KR101039534B1 - 복합소재 매트를 이용한 해양오염퇴적물의 현장 캐핑 처리장치 - Google Patents

복합소재 매트를 이용한 해양오염퇴적물의 현장 캐핑 처리장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 복합소재 매트를 이용한 해양오염퇴적물의 현장 캐핑 처리장치에 관한 것으로, 더욱 바람직하게는 준설 대신 오염퇴적물 위에 친환경 처리소재를 충진한 매트를 안착하여 퇴적물로부터의 오염물질의 인 용출을 막고, 중금속의 광물화 촉진으로 퇴적물내 안정화(stabilization)를 도모할 수 있도록 하기 위한 것이다.
그 구성은 지오스매트와 지오스필터 사이에 수산화마그네슘(brucite), 인회석(apatite), 지올라이트(zeolite)를 혼합한 복합소재를 삽입하여 전체를 감싸서 매트로 구성한 것을 특징으로 하는 복합소재 매트를 이용한 해양오염퇴적물의 현장 캐핑 처리장치를 제공한다.

Description

복합소재 매트를 이용한 해양오염퇴적물의 현장 캐핑 처리장치{In-situ capping treatment device of contaminated marine sediments with composite additives mat}
본 발명은 복합소재 매트를 이용한 해양오염퇴적물의 현장 캐핑 처리장치에 관한 것으로, 더욱 바람직하게는 준설 대신 오염퇴적물 위에 친환경 처리소재를 충진한 매트를 안착하여 퇴적물로부터의 오염물질의 인 용출을 막고, 중금속의 광물화 촉진으로 퇴적물내 안정화(stabilization)를 도모할 수 있도록 하기 위한 것이다.
우리나라는 1994년 런던협약의 당사국이 됨으로써 오염된 준설 토사의 해양배출로부터 해양환경을 보호하기 위한 국제협약을 준수할 의무가 있으며, 2008년 이후 보다 강화된 런던의정서에 가입하였다. 이에 2008년 02월 22일부로 해양배출처리기준에 적합하지 않은 오염된 준설토사의 해양배출이 금지(해양오염방지법, 시행규칙, 제35조 제2항 관련 별표 16)됨에 따라 이를 해결하기 위한 정화복원 기술이 절실히 요구되고 있는 실정이다.
국내 해양오염퇴적물의 처리 및 정화 복원 사업은 주로 오염된 퇴적물을 준설(dredging)하여 저질로부터 제거한 다음 해면매립 또는 해양배출로 최종 처분하였다. 국내의 해양오염퇴적물의 처리사례를 보면, 마산항(준설량 2,111천m3, 사업비 280억원)은 해면매립(1990-1994)이 이루어졌으며, 나머지 지역은 대부분 해양배출이 이루어졌다. 해양배출의 대표적 지점은 축산항(준설물량 23천m3, 사업비 3억원), 주문진항(준설물량 231천m3, 사업비 78억원), 포항구항(준설물량 651천m3, 사업비 300억원), 여수선소(준설물량 600천m3, 사업비 230억원)가 해당된다. 특히, 묵호항(06-현재, 준설물량 289천m3, 사업비 179억), 방어진항(04-현재, 준설물량 274천m3, 사업비 150억), 행암만(06-현재, 준설물량 268천m3, 사업비 160억) 지역은 지역주민의 반대와 사업 중 해양환경관리법의 개정 등으로 인해 현재 사업이 중단되어 있는 실정이다. 이밖에 현재 준설을 통한 해면매립이 이루어지고 있는 지역은 부산남항(09-2014, 준설물량 266천m3, 사업비 280억원), 부산용호만(09-2012년, 준설물량 70천m3, 사업비 100억원)등이 있다.
이상의 국내사례에서 볼 수 있듯이, 준설은 강화된 해양배출처리기준 이하로 처리 후 배출 및 매립이 이루어져야 하기 때문에 막대한 사업비용이 소요되며, 특히 준설 시 발생하는 재 부유 등으로 인해 수체 내에 2차 오염을 야기시키며, 해양저서생태계의 교란을 초래한다. 또한, 근본적인 유입오염원의 차단이 없이는 주기적 준설이 이루어져야 한다.
이러한 고비용의 단순 준설 외에 오염퇴적물을 처리하기 위한 방안으로 상기 공개특허 특2001-0054440는 인, 질소, 유기성 화합물 및 중금속을 처리, 억제할 수 있어 수체내로의 오염물질의 용출을 최소화가 가능하여 준설지역에 원위치 재매립이 가능하고, 매립지 건설비 및 매립지까지의 운송비가 소요되지 않는 큰 장점을 가지고 있으며, 고온의 소성처리보다 유지관리비가 훨씬 저렴한 이점을 갖지만 현장에서 퇴적물을 꺼내지 않고 바로 처리할 수 있는 기술은 아니다.
그리고 미국특허 US 7,011,766 B1의 오염된 금속 침전물을 밀봉하고 처리하는 방법이 공개되었으나, 미국특허의 구성요지는 점토, 석고, 황 성분을 혼합하여 매트화하지 않았기 때문에 복합소재들이 균일하게 혼합되지 않으므로 침전물을 간단하게 처리할 수는 없었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출한 것으로, 준설 대신 오염퇴적물 위에 친환경 처리소재를 충진한 매트를 안착하여 퇴적물로부터의 오염물질의 인 용출을 막고, 중금속의 광물화 촉진으로 퇴적물내 안정화(stabilization)를 도모할 수 있도록 함을 목적으로 한다.
이는 준설시 소요되는 고비용을 줄일 수 있으며, 친환경소재 적용을 통한 해양저서생태계에 악영향을 미치지 않으며, 특히 복합소재를 감싸는 표면 매트의 소재를 지오스매트(geosmat)와 지오스필터(geosfilter)로 구성하여 오염퇴적물내 충진된 복합소재의 고른 도포와 수체내 고에너지의 환경에서도 소재의 유실을 막을 수 있도록 함을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 과거 고비용의 단순 준설, 외해 투기 방식으로 진행되어 온 해양오염퇴적물 정화복원사업에 대하여 환경친화적인 기술개발이 요구되는바, 매트화 된 캐핑 소재를 개발, 현장에 직접 적용함으로써 오염퇴적물로부터의 오염물질 용출 제어 및 중금속 광물화 촉진을 통한 저비용 안정화(stabilization) 처리를 할 수 있도록 함을 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성을 첨부된 도면에 의거하여 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 도면에 나타내는 바와 같이, 지오스매트와 지오스필터 사이에 수산화마그네슘(brucite), 인회석(apatite), 지올라이트(zeolite)를 혼합한 복합소재를 삽입하여 전체를 감싸서 매트로 구성한 것을 특징으로 하는 복합소재 매트를 이용한 해양오염퇴적물의 현장 캐핑 처리장치를 제공한다.
또한, 본 발명은 수산화마그네슘(brucite) 1.0 kg/m2, 인회석(apatite) 1.5 kg/m2, 지올라이트(zeolite) 2.5 kg/m2를 매트당(m2) 중량비로 15~25%, 25~35%, 45~55%로 혼합하여 충진한 것을 특징으로 하는 복합소재 매트를 이용한 해양오염퇴적물의 현장 캐핑 처리 장치를 제공한다.
그뿐만 아니라 본 발명은 복합소재를 넣는 복합소재 매트는 오염퇴적물과 닿는 표면은 지오스매트, 수층에 닿는 상부 표면은 지오스필터로 인장강도가 높아 침식의 저항에도 견딜 수 있도록 구성한 것을 특징으로 하는 복합소재 매트를 이용한 해양오염퇴적물의 현장 캐핑 처리 장치를 제공한다.
상기와 같은 구성에 의한 본 발명은 복합소재 매트를 정체 수역 및 침식 환경, 중금속 및 인 용출이 높은 혐기환경에 적용함으로써 해수의 안정적 pH의 유지(8.0) (도 3(a))를 통한 중금속 이온의 용출을 제어하고, 특히 이러한 안정적 pH 유지는 H2S의 발생 억제 및 퇴적물내 초기속성화(early diagenesis) 과정 중 메탄 생성(methanogenesis)의 진행단계를 막을 수 있는 효과가 있다.
특히, 인 용출 제어 효과는 약 60% 이상(도 3(b))이며, SCODMn의 경우, 약 70%의 저감 효과를 볼 수 있다(도 3(c)).
그리고 수층의 탁도 저감 및 해수의 안정적 pH 유지(7.9-8.3)를 통한 중금속 용출 저감과 퇴적물의 광물화를 촉진시킬 수 있다.
또한, 과거 고비용의 단순 준설, 외해 투기 방식으로 진행되어 온 해양오염퇴적물 정화복원사업에 대하여 환경친화적인 기술개발이 요구되는 바, 매트화 된 캐핑 소재를 개발, 현장에 직접 적용함으로써, 오염퇴적물로부터의 오염물질 용출 제어 및 중금속 광물화 촉진을 통한 저비용 안정화(stabilization) 처리를 할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 매트를 오염퇴적물에 사용한 단면 사시도 및 단면도이다.
도 2는 본 발명의 복합소재로 사용된 소재를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 장치를 이용해 시간에 따른 수체 내 수질 특성 비교(R1)control, (R2)복합소재 적용하여 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 장치를 이용해 퇴적물내 중금속의 광물격자부분(residual fraction)의 변화 (1 month 후)를 나타낸 도면이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 복합소재 매트를 이용한 해양오염퇴적물의 현장 캐핑 처리 장치를 첨부 도면에 의거하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 복합소재 매트(mat)(100)는 도 1에 제시된 바와 같이, 오염퇴적물 내 접하는 부분은 메쉬타입(mesh type)의 지오스매트(geosmat, 10)를 형성함과 동시에, 수층에 접하는 부분은 지오스필터(geosfilter, 20)를 형성하여 적당히 유연하고 견고한 조직으로 쉽게 포설 가능하도록 하였다.
그리고 상기 복합소재 매트(100) 내에 충진된 복합소재(composite materials)(30)는 도 2에 나타내는 바와 같이, 수산화마그네슘(brucite), 인회석(apatite), 지올라이트(zeolite)를 혼합하여 구성된다.
또한, 상기 복합소재(30)는 오염퇴적물 내 공극수(porewater)에 용해가 쉽도록 하였으며, 복합소재 매트(100)는 0.5 cm의 얇은 두께로 오염퇴적물을 피복(capping)할 수 있다. 그리고 지오스매트(GMP5)는 중량 190 g/m2의 폴리프로필렌으로 이루어져 있으며, 인장강도가 1,245 N 이상으로 매우 견고하여 연약지반에 포설이 용이하다.
또 지오스필터(GFS 300)는 중량 300g/m2, 인장강도 500 N이며, 투수성이 높은 단섬유(staple fiber) 재질로, 2차 환경오염 물질을 배출하지 않는 폴리에스터(polyester) 재질로 이루어져 비탈면 및 침식지역 등에 적용 가능하다.
그리고 복합소재 매트(100) 내에 충진하는 소재로는 도 2에 제시된 바와 같이, 수산화마그네슘(brucite), 인회석(apatite), 지올라이트(zeolite)를 각각 중량비로 15~25%, 25~35%, 45~55%로 혼합하여 매트당(m2) 수산화마그네슘(brucite) 1.0 kg/m2, 인회석(apatite) 1.5 kg/m2, 지올라이트(zeolite) 2.5 kg/m2의 소재를 충진시킨다.
이와 같이 복합소재 매트로 사용되는 지오스매트(GMP5), 지오스필터(GFS300)는 2차 환경오염물질을 유발하지 않는다.
또한, 복합소재 매트에 충진되는 인회석(Ca5(PO4)3(OH))은 안정적 광물질로 저서생태계에 영향을 미치지 않으며, 중금속 (Pb, Mn, Cu, Cd, Zn 등)을 Ca2 + ion과 2가 중금속 이온이 치환되어 침전(precipitation), 흡착(desorption)하여 중금속의 광물화(mineralization)를 촉진시킨다.
또 지올라이트(Na2Al2Si3O102H2O)는 양이온치환능(Cation exchange capacity, CEC)이 높아, Cu, Cd, Pb, Zn 등의 금속 이온을 치환 흡착하고, 암모늄(ammonium), 인산염(phosphate)을 제어한다.
그리고 수산화마그네슘(Mg(OH)2)은 인산염 제어에 효과적이고, 공극수 및 수층에서 (Mg5(OH)(PO4)3 형태로 침전 및 인회석 미네랄(apatite mineral)의 형태로 식 (1)과 같이 전환된다.
상기와 같이 인이 제거되는 작용은 화학식 1과 같다.
[화학식 1]
5Mg2 + + 3HPO4 3 - + 4OH- ↔ Mg5(OH)(PO4)3↓ + 3H2O
이와 같이 본 발명은 도 1에 제시된 바와 같이, 복합소재 매트(100)를 해양오염 퇴적물(40)에 적용하면, 도 4에 나타내는 바와 같이, 퇴적물 내 중금속의 광물격자부분(residual fraction)의 변화는, Cu의 경우, 16% 33%, Pb은 30% 59%로 약 2배 이상 증가 된다. 즉, 광물화가 진행 속도가 매우 빠른 것을 알 수 있으며, 이는 시간이 지날수록 증가 된다. 즉, 수층으로 용출될 수 있는 중금속의 약산추출부분(labile fraction)이 감소되어 재부유 등으로 인한 용출율이 낮아지는 것을 알 수 있다.
따라서 본 발명의 복합소재매트를 해양오염퇴적물에 사용했을 때의 수층 내 탁수 변화는 사진 a와 같은 상태를 보이다가 매트 내에서 용해된 소재와의 흡착 및 침전 등으로 인해 사진 b와 같이 탁수 저감 효과가 매우 높다.
Figure 112010080150267-pat00001
Figure 112010080150267-pat00002
사진 a 사진 b
즉, 본 기술인 복합소재 매트를 중금속(heavy metal)과 인(phosphate) 농도가 높은 오염퇴적물에 적용할 경우, 매트로 부터 충진 소재가 서서히 퇴적물내 공극수에 용해되어 중금속의 광물화를 촉진시키고, 인의 흡착 및 침전 제어를 통해 오염퇴적물의 안정화가 가능하다. 퇴적물로부터의 오염물질 용출율이 제어되어 수층의 수질 개선이 가능하다 .
10. 지오스매트 20. 지오스필터
30. 복합소재 40. 오염퇴적물
100. 복합소재 매트

Claims (4)

  1. 지오스매트와 지오스필터 사이에 수산화마그네슘(brucite), 인회석(apatite), 지올라이트(zeolite)를 혼합한 복합소재를 삽입하여 구성되는 복합소재 매트로 해양오염퇴적물의 상부를 감싸되,
    상기 복합소재 매트가 해양오염퇴적물과 닿는 하부 표면은 지오스매트이고, 수층에 닿는 상부 표면은 지오스필터로 인장강도가 높아 침식의 저항에도 견딜 수 있도록 구성한 것을 특징으로 하는 복합소재 매트를 이용한 해양오염퇴적물의 현장 캐핑 처리장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 복합소재는 수산화마그네슘(brucite) 1.0 kg/m2, 인회석(apatite) 1.5 kg/m2, 지올라이트(zeolite) 2.5 kg/m2를 매트당(m2) 중량비로 15~25%, 25~35%, 45~55%로 혼합하여 충진한 것을 특징으로 하는 복합소재 매트를 이용한 해양오염퇴적물의 현장 캐핑 처리장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 복합소재의 배합비율을 달리하여 적용할 경우, 인이 문제시되는 지역에는 수산화마그네슘(brucite)을, 중금속이 문제시되는 지역에는 인회석(apatite)을, 암모니아가 문제되는 지역에는 지올라이트(zeolite)를 더 추가하여 복합소재 매트 내에 충진 처리할 수 있도록 구성한 것을 특징으로 하는 복합소재 매트를 이용한 해양오염퇴적물의 현장 캐핑 처리장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 지오스매트는 폴리프로필렌(polypropylene) 재질로 이루어지고, 상기 지오스필터는 단섬유(staple fiber) 재질의 폴리에스터(polyester)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 복합소재 매트를 이용한 해양오염퇴적물의 현장 캐핑 처리장치.
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