KR20030029204A

KR20030029204A - 동전기를 이용한 토양정화방법

Info

Publication number: KR20030029204A
Application number: KR1020010061371A
Authority: KR
Inventors: 고성환; 송현주; 심두섭; 박수진; 이효상; 이기세
Original assignee: 주식회사 에코필
Priority date: 2001-10-05
Filing date: 2001-10-05
Publication date: 2003-04-14
Also published as: KR100406766B1

Abstract

본 발명은 동전기를 이용한 토양정화방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 중금속으로 오염된 토양 및 귀금속 광미 등에 세척제를 주입시키며, 토양의 PH 조절이 원활하게 이루어지도록 함과 아울러 동전기 기술을 이용함으로써, 토양으로부터 중금속을 효율적으로 제거하여 토양을 정화시킬 수 있고, 같은 원리로 귀금속 광미에서 귀금속을 회수시킬 수 있도록 한 동전기를 이용한 토양정화방법에 관한 것이다.

Description

동전기를 이용한 토양정화방법{METHOD FOR DECONTAMINATION OF SOIL USING ELECTROKINETIC}

본 발명은 동전기를 이용한 토양정화방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는중금속에 오염된 토양내에 세척제를 주입시키고, 토양내에 PH를 조절함과 아울러 동전기 기술시 야기되는 전기반응에 의해 토양내의 중금속을 특정지역에 집중시켜줌으로써, 토양내의 중금속 및 귀금속을 효율적으로 제거 및 회수할 수 있도록 한 동전기를 이용한 토양정화방법에 관한 것이다.

토양오염이란 지하에 침투한 오염 물질이 지질을 오염시키는 현상으로, 토양은 물론 지하수나 지하공기 등 지질 중에 존재하는 모든 것이 대상이 된다. 20세기 산업사회의 발전과 더불어 대량생산, 대량소비의 과정을 통해 유기성 폐기물의 대량발생으로 인하여 수질, 대기, 토양, 해양의 환경오염은 심각한 문제가 되어왔다.

특히, 수질오염과 대기오염은 피해가 인류에게 전달되는 속도가 빠름으로 인해서 과학자들이나 국가차원에서 많은 관심을 가졌다. 반면, 지금까지 토양오염은 시각적으로나 피부에 직접적으로 마주치는 환경문제가 아니었기에 다른 환경오염문제에 비해 상대적으로 관심이 적었던 게 사실이다. 또한 토양오염은 실태 조사가 대기나 수질환경과 비교해 조사비용면으로나 제도면에서 어렵기 때문에, 오염 발견이 늦어지는 경우가 많다. 그 결과 대개의 경우, 정화비용과 기간이 많이 소요된다. 따라서, 산업사회가 더욱 발달하면서 유류를 비롯한 각종 산업폐기물, 중금속이 대량 발생함에 따라 토양오염이 심각해져 왔다.

중금속으로 오염된 토양을 현장에서 정화하는 방법 중에서 대표적인 방법으로는 차폐처리, 증기추출, 토양세척기술등을 들 수 있다. 차폐하는 기술로는 차단공, 차수공, 복토, 식재공 등이 있는 데 토양오염 수준에 맞추어 적용한다. 이것들은 대부분의 오염토양에 대해 적용 가능한 기술이지만, 오염토양을 정화하는 것이라기 보다는 오염원의 확산을 막는 것이 주 목적이기 때문에 근본적인 해결책으로 볼 수 없다. 또한, 상기 증기추출은 토양내 압력을 낮추어 유기오염물을 기화시킴으로써 제거하는 방법으로 휘발성이 큰 유기오염물질의 제거에는 효과적이나 많은 동력과 설비비용이 든다는 단점이 있다. 또한, 상기 토양 세척기술은 제거하고자 하는 오염물질의 종류에 따라 사전 기초연구를 통하여 적절한 세척제를 선정한다면 비교적 단시간에 높은 효율로 토양을 정화할 수 있으나, 항상 토양세척에 있어서의 제한 요소로는 토양입자 크기가 작고 다공도가 작은 치밀한 조직의 크레이(clay)류 토양에 대해서는 압력/진공 등에 의한 세척제의 흐름이 원활하지 않을 수 있다는 점이다. 이러한 토양에 대해 원활한 세척제를 주입/회수하면서 오염물질을 제거하려면, 고압/진공을 발생시키기 위한 에너지 비용이 증가하는 한편, 토양내 불균일한 틈새로 세척제 흐름이 확산/이동하는 편류(channeling) 현상이 발생할 수 있으며, 따라서, 비 오염지역으로 세척제 및 오염물질이 이동할 수 있어 처리효율의 감소는 물론 사용되는 세척제 소비와 2차 오염의 위험이 증가하게 된다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서 본 발명의 목적은 중금속(구리, 아연 등)으로 오염된 토양에 세척제를 주입시키며, 토양 의 PH 조절이 원활하게 이루어지도록 함과 아울러 동전기를 이용함으로써, 오염물질을 효율적으로 제거할 수 있도록 한 동전기를 이용한 토양정화방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 중금속 오염된 토양에서 중금속을 제거함에 있어, 토양 오염지역의 굴착, 이송, 처리와 같이 복잡한 단계를 거치지 아니하고, 경제적으로 오염현장에서 직접 중금속을 제거함과 아울러 회수하는 동전기를 이용한 토양정화방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은, 상기와 동일한 원리로 경제성이 상실된 귀금속 광산 및 개발 후 야적된 광미 등에 잔존해 있는 귀금속을 회수함으로서 토양정화와 동시에 귀금속 회수에 따른 부가가치를 높일 수 있는 동전기를 이용한 토양정화방법을 제공하는데 있다.

도 1은 본 발명에 따른 동전기를 이용한 토양정화방법을 구현하기 위한 토양 정화장치의 개략도

도 2는 본 발명의 제 1실시예에 따른 세척제 주입농도에 따라 탈착된 중금속의 농도를 측정하여 도시된 그래프

도 3은 본 발명의 제 2실시예에 따른 PH 변화에 따라 탈착된 중금속의 농도를 측정하여 도시된 그래프

도 4는 본 발명의 제 3실시예에 따른 세척제의 농도 변화에 따라 탈착된 중금속의 농도를 측정하여 도시된 그래프

도 5는 본 발명의 제 1실험예에 따른 최종 토양내 PH 측정 그래프

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 중금속으로 오염된 토양을 정화시키는 토양정화방법에 있어서, 오염된 토양을 사이에 두고 양극 및 음극이 각각 구비된 양극실과 음극실을 제공하는 단계; 상기 양극실과 음극실에 전해질을 충전하는 단계; 오염된 토양에 세척제를 주입하는 단계; 상기 양극실의 일측에 토양 내 수력학적 구배가 생기지 않고, 일정한 수위를 유지하며 전기삼투에 의해서 소실된 완충용액을 양극에 보충하기 위해 매리어트 병을 설치하는 단계; 상기 양극에 산성화가 되는 것을 막기 위해 전해액을 교환해 주는 단계; 및 상기 양극실과 음극실에 전원을 도통시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 세척제는 중금속의 용해도를 증가시키기 위해 이디티에이(EDTA ; Ethylene-Diaminetetraacetic Acid), 시안(CN), 유기산 중 선택된 어느 하나인 것을 사용함이 바람직하다.

그리고, 상기 양극에 전해액을 교환하는 단계에서 24시간 단위로 교환해 주는 것이 바람직하다.

특히, 본 발명은 동전기 토양 정화공정에서 전해질을 완충용액으로 순환하여 전기반응에 의해 양극에서 발생된 수소이온과 음극에서 발생된 수산기를 중화하여 토양의 PH를 조절하면서 세척제를 토양내에 주입하는 것에 관한 것이다.

전기동력적 정화공정은 오염된 토양내에 전극을 설치하여 낮은 DC 전류를 가함으로써 오염물질을 제거하는 현장내 토양정화기술이다. 전기동력 현상은 크게 3가지로 구분한다. 전위차에 의해서 토양내 유체의 흐름이 형성되는 것을 전기삼투(electroosmisis), 금속이나 이온들이 반대 전극방향으로 이동하는 현상을 전기이동(electromigration), 콜로이드나 하전된 입자가 반대 전극방향으로 이동하는 현상을 전기영동(electrophoresis)이라 불린다. 상기 전기삼투란 토양과 같은 다공성 매질(porous media)에 전기장이 존재하면 매질내의 액체가 특정방향으로 이동하는 현상을 말한다. 전기삼투가 발생하는 이유는 일반적으로 대부분의 토양입자가 수분과 접촉하여 약한 음전하를 띠므로 입자사이의 공간에는 양전하 밀도가 큰 액체가 모이게 되어 전류를 흘리면 토양내 액체가 음극방향으로 이동하는 현상이 생기기 때문이다. 토양내 전기삼투를 일으키기 위해서는 오염지역 주변에 양극과 음극을 설치하고, 이 전극들을 통하여 전원으로부터 오염지역에 전류를 공급하도록 한다.

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 본 실시예는 본 발명의 권리범위를 한정하는 것은 아니고, 단지 예시로 제시된 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 동전기를 이용한 토양정화방법을 구현하기 위한 토양 정화장치의 개략도로서, 뚜껑 없는 직육면체 통을 아크릴판으로 길이 15cm, 높이 8cm, 폭 8cm가 되게 제작하고, 통의 양쪽 끝에는 폴리프로필렌, 필터페이퍼, 글라스페이퍼 또는 글라스울 등의 다공성 격막(30)에 의해 형성된 공간을 만들어서 전극이 들어갈 수 있고, 전해액을 채울 수 있도록 하여 양극실(10)과 음극실(20)을 설치하였다. 이들 양극실(10)과 음극실(20) 안에는 5cm X 5cm 크기의 흑연판 전극을 각각 1개씩 설치하여 양극(40)과 음극(45)으로 하고, 이들 전극에는 정전류를 발생시킬 수 있는 전원(power supply ; 50)을 연결하였다. 상기 아크릴판 통은 오염된 흙으로 채워져 있으며, 반응성이 없는 다공성 격막(30)으로 된 양극실(10)은 평판형 전극판으로 된 양극(40)이 주변 토양입자와 접촉되는 것을 방지하며, 전해질(완충용액)이 들어갈 수 있는 공간을 확보해 준다. 그리고, 토양을 인위적으로 구리(Cu)와 아연(Zn)을 각각 1000ppm과 500ppm으로 오염시켰다. 오염토양을 증류수 혹은 세척제 용액을 사용하여 다짐장치로 균일하게 충진하였고, 토양을 충진시킨 후 각 전극실에 증류수 혹은 세척제 용액을 채우고, 양극에 매리어트 병(Marriott Bottle)을 연결한 후 24시간 방치하였다. 상기 매리어트 병의 사용 목적은 토양 내 수력학적 구배가 생기지 않고, 일정한 수위를 유지하며 전기삼투에 의해서 소실된 완충용액을 양극에 보충하기 위해서이다.

상기의 개략적인 토양정화장치에서 알 수 있듯이, 본 발명에 따른 동전기를 이용한 토양정화방법은 세척제를 주입하여 오염된 토양을 정화하는 방법으로서, 오염된 토양을 사이에 두고 양극실과 음극실을 제공하고, 오염된 토양에 세척제를 주입하고, 상기 양극실과 음극실에 전해질을 충전 및 교환하며, 상기 양극실과 음극실에 전원을 도통시킨다. 이때, 상기 양극실에는 전해질로서 인산염(phospate)용액이나 암모늄(ammonium)용액을 사용할 수 있고, 그들의 혼합용액을 사용할 수도 있으며, NaOH나 NH₄OH와 같은 알카리성용액이 충전될 수도 있다. 또한, 상기 음극실에는 H₂SO₄, HNO₃, CH₃COOH, Citiric acid, H₂PO₄와 같은 산성용액이 충전될 수 있다. 그리고, 토양에 주입되는 세척제는 중금속의 용해도를 증가시키기 위해 이디티에이(EDTA ; Ethylene-Diaminetetraacetic acid), 시안(CN), 유기산 등이 사용됨이 바람직하다.

이와 같이, 중금속으로 오염된 토양에 세척제를 주입시킴과 동시에 토양내의 중금속을 특정지역에 집중시키기 위해 상기 토양에 동전기를 가하는 것이 본 발명의 주요 내용이며, 이하 다양한 실시예 및 실험예를 통하여 본 발명에 대해 구체적으로 설명하겠다.

<제 1실시예>

도 2는 본 발명의 제 1실시예에 따른 세척제 주입농도에 따라 탈착된 중금속의 농도를 측정하여 도시된 그래프로서, 세척제 농도 0.01M 첨가시 구리(Cu) 및 아연(Zn) 모두 90% 이상 제거가 되는 것이 관찰이 되었으며, 0.05M 이상에서는 100% 가까이 제거되었다. 세척제는 분자구조내에 중금속과 착화합물을 형성할 수 있는 그룹이 있으며, 착화합물이 형성되면 중금속 용해도가 증가한다. 본 실험에서 사용된 구리(Cu)와 아연(Zn)에 대한 세척제의 해당상수 즉, log K_MY값은 각각 18.8과 16.5이다.

<제 2실시예>

도 3은 본 발명의 제 2실시예에 따른 PH 변화에 따라 탈착된 중금속의 농도를 측정하여 도시된 그래프로서, PH가 3이하일 때 전체적으로 80%이상 탈착이 되는 것이 보여진다. 이것은 동전기 기술 적용시 양극에서 형성된 수소이온이 토양에 유입되면서 토양의 PH가 3이하로 떨어졌을 때, 토양에 흡착된 중금속들이 용출되어 전기이동(Electromigration)으로 이동하는데 용이하다는 것을 알 수 있었다.

<제 3실시예>

도 4는 본 발명의 제 3실시예에 따른 0.05M 세척제 용액의 PH를 변화시키면서 중금속인 구리(Cu) 및 아연(Zn)의 탈착을 나타낸 그래프로서, 상기 세척제는 간단하게 H₄Y로 표시하는데, 여기서 Y는 세척제이다. 이 세척제의 H₃Y^-, H₂Y^2-, HY^3-, Y^4-의 pKa 값은 각각 2, 2.26, 6.16, 10.26으로써, PH 2이하에서는 H₄Y, PH 2∼3에서는 H₃Y^-, PH 3∼6에서는 H₂Y^2-, PH 6∼10에서는 HY^3-, PH 10이상에서는 Y^-4의 형태로 존재한다. 도 4에 도시된 바와 같이, PH 3이하에서 중금속이 탈착율이 낮으며, 세척제 용액의 PH가 2.7이하에서는 하얀색 침전물이 형성이 되는 것이 관찰이 되었는데, 이것은 세척제의 H₄Y, H₃Y^-형태가 착화합물 형성이 약하다는 것을 의미한다. 따라서, 도 4에서 탈착이 된 것은 전부 세척제의 영향이라기보다는 도 3에서 보듯이 낮은 PH 영향으로 중금속이 토양으로부터 용출이 이루어졌다.

<제 1실험예>

도 5는 동전기 기술에 의한 실험 후 토양내 PH를 측정한 그래프로서, 동전기 적용시 전극반응으로 형성된 H⁺와 OH^-에 의해 양극 근처의 토양은 산성화가, 음극 근처의 토양은 알칼리화가 진행된다. EK-2 실험(96시간) 또한 전체적으로 PH 2가 측정되었으며, 음극실은 12이고 음극실 앞 1.5cm에서는 PH가 6이 측정되었다. 이것은 H⁺이온이 OH^-이온보다 속도가 빠름으로 인하여 시간이 진전됨에 따라 전체적으로 산성화가 진행되는 것이다. EK-3의 PH를 보면 양극부터 7.5cm까지는 PH 3이하가 나왔으며, 10.5cm부터 음극까지는 PH가 11이상 측정이 되었다. EK-4, 5, 6의 경우는 양극에 산성화가 되는 것을 막기 위해서 전해액 0.2N NaOH를 24시간 단위로 교환해 주었다.

<제 2실험예>

여섯 조건에서 수행한 중금속 제거실험 종료 후 중금속 제거율을 [표 1]에 나타내었으며, 토양내 잔류 중금속 농도와 각 전극실의 중금속 농도를 측정하여 [표 2]에 나타내었다.

[표 1] 중금속 제거율

구분	초기구리 농도	제거된구리 농도	제거율(%)	초기아연 농도	제거된아연 농도	제거율(%)
EK-1	1000 mg	388 mg	38	500 mg	283 mg	56
EK-2	1000 mg	93 mg	9	500 mg	19 mg	3
EK-3	985 mg	15 mg	1	525 mg	21 mg	4
EK-4	1180 mg	101 mg	9	533 mg	34 mg	6
EK-5	1224 mg	661 mg	54	554 mg	386 mg	69
EK-6	1136 mg	805 mg	70	542 mg	411 mg	75

EK-1 실험은 대조구 실험으로써 세척제를 주입하지 않고 동전기 기술만 적용하여 실험한 결과이고, EK-2와 3은 양극의 PH를 조절하지 않고 세척제를 이용하여 중금속 제거 실험을 한 경우이다. 반면에 EK-4, 5, 6은 양극에 0.2N NaOH용액을 24시간 단위로 교환해줌으로써, 양극의 PH가 낮아지는 것을 방지하였다. 상기 EK-1 실험에서 36시간 후 구리(Cu)와 아연(Zn)이 음극실로 각각 38%, 56%가 제거되었다. EK-1 실험후 대부분 토양이 PH 2로 산성화됨으로써, 토양에 흡착되어졌던 중금속이 용액상으로 용출되어 음극으로 이동하기 때문에 양극의 중금속 양은 격감되고, 반면에 음극근처 토양의 중금속양이 증가되었다.

[표 2] 토양내 잔여 중금속 양(단위 : mg)

구분	양극실	0∼3 cm	3∼6 cm	6∼9 cm	9∼12 cm	12∼15 cm	음극실
구분	Cu	Zn	Cu	Zn	Cu	Zn	Cu	Zn	Cu	Zn	Cu	Zn	Cu	Zn
EK-1	47	47	70	20	65	50	82	20	225	32	513	161	341	263
EK-2	35	11	18	4.3	26	7	16	4.6	115	22	832	456	58	8
EK-3	28	18	85	28	154	83	281	117	408	184	66	14	17	2
EK-4	83	28	305	178	226	139	216	110	116	54	80	52	18	5
EK-5	652	378	346	91	106	42	192	16	86	34	22	2	8	4

상기 EK-2 실험에서는 구리(Cu) 9%, 아연(Zn) 3%가 제거되었고, 상기 EK-3실험에서는 구리 1%, 아연 4%로 대조구 실험인 EK-1 실험보다 제거 효율이 떨어지지만, 토양내 중금속 분포를 보면 중금속이 한 지점에 농축되었다. 세척제와 착화합물을 형성한 중금속은 전기장이 존재시 착화합물이 음이온을 띄고 있어 전기영동에 의해서 양극으로 이동이 되다가, 전극반응에 의해서 양극으로부터 형성된 H⁺이온에 의해서 PH가 3이하로 떨어질 경우 세척제 착화합물에서 중금속 이온인 양이온을 해리되어 다시 전기이동에 의해서 음극으로 역 이동되는 중금속 양이온들과 음극으로부터 형성된 OH^-이온이 토양에 유입되어 만나게 되어 농축되었다.

상기 EK-4 실험에서 구리(Cu)와 아연(Zn) 제거율은 9%와 6%이고, 실험기간을 9일까지 증가시킨 EK-6 실험에서는 구리(Cu) 및 아연(Zn)이 각각 70%와 75% 제거되었다.

또한, 상기 EK-5 실험에서는 54%의 구리(Cu)와 69%의 아연(Zn)이 오염 토양으로부터 제거되었다. 한편, 상기 EK-4 실험에서 중금속의 제거율이 낮지만 [표 1]에서 보듯이 이전 실험과는 달리 중금속의 분포가 양극으로 많이 이동한 것을 알 수 있었다. 토양이 전체적으로 높은 PH를 형성하고 있어 중금속이 토양으로부터 탈착이 불량하고 탈착된 금속도 단지 세척제와 착화합물이 형성되어 전기영동으로 양극으로 이동되었다.

그리고, 본 발명에서는 중금속(구리, 아연 등)을 대상으로 한정하였지만, 이에 국한하지 않고, 귀금속 등에도 적용하여 특정지역에 귀금속을 집중시켜 경제적이고 효율적으로 귀금속을 회수할 수 있게 된다.

본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 많은 변형이 가능함은 명백할 것이다.

따라서, 상기한 바와 같이 본 발명은 동전기 정화기술에 세척제를 주입하여 토양내에서 중금속을 제거함과 아울러 세척제 주입과 토양에 PH 조절에 따라 특정지역에 중금속을 집중시켜 회수함으로써, 경제적이고 효과적으로 넓은 지역에 퍼져 있는 중금속을 제거할 수 있는 이점이 있다.

또한, 본 발명에 따른 동전기를 이용한 토양정화방법을 적용함으로써, 귀금속 폐광 및 그의 야적토로부터 귀금속을 회수할 수가 있는 이점이 있다.

Claims

중금속으로 오염된 토양을 정화시키는 토양정화방법에 있어서, 오염된 토양을 사이에 두고 양극 및 음극이 각각 구비된 양극실과 음극실을 제공하는 단계;

상기 양극실과 음극실에 전해질을 충전하는 단계;

오염된 토양에 세척제를 주입하는 단계;

상기 양극실의 일측에 토양 내 수력학적 구배가 생기지 않고, 일정한 수위를 유지하며 전기삼투에 의해서 소실된 완충용액을 양극에 보충하기 위해 매리어트 병을 설치하는 단계;

상기 양극에 산성화가 되는 것을 막기 위해 전해액을 교환해 주는 단계; 및

상기 양극실과 음극실에 전원을 도통시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 동전기를 이용한 토양정화방법.
제 1 항에 있어서,

상기 세척제는 중금속 및 귀금속의 용해도를 증가시키기 위해 EDTA, 시안, 유기산 중 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 동전기를 이용한 토양정화방법.
제 1항에 있어서,

상기 양극에 전해액을 교환하는 단계에서 24시간 단위로 교환해 주는 것을 특징으로 하는 동전기를 이용한 토양정화방법.