[논문]포항분지 제3기 이암의 산성배수 발생 능력

백인우; 김재곤; 송영석; 김태형

doi:10.12814/jkgss.2020.19.2.023

포항분지 제3기 이암의 산성배수 발생 능력
Acid Rock Drainage Generation Capacity of Tertiary Mudstone in Pohang Basin 원문보기

한국지반신소재학회논문집 = Journal of the Korean Geosynthetics Society, v.19 no.2, 2020년, pp.23 - 33

백인우 (Dept. of Civil and Environ. Eng., Korea Maritime and Ocean Univ.) , 김재곤 (Korea Institute of Geoscience and Mineral Resources) , 송영석 (Korea Institute of Geoscience and Mineral Resources) , 김태형 (Dept. of Civil Eng., Korea Maritime and Ocean Univ.)

초록
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본 연구에서 포항 제3기 이암의 실내시험을 통해 기본적인 특성과 산성배수 발생능력을 파악하였다. XRF 분석 결과 SiO₂ 성분이 약 60%로 가장 많이 포함되어 있으며, 다음으로 Al₂O₃와 Fe₂O₃ 순으로 산성배수 발생 개연성이 높은 산화물이 많이 존재함을 알 수 있다. XRD 분석 결과 이암이 황철석(FeS₂)을 포함하고 있어 산성배수 발생 개연성이 높은데, 유도결합플라즈마 분광분석기(ICP)로 분석 결과에서도 이암 시료에서 Fe²⁺ 이온이 높게 측정되었다. 이온 크로마토그래피(IC)로 측정한 음이온 분석 결과 모든 이암 시료 SO^2-₄ 농도가 높게 측정되었다. 원소 분석결과 총 황(S) 함량이 높아 최대 산 발생량(MPA) 계산 결과 1% 이상으로 산성배수 발생 위험이 높게 나타났다. 결론적으로 제3기 이암은 시료에 따라 다소 차이가 있으나 전반적으로 산성배수 발생능력이 높은 것으로 나타났다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study determines the basic properties and acid rock drainage generation capacity of Pohang tertiary mudstone through laboratory experiments. According to X-ray fluorescence (XRF) analysis results, the mudstone of this area mostly comprised of SiO2 with a proportion of approximately 60%, followed in order by Al2O3 and Fe2O3. As such, it is clear that there is an abundance of aluminosilicates with a high probability of generating acid rock drainage. The XRD analysis showed that the mudstone contains pyrite (FeS2), it is highly likely to generate acid rock drainage, and inductively coupled plasma atomic emission spectroscopy (ICP-AES) analysis results showed that the mudstone samples contained a high amount of Fe2+ ions. As a result of anion analysis measured by ion chromatography (IC), all mudstone samples were measured to have high SO2-4 concentrations. According to elemental analysis, the total sulfur (S) content was high, which in turn indicates a high risk of acid rock drainage generation reflected by a maximum potential acidity (MPA) higher than 1%. All in all, although there were slight deviations between the tertiary mudstone samples, overall, the samples exhibited high acid rock drainage generation capacities.

주제어

표/그림 (22)

그림 Fig. 1. Acid mudstone drainage site at Pohang area (KIGAM, 2019; Baek, 2020)
그림 Fig. 2. Sampling location of mudstone in Pohang
표 Table 1. "Fizz Ratings" and associated acid quantities and concentrations to be used in the ANC determination
표 Table 2. Recommended ANC Ranges for Each Fizz Rating
표 Table 3. NaOH titration molar value according to NAG pH
$Fig. 3. Results graph of particle size analysis of Pohang mudstone by laser diffraction grain size analyzer$ 그림 Fig. 3. Results graph of particle size analysis of Pohang mudstone by laser diffraction grain size analyzer
표 Table 4. An indication of the acid potential of a sample
$Table 5. Measurements result of particle size analysis Pohang mudstone by laser diffraction grain size analyzer$ 표 Table 5. Measurements result of particle size analysis Pohang mudstone by laser diffraction grain size analyzer
표 Table 6. XRF analysis results
$Fig. 4. X-ray diffraction patterns of mudstone (EN-R1)$ 그림 Fig. 4. X-ray diffraction patterns of mudstone (EN-R1)
$Fig. 5. X-ray diffraction patterns of mudstone (EN-R2)$ 그림 Fig. 5. X-ray diffraction patterns of mudstone (EN-R2)
$Fig. 6. X-ray diffraction patterns of mudstone (EN-R3)$ 그림 Fig. 6. X-ray diffraction patterns of mudstone (EN-R3)
$Fig. 7. X-ray diffraction patterns of mudstone (EN-R4)$ 그림 Fig. 7. X-ray diffraction patterns of mudstone (EN-R4)
그림 Fig. 8. Analysis results of pH, EC in distilled water conditions
표 Table 7. Cation analysis result of mudstone
그림 Fig. 9. Elemental analysis result of Pohang mudstone
표 Table 8. Anion analysis result of Pohang mudstone
표 Table 9. ANC test result of Pohang mudstone
그림 Fig. 10. Safety factor graph from ANC/MPA
그림 Fig. 11. Geochemical classification plot
표 Table 10. NAG pH test result of Pohang mudstone
표 Table 11. The results of acid base accounting test of the Pohang mudstone

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 포항 이암의 산성배수와 관련된 문제를 다루었다. 연구에서 제3기 이암의 기본적인 특성과 산성배수 발생능력을 파악하였다.
본 연구에서 포항 제3기 이암(tertiary mudstone)의 실내 시험을 통해 기본적인 특성과 산성배수 발생능력을 파악하였다. 연구 결과 다음과 같은 결론을 도출하였다.
본 연구는 포항 이암의 산성배수와 관련된 문제를 다루었다. 연구에서 제3기 이암의 기본적인 특성과 산성배수 발생능력을 파악하였다. 본 연구를 통해 제3기 이암의 활 용에 제약 요인 중 하나인 산성배수의 개선방향을 제시할 수 있는 기초적인 자료 획득이 가능하였다.

가설 설정

하지만 본 결과를 보는데 있어 한 가지 주의할 점이 있다. 그것은 본 연구의 가정 상 이러한 분류기준은 산성배 수 발생을 과대 또는 과소하게 평가할 수 있다는 것이다. 예를 들어 본 연구에서 MPA의 경우에 황을 모두 황철석 으로 가정하였으며, ANC는 자연 상태에서 발현하지 않는 중화광물의 중화능력도 총량으로 설정하였다.
식 (1)은 모든 황이 황철석으로 가정하고 황 함량이 1% 로 측정되었을 경우에 톤 당 30.6kg의 H₂SO₄가 발생한다 고 가정하였다.
그것은 본 연구의 가정 상 이러한 분류기준은 산성배 수 발생을 과대 또는 과소하게 평가할 수 있다는 것이다. 예를 들어 본 연구에서 MPA의 경우에 황을 모두 황철석 으로 가정하였으며, ANC는 자연 상태에서 발현하지 않는 중화광물의 중화능력도 총량으로 설정하였다. 또한 NAG 의 경우에도 시료 내 황화광물이 산화되는 과정에 중화광 물도 용출되어 반응하는 경우와 순 산발생량에서 H₂O_{제안 방법

850∼1150°C 연소법으로 C, H, N, S 함량(%) 분석을 실시하였다.

다음으로 80°C∼90°C으로 2시간 이상 가열 시켜 반응을 종료시킨 후 125ml까지 증류수로 부피를 맞 춰주고 상온에서 감온시킨 뒤 반응용액의 pH 0.8∼1.5 사이의 범위여부를 확인한다.

45 um 멤브레인 필터에 여과시킨 후, 이온 크로마토그래피(IC, 881 Compact IC pro)를 이용하여 7가지 음이온을 분석하였다. 음이온 분석 결과에서는 산성배수의 발생정도를 알아보기 위해 황산염 (Sulfate) 함량을 중점적으로 정밀 분석하였다.

음이온 분석(IC) 시험은 준비된 이암 시료를 NAG pH 용출법을 통해 시험한 반응용액을 0.45 um 멤브레인 필터에 여과시킨 후, 이온 크로마토그래피(IC, 881 Compact IC pro)를 이용하여 7가지 음이온을 분석하였다.

이암이 지표에 처음으로 노출되었을 경우의 상태를 알아보기 위한 증류수 반응시험도 실시되었다. 이 경우 시료를 증류수와 1 : 2 비율의 슬러리 상태로 혼합하여 12시간 이상 반응시켜 안정화시킨 후, HQ11d 측정기(HACH)를 이용하여 pH 와 EC(Electrical Conductivity)를 측정하였다.

이암 시료를 토양오염공정시험법 중 산분해(왕수추출) 법을 택하고 염산과 질산을 사용하여 전처리 과정을 거친 반응용액을 0.45 um 멤브레인 필터로 여과시키고 유도 결합 플라즈마 분광 분석기(ULTIMA 2)를 이용하여 중금속을 중점으로 하여 16가지 양이온 함량을 분석하기 위한 양이온 분석(ICP)도 실시하였다.

이암의 총 황(Total S) 함량 분석은 원소분석기를 이용 하였다. 이암 시료를 열풍 건조기에서 완전 건조하고 200 mesh 이하로 파쇄한 100mg을 이용하였다.

이암의 구성성분을 알아보기 위한 기본적인 입도분석 시험, 광물성분을 알아보기 위한 X선 형광분석시험 (XRF) 및 X선 회절분석시험 (XRD) 등이 실시되었다. 이암이 지표에 처음으로 노출되었을 경우의 상태를 알아보기 위한 증류수 반응시험도 실시되었다. 이 경우 시료를 증류수와 1 : 2 비율의 슬러리 상태로 혼합하여 12시간 이상 반응시켜 안정화시킨 후, HQ11d 측정기(HACH)를 이용하여 pH 와 EC(Electrical Conductivity)를 측정하였다.

대상 데이터

시료는 EN-R1∼R4로 명명되었는데 EN은 지명 “이 인리”를 나타내며 R은 “암석”을 의미한다.

2). 시료를 채취한 지역의 이암은 신생대 제 3기 연일층군 두호층과 이동층에 해당 되며, 대표적인 암상으로 연갈색 셰일 및 이암과 담갈색 셰일 및 이암이며 역암이 협재되어 있다.

시험에서는 완 전 건조하고 200 mesh(< 75 um) 이하로 분쇄한 이암 시료를 사용하였다.

연구에 사용되는 이암 시료는 경상북도 포항시 흥해읍 이인리 택지개발지구에 위치한 건설공사현장에서 채취하였다. 이 지역은 산성배수발생 가능성이 매우 높은 지반으로 구성되어 있고(KIGAM, 2019), 이암을 토공재료 활용 가능성을 추진하고 있는 현장이다.

이암의 총 황(Total S) 함량 분석은 원소분석기를 이용 하였다. 이암 시료를 열풍 건조기에서 완전 건조하고 200 mesh 이하로 파쇄한 100mg을 이용하였다. 850∼1150°C 연소법으로 C, H, N, S 함량(%) 분석을 실시하였다.

이 지역은 산성배수발생 가능성이 매우 높은 지반으로 구성되어 있고(KIGAM, 2019), 이암을 토공재료 활용 가능성을 추진하고 있는 현장이다. 이암을 토공재료로 이용될 경우에 유지관리 단계에서 대량의 산성배수가 발생 될 뿐 아니라 기초 구조물의 안정성 문제가 우려되어 연구 대상 지역으로 선정하였다(Fig. 2). 시료를 채취한 지역의 이암은 신생대 제 3기 연일층군 두호층과 이동층에 해당 되며, 대표적인 암상으로 연갈색 셰일 및 이암과 담갈색 셰일 및 이암이며 역암이 협재되어 있다.

포항은 양산단층의 동쪽에 위치해 있으며, 신생대 제3기층인 연암 퇴적층이 광범위하게 분포 되어있는 지역이다. 포항지역 제3기 이암에 대하여 현재까지 연구가 진행 되었다. 특히 이암이 존재하는 암반에서 시공 중 또는 유지관리 단계에서 구조물 파괴로 인한 피해를 줄이기 위하여 이암의 역학적 문제에 대한 연구가 진행되었다(Lee and Jeong, 2012; Kim et al.

이론/모형

850∼1150°C 연소법으로 C, H, N, S 함량(%) 분석을 실시하였다. 분석 된 황 함량(%)을 이용하여 ARD test handbook(Smart et al., 2002)에서 제시하는 식 (1)을 통하여 최대산발생량(MPA) 를 산출하였다}

성능/효과

이암 시료로 NAG pH 시험을 실시한 반응 용액으로 희석 과정을 거쳐 이온 크로마토그래피(IC)로 측정한 음이온 분석 값은 Table 8과 같다. 7가지 음이온 성분 중 산성 배수 발생의 원인이 되는 황산염(Sulfate)을 중점으로 분석해본 결과, 모든 지점의 이암 시료 SO^_2-₄농도가 먹는 물 수질기준(제2조 관련, 환경부)의 200mg/L보다 약 2.5배 이상으로 높게 측정되어 상당히 유해한 수준이다
Fizz rating 결과를 보면 EN-R2, EN-R3는 8% HCl와 반응하여 기포 가 활발하게 발생하여 CaCO3 광물의 존재를 확인할 수 있었지만, EN-R1, EN-R4는 육안으로 반응을 식별할 수 없는 것으로 나타났다.
XRD 분석 결과 주요 구성광물은 석영, 장석류, 운모류, 몬모릴로나이트, 일라이트, 카올리나이트, 녹니석, 방해석, 황철석을 포함하고 있는데 황철석을 포함하고 있어 산성 배수 발생 개연성이 높은데, 산분해(왕수추출)법으로 전처 리를 실시한 이암 시료에 대한 유도결합플라즈마 분광분 석기(ICP)로 분석 결과에서도 이암 시료에서 Fe^₂₊온이 높게 측정되어 황철석(FeS₂)이 다량 존재함을 예측할 수 있다.
결론적으로 제3기 이암은 시료에 따라 다소 차이가 있으나 전반적으로 산성배수 발생능력이 높은 것으로 나타 났다.
전기전도도(EC)를 살펴보면 모든 이암 시료 가 순수 증류수에 비하여 확연하게 높아진 결과 값을 얻을 수 있었다. 따라서 이암의 구성 광물은 증류수와 반응하여 빠른 시간 내에 이온으로 용출되는 것으로 나타났다.
Fizz rating 결과를 보면 EN-R2, EN-R3는 8% HCl와 반응하여 기포 가 활발하게 발생하여 CaCO₃ 광물의 존재를 확인할 수 있었지만, EN-R1, EN-R4는 육안으로 반응을 식별할 수 없는 것으로 나타났다. 모든 단계의 ANC 시험을 종료한 결과 EN-R2, EN-R3는 톤당 평균 53kg의 H₂SO₄를 중화할 수 있으며, EN-R1, EN-R4는 톤당 평균 17kg의 H₂SO₄을 중화할 수 있다는 결과를 얻을 수 있었다. 따라서 ANC 시험 결과를 토대로 이암 시료에서 산성배수가 동일한 양으로 발생했을 경우에는 EN-R1, EN-R4 지점에 많은 중화 제가 필요할 것으로 판단된다
모든 이암 시료에서 Ca2+이 최소 20ppm 이상으로 측정 되었는데, 이는 X선 형광분석(XRF)의 분석 결과를 뒷받 침해주는 근거로 제3기 이암의 구성 광물 중에서 Ca2+ 산화물이 다량 존재하고 있는 것을 뜻한다.
84 ms/cm이다. 시험 결과를 보면 EN-R4 이외의 시료들은 pH7로 유지되고 있는 반면에, EN-R4는 pH4까지 낮아진 것으로 측정된다. 이는 이암 시료별 구성 광물 에 따라 황철석(FeS₂)의 산화반응이 다르게 진행되는 것을 보여준다.
5배 이상으로 높게 측정되었다. 원소분석기를 이용한 분석결과 총 황(S) 함량이 높아 최대 산 발생량(MPA) 계산 결과 1% 이상으 로 산성배수 발생 위험이 높게 나타났다.
이암 시료로 NAG pH 시험을 실시한 반응 용액으로 희석 과정을 거쳐 이온크로마토그래피(IC)로 측정한 음이온 분석결과 모든 이암 시료 SO^2-₄농도가 먹는 물 수질기준 (제2조 관련, 환경부)의 200mg/L보다 약 2.5배 이상으로 높게 측정되었다. 원소분석기를 이용한 분석결과 총 황(S) 함량이 높아 최대 산 발생량(MPA) 계산 결과 1% 이상으 로 산성배수 발생 위험이 높게 나타났다.
이는 이암 시료별 구성 광물 에 따라 황철석(FeS₂)의 산화반응이 다르게 진행되는 것을 보여준다. 전기전도도(EC)를 살펴보면 모든 이암 시료 가 순수 증류수에 비하여 확연하게 높아진 결과 값을 얻을 수 있었다. 따라서 이암의 구성 광물은 증류수와 반응하여 빠른 시간 내에 이온으로 용출되는 것으로 나타났다.
레이저 회절입도분석은 레이 저 광선이 암 속에 분산된 미립자 시료를 관통하면서 산란되는 빛의 세기와 각도 변화를 측정함으로써 입도(입자의 크기) 분포를 측정하는 방식이다. 측정 결과 제3기 이암은 실트가 약 78% 정도, 점토가 약 19% 정도로 실트와 점토가 주성분이다.
순 산 발생량이 높을수록 산성배수 발생 개연성이 높은 시료라고 판단할 수 있다. 측정결과 EN-R4의 NAG 값이 가장 높게 나왔으며 EN-R1, EN-R3, EN-R2 순으로 순 산 발생량이 높은 결과가 나타났다. 따라서 같은 이암 시료라도 채취 구간별 산성배수 발생량의 큰 차이가 있는 것을 알 수 있다.

후속연구

모든 단계의 ANC 시험을 종료한 결과 EN-R2, EN-R3는 톤당 평균 53kg의 H₂SO₄를 중화할 수 있으며, EN-R1, EN-R4는 톤당 평균 17kg의 H₂SO₄을 중화할 수 있다는 결과를 얻을 수 있었다. 따라서 ANC 시험 결과를 토대로 이암 시료에서 산성배수가 동일한 양으로 발생했을 경우에는 EN-R1, EN-R4 지점에 많은 중화 제가 필요할 것으로 판단된다
연구에서 제3기 이암의 기본적인 특성과 산성배수 발생능력을 파악하였다. 본 연구를 통해 제3기 이암의 활 용에 제약 요인 중 하나인 산성배수의 개선방향을 제시할 수 있는 기초적인 자료 획득이 가능하였다.

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상세보기
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상세보기

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].

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