KR100345395B1 - 폐기물로부터 용출되는 칼슘이온의 불용화 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 폐기물로부터 용출되는 칼슘이온의 불용화 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 패각류 및 폐석회로부터 용출되는 칼슘이온을 제 1, 제 2 및 제 3 인산염 완충용액으로 제조된 인산나트륨 및 인산칼륨 완충용액을 사용하여 불용화시키므로서 땅속에 매립되어도 칼슘이온이 용출되지 않고 그 처리물질의 용출수가 중성화로 인하여 토양 및 지하수 오염을 억제할 수 있도록 하는 칼슘이온의 불용화 방법에 관한 것이다.
Description
본 발명은 폐기물로부터 용출되는 칼슘이온의 불용화 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 패각류 및 폐석회로부터 용출되는 칼슘이온을 제 1, 제 2 및 제 3 인산염 완충용액으로 제조된 인산나트륨 및 인산칼륨 완충용액을 사용하여 불용화시키므로서 땅속에 매립되어도 칼슘이온이 용출되지 않고 그 처리물질의 용출수가 중성화로 인하여 토양 및 지하수 오염을 억제할 수 있도록 하는 칼슘이온의 불용화 방법에 관한 것이다.
일반적으로 생활이 윤택해지면서 각종 생활 및 산업 폐기물의 양도 증가하고 있으며, 이러한 폐기물의 침출수로 인한 환경오염은 매우 심각하여 이에 대한 대책이 요구되고 있다.
최근 패각류의 양식이 발달하여 남해안 근해에는 많은 굴 및 조개 양식장이 있다. 이러한 양식장에서 양식된 굴은 채취 후, 그 껍질의 한 쪽은 종패로 이용이 되고 다른 한 쪽은 바다에 버려지거나 땅에 매립되는데, 이렇게 폐기되는 패각류의 양이 상당하다. 폐기되는 패각류 껍질은 아라고나이트(Aragonite)라고 하는 기둥상 결정의 탄산칼슘, 비정질의 탄산칼슘 및 유기칼슘염이 함유되어 있다.
탄산칼슘 및 유기칼슘염은 대기 중에서 부패되고 비나 지하수로 인하여 가수분해되고, 이때 물의 pH가 10 ∼ 11까지 상승하여 알칼리성을 나타내게 된다. 따라서, 상기 패각류 껍질에서 용출되는 칼슘이온으로 인하여 토양 및 지하수가 오염되는데, 바다에 투기하면 바다가 황폐화되고 토양에 매립하면 지하수를 오염시켜 지하수의 센물화 현상이 나타남에 따라 식수 또는 가정용수로도 사용할 수 없게 된다.
또한, 상기 패각류 외에도 석회석을 원료로 탄산소다를 제조하는 공장의 폐기물에도 많은 양의 칼슘이온이 함유된 폐석회가 발생되며, 그 양은 탄산소다 생산량에 비례한다. 이러한 폐석회는 탄산칼슘, 산화칼슘, 산화마그네슘, 염화칼슘 및 수산화칼슘이 함유되어 있어서 빗물 등에 의해 물러지게 되고 건조되면 딱딱한 상태가 된다. 결과적으로, 패각류와 마찬가지로 칼슘이온이 용출되어 땅이 물러지게 되어 복토용 또는 매립용으로도 쓰이지 못하고, 지하수를 오염시키게 된다.
따라서, 종래 패각류 및 폐석회로부터 용출되는 칼슘이온을 억제시켜 토양 및 지하수 오염을 방지하고, 이를 산업적으로 이용하기 위한 연구가 이루어지고 있다. 칼슘이온을 포함하여 금속이온의 용출을 억제시키기 위한 방법으로는 금속이온을 불용성 물질로 제조 후, 시멘트 또는 고형화 첨가제 등으로 고형화시키는 방법이 주로 사용되고 있다.
패각류 및 폐석회로부터 용출되는 칼슘이온을 억제시키기 위하여 불용의 고형화물을 만드는 데는 크게 물리적 방법 및 화학적 방법의 두 가지 방법이 있다.
먼저, 물리적인 방법은 상기 폐기물을 PE, PP등의 수지와 섞어 과립형을 만들어 폐기시키는 방법을 통해 칼슘이온의 용출을 억제시킨다.
화학적인 방법에는 유기침전제를 써서 불용성인 킬레이트 화합물을 만들거나 또는 무기 화합물을 사용하여 불용성 화합물을 만드는 방법이 있다.
상기 유기 침전제를 이용한 방법은 폐기물 중의 금속이온과 유기물질 리간드가 결합하여 불용성의 킬레이트 화합물로 전환되어 금속이온이 용출되지 않게 된다.
또한, 상기 무기 화합물을 이용하는 방법에는 폐기물 중 금속이온과 무기 화합물인 염의 음이온 또는 음이온기가 결합하여 불용 또는 난용의 침전을 만드는 방법인데, 이때 사용되는 불용성 화합물은 금속의 산화물, 황화물, 탄산염, 황산염, 인산염 등이 있다. 이러한 불용성 화합물로의 전환은 주로 중금속의 용출을 방지하는 데 이용될 수 있으며, 이미 여러 가지 방법이 제시된 바 있다.
이와 같이 종래 여러 폐기물로부터 환경오염을 막기 위한 방안으로 패각류 및 폐기물에서 용출되는 칼슘이온을 기존의 무기염 화합물로 고형화 하는 경우 그 칼슘이온을 고형화 시킨다 하더라도 그 후에 있어 처리 용출수의 강한 알칼리성으로 인하여 토양이 황폐해지고 지하수가 오염되는 문제점은 해결되지 않고 있다.
따라서, 본 발명은 상기와 같이 종래의 칼슘이온의 고형화 방법으로 환경오염을 예방하는 방법을 개선하기 위하여 폐기물에서 용출되는 칼슘이온을 제 1인산염, 제 2인산염 및 제 3인산염을 혼합 사용하여 인산염 완충용액을 제조하고 시멘트로 고형화 시킴으로써, 고형화 처리물의 pH가 중성을 나타내고 땅에 매립 시 토양 및 지하수 오염을 막을 수 있도록 하는 개선된 칼슘이온의 불용화 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 폐기물로부터 용출되는 오염물질인 금속이온을 무기염으로 불용화 하는 방법에 있어서, 인산염 완충용액을 사용하여 상기 폐기물 중 특히 패각류 및 폐석회로부터 용출되는 칼슘이온을 불용화하고, 그 처리 용출수의 pH를 중성화하는 칼슘이온의 불용화 방법을 그 특징으로 하고 있다.
이와 같은 본 발명을 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 인산염 완충용액을 이용하여 상기 폐기물 중, 특히 패각류 및 폐석회로부터 용출되는 칼슘이온을 특정 무기염으로, 예컨데 인산나트륨 또는 인산칼륨으로 불용화하여 고형화 시킴으로써, 물과 접촉 시 칼슘이온이 전혀 용출되지 않아서 땅에 매립시킨다고 하더라도 토양 및 지하수의 오염을 일으키지 않도록 하는것을 그 특징으로 하고 있다.
본 발명은 폐기물 중에서도 칼슘 성분을 함유하는 패각류 및 폐석회가 비나 지하수 등에 의해 가수분해되어 칼슘이온 및 수산화이온이 함유된 용출수를 만들어 내는데, 이때 상기 용출수에는 다량의 칼슘이온이 존재하게 되어 매우 강한 알카리성을 띠게 된다. 따라서, 이러한 용출수의 알칼리화에 의하여 지하수의 센물화 현상이 일어나 식수로도 쓰일 수 없게 되고, 토양이 물러지게 되는 등의 환경오염 문제가 발생한다.
본 발명에서는 이와 같이 심각한 오염원인이 되고 있는 칼슘이온이 함유된 폐기물을 인산염 완충용액으로 처리함으로써, 용출되는 칼슘이온을 불용화시킴과 동시에 그 용출수의 pH가 중성을 나타낼 수 있도록 하는 것이다.
본 발명에 따르면, 폐기물로부터 용출되는 칼슘이온과 인산염이 반응하여 생성되는 침전은 용해도가 아주 작으며, 이때 용출수의 알카리성은 인산염 용액의 산성과 중화되어 중성을 나타내게 된다. 그러나, 만일 산성비가 폐기물에 가해졌다면 그 폐기물 중 탄산칼슘 등이 용해되어 다시 칼슘이온 및 수산화이온이 용출되는 문제점이 발생한다.
본 발명에서는 이러한 문제를 해결하기 위하여 산성 및 알칼리성이 함유된 중성의 완충용액을 만들어 폐기물을 처리하면 산성비 등에 의해서도 칼슘이온이 용출되지 않고 용출수의 pH가 중성을 나타낼 수 있다는 사실에 근거한 불용화 방법을 제시한다. 따라서, 본 발명은 폐기물 특히 칼슘이온을 함유하는 패각류 및 폐석회를 상기 완충용액으로 처리하여 불용화 시킨 후, 그 용출수를 중성으로 만들어 매립하거나 시멘트와 혼화하여 구조물 등의 고화물로 재활용할 수 있도록 하는 것이다.
본 발명에서 사용되는 인산염 완충용액은 인산나트륨 또는 인산칼륨 중에서 선택된 산성염과 알칼리성 염을 이용하여 중성의 완충용액으로 제조하며, 바람직하게는 각각 제 1인산염과 제 3인산염, 또는 제 1인산염과 제 2인산염을 혼합하여 사용할 수 있다.
본 발명에서 인산나트륨을 이용하여 완충용액을 제조하고, 상기 완충용액에 의한 칼슘이온 용출이 억제되는 원리를 하나의 예를 들어 설명하면 다음과 같다.
먼저, 인산염 완충용액으로는 제 1인산나트륨(산성)와 제 2인산나트륨(알칼리성)를 각각 0.1M의 수용액으로 묽게 제조한다. 이렇게 하면 상기 인산염이 물에 해리되어 완충용액 내에 나트륨이온, 수소이온, 제 1인산이온, 제 2인산이온 및 수산화이온이 존재하게 된다. 이때, 제 1인산이온의 이온화 상수가 7.11×10-3이고, 제 2인산이온의 이온화 상수가 6.3×10-8을 나타낸다. 폐기물로서 패각류 및 폐석회를 상기 완충용액에 첨가하면, 폐기물내에서 용출되는 칼슘이온이 상기의 이온들과 반응하여 불용의 제 1인산칼슘 및 제 2인산칼슘을 형성하게 되며, 이에 따른 pH의 변화는 완충용액에 의해 pH 7로 유지된다. 이를 좀더 구체적으로 설명하면 다음과 같다. 완충용액에 칼슘이온의 첨가로 pH가 7 보다 크면 알칼리성을 나타내게 되어 완충용액내의 제 2인산이온이 수산화이온과 반응하여 제 1인산이온 및 물이 생성되어 pH를 낮춤으로 pH가 7로 유지된다. 이와 같이 pH가 7 보다 작으면 산성을 나타내게 되고, 이때 완충용액내의 제 2인산이온이 수소이온과 반응하므로써, 제 1인산이온이 생성되어 pH를 높여주기 때문에 pH가 7로 유지되는 것이다.
한편, 본 발명에서 인산이온들과 반응하여 제조된 불용성의 제 1인산칼슘 및제 2인산칼슘이 침전을 일으킨다. 이때, 각각의 침전의 용해도 곱 상수는 제 1인산칼슘은 5×10-7, 제 2인산칼슘은 5이며, 이를 이용하여 계산된 칼슘이온의 용해도는 0.2 mg/ℓ이다.
따라서, 본 발명에 따르면 상기의 인산염 완충용액을 이용하여 패각류 및 폐석회를 처리하면 칼슘이온의 침출을 막을 수 있음과 동시에 용출수를 pH7의 중성으로 유지할 수 있게된다.
본 발명에서 제조된 인산염 완충용액으로 폐기물 등을 처리하는 방법을 예시하면 다음과 같다.
먼저, 처리 대상인 폐기물 10g을 취하여 100㎖의 증류수에 넣어 잘 교반하고, 이때 pH는 10∼11로 강알칼리성을 나타낸다. 여기에 상기 인산염 완충용액을 뷰렛으로 주가하여 pH가 7이 될 때까지 적정한다. 이때 완충용액의 사용량은 칼슘이온을 침전화 시키고 수산화이온을 중화시킬 수 있도록 폐기물의 양에 비례시켜 사용량을 계산한다. 한 실험에서 폐석회 10g을 증류수 100㎖에 넣고 교반후 측정한 pH는 11이다. 여기에 상기한 완충용액으로 pH7이 되게 하는 데에 2㎖ 소요되었으며, 이때 인산염 완충용액은 침전 생성으로 현탁된다.
본 발명에 따라 인산염 완충용액을 사용하여 칼슘이온을 불용화시키는 방법으로는 다음의 세 가지 경우를 생각할 수 있다.
(1) 패각류를 원형대로 매립할 경우
패각의 원형대로를 0.1M 인산나트륨 완충용액에 담가 두었다가 그대로건져내어 흙에 파묻으면 칼슘이온이 용출되지 않고 중성이어서 무해하게 된다.
또한, 산성비에 의해서도 중성을 지키고 녹은 칼슘이온은 침전으로 변화되어 더 이상 용출이 되지 않는다.
(2) 패각류를 분쇄하고 이것을 원료로 시멘트와 혼합구조물을 만들 때
이 경우는 패각을 5mm 정도로 분쇄하고 이것에 필요량의 완충용액을 물에 타서 시멘트와 혼화한다. 이렇게 만들어진 구조물은 완전 고형화되어 강도도 증가되고 칼슘이온이 용출 되지 않는다.
(3) 공장에서 폐기한 폐석회일 경우
폐석회는 물에 풀면 아주 고운 입자로 전부 분산되어 슬러리가 되는데, 여기에 적정량의 인산염 완충용액을 가하여, 물과 시멘트 혼합물로 혼화시키고 형틀에 넣어 성형제품으로 고화시켜 건축자재 등으로 만들거나 폐기물로 땅에 매립히여 고화시킬 수 있다. 이렇게 제조된 고화물은 수중에서도 칼슘이온이 용출되지 않는다.
이와 같은 본 발명을 실시예에 의거 상세히 설명하겠는 바, 본 발명이 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
실시예 1
굴 껍질을 5mm로 분쇄한 시료 40g에 0.1M 인산나트륨 완충용액 10㎖를 골고루 섞은 후 10g의 모래와 20g의 시멘트를 잘 섞고 물 5㎖를 가해 반죽하였다. 이어서, 일정크기의 고형물을 만들어 10일간 방치한 후, 2주 후 통상적인 방법으로압축강도를 측정하였다. 또한, 1 ∼ 7일 동안 고형물을 분쇄하여 10g을 취해 비커에 넣고 증류수 100㎖를 넣고 일정속도로 교반 후, 날짜별로 용출되는 칼슘이온의 용출량을 분석한 결과를 표 1에 나타내었다.
실시예 2
동양화학(주)에서 생산되는 폐기물 시료 50g에 pH 7의 인산칼륨 완충용액 10㎖를 골고루 섞은 후 시멘트 20g과 모래 10g를 잘 섞고, 물 5㎖를 가하여 반죽하였다. 이어서, 일정 크기의 고형물을 만들어 10일간 방치한 후, 2주 후 통상적인 방법으로 압축강도를 측정하였다. 또한, 1 ∼ 7일 동안 고형물을 분쇄하여 10g을 취해 비커에 넣고 증류수 100㎖를 넣고 일정속도로 교반 후, 날짜별로 용출되는 칼슘이온의 용출량을 분석한 결과를 표 1에 나타내었다.
비교예 1∼ 2
상기 실시예 2 와 동일하게 실시하되 pH 7의 인산칼륨 완충용액 대신 물을 사용하여 고형물을 만들고 칼슘이온의 용출량을 다음 표 1에 나타내었다.
상기 결과에 따르면, 본 발명의 방법에 의해 인산염을 이용한 실시예의 경우 비교예에 비하여 압축강도도 증가되었고, 7일 후의 측정 결과를 보면 칼슘이온의 용출량도 비교예에 비해 약 50% 정도 감소하였으며, pH가 8.5로서 거의 중성을 나타내었다.
상술한 바와같이 본 발명에 따르면 특정의 인산염 완충용액을 이용하여 패각류 및 폐석회를 불용화 시키게 되면, 패각류 및 폐석회로부터 용출되는 칼슘이온을 거의 모두 불용화 시킬 수 있을 뿐만 아니라 그 처리 용출수의 pH가 중성을 나타내기 때문에, 땅에 매립 시 칼슘이온에 의한 지하수 오염 억제에 큰 효과가 있음을 알 수 있다.
Claims (3)
- 폐기물로부터 용출되는 오염물질인 금속이온을 무기염으로 불용화하는 방법에 있어서,제 1인산염과 제 2인산염, 또는 제 1인산염과 제 3인산염의 혼합물로 이루어진 인산염 완충용액을 사용하여 상기 폐기물로부터 용출되는 칼슘이온을 불용화시키고, 그 처리 용출수의 pH를 중성화하는 것을 특징으로 하는 폐기물로부터 용출되는 칼슘이온의 불용화 방법.
- 삭제
- 제 1 항에 있어서, 상기 인산염 완충용액은 인산나트륨, 인산칼륨 및 또는 그 혼합물 중에서 선택된 것을 사용하는 특징으로 하는 칼슘이온의 불용화 방법.
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