KR101139336B1 - 오염지하수 정화용 반응물질 및 반응벽체 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 비소와 카드뮴 제거능력이 뛰어난 반응물질과 관측과 반응물질의 교환 등의 관리가 편한 반응벽체에 관한 것이다.
본 발명의 반응물질은, 지하에 매설되어 오염된 지하수를 정화하는 반응벽체에 사용되는 반응물질로서, 전기로를 이용한 제강공정에서 발생하는 환원슬래그를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 종래의 0가철보다 저렴하면서 비소와 카드뮴을 제거하는 효과가 뛰어난 환원슬래그를 반응물질로 사용함으로써, 반응물질 제조 및 반응벽체의 제작의 비용을 크게 줄일 수 있는 효과가 있다.
최근에 발생량이 증가하고 있지만 재활용의 부가가치가 높지 못한 환원슬래그를 고부가치를 갖는 반응물질로 사용함으로써, 환원슬래그의 재활용 비율과 가치를 크게 향상시켜 경제적으로 뛰어난 효과를 나타낸다.
반응물질, 반응벽체, 0가철, 전기로 슬래그, 환원슬래그, 비소, 카드뮴

Description

오염지하수 정화용 반응물질 및 반응벽체{REACTIVE MATERIAL AND REACTIVE BARRIER FOR THE REMEDIATION OF CONTAMINATED GROUND WATER}
본 발명은 오염된 지하수를 정화하는데 이용되는 반응물질 및 이를 이용한 반응벽체에 관한 것이며, 더욱 자세하게는 비소와 카드뮴 제거능력이 뛰어난 반응물질과, 관측 및 반응물질의 교환 등 관리가 편한 반응벽체에 관한 것이다.
일반적으로 반응벽체는 지하수에 함유된 오염군을 일정 수준의 개선 목표치 까지 낮추기 위한 구조물이다. 반응벽체는 자연적 지하수 구배를 이용하여, 오염된 지하수의 이동을 유도하고 내부에 포함된 반응물질을 통과하는 과정에서 오염물질을 불용화시키거나 화학적으로 독성이 낮은 형태 또는 생물학적으로 분해가 쉬운 형태로 전환시킨다.
지하수에 함유된 오염원 중에서 비소는 심각한 환경문제의 원인이 되고 있다. 비소에 의한 오염이 발생하는 원인은, 먼저 광물들이 풍화되거나 지구의 환원조건에서 용출되면서 지하수로 흘러나오는 자연적인 경우가 있다. 그리고 다른 원인으로 광산활동, 농약 또는 산업폐수 등의 인간활동에 의해 오염되는 경우가 있다. 우리나라에서는 금, 은 등 금속광산을 폐광한 뒤에 적채되어 있던 광산 찌꺼 기인 광미와 갱내 수 등의 유출로 인하여 비산염과 아비산염 형태의 비소에 의해, 폐광 주변지역의 비소오염이 심각한 것으로 알려져 있다.
비소의 화학적 특성 중 토양 및 지하수의 환경에서 중요한 역할을 하는 것은 비소의 산화상태이다. 토양 및 자연수 등의 환경매체 내에서 비소는 아비산이온(As(Ⅲ), arsenite) 또는 비산이온(As(Ⅴ), arsenate) 두 형태의 산화음이온 사이에서 변화가 자유롭고 결과적으로 두 형태가 공존한다. 하지만 일반적인 자연환경의 산화수준에서는 As(Ⅴ)가 열역학적으로 더 안정된 형태이고 환원조건 하에서는 As(Ⅲ)가 열역학적으로 더 안정된 것으로 알려져 있다.
한편, 비소의 독성은 산화상태와 유기, 무기 형태의 분급 정도에 따라 변하며, As(Ⅲ)의 형태가 As(Ⅴ)의 형태보다 용해도와 이동도가 높아 흡착에 의한 제거가 어려울 뿐만 아니라 독성도 20~60배 이상 높은 것으로 알려져 있다.
이러한 비소오염을 해결하기 위한 다양한 방법이 개발되었으며, 최근에는 0가철(zero valent iron, ZVI)을 이용해서 비소를 흡착하거나, 0가철의 산화에 의해 생성되는 2가 철과 3가 철 등의 철산화물 및 철수산화물을 이용하여 비소를 안정화시키는 기술이 주로 사용되고 있다. 0가철은 TCE와 PCE 등 염화유기화합물과 카드뮴의 제거능력이 뛰어나며, 실제 현장 적용 결과에서도 높고 안정적인 제거효율을 보이는 것으로 나타나 반응벽체의 반응물질 가운데 가장 폭 넓게 선호되고 있다.
그러나 0가철은 그 자체로 환원제로 작용하여 As(Ⅴ)를 As(Ⅲ)로 환원시키는 점이 단점으로 지적되고 있다. 또한. 다른 반응물질에 비하여 상대적으로 가격이 높아(톤당 10만원 이상) 제거효율은 유지하면서도 비용이 저렴한 다른 대체물질의 개발에 대한 관심이 매우 높다.
한편, 전기로 슬래그는 제강 1톤당 약 125Kg이 발생하고 우리나라에서는 연간 214만톤 정도가 발생하고 있으며, 최근에 고로방식에 의한 일관제철소 건설에 제약을 받으면서 발생량이 계속 증가할 것으로 전망되고 있다. 현재 발생되는 전기로 슬래그의 상당량이 재활용되고 있으나, 환원슬래그의 경우는 유리석회 및 유리마그네슘의 함유량이 많아 팽창성 붕괴를 일으키는 특성으로 인하여, 부가가치가 높은 콘크리트용 골재로서는 사용이 부적당하다.
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위하여 발명된 것으로서, 0가철을 대체할 수 있는 저렴하고 뛰어난 효과를 나타내는 반응물질과 이를 이용한 반응벽체를 제공하는 것이 목적이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 반응물질은, 지하에 매설되어 오염된 지하수를 정화하는 반응벽체에 사용되는 반응물질로서, 전기로를 이용한 제강공정에서 발생하는 환원슬래그를 포함하는 것을 특징으로 한다.
전기로 환원슬래그는 선철이나 고철 등의 철 원료를 정련하여 소정의 품질을 갖춘 강을 제조하는 제강공정에서 발생하는 폐기물이다. 현재 제강법에는 제철소의 고로로부터 나온 선철을 정련하는 전로법과 고철을 전기로에서 정련하는 전기로법이 있으며, 이들 공정에서 발생하는 제강슬래그를 각각 전로슬래그와 전기로슬래 그라고 한다.
특히 전기로 법에서는 철 원료를 전기로에 장입하고 전극 사이에 아크를 발생시켜서 고철원료를 가열 및 용융한 뒤에, 산화기 및 환원기 동안에 일어나는 반응에 의하여 정련을 실시한다. 산화기는 용강에 산소를 불어넣어 철 원료 중의 규소, 탄소, 수소, 인 등을 산화시키는 과정이며, 이때 발생하는 산화슬래그는 산화기 중에 발생한 산화물과 부원료로서 장입한 석회석, 생석회, 규소 및 철분 등의 용제가 결합 및 용융된 것이다. 이때, 전기로벽에 사용되는 마그네시아계 등의 내화물 중 일부가 용출되고, 철 원료 중 철과 망간의 일부도 산화되어 산화슬래그의 성분을 이룬다. 환원기는 산화슬래그를 전기로로부터 배출시킨 후 용강에 생석회 등을 재 장입한 뒤, 환원분위기로 하여 초과 산소를 제거함과 동시에 탈황하는 과정이며, 이때 남게 되는 것이 환원슬래그이다. 환원슬래그는 철, 망간 및 인 등의 산화물이 적은 반면, 30~60%를 차지하는 유리석회(free-CaO) 및 최대 25%까지 포함되는 유리마그네슘(free-MgO) 성분을 고정시킬 수 없는 염기성 산화물이기 때문에 분체가 되기 쉽다. 따라서 골재 등으로 재활용하기는 부적절한 것으로 알려져 있다.
본 발명에서 환원슬래그는 10%이상의 MgO를 포함하는 것이 바람직하다. 환원슬래그에 포함된 MgO와 CaO는 비소를 제거한 중요한 요소이다. 최근에는 슬래그를 분체화시키는 MgO의 함유량을 줄여 환원슬래그를 골재 등으로 재활용하려는 기술이 개발되고 있으나, MgO가 10%미만으로 함유된 환원슬래그의 경우에 비소를 제거하는 능력이 급격히 감소하여 반응물질로 사용할 수 없다.
그리고 비소를 제거하는 여러 가지 메커니즘 중에 흡착에 의한 효과가 있으므로, 환원슬래그 반응물질은 입자를 작게 하여 비표면적을 넓히는 것이 좋으며, 본 발명에 따른 환원슬래그 반응물질은 종래의 0가철 등에 비하여 큰 입자크기에서도 뛰어난 성능을 발휘하여, 환원슬래그의 입자의 크기가 5mesh 이하인 경우에도 뛰어난 효과를 나타낸다. 나아가 MgO 등 슬래그를 분체화 시키는 구성물질을 많이 포함하고 있기 때문에, 입자크기를 줄이기 위하여 별도의 비용을 투입할 필요가 없다.
본 발명의 환원슬래그 반응물질은 MnO의 함유량이 1%미만인 것이 바람직하다. 제강공정에서 산출되는 슬래그들은 MnO를 상당량 포함할 수 밖에 없으므로, 토양을 오염시키는 물질인 망간에 의한 2차오염 문제로 인해 반응물질로의 사용이 어려웠다. 따라서 반응물질로 사용하기 위해서는 MnO의 함유량을 1%미만으로 조절하는 것이 바람직하다.
한편, 본 발명의 반응벽체는, 지하에 매설되어 오염된 지하수를 정화하기 위한 것으로서, 지하에 위치하며 지하수가 들어가는 유입부, 상기 유입부를 통하여 유입된 지하수와 반응하여 오염물질을 정화하는 반응물질, 및 상기 반응물질을 통과한 지하수가 나가는 유출부를 포함하는 투수부; 상기 투수부의 상부가 개방된 형태의 관측부; 및 상기 관측부에 외부물질이 침입하는 것을 차단하는 커버부를 포함하는 것을 특징으로 한다. 이때, 반응물질에 포함되는 전기로 슬래그는 환원슬래그인 것이 바람직하다.
반응물질을 포함하는 투수부의 위를 막지 않고 개방하여 관측부를 형성하는 경우, 오염물질 정화상태를 관측하고 반응물질을 교환함에 있어서 매우 편리하다. 특히 폐광산 주변과 같이 오염도가 높은 곳에서 활용도가 매우 높다.
이때, 반응물질의 뒤에 위치하는 유출부는 pH를 저하시키는 물질을 포함하는 것이 바람직하다. 또한 반응물질은 0가철, 철산화물 또는 철수산화물 중에서 선택된 적어도 하나 이상을 포함하는 것이 좋으며, 이 경우 반응물질의 앞에 위치하는 유입부는 pH를 저하시키는 물질을 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면, 종래의 0가철보다 저렴하면서 비소와 카드뮴을 제거하는 효과가 뛰어난 환원슬래그를 반응물질로 사용함으로써, 반응물질 제조 및 반응벽체의 제작의 비용을 크게 줄일 수 있는 효과가 있다.
발생량은 많으나 재활용의 부가가치가 높지 못한 환원슬래그를 반응물질로 사용함으로써, 환원슬래그의 가치를 향상시키는 효과기 있다.
그리고 망간의 함유량이 매우 적은 환원슬래그를 반응물질로 사용함으로써, 망간에 의한 2차 오염의 염려가 거의 없다.
나아가 반응물질의 상부가 개방된 구조의 반응벽체를 이용함으로써, 오염물질 정화상태를 관측하고 반응물질을 교환함에 있어서 매우 편리하며, 특히 폐광산 주변과 같이 오염도가 높은 곳에서 활용도와 효과가 매우 높다.
또한, 개방된 반응물질의 상부를 통하여 유입된 산소가 자연적인 산화분위기를 형성함으로써, 오염수에 포함된 5가 비소의 비율을 높여 제거효율이 증가한다.
그리고, 반응물질인 0가철, 철산화물 및 철수산화물이 산소와 접촉하여 산화 됨으로써 오염물질의 제거효율이 더욱 향상된다.
이하 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 보다 상세하게 설명한다.
환원슬래그의 효과를 확인하기 위하여 준비한 산화슬래그와 환원슬래그의 구성물질 비율은 다음과 같다.
물질 산화슬래그(%) 환원슬래그(%)
Al2O3 5.51 8.31
CaO 25.56 42.81
T-Fe 35.86 2.65
K2O 0.00 0.00
MgO 2.40 18.01
MnO 10.10 0.77
Na2O 0.16 0.08
P2O4 0.35 0.03
SiO2 17.42 24.15
TiO2 0.56 0.56
L.O.I 0 0.97
Total 97.9 98.3
표 1에 나타나 있듯이, 환원슬래그는 18.01%라는 상당히 높은 MgO를 포함하고 있으며, CaO도 42.81%나 포함하고 있다. 또한, MnO의 함유량은 0.77%정도로 매우 적은 것을 알 수 있다. 이러한 구성물질의 차이는 표 1에서 비교한 산화슬래그 및 전로슬래그와는 구별되는 큰 차이점이다.
그리고 효과를 비교하기 위한 다른 반응물질로는 0가철을 준비하였다.
먼저, 증류수와 시료를 사용하여 농도 및 pH를 인위적으로 조절한 인공 오염수를 이용하여 배치테스트(batch test)를 실시하였다. 인공 오염수는 중금속의 농도를 지하수와 하천수 수질기준농도(비소: 0.05ppm, 카드뮴: 0.01ppm) 대비 10배의 오염도를 갖도록 제조하여, 인공 오염수의 pH를 조절하면서 각 반응물질이 비소와 카드뮴을 제거하는 효과를 확인하였다.
도 1은 pH 4인 인공 오염수에 포함된 비소 및 카드뮴의 제거속도를 반응물질별로 나타내는 그래프이다. 이에 따르면 산화슬래그는 비소를 거의 제거하지 못하였으나, 환원슬래그는 0가철과 비슷한 정도로 비소를 제거하는 것을 알 수 있다. 그리고 산화슬래그와 환원슬래그 모두가 0가철에 비하여 빠른 속도로 카드뮴을 제거하는 것을 알 수 있다.
도 2는 pH 6인 인공 오염수에 포함된 비소 및 카드뮴의 제거속도를 반응물질별로 나타내는 그래프이다. 이에 따르면 산화슬래그는 비소를 거의 제거하지 못하였으나, 환원슬래그는 0가철에 비하여 빠른 속도로 비소를 제거했음을 알 수 있다. 그리고 산화슬래그와 환원슬래그 모두가 0가철에 비하여 빠른 속도로 카드뮴을 제거하며, 특히 환원슬래그는 더욱 빠른 속도로 카드뮴을 제거하는 것을 알 수 있다.
도 3은 pH 8인 인공 오염수에 포함된 비소 및 카드뮴의 제거속도를 반응물질별로 나타내는 그래프이다. 이에 따르면 산화슬래그는 비소를 거의 제거하지 못하였으나, 환원슬래그는 0가철에 비하여 빠른 속도로 비소를 제거하는 것을 알 수 있다. 그리고 산화슬래그와 환원슬래그 모두가 0가철에 비하여 빠른 속도로 카드뮴을 제거하며, 특히 환원슬래그는 더욱 빠른 속도로 카드뮴을 제거하는 것을 알 수 있다.
도 4는 0가철이 인공 오염수에 포함된 비소 및 카드뮴의 제거하는 속도를 오염수의 pH 별로 나타낸 그래프이다. 이에 따르면 0가철이 제거하는 비소와 카드뮴의 양은 시간에 따라 증가하며, pH에 따른 효과의 차이는 크지 않은 것을 알 수 있다.
도 5은 산화슬래그가 인공 오염수에 포함된 비소 및 카드뮴의 제거하는 속도를 오염수의 pH 별로 나타낸 그래프이다. 이에 따르면 산화슬래그는 비소는 거의 제거하지 못하지만, 카드뮴은 0가철에 비하여 매우 빠른 시간에 많은 양을 제거하는 것을 알 수 있다. 또한 카드뮴을 제거하는 속도에 있어서 pH 값은 거의 영향이 없는 것을 알 수 있다.
도 6은 환원슬래그가 인공 오염수에 포함된 비소 및 카드뮴의 제거하는 속도를 오염수의 pH 별로 나타낸 그래프이다. 이에 따르면 환원슬래그는 0가철에 비하여 초반에 매우 많은 양의 비소를 제거하고, 이후에도 지속적으로 제거하는 것을 알 수 있으며, pH가 높은 오염수에서 효과가 조금 더 뛰어남을 알 수 있다. 그리고 카드뮴의 경우에도 0가철에 비하여 빠른 속도로 대부분이 제거되는 것을 알 수 있으며, pH가 높은 오염수에서 효과가 조금 더 뛰어남을 알 수 있다.
도 1 내지 6을 통하여, 산화슬래그는 카드뮴 제거에 있어서 0가철에 비하여 뛰어난 효과를 나타내지만, 비소를 제거하지 못하며, 환원슬래그는 비소와 카드뮴의 제거에 있어서 0가철에 비하여 뛰어난 효과를 나타내는 것을 알 수 있다. 그리고 산화슬래그는 오염수의 pH에 영향이 거의 없지만, 환원슬래그는 높은 pH의 오염수에서 효과가 조금 더 뛰어나며, 특히 카드뮴 제거에 있어서 pH 6 이상의 오염수에서 매우 뛰어난 효과를 나타내는 것을 알 수 있다.
다음으로, 삼광광산 인근 광미적치장에서 채취한 실제 중금속으로 오염된 광미를 이용해 만든 침출수를 이용해 배치테스트를 실시하였다. 먼저, 0가철과 환원슬래그가 비소와 카드뮴을 제거하는 효과를 확인하는 실험을 하였다. 표 2는 100mesh 이하의 크기를 갖는 0가철과 25mesh 이하의 크기를 갖는 환원슬래그를 반응물질로 하여 24시간동안 비소와 카드뮴의 농도 변화를 측정한 결과이다.
반응시간(hour) 0가철 환원슬래그
비소(mg/l) 카드뮴(mg/l) 비소(mg/l) 카드뮴(mg/l)
0 0.09 0.23 0.08 0.23
1 0.08 0.21 0.05 0.18
24 0.03 0.01미만 0.02 0.01미만
이를 통하여, 본 발명의 환원슬래그가 실제 오염광미에서 침출되는 오염수에서도 0가철과 비슷한 최종제거효과를 나타내며, 초반에는 더 빠른 속도로 비소와 카드뮴을 제거하는 것을 알 수 있다.
그리고 환원슬래그의 입자크기를 변화시키며 비소와 카드뮴 제거효과를 확인 하였다.
표 3은 본 발명에 따른 환원슬래그의 입자크기에 따른 비소와 카드뮴의 제거효과를 측정한 첫 번째 결과이다.
반응시간
(hour)		 5mesh~12mesh 12mesh~25mesh 25mesh 이하
비소(mg/l) 카드뮴(mg/l) 비소(mg/l) 카드뮴(mg/l) 비소(mg/l) 카드뮴(mg/l)
0 0.11 0.23 0.09 0.26 0.08 0.23
1 0.07 0.20 0.08 0.18 0.05 0.18
2 0.07 0.18 0.09 0.14 0.07 0.15
5 0.05 0.14 0.06 0.10 0.06 0.10
10 0.03 0.09 0.04 0.05 0.07 0.05
16 0.06 0.01미만 0.06 0.05 0.03 0.01미만
24 0.03 0.01미만 0.03 0.01미만 0.02 0.01미만
표 4는 본 발명에 따른 환원슬래그의 입자크기에 따른 비소와 카드뮴의 제거효과를 측정한 두 번째 결과이다.
반응시간
(hour)		 5mesh~12mesh 12mesh~25mesh 25mesh 이하
비소(mg/l) 카드뮴(mg/l) 비소(mg/l) 카드뮴(mg/l) 비소(mg/l) 카드뮴(mg/l)
0 0.55 0.02 0.55 0.02 0.55 0.02
1 0.48 0.01 0.37 0.01 0.41 0.01
2 0.46 0.01미만 0.38 0.01 0.38 0.01미만
5 0.39 0.01미만 0.32 0.01 0.30 0.01미만
10 0.34 0.01미만 0.17 0.01미만 0.14 0.01미만
16 0.27 0.01미만 0.12 0.01미만 0.13 0.01미만
24 0.22 0.01미만 0.10 0.01미만 0.08 0.01미만
두 번의 실험결과 환원슬래그의 경우 5mesh 이하의 크기를 갖는 경우에 원하는 정도의 비소 및 카드뮴의 제거효과를 확인할 수 있다. 그리고 입자크기가 작을수록, 즉 비표면적이 넓을수록 제거율이 더 높은 것을 알 수 있으며, 이는 비표면적이 증가할수록 흡착에 의한 제거효과가 향상되기 때문이다. 특히 비소를 제거하는 데 입자의 크기에 따라 효과의 차이가 큰 것을 알 수 있다.
그리고 환원슬래그의 제거 지속성을 확인하기 위하여 인공 오염수를 이용하여 연속테스트(continuous test)를 실시하였다.
도 7은 본 발명에 따른 환원슬래그의 효과를 확인하기 위한 연속테스트 장치를 나타내는 모식도이다. 직경 10cm, 높이 16cm의 아크릴 원통에 반응물질 150g을 모래와 혼합하여 넣고, 증류수와 시약을 이용해 비소와 카드뮴의 농도를 각각 0.5ppm으로 조절한 인공 오염수를 지속적으로 주입하고 20일 동안 반응시켰다. 이때, 유량은 분당 0.170ml로 유지하였고, 오염수와 반응물질 간의 접촉시간은 24시간으로 하였으며, 이틀마다 유출되는 시료를 채취하여 분석하였다.
표 5는 0가철과 환원슬래그를 반응물질로 하여 연속테스트를 실시한 결과를 나타낸다.
반응시간
(hour)		 0가철 환원슬래그
비소(mg/l) 카드뮴(mg/l) 비소(mg/l) 카드뮴(mg/l)
유입 유출 유입 유출 유입 유출 유입 유출
2 0.5 0.01미만 0.5 0.01 0.5 0.01미만 0.5 0.01미만
4 0.5 0.01미만 0.5 0.01 0.5 0.01미만 0.5 0.01미만
6 0.5 0.01미만 0.5 0.01 0.5 0.01미만 0.5 0.01미만
8 0.5 0.01미만 0.5 0.01미만 0.5 0.01미만 0.5 0.01미만
10 0.5 0.01미만 0.5 0.01미만 0.5 0.01미만 0.5 0.01미만
12 0.5 0.01미만 0.5 0.01미만 0.5 0.01미만 0.5 0.01미만
14 0.5 0.01미만 0.5 0.01미만 0.5 0.01미만 0.5 0.01미만
16 0.5 0.01미만 0.5 0.01미만 0.5 0.01미만 0.5 0.01미만
18 0.5 0.01미만 0.5 0.01미만 0.5 0.01미만 0.5 0.01미만
20 0.5 0.01미만 0.5 0.01미만 0.5 0.01미만 0.5 0.01미만
이 실험을 통해서, 환원슬래그로 20일 동안 비소와 카드뮴과 반응시킨 경우 국내의 하천수 및 지하수의 수질 환경기준치(As: 0.05ppm 이하, Cd: 0.01ppm 이하)를 만족시킬 뿐만 아니라, 세계보건기구(WHO) 및 미국 환경청(US EPA)의 기준치(As: 0.01ppm 이하, Cd: 0.01ppm 이하)를 만족시키는 것을 확인할 수 있으며, 비소와 카드뮴의 제거능력 및 제거의 지속성을 확인할 수 있다.
마지막으로, 환원슬래그의 현장 적용의 적합성 여부를 확인하기 위해 실제 오염수와 반응벽체의 상호작용을 모사하는 일련의 장치를 구성하여 모의 현장적용테스트를 실시하였다.
도 8은 본 발명에 따른 환원슬래그의 효과를 확인하기 위한 모의현장적용테스트 장치를 나타내는 모식도이다. 앞선 실험과 동일한 방법으로 오염광미를 이용해서 대량의 침출수를 만들고 환원슬래그와 0가철을 반응물질로 사용하여 장기간의 반응실험을 실시하였다.
유입수의 원활한 흐름을 위하여 반응조에 경사를 주었으며, 유출수를 채취할 수 있도록 마지막 칸의 하단부에 밸브를 설치하였다. 반응조에 경사를 주고 유지하기 위하여 반응조의 바닥에 높이 조절용 나사를 부착하고, 수평계를 이용해 경사를 조절하였다.
반응조로 유입되는 유입수는 유량 조절장치를 이용하여 분당 1.36㎖로 일정하게 유지하고, 반응물질과 침출수가 반응하는 시간이 24시간이 되도록 조절하면서 50일간 실험을 하였다.
표 6은 모의현장적용테스트의 결과를 나타낸다.
[표 6]
반응시간
(day)		 0가철 환원슬래그
비소(mg/l) 카드뮴(mg/l) 비소(mg/l) 카드뮴(mg/l)
유입 유출 유입 유출 유입 유출 유입 유출
5 0.24 0.01미만 0.27 0.01미만 0.24 0.01미만 0.27 0.01미만
10 0.24 0.01미만 0.27 0.01미만 0.24 0.01미만 0.27 0.01미만
15 0.24 0.01미만 0.27 0.01미만 0.24 0.01미만 0.27 0.01미만
20 0.24 0.01미만 0.27 0.01미만 0.24 0.01미만 0.27 0.01미만
25 0.24 0.01미만 0.27 0.01미만 0.24 0.01미만 0.27 0.01미만
30 0.24 0.01미만 0.27 0.01미만 0.24 0.01미만 0.27 0.01미만
35 0.24 0.01미만 0.27 0.01미만 0.24 0.01미만 0.27 0.01미만
40 0.24 0.01미만 0.27 0.01미만 0.24 0.01미만 0.27 0.01미만
45 0.24 0.01미만 0.27 0.01미만 0.24 0.01미만 0.27 0.01미만
50 0.24 0.01미만 0.27 0.01미만 0.24 0.01미만 0.27 0.01미만
이를 통하여, 본 발명의 환원슬래그가 장기간의 사용에도 비소 및 카드뮴를 제거하는 효과가 유지되는 것을 알 수 있어, 현장 적용에 적합함을 알 수 있다.
이상의 여러 가지 테스트 결과를 통해서, 본 발명의 환원슬래그가 현재 많이 사용되고 있는 반응물질인 0가철을 대체할 수 있을 정도로 비소 및 카드뮴을 제거하는 능력이 뛰어나며, 비소와 카드뮴을 제거하는 지속력과 현장적용가능성도 높은 것을 확인 할 수 있었다.
이하, 본 발명의 반응벽체를 첨부한 도면을 통해 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 반응벽체를 나타내는 모식도이고, 도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 반응벽체를 나타내는 모식도이다. 도 9는 평지에 매설되는 반응벽체를 나타내고, 도 10은 경사진 지형에 매설되는 반응벽체를 나타낸다.
본 발명에 따른 반응벽체는 투수부(100), 관측부(200) 및 커버부(300)를 포함하여 구성된다.
투수부(100)는 땅속 묻히며, 지하수 흐름의 중간에 위치한다. 이 투수부(100)는 오염수가 들어가는 유입부(110)와, 오염수가 반응을 일으키는 반응물질(120), 및 반응물질(120)과 반응한 처리수가 배출되는 유출부(130)를 포함하여 이루어진다.
반응물질(120)은 환원슬래그를 사용하거나, 0가철과 철산화물 및 철수산화물 중에서 선택된 하나 이상을 사용할 수 있으며, 이들을 혼합하여 사용하여도 된다.
유입부(110)는 오염수가 투수부(100)의 내부로 들어오는 면이고, 유출부(130)은 오염수가 외부로 나가는 면이다. 유입부(110)와 유출부(130)의 재질은 반응물질의 특성에 따라서 선택하는 것이 바람직하다.
먼저, 반응물질(120)이 환원슬래그인 경우를 살펴보면, 환원슬래그 반응물질과 반응을 한 오염수의 pH가 10까지 상승하는 결과를 나타낸다. 따라서 환원슬래그와 반응하면서 상승된 pH를 낮출 수 있는 물질을 유출부(130)에 포함시켜, 유출되는 처리수의 pH를 낮추는 것이 바람직하다. pH를 저하시키는 물질로는 SiO2가 대표적이며, 이를 90%이상 함유하고 있는 모래는 저렴하면서 구입이 용이한 장점이 있다. 이 경우, 유입부(110)의 재질은 크게 중요하지 않으며, 투수성이 좋은 자갈 등을 이용할 수 있다.
다음으로, 반응물질(120)이 0가철, 철산화물 또는 철수산화물인 경우를 살펴보면, 이들 반응물질은 유입되는 오염수의 pH가 낮을수록 제거효율이 더 좋은 것으로 알려져 있다. 따라서 유입되는 오염수의 pH를 낮출 수 있는 물질을 유입부(110)에 포함시키는 것이 바람직하다. pH를 저하시키는 물질로는 SiO2가 대표적이며, 이를 90%이상 함유하고 있는 모래는 저렴하면서 구입이 용이한 장점이 있다. 이 경우, 유출부(130)의 재질은 크게 중요하지 않으며, 투수성이 좋은 자갈 등을 이용할 수 있다. 유입부(110)와 유출부(130)는 투수성이 좋은 망(140)으로 고정하여 형성될 수 있다.
관측부(200)는 투수부(100)의 위쪽부분을 개방하여, 반응물질(120)을 직접 관측할 수 있도록 제작한 부분이다. 종래에는 반응벽체를 땅속에 완전히 매립하기 때문에, 별도의 관측정을 설치하여 관측을 하여 관측효율이 매우 낮은 문제가 있었다. 또한 관측결과를 토대로 하여 반응물질의 교체시기를 판단하기 어려웠으며, 반응물질을 교체하는 작업도 매우 어려웠다. 본 발명의 반응벽체는 반응물질(120)을 포함하는 투수부(100)의 위쪽을 개방함으로써, 오염물질 제거의 효율성과 장치작동의 적절성을 쉽게 관측할 수 있으며, 반응물질의 수명을 예측하여 반응물질을 교체하는 것이 매우 편한 장점이 있다.
혐기성 환경에 있는 지하수는 일반적으로 3가 비소와 5가 비소가 공존하고 있으나, 투수부(100)의 위쪽을 개방하여 지하수가 산소가 접촉하면서 3가 비소가 자연적으로 제거에 유리한 5가 비소로 산화된다.
특히 0가철을 반응물질로 사용하는 경우, 환원제로 작용하는 0가철에 의한 환원분위기로 인하여 3가 비소가 늘어나는 문제가 있으나, 이 3가 비소가 공기 중의 산소와 접촉하여 0가철의 문제점을 해결할 수 있다.
커버부(300)는 개방된 공간인 관측부(200)에 외부물질이 침투하는 것을 차단하기 위한 부분이다. 본 실시예는 반응벽체의 지붕이 되는 덮개(310)와 옆면에 위치하는 차단벽(320)을 포함하는 구조이다. 덮개(310)는 원호형상 또는 평판형상 등 다양한 형상이 가능하며, 덮개(310)와 차단벽(320)의 사이에는 빈 공간을 두어 외부의 공기가 관측부(200)의 내부로 유입될 수 있도록 한다. 본 실시예에서는 대표적인 구조를 예시하였으나, 이에 한정되지 않고 다양한 구조의 차단시설을 설치할 수 있다. 또한 커버부(200)를 비닐하우스와 같은 구조로 제작하면, 겨울에 보온덮개 등을 이용하여 내부온도를 일정하게 유지할 수 있다. 이를 통하여 개방형 구조에서 문제가 될 수 있는 겨울철의 온도저하로 인한 오염물질 제거효율의 저하를 방지할 수 있다.
앞서 살펴본 것과 같이, 환원슬래그를 포함하는 반응물질은 비소와 카드뮴을 제거하는 효과가 뛰어나기 때문에, 폐광산 근처의 높은 오염도를 보이는 곳에서 사용될 수 있다. 이렇게 오염도가 높은 지역에서는 반응물질(120)의 수명이 짧기 때문에 지속적인 관측과 반응물질의 교환이 매우 중요한 문제가 된다. 따라서 투수부(100)의 위쪽을 개방하여 관측부(200)를 형성한 구조의 반응벽체를 구성함으로써, 반응물질의 관측과 교환의 편리성을 크게 향상시킬 수 있다.
이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예에 대해서 도시하고 설명하였다. 그러나 본 발명은 상술한 실시예에만 국한되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상을 벗어남이 없이 얼마든지 다양하게 변경 실시할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 권리범위는 특정 실시예에 한정되는 것이 아니라, 첨부된 특허청구범위에 의해 정해지는 것으로 해석되어야 할 것이다.
도 1은 pH 4인 인공 오염수에 포함된 비소 및 카드뮴의 제거속도를 반응물질별로 나타내는 그래프이다.
도 2는 pH 6인 인공 오염수에 포함된 비소 및 카드뮴의 제거속도를 반응물질별로 나타내는 그래프이다.
도 3은 pH 8인 인공 오염수에 포함된 비소 및 카드뮴의 제거속도를 반응물질별로 나타내는 그래프이다.
도 4는 0가철이 인공 오염수에 포함된 비소 및 카드뮴의 제거하는 속도를 오염수의 pH 별로 나타낸 그래프이다.
도 5은 산화슬래그가 인공 오염수에 포함된 비소 및 카드뮴의 제거하는 속도를 오염수의 pH 별로 나타낸 그래프이다.
도 6은 환원슬래그가 인공 오염수에 포함된 비소 및 카드뮴의 제거하는 속도를 오염수의 pH 별로 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명에 따른 환원슬래그의 효과를 확인하기 위한 연속테스트 장치를 나타내는 모식도이다.
도 8은 본 발명에 따른 환원슬래그의 효과를 확인하기 위한 모의현장적용테스트 장치를 나타내는 모식도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 반응벽체를 나타내는 모식도이다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 반응벽체를 나타내는 모식도이다.
< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >
100: 투수부 110: 유입부
120: 반응물질 130: 유출부
140: 망 200: 관측부
300: 커버부 310: 덮개
320: 차단벽

Claims (10)

  1. 지하에 매설되어 오염된 지하수를 정화하는 반응벽체에 사용되는 반응물질로서,
    전기로를 이용한 제강공정에서 발생하는 환원슬래그를 포함하는 것을 특징으로 하는 반응물질.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 환원슬래그가 MgO 및 CaO를 포함하는 것을 특징으로 하는 반응물질.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 MgO의 함유량이 10%이상인 것을 특징으로 하는 반응물질.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 환원슬래그에 포함된 MnO의 양이 1%미만인 것을 특징으로 하는 반응물질.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 환원슬래그의 입자크기가 5mesh 이하인 것을 특징으로 하는 반응물질.
  6. 지하에 매설되어 오염된 지하수를 정화하는 반응벽체로서,
    지하에 위치하며 지하수가 들어가는 유입부, 상기 유입부를 통하여 유입된 지하수와 반응하여 오염물질을 정화하는 반응물질, 및 상기 반응물질을 통과한 지하수가 나가는 유출부을 포함하는 투수부;
    상기 투수부의 상부가 개방된 형태의 관측부; 및
    상기 관측부에 외부물질이 침입하는 것을 차단하는 커버부를 포함하며,
    상기 반응물질이 환원슬래그를 포함하는 것을 특징으로 하는 반응벽체.
  7. 삭제
  8. 청구항 6에 있어서,
    상기 유출부가 pH를 저하시키는 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 반응벽체.
  9. 청구항 6에 있어서,
    상기 반응물질이 0가철, 철산화물 또는 철수산화물 중에서 선택된 적어도 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 반응벽체.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 유입부가 pH를 저하시키는 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 반응벽체.
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