선광 및 제련과 같은 광산활동 과정에 발생하는 광미는 고농도의 중금속을 함유하고 있고, 그 중 황철석을 함유한 광미는 광산주변 수계 및 토양 오염의 주요 원인이다. 이러한 황철석을 함유한 광미의 무해화를 위해 화학전지 (연료전지)의 개념을 활용할 수 있다. 화학전지에서 황철석의 자발적인 산화, 즉, 갈바닉 산화를 통해 황철석이 용해되면서 $Fe^{3+}$와 황산이 생성되어 pH가 감소하게 된다. 이는 황철석 함유 광미 내 중금속의 용출 촉진 효과를 가져올 수 있다. 본 연구에서는 $23^{\circ}C$ 조건에서 4주 간 산성용액과 갈바닉 반응기를 이용해 황철석을 처리하며 총 용존 철 농도와 용액의 pH를 확인하였다. 또한 주사전자현미경을 이용해 처리 후 황철석 표면을 관찰하였다. 갈바닉 반응기를 이용한 황철석의 용해가 산성용액을 이용한 황철석의 용해에 비해 약 2.9배 높은 총 철을 용출시킨 것을 확인하였고, pH 저감 효과도 더 큰 것을 확인하였다. 또한 표면 분석 결과 갈바닉 반응기 내에서 반응한 황철석의 표면에서 더 많은 홈을 발견되었다. 본 연구를 통해 갈바닉 산화에 의해 황철석의 용해가 촉진된 것을 확인하였으며, 갈바닉 산화가 황철석 함유 광미의 무해화 기술로 사용될 수 있는 가능성을 확인하였다.
선광 및 제련과 같은 광산활동 과정에 발생하는 광미는 고농도의 중금속을 함유하고 있고, 그 중 황철석을 함유한 광미는 광산주변 수계 및 토양 오염의 주요 원인이다. 이러한 황철석을 함유한 광미의 무해화를 위해 화학전지 (연료전지)의 개념을 활용할 수 있다. 화학전지에서 황철석의 자발적인 산화, 즉, 갈바닉 산화를 통해 황철석이 용해되면서 $Fe^{3+}$와 황산이 생성되어 pH가 감소하게 된다. 이는 황철석 함유 광미 내 중금속의 용출 촉진 효과를 가져올 수 있다. 본 연구에서는 $23^{\circ}C$ 조건에서 4주 간 산성용액과 갈바닉 반응기를 이용해 황철석을 처리하며 총 용존 철 농도와 용액의 pH를 확인하였다. 또한 주사전자현미경을 이용해 처리 후 황철석 표면을 관찰하였다. 갈바닉 반응기를 이용한 황철석의 용해가 산성용액을 이용한 황철석의 용해에 비해 약 2.9배 높은 총 철을 용출시킨 것을 확인하였고, pH 저감 효과도 더 큰 것을 확인하였다. 또한 표면 분석 결과 갈바닉 반응기 내에서 반응한 황철석의 표면에서 더 많은 홈을 발견되었다. 본 연구를 통해 갈바닉 산화에 의해 황철석의 용해가 촉진된 것을 확인하였으며, 갈바닉 산화가 황철석 함유 광미의 무해화 기술로 사용될 수 있는 가능성을 확인하였다.
Mine tailings generated during mining activity often contain high concentrations of heavy metals, with pyrite-containing mine tailings in particular being a major cause of environmental problems in mining areas. Chemical cell technology, or fuel cell technology, can be applied to leach heavy metals ...
Mine tailings generated during mining activity often contain high concentrations of heavy metals, with pyrite-containing mine tailings in particular being a major cause of environmental problems in mining areas. Chemical cell technology, or fuel cell technology, can be applied to leach heavy metals in pyrite-containing mine tailings. As pyrite dissolves through spontaneous oxidation (i.e. galvanic oxidation) in the anode compartment of the cell, $Fe^{3+}$, sulfuric acid are generated. A decrease in pH due to the generation of sulfuric acid allows heavy metals to be leached from pyrite-containing mine tailings. In this study, pyrite was dissolved for 4 weeks at $23^{\circ}C$ in an acidic solution (pH 2) and in a galvanic reactor, which induces galvanic oxidation, and total Fe leached from pyrite and pH were compared in order to investigate if galvanic oxidation can facilitate pyrite oxidation. The change in the pyrite surface was analyzed using a scanning electron microscope (SEM). Comparing the total Fe leached from the pyrite, there were 2.9 times more dissolution of pyrite in the galvanic reactor than in the acidic solution, and thus pH was lower in the galvanic reactor than in the acidic solution. Through SEM analysis of the pyrite that reacted in the galvanic reactor, linear-shaped cracks were observed on the surface of the pyrite. The study results show that pyrite dissolution was facilitated through the galvanic oxidation in the galvanic reactor, and also implied that the galvanic oxidation can be one remediation option for pyrite-containing mine tailings.
Mine tailings generated during mining activity often contain high concentrations of heavy metals, with pyrite-containing mine tailings in particular being a major cause of environmental problems in mining areas. Chemical cell technology, or fuel cell technology, can be applied to leach heavy metals in pyrite-containing mine tailings. As pyrite dissolves through spontaneous oxidation (i.e. galvanic oxidation) in the anode compartment of the cell, $Fe^{3+}$, sulfuric acid are generated. A decrease in pH due to the generation of sulfuric acid allows heavy metals to be leached from pyrite-containing mine tailings. In this study, pyrite was dissolved for 4 weeks at $23^{\circ}C$ in an acidic solution (pH 2) and in a galvanic reactor, which induces galvanic oxidation, and total Fe leached from pyrite and pH were compared in order to investigate if galvanic oxidation can facilitate pyrite oxidation. The change in the pyrite surface was analyzed using a scanning electron microscope (SEM). Comparing the total Fe leached from the pyrite, there were 2.9 times more dissolution of pyrite in the galvanic reactor than in the acidic solution, and thus pH was lower in the galvanic reactor than in the acidic solution. Through SEM analysis of the pyrite that reacted in the galvanic reactor, linear-shaped cracks were observed on the surface of the pyrite. The study results show that pyrite dissolution was facilitated through the galvanic oxidation in the galvanic reactor, and also implied that the galvanic oxidation can be one remediation option for pyrite-containing mine tailings.
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문제 정의
따라서 본 연구에서는 갈바닉 산화를 통해 황철석의 용해 촉진 정도를 확인하고자 한다. 광산주변 수계 및 토양오염을 유발하는 대부분의 광미에서 황철석의 존재가 확인되기 때문에, 황철석의 자발적 산화속도를 화학전지의 개념을 적용하여 촉진함으로써, 황철석 주위 pH를 효과적으로 변화시킬 수 있고, 그에 따라 광미 내 중금속의 용출량 또한 촉진할 수 있다.
본 연구에서는 외부환경의 변화에 민감하지 않을 뿐만 아니라 광미 내 황철석 (FeS2)의 자발적인 산화반응을 촉진할 수 있는 화학전지 (연료전지)의 개념을 광미 무해화 공법의 일환으로 활용하고자 한다. 광미는 황철석을 비롯한 황화광물을 다량 함유하고 있는데, 황철석은 물 및 공기와의 접촉을 통해 자연적 (자발적)으로 산화되며 Fe3+과 황산이온을 생성하고 pH를 낮춘다.
제안 방법
갈바닉 반응기는 음극부 반응기의 가로, 세로, 높이가 각각 5 cm이고, 공기와 닿아 있는 양극부의 형태 (air-cathode)를 가지도록 제작하였다 (Fig. 1) (Ju et al. 2015). 음극부와 양극부 사이에는 carbon cloth (0.
갈바닉 산화를 통한 황철석 용해반응을 위해, 갈바닉 반응기의 음극부에 동일한 산성용액 125 mL와 황철석 (20 g L-1)을 넣고, 23°C의 항온 조건에서 4주간 용해 반응이 일어나도록 하였다.
본 연구에서는 갈바닉 산화가 황철석의 용해를 촉진하고 이를 통한 pH 감소 효과를 가져오는지 비교 확인하기 위해, 갈바닉 반응기와 산성용액 내 황철석을 4주간 반응시킨 후 SEM을 이용한 황철석 표면을 분석하였고 용출된 total Fe와 pH를 비교하였다. SEM 분석을 통해 갈바닉 산화를 통한 황철석 용해시 길쭉한 모양의 홈이 생성되는 것을 확인하여 용해가 진행된 것을 확인하였다.
산성용액 내 황철석의 용해 반응을 위해 황산을 이용하여 pH 2로 조절한 산성용액 ((NH4)2SO4 3.0 g L-1, KCl 0.10 g L-1, K2HPO4 0.50 g L-1, MgSO4·7H2O 0.50 g L-1, Ca(NO3) 20.01 g L-1) 125 mL와 황철석 (20 g L-1)을 125 mL-Wheaton bottle에 넣고 23°C의 항온 조건에서 4주간 용해 반응이 일어나도록 하였다.
산성용액 및 갈바닉 반응기에서 황철석을 4주 간 반응시킨 후 산성용액과 반응기 내 액상시료를 채취하여 0.22 μm 필터로 여과한 후 ferrozine 방법을 이용하여 용존 이가 철 (Fe2+) 농도와 총 철 (total Fe)농도를 분석하였다 (Viollier et al. 2000).
갈바닉 산화를 통한 황철석 용해반응을 위해, 갈바닉 반응기의 음극부에 동일한 산성용액 125 mL와 황철석 (20 g L-1)을 넣고, 23°C의 항온 조건에서 4주간 용해 반응이 일어나도록 하였다. 실험은 3반복으로 수행되었다.
용존 삼가 철 (Fe3+)의 농도는 ferrozine 방법을 이용하여 구한 총 Fe 농도에서 Fe2+농도를 빼서 산출하였다. 여과된 시료의 pH는 pH 전극 (8102BNUWP)이 장착된 pH 미터 (Thermo Fisher Scientific Orion 5-Star, USA) 를 이용하여 측정하였다. 주사전자현미경 (SEM, Scanning Electron Microscope) (Hitachi S-4700, Japan)를 이용한 분석을 통해 황철석의 표면 모습을 관찰하였다.
음극과 양극 사이에는 외부저항 (RExt = 1,000 Ω)을 연결하였다.
음극부와 양극부 사이에는 carbon cloth (0.35 mm, Ballard, USA), Nafion 117 (Dupont, USA), Pt-coated carbon cloth (0.5 mg-pt cm-2, 20 wt% wet proof, Ballard, USA)를 140°C에서 20 mPa로 3분 간 압착한 MEA (membrane electrode assembly)를 제작하여 사용하였다.
여과된 시료의 pH는 pH 전극 (8102BNUWP)이 장착된 pH 미터 (Thermo Fisher Scientific Orion 5-Star, USA) 를 이용하여 측정하였다. 주사전자현미경 (SEM, Scanning Electron Microscope) (Hitachi S-4700, Japan)를 이용한 분석을 통해 황철석의 표면 모습을 관찰하였다.
대상 데이터
본 연구에서는 광산폐기물 내 황철석 성분을 모사하기 위해 페루산 자연 황철석을 사용하였다. XRD (X-ray diffraction, Bruker, Germany) 분석을 통해 불순물인 SiO2가 15% 함유된 황철석임을 확인했다.
이론/모형
2000). 용존 삼가 철 (Fe3+)의 농도는 ferrozine 방법을 이용하여 구한 총 Fe 농도에서 Fe2+농도를 빼서 산출하였다. 여과된 시료의 pH는 pH 전극 (8102BNUWP)이 장착된 pH 미터 (Thermo Fisher Scientific Orion 5-Star, USA) 를 이용하여 측정하였다.
성능/효과
본 연구에서는 갈바닉 산화가 황철석의 용해를 촉진하고 이를 통한 pH 감소 효과를 가져오는지 비교 확인하기 위해, 갈바닉 반응기와 산성용액 내 황철석을 4주간 반응시킨 후 SEM을 이용한 황철석 표면을 분석하였고 용출된 total Fe와 pH를 비교하였다. SEM 분석을 통해 갈바닉 산화를 통한 황철석 용해시 길쭉한 모양의 홈이 생성되는 것을 확인하여 용해가 진행된 것을 확인하였다. 산성용액에 비해 갈바닉 반응기 내에서 2.
Total Fe의 농도를 비교한 결과 갈바닉 반응기 내 total Fe의 농도 (29.8 ± 7.4 mg L-1)가 산성용액 내 total Fe 농도 (10.3 ± 1.6 mg L-1)에 비해 평균 값 기준 약 2.9배 정도 높았다 (Fig.
본 연구에서는 광산폐기물 내 황철석 성분을 모사하기 위해 페루산 자연 황철석을 사용하였다. XRD (X-ray diffraction, Bruker, Germany) 분석을 통해 불순물인 SiO2가 15% 함유된 황철석임을 확인했다. 막자사발을 이용하여 황철석을 분쇄한 후 0.
2). 결과적으로 산성용액 내에서는 황철석이 산화하면서 Fe3+, 2SO42-, H+ 가 생성된다 (Eq. 3). 갈바닉 반응기의 경우, 갈바닉 반응기의 음극에서 황철석이 산화되면서 Fe3+, 2SO42-, 16H+ , 15e-가 생성된다 (Eq.
9배 많은 total Fe가 검출되었고, pH가 더 낮은 것을 확인하였다. 본 연구를 통해 갈바닉 산화가 황철석의 용해를 촉진할 수 있음을 확인하였고, 이는 갈바닉 산화가 황화광물 함유 광미의 무해화 기술로 사용될 수 있는 가능성을 보여준다. 갈바닉 산화를 유도하기 위한 MEA (membrane electrode assembly)는 광미적치 현장에 손쉽게 원위치 (in situ) 설치가 가능하다.
SEM 분석을 통해 갈바닉 산화를 통한 황철석 용해시 길쭉한 모양의 홈이 생성되는 것을 확인하여 용해가 진행된 것을 확인하였다. 산성용액에 비해 갈바닉 반응기 내에서 2.9배 많은 total Fe가 검출되었고, pH가 더 낮은 것을 확인하였다. 본 연구를 통해 갈바닉 산화가 황철석의 용해를 촉진할 수 있음을 확인하였고, 이는 갈바닉 산화가 황화광물 함유 광미의 무해화 기술로 사용될 수 있는 가능성을 보여준다.
0%만 Fe3+로 존재하였다. 이를 통해 갈바닉 반응기 내에서 황철석의 용해뿐 아니라 용해된 Fe2+의 Fe3+로의 전환도 촉진됨을 알 수 있었다. 또한 산성용액 (pH 1.
후속연구
광산주변 수계 및 토양오염을 유발하는 대부분의 광미에서 황철석의 존재가 확인되기 때문에, 황철석의 자발적 산화속도를 화학전지의 개념을 적용하여 촉진함으로써, 황철석 주위 pH를 효과적으로 변화시킬 수 있고, 그에 따라 광미 내 중금속의 용출량 또한 촉진할 수 있다. 본 연구에서 제안하는 황철석의 갈바닉 산화를 적용할 경우, 광미 내 중금속의 용출을 촉진시켜 제거할 수 있기 때문에, 처리 후 광미의 재이용 용도의 범위가 확장될 수 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
광미는 언제 발생하는가?
광미는 선광 및 제련과 같은 광산활동을 통해 광체로부터 유용광물을 회수하는 과정에서 발생한다 (Jeong et al. 2015).
광미가 광산주변 수계 및 토양 오염의 주요 원인이 되는 이유는?
2015). 광미는 고농도의 중금속을 함유하고 있기 때문에 광산주변 수계 및 토양 오염의 주요 원인이 된다 (Park et al. 2006, Jeong et al.
광미의 위해도를 저감시키기 위한 고형화/안정화의 경우 처리 후 광미에 대한 재이용 용도가 불분명하여 적치 또는 매립되고 있는 실정이라는 점 외에 어떤 단점이 또 있는가?
2001) 에너지원이 필요하여 경제적이지 못하다. 또한 안정화/고형화와 같은 기술은 광미 내 중금속의 농도가 유지되기 때문에 재용출에 의한 주변 환경오염의 개연성이 상존한다는 단점이 있다.
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