KR20060036961A - 유기오염물로 오염된 동전기 지반(토양) 정화 처리시스템 - Google Patents

유기오염물로 오염된 동전기 지반(토양) 정화 처리시스템 Download PDF

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KR20060036961A
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김수삼
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    • B09C—RECLAMATION OF CONTAMINATED SOIL
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    • B09C1/085—Reclamation of contaminated soil chemically electrochemically, e.g. by electrokinetics

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Abstract

본 발명은 오염된 세립질 지반 정화 처리를 위한 전극부에 pH 완충능이 큰 황(S), 철(Fe)을 함유한 재료와 중금속 흡착능이 큰 탄산염 재료의 채움재와, 중금속과 유기오염물의 흡착능이 우수한 활성탄소섬유 필터를 이용하여 중금속과 유기오염물로 오염된 동전기 지반(토양) 정화 처리시스템에 관한 것이다.
이처럼 발명의 전극부는 i) 유기오염물의 동전기 지반(토양) 정화 처리시 양극(+) 전극부에 pH 완충능이 큰 재료를 채움재로 이용하여 시료의 산성화에 따른 전기삼투 효율 감소 억제; ⅱ) 음극(-) 전극부에서 염기 완충능이 큰 재료를 채움재로 이용하여 전기분해에 의해 발생되는 OH- 이온의 시료 유입을 억제하여 수산화 침전(M(OH)n)으로 인한 정화효율 감소 방지; ⅲ) 중금속의 동전기 지반(토양) 정화 처리시 음극(-) 전극부의 채움재로 탄산염이 주성분인 재료를 이용하여 폐수의 부하 감소; ⅳ) 유기오염물의 동전기 지반(토양) 정화 처리시 음극(-) 전극부에 활성탄소섬유를 설치하여 폐수의 부하 감소; ⅴ) 환경문제로 대두되고 있는 굴패각이나 폐석고, 폐석회, 석탄회, 폐석고텍스 등을 재활용이 가능하게 한 것임.
동전기 지반, 정화처리, 중금속, 유기오염물, 전극부, 폐기물, pH 완충능

Description

유기오염물로 오염된 동전기 지반(토양) 정화 처리시스템{Development of electrode compartment for enhanced electrokinetic remediation and post-treatment of waste water}
도 1은 동전기 지반(토양) 정화 처리시스템의 개략도,
도 2는 중금속 오염된 동전기 지반(토양) 정화에 이용되는 양쪽 전극부의 단면도,
도 3은 유기오염물로 오염된 동전기 지반(토양) 정화에 이용되는 양쪽 전극부의 단면도,
도 4는 전극부에 결합되는 원터치 착탈 방식의 전극재 고정장치의 요부 상세도,
도 5는 실시예에서 사용한 시험기의 구성도,
도 6은 실시예 2에서 전기삼투 누적 유량 그래프,
도 7은 실시예 2에서 지반(토양) 정화 실험 종료 후, 시료 내의 pH 분포도,
도 8은 실시예 2에서 본 발명이 적용된 동전기 지반(토양) 정화 실험 종료 후 시료 내의 pH 분포도,
도 9는 실시예 2에서 시료 내의 납 농도분포도,
도 10은 실시예 2에서 본 발명이 적용된 동전기 지반(토양) 정화 실험 종료 후, 시료 내의 납 농도분포도,
<도면의 주요부분에 대한 부호 설명>
1: 전원공급장치 2: 물 공급탱크
3: 양극(+) 전극부 4: 음극(-) 전극부
5: 집수지 10: 전극
본 발명은 중금속과 유기오염물로 오염된 세립질 지반 정화 처리에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전극부에 pH 완충능이 큰 황(S), 철(Fe)을 함유한 재료와 중금속 흡착능이 큰 탄산염 재료의 채움재와, 중금속과 유기오염물의 흡착능이 우수한 활성탄소섬유 필터를 설치하여 정화 효율 향상과 폐수의 부하를 감소시킴으로써 폐수의 후처리 비용을 감소시키는데 기여할 수 있는 오염물로 오염된 동전기 지반(토양) 정화 처리시스템에 관한 것이다.
일반적으로 유기오염물은 극성이 없거나 적기 때문에 동전기 지반(토양) 정화 처리시 정전기적 인력에 의한 전기이온이동을 기대할 수 없어 주 정화 메카니즘은 전기삼투에 의한 이류와 분산이다.
하지만, 동전기 지반(토양) 정화 처리시 양극(+)에서 전기분해에 의해 발생하는 H+ 이온이 정전기적 인력에 의한 전기이온이동, 전기삼투에 의한 이류 및 분산 등에 의해 시료 내로 유입되어 시료를 산성화시킨다. 이와 같이 시료가 산성화되면, 시료의 제타포텐셜이 양(+)의 값으로 증가하여 전기삼투효율이 감소된다.
종래에는 양극(+)에서 전기분해에 의해 발생하는 H+ 이온의 시료 내 유입을 억제하기 위해 염기용액을 주입하여 중화시키거나 이온 선택막을 설치하였다. 하지만, 염기용액을 이용한 H+ 이온의 중화는 물의 생성으로 저항이 증가하여 전력소비량을 증가시킬 뿐만 아니라 지반에 이물질(염기용액) 주입에 따른 2차 오염 문제를 안고 있다. 또한, 이온 선택막은 고비용과 설치문제, 강산 조건에서 파괴 등과 같은 문제점이 있다.
그리고 중금속으로 오염된 지반의 동전기 정화 처리의 주 정화 메카니즘은 전기분해에 의해 양극(+)에서 발생하는 H+ 이온이 정전기적 인력에 의한 전기이온이동이나 전기삼투에 의한 이류 및 농도차에 의한 확산 등에 의해 음극(-)으로 이동하면서 토립자 표면에 흡착되어 있는 중금속을 탈착시키고, 탈착된 중금속을 전기이온이동과 전기삼투에 의한 이류 등으로 음극(-)으로 제거하게 된다.
하지만, 음극(-)에서 전기분해에 의해 발생하는 OH- 이온이 정전기적 인력에 의한 전기이온이동에 의해 시료 내부로 유입됨에 따라 음극(-)부 근처에서 이동중인 중금속과 반응하여 수산화 침전되어 정화효율이 저감된다.
이를 방지하고자 종래에는 전극의 극성교환이나 초산과 같은 용해제 주입, 이온선택막 설치, EDTA와 같은 착화제 주입, 계면활성제 등을 이용하여 음극(-)부 근처에서 침전된 중금속을 제거를 꾀하였다.
하지만, 전극의 극성교환은 침전된 중금속이 쉽게 탈착되지 않을 뿐만 아니 라, 실제 대규모 시설에 적용에 어려움이 있고, 초산과 같은 산을 주입하는 경우 이물질(산용액)의 유해성과 염기전선과 충돌하여 생성되는 물의 영향으로 저항이 증가하여 과도한 전류가 소요되고, 이온 선택막은 고비용과 낮은 정화 효율이 문제점으로 지적되었으며, EDTA와 계면활성제는 잔류로 인한 2차 오염 문제와 회수 및 고비용이 문제점으로 지적되었다.
한편, 동전기 지반(토양) 정화 처리시 전기삼투에 의한 이류로 음극(-) 전극부에서 유출되는 폐수에는 다량의 중금속과 유기오염물이 함유하여 있어 재활용이나 방류시 정화 처리가 필요하고, 동전기 지반 정화 처리시 양극(+)은 전기화학적 산화(酸化) 반응에 의해 부식되는 것을 방지하기 위해 전기부식에 강한 티타늄이나 백금 합금을 이용할 경우 고비용으로 대규모 현장 적용에 어려움이 있고, 부식에 따른 전극 교환에도 많은 비용과 노력이 소요되는 문제점이 있게 된다.
오염된 세립질 지반 정화 처리에 관련된 종래 기술은 다음과 같다.
Acar와 Gale은 1992년 실험세트 도안과 납제거 실험결과를 이용한 미국 특허 5137608는 불활성 전극(탄소전극)의 사용을 포함한 동전기 지반(토양) 정화 메카니즘이 개시되었다.
Bibler는 1993년 지반으로부터 이온성 물질을 선택적으로 제거하는 방법과 장치에 관련된 미국 특허 5190628는 이온교환수지를 포함한 투수성의 멤브레인을 지반에 삽입하여 전극간에 전기장을 가하는 방식으로 멤브레인은 'ISOLOCK'과 같은 친수성 폴리머를 사용하였으며, 수지는 이온교환에 의해 나트륨이온 또는 수소이온을 금속이온과 치환하는데, 금속으로 포화되면 가동을 중단하고 금속이온의 회수 또는 저장을 위해 멤브레인을 제거를 위해 이온을 선택적으로 포집할 수 있는 이온교환수지가 들어있는 멤브레인이 개시되었다.
Brodsky와 Ho는 1995년 '오염된 흙의 원위치 정화'와 '불균질한 흙의 원위치 오염정화'의 제목으로 유사한 2개의 미국 특허 5398756 및 5476992에 있어 '오염된 흙의 원위치 정화'는 오염된 흙 사이에 적어도 하나이상의 액체 투수영역을 형성시켜 전기삼투에 의해 오염물을 제거하는 기술로 액체 투수영역의 형성과 다양한 첨가제의 주입 기술이 제안되었고, '불균질한 흙의 원위치 오염정화'는 이전의 것과 유사한 내용과 방법을 제시하고 있으나 동수경사를 이방성 흙에 적용하여 동수흐름을 유발시킨다는 것에 차이가 있고, 동수경사를 주기적으로 방향을 바꿔서 적용하고, 전기삼투 흐름 방향을 역전시키는 기술도 조합하여 적용할 수 있게한 것으로 이방성 흙에 동수경사를 적용, 동수경사와 전기삼투흐름의 주기적 교환이 포함되어 있고, 국내에서도 '오염된 이성분 토양의 원지 구제'(등록번호: 10-0193917)란 제목으로 동일하게 특허 등록되어있다.
Lindgren과 Mattson은 1995년에 '불포화토에서 오염물 제거를 위한 동전기 전극 시스템 개발'에 관한 미국 특허 5435895는 원위치에서 불포화 지반으로부터 오염물을 제거하기 위해 사용하는 동전기 전극 조립체에 관련하여 진공을 가할 수 있는 케이스와 전해질을 담고 있는 다공질 매체 등과 같은 전극부에 관한 사항과 전극부를 이용하는 운영 기술이 개시되었다.
Sunderland와 Roberts가 1998년에 등록한 미국 특허 5725752는 전극의 외부에 carbon felt를 감사고, carbon felt 재료는 간극의 지름이 5∼10㎛이며 수평으 로 설치하되, carbon felt를 흙과 직접 접촉하게 하는 것과 세라믹 재료로 된 다공질 중공관에 음극(-)을 설치하고, 양극(+) 재료는 티타늄, 음극(-)재료는 스테인레스강, 니켈, 산화 티타늄과 carbon felt를 사용하고, 첨가제로 양이온성 계면활성제, 착화제, 고분자 전해질 침출제, 무기산, 유기산 등을 이용하는 것을 주요 기술로 하고 있다.
Griffith와 Landis, Schultz는 1999년 오염토를 정화하기 위한 전극과 처리벽의 설치에 관한 미국 특허 5914020는 오염운이 대수층에서 압력경사에 의해 특정방향으로 이동할 때 처리벽을 흐름방향의 하향경사에 설치하여 오염운을 처리하는 기술로서 mandrel을 이용한 전극 설치와 처리벽 위치에 관한 것이다.
Hodko는 2000년 동전기에 의한 오염토의 정화 과정에 있어서 전극 간격, 적용전류 및 전압, 전기삼투 흐름 속도, 전극설계와 전극수조의 완충 또는 중화 용액의 양과 같은 중요한 설계인자들은 결정하는 방법으로 미국 특허 6145244를 취득하였다.
Hitchens는 2001년 다공성 매체를 통한 전기삼투 흐름을 복수의 전극간에 전기장은 적어도 하나 이상의 전극에 산용액(예: citric acid, acetic acid, oxalic acid, salicycle acid 또는 이들의 혼합물)을 주입하고, 하나 이상의 전극에 제타포텐셜을 변화시키는 화합물(ZPMC: zeta potential modifying compound, 예: EDTA, DTPA, NTA 또는 이들의 혼합물)을 주입하는 내용으로 미국 특허 6193867를 취득하였다.
Hodko는 2001년 동전기 지반(토양) 정화 처리시 사용되는 전극 주위에 둘러 싼 재료를 이용한 미국 특허 6203682는 전극부 차폐 물질로 일반적으로 점토 또는 세라믹을 사용하는 다공질 매체와 투과성 플라스틱 튜브를 사용하는 강성 다공질 막을 사용하였다.
Lindgren과 Mattson은 2001년에 '적절한 전도성 흡착물질을 이용한 흙과 다른 매체로부터 전하를 띤 오염물질을 동전기 지반(토양) 정화 처리'에 관한 미국 특허 6221237는 흙과 같은 매체에서 전하를 띤 오염물을 농축하거나 집수를 위해 전극부 인근 층으로 오염물을 이동시키는 수단으로 동전기 기법을 이용하였고, 층은 다공질인 전도성 흡착 물질로 이루어지는 활성탄소 등에 관한 기술이다.
Griffith와 Landis, Schultz, Du Pont은 2001년에 '지반 정화를 위한 전기적 방법과 기구'에 관한 미국 특허 6228247은 전극부 구성, 처리벽 구성과 그의 조합을 이용한 동전기 지반(토양) 정화 처리장치에 관한 것으로, 동전기 기법과 지하수 흐름을 사용한 정화 처리와 슬러리로 구성된 처리 영역에 관한 기술이다.
이와 같이 종래에는 동전기 지반 정화 처리를 위한 기존의 전극부는 향상기법을 적용하기 위한 시스템이 복잡하고, 각각의 향상기법에 따라 시스템을 달리 설계해야 하는 단점이 있다. 예를 들어 음극(-) 전극부에서 유출수의 중금속의 흡착하여 부하량을 감소시키기 위해 주로 사용하는 이온 교환막 및 수지의 경우, 성능 유지를 위한 pH와 전류 조절이 필요하여 시스템이 복잡해지고, 산 및 EDTA, 계면활성제 등을 이용한 향상기법은 지반의 이물질 주입에 따른 2차 오염 및 회수와 고비용이 문제점으로 지적되었다.
이처럼 종래에는 오염된 세립질 지반에 동전기 정화 처리시 다음과 같은 문제점을 보이고 있다.
첫째, 유기오염물의 동전기 지반(토양) 정화 처리시 양극(+)에서 전기분해에 의해 발생하는 H+ 이온의 시료 내 유입으로 인한 산성화로 전기삼투 효율이 시간에 따라 감소하여 정화 효율이 저감된다.
둘째, 중금속의 동전기 지반(토양) 정화 처리시 음극(-)에서 전기분해에 의해 발생하는 OH- 이온이 정전기적 인력에 의한 전기이온이동과 농도차에 의한 확산으로 시료 내에 유입되어 음극(-)부 근처에서 이동중인 중금속 이온과 결합하여 수산화 침전물이 발생하여 정화 효율이 감소된다.
셋째, 동전기 지반(토양) 정화 처리시 전기삼투에 의해 음극(-) 전극부로 유출되는 폐수에는 다량의 중금속과 유기오염물이 있어 방류나 재활용할 때, 2차 폐수 처리에 대한 문제점을 안고 있다.
넷째, 지반에 전극을 삽입하여 전류를 공급하면, 양극(+)에서는 산화(酸化) 반응에 의한 전기부식으로 인해 소실되어 원활한 전기동력을 지반에 적용하지 못한다. 이에 전기부식에 강한 티타늄과 백금 합금을 전극으로 이용하는데, 이는 고비용으로 현장의 대규모 사업에 적용하는데 한계점이 있다. 또한, 전기부식에 약한 물질을 사용할 경우에는 전극부를 인발하여 전극을 교체하는데, 많은 비용과 노력이 요구된다.
한편, 자원화가 가능한 폐기물 중 굴패각은 수산물 가공 과정에서 대량으로 발생하여 남해안이나 서해안 일대에서 심각한 환경문제로 대두되고 있는 물질로 처리방안과 자원으로 재활용하기 위한 연구가 진행되고 있다.
또한, 인광석에서 인산비료를 추출하는 과정에서 발생하는 폐석고는 석고보드나 시멘트의 원료로 활용되지만, 최근 들어 재활용 비율이 감소하여 야적장에 적재하므로 눈·비에 의해 용출수로 유출되어 인근 지반 오염을 유발하기도 한다.
그리하여 최근 정부에서는 폐기물 발생 원인자 부담을 강화함에 따라 쓰레기 감량화로 인한 대량의 폐석회가 발생될 것으로 예상되고, 발전용 연료로서 석탄의 사용으로 석탄회가 대량으로 발생하고 있어 재활용에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
최근 사회적으로 환경문제로 대두되고 있는 굴패각, 폐석고, 폐석회, 석탄회 등의 재료들은 다량의 탄산염을 가지고 있어 전극부의 채움재로 재활용할 경우 전극에서 전기분해에 의해 발생하는 H+ 이온의 유입을 억제하는 높은 pH 완충능을 보이고, 정전기적 인력에 의해 음극(-) 전극부로 이동하는 중금속에 대한 큰 흡착능을 나타내었다. 또한, 건축물 철거시 대량으로 발생하는 폐석고텍스는 건축 천장재로서 주원료는 석고, 시멘트 등의 무기재료는 쉽게 부식되지 않아 반영구적이고, 석고텍스는 석고(CaO)뿐만 아니라 황(S), 철(Fe) 등을 함유하고 있어 산(H+)뿐만 아니라 염기(OH-)에 대해서도 높은 완충능을 보였다.
따라서 본 발명은 양극(+) 전극부는 전기삼투 효율을 높이기 위해 양극(+) 전극부에 pH 완충능이 큰 재료를 채움재로 이용하여 시료의 산성화를 억제하여 유 기오염물의 정화 효율 향상을 꾀하고, 음극(-) 전극부에는 염기 완충능이 큰 재료(예를 들면, 황(S)이나 철(Fe) 등을 함유한 재료나 이들 재료와 혼합한 재료)를 채움재로 체워넣어 음극(-)에서 전기분해에 의해 발생하는 OH- 이온의 유입을 억제하여 수산화 침전에 따른 중금속의 정화 효율 감소를 방지하는데 있다.
이에 착안하여 본 발명에서는 음극(-) 전극부에 중금속의 동전기 지반(토양) 정화 처리시 중금속 흡착능이 큰 탄산염이 주성분인 채움재(예를 들면, 굴패각, 폐석고, 폐석회, 석탄회 등)를 채워넣어 폐수의 중금속을 전극부에서 흡착 감소시킴으로서 전기삼투로 음극(-) 전극부에서 유출되는 폐수의 부하 감소를 꾀하고, 유기오염물의 동전기 지반(토양) 정화 처리시 음극(-) 전극부의 필터 대신 유기오염물의 흡착능이 큰 활성탄소섬유를 설치하여 부하를 감소를 도모하고자 한다.
또한, 본 발명은 중금속의 동전기 지반(토양) 정화 처리시 음극(-) 전극부의 채움재로 활용하여 전기분해에 의해 발생하는 OH- 이온의 시료 내 유입을 억제하고, 동전기 지반(토양) 정화 처리시 전극부의 단순화로 유지·관리가 용이하고, 이물질 주입에 따른 2차 오염과, 최근 환경문제로 대두되고 있는 폐기물을 채움재로 재활용 하고자 한다.
상기한 목적에 따라 본 발명에서는 중금속과 유기오염물로 오염된 세립질 지반(토양)에 하나 또는 그 이상의 양극(+) 전극부와 음극(-) 전극부를 대향 배치하여 양쪽 전극부(3.4)사이에서 발생되는 정전기를 이용하여 오염된 동전기 지반(토양)을 정화하는 것에 있어서, 상기 음극(-) 전극부로 유출되는 폐수의 부하를 감 소시키기 위해 pH 완충능이 큰 탄산염과 황(S), 철(Fe)을 함유한 폐석고텍스를 음극(-) 전극부의 채움재로 사용하여 음극(-) 전극부에서 전기분해에 의해 발생하는 H+, OH- 이온의 유입을 억제하여 정화 효율을 향상시키는 것을 특징으로 하는 오염물로 오염된 동전기 지반(토양) 정화 처리시스템을 제공한다.
본 발명은 유기오염물로 오염된 세립질 지반(토양)에 하나 또는 그 이상의 양극(+) 전극부와 음극(-) 전극부를 대향 배치하여 양쪽 전극부(3.4)사이에서 발생되는 정전기를 이용하여 오염된 동전기 지반(토양)을 정화 처리하는 것에 있어서, 전기분해에 의해 발생하는 H+ 이온의 유입을 억제하여 지반의 산성화에 따른 전기삼투 유속 감소를 억제하기 위해 산(H+) 완충능이 큰 탄산염이 주성분인 굴패각, 폐석고, 폐석회, 석탄회 중에서 선택된 어느 하나 또는 그 이상이 혼합된 재료를 양극(+) 전극부 채움재로 이용하고, 폐수의 부하를 감소시키기 위해 유기오염물의 흡착능이 우수한 활성탄소섬유 필터를 음극(-) 전극부에 설치하는 것을 특징으로 하는 유기오염물로 오염된 동전기 지반(토양) 정화 처리시스템을 제공한다.
또한, 본 발명는 중금속과 유기오염물로 오염된 세립질 지반(토양)에 하나 또는 그 이상의 양극(+) 전극부와 음극(-) 전극부를 대향 배치하여 양쪽 전극부(3.4)사이에서 발생되는 정전기를 이용하여 오염된 동전기 지반(토양)을 정화 처리하는 것에 있어서, 중금속과 유기오염물의 흡착능이 큰 탄산염이 주성분인 굴패각, 폐석고, 폐석회, 석탄회 중에서 선택된 어느 하나 또는 그 이상이 혼합된 재료와 활성탄소섬유재 필터를 음극(-) 전극부에 설치하여 전기삼투에 의해 유출되는 폐수의 부하를 감소시키는 것을 특징으로 하는 중금속과 유기오염물로 오염된 동전기 지반(토양) 정화 처리시스템을 제공한다.
그리고 본 발명은 대규모 현장 사업에 적용하기 위해 양극(+)으로 값싼 스테인레스 강이나 탄소봉으로 전극을 구성하고, 전기부식에 따른 잦은 교환이 용이하도록 전극부에 원터치 착탈 방식의 전극재 고정장치를 제공을 또 다른 특징으로 하고 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 동전기 지반(토양) 정화 처리 시스템을 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
도 1에 도시된 바와 같이 본 발명은 투수계수가 낮은 세립질 지반(토양)에는 연직 또는 수평으로 하나 또는 그 이상의 양극(+) 전극부와 음극(-) 전극부가 대향되는 위치에 고정 설치되고, 양쪽 전극부(3.4)에는 전원공급장치(1)가 연결된다.
그리고 양쪽 전극부에 있어 양극(+) 전극부(3)에는 일정한 물 공급 및 일정 수위 유지를 위해 물공급탱크(2)가 연결되고, 음극(-) 전극부에는 전기삼투에 의해 유출되는 폐수를 집수하는 집수지(5)가 각각 연결된다.
이와 같이 구성된 전원공급장치(1)에 전원을 공급하여 직류전기장을 가하면 양극(+)에서 전기분해에 의해 발생하는 H+ 이온은 정전기적 인력에 의해 상대 극인 음극(-)으로 이동하면서 토립자 표면에 흡착된 중금속을 탈착시키고, 음극에서 전기분해에 의해 발생하는 OH- 이온은 정전기적 인력에 의해 양극(+)쪽으로 이동하면 서 이동중인 중금속과 반응하여 수산화 침전물이 발생한다.
이때 양극(兩極)은 전기분해에 의해 양극(+)은 산화(酸化) 반응에 의해 전기 부식되고, 음극(-)은 환원(還元) 반응에 의해 방식(防蝕)된다. 이때 전기삼투 현상에 의해 물은 음극(-)으로 이동하는데, 이류에 의해 용해·탈착된 중금속(HM: Heavy Metal)이나 유기오염물(OC: Organic Contaminant)을 음극(-) 전극부(4)로 이동시킨다.
도 2는 중금속의 동전기 지반(토양) 정화 처리를 위한 전극부의 구조를 나타낸 것으로, 전극부는 다공질 케이싱으로 형성되는 밀폐형 PVC로 제작되어 중앙으로 전극(10)이 고정된다.
상기 전극(10)은 전극재고정장치(6)에 의해 고정되며, 상기 전극재고정장치(6)는 전극부와 원터치 방식으로 결합되어 정화처리중 전극이 전기부식되었을 경우 전극재고정장치(6)를 현장에서 용이하게 분리하여 전극(10) 교체가 가능하도록 되고, 상기 전극(10)은 철이나 탄소 등과 같이 값이 싸고 전도성이 높은 재질로 구성하고, 상기 전극부에는 물공급탱크(2)에서 일정한 물을 공급하기 위해 유입구(11)가 설치된다.
또한, 음극(-) 전극부(4)는 케이싱 내부에 pH 완충능과 중금속 흡착능이 우수한 탄산염이 주성분인 재료(예를 들면, 굴패각, 폐석고, 폐석회, 석탄회 등)와 염기 완충능을 보이는 황(S)과 철(Fe) 등을 함유한 재료를 혼합한 채움재(7)로 채워넣어 음극(-) 전극부에서 전기분해에 의해 발생하는 H+, OH- 이온의 시료내 유입 을 억제하여 정화 효율을 향상시키고, 중금속과 유기오염물의 흡착능이 큰 탄산염과 활성탄소섬유를 음극(-) 전극부에 설치하여 전기삼투에 의해 음극(-)으로 유출되는 폐수의 중금속 이온들을 흡착시켜 폐수의 부하를 감소시키도록 하였다.
전극부의 상부측에는 전기삼투에 의해 유출되는 폐수의 원활한 배수를 위해 유출구(12)가 설치되고, 양쪽 전극부 상부에는 전기분해에 의해 발생하는 O2와 H2 가스 배출을 위해 가스 배출구(13)가 설치된다.
도 3은 유기오염물로 오염된 동전기 지반(토양) 정화 처리를 위한 전극부의 구성을 나타내고 있다.
양극(+) 전극부(3)에는 pH 완충능이 우수한 탄산염이 주성분인 재료(예를 들면, 굴패각, 폐석고, 폐석회, 석탄회 등)를 채움재(7)로 채워넣어 양극(+)에서 전기분해에 의해 발생하는 H+ 이온을 전극부에서 중화시켜 시료 내 유입을 억제함에 따라 지반(시료)의 산성화에 따른 제타포텐셜의 양(+)으로 상승을 억제하여 전기삼투 효율(유속) 감소를 방지한다.
그리고 음극(-) 전극부(4)는 전기삼투에 의한 이류로 유출되는 폐수 중 유기오염물을 흡착할 수 있게 유기물 흡착능이 큰 활성탄소섬유(9)를 필터로 설치하여 전기삼투에 의해 유출되는 폐수의 유기오염물 부하를 감소시킴에 따라 후처리 비용을 절감할 수 있도록 구성된다.
또한, 양극과 시료 사이에 pH 완충능이 큰 석고텍스를 설치하여 유기오염물의 동전기 지반(토양) 정화 처리시 시료의 산성화에 따른 전기삼투 효율 감소를 억 제하여 유기오염물의 동전기 지반(토양) 정화 처리 효율을 증가시키도록 구성된다.
도 4는 원터치 전극재 고정장치(6)의 단면도로 전극을 고정하는 고정링(15)과 수밀성을 유지하기 위한 패킹(16), 고정링을 조정하는 슬리브(14)로 구성되고, 부식(腐蝕)에 따른 전극 교환은 슬리브(14)를 눌러 전극을 용이하게 교환할 수 있도록 되어 있다.
< 실시예 1 > pH 적정 실험
pH 적정 실험은 자연토와 석고텍스, 굴패각의 pH 완충능을 측정하여 채움재로써 각 재료를 평가하였다.
pH 적정 실험은 HNO3/NaOH를 이용하여 0, 0.01, 0.02, 0.04, 0.06, 0.08, 0.10, 0.12, 0.14, 0.16, 0.18, 0.20 mol/L의 농도를 갖는 산/염기 용액을 만들어 건조 시료와의 용액비를 1: 10으로 혼합하여 25℃에서 24시간 교반한 후, 혼탁액의 pH를 pH 미터를 이용하여 측정하였다.
XRF의 통한 각 재료의 화학 성분는 표 1에 제시한 바와 같다.
또한, 폐석고텍스는 폐기물공정시험법에 의한 용출시험에 의해 수십 %의 황이 검출되었다.
pH 적정 실험
SiO2 (%) AL2O3 (%) TiO3 (%) Fe2O3 (%) MgO (%) CaO (%) Na2O (%) K2O (%) MnO (%) P2O5 (%) LOI (%) 전체량 (%)
자연토 61.33 18.47 0.85 6.07 1.32 0.83 1.36 3.2 0.10 0.17 6.58 100.37
굴패각 0.67 0.13 - 0.34 0.79 52.98 1.23 0.08 - 0.14 44.53 100.89
석고텍스 10.42 1.34 0.18 1.60 3.65 32.28 0.05 0.49 0.05 0.20 28.2 78.55
도 6은 pH 적정 실험 결과를 나타낸 그래프이다.
일반적인 pH 완충능은 주입된 산/염기 용액에 대한 pH 변화폭을 나타내는 것으로 석고텍스가 산뿐만 아니라 염기 완충능에서도 가장 크게 나타났다. 이는 다음 식과 같이 석고텍스의 CaO와 S, Fe 성분에 의한 반응 때문이다.
CaO + 2H+ ---> Ca2+ + H2O (1)
FeS2 + 7Fe2(SO4)3 + 8H2O ---> 15FeSO4 + 8H2SO4 (2)
FeS2 + 7/2O2 + H2O ---> Fe2+ + 2SO4 2- + 2H+ (3)
즉, 식 (1)에 의해 산(H+)을 중화시키고, 식 (2)와 (3)에 의해 발생한 H2SO4와 SO4 2- 이온에 의해 염기(OH-)를 중화시킨다.
따라서, 본 실험을 통해 석고텍스를 채움재로 이용할 경우 양극(兩極)에서 전기분해에 의해 발생하는 H+, OH- 이온을 중화시킬 수 있게 되었다.
< 실시예 2 > 실내 pilot 스케일 실험
본 실시예는 본 발명의 전극부의 적용성을 평가하기 위해 기존의 동전기 지반(토양) 정화처리와 본 발명의 전극부를 사용한 향상된 동전기 지반(토양) 정화처리(이하 '향상된 동전기 지반(토양) 정화 처리')를 비교하여 정화효율을 비교하였다.
실시예에서 사용한 시험기는 도 5와 같이 시료를 담고 있는 박스형 토조(17)와 일정한 수위를 유지하기 위한 물공급탱크(2), 전기삼투 유량을 측정하기 위한 집수병(18), 전원공급장치(1), 전극부(3.4) 등으로 구성되고 있다.
대상 시료는 자연토를 자갈과 같이 굵은 입자에 의한 실험적 영향을 최소화하기 위해 2mm 체에 체가름하여 사용하였고, KS F에 의한 기본 물성치는 표 2와 같다.
대상 오염물은 「토양환경보전법」에서 유해 물질로 규정하고 있는 중금속 중 토립자와의 흡착능이 큰 납을 사용하였고, 초기 오염농도는 「토양환경보전법」에서 가지역(전, 답, 과수원, 목장용지, 임야, 학교용) 오염물 기준 농도로 설정하는 대책기준 400mg/kg 이상인 691.5mg/kg으로 설정하였다. 중금속의 동전기 지반(토양) 정화 처리를 위해 사용된 전극부는 도 2와 같이 음극(-) 전극부(4)에 탄산염이 주성분인 굴패각과 석고텍스를 중량비로 5:5로 혼합한 채움재(7)로 사용하였다. 굴패각은 서해안에서 채취하여 수돗물에 세척하여 사용하였고, 석고텍스는 분쇄하여 2mm 체에 체가름하여 사용하였고, 화학 성분치는 표 1과 같다.
자연토의 기본 물성치
특성 특성
흙의 분류 ML 액성한계(LL) 35.6%
비중 2.65 소성한계(PL) 26.94%
초기 pH 5.98 소성지수(PL) 8.66
실험조건
오염물 초기 오염농도 가동기간 전압 시료
기존 동전기 지반(토양) 정화 실험 납 650.49 mg/kg 60 일 45 V 자연토
본 발명의 동전기 지반(토양)정화 실험 납 691.5 mg/kg 60 일 45 V 자연토
실험 중 전압 분포와 전기삼투 유량을 측정하였고, 실험이 종료된 후, 시료를 5cm 간격으로 나누어 각 부분의 pH 변화와 납농도를 분석하였다.
시료 농도는 토양오염공정시험법의 전처리를 통해 채취한 용액을 ICP-AES(Jovon Yvon JY-24)를 이용하여 분석하였다.
도 7은 종래 동전기 지반(토양) 정화 실험이 종료된 후, 시료 내 pH 분포를 나타낸 것으로, 양극(+) 전극부 근처에서는 pH 2-3로 산성화되었고, 음극(-) 전극부 근처에서는 pH 10-11로 염기화되었다. 이는 전기분해에 의해 발생하는 H+, OH- 이온의 영향으로 판단된다.
그러나, 향상된 동전기 지반(토양) 정화 실험이 종료된 후에는 도 8에 나타낸 것처럼 음극(-) 전극부 근처에서 pH 7-8로 강염기 현상을 보이지 않았는데, 이는 식 (2)와 같이 석고텍스의 S(황)과 Fe(철)에 의한 반응으로 생성된 H2SO4와 SO 4 2- 에 염(OH-) 완충능에 의한 것이다.
도 9는 종래 동전기 실험이 종료된 후, 시료 내 납농도 분포를 나타낸 것으로, 양극(+) 근처에서는 전기분해에 의해 발생하는 H+ 이온의 영향으로 토립자 표면에 흡착된 중금속이 탈착되어 정전기적 인력에 의한 전기이온이동과 전기삼투에 의한 이류, 분산 등에 의해 제거된 것을 알 수 있다.
또한, 음극(-) 전극부로 근처에서는 전기분해에 의한 발생되는 OH- 이온의 영향으로 이동중인 중금속이 수산화 침전되어 누적된 것을 알 수 있다.
그러나, 향상된 동전기 지반(토양) 정화 실험에서는 도 10과 같이 음극(-) 전극부 근처에서 누적현상을 보이지 않았다. 이는 도 8에 나타낸 pH와 같이 음극(-) 전극부에서 전기분해에 의해 발생하는 OH- 이온을 시료 내에 유입되는 것을 억제하였기 때문이다.
본 발명에서 개발한 전극부에 의해 음극(-) 전극부 근처에서 누적되어 정화효율이 감소하는 것을 방지할 수 있었다.
또한, 향상된 동전기 지반(토양) 정화 실험에서는 전기삼투에 의해 발생하는 유출수의 납농도는 0ppm으로 분석기기의 검출한계 미만으로 검출되지 않았는데, 이는 굴패각과 폐석고텍스의 탄산염과 수산화물의 형성과 굴패각의 세공 내에서의 침전 작용과 중금속 이온에 의한 Ca 이온과의 치환에 의한 이온교환작용 등에 의해 전극부에서 대부분의 중금속 이온들이 흡착되었기 때문이다.
따라서, 폐수의 방류나 재활용시 별도의 폐수처리를 거치지 않고 사용할 수 있는 것이다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 중금속과 유기오염물로 오염된 세립질 지반의 동전기 지반(토양) 정화 처리시 다음과 같이 정화 효율을 향상시킬 수 있다.
1) 중금속으로 오염된 지반
음극(-) 전극부에 염기(OH-) 완충능과 중금속 흡착능이 큰 재료를 채움재로 이용하여 전기분해에 의해 발생하는 OH- 이온의 시료 내 유입을 억제하여 음극(-) 전극부 근처에서 수산화 침전에 따라 정화효율 감소를 방지할 수 있고, 음극(-) 전극부로 전기삼투에 의해 유출되는 폐수의 중금속 부하를 감소하여 후처리 비용을 절감할 수 있게 된다.
2) 유기오염물로 오염된 지반
양극(+) 전극부에 산(H+) 완충능이 큰 탄산염이 주성분인 재료(예를 들어, 굴패각, 폐석고, 폐석회, 석탄회 등)를 채움재로 이용하여 전기분해에 의해 발생하는 H+ 이온을 전극부에서 중화시켜 시료 내 유입을 억제함에 따라 지반의 산성화에 따른 전기삼투 유속 감소를 방지할 수 있고, 음극(-) 전극부에 설치한 활성탄소섬유에 의한 전기삼투에 의해 유출되는 폐수의 유기오염물 부하를 감소하여 후처리 비용을 절감할 수 있게 된다.
또한, 양극과 시료 사이에 pH 완충능이 큰 석고텍스를 설치하여 유기오염물의 동전기 지반(토양) 정화 처리시 시료의 산성화에 따른 전기삼투 효율 감소를 보이지 않아 유기오염물의 동전기 지반(토양) 정화 처리 효율을 증가시킬 수 있게 되었다.
3) 폐기물의 재활용
탄산염과 황(S), 철(Fe) 등의 함유한 굴패각, 폐석고, 폐석회, 석탄회, 폐석고텍스 등의 폐기물의 전극부의 채움재로 재활용 가능하게 되는 등의 이점이 있게 된다.

Claims (3)

  1. 중금속과 유기오염물로 오염된 세립질 지반(토양)에 하나 또는 그 이상의 양극(+) 전극부와 음극(-) 전극부를 대향 배치하여 양쪽 전극부(3.4)사이에서 발생되는 정전기를 이용하여 오염된 동전기 지반(토양)을 정화하는 것에 있어서,
    상기 음극(-) 전극부로 유출되는 폐수의 부하를 감소시키기 위해 pH 완충능이 큰 탄산염과 황(S), 철(Fe)을 함유한 폐석고텍스를 음극(-) 전극부의 채움재로 사용하여 음극(-) 전극부에서 전기분해에 의해 발생하는 H+, OH- 이온의 유입을 억제하여 정화 효율을 향상시키는 것을 특징으로 하는 유기오염물로 오염된 동전기 지반(토양) 정화 처리시스템.
  2. 중금속과 유기오염물로 오염된 세립질 지반(토양)에 하나 또는 그 이상의 양극(+) 전극부와 음극(-) 전극부를 대향 배치하여 양쪽 전극부(3.4)사이에서 발생되는 정전기를 이용하여 오염된 동전기 지반(토양)을 정화하는 것에 있어서,
    중금속과 유기오염물의 흡착능이 큰 탄산염이 주성분인 굴패각, 폐석고, 폐석회, 석탄회 중에서 선택된 어느 하나 또는 그 이상이 혼합된 재료와 활성탄소섬유재 필터를 음극(-) 전극부에 설치하여 전기삼투에 의해 유출되는 폐수의 부하를 감소시키는 것을 특징으로 하는 유기오염물로 오염된 동전기 지반(토양) 정화 처리시스템.
  3. 유기오염물로 오염된 세립질 지반(토양)에 하나 또는 그 이상의 양극(+) 전극부와 음극(-) 전극부를 대향 배치하여 양쪽 전극부(3.4)사이에서 발생되는 정전기를 이용하여 오염된 동전기 지반(토양)을 정화하는 것에 있어서,
    전기분해에 의해 발생하는 H+ 이온의 유입을 억제하여 지반의 산성화에 따른 전기삼투 유속 감소를 억제하기 위해 산(H+) 완충능이 큰 탄산염이 주성분인 굴패각, 폐석고, 폐석회, 석탄회 중에서 선택된 어느 하나 또는 그 이상이 혼합된 재료를 양극(+) 전극부 채움재로 이용하고, 폐수의 부하를 감소시키기 위해 유기오염물의 흡착능이 우수한 활성탄소섬유 필터를 음극(-) 전극부에 설치하는 것을 특징으로 하는 유기오염물로 오염된 동전기 지반(토양) 정화 처리시스템.
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