초록 ▼

본 연구의 목적은 폐광산 광미에 포함된 비소와 몇 가지 중금속(As, Cd, Cr, Cu, Pb, Zn)의 기초화학 및
매개변수에 대해 이해하고, 그들의 거동파악 및 제어방법을 모색하는 것이다. 세부적으로는 다음 사항을
연구목표로 했다. 1) 새로운 비소분리 방법을 이용하여 세 폐광산 광미에서의 비소종[As(III)와 As(V)]
을 분리하며, 중금속(As, Cd, Cr, Cu, Pb, Zn)의 분포 및 지화학적 특성을 결정하는 요인들에 대해 알아
본다. 2) 광미와 주변 논토양에 함유된 비소 및 중금속의 수직

본 연구의 목적은 폐광산 광미에 포함된 비소와 몇 가지 중금속(As, Cd, Cr, Cu, Pb, Zn)의 기초화학 및
매개변수에 대해 이해하고, 그들의 거동파악 및 제어방법을 모색하는 것이다. 세부적으로는 다음 사항을
연구목표로 했다. 1) 새로운 비소분리 방법을 이용하여 세 폐광산 광미에서의 비소종[As(III)와 As(V)]
을 분리하며, 중금속(As, Cd, Cr, Cu, Pb, Zn)의 분포 및 지화학적 특성을 결정하는 요인들에 대해 알아
본다. 2) 광미와 주변 논토양에 함유된 비소 및 중금속의 수직분포(0-220 cm)를 알아보고, 물을 이용한
용출실험을 통해 오염물질의 이동성을 살펴본다. 3) pH, 흡착물질/흡착제 비율, 온도, 이온강도 등이 토
양에서의 비소흡착에 미치는 영향을 살펴본다.
(1) 광미에서의 비소분리(speciation) 및 중금속 특성 연구
과거 채광 당시 주로 금을 생산하였고 현재는 폐광 상태인, 진곡광산(경북 봉화), 천보광산(충남 천안),
신오광산(경북 상주)에서 광미를 채취하여 분석하였다. 이온교환방법을 이용한 비소분리는 광미 용출액
에서 As(III)와 As(V)를 분리하는데 효과적이었다. 광미 용출액에서 As(V)는 전체 비소의 63-99%를 차
지했는데, 이는 광미에서 As(V)가 주요 비소종이며 광미가 산화상태에 있음을 의미한다. 광미에 함유된
총금속 농도의 최대값은 다음과 같다: 62,350mg/kg As, 43mg/kg Cd, 4.7mg/kg Cr, 599mg/kg Cu,
51,400mg/kg Pb, 3,850mg/kg Zn, 40wt.% Fe, 21,400mg/kg Mn, 7,850mg/kg Al. 광미에 존재하는 철과
비소 (&R^2&=0.95), 철과 카드뮴 (&R^2&=0.94) 사이에 상관관계가 높게 나타났는데, 이는 광미에서의 비소와 카
드뮴의 흡착반응에 철 산화물이 중요한 역할을 함을 의미한다. 황산이온은 광미 용출액에 존재하는 주
요 음이온이며 최대 농도가 734mg/L에 이르렀다. XRD와 SEM 결과에 의하면, 광미에 함유된 주요 황
화광물은 황철석(pyrite, Fe&S_2&), 섬아연석(sphalerite, (FeZn)S), 방연석(galena, PbS), 황동석(chalcopyrite,
CuFe&S_2&), 유비철석(arsenopyrite, FeAsS) 등이며, 이 광물들이 연구대상 지역 중금속 오염의 주요 원인
이라고 사료된다.
(2) 광미와 주변 논토양에서 비소 및 중금속의 수직분포 및 이동성
경북 봉화에 있는 진곡광산 주변을 연구대상 지역으로 선택했다. 광미에 함유된 비소와 중금속의 농도
는 논토양과 비교지역에서의 농도에 비해 매우 높았다: 각 오염물질의 최대값은 6,675 mg/kg(As), 25
mg/kg(Cd), 22 mg/kg(Cr), 383 mg/kg(Cu), 11,135 mg/kg(Pb), 3,600 mg/kg(Zn), 5.73 wt.%(Fe), 3.05wt.%(Mn)이었다. 논토양의 비소 및 중금속 농도가 비교지역에서보다 높고, 광미로부터 멀리 있는 논일수록 오염물질의 농도가 감소하는 결과를 얻었는데, 이는 논토양이 광미로 인해 오염되었음을 의미한다.
광미에 함유된 Cd, Cu, Pb, Al, Fe, Mn의 수직분포는 다음과 같은 공통적인 경향을 보였다: 광미의 상
층부(0-20 cm)에서 농도가 가장 높고, 깊이에 따라 농도가 급감하다가 약 50 cm 깊이 아래에서는 일정
한 값을 나타내었다. 광미에 함유된 Fe와 중금속(Cd, Cu, Pb), 그리고 Mn과 중금속(Cd, Cu, Pb, Zn) 사
이에는 각각 상관관계가 있었다. 이는 철과 망간이 그 중금속들의 거동에 중요한 역할을 함을 의미한다.
광미 시료에 함유된 총 비소 중 63-100%가 As(V)로 존재했다. 광미 용출액에서 측정한 총 비소, 중금
속, 황산이온, 수소이온, As(V)의 농도가 높다는 사실은 광미에 있는 비소 및 중금속 함유 황화광물이
활발하게 산화됨을 의미한다.
(3) 토양에서의 비소흡착: 반응속도 및 흡착평형
경북 봉화에 있는 폐광산인 진곡광산 주변에서 채취한 오염되지 않은 세 가지 토양시료를 실험에 사용
했다. 다음 조건에서 비소가 토양에 잘 흡착되었다: pH가 낮고, 흡착물질/흡착제 비율이 낮고, 온도가
높을 때. 비소흡착 반응은 이온강도에 의해서는 영향받지 않았다. 비소가 토양에 흡착되는 정도는 미네
랄 표면의 전하와 비소종의 형태에 의해 좌우되고, pH가 매우 중요한 요인임을 알아냈다. 철, 알루미늄,
유기물질의 함량이 높은 토양일수록 더 많은 비소가 흡착되었다. 연구지역 토양에 함유된 미네랄 중 비
소와 반응하는 주요 흡착제는 iron hydroxide이었다. 토양에서의 비소흡착은 비교적 느리게 진행되었는
데(몇 시간 정도 걸림), 이는 흡착반응이 비소와 토양표면 사이의 정전기적인 인력에 의해서보다는 화학
결합이 생성되면서 일어남을 의미한다. 반응속도 및 평형 결과를 통해 비소가 토양에 함유된 iron
oxides/hydroxides와 inner-sphere bidentate surface complex를 형성한다는 가설을 제시했다. 앞으로 토양에 흡착된 이 착물의 분광학적인 증거를 확보하는 것이 요구된다. 흡착 반응속도 결과는 power
function과 Elovich 식으로 잘 설명되었다(&R^2&>0.93). 다양한 pH와 온도에서 실시한 등온흡착 실험결과는 Freundlich 식에 잘 맞았다(&R^2&>0.88).

Abstract ▼

The objectives of the proposed research are i) to understand the geochemistry of arsenic and several heavy metals (Cd, Cr, Cu, Pb. Zn) and the characteristics of their relevant parameters, ii) to investigate the fate of heavy metals, and iii) to develop a method for controlling them in mine tailings

The objectives of the proposed research are i) to understand the geochemistry of arsenic and several heavy metals (Cd, Cr, Cu, Pb. Zn) and the characteristics of their relevant parameters, ii) to investigate the fate of heavy metals, and iii) to develop a method for controlling them in mine tailings of abandoned mines. Specific objectives are i) to determine arsenic species in mine tailings
by applying a newly developed arsenic speciation method, and to provide the basis for understanding the geochemical processes that control the distribution and behaviors of heavy metals(As, Cd, Cr, Cu, Pb, and Zn) in mine tailings, ii) to investigate the vertical distributions (0-220 cm) of arsenic
and heavy metals in mine tailings and nearby paddy fields, and their mobility through
water-leaching experiments, iii) to investigate the effects of pH, adsorbate/adsorbent ratio,
temperature and ionic strength on the adsorption of arsenic [As(V)] onto soils through batch kinetic and batch equilibrium tests.
(1) Arsenic speciation and the characteristics of heavy metals in mine tailings of abandoned mines
Three abandoned mines which had produced mainly gold were selected for collection and analysis of mine tailings in the present study. The mines are located respectively at Bongwha (Jingok mine), Cheonan (Cheonbo mine), and Sangju (Sino mine) in Korea. It was found that the arsenic speciation
using an ion exchange method was efficient to separate As(III) and As(V) in leachate of mine
tailings. The concentration of As(V) was found to be 63-99% in the leachate, indicating that As(V) would be the major arsenic species in mine tailings and the tailings were under oxic conditions.
The total concentrations of metal elements in mine tailings were up to 62,350 mg/kg As, 43 mg/kg Cd, 4.7 mg/kg Cr, 599 mg/kg Cu, 51,400 mg/kg Pb, 3,850 mg/kg Zn, 40 wt.% Fe, 21,400 mg/kg Mn, and 7,850 mg/kg Al. There are correlations between total iron and arsenic (&R^2&=0.95), and between
iron and cadmium (&R^2&=0.94), in mine tailings, suggesting that Fe hydrous oxides are important in
controlling As and Cd adsorption reactions in mine tailings. Sulfate was the dominant anion
throughout the leachate of mine tailings, reaching a maximum dissolved concentration of 734 mg/L.
The results of XRD and SEM in mine tailings showed that main sulfide minerals were pyrite(Fe&S_2&), sphalerite((FeZn)S), galena(PbS), chalcopyrite(CuFe&S_2&), and arsenopyrite(FeAsS) which would be the
source of heavy metal contamination in the study area.
(2) Vertical distribution and mobility of arsenic and heavy metals in mine tailings and nearby paddy fields
For the study, the area of Jingok mine (Au-Ag-Pb-Zn) located in Bongwha, Korea has been
selected. The concentrations of arsenic and heavy metals in the mine tailings were extremely high compared to the paddy fields and control sites: up to 6,675 mg/kg for As, 25 mg/kg for Cd, 22
mg/kg for Cr, 383 mg/kg for Cu, 11,135 mg/kg for Pb, 3,600 mg/kg for Zn, 5.73 wt.% for Fe, and 3.05 wt.% for Mn. The concentrations of As and heavy metals in the paddy soils decreased sharply
with increasing distance from the mine tailings, with values still higher than those in the control sites, indicating the contamination of the paddy fields by heavy metals released from the mine
tailings. The vertical distributions of Cd, Cu, Pb, Al, Fe and Mn showed the following common patterns; the highest values in the upper part of mine tailings (0-20 cm), rapid decrease with
increasing depth, and then nearly constant values below the depth of 50 cm. Significant correlations
were found between total Fe and heavy metals (Cd, Cu and Pb), and between total Mn and heavy metals (Cd, Cu, Pb and Zn) in the mine tailings, indicating that minerals containing Fe and Mn played important roles in the mobility of heavy metals such as Cd, Cu, Pb and Zn. The fraction of
As(V) ranged from 63 to 100% of total arsenic in each depth of the sampled mine tailings. The high concentrations of total As, heavy metals, sulfate, hydrogen ion and As(V) in the leachates of mine tailings suggest that sulfide minerals containing arsenic and heavy metals in the mine tailings
should be actively oxidized.
(3) Adsorption of arsenic on soil: kinetics and equilibrium Three soil samples, which have negligible background levels of arsenic, were obtained from around
an abandoned mine, Jingok mine located in Bongwha, Korea. The adsorption of arsenic on soil was high at low pH, low adsorbate/adsorbent ratio and high temperature. The reaction was not affected
by ionic strength. pH was a very strong factor in immobilization of arsenic onto soil by adsorption since the adsorption of arsenic on soil was governed by both the charge of mineral surface and the
form of arsenic species. Soil sample containing the highest Fe and Al content, and organic matter showed the greatest arsenic adsorption. Iron hydroxide would act as a main adsorbent for arsenic
adsorption under natural condition in the study area. The adsorption of arsenic on soil was relatively slow, i.e. on the order of hours, which indicates chemical bond formation rather than
electrostatic interaction between arsenic and mineral surface. The results of kinetics and equilibrium adsorption suggest that arsenic forms an inner-sphere bidentate surface complex with iron
oxides/hydroxides of soil. In the future, spectral evidence and structural data for complexes adsorbed
on soil have to be obtained. The adsorption kinetic data were very well described by the power function and simple Elovich equations (&R^2&>0.93). The experimental data of isotherms at various pHs
and temperatures were well explained by Freundlich equation (&R^2&>0.88).

목차 Contents

• 국문요약문...3
• 영문요약문...5
• 제 1장 연구목표...8
• 제 2장 연구수행내용 및 결과...8
• 제 1 절 광미에서의 비소분리(speciation) 및 중금속 특성 연구...10
• 제 2 절 광미와 주변 논토양에서 비소 및 중금속의 수직분포 및 이동성...20
• 제 3 절 토양에서의 비소흡착: 반응속도 및 흡착평형...38
• 제 3장 참고문헌...51
• 전문학술지 논문발표실적...55
• 학술대회 논문발표실적...55