KR101473314B1 - 토양 내 중금속 정화 방법 및 이를 이용하여 얻어진 자성분리입자를 이용한 수질정화방법 - Google Patents

토양 내 중금속 정화 방법 및 이를 이용하여 얻어진 자성분리입자를 이용한 수질정화방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 토양 내 중금속을 자성체를 이용해 중금속을 분리하는 단계, 및 상기 분리된 자성분리입자(Magnetically separated particles, MSP)를 수질정화에 재사용하는 단계를 포함하는 토양 내 중금속 정화 방법 및 이를 이용하여 얻어진 자성분리입자(MSP)를 이용한 수질정화방법을 제공한다.
개시된 방법에 따르면, 중금속 오염된 토양에서 자성체를 이용하여 토양 내 중금속 함유 광물입자를 분리하고, 분리된 자성분리입자(MSP)가 수질 내 중금속을 흡착하여 오염물질의 제거 효율을 높일 수 있다. 더불어 정화된 토양을 침식 혹은 퇴적지역에 보강을 위해 사용할 수 있고, 토양 정화 시 발생하는 중금속 부산물을 재사용할 수 있는 이점이 있다.

Description

토양 내 중금속 정화 방법 및 이를 이용하여 얻어진 자성분리입자를 이용한 수질정화방법{separation method of heavy metals in soil and waste water purification using magnetically separated particles acquired from the same}
본 발명은 중금속을 정화하는 방법에 관한 것으로, 더 상세하게는 자성체를 이용하여 중금속 오염토양을 정화하고, 이러한 토양정화과정에 의해 얻어지는 부산물인 자성분리입자(Magnetically separated particles, MSP)를 폐수의 중금속 정화에 재사용하는 수질정화 방법에 관한 것이다.
일반적으로 토양오염이란, 자연 상태의 토양이 가지고 있는 자정능력이 외부의 오염에 의해 상실되는 것으로, 토양이 오염되면 토양의 생산성 저하, 안전성 위협, 생태계 변화 등의 문제점이 야기될 수 있다.
또한, 이러한 토양오염은, 중금속, 산성비, 공장폐수의 유입, 유독한 산업폐기물의 매립, 농약의 대량 살포 등의 원인으로 발생한다.
특히, 중금속은 다른 물질에 비해 생물에 대한 자체 독성이 높고 인간 접촉 가능한 환경매체 내에서의 잔류기간이 길고, 소멸 되지않고 미나마타병, 이타이이타이병, 암 등을 유발할 수 있다. 따라서 종래, 인체에 유해한 중금속으로 인한 피해를 줄이기 위한 많은 연구가 진행되고 있다.
더 상세하게는, 현재 상용되는 중금속 오염 토양의 정화 방법은 일반적으로 산 침출과 같은 화학적 처리방법, 식물을 이용한 생물학적 처리방법, 열착탈 이나 용융법 같은 열을 이용한 처리방법, 동전기를 이용한 전기적 처리방법 및 고화제를 이용한 불용화 및 안정화 방법 등이 있다.
여기서, 식물을 이용한 생물학적 처리법은 물리, 화학적 처리법에 비해 처리속도가 느리고 기후나 토양의 특성에 영향을 받는 등의 단점이 있다.
또한, 열탈착법은 높은 온도에서 처리 효율이 높으나, 처리가능한 물질의 범위가 제한적이라는 단점이 있다.
아울러, 동전기 공법은 알칼리에 의한 침전현상과 운전비용의 경제성 문제 및 불규칙 지반지역 적용 시 효율성이 낮다는 단점이 있다.
더욱이, 고화제를 이용한 안정화공법은 화학반응에 따라 생성물질이 독성 물질로 변화될 수 있다는 가능성과 오염물질이 혼합되어 있는 경우 처리 시간과 비용이 증가 되는 등의 단점이 있다.
한편, 수질 오염이란, 생물체에게 해로운 영향을 미치도록 물의 물리 화학적 성질이 변화되는 것을 의미한다. 이러한 수질오염은, 생활하수, 공장폐수 등으로 인해 발생할 수 있으며, 부영양화로 인한 수중생태계 파괴나 중금속 축적에 의한 먹이 연쇄 교란 등으로 인해 인류에게 많은 문제점을 야기한다.
또한, 현재 상용되는 중금속 수질 정화법은 일반적으로 미생물을 이용한 방법, 식물을 이용하는 방법, 화학약품을 이용한 방법, 흡착제를 이용하는 방법 등이 있으며 보다 효율적인 수질 정화방법을 찾기 위한 연구가 진행되고 있다.
더 상세하게는, 먼저 미생물을 이용한 방법은, 처리 시간이 많이 소요되고 미생물이 하천에 방류되면 2차 오염을 야기할 수 있다.
또한, 식물을 이용한 방법은, 처리시간이 많이 소요되고 중금속을 제거하는 효율이 낮다.
아울러, 화학 약품을 이용한 방법은, 화학 약품의 가격이 비싸고, 처리과정 중 필요한 적정량을 산정하기 어렵다.
더욱이, 흡착제를 이용한 방법은 경제적이고, 무독성이면서, 강한 동역학 변수를 가진 흡착제가 요구되며 분말형태로 사용하기 때문에 사용 후 회수가 어렵다는 단점이 있다.
[선행기술문헌]
1.한국공개특허 10-2009-0033940 (공개일: 2009.04.07.)
2.한국공개특허 10-2012-0010459 (공개일: 2012.02.03.)
3.한국공개특허 10-2004-0106318 (공개일: 2004.12.17.)
4.한국등록특허 10-2010-0124143 (공개일: 2010.11.26.)
5.한국등록특허 10-2006-0103426 (출원일: 2006.10.24.)
6.한국등록특허 10-2009-0072866 (출원일: 2009.08.07.)
본 발명의 목적은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 오염된 토양의 중금속을 자성체를 이용해 분리하는 방법과, 이와 같이 하여 분리된 자성분리입자(Magnetically separated particle, MSP)를 회수하여 폐수의 중금속 정화에 재활용하는 방법을 제공하고자 하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 침식이나 이동에 의해 토양이 유실되는 지역에 중금속을 분리한 토양을 환원해서 지반을 보강하는 방법을 제공하고자 하는 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 자력을 이용한 중금속 분리방법, 자성분리입자(MSP)의 오염수 내 중금속 제거 방법은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 토양 내 중금속 정화 방법에 있어서, 중금속 오염된 오염지역을 선정하여 오염토양을 채취하는 단계, 자성체에 상기 오염토양으로부터 중금속을 부착시키는 것에 의해 상기 오염토양으로부터 자성분리입자(Magnetically separated particles, MSP)를 분리하여 상기 오염토양을 정화하는 단계 및 상기 정화하는 단계 후 상기 자성체에 부착되어 있는 상기 자성분리입자를 수집하는 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 토양 내 중금속 정화방법이 제공된다.
상기 오염토양을 채취하는 단계에서, 상기 오염토양은 하이드로탈사이트(Hydrotalcite)입자를 포함하는 화산회토양으로 구성될 수 있다.
상기 정화하는 단계에서, 상기 자성체를 이용하여 상기 하이드로탈사이트입자를 분리한다.
상기 정화하는 단계에서, 상기 자성체는 자력의 세기가 500~5000G범위의 것을 이용할 수 있다.
상기 정화하는 단계에서, 상기 정화된 상기오염토양을 상기 오염지역으로 환원하는 단계를 더 포함하여 구성될 수 있다.
상기 방법은, 상기 정화하는 단계 후 정화된 상기 오염토양을 침식이나 퇴적으로 인해 유실된 지역을 보강하는데 사용할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 오염된 토양으로부터 분리 자성분리입자(MSP)를 이용한 수질정화방법에 있어서, 상기 자성분리입자(MSP)를 수집하는 단계, 상기 자성분리입자(MSP)를 세척하는 단계 및 상기 자성분리입자(MSP)를 오염수에 공급하여, 오염수에 포함된 중금속을 흡착하는 단계를 포함하는 토양으로부터 분리된 중금속을 이용한 수질정화방법이 제공된다.
상기 수집하는 단계는, 상기 토양 내 중금속 정화 방법을 이용하여 얻어지는 하이드로탈사이트입자를 포함하는 자성분리입자를 수집하는 것을 특징으로 한다.
상기 세척하는 단계는, 상기 자성분리입자(MSP)를 물 또는 초음파로 세척하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 중금속을 분리하는 단계는, 상기 세척된 상기 자성분리입자를 오염수와 반응시키기 위해 상기 자성분리입자를 카트리지에 충전하여 오염수를 흘려주도록 구성되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 중금속을 분리하는 단계는, 상기 세척된 상기 자성분리 입자를 반응 중금속오염수가 저장되어 있는 저장부로 직접 도입하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 중금속을 함유한 토양 입자를 자력을 이용하여 분리하고, 분리한 토양 내의 자성분리입자(Magnetically separated particle, MSP)를 재활용해서 하·폐수 내 중금속을 정화할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 자성분리입자(MSP)는 물이나 초음파에 의해 세척함으로써 별도의 화학적인 처리 없이 오염수 정화에 사용할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 자성체를 이용하여 중금속이 분리된 정화 토양을 침식이나 퇴적으로 토양 유실이 문제가 되는 지역이나 모래사장에 토양 보강을 위해 사용할 수 있으므로 부수적인 효과를 기대할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 자성분리입자(MSP)의 토양에서의 분리 방법 및 폐수 내의 중금속 제거 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 자성체를 이용한 토양 내 중금속 정화 방법의 전체적인 구성을 나타내는 플로차트이다.
도 2는 도 1에 나타낸 본 발명의 실시예에 따른 토양 내 중금속 정화 방법 및 이를 이용하여 얻어진 자성분리입자를 이용한 수질정화방법을 설명하기 위한 플로차트이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 방법에 사용하기 위해 채취된 토양의 중금속의 함량을 표로 정리하여 나타내는 도면이다.
<참고>
a DRA: Dredged area, 준설토 구역
b독일의 연방환경청(the Fetheral Environment Agency, FEA)에서 토양이용 목적에 따라 제안된 토양오염기준, 각 오염물질의 독성평가자료와 독성물질 노출 시나리오에 따른 특성과 위해성을 토대로 마련됨
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 방법에 사용하기 위해 채취된 토양의 입도분포(%)를 표로 정리하여 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 방법에 의해 자력으로 분리된 자성분리입자와 나머지 잔류입자의 대자율(Unit. 10-6 m3/kg)을 표로 정리하여 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 방법에 의해 자성분리입자(MSP)의 분율별 주성분과 자력의 세기에 따른 중금속 농도 조성의 차이를 그래프로 정리하여 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 방법에 의해 상기 토양에서 자석의 세기 별로 분리해 낸 자성분리입자(MSP)의 중량과 중금속 함량(mg/kg)을 표로 정리하여 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 방법에 의해 자성 분리 방법을 통한 토양의 중량 및 중금속 감소율(Unit. %)이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 방법에 의해 채취한 토양과 자력선별 후의 분리된 자성분리분과 잔류분을 촬영한 사진이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 방법에 의해 자성분리입자(MSP)에서 용출된 중금속의 농도(μg/L)를 나타내는 도면이다.
도 11는 본 발명의 실시예에 따른 방법에 의해 자성분리입자(MSP)입자와 오염수를 반응시키는 장치를 촬영한 사진이다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 방법에 의해 자성분리입자(MSP)입자를 이용한 폐수 중 중금속 제거처리 전과 후의 중금속 농도(μg/L)를 나타내는 도면이다.
도 13는 본 발명의 실시예에 따른 방법에 의해 자성분리입자(MSP)의 중금속 평균 제거율(Unit. %)을 표시하는 도면이다.
도 14는 본 발명의 실시예에 따른 방법에 의해 자성분리입자(MSP)와 오염수의 접촉 시간에 따른 오염수 내 중금속 농도(μg/L)변화를 표시하는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 하·폐수 내의 중금속 제거 방법을 상세히 설명한다.
여기서, 첨부된 도면은 본 발명의 실시예에 따른 내용을 보다 쉽게 제시하기 위하여 설명되는 것일 뿐, 본 발명의 실시예에 따른 범위가 첨부된 도면의 범위로 한정되는 것이 아님은 이 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 용이하게 알 수 있을 것이다.
또한, 본 발명의 실시예를 설명함에 있어서, 동일 기능을 갖는 구성요소에 대해서는 동일 명칭 및 동일부호를 사용할 뿐 실질적으론 종래 토양 내 중금속 정화 방법 및 중금속을 이용한 수질정화방법과 완전히 동일하지 않음을 미리 밝힌다.
또한, 본 발명의 실시예에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
또한, 본 발명의 실시예에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
도면에서 각층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었다. 또한 각 구성요소의 크기는 실제크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다.
먼저 본 발명의 실시예에 따른 토양 내 중금속 정화 방법 및 이를 이용하여 얻어진 자성분리입자(Magnetically separated particles, MSP)를 이용한 수질정화방법에 대한 원리는 다음과 같다.
현재 중금속 오염을 해결하기 위해 많은 유, 무기 자연 물질들에 대한 흡착효과가 연구되고 있다. 본 발명은 무독성이면서도 강한 흡착 능력이 있고, 인위적으로 제조한 것이 아니라 자연 상에 존재하며 경제적인 금속 흡착제를 자성체를 이용하여 분리하는 것으로 토양 내 중금속을 정화하고, 토양에서 분리된 후 수집된 입자를 이용해 폐수 내 중금속을 정화를 위해 재사용하는 방법에 관한 것이다.
더 상세하게는, 예를 들면, 화산암은 폐수에서 중금속 성분을 흡착하는 재료로 이용되기도 하며, 즉, 화산활동이 발생했던 지형은 화산암의 작은 알갱이인 화산회토양이 다량 분포하고 있는데, 이러한 화산회토양은 타 광물에 비해 음이온 흡착능력이 강해 토양에서 존재 시 중금속이 다량 함유된 상태인 검은색 토양입자로 존재하며 토양오염을 일으킨다.
한편, 중금속이 다량 함유된 화산회토양 내에는 하이드로탈사이트(Hydrotalcite)라는 광물이 상당량 포함되어 있고 상기 하이드로탈사이트는 Mg, Al, Si등을 주성분으로 하는 화합물이며 흡착력이 매우 강하여 중금속을 흡착하는 능력이 뛰어나다.
즉, 일반적으로, 하이드로탈사이트에 의해 화산회토양 내 중금속 농도가 높은 것으로 나타난다.
또한, 중금속 농도가 높은 하이드로탈사이트입자는 상자성을 띠며 이러한 자력에 민감한 성질을 이용하여 자성체를 이용해서 토양으로부터 분리가 용이하다.
본 발명에서는, 이와 같이 하이드로탈사이트입자가 다량 함유된 광물입자를 통칭하여 자성분리입자(Magnetically separated particles, MSP)라 하며, 후술하는 바와 같이 하여 복합물 입자인 하이드로탈사이트입자를 폐수 내 중금속 정화를 위해 재사용한다.
또한, 자성체를 이용해 토양으로부터 분리 후 회수한 자성분리입자(MSP)의 수질 내 중금속 흡착반응은 이온조성변화와 양이온 교환 방식을 통해 이루어지며, 수질 내에서 중금속을 용출하지 않고 흡착하는 능력이 커서 수질 내 중금속을 정화하는데 재사용할 수 있는 흡착제이다.
계속해서, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 토양 내 중금속을 정화하는방법의 상세한 내용에 대하여 설명한다.
먼저 도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따라 토양 내 중금속을 자성체를 이용해 분리하고, 분리된 중금속을 수집하는 과정을 설명하는 토양 내 중금속을 정화하는 방법의 플로차트이다.
여기서, 본 발명에서 정화 처리 대상이 되는 토양이란, 호소, 육상, 하천, 해양퇴적물, 해빈, 준설토, 등의 미세토양을 포괄하는 의미임은 자명한 것이다.
도 1에서 나타난 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 토양 내 중금속을 정화하는 방법은 먼저, 토양을 채취한 후 건조한다.
다음, 상기 토양 내 중금속을 자력의 세기가 500~5000G 범위의 자성체를 이용해 분리한다.
여기서 상기한 분리단계에서, 반자성을 가진 중금속이 제거된 정화 토양을 분리할 때는 자성분리입자(MSP)가 자성체에 붙어 있기 때문에 정화된 토양과 분리가 용이하며 이때, 자성체를 이용하여 중금속입자를 분리하는 방법의 원리는 다음과 같다.
대자율(Magnetic susceptibility)이란 물질이 자화되는 비율로 자화율이라고도 한다. 대자율은 토양 및 암석을 구성하고 있는 광물의 자기적 특성에 따라 결정되는데, 광물의 자기적 특성은 원자핵을 돌고 있는 전자들의 스핀방향에 따른 자기 모멘트의 차이에 따라 나타나며, 자기적 특성에 따라 반자성, 상자성, 반강자성, 페리자성, 초상자성으로 구분된다. 보통 닫힌 껍질을 갖는 원자는 순 자기 모멘트를 갖지 않기 때문에 대부분 반자성이며 자성을 띠지 않는다. 철이나 금속이온들은 내부껍질에 큰 자기모멘트를 가지고 있으므로 이 원소의 화합물들은 강한 상자성을 띠게 된다.
즉, 본 발명은, 광물의 자기적 특성을 이용하여 자성을 띤 분리한 입자(MSP)와 나머지 광물 입자(Rest, R)를 분리하며, 이러한 중금속의 분리는, 토양의 입자의 크기가 작을수록, 자성체의 자력이 높을수록 분리가 용이하다.
또한, 본 발명의 실시예에 있어서, 토양 내 중금속 입자들의 각각의 자화율이 다르기 때문에 상기 자성체는 500~5000G의 자력 범위의 자성체를 이용한다.
여기서, 자성체를 이용해 중금속을 분리하는 단계는 다양한 형태의 자성체를 선택적으로 적용 가능하므로, 자성체의 종류에 관한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
아울러, 본 발명은, 상기한 바와 같이하여 정화된 토양을 채취했던 원래의 지역으로 환원시키는 단계를 더 포함하여 구성될 수 있다.
더욱이, 본 발명은 상기한 바와 같은 과정을 통하여 정화된 토양을, 침식이나 퇴적으로 토양이 유실되고 있는 다른 지역으로 환원하여 유실된 토양을 보강하는 단계를 더 포함하여 구성될 수 있다.
또한, 본 발명은, 상기의 방법에 의해서 자성체를 이용해 중금속을 분리하는 단계에서 분리된 자성분리입자(MSP)를 활용하여 수질을 정화하는데 사용하도록 구성될 수 있다.
즉, 본 발명은, 상기한 바와 같이 자력에 의해 분리된 토양 내 중금속인 자성분리입자(MSP)를 이용하여 수질정화에 이용하기 위해 수집하는 단계를 더 포함하여 구성될 수 있다.
계속해서 상기한 바와 같이 토양 내 중금속 정화 방법 및 이를 이용하여 얻어진 자성분리입자를 이용한 수질정화방법을 설명한다.
도 2를 참조하면, 도 2는 토양으로부터 분리된 자성분리입자(MSP)를 이용한 수질 정화 방법에 대한 플로차트이다.
도 2에서 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 자성분리입자를 이용한 수질정화방법은 먼저, 상기한 바와 같이하여, 토양 내 중금속 정화방법을 실시한 후 자성체에 붙어 있는 자성분리입자(MSP)를 수집한다.
다음으로, 수집된 자성분리입자를 물이나 초음파로 세척한다. 여기서, 세척단계는 자성분리입자(MSP)에 존재하는 중금속 원소들이 오염수 내에서 용출이 발생 되지 않도록 하기 위한 것이다.
더 상세하게는, 자성분리입자(MSP)로부터 물이나 초음파에 의한 세척으로 인해 중금속의 용출이 미리 정해진 허용기준치 이상 발생하지 않아야 중금속 함유 폐수 정화 처리제로서 재이용이 가능하다.
다음으로, 세척된 자성분리입자(MSP)를 카트리지(cartridge)에 충진하고, 카트리지에 오염수를 흘려 자성분리입자(MSP)와 중금속으로 오염된 물을 반응시키는 것에 의해 오염수 내의 중금속을 흡착하여 수질을 정화한다.
여기서, 상기한 본 발명의 실시예에서는, 오염수와 상기 자성분리입자(MSP)를 반응시키기 위해 카트리지에 충진하는 방법을 예로 하여 본 발명을 설명하였으나, 본 발명은 이러한 예로만 한정되는 것은 아니며, 즉 본 발명은, 상기한 구성 이외에도 필요에 따라 다양한 방법으로 상기 자성분리입자(MSP)와 오염수를 반응시킬 수 있다.
즉, 본 발명은, 카트리지를 통해 오염수를 흘려주는 방식을 이용하므로, 별도의 구성이 없이도 자성분리입자(MSP)에 중금속이 흡착되고 흡착과정이 끝난 정화된 물이 배출된다.
여기서, 상기 중금속(MSP)이 폐수 내에 중금속을 흡착하는 과정의 원리는 다음과 같다.
자연 물질인 하이드로탈사이트(Hydrotalcite)는 흡착력이 매우 강하며 금속이나 이산화탄소를 흡착하기 위해 인위적으로도 제조하여 사용되는 물질이다. 하이드로탈사이트는 Mg, Al, Si등을 주성분으로 하는 화합물이며, 고체상의 산 또는 염기의 성격을 띠며, 다공질의 구조로 큰 표면적을 가지고 있어서 각종 산이나 알칼리의 흡착능력과 탈색능력이 뛰어나다고 알려져 있다. 토양 내 존재하는 하이드로탈사이트입자는 자력에 민감하게 반응하는 상자성입자이며, 본 발명은 이 상자성의 특징을 이용하여 자성체를 이용해 토양으로부터 상기 하이드로탈사이트입자를 분리한다. 상기 하이드로탈사이트입자가 오염수에 존재하는 기타 중금속의 이온 조성을 변화시키고 양이온을 교환하는 반응을 통해 다른 중금속을 강하게 흡착한다. 또한, 강한 흡착 능력으로 인해 수질 내에서도 중금속의 용출이 적어 중금속 함유 폐수정화처리제로 재이용이 가능하다.
또한, 하이드로탈사이트입자는 Mg, Al, Si를 포함하는 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하며 단지 한가지의 형태로 존재하는 것이 아니라 다양한 형태일 수 있다.
또한, 자성분리입자와 오염수와의 반응 비율과 반응 시간은 필요에 따라 적절히 조절할 수 있다. 상기한 바와 같이 하여, 본 발명에 따른 토양 내 중금속 정화 방법 및 이를 이용하여 얻어진 자성분리입자를 이용한 수질정화방법을 구현할 수 있다.
계속해서 본 발명에 따른 토양 내 중금속 정화 방법 및 이를 이용하여 얻어진 자성분리입자를 이용한 수질정화방법을 실제 실험을 통해 검증한 내용에 대해 설명한다.
<실시예 1>
도 3을 참조하면, 도 3은 토양 내 중금속 정화 방법에 사용될 화순해수욕장의 토양의 중금속 함량을 측정하여 표시한 도면이다.
토양 채취를 위해 먼저, 해수면과 가장 가까운 지점을 1번 지점으로 하여 그로부터 3m 간격으로 10번 정점까지 10개 정점에서 토양을 채취하였으며 St.1~10으로 명명하였다.
또한, 화순 해수욕장의 퇴적물 준설토 적체지 2군데에서 토양을 채취하였다. 도 3에 나타난 바와 같이, 채취한 토양의 중금속 함량을 분석 결과는 제안된 토양오염기준을 초과하였으며, 중금속 오염된 토양임이 확인되었다.
또한, 채취한 토양의 중금속 함량을 측정하기 위해서 유도결합 플라즈마 질량분석법(ICP-MS, Thermo X series)으로 토양 내 중금속(Cr, Ni, Cu, Zn, As, Cd, Pb)의 질량을 측정하였다.
도 4를 참조하면, 도 4는 토양의 입도 분포이다.
여기서, 자성체를 이용해 토양 내 중금속을 분리하기 위한 방법을 구현하기 위해서 토양의 입도 분포(%)를 조사하였다.
자성체를 이용해 토양에서 중금속을 분리할 때, 토양입자의 크기가 자력의 세기에 영향을 주기 때문에, 채취한 토양 입자의 크기와 분포비율(%)에 대해 분석하였다.
도 4에 나타난 바와 같이, 채취한 토양 입자의 크기는 > 1500, > 750, > 375, > 187.5, > 93.8μm이고 각각2.01, 20.46, 63.11, 13.7, 0.73 % 로 구성되어 있다. 즉, 375-50μm크기가 63%이고 750-1500μm사이의 입자가 20%를 차지하고 있다.
다음, 토양을 구성하는 광물과 중금속 성분이 자화되는 특징을 파악하기 위해서 각 분율별로 대자율을 측정하였다.
다음, 도 5를 참조하면, 도 5는 자성분리입자(MSP)와 나머지 잔류입자(Rest, R)의 대자율(Unit. 10-6 m3/kg)을 비교하여 나타낸 표이다.
도 5에 나타난 바와 같이 잔류입자(R)가 자성체의 자력에 영향을 받지 않아 토양에서 중금속을 분리하기 용이한 것으로 나타났다.
다음, 도 6을 참조하면, 도 6은 토양에서 자력에 의해 분리된 입자(MSP)의 원소 및 광물의 조성과 주성분 분석을 위하여 X선 형광분석(XRF) 및 X선 회절분석(XRD)결과를 표시한다.
도 6에 나타난 바와 같이 자력의 세기별로 분리된 입자의 구성이 다르다.
다음, 도 7을 참조하면 도 7은, 자력의 세기가 다른 자성체를 이용해 토양에서 분리한 자성분리입자(MSP)과 반자성 광물(R)의 함량(mg/kg)을 나타낸다.
각 자석 세기 별로 분리된 자성분리입자(MSP)의 중량의 차이는 1000G로 분리한 자성분리입자(MSP)가 35%, 2200G로 분리한 자성분리입자(MSP)가 59% 로 크기가 센 자석에 의해 분리된 자성분리입자(MSP)의 양이 많다.
또한, 도 8에서 나타난 바와 같이 토양 내 존재하는 금속입자들이 자화되는 과정에서 자력의 세기에 따라 분리된 자성분리입자(MSP)의 농도가 금속에 따라 다르며, Fe, Cr, Zn, Ni, As, Pb는 1000 G보다 2200 G로 분리한 자성분리입자(MSP)의 농도가 낮게 나타났으며, Cu, Cd의 경우는1000G보다 2200G로 분리한 자성분리입자(MSP)의 농도(Unit. %)가 높게 나타났다.
도 7을 참조하여 토양에서 자성분리입자(MSP)를 분리하는 최적의 자력범위를 알 수 있다.
따라서 상기한 바와 같이, 실시예 1의 결과에 따르면 자력의 세기가 큼에 따라 분리되는 퇴적물의 중량이 많았고, 제거 후 남는 퇴적물의 비율이 40.5% 즉 제거되는 비율이 59.5%이다.
도 9의 사진을 참조하면, 자성체를 이용하여 토양 내 중금속을 효과적으로 분리할 수 있음을 알 수 있다.
따라서 상기한 바와 같이 자성체를 이용해 토양 내 중금속을 제거하는 방법이 오염토양 내 중금속을 효과적으로 분리할 수 있음을 알 수 있다.
<실시예 2>
본 발명의, 토양으로부터 분리된 자성분리입자(MSP)를 이용한 수질정화방법의 실제 실험을 통한 검증 방법에 대해 설명한다.
도 10을 참조하면, 도 10은 수질 내에서 자성분리입자(MSP) 내 중금속 용출농도(μg/L)를 그래프로 표시한다.
여기서, 실험은 자성분리입자(MSP) 5 g에 10 ml 초순수(mili-Q water)를 첨가하여 초음파를 20 분간 조사하고 그 후 1시간 동안 교반 시킨 후, 원심 분리하여 용출수를 분취하여 금속 함량을 측정하였으며, 초 순수 첨가 후 교반을 8회 반복하여 분석하였다.
도 10에서 나타난 결과에 따르면, 8회 세척 후 자성분리입자(MSP)에서 용출되는 중금속의 농도는 국내 음용수기준과 오염물질 배출 허용기준을 넘지 않는 수준으로, 환경으로 배출하여도 안전하므로 자성분리입자(MSP)를 중금속 오염수 정화제로 사용하기 위한 전처리가 초음파 및 물 세척만으로도 가능하고 폐수 정화를 위해 수질 내에 도입 시 중금속용출이 적어 중금속 함유 폐수정화에 재이용 가능한 입자임을 증명하였다.
본 발명의 토양 내 중금속 정화 부산물인 자성분리입자(MSP)를 이용한 수질정화방법 방법을 구현하기 위해서, 중금속 함유 폐수로는 안산 하수처리장의 처리 전 폐수를 선정하였다.
도 11을 참조하면 도 11은 자성분리입자(MSP)와 오염수와의 반응장치를 촬영한 사진이다. 여기서, 자성분리입자(MSP) 5g을 증류수로 수회 세척 후 미리 산 세척된 관형의 플라스틱 카트리지(cartridge)에 채운 후 20ml/h의 속도로 10ml의 폐수를 충분한 시간 반응시키고, 카트리지를 통과시키기 전 폐수와 통과시킨 후의 용출액의 중금속 농도를 분석하였다.
도 12를 참조하면 도 12는, 토양 내 중금속 정화 방법 및 이를 이용하여 얻어진 자성분리입자를 이용한 수질정화방법에서 사용된 안산 하수처리장의 폐수의 실험 전과 후의 중금속 농도(μg/L)를 표시한다.
도 12에 나타난 결과는, 자성분리입자(MSP)를 50ml 원심 분리관에 폐수와 함께 담고 충분한 시간 동안 평행 교반 하면서 1시간에 한번 씩 폐수를 분취하여 폐수 중 중금속의 농도를 측정한 것이다.
다음, 토양 내 중금속 정화 부산물인 자성분리입자(MSP)를 이용한 수질정화 실험을 실시한 결과는 도 13에서 나타난 바와 같다.
도 13을 참조하면, 도 13은 오염수 내 중금속을 흡착하는 반응에서 자성분리입자(MSP)의 평균 중금속 제거율(Unit. %)이다.
도 13에 나타난 결과에 따르면, 자성분리입자(MSP)가 오염수 내 중금속을 흡착하는 능력이 뛰어나서 수질정화에 적합한 흡착제임을 알 수 있다.
다음, 도 14를 참조하면, 도 14는 자성분리입자(MSP)와 오염수의 접촉 시간에 따른 오염수 내 중금속 농도(μg/L)의 변화를 보여주며, 접촉 1시간 때가 폐수 내 중금속 감소량이 가장 높은 것으로 나타났다.
상기와 같이 자성분리입자(MSP)를 이용한 수질정화방법은 폐수 내 중금속을 정화하는데 유효하게 사용 가능함을 알 수 있다.
또한, 자성체의 자력을 이용해 토양에서 중금속을 분리하기 때문에 별도의 처리시설이 필요하지 않고, 분리된 자성분리입자(MSP)는 별도의 물리 화학적 처리 없이 물이나 초음파로 세척하여 바로 수질정화 목적에 재사용할 수 있어 유망한 방법이다.
특히, 공공하수처리장에서 처리 후 공공수역으로 방류하는 폐수에는 실제 중금속이 포함되어 있음에도 수질기준에는 중금속 함량이 포함되어 있지 않아 중금속 처리과정을 거치지 않고 있는데, 본 발명은 이와 같이 공공하수처리장에서 처리 후 공공수역으로 방류되는 방류수에 효과적으로 적용이 가능하여 방류수 내 중금속을 용이하게 제거하고 공공 수역으로의 중금속 유입량을 감소시켜 국민보건복지를 향상시키는데 기여할 수 있다.
또한, 정화된 토양은 퇴적이나 침식으로 인해 토양이 유실된 지역의 토양 복원에 사용할 수 있다는 부수적인 장점 또한 존재한다.
이상, 상기한 바와 같은 본 발명의 실시예들을 통하여 본 발명을 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예들에 기재된 내용으로만 한정되는 것은 아니며, 본 발명은 상기한 실시예들에 기재된 내용 이외에 필요에 따라 다양하게 수정이나 변경 등이 가능한 것이다.

Claims (11)

  1. 중금속으로 오염된 오염지역을 선정하여 화산회토를 포함한 오염퇴적물인 오염토양을 채취하는 단계;
    상기 채취하는 단계 후, 상기 오염토양에 포함된 중금속을 자성체에 부착시키는 것에 의해 상기 오염토양으로부터 하이드로탈사이트(Hydrotalcite)입자를 포함하는 자성분리입자(Magnetically separated particles, MSP)를 분리하여 상기 오염토양을 정화하는 단계;
    상기 정화하는 단계 후, 상기 자성체에 부착되어 있는 상기 자성분리입자를 수집하는 단계;
    상기 수집하는 단계 후, 상기 자성분리입자를 물 또는 초음파로 세척하는 단계; 및
    상기 세척하는 단계 후, 상기 자성분리입자를 오염수에 공급하여 오염수에 포함된 중금속을 흡착하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 토양으로부터 분리된 자성분리입자(MSP)를 이용한 수질정화방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 정화하는 단계에서,
    상기 자성체는 자력의 세기가 500~5000G범위의 것을 이용하는 것을 특징으로 하는 토양으로부터 분리된 자성분리입자(MSP)를 이용한 수질정화방법.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 정화하는 단계에서는 상기 자성체를 이용하여 상기 오염토양으로부터 하이드로탈사이트입자를 분리하여 정화된 오염토양을 상기 오염지역으로 환원하는 것을 특징으로 하는 토양으로부터 분리된 자성분리입자(MSP)를 이용한 수질정화방법.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 정화하는 단계 후, 정화된 상기 오염토양으로 침식이나 퇴적으로 인해 유실된 지역을 보강하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 토양으로부터 분리된 자성분리입자(MSP)를 이용한 수질정화방법.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 흡착하는 단계는,
    상기 세척하는 단계에서 세척된 입자를 오염수와 반응시키기 위해 상기 자성분리입자를 카트리지에 충전하여 오염수를 흘려주도록 구성되는 것을 특징으로 하는 토양으로부터 분리된 자성분리입자(MSP)를 이용한 수질정화방법.
  11. 제 1항에 있어서,
    상기 흡착하는 단계는,
    상기 세척하는 단계에서 세척된 입자를 오염수와 반응시키기 위해 반응 중금속오염수가 저장되어 있는 저장부로 상기 자성분리입자를 직접 도입하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 토양으로부터 분리된 자성분리입자(MSP)를 이용한 수질정화방법.
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