험 결과 B, Ba, Sr이 각각 0.310 mg/L, 0.112 mg/L, 0.354 mg/L로 용출되었고, 나머지 대부분의 원소들은 0.020 mg/L 이하의 낮은 농도로 용출되었다. Y-plant의 바닥재 또한 J-plant의 시료와 유사한 양상을 보이지만, B, Ba, Sr 이 각각 0.
- (2010)에 따르면, 컬럼 용출시험을 통해 바닥재에서 용출된 중금속 성분으로 Pb, Zn 는 초기 용출농도가 높고 이후로 1 pore volume 정도 내에서 수질기준 이하의 농도로 용출됨을 보였다. 그리고 가장 농도가 높았던 황산염 이온도 최대 8.2 pore volume에서 수질기준치 이하로 용출됨을 보였다. 또한 Wang et al.
- 01 mg/L 이상의 총용출농도를 보이는 Co, Ni 은 용출시험 초기 12시간 내에 87% 이상이 용출되는 것으로 보고하였다. 따라서 본 시험에서 수행한 10 pore volume 과 11시간의 실험시간은 용출되는 중금속의 총량을 평가하는데 무리가 없을 것으로 판단하였다. 또한 실험결과의 품질관리를 위해 각 시료에 대한 실험과 분석은 각각 3회 반복하였다.
- 연구에 사용된 석탄재는 2011년 2월 7일부터 18일 사이에 국립환경과학원에 의해 대상 화력발전소들의 회처리장에서 폐기물공정시험기준(환경부고시 제2010-106호)에 따라 채취되었으며, 어두운 장소에서 풍건한 뒤 2 mm로 체거름하여 실험에 사용하였다. 시험대상 석탄재의 광물 조성은 한국기초과학지원연구원 서울지원에서 XRF(Phillips PW2004)를 통해 동정한 결과, 네 종의 석탄재 모두에서 Si, Fe, Al 산화물이 주를 이루고 있다(Table 1).
- 이 연구에서 분석된 바닥재 시료 중 칼럼 용출시험을 통해 용출된 중금속은 Table 3에 나타낸 바와 같이 Pb, As, B, Cu, Zn, Mn, Ni, Ba, Sr, Sb, V, Cr, Mo, Hg 등이다. 용출된 미량원소들의 농도를 비교하면, 공통적으로 B, Sr, Ba, V 등이 다른 원소에 비해 상대적으로 높게 나타났으며, 이러한 농도들은 바닥재 시료간의 차이를 보인다(Table 3a). 예를 들어 B의 농도는 B-plant 시료가 가장 높게 나타나지만, V 농도는 D-plant 시료가 가장 높으며, Sr 농도는 Y-plant 시료에서 가장 높게 용출되었다.
- 이 연구에서 수행한 4종의 석탄재에 대한 연속추출시험 결과 Cu, B, Pb, V, Cr, Se, Sr, Mo, Sb, Ba, U, Hg, Tl, Al, Fe, Mn 등 대부분의 시험항목들은 잔류물형태가 대부분인 것으로 나타났다(Fig. 2). 환경에 따른 각 중금속 원소들 간의 유출 가능성을 비교하기 위해 각 존재형태별로 확인된 비율은 평균적으로 흡착형태 4.
- 2). 환경에 따른 각 중금속 원소들 간의 유출 가능성을 비교하기 위해 각 존재형태별로 확인된 비율은 평균적으로 흡착형태 4.06%, 탄산염형태 4.02%, 철 및 망간 산화물과 결합된 형태 12.13%, 유기물물과 결합된 형태 9.12%, 잔류물형태 70.68% 등이며, 연속추출결과 확인된 각 원소의 총량은 Fig. 2의 원소명 아래에 mg/kg의 단위로 표기하였다.
- 흡착형태의 비율이 높은 중금속 항목은 As, Cd, B, V, Mo, Tl, Sr, Sb, Se 등으로, 이들은 주변의 물리-화학적 환경의 미세한 변화에도 쉽게 용탈될 수 있으며, 결과적으로 매립된 바닥재에서도 가장 용출가능성이 높은 것으로 판단된다.
후속연구
- 나아가, 이러한 분석결과와 함께, 바닥재를 매립하고자 하는 부지에 대한 토양 매질의 특성, 즉 구성 성분과 자연적 중금속 물질의 함량과 지하수환경에 대한 기반조사 정보, 즉 지역적 강수 특성과 비포화대의 두께와 변동, 지하수위의 시계열 변화 자료와 지하수의 수질 특성 등을 결합하면, 특정 지역에서 바닥재의 지표매립을 통한 재활용이 가능한 지 여부를 판단할 수 있는 신뢰성 있는 평가가 가능할 것이다.
- 위와 같은 결과에 근거할 때, 석탄 화력발전소에서 배출된 바닥재를 지표 매립 방식으로 재활용하고자 하는 경우, 일차적으로 바닥재에 포함된 중금속 성분들에 대한 존재형태와 각 형태별 함량에 대한 평가가 선행되어야 한다. 이러한 평가 자료를 바탕으로, 지하수환경 내에서 이동할 수 있는 잠재적 중금속 물질에 대한 영향 평가가 이루어져야 할 것이다. 물론 이러한 과정에서 원탄의 고유 특성과 발전과정에서의 연소방식에 대한 차이가 규명될 수 있다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.