[논문]광산배수 처리를 위한 세멘테이션 공정 중 구리제거효율에 대한 철분 응집의 영향

나현진; 엄유익; 홍승관; 유경근

doi:10.7844/kirr.2019.28.5.74

초록
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구리이온농도를 117.15 mg/L로 조절한 모의 광산배수용액 제조하고, 세멘테이션제로서 철분을 투입하여 세멘테이션 공정 중 구리이온제거효율에 대한 철분당량, 철분크기, 교반속도의 영향을 조사하였다. 교반속도가 200 rpm의 경우, 온도 $20^{\circ}C$에서 2 당량의 철분을 투입하면 90분에 51 %의 구리가 제거되었으나 16 당량의 철분을 투입하면 60분에 99 % 이상의 구리가 제거되었다. $48{\mu}m$ 이하와 $150{\mu}m$ 크기의 철분을 2당량 투입하여 구리제거율을 관찰한 결과 200 rpm에서는 큰 차이를 나타내지 않았으나 교반속도를 400 rpm으로 증가시킨 경우 두 입도 모두에서 구리제거효율을 크게 증가하였으며, 이는 200 rpm에서 철분의 입자가 응집되어 비표면적이 감소된 것이 원인으로 SEM분석을 통해 확인하였다. 교반속도 600 rpm, 반응온도 $20^{\circ}C$, $48{\mu}m$ 이하 철분 2 당량의 조건에서 60 분에 99 % 이상의 구리가 제거된 것을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The effects of equivalent of iron powder, particle size, agitation speed on the removal efficiency of copper ion were investigated by adding iron powder as cementation agents to simulated mine drainage solution with 117.15 mg/L Cu ion. The 50 % of Cu was removed at 90 min with 2 equivalent of iron p...

The effects of equivalent of iron powder, particle size, agitation speed on the removal efficiency of copper ion were investigated by adding iron powder as cementation agents to simulated mine drainage solution with 117.15 mg/L Cu ion. The 50 % of Cu was removed at 90 min with 2 equivalent of iron powder while more than 99 % of Cu was removed at 60 min with 16 equivalent at 200 rpm and $20^{\circ}C$. The removal efficiencies of Cu ion were not different using 2 equivalent of $48{\mu}m$ and $150{\mu}m$ iron powder, and the removal efficiency increased rapidly with increasing the agitation speed to more than 400 rpm. This lower removal efficiency resulted from agglomeration of iron powder observed by SEM, which could reduce the effective specific surface area. More than 99 % of copper ion was removed using 2 equivalent of $48{\mu}m$ iron powder at 60 min, 600 rpm and $20^{\circ}C$.

Keyword

표/그림 (7)

그림 Fig. 1. The effects of equivalent added on the Cu removal ratio at 20 °C and 200 rpm with 150 μm iron powder.
그림 Fig. 3. SEM images of 48 µm iron powder before (left) and after (right) cementation.
그림 Fig. 2. Removal behavior of Cu during the cementation test at 20 °C and 200 rpm with 2 equivalent of 48 μm or 150 μm iron powder.
그림 Fig. 4. SEM images of 150 µm iron powder before (left) and after (right) cementation.
그림 Fig. 5. The effects of agitation speed on the Cu removal ratio at 20 °C and 200 rpm with 2 equivalent of 150 μm iron powder.
그림 Fig. 6. The effects of agitation speed on the Cu removal ratio at 20 °C and 200 rpm with 2 equivalent of 48 μm iron powder.
표 Table 1. Particle size distribution of cementation precipitate

AI 본문요약
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문제 정의

이 공정은 자발적으로 발생하기 때문에 투입 이외의 운영비용이 발생하지 않으며, 전기화학반응으로 반응이 신속히 이루어지기 때문에 적극적 처리법으로 고려될 수 있으나, 국내에서는 관련 연구가 부족한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 구리가 함유된 인공 광산배수를 대상으로 철 분말을 투입하여 세멘테이션 공정을 조사하였으며, 철분말 입도와 교반속도가 구리제거효율에 미치는 영향을 조사하였다.
광산배수 중 구리이온을 제거하기 위하여 철분을 이용한 세멘테이션 공정의 적용가능성을 검토하였다. 117.

제안 방법

세멘테이션공정에서 구리제거에 대한 철 입도의 영향을 조사하기 위해 온도 20 °C와 교반속도 200 rpm의 조건에서 48 µm 이하와 150 µm의 철분을 각각 2당량씩 모사액에 투입하고 구리농도를 시간에 따라 관찰하였다. Fig.

성능/효과

1에 나타내었다. 투입당량을 2 당량부터 16 당량까지 조절하여 실험한 경우, 투입당량이 증가함에 따라 구리의 제거효율이 증가하는 것을 알 수 있으며, 16 당량을 투입한 경우 60분에 97 %의 구리가 제거되었고, 8 당량과 16 당량의 철분을 투입한 경우 90분에 99% 이상의 구리가 제거된 것을 확인하였다.
Fig. 2에 나타난 바와 같이 철분 투입 후 30분까지는 48 µm 이하의 철분을 투입한 경우의 제거율이 150 µm의 철분을 투입한 경우보다 빠른 것으로 나타났으나, 이후 구리의 제거율은 90분까지 큰 차이가 없다는 것을 확인할 수 있었다. 일반적으로 입자크기가 작을수록 비표면적(specific surface area)은 증가하는 것으로 알려져 있으며, 이는 세멘테이션 반응이 가능한 표 면적이 크다는 것을 의미한다.

후속연구

⁹⁾ 이와 같은 침전물은 자력선별 등의 비교적 간단한 공정을 통해 회수가 가능하기 때문에 2차적인 환경오염은 적을 것으로 생각된다. 또한 세멘테이션 공정 중 철이 용해되어 이온으로 존재하나, 대부분의 광산배수는 황철석이 원인으로 발생하여 철을 함유하고 있기 때문에 기존 설치된 공정으로 충분히 제거가 가능하리라 판단되어 추가적인 부담이 적을 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	광산배수처리공정은 적극적 처리법, 자연정화 처리법, SAPS이 있는데 이와 같은 방법의 장단점은 무엇인가?	광산배수처리공정은 적극적 처리법(active process)와 자연정화 처리법(passive process)으로 대별 되며3), 국내에서는 대표적인 자연정화법인 SAPS (successive alkalinity producing system)가 성공적인 운영 사례로 보고되고 있다3,7,8). 이와 같은 처리공정은 관리비용이 매우 낮은 편이기 때문에 경제적인 운영이 가능하나, 중금속 오염농도가 높거나 유량이 많은 경우 처리가 어려워 적극적 처리법 또는 적극적 방식을 가미한 자연정화 처리(Semi-active) 방식이 검토되고 있다3). 적극적 처리공정은 주로 석회나 수산화나트륨을 이용하여 알칼리를 광산배수에 공급하는 방식이 적용된다3).
	광산배수는 유출될 경우 어떠한 영향을 끼치는가?	광산안전법 2조 5항에 따르면 광해(광산 피해)는 ‘광산개발과정에서 이루어지는 토지의 굴착, 암석의 파쇄․분쇄, 운반, 선광 등으로 인하여 나타나는 지반 침하, 오염수 배출, 폐석 유출, 먼지 날림, 소음 및 진동 등으로 자연과 사람에게 피해를 발생시키는 것’으 로 정의되어 있다. 이 중 광산배수(광산폐수, mine drainages)는 유출될 경우 중금속을 함유한 폐수가 수 km 하류까지 주변 수계의 영향을 미칠 수 있어 적절한 처리가 요구된다2). 광산배수는 다음과 같은 과정에 의해 발생되고 있다4).
	광해(광산 피해)는 무엇인가?	우리나라의 휴폐광산은 약 2천여 개로 보고되었으 며1,2), 한국광해관리공단에 의해 순차적으로 적절히 관리되고 있다3). 광산안전법 2조 5항에 따르면 광해(광산 피해)는 ‘광산개발과정에서 이루어지는 토지의 굴착, 암석의 파쇄․분쇄, 운반, 선광 등으로 인하여 나타나는 지반 침하, 오염수 배출, 폐석 유출, 먼지 날림, 소음 및 진동 등으로 자연과 사람에게 피해를 발생시키는 것’으 로 정의되어 있다. 이 중 광산배수(광산폐수, mine drainages)는 유출될 경우 중금속을 함유한 폐수가 수 km 하류까지 주변 수계의 영향을 미칠 수 있어 적절한 처리가 요구된다2).

참고문헌 (10)

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Park, C. K., Kim, J. W., Jung, M. C., Park, H. S., Kim, D. K., and Oh, Y. S., 2018 : Current Occurrence and Heavy Metal Contamination Assessment of Seepage from Mine Waste Dumping Sites in Korea, Journal of the Korean Society of Mineral and Energy Resoures Engineering, 55(6), pp.588-595.

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Yang, I., Ji, W., and Park, J., 2018 : Strategic Investigation of Development of Mine Reclamation Technology Based on Third-stage Road Map, Journal of the Korean Society of Mineral and Energy Resoures Engineering, 55(6), pp.538-545.

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Park, H., Lee, K., Lee, H., Cho, H., Bang, M., and Yoo, K., 2011 : The Adsorption Behavior of $Cu^{2+}$ and $Fe^{2+}$ onto Waste Seaweed in Acid Mine Drainage, Geosystem Engineering, 14(4), pp.175-180.

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Han, H. and Lee, J., 2019 : Effects of Microorganisms on Geochemical Behavior of Tungsten, Journal of the Korean Society of Mineral and Energy Resoures Engineering, 56(1), pp.1-9.

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Kim, T., Park, J., and Park, J., 2018 : A Study on Optimal Conditions for Washing the Heavy Metal Polluted Soil in Ka-hak Mine, Journal of the Korean Society of Mineral and Energy Resoures Engineering, 55(6), pp.517-526.

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Park, H., Kim, D., Oh, Y., Ji, W., Park, M., Lee, J., Lee, J., and Ko, M., 2018 : Application Method for SAPS Substrate Materials According to Mine Drainage Properties, Journal of the Korean Society of Mineral and Energy Resoures Engineering, 55(5), pp.395-404.

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Kim, K., Kang, C., Kim, S., and Kim, T., 2018 : Study on Determination of Design Factor of Bioreactor for Sulfate Reduction in Mine Drainage, Journal of the Korean Society of Mineral and Energy Resoures Engineering, 55(6), pp.527-537.

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Choi, S., Nguyen, T. T., and Yoo, K., 2019 : Ni Cementation Followed by Magnetic Separation for Recovery of Unreacted Zn from by-products of Zn Smelting Process, Journal of the Korean Society of Mineral and Energy Resoures Engineering, 55(2), pp.121-126.
Kang, D. K., Kwon, B. H., Yu, H. S., and Kim, S. O., 2010 : Discharge Characteristics of Heavy Metals in Acid mine Drainage from the Abandoned Ilgwang Mine, The Journal of Engineering Geology, 20(1), pp.79-87.

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