[논문]제강슬래그 복합매질체를 이용한 철 유입에 따른 광산배수내 망간 제거효율 평가

김동관; 지원현; 김덕민; 박현성; 오연수

doi:10.9719/eeg.2018.51.5.401

제강슬래그 복합매질체를 이용한 철 유입에 따른 광산배수내 망간 제거효율 평가
Evaluation of Mn Removal Efficiency from the Mine Drainage in the Presence of Fe Using Slag Complex Reactors 원문보기

자원환경지질 = Economic and environmental geology, v.51 no.5, 2018년, pp.401 - 407

김동관 (한국광해관리공단 기술연구센터) , 지원현 (한국광해관리공단 기술연구센터) , 김덕민 (한국광해관리공단 기술연구센터) , 박현성 (한국광해관리공단 기술연구센터) , 오연수 (한국광해관리공단 기술연구센터)

초록
AI-Helper

폐광산에서 유출되는 광산배수 내 중금속을 처리하기 위해 자연정화법 및 물리화학처리 등 다양한 방법이 사용되고 있다. 특히 광산배수 내 중금속 중 망간은 처리되기 위해 pH 9 이상의 조건이 필요하기 때문에 처리하기 어려운 원소 중 하나이다. 본 연구에서는 광산배수 내 망간의 효율적인 제거방법을 연구하기 위해 다양한 제강슬래그 복합매질체 반응조(제강슬래그(S), 제강슬래그+석회석(S+L), 제강슬래그+망간코팅자갈(S+G))를 사용하여 경쟁원소인 철 유입에 따른 망간의 제거효율을 평가하였다. 철 유입이 없는 358일간의 실험에서는 평균 pH 6.7의 고농도 망간(30~50 mg/L)이 포함된 원수를 사용했으며 제강슬래그 반응조 유출수는 pH 8.9~11.4에서 평균 99.9%의 지속적으로 높은 망간제거효율을 보였다. 철 유입 없이 망간제거실험을 진행한 반응조를 이용하여 망간농도 40~60 mg/L의 원수에 철을 추가로 유입하여 237일간의 실험을 진행하였다. 망간 제거 이후 pH는 6.1~10.0 범위로 증가하였으며 철 유입 전에 비해 낮은 범위를 보였다. S반응조가 pH 7.1~9.9로 가장 높았으며 S+L 반응조, S+G 반응조가 그 뒤를 이었다. 하지만 망간제거효율은 비교적 낮은 pH 범위임에도 불구하고 S+L 반응조가 94~100%로 가장 높았으며 S반응조와 S+G 반응조는 약 68~100%의 범위의 효율을 보였다. S+L반응조가 철 유입에 가장 높은 저항성을 나타냈으며 이는 pH 이외에도 석회석에 의해 공급된 탄산염에 의한 $MnCO_3$의 형성 또는 자가촉매반응이 망간제거에 기여했다고 판단할 수 있다. X선 회절 분석을 통해 S+L 반응조 침전물에서 로도크로사이트(rhodochrosite, $MnCO_3$)를 확인할 수 있었다. 광산배수 내 망간을 처리하는데 가장 효율적인 반응조는 제강슬래그+석회석 반응조로 나타났으며, 본 연구결과는 철의 유입에 따른 비교적 낮은 pH(9 이하) 범위에서도 망간이 효율적으로 제거될 수 있는 공법을 선정하는데 기여 할 수 있다.

Abstract ▼ AI-Helper

For the treatment of heavy metals in the mine drainage from the closed mine area, various methods such as passive, active and semi-active treatments are considered. Among contaminated elements in the mine drainage, Mn is one of the difficult elements for the treatment because it needs high pH over 9.0 for its concentration to be reduced. In this study, the efficiency of various slag complex reactors (slag (S), slag+limestone (SL) and slag+Mn coated gravel (SG)) on Mn removal in the presence of Fe, which is a competitive element with Mn, was evaluated to investigate effective methods for the treatment of Mn in mine drainage. As a result of experiments on Mn removal without Fe during 358 days, using influent with $30{\sim}50Mn{\cdot}mg/L$ and pH 6.7 on the average, S reactor showed continuously high Mn removal efficiency with the average of 99.9% with pH 8.9~11.4. Using the same reactors, Mn removal experiments with Fe during 237 days were conducted with the influent with $40{\sim}60Mn{\cdot}mg/L$. The pH range of effluent reached to 6.1~10.0, which is slightly lower than that of effluent without Fe. S reactor showed the highest range of pH with 7.1~9.9, followed by S+L and S+G reactor. However, the efficiency of Mn removal showed S+L>S>S+G with the range of 94~100%, 68~100% and 68~100%, respectively in spite of relatively low pH range. S+L reactor showed the most resistance on Fe input, which means other mechanisms such as $MnCO_3$ formation by the carbonate prouced from the limestone or autocatalysis reaction of Mn contributed to Mn removal rather than pH related mechanisms. The evidence of reactions between carbonates and Mn, rhodochrosite ($MnCO_3$), was found from the X-ray diffraction analysis of precipitates sample from S+L reactor. From this study, the most effective reactors on Mn removal in the presence of Fe was S+L reactor. The results are expected to be applied for the Mn containing mine water treatment in the presence of Fe within the relatively low range of pH.

주제어

표/그림 (7)

그림 Fig. 1. (a, b) Experiment setup and (c) schematic diagram for Mn removal experiments using various slag complex reactors.
표 Table 1. Composition and volume of slag complex media reactors
표 Table 2. Results of the heavy metal leaching test for the steel slag (mg/L)
그림 Fig. 2. (a) pH values and (b) Mn removal efficiency of influent and effluent of reactors in the absent of Fe showing S>S+L>S+G in both pH and the efficiency.
그림 Fig. 3. (a) pH values and (b) Mn removal efficiency of influent and effluent of reactors in the absent of Fe showing S>S+L>S+G in pH and S+L>S>S+G in the efficiency.
그림 Fig. 4. The relation between pH and Mn removal efficiency (a) in the absence of Fe and (b) in the presence of Fe showed the positive relation, which means the higher pH condition generally leads to the better Mn removal efficiency. Also, the graph showed the experiment in the presence of Fe reached almost 100% Mn removal efficiency at the lower pH range than in the absence of Fe.
$Fig. 5. (a) The result of X-ray diffraction analysis for the precipitates from the S+L reactor, showing the mineral composition of calcite, gypsum, rhodochrosite and manganocalcite. (b) The S+G reactor consisted of birnessite, gypsum, lime and manganite.$ 그림 Fig. 5. (a) The result of X-ray diffraction analysis for the precipitates from the S+L reactor, showing the mineral composition of calcite, gypsum, rhodochrosite and manganocalcite. (b) The S+G reactor consisted of birnessite, gypsum, lime and manganite.

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

따라서 본 연구에서는 망간을 함유한 광산배수 정화시설 운영 중 철이 유입되는 경우 망간제거효율의 변화를 알아보기 위해 다양한 제강슬래그 복합매질체를 이용하여 철의 유입 전과 후의 망간제거효율을 실내실험을 통해 비교해보고, 이와 더불어 망간이 제거되는 기작에 대해 평가해보았다. 다양한 제강슬래그 복합매질체 반응조를 이용하여 철의 유입 없이 고농도 망간을 주입하여 358일간의 망간처리실험을 선행하였고, 이후 273일간 각 반응조에 철을 추가로 주입하여 처리효율을 평가하였다.

제안 방법

고농도 망간을 포함하는 원수를 이용한 실험은 358일간 수행되었으며, 이후 원수에 철을 첨가하여 273일간 추가실험을 진행하였다. 반응조의 원수의 망간농도는 30~50 mg/L로 제작해 주었으며, 체류시간은 0.
따라서 본 연구에서는 망간을 함유한 광산배수 정화시설 운영 중 철이 유입되는 경우 망간제거효율의 변화를 알아보기 위해 다양한 제강슬래그 복합매질체를 이용하여 철의 유입 전과 후의 망간제거효율을 실내실험을 통해 비교해보고, 이와 더불어 망간이 제거되는 기작에 대해 평가해보았다. 다양한 제강슬래그 복합매질체 반응조를 이용하여 철의 유입 없이 고농도 망간을 주입하여 358일간의 망간처리실험을 선행하였고, 이후 273일간 각 반응조에 철을 추가로 주입하여 처리효율을 평가하였다.
반응조 유입수 및 유출수는 약 10일 간격으로 채취하여 유량 및 pH 등의 측정 및 원소분석을 수행하였다. 현장분석 항목 중 온도, pH, EC, DO 및 ORP는 Thermo사의 ORION STAR A211를 이용하여 측정하였으며 Mn²⁺ 및 Fe²⁺은 HACH사의 DR-890 colorimeter를 사용하여 phenanthroline method (APHA, 1995)에 따라 측정하였다.
시료는 4^oC에서 냉장 보관하였으며 Varian 사의 ICP-OES(Varian 720-ES)를 사용하여 분석하였다. 반응조의 침전물의 광물조성은 Bruker사의 X선 회절 분석기(D8 FOCUS)를 이용하여 분석하였다.
실내분석 항목인 용존망간, 철, 칼슘 등의 양이온 분석용 시료는 0.45 µm 여과지로 여과한 후 50 mL 코니컬 튜브에 채수하였으며 흡착 및 침전을 방지하기 위해 농질산을 주입하였다.
2(a)). 실험 시간별로 유입수의 망간농도 차이가 있기 때문에 유출수 망간농도의 절대값을 비교하는 것에는 어려움이 존재하여 유입수 망간농도와 비교하여 망간 농도 감소효율, 즉 망간제거효율로 계산하여 비교해보았다.
유입수 및 유출수 분석결과는 철 유입 전과 후 각 반응조별로 비교해보았다. 철 유입 전 pH는 원수에 비해 증가하였으며, 시간에 따른 pH 변화의 뚜렷한 경향은 보이지 않았지만 제강슬래그만으로 구성된 S 반응조에서 pH 8.
이후 철을 평균 3.3 mg/L(Fe2+ 1.6 mg/L) 농도로 망간이 함유된 유입수에 추가하였으며, 철 유입 전, 후로 망간제거효율을 비교해보았다.
망간제거실험을 위해 제강슬래그(S), 제강슬래그+석회석(S+L), 그리고 제강슬래그+망간코팅자갈(S+G) 반응조가 사용되었다. 제강슬래그의 pH 상승효과를 이용한 망간제거 효과를 알아보기 위해 S 반응조를 사용하였으며, S+L 반응조에 석회석을 추가하여 석회석에 의한 영향과 S+G 반응조에 망간코팅자갈을 사용하여 망간(수)산화물의 자체촉매반응에 의한 망간제거효과를 평가해 보았다.

대상 데이터

망간제거실험을 위해 제강슬래그(S), 제강슬래그+석회석(S+L), 그리고 제강슬래그+망간코팅자갈(S+G) 반응조가 사용되었다. 제강슬래그의 pH 상승효과를 이용한 망간제거 효과를 알아보기 위해 S 반응조를 사용하였으며, S+L 반응조에 석회석을 추가하여 석회석에 의한 영향과 S+G 반응조에 망간코팅자갈을 사용하여 망간(수)산화물의 자체촉매반응에 의한 망간제거효과를 평가해 보았다.
망간코팅자갈은 백자갈 24 L에 대해 3%의 염화망간(MnCl2·4H2O) 수용액 3.6 L를 넣어 혼합한 후 3% 과망간산칼륨(KMnO4) 수용액 1.8 L를 넣어 혼합하여 제작하였다.
45 µm 여과지로 여과한 후 50 mL 코니컬 튜브에 채수하였으며 흡착 및 침전을 방지하기 위해 농질산을 주입하였다. 시료는 4^oC에서 냉장 보관하였으며 Varian 사의 ICP-OES(Varian 720-ES)를 사용하여 분석하였다. 반응조의 침전물의 광물조성은 Bruker사의 X선 회절 분석기(D8 FOCUS)를 이용하여 분석하였다.

이론/모형

반응조 유입수 및 유출수는 약 10일 간격으로 채취하여 유량 및 pH 등의 측정 및 원소분석을 수행하였다. 현장분석 항목 중 온도, pH, EC, DO 및 ORP는 Thermo사의 ORION STAR A211를 이용하여 측정하였으며 Mn²⁺ 및 Fe²⁺은 HACH사의 DR-890 colorimeter를 사용하여 phenanthroline method (APHA, 1995)에 따라 측정하였다. 실내분석 항목인 용존망간, 철, 칼슘 등의 양이온 분석용 시료는 0.

성능/효과

2(b)). pH 조성 범위가 높을수록 높은 망간제거효율을 보이는데, 각 반응조의 유출수 pH 대비 망간제거효율을 비교해본 결과 pH 증가에 따라 망간제거효율도 증가하는 양의 상관관계를 보였다(Fig. 4(a)).
철이 유입되면서 급격하게 감소된 pH의 영향으로 망간제거효율이 낮아졌지만 이후 표면에 형성되어 있는 철(수)산화물 및 망간(수)산화물의 영향으로 망간이 제거되어 높은 효율을 되찾았다 볼 수 있다. 또한 초기에는 S 반응조의 pH 범위가 철 유입 전보다 훨씬 낮게 조성되었으나, 81일 이후에는 pH 9 이상의 조건을 나타날 때도 있었으며 실험 초기보다 보다 상승된 pH 조건이 조성되어 철의 유입에 대한 저항성이 생긴 것을 확인 할 수 있었다.
망간제거효율은 철 유입 전에는 S 반응조가 가장 높은 효율을 보이는 반면 철 유입 후에는 S+L 반응조가 가장 높은 망간제거율을 보였다. 철은 망간보다 우선적으로 산화되어 망간이 제거되는데 방해물질로 작용하는데, S+L 반응조의 경우 지속적으로 높은 제거효율을 보여 철의 유입에 대하여 비교적 높은 저항성을 나타냈다.
철과 망간은 pH 등 처리 가능한 조건이 다르고 서로 방해원소가 될 수 있기 때문에 수질정화시설 설치시 고려해야 할 요소이다. 본 연구 결과, 고농도의 망간은 철의 유입에도 불구하고 제강슬래그와 석회석 복합매질체 반응조에서 높은 효율로 제거되었음을 확인하였다. 향후 이에 대한 더 자세한 발생 기작을 파악할 필요가 있으며 장기간의 실험을 통해 수질정화시설 반응조로 적용시 효율 유지 및 관리에 도움을 줄 수 있을 것이다.
3(b)). 실험 81일까지는 S+L 반응조가 평균 97.3%의 효율로 다른 반응조에 비해 월등히 높은 효율을 보였지만 81일 이후에는 S 반응조도 높은 망간제거효율을 유지하였다. 모든 반응조에서 철은 0.
유출수의 망간제거 효율은 S 반응조가 95.9~100.0%로 가장 높은 효율을 보였으며 S+L 반응조는 47.2~99.9%, S+G 반응조는 25.5%~100.0%로 S>S+L>S+G 반응조 순으로 높은 망간제거효율 범위를 보였으며 pH 범위와 같은 순서를 보였다(Fig.
망간을 제거하는 기작으로는 기존에 석회석 표면에 형성된 망간(수)산화물의 자체촉매반응 및 석회석에 의해 공급된 탄산염에 의한 MnCO₃의 형성을 고려해 볼 수 있다. 이를 확인하기 위해 X선 회절분석을 수행한 결과, S+L 반응조 침전물에서 능망간석(rhodochrosite)를 감정할 수 있었다(Fig. 5(a)).
전체 실험기간동안 S+L 반응조는 93.5~100.0%의 망간제거효율을 보였으며 S 반응조가 67.9~100.0%, S+G 반응조가 36.4~98.8%의 효율을 보였다(Fig. 3(b)).
제강슬래그 복합매질체 반응조를 이용하여 철 유입에 따른 망간제거효율을 평가해본 결과, 철 유입 전에는 제강슬래그로만 구성된 S 반응조가 가장 높은 pH 범위를 조성하였고 망간제거효율도 높았다. S+L과 S+G 반응조는 약 200일 이후부터는 비교적 낮은 pH 범위임에도 불구하고 각각 94.
Table 1은 망간제거 반응조별 구성 매질 및 공극체적을 나타낸다. 제강슬래그는 유입수와 반응하였을 때 중금속이 용출되지 않게 결정화된 서냉전로제강슬래그를 사용하였으며, 폐기물공정시험기준에 따른 용출시험을 통해 실제로 제강슬래그로부터 중금속이 용출되지 않음을 확인할 수 있었다(Table 2). 제강슬래그의 입경은 2~6 mm이며, 석회석 및 망간코팅 자갈의 입경은 2~5 cm이다.
S+L과 S+G 반응조는 약 200일 이내에 비하여 그 이후에는 높은 망간제거효율을 보인다. 즉, 제강슬래그와 석회석 또는 자갈을 혼합하는 경우 초반에는 낮은 pH 조성에 의해 망간제거효율이 낮았지만 200일 이후부터는 비교적 낮은 pH의 범위에서도 점진적으로 망간제거효율이 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 이는 두 반응조에서 pH 이외에 다른 기작에 의해 망간이 제거되었을 가능성을 제시한다.
유입수 및 유출수 분석결과는 철 유입 전과 후 각 반응조별로 비교해보았다. 철 유입 전 pH는 원수에 비해 증가하였으며, 시간에 따른 pH 변화의 뚜렷한 경향은 보이지 않았지만 제강슬래그만으로 구성된 S 반응조에서 pH 8.9~11.4로 가장 높았다. S+L 반응조의 경우 7.
S 반응조에서의 망간제거는 철 유입 전 실험결과에 따르면 pH 조건에 많은 영향을 받는다. 철 유입 전과 비교해서 철 유입 후 pH 조성범위가 감소하였고 이에 따라 철 유입 후 망간제거효율이 낮게 나타났다. 하지만 점차 효율이 상승했고 실험 약 81일 이후부터는 평균 99.
철 유입 전과 비교해서 철 유입 후 pH 조성범위가 감소하였고 이에 따라 철 유입 후 망간제거효율이 낮게 나타났다. 하지만 점차 효율이 상승했고 실험 약 81일 이후부터는 평균 99.6% 효율로 대부분의 망간을 제거하였다. pH도 점차 철 유입 전과 비슷한 범위로 9 이상의 조건을 충족시켜 철의 유입에 대한 저항성을 보였다.

후속연구

본 연구 결과, 고농도의 망간은 철의 유입에도 불구하고 제강슬래그와 석회석 복합매질체 반응조에서 높은 효율로 제거되었음을 확인하였다. 향후 이에 대한 더 자세한 발생 기작을 파악할 필요가 있으며 장기간의 실험을 통해 수질정화시설 반응조로 적용시 효율 유지 및 관리에 도움을 줄 수 있을 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	망간이란?	, 2008). 특히 망간의 경우 광산배수 뿐만 아니라 다양한 산업폐수에서 오염물질로 나타나며, 넓은 범위의 pH(약 4.5~8)에서 용해도가 매우 높아 처리되기 위한 pH 조건이 9.0 이상으로 높기 때문에 저감하기 어려운 화학종 중 하나이다(Eckenfelder, 2000; Bamforth etal., 2006; Kusin et al.
	폐수에서 망간을 처리하는 방법 중에서 가장 효과적이고 넓게 사용되는 방법은?	폐수에서 망간을 처리하는 방법은 침전, 이온교환 및 흡착 등 다양한 기작이 있다. 이 중 화학적 침전은 가장 효과적이고 넓게 사용되는 방법으로 망간(수)산화물로의 침전 및 탄산염형태로의 침전 등이 있다(Patil etal., 2016).
	폐수에서 망간을 처리하는 방법에는 무엇이 있는가?	폐수에서 망간을 처리하는 방법은 침전, 이온교환 및 흡착 등 다양한 기작이 있다. 이 중 화학적 침전은 가장 효과적이고 넓게 사용되는 방법으로 망간(수)산화물로의 침전 및 탄산염형태로의 침전 등이 있다(Patil etal.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증