KR101066560B1 - 중금속함유 미세토양의 자연중력침강에 의한 비중선별 정화장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 중금속함유 오염토양을 분리추출정화하는 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 제련소 주위의 토양과 같이 제련 과정에서 발생되는 비산에 의해 비소를 포함한 중금속으로 오염된 토양에 대해 자연중력침강에 의한 비중선별 특성을 이용하여 중금속 물질로 집중 오염된 오염토양을 분리추출하여 정화시킬 수 있는, 중금속함유 미세토양의 분리추출정화장치에 관한 것으로, 하부에는 호퍼부, 중간부는 탱크부, 및 상부의 머리부로 이루어진 본체; 상기 본체의 호퍼부 하단에 설치되어 오염토양을 유입,배출시키는 유입관 및 배출관; 상기 본체 내부에서 상하로 이동가능하게 제공된 노즐 조립체; 상기 노즐 조립체에 연결된 호스;를 포함하는 것을 특징으로 하는 중금속함유 미세토양의 자연중력침강에 의한 비중선별 정화장치를 제공한다.

Description

중금속함유 미세토양의 자연중력침강에 의한 비중선별 정화장치{Gravity selection purification apparatus using naturl gravity sedimentation for fine soil contaminated with heavy metal}

본 발명은 중금속함유 오염토양을 분리추출하는 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 제련소 주위의 토양과 같이 제련 과정에서 발생되는 비산에 의해 비소를 포함한 중금속으로 오염된 토양에 대해 자연중력침강에 의한 비중선별 특성을 이용하여 중금속 물질로 집중 오염된 오염토양을 분리추출하여 정화시킬 수 있는, 중금속함유 미세토양의 자연중력침강에 의한 비중선별 정화장치에 관한 것이다.

제련 과정에서 발생되는 비산 먼지의 화학 조성을 살펴보면, 일반 토양 입자보다 비소나 철, 아연, 구리 등과 같은 중금속 성분이 매우 높게 분포하고 있다. 이러한 비산 먼지의 큰 입자들이 주로 제련소 주위의 토양에 많이 축적되므로, 제련소 주변에서의 비소 등을 포함한 중금속은 오래전부터 심각한 오염 문제를 발생시키고 있다.

이와 같은 중금속이 함유된 광물들은 지하 매장상태에서는 비교적 안정된 물질이나 지표에 노출될 경우에는 각종 화학 반응에 의하여 산성배수가 발생되고 각종 중금속 성분이 용출되어 산림의 황폐화, 지표수 및 지하수 오염, 토양오염 등 많은 환경 문제를 발생시킨다. 중금속이 함유된 금속 광물에 의해 오염된 토양의 처리는 주로 차단 매립과 같은 격리 방법이 시행되고 있는데, 이러한 방법은 오염토양의 원천적인 처리 방법이 아니기 때문에 시간이 경과됨에 따라 재처리가 필요하고, 또한 침출수를 장기간 관리해야 하는 문제점을 내포하고 있다.

또한, 중금속 오염 토양의 정화 및 복원 방법으로는 토양세척, 식물을 이용한 생물학적 처리, 산 용출 등과 같은 화학적 처리, 열 탈착 및 용융법 등과 같은 열적처리, 동전기를 이용한 전기적 처리, 고화제를 이용한 불용화 및 안정화 방법 등이 있다.

상기 방법들 중 토양세척 및 생물학적 처리는 유류 오염 토양의 정화에는 효율적인 방법이나, 비산 등의 사유에 의해 중금속으로 오염된 토양의 경우에는 중금속 물질의 제거가 불가능하다는 문제가 있다. 또한, 전기적 처리 방법의 경우, 중금속 물질들이 이온화 되어야만 처리가 가능한데, 입자상으로 존재하는 중금속 물질들은 자연 상태에서 이온화되기 어려운 특성을 갖고 있다. 산 용출 방법은 중금속 물질을 산 용액에 용해시켜 분리ㆍ선별하는 방법인데, 중금속 물질들이 표면 흡수가 아닌 조대입자 상으로 존재하는 경우에는, 경제성 및 폐수 처리 등의 문제점으로 현실적으로는 적용이 불가한 것으로 알려져 있다. 열 탈착 및 용융법 등과 같은 열적 처리 방법은 유류나 유기물 오염토양의 정화에는 효과가 우수하나, 중금속 오염토양의 경우에는 중금속의 원천적인 제거가 불가능하다는 문제가 있다.

또한, 제련과정에서 발생되는 비산 먼지는 주로 150 ㎛ 이하로서 그 크기는 배출 위치로부터의 거리에 따라 달라질 수 있다. 그러므로, 이러한 비산 등의 사유에 의해 중금속으로 오염된 토양을 정화시키기 위해서는, 입도 분포와 분포 농도를 정량한 후 위치에 따라 분급점을 찾아 제거 효율을 높이는 것이 필수적으로 요구되는데, 정화나 복원에 있어서 현재까지 개발된 기술로는 효율성과 경제성 면에서 다소 한계가 있는 실정이다.

일반적으로, 중금속을 함유한 오염토양의 정화방법은, 도1에서와 같이, 오염토를 굴착한 후 스크린에 의해 협잡물 및 자갈을 제거하고(S100), 1차 정화장치로 습식분급을 통해 자력선별 또는 비중선별 등을 수행하며(S200), 이 때 분리된 특정입경의 토양의 오염도를 분석하여 오염기준 미만의 토양은 탈수과정을 거쳐 되메움 처리되고, 오염기준을 초과한 토양은 2차 정화장치에서 정화처리되어 최종 오염기준 미만의 토양은 역시 앞서와 같이 되메움 처리되고 오염기준을 초과한 토양은 폐기물 처리되는 공정을 따른다.

통상적으로, 상기한 바와 같이 중금속 오염토양을 정화하는 일예의 방식 중, 미세입자 분리방법으로 원심력에 의해 비중선별하는 싸이클론(원심분리기)이 일반적으로 토양세척 전처리공정으로 이용되고 있지만, 싸이클론 방식으로는 미세입자로 된 토양에서는 75 ~ 150 ㎛ 범위의 입자들만을 분리하는 데 어려움이 있고, 입자 직경과 비중의 차이가 많을 때만 선별효율이 좋고, 선별효율을 높이기 위해서는 여러 개의 싸이클론을 갖추어 직렬로 연결하여야 하고, 토양의 특성의 변화가 있을 때마다 장시간에 걸쳐 공정이나 시설의 설치(pilot scale)를 운영해 보아야 하며, 배출위치가 일정하여 물질입자의 분리 라인을 선정하기 어려워 임의 추출이 불가능하고, 동적인 운전방식으로 분리방식이 상하 또는 일정량이 혼합되어 추출되므로 여러 단계로 진행하여야 한다는 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 중금속을 함유한 오염토양을 자연중력침강형 비중선별, 즉 입자 크기에 따라 침강시간이 결정되는 스토크 법칙(Stock's Law)을 이용하여 침강된 토양입자의 시간/높이를 정확히 산정한 다음 원하는 특정구간의 오염토양 입자를 자유자재로 조절하여 그 대역에 부유된 오염토를 분리추출하여 정화하는 중금속함유 미세토양의 자연중력침강에 의한 비중선별 정화장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 다른 목적은 오염 현장에서 사용가능한 중금속함유 미세토양의 자연중력침강에 의한 비중선별 정화장치를 제공하는 데 있다.

상기한 바와 같은 목적들을 달성하기 위해 본 발명은, 습식선별 오염정화장치에 있어서, 하부에는 호퍼부, 중간부는 탱크부, 및 상부의 머리부로 이루어진 수직원통형의 본체; 상기 본체의 호퍼부 하단에 설치되어 오염토양을 유입,배출시키는 유입관 및 배출관; 상기 본체 내부에서 상하로 이동가능하게 제공된 노즐 조립체; 상기 노즐 조립체에 연결된 호스;를 포함하는 것을 특징으로 하는 중금속함유 미세토양의 자연중력침강에 의한 비중선별 정화장치를 제공한다.

아울러, 바람직한 실시예에 따르면, 본체는 철제 지지체에 의해 바닥면에 지지되고, 본체의 머리부에는 윈치가 제공되어 상기 노즐 조립체에 연결되며, 유입관 및 배출관에는 조절밸브가 설치되고, 노즐 조립체는 원하는 비중 대역의 오염토양을 포집하는 입자 포집통을 갖추고 있고, 호스는 유연한 실리콘 플렉시블 호스이며, 추출정화장치는 노즐 조립체에 연결되어 있는 레벨 게이지를 더 포함한다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 중금속함유 미세토양의 자연중력침강에 의한 비중선별 정화장치는 제련 과정에서 비산에 의한 중금속 오염토양을 자연중력침강형 비중선별을 이용하여 정화함으로써, 원하는 위치(대역)에 있는 오염토양 입자들을 용이하게 선별 분리제거할 수 있다.

본 발명의 다른 효과들은 후술한 발명의 상세한 설명 및 청구범위의 기재로부터 더 포함된다는 것을 당업자는 이해할 수 있을 것이다.

도1은 일반적인 오염토양의 정화처리 공정을 보여주는 흐름도.
도2는 본 발명에 따른 중금속함유 미세토양의 자연중력침강에 의한 비중선별 정화장치를 개략적으로 예시하는 정면투시도.
도3은 도2의 개략적인 평면투시도.
도4은 도2의 B-B 화살표에 따른 단면도.
도5는 윈치와 노즐 어셈블리가 결합된 상태를 도면.

이하, 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위하여 본 발명에 따른 일 실시예를 첨부 도면을 참조하면서 보다 상세하게 설명하고자 한다. 본 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.

일반적으로, 제련소, 폐금속 광산, 폐기물 매립지와 같은 산업시설 주변지역의 토양오염은 일반 토지에 비해 매우 높게 나타나고, 특히, 제련소 주변의 지역에서는 비소(As) 등이 포함된 중금속 물질들이 비산되거나 침출되어 토양을 심각하게 오염시키고 있으며, 이로 인해 농작물을 통한 생태계 피해를 가져와 사회적 문제로 대두되고 있는 실정이다. 따라서, 본 발명은 이러한 비소(As) 등이 포함된 중금속 물질이 제련 과정에서 미립자의 형태로 비산에 의해 확산되어 주위 토양을 오염시키는 경우에 있어서, 비산입자와 일반적인 토양입자 간의 물리적 성질(비중)의 차이에 기반하여 오염토양을 추출정화하는 기술을 제공한다.

제련 과정에서 미립자의 형태로 비산에 의해 확산되어 오염된 논토양에 대한 연구결과(연속추출법)를 보면, 입자 크기 106 ~ 150 ㎛에서 오염이 집중된 것으로 확인되었으며, 이들은 잔류성 오염원인 불용성 입자오염원으로 존재함을 확인하였다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에서는 상기 입자 크기 106 ~ 150 ㎛의 불용성 입자오염원으로 존재하는 오염토양에 대해, 도1에서의 다양한 1차 습식선별 정화처리 방식, 예컨대, 선광선별, 자력선별, 부유선별, 비중선별, 중액선별 중 불용성 입자오염원에 가장 효과적인 비중선별에 초점을 맞춘 분리추출 정화처리장치를 제공한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 제련 과정에서 비산에 의해 중금속 오염된 논토양을 자연중력침강식 비중선별을 이용하여 오염토를 분리추출하는 비중선별 정화장치(A)를 개략적으로 예시하는 정면투시도이다.

참고로, 본 발명에 따른 중금속함유 미세토양의 자연중력침강에 의한 비중선별 정화장치(A)는 도1에서의 1차 정화장치에 해당되는 것으로서, 특별하게는 비중선별 즉, 자연중력침강식 비중선별 정화장치이다.

도2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 중금속함유 미세토양의 자연중력침강에 의한 비중선별 정화장치(A)는 본체가 통체 형상, 바람직하게는 수직원통형 형상으로 형성되며, 상기 수직원통형 형상의 비중선별 정화장치(A)는 대략 하부에는 호퍼부(1)가, 중간부에는 수직원통형 탱크부(2), 그리고 상부에는 머리부(3)로 이루어져서, 지면상에 철제 지지체(4)로 지지된다.

상기 호퍼부(1)의 하단측에는 일방향으로 분산액이 가해진 오염토양을 외부측으로부터 유입하여 폭기장치(미도시)로 폭기하여 분산시키는 유입관(5)이, 그리고 타방향으로 정화완료 선별된 토양을 배출시키는 배출관(6)이 연결되어 있다. 상기 유입관(5) 및 배출관(6)에는 입출 양을 조절하는 조절밸브(7)가 제공된다.

비중선별 정화장치(A)의 본체 내부에는 원하는 비중 대역의 오염토양을 포집하는 입자 포집통(8)을 갖춘 노즐 조립체(9)가 제공되고 상기 노즐 조립체(9)의 입자 포집통(8)은 유연한 호스(10)에 의해 외부측 호스 또는 관을 통해 2차 정화장치(미도시, 도1 참조)로 보내지게 된다. 상기 입자 포집통(8)은 소모성으로 플랜지로 연결되어 마모시 교체할 수 있는 것이 좋으며, 노즐 조립체(9)에 제공되는 노즐은 가급적 나사산을 이용하여 입자별 크기에 대응 교체할 수 있는 구조가 바람직하다. 또한, 상기 유연한 호스(10)는 기급적 부드러우면서도 내구성이 좋은 실리콘 플렉시블 호스(silicon flexsible hose)가 좋으며, 그에 의해 상기 노즐 조립체(9)의 입자 포집통(8)은 비중선별 정화장치(A)의 내부에서 자유롭게 상하이동가능하다. 상기 외부측 호스 또는 관의 중간경로(본체 외부)에는 도시하지 않은 압송 펌프가 설치되어 추출분리 대상의 오염토양을 제2의 정화장치로 보낸다.

또한, 상기 비중선별 정화장치(A)의 상부에 있는 머리부에는 윈치(11)가 설치되어 상기 노즐 조립체(9)를 견인유도함으로써, 상기 노즐 조립체(9)는 윈치(11)에 의해 상,하로 위치조정가능하게 되어져서 비중선별 정화장치(A)의 내부에 자연중력침강된 미세 오염토 중, 원하는 비중 대역의 오염토를 자유자재로 상하이동하여 상기 입자 포집통(8)을 통해 용이하게 흡입할 수 있다.

아울러, 본 발명의 장치에서는 상기 노즐 조립체(9)가 비중선별 정화장치(A)의 내부에서 상하로 이동하는 수준을 육안으로 판단하기 위해 비중선별 정화장치(A)의 외부에 레벨 게이지(12)를 설치하여 상기 노즐 조립체(9)와 함께 움직이도록 하고, 그에 의해 비중선별 정화장치(A)의 내부 어느 수준에 노즐 조립체(9)가 있는지를 쉽게 확인할 수 있도록 하였다.

상기와 같이 구성된 윈치(11)에 매달린 노즐 조립체(9)의 작동에 의해, 오염도분석에 따라 오염처리에 요구되는(오염기준을 초과한) 입자크기(비중)가 부유된 대역, 특히 제련소 주변의 중금속함유 오염토양 중 분리추출 정화처리가 집중적으로 요구되는 입자 크기 106 ~ 150 ㎛의 오염토양은 노즐 조립체(9)의 입자 포집통(8)을 통해 포집되어 유연성 호스(10) 및 외부측 호스 또는 관을 통해 2차 정화장치로 보내져서 필요한 후속 정화처리(예컨대, 고자력선별, 토양세척, 2차 비중선별)를 행하게 되고, 나머지 정화처리 대상이 아닌 토양분은 배출관(6)을 통해 배출(탈수)되어 필요한 곳에 되메움된다.

도3 내지 도5도는 도2의 각 부분을 나타내는 도면으로서, 도3은 도2의 본 발명에 따른 중금속함유 미세토양의 비중선별 정화장치(A)의 평면투시도를 보여주고, 도4는 도2의 B-B 화살표에 따른 단면도를 보여주고, 도5는 도2에 도시한 윈치(11)와 노즐 조립체(9)가 결합된 상태를 보여주는 도면으로서, 예시 자체로 충분히 이해가능한 것으로 판단하여 자세한 설명은 생략하기로 한다.

그럼, 지금부터는 상기과 같이 구성된 본 발명에 따른 중금속함유 미세토양의 자연중력침강에 의한 비중선별 정화장치(A)의 동작을 전체적인 정화처리 공정(도1참조)에 맞추어 설명하기로 한다.

앞서 설명한 바와 같이, 제련 과정에서 미립자의 형태로 비산에 의해 확산되어 오염된 논토양을 보면 입자 크기 106 ~ 150㎛에서 오염이 집중되어 있고 이들은 잔류성 오염원인 불용성 입자오염원으로 존재함을 확인하였는 바, 먼저 이러한 비산 등에 의해 발생된 중금속 오염토에 대해 스크린에 의해 체가름 공정을 수행한다(S100).

체가름 공정(S100)은 체 크기를 조절할 수 있는 체망을 가진 진동 스크린을 이용하여 오염토 내의 이물질을 분리하는 전처리 공정으로서, 중금속 오염토 중에 함유되어 있는 돌, 자갈 및 나무뿌리 등의 이물질을 분리해내는 과정이다. 오염토에서 걸러진 일정 크기 이상의 이물질들은 중금속이 포함되지 않은 일반 토양으로 볼 수 있다.

다음으로, 전술한 체가름 공정(S100)에 의해 상기 이물질이 분리되고 남은 오염토양은 여전히 중금속 물질이 다량 포함되어 있으므로, 상기 이물질이 분리되고 남은 오염토양에 대하여 1차 정화처리(습식분급) 공정을 수행한다(S200). 이러한 습식분급 공정(S200)은 입자 크기 별로 분리 선별하여 중금속 물질이 함유되어 있지 않은 조대입자(coarse particle)와 중금속 물질을 함유한 미세입자(fine particle)로 분리하기 위해 기준이 되는 분급점을 설정하여 입자크기(비중) 별로 분리, 선별하는 공정이다.

이 때, 상기 1차 정화처리(습식분급) 공정(S200)을 수행하기 위해, 상기한 본 발명에 따른 중금속함유 미세토양의 비중선별 정화장치(A)가 이용된다. 즉, 본 발명의 일 실시예에서는 제련소 주변 토양의 입자크기의 경우 특히 오염도가 심각한 106 내지 150 μm 사이의 값을 분급대상으로 설정하여 미세입자와 조대입자를 효과적으로 분리, 선별하기 위해 사용되는 것으로, 습식분급 공정에 의해 분리추출된 정화토양은 원위치(논, 밭, 기타 잡지)로 돌려 보내 되메움하여 재이용할 수 있다.

상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 중금속함유 미세토양의 비중선별 정화장치(A)가 상기 1차 정화처리(습식분급) 공정(S200)을 수행하는 데 있어, 먼저 앞서의 체가름 스크린 공정(S100)을 마친 오염토양이 분산액과 교반 후 상기 유입관(5)을 통해 비중선별 정화장치(A) 내부로 압송유입되어 외부의 폭기장치로 폭기하여 일정시간 정치됨으로써 자연중력으로 침강된 상태를 이루며, 이 때 배출관(6)은 폐쇄된 상태로 있다. 이 후, 윈치(11)에 매달린 노즐 조립체(9)가 상하로 이동하여 오염도 분석에 따라 오염처리에 요구되는(오염기준을 초과한) 입자크기(비중)가 부유된 대역, 특히 분리추출 정화처리가 집중적으로 요구되는 입자 크기 106 ~ 150 ㎛의 오염토양을 노즐 조립체(9)의 입자 포집통(8)을 통해 포집하여 유연성 고무호스(10) 및 외부측 호스 또는 관을 통해 2차 정화장치로 보내져서 필요한 정화처리(예컨대, 고자력선별, 토양세척, 2차 비중선별)를 행하게 되고, 나머지 정화처리 대상이 아닌 토양분은 배출관(6)을 통해 배출(탈수)되어 필요한 곳에 되메움된다. 물론, 상기 2차 비중선별도 본 발명에 따른 또하나의 중금속함유 미세토양의 비중선별 정화장치(A)를 이용할 수도 있다.

상기한 바와 같이, 본 발명에 따른 중금속함유 미세토양의 자연중력침강에 의한 비중선별 정화장치(A)를 이용함으로써, 입자강하에 민감한 자연중력침강법을 이용할 수 있어 원하는 입자크기 범위(대역)를 자유자재로 상하이동시켜 쉽게 선별추출할 수 있으며, 오염현장에 간단히 설치하여 정화완료 토양을 막바로 되메움처리할 수도 있다.

본 발명의 일 실시예에서는 제련 과정에서 미립자의 형태로 비산에 의해 확산되어 오염된 논토양, 즉 오염이 집중된 입자 크기 106 ~ 150 ㎛의 오염토양의 자연중력침강법에 의한 비중선별에 대하여 설명하였으나, 습식분급 처리를 요하는 어떠한 오염현장 및 어느 비중 대역의 것이라도 본 발명에 따른 상하이동 자유자재형의 오염토 배출수단(노즐 조립체)을 갖춘 중금속함유 미세토양의 자연중력침강에 의한 비중선별 정화장치로 처리하는 것이 충분히 가능하리라는 것은 당업자라면 명백히 이해할 수 있을 것이다.

1: 호퍼부 2: 탱크부
3: 머리부 4: 지지체
5: 유입관 6: 배출관
7: 조절밸브 8: 입자 포집통
9: 노즐 조립체 10: 호스
11: 윈치 12: 레벨 게이지

Claims (8)

1. 하부에는 호퍼부, 중간부는 탱크부, 및 상부의 머리부로 이루어진 본체;
   상기 본체의 호퍼부 하단에 설치되어 오염토양을 유입,배출시키는 유입관 및 배출관;
   상기 본체 내부에서 상하로 이동가능하게 제공된 노즐 조립체;
   상기 노즐 조립체에 연결된 호스;를 포함하고,
   상기 본체의 머리부에는 윈치가 제공되어 상기 노즐 조립체에 연결된 것을 특징으로 하는 중금속함유 미세토양의 자연중력침강에 의한 비중선별 정화장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 본체는 철제 지지체에 의해 바닥면에 지지된 것을 특징으로 하는 중금속함유 미세토양의 자연중력침강에 의한 비중선별 정화장치.
3. 삭제
4. 제1항에 있어서,
   상기 유입관 및 배출관에는 조절밸브가 설치된 것을 특징으로 하는 중금속함유 미세토양의 자연중력침강에 의한 비중선별 정화장치.
5. 제4항에 있어서,
   상기 유입관에는 폭기장치가 장착된 것을 특징으로 하는 중금속함유 미세토양의 자연중력침강에 의한 비중선별 정화장치.
6. 제1항에 있어서,
   상기 노즐 조립체는 원하는 비중 대역의 오염토양을 포집하는 입자 포집통을 갖춘 것을 특징으로 하는 중금속함유 미세토양의 자연중력침강에 의한 비중선별 정화장치.
7. 제1항에 있어서,
   상기 호스는 플렉시블 호스인 것을 특징으로 하는 중금속함유 미세토양의 자연중력침강에 의한 비중선별 정화장치.
8. 제1항에 있어서,
   상기 분리추출장치는 레벨 게이지를 더 포함하고,
   상기 레벨 게이지는 노즐 조립체에 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 중금속함유 미세토양의 자연중력침강에 의한 비중선별 정화장치.
   
   

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