KR102382286B1

KR102382286B1 - 수은과 비소 오염토양 안정화 방법

Info

Publication number: KR102382286B1
Application number: KR1020190154741A
Authority: KR
Inventors: 문덕현; 박정훈; 이진수; 지원현; 고주인
Original assignee: 한국광해광업공단
Priority date: 2019-11-27
Filing date: 2019-11-27
Publication date: 2022-04-04
Also published as: KR20210065693A

Abstract

본 발명은 수은과 비소 오염토양 안정화 방법에 관한 것으로, 토양에 포함된 수은과 비소를 토양 속에서 안정화(고정)하여 용출을 억제하고 간단한 방법을 이용하여 수은과 비소를 함께 안정화하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 의한 수은과 비소 오염토양 안정화 방법은, 각각 분말로 분쇄된 후 정제형태로 성형되어 사용되며, 오염토양 100중량부에 대하여 0.1mm ~ 2.0mm 입도의 폐화석비료 1~2중량부와 0.1mm ~ 2.0mm 입도의 제강슬래그 3~5중량부 및 0.1mm ~ 2.0mm 입도의 칼슘유황비료 3~5중량부의 혼합으로 이루어지는 주재료; 및 바인더로 당밀의 혼합으로 이루어지는 안정화제를 오염토양에 혼합하고 상기 안정화제와 오염토양이 혼합된 상태에서 함수율을 20~45%로 조정하여 수은과 비소의 용출을 억제하면서 오염토양을 안정화한다.

Description

수은과 비소 오염토양 안정화 방법{MERCURY AND ARSENIC CONTAMINATED SOIL STABILIZING METHOD}

본 발명은 오염토양 안정화에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 수은과 비소의 용출을 억제하여 오염토양을 안정화하는 수은과 비소 오염토양 안정화 방법에 관한 것이다.

이 부분은 본 출원 내용과 관련된 배경 정보를 제공할 뿐 반드시 선행기술이 되는 것은 아니다.

생명체의 건강과 관련된 오염원으로 수은과 비소가 있다.

수은과 비소로 오염된 토양은 폐광산 주변, 산업단지 주변 등에서 보고되고 있으며 다양한 지질환경 내에서 발생하는 것으로 알려져 있다.

수은의 분산 및 독성에 대한 인식이 빈약한 상태에서 개발위주로 진행된 다양한 산업활동의 결과, 여러 가지 수은이 먹이사슬을 통하여 생물권을 오염시켰으며, 이는 궁극적으로 인간의 건강과 생명에 위협을 가하고 있다. 수은은 다양한 이동매체를 통해 지질학적 매질에 축적되어 영양분 결핍, 생태계 파괴, 지하수 오염, 생물학적 다양성 감소 등의 피해를 야기하며 최종적으로 동식물의 성장과 인간의 건강에 악영향을 미친다.

특히, 수은 오염은 면역계, 유전자, 신경계에 대한 극심한 독성 때문에 이슈가 되어 왔다. 이와 같이 수은은 맹독성 오염물질이지만 불행하게도 우리 주변 환경 속에 많이 존재한다. 주변 환경 속에 존재하는 수은은 먹이 사슬을 통해 축적된다. 먹이사슬의 상층에 위치할수록 축적도가 상승하기 때문에 음식물 섭취를 통해 인간에게 축적되는 오염물질의 수준도 높아진다. 수은은 여러 가지 경로를 통해 물에 잘 용해되는 이온형태로 전환되고 여러 음식물에 축적된다. 따라서 이들을 먹는 인간에게도 당연히 수은의 축적이 일어난다. 따라서 이러한 수은 오염 물질 내의 수은 고정화를 위한 기술의 개발에 관심이 모아지고 있다.

수은 처리 방법으로 원위치 고정화 처리 방법이 경제적이고 효율적인 대안으로 인식되고 있다. 이 기술은 처리 후 배출된 독성 물질의 재처리과정 없이 안정적으로 장기간에 걸쳐 지질매체 내에 독성물질을 포획할 수 있다.

또한, 비소는 암을 유발할 뿐만 아니라 각화증, 과색소 등 피부염을 일으키고 혈관연축, 폐질환 등의 원인이 되는 것으로 알려져 있으며, 비소로 인한 토양오염은 비소광산, 비산염 제조공장, 농약 등 산업 활동에 의해 발생하거나 자연적으로 발생한다.

비소로 오염된 토양을 통해 동식물들이 이상세포발생 흡수기능저하 등의 피해를 입고 인간에게 만성 노출 시 생명에 치명적인 영향을 미치는 것으로 알려져 있다.

비소는 음이온적 거동을 하고 있으며 2가 중금속과 반대로 산화환원조건에서도 용출특성을 가지고 있기 때문에 다양한 중금속이 혼합된 물질인 경우 처리가 매우 어려워 비소오염토양의 정화 기술이 절실히 요구되고 있다.

현재 비소오염토양의 처리방법은 토양세척법, 토양세정법 등이 주로 사용되고 있으나, 이러한 방법들에 의한 처리 시 첨가되는 약품의 소모가 과도하며, 세척폐액 내에 다량의 비소가 존재하여 2차 처리에 많은 비용이 소모된다. 한편, 고형화/안정화 방법은 안정화제를 이용하여 오염토양의 물리,화학적 특성을 변화시켜 오염물질의 이동특성을 감소시키고 독성을 나타내지 않도록 안정화시키는 것으로 2차 처리의 단점을 해결할 수 있는 이점이 있다.

종래 수은과 비소 각각에 대한 안정화 기술들이 있지만 이들을 함께 처리하는 기술이 없어 사용이 매우 번거롭고 결국 수은과 비소 모두를 간단한 방법으로 안정화할 수 있는 대책이 필요하다.

등록특허 제10-1026753호 공개특허 제10-2014-0116597호

본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 토양에 포함된 수은과 비소를 토양 속에서 안정화(고정)하여 용출을 억제하고 간단한 방법을 이용하여 수은과 비소를 함께 안정화하는 수은과 비소 오염토양 안정화 방법을 제공하려는데 그 목적이 있다.

본 발명에 의한 수은과 비소 오염토양 안정화제는, 폐화석비료와 제강슬래그 중 하나 이상 및 칼슘유황비료의 혼합으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 폐화석비료와 제강슬래그 중 하나 이상 및 칼슘유황비료를 주재료로 하면서 바인더를 혼합한 후 정제 형태로 성형되어 사용되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 수은과 비소 오염토양 안정화 방법에 의하면, 폐화석비료와 제강슬래그 및 칼슘유황비료를 이용하여 토양의 수은과 비소를 토양 속에 고정하여 강우 시 및 강산성 조건에도 용출을 억제함으로써 이들 중금속의 용출로 인한 환경오염과 생태계 파쇄를 방지하는 효과가 있고, 이들 재료를 혼합한 단일종의 성형물을 오염토양에 혼합하는 방법만을 통해 수은과 비소를 안정화하므로 안정화 작업이 매우 용이하며 결국 친환경적인 안정화제의 용이한 사용을 통해 보급의 활성화를 기대할 수 있고 오염토양의 안정화에 큰 도움을 주는 효과가 있다.

도 1 내지 도 4는 각각 본 발명에 의한 시료의 실험 결과를 보인 그래프로서,
도 1과 도 2는 시료별 비소의 농도 변화를 보인 그래프이고,
도 3과 도 4는 시료별 수은의 농도 변화를 보인 그래프이다.

하기에서 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

본 발명에 의한 수은과 비소 오염토양 안정화제는, 비소의 안정화를 위한 폐화석비료와 제강슬래그 중 하나 이상, 수은의 안정화를 위한 칼슘유황비료의 혼합으로 이루어진다.

폐화석비료는 예를 들어 굴껍질을 세척, 분쇄한 석회질로서 다량의 칼슘을 함유하고 있다.

시중에서 구매할 수 있는 폐화석비료는 알갱이 형태로서 알갱이 형태로 사용될 경우 비소의 안정화 효율이 매우 낮아 분말 상태로 분쇄하는 공정이 필요하고, 최적의 입도는 0.1mm ~ 2.0mm 이다.

제강슬래그(steel making slag)는 전로에서 선철이나 고철을 강으로 제조하는 제강 공정 중에 발생하는 슬래그로 Fe₂O₃, CaO를 다량 함유하고 있어 비소를 안정화하며, 0.1mm ~ 2.0mm 입도의 분말이 사용된다.

제강슬래그는 비소 용출을 억제하면서도 pH의 큰 변화를 초래하지 않는다.

칼슘유황비료는 칼슘과 유황을 함유하고 있어 비소와 수은을 함께 안정화하며 또한, 칼슘을 통해 오염토양의 안정화 후 야채 등을 재배할 때 작물의 성장에 도움을 주는 것도 가능하고, 0.1mm ~ 2.0mm 입도의 분말이 사용된다.

칼슘유황비료는 물에 빨리 녹는 특징도 있으며, 본 발명의 오염토양 안정화제를 물과 혼합하여 사용할 때 빠른 흡수를 통해 빠른 시간 내에 오염토양의 안정화가 가능하다.

제강슬래그와 칼슘유황비료의 입도는 폐화석비료의 입도와 동일한 이유이다.

한편, 본 발명은 폐화석비료와 제강슬래그 및 칼슘유황비료를 함께 사용할 때, 이들 재료들이 오염토양에 대해 균일한 분포로 혼합되도록 최적의 상태로 제조되며, 그 제조 방법은 다음과 같다.

1. 재료 준비.

각각 전술한 입도로 분쇄된 폐화석비료와 제강슬래그 및 칼슘유황비료를 주재료 준비한다.

이들 재료들을 이용하여 정제형태의 안정화제를 성형하기 위하여 바인더를 함께 사용한다.

상기 바인더는 바람직하게 당밀이다.

당밀은 수분과 당분 등을 조성으로 하며 폐화석비료와 제강슬래그 및 칼슘유황비료의 응집을 유도하여 바인딩하며, 폐화석비료와 제강슬래그 및 칼슘유황비료 전체 100중량부에 대하여 20~45중량부가 혼합된다.

2. 성형.

재료들의 혼합물을 정제 장치에 투입하여 정제 형태로 성형한다.

성형된 수은과 비소 오염토양 안정화제는 직경이 3~10mm, 두께가 3~6mm이다.

이와 같이 제조된 정제 형태의 안정화제는 오염토양에 혼합되어 사용되며, 오염토양 100중량부에 대하여 5~15중량부, 바람직하게는 7~12중량부를 혼합하여 사용한다. 폐화석비료와 제강슬래그 및 칼슘유황비료는 상기 혼합비율의 범위 안에서 자유롭게 조정 가능하며, 바람직하게 오염토양 100중량부에 대하여 폐화석비료 1~2중량부와 제강슬래그 3~5중량부 및 칼슘유황비료 3~5중량부이다.

또한, 본 발명의 안정화제는 건조 상태에서는 반응이 이루어지지 않으며, 오염토양과 혼합된 상태를 기준으로 할 때 20~45%의 함수율 상태에서 안정화 반응을 일으키고, 따라서, 오염토양의 자체 함수율에 따라 물을 추가하여 안정화 반응 시 함수율을 상기 비율로 조정한다.

<실시예>

1. 안정화제 조성.

재료	폐화석비료	제강슬래그	칼슘유황비료
시료 1	1	3	4
시료 2	1	4	3
시료 3	1	4	4
시료 4	1	5	4
시료 5	1	4	5
시료 6	2	3	3
시료 7	2	4	3
시료 8	2	4	4

- 오염토양 100중량부에 대하여 주재료인 폐화석비료와 제강슬래그 및 칼슘유황비료의 혼합비이며, 당밀은 주재료(폐화석비료와 제강슬래그 및 칼슘유황비료 혼합 100중량부를 기준으로 하여 40중량부를 혼합하였다.

- 폐화석비료와 제강슬래그 및 칼슘유황비료는 각각 2.0mm입도로 분쇄.

오염토양과 본 발명의 안정화제의 XRF 분석 결과는 표 2과 같다.

Chemical composition (wt%)	수은 및 비소 오염토양	폐화석비료	제강슬래그	칼슘유황비료
SiO₂	71.5	3.15	14.6	3.53
Al₂O₃	15.1	1.12	3.18	1.13
Fe₂O₃	4.21	0.62	32.9	0.18
CaO	1.04	91.4	38.2	39.08
MgO	1.34	0.858	3.87	0.478
SO₃	0.02	0.12	0.011	49.93
Na₂O	0.07	0.136	0.025	-
K₂O	5.43	0.94	-	0.457
P₂O₅	0.11	1.19	2.27	1.49

2. 안정화제 제조.

주재료인 폐화석비료[(주)해성]와 제강슬래그(미방산업社) 및 칼슘유황비료(남해화학社)의 분쇄물과 당밀을 혼합한 후, 정제 장치에 투입하여 정제 형태로 성형하였다.

3. 안정화 시험.

오염토양(총 수은농도 22.5mg/kg, 비소농도 3,097mg/kg%)에 본 시료를 혼합(안정화 반응 시 함수율은 40%로 조정)한 후 1주 동안 양생하고, 양생 1주 후 비소는 0.1N HCl로 수은은 1N HCl로 추출하여 안정화 효율을 평가하였다.

도 1 내지 도 4에서 보이는 것처럼, 시료 1 내지 시료 5는 각각 68.7%, 71.2%, 72.9%, 88.4%, 83.8%의 비소 용출저감 효과(도 1 참고)를 보였고 또한 수은은 각각 73.9%, 72.2%, 68.7%, 80.3%, 80.9%의 용출저감 효과(도 3 참고)를 보였다.

또한 시료 6 내지 시료 8은 각각 93.3%, 97.8%, 91.4%의 비소 용출저감 효과(도 2 참고)를 보였고 수은은 71.2%, 77.4%, 85.8%의 용출저감 효과(도 4 참고)를 보이는 것으로 확인되었다.

지금까지는 폐화석비료와 제강슬래그 및 칼슘유황비료 모두를 사용한 것을 예로 들어 설명하였으나, 폐화석비료와 제강슬래그는 동일한 효과를 보이는 군으로 볼 수 있어 이 중 어느 하나만 칼슘유황비료와 함께 사용되는 것도 가능하며, 즉, 폐화석비료 단독 또는 제강슬래그 단독 사용도 가능하고 이 때의 혼합비율은 폐화석비료와 제강슬래그의 혼합비율을 합한 혼합비율(4~7중량부) 내에서 적절히 조절될 수 있고, 이러한 예는 전술한 실험 데이터와 동일 수준인 것으로 확인되었다.

Claims

각각 분말로 분쇄된 후 정제형태로 성형되어 사용되며, 오염토양 100중량부에 대하여 0.1mm ~ 2.0mm 입도의 폐화석비료 1~2중량부와 0.1mm ~ 2.0mm 입도의 제강슬래그 3~5중량부 및 0.1mm ~ 2.0mm 입도의 칼슘유황비료 3~5중량부의 혼합으로 이루어지는 주재료; 및 바인더로 당밀의 혼합으로 이루어지는 안정화제를 오염토양에 혼합하고 상기 안정화제와 오염토양이 혼합된 상태에서 함수율을 20~45%로 조정하여 수은과 비소의 용출을 억제하면서 오염토양을 안정화하는 것을 특징으로 하는 수은과 비소 오염토양 안정화 방법.
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