[논문]인공 산성광산배수의 pH변화에 의한 중금속 제거 및 침전 특성 연구

이민현; 김영훈; 김정진

doi:10.9719/eeg.2019.52.6.529

인공 산성광산배수의 pH변화에 의한 중금속 제거 및 침전 특성 연구
Characteristics of Removal and Precipitation of Heavy Metals with pH change of Artificial Acid Mine Drainage 원문보기

자원환경지질 = Economic and environmental geology, v.52 no.6, 2019년, pp.529 - 539

이민현 (미래자원연구원) , 김영훈 (안동대학교 환경공학과) , 김정진 (안동대학교 지구환경과학과)

초록
AI-Helper

본 연구에서는 pH 변화에 따른 인공 산성광산배수로부터 중금속 제거와 침전물 생성에 대한 연구를 수행하였다. 인공 산성광산배수는 폐광산에서 유출되는 산성광산배수에 다량 포함된 Fe, Al, Cu, Zn, Mn의 황산염을 이용하여 제조하였다. 실험은 5가지의 중금속에 대하여 초기 농도 30과 70 mg/L의 단일 및 혼합 시료를 이용하여 수행하였다. Fe와 Al은 각각 pH 4.0과 5.0에서 대부분 제거되었으며 그 외 중금속은 pH가 증가함에 따라 서서히 감소하였다. 단일 및 혼합 중금속 시료에 대한 pH 증가에 따른 농도 변화는 대체로 유사한 경향을 나타낸다. 수용액으로부터 중금속 제거 효과는 초기 농도와 관계없이 유사한 경향을 나타내고 pH 변화에 따라 확연한 차이를 나타낸다. X-선회절분석을 이용하여 침전물에 대한 광물 감정을 수행하였으며 pH가 증가함에 따라 결정도가 증가하는 경향을 나타낸다. 수용액 내에 중금속 농도가 감소하면서 생성되는 침전물은 Fe-침철석(FeOOH), Al-배사알루미나이트(Al₄(SO₄)(OH)₁₀·4H₂O), Cu-코넬라이트Cu₁₉(OH)₃₂(SO₄)Cl₄·3H₂O)와 테놀라이트(tenorite: CuO), Zn-진사이트(ZnO), Mn-하우스마나이트(Mn₃O₄)이다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, heavy metal removal and precipitation characteristics with pH change were studied for artificial acid mine drainage. Artificial acid mine drainage was prepared using sulfates of iron, aluminum, copper, zinc, manganese which contained in acid mine drainage from abandoned mines. The single and mixed five heavy metal samples of Fe, Al, Cu, Zn, and Mn were prepared at initial concentrations of 30 and 70 mg/L. Fe and Al were mostly removed at pH 4.0 and 5.0, respectively, and other heavy metals gradually decreased with increasing pH. Concentration changes with increasing pH show generally similar trend for single and mixed heavy metal samples. The effect of removing heavy metals from aqueous solutions is not related to the initial concentration and depends on the pH change. XRD were used for mineral identification of precipitates and crystallinity of the mineral tended to increase with increasing pH. The precipitates that produced by decreasing the concentration of heavy metals in the aqueous solution composed of Fe-goethite(FeOOH), Al-basaluminite(Al4(SO4)(OH)10·4H2O), Cu-connellite(Cu19(OH)32(SO4)Cl4·3H2O) and tenorite(CuO), Zn-zincite(ZnO), and Mn-hausmannite(Mn3O4).

주제어

표/그림 (9)

표 Table 1. The amount of each heavy metal sulfate powder
표 Table 2. Concentrations at each pH of 30 mg/L single and mixed heavy metal solution
그림 Fig. 1. Variations of concentrations at each pH of 30 mg/L individual and mixed Heavy metal solution.
표 Table 3. Concentrations at each pH of 70 mg/L single and mixed heavy metal solution
그림 Fig. 2. Variations of concentrations at each pH of 70 mg/L individual and mixed Heavy metal solution.
그림 Fig. 3. Precipitates of heavy metal hydroxide/oxide change with pH at 30 mg/L(A: Fe, B: Al, C: Cu, D: Zn, E: Mn, F: mixed heavy metals).
그림 Fig. 4. Precipitates of heavy metal hydroxide/oxide change with pH at 70 mg/L(A: Fe, B: Al, C: Cu, D: Zn, E: Mn, F: mixed heavy metals).
$Fig. 5. X-ray diffraction patterns of precipitates from Fe, Al, and Cu solution at each pH.$ 그림 Fig. 5. X-ray diffraction patterns of precipitates from Fe, Al, and Cu solution at each pH.
$Fig. 6. X-ray diffraction patterns of precipitates from Zn, Mn and mixed solution at each pH.$ 그림 Fig. 6. X-ray diffraction patterns of precipitates from Zn, Mn and mixed solution at each pH.

AI 본문요약
AI-Helper

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

문제 정의

본 연구에서는 산성광산배수에 다량 포함된 중금속들이 pH변화에 따라 어떻게 거동하는지를 밝히고 제거 가능성을 제시하고자 한다. 이를 위하여 산성광산 배수에 포함된 중금속 수용액을 조제하여 pH 변화에 따른 수용액내의 중금속 농도 변화와 침전물의 특성을 연구하였다.
또한, 중금속의 농도 변화에 따른 침전특성을 연구하기 위하여 초기 농도를 30 mg/L와 70 mg/L로 설정하여 실험을 진행하였다. 본 연구에서는 침전물을 회수하여 그 특성을 연구하기 위하여 초기 농도를 실제 산성광산배수보다 높게 설정하여 제조하였다.

제안 방법

중금속 수용액 조제는 염화물, 질산염, 탄산염 등의 중금속 화합물을 이용할 수 있지만 본 연구에서는 폐광산에서 유출되는 산성광산배수에서 다량 포함된 황산염을 이용하여 시료를 조제하였다. pH 변화에 따른 침전특성을 연구하기 위하여 각각의 단일 중금속과 혼합중금속 수용액을 제조하였다. 또한, 중금속의 농도 변화에 따른 침전특성을 연구하기 위하여 초기 농도를 30 mg/L와 70 mg/L로 설정하여 실험을 진행하였다.
5, 6). 단일 중금속 수용액에서의 실험은 30 mg/L에서 회수한 침전물의 경우 건조 후의 양이 분석하기에 충분한 양이 회수되지 않아, 70 mg/L에서 침전이 완료되었다고 생각되는 pH에서 회수한 침전물을 대상으로 실험을 수행하였다.
pH 변화에 따른 침전특성을 연구하기 위하여 각각의 단일 중금속과 혼합중금속 수용액을 제조하였다. 또한, 중금속의 농도 변화에 따른 침전특성을 연구하기 위하여 초기 농도를 30 mg/L와 70 mg/L로 설정하여 실험을 진행하였다. 본 연구에서는 침전물을 회수하여 그 특성을 연구하기 위하여 초기 농도를 실제 산성광산배수보다 높게 설정하여 제조하였다.
실험에서 회수한 침전물은 건조 후 침전이 완료되었다고 생각되는 pH에서 회수한 침전물을 대상으로 X-선회절분석을 실시하였다(Fig. 5, 6). 단일 중금속 수용액에서의 실험은 30 mg/L에서 회수한 침전물의 경우 건조 후의 양이 분석하기에 충분한 양이 회수되지 않아, 70 mg/L에서 침전이 완료되었다고 생각되는 pH에서 회수한 침전물을 대상으로 실험을 수행하였다.
본 연구에서는 산성광산배수에 다량 포함된 중금속들이 pH변화에 따라 어떻게 거동하는지를 밝히고 제거 가능성을 제시하고자 한다. 이를 위하여 산성광산 배수에 포함된 중금속 수용액을 조제하여 pH 변화에 따른 수용액내의 중금속 농도 변화와 침전물의 특성을 연구하였다.
실험에 사용한 황산염은 FeSO₄·7H₂O, Al₂(SO₄)₃·14-18H₂O, ZnSO₄·7H₂O, CuSO₄·5H₂O, MnSO₄·H₂O이다. 중금속 수용액 조제는 염화물, 질산염, 탄산염 등의 중금속 화합물을 이용할 수 있지만 본 연구에서는 폐광산에서 유출되는 산성광산배수에서 다량 포함된 황산염을 이용하여 시료를 조제하였다. pH 변화에 따른 침전특성을 연구하기 위하여 각각의 단일 중금속과 혼합중금속 수용액을 제조하였다.
침전물은 육안 관찰결과 충분히 회수 가능한 침전물이 형성된 시점부터 5,000 rpm의 속도로 원심분리기를 이용하여 분리하였으며, 자연건조 후 X-선회절분석(XRD) 시료로 사용하였다. 침전물 회수 시 상등액을 채취하여 잔류 용존 중금속의 농도를 측정하여 용액으로부터 pH변화에 따른 중금속 제거 경향을 파악하였다.
0 간격으로 NaOH를 사용하여 조절하였으며 각 pH에서 30분경과 후 회수 가능한 시료에 대해 침전물을 회수하였다. 침전물은 육안 관찰결과 충분히 회수 가능한 침전물이 형성된 시점부터 5,000 rpm의 속도로 원심분리기를 이용하여 분리하였으며, 자연건조 후 X-선회절분석(XRD) 시료로 사용하였다. 침전물 회수 시 상등액을 채취하여 잔류 용존 중금속의 농도를 측정하여 용액으로부터 pH변화에 따른 중금속 제거 경향을 파악하였다.
황산염을 이용하여 인공 산성광산배수 초기 농도 30 및 70 mg/L의 용액 제조 시 오차는 Cu를 제외하고 두 가지 시료 모두 10% 이내의 오차로 제조하여 실험을 수행하였다. 수용액으로부터 중금속 제거 효과는 용액의 pH와 관련이 있고 초기 농도는 영향이 없으며, 중금속의 종류에 따라 다양한 형태의 침전물로 수체로부터 제거된다.

대상 데이터

실험에 사용한 황산염은 FeSO4·7H2O, Al2(SO4)3·14-18H2O, ZnSO4·7H2O, CuSO4·5H2O, MnSO4·H2O이다.
인공 산성광산배수 수용액 내에 존재하는 중금속의 침전특성을 알아보기 위하여 5개 중금속(Fe, Al, Cu, Zn,Mn) 수용액을 각 금속황산염을 이용하여 제조하였다. 실험에 사용한 황산염은 FeSO₄·7H₂O, Al₂(SO₄)₃·14-18H₂O, ZnSO₄·7H₂O, CuSO₄·5H₂O, MnSO₄·H₂O이다.
침전 실험은 0.1 M HCl 용액에 Table 1과 같이 정량하여 용해시킨 중금속 용액을 각 pH에 100 mL씩 2개의 동일 시료를 준비하여 총 120개의 시료에 대해 실험을 수행하였다. pH는 1.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	산성광산배수의 특징은?	폐금속광산이나 석탄광산으로부터 생성되는 산성광산배수는 강한 산성을 나타낼 뿐만 아니라 다량의 Al,Fe, Mn, Zn, Cu, Pb 등의 금속이온과 SO42-를 포함하고 있다(Nordstrom et al., 2000; Bigham et al.
	산성광산배수의 중금속을 제거하기 위해 가장 많이 사용되는 방법은?	산성광산배수에 다량으로 포함된 중금속을 제거하기 위하여 pH를 상승시켜 침전 제거하는 방법을 가장 많이 사용한다. 이 방법은 pH 6.
	pH를 상승시켜 침전 제거하는 방법에 필요한 것은?	산성광산배수에 다량으로 포함된 중금속을 제거하기 위하여 pH를 상승시켜 침전 제거하는 방법을 가장 많이 사용한다. 이 방법은 pH 6.5 이상으로 높일 경우 중금속의 용해도가 낮아지는 특성을 이용한 것으로 다량의 알칼리를 유발하는 물질이 필요하다는 것이다(McDonald and Grandt, 1981). 산성광산배수가 유출되는 지역에서 백화현상과 황화현상을 발생시키는 침전물은 배사알루미나이트(basaluminite: Al4(SO4)(OH)10·4H2O)와 페리하이드라이트(ferrihydrite: 5Fe2O3·9H2O), 슈워트마나이트(schwertmannite: Fe8O8(OH)6(SO4)·nH2O)이며, 이들은 침전되는 pH 범위가 다르다(Sherriff etal.

참고문헌 (29)

Adele, M.J., Richard, N., Collins, T. and David, W. (2011) Mineral species control of aluminum solubility in sulfate-rich acidic waters. Geochimica et Cosmochimica Acta, v.75, p.965-977.

상세보기
Albertsson, J., Abrahams, S.C. and Kvick, A. (1989) Atomic displacement, anharmonic thermal vibration, expansivity and pyroelectric coefficient thermal dependences in ZnO. Acta Cryst., v.45, p.34-40.
Alpers, C.N., Blowes, D.W.,Nordstrom, D.K. and Jambor, J.L. (1994) Secondary minerals and acid mine-water chemistry. J.L Jambor, D.W Blowes (Eds.), Mineralogical association of canada, 22, Waterloo, Ontario, Canada. pp. 249-270.
Asbrink, S. and Norrby, L.J. (1970) A refinement of the crystal structure of copper(II) oxide with a discussion of some exceptional e.s.d.'s. Acta Cryst., v.26, p.8-15.
Belitskus, D. (1970) Reaction of Aluminum With Sodium Hydroxide Solution as a Source of Hydrogen. J. Electrochem. Soc., v.117, p.1097-1099.

상세보기
Bigham, J.M., Carlson, L.E. and Murad, E. (1994) Schwertmannite, a new iron oxyhydroxy-sulfate from Pyhasalmi, Finland, and other localities. Miner Mag, v.58, p.641-648.

상세보기
Bigham, J.M. and Nordstrom, D.K. (2000) Iron and aluminum hydroxysulfates from acid sulfate waters. Reviews in Mineralogy and Geochemistry, v.40, p.351-403.

상세보기
Carrero, S., Fernandez-Martinez, A., Perez-Lopez, R., Lee, D., Aquilanti, G., Poulain, A., Lozano, A. and Nieto, J. (2017) The nanocrystalline structure of basaluminite, an aluminum hydroxide sulfate from acid mine drainage. Amer. Mineral., v.102, p.2381-2389.

상세보기
Carrero, S., Perez-Lopez, R., Fernandez-Martinez, A., Cruz-Hernandez, P., Ayora, C. and Poulain, A. (2015) The potential role of aluminium hydroxysulphates in the removal of contaminants in acid mine drainage. Chem. Geol., v.417, p.414-423.

상세보기
Digne, M., Sautet, P., Raybaud, P., Toulhoat, H. and Rtacho, E. (2002) Structure and Stability of Aluminum Hydroxides: A Theoretical Study. J. Phys. Chem. B., v.106, p.5155-5162.
Espana, J.S., Pamo, E.L., Santofimia, E., Asuvire, O., Reyes, J. and Barettino, D. (2005) Acid mine drainage in the Iberian Pyrite Belt (Odiel river watershed, Huelva, SW Spain): geochemistry, mineralogy and environmental implications. Appl. Geochem. 20, 1320-1356.

상세보기
Gayer, K.H. and Leo, W. (1956) The Solubility of Ferrous Hydroxide and Ferric Hydroxide in Acidic and Basic Media at $25^{\circ}$ . J. Phys. Chem. v.60, p.1569-1571

상세보기
Hayrapetyan, S.S., Mangasaryan, L.G., Tovmasyan, M.R. and Khachatryan, H.G. (2006) Precipitation of aluminum hydroxide from sodium aluminate, by treatment with formalin, and preparation of aluminum oxide. Acta Chromatographica, v.16, p.192-203.

상세보기
Huber, N.K. and Garrels, R.M. (1953) Relation of pH and oxidation potential to sedimentary iron mineral formation. Econ. Geology, v.48, p.337-357.

상세보기
Jarosch, D. (1987) Crystal structure refinement and reflectance measurements of hausmannite, $Mn_3O_4$ . Mineral. Petrol., v.37, p.15-23.

상세보기
Jasim, S.Y., Fraser, J.C., Huck, P.M., Urfer, D. and Anderson, W.B. (1997) Pilot scale investigation of the reduction of aluminum in drinking water. Paper presented at the 32nd Central Canadian Symp. on Water Pollut. Res., February 10-11, Canada Centre for Inland Waters, Burlington, Ontario.
Jekel, M.R. (1991) Aluminum in water: How it can be removed? Use of aluminum salts in treatment. Proc. of the Int. Water Supply Ass., Copenhagen, Denmark, May 25-31.
Kim, J.J. and Kim, S.J. (2004) Seasonal factor controlling mineral precipitation in the acid mine drainage at Donghe coal mine, Korea. Science of the total Environ., v.325, p.181-191.

상세보기
Licsko, I. and Ssakal, F. (1988) Possibility of lowering the aluminum concentration in drinking water from water works drawing on surface water in Hungary. In: M Astruc and JN Lester (eds.) Heavy Metal in the Hydrological Cycle, Selper Ltd., UK. pp.631-636.
McDonald, D.G. and Grandt, A.F. (1981) Limestone- lime treatment of acid mine drainage-full scale. EPA Project Summary, EPA-600/S7-81-033.
Nordstrom, D.K., Alpers, C.N., Ptacek, C. and Blowes, D.W. (2000) Negative pH and extremely acidic mine waters from Iron Mountain, California. Environ. Sci. Technol., v.34, p.254-258.

상세보기
Park, S.M., Yoo, J.C., Ji, S.W., Yang, J.S. and Baek, K.T. (2013) Selective recovery of Cu, Zn, and Ni from acid mine drainage. Envir. Geochem. and Health, v. 35, p. 735-743.

상세보기
Park, S.M., Yoo, J.C., Ji, S.W., Yang, J.S. and Baek, K.T. (2015) Selective recovery of dissolved Fe, Al, Cu, and Zn in acid mine drainage based on modeling to predict precipitation pH. Envir. Sci. and Poll. Res. v.22, p.3013-3022.

상세보기
Pollard, A.M., Thomas, R.G. and Williams, P.A. (1990) Connellite: stability relationships with other secondary copper minerals. Mineral. Mag., v.54, p.425-430.

상세보기
Sanchez-Espana, A., Yusta, I. and Diez-Ercilla, M. (2011) Schwertmannite and hydrobasaluminite: A re-evaluation of their solubility and control on the iron and aluminium concentration in acidic pit lakes. Applied Geochem., v.26, p.1752-1774.

상세보기
Sherriff, B.L., Sidenko, N.V. and Salzsauler, K.A. (2007) Differential settling and geochemical evolution of tailings' surface water at the Central Manitoba Gold Mine. Appl. Geochem. v.22, p.342-356.

상세보기
Smith, I.E. (1972) Hydrogen generation by means of the aluminum/water reaction. J. of Hydronautics, v.6, p.106-109.

상세보기
Srinivasan, P.T., Viraraghavan, T. and Subramanian, K.S. (1999) Aluminium in drinking water. An overview Water SA, v.25, p.47-55.
Wei, X. C., Viadero, R. C. and Buzby, K. M. (2005). Recovery of iron and aluminum from acid mine drainage by selective precipitation. Envir. Eng. Sci., 22, 745-755.

상세보기

저자의 다른 논문 :

LOADING...

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