KR20090044514A - 인위적 중금속 오염토양의 정화를 위한 고도 선별처리 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 사격장 지역과 도로주변 및 산업지역 등과 같이 인위적으로 중금속 오염된 토양의 복원 및 정화 방법에 관한 것으로서, 오염 토양 중에 함유된 중금속 물질과 일반토양의 광물학적, 물리ㆍ화학적 특성 차이를 이용하여 중금속과 일반토양을 분리ㆍ선별하는 기술이다. 본 발명은 2차 오염원의 발생이 없고 선별된 정화토양은 재이용할 수 있으며 화학적 처리나 열적처리, 생물학적 처리 방법에 비하여 적용범위가 넓고 경제적이며 단시간 내 대량처리가 가능한 방법으로, 사격장이나 산업지역 등의 중금속 오염토양에 대한 활용도가 높을 것으로 기대된다.

중금속 오염토양, 고도 선별처리, 비중선별, 부유선별, 습식 사이클론, 자력선별

Description

인위적 중금속 오염토양의 정화를 위한 고도 선별처리 방법{THE SEPARATION AND SORT PROCESS FOR PURIFYING ARTIFICIAL HEAVY METAL CONTAINING SOIL}

본 발명은 인위적으로 중금속이 오염된 토양의 복원 및 정화 방법에 관한 것으로서, 오염 토양 중에 함유된 중금속 물질과 일반토양의 광물학적, 물리ㆍ화학적 특성 차이를 이용하여 중금속과 일반토양을 분리ㆍ선별하는 기술이다.

본 발명은 인위적으로 발생된 중금속 오염토양의 정화 및 복원에 관한 것이다. 보다 상세하게는 사격장 지역이나 도로주변, 산업지역 등과 같이 인위적으로 중금속이 오염된 토양을 고도 선별처리 하는 방법으로 중금속 물질만을 선별적으로 분리하여 중금속 오염토양을 정화, 복원시키는 방법에 관한 것이다.

현재까지 개발된 오염토양의 정화 및 복원방법으로는 토양세척, 미생물을 이용한 생물학적 처리, 산 침출 등과 같은 화학적 처리, 열 탈착 및 용융법 등과 같은 열적처리, 동전기를 이용한 전기적 처리, 고화제를 이용한 불용화 및 안정화 방법 등이 있다. 상기 방법들 중 토양세척, 미생물처리, 산 침출 등은 유류 오염토양의 정화에는 효율적인 방법이나, 사격장 지역이나 도로주변, 산업지역등과 입자상의 중금속이 혼입되어 오염된 토양의 경우에는 토양세척방법에 의해서는 중금속물 질의 제거가 불가능하다. 또한 미생물이나 전기적 처리방법의 경우 중금속 물질들이 이온화 되어야만 처리가 가능한데, 입자상으로 존재하는 중금속 물질들은 자연 상태에서 이온화되기 어려운 특성을 갖고 있다. 산 침출 방법은 중금속물질을 산 용액에 용해시켜 분리ㆍ선별하는 방법인데, 중금속 물질들이 조대 입자상으로 존재하는 경우 경제성 및 폐수 처리 등의 문제점으로 현실적으로는 적용이 불가한 것으로 알려져 있다. 열 탈착 및 용융법 등과 같은 열적 처리방법은 유류나 유기물 오염토양의 정화에는 효과가 우수한데, 중금속 오염토양의 경우에는 중금속의 용출율은 저하시킬 수 있으나, 원천적인 제거는 불가능하다.

이와 같이 입자 상태로 존재하는 중금속에 의하여 오염된 토양의 경우, 정화나 복원에 있어서 현재까지 개발된 기술로는 효율성과 경제성 면에서 한계가 있는 실정이다.

본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 인위적인 중금속 오염토양에 대하여 오염 원인물질인 중금속과 일반토양의 성상 및 특성차이를 이용하는 고도 선별처리에 의한 중금속 오염토양의 정화 및 복원 방법을 제공하는데 목적이 있다. 즉, 일반토양보다 비중이 높은 입자상의 고비중 중금속 물질은 비중선별법에 의하여, 미세한 중금속 입자들은 습식 사이클론 방법에 의하여, 표면이 소수성인 중금속 입자들은 부유선별법에 의하여 오염토양에 함유되어 있는 중금속 물질을 원천적이고 효율적으로 분리ㆍ선별할 수 있다.

본 발명은 사격장 지역이나 도로주변, 산업지역의 중금속 오염토양을 정화하는 방법으로 하기 도 1에 도시된 인위적 중금속 오염토양의 처리도를 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 군부대나 민간사격장 지역에서는 탄피, 탄두, 산탄 등에 함유된 구리나 납 등과 같은 중금속이 토양을 오염시키고 있으며, 도로주변이나 산업지역 등에서는 인위적으로 배출된 미세한 입자크기를 갖는 중금속 물질 등이 토양을 오염시키는 주원인 물질이다. 본 발명에서는 상기와 같은 인위적 중금속 오염 물질을 분리ㆍ선별하기 위하여, 전처리 단계로써 인위적 중금속 오염토양 중에 함유되어 있는 돌, 자갈 및 나무뿌리 등으로 구분되는 이물질을 분리ㆍ선별하는 체가름 단계(S10)를 실시한다. 체가름 단계에서는 체망을 사용하는데, 체망의 크기는 필요에 의해 선택할 수 있지만 통상적으로 1 ~ 10mm의 체망을 사용하고, 더 바람직 하게는 4 ~ 6mm의 체망을 사용하여 토양 중에 함유되어 있는 돌, 자갈, 나무뿌리 등과 같은 이물질을 분리하여 중금속 물질의 선별 효율을 향상시킨다.

사격장 지역의 중금속 오염 원인물질인 탄피, 탄두, 산탄 등의 물질은 풍화 및 산화 정도에 따라 다양한 크기를 갖는 입자상으로 존재하며, 도로주변이나 산업지역 중금속 오염토양에는 미세한 입자크기의 다양한 중금속 물질들이 함유되어 있다. 이러한 중금속 입자들 중 일부는 장기간 시간이 경과함에 따라 미세한 입자크기의 산화물로 존재하기도 한다. 이러한 입자상태의 중금속 물질과 중금속 산화물의 경우에는 일반 토양과는 서로 다른 광물학적, 물리ㆍ화학적 특성을 갖고 있다.

따라서 본 발명에서는 인위적 중금속 오염토양에 대하여 상기의 체가름 단계 후 지그(Jig)형과 나선(Spiral)형 및 테이블(Table)형 비중선별 장치로부터 선택된 것을 이용하여 중금속 물질을 분리ㆍ선별하는 비중선별 단계(S20)를 포함하는 것을 특징으로 하는 고도 선별처리 방법을 이용하였다. 비중선별 장치는 선별 원리나 형태에 의하여 여러 가지로 분류되나, 비교적 조대 중금속 입자가 함유되어 있는 사격장 지역 오염토양의 경우는 지그(jig)형 비중선별기, 미세한 중금속 입자가 함유되어 도로주변이나 산업지역의 중금속 오염토양에는 나선(spiral)형 비중선별기 또는 테이블(Table)형 비중선별 장치의 채택이 효과적이다.

통상적인 일반 토양은 비중이 2.6 이하인 반면, 중금속 입자 및 산화물의 경우 비중이 3.0 이상이다. 이러한 고비중의 중광물(중금속 물질)을 경광물과 분리ㆍ선별하기 위하여 비중이 2.6 초과이고 20.0 미만인 중광물을 분리ㆍ선별하고, 더욱 바람직하게는 3.0 초과이고 10.0 미만인 중광물을 분리ㆍ선별한다. 본 발명에서는 지그형 비중선별기를 사용하는 것이 바람직하며, 이 때 맥동수 100 ~ 500회/분, 더욱 바람직하게는 200 ~ 400회/분으로 하며, 광액농도는 5 ~ 20wt.% 고체, 광액 공급 속도는 1 ~ 10리터/분의 조건으로 비중선별을 실시한다. 비중선별에서 분리ㆍ선별된 중광물은 함유된 금속성분의 품위를 고려하여 금속회수시 경제성이 인정되면 제련에 의하여 금속을 회수하고, 경제성이 없을 경우에는 불용화 또는 안정화 방법에 의하여 매립 처리 한다.

상기 비중선별 단계(S20)를 거쳐 분리ㆍ선별된 경광물 중 150메쉬(0.106mm)이상의 조대입자에는 중금속 물질이 거의 함유되어 있지 않으나, 150메쉬 이하의 미립입자에는 미립의 중금속 물질과 중금속 산화물이 일부 포함되어 있다. 이러한 현상은 비중선별 특성 상, 입자크기가 미세할수록 분리ㆍ선별효율이 저하되기 때문이다. 따라서 본 발명에서는 중금속 물질이 거의 함유되지 않은 조대입자와 중금속이 일부 함유된 미세입자를 분리하기 위하여 원심력과 중력의 힘에 의하여 입자크기별로 분리가 가능한 습식 사이클론 단계(S30)를 수행하여, 100 ~ 200메쉬를 분급점으로 설정하여 미세입자(fine particle)와 조대입자(coarse particle)를 분리 ㆍ선별할 수 있으며, 더 바람직하게는 150메쉬를 기준으로 미세입자와 조대입자를 분리ㆍ선별할 수 있다. 습식 사이클론에 의하여 분리된 조대입자 산물은 중금속의 함유량이 매우 낮으므로 정화토양으로 재이용하거나 산업원료 소재로 재활용할 수 있다.

또한 상기 습식 사이클론 단계(S30) 이후에 분리된 미세입자는 소수성 중금속 물질의 추가적인 분리ㆍ선별을 하기 위해 부유선별 단계(S40)를 실시한다. 상기 부유선별 단계(S40)는 인위적 중금속 오염토양에 대하여 선별 효율을 향상시키기 위해 함유된 중금속의 종류에 따라 적합한 기포제 및 포수제 등을 포함하는 부선시약을 첨가하여 분리ㆍ선별하는 것을 특징으로 한다. 상기의 부유선별을 위해 사용되는 기포제는 파인유(pine oil), 지방족 알콜류, 글리콜류 등이 사용가능하고, 포수제는 기름, 지방산(fatty acids), 인산염, 아민염 등이 사용가능하며, 이들에 제한되는 것은 아니다. 더 바람직하게는 포수제로 Aerofroth 242 프로모터와 Aerofroth 407 프로모터(Cyanamid사)를 톤당 100g ~ 300g 첨가하며, 기포제로 메틸이소부틸카르비놀(MIBC, 4-메틸-2-펜탄올)을 톤당 50g ~ 100g 첨가하여 조건부여 1 ~ 10분, 부선시간 5 ~ 20분으로 하여 실시한다.

중금속 물질의 다량 함유된 부유 산물은 시멘트 부원료나 세라믹스 원료 등으로 재활용하거나 안정화 처리하여 매립한다. 부유선별 단계(S4)에서의 침강산물은 중금속의 함유량이 낮으므로 각종 산업원료로 재활용하거나 정화토양으로 재이용 될 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기와 같은 단계로 인위적 중금속 오염토양을 정화하는 방법으로 제시한 것은, 중금속 오염물질을 분리ㆍ선별하는데 있어서 본 발명의 과정이 가장 효율적이고 경제적인 비용으로 실시할 수 있다는 데에 있다. 상기 각 단계의 순서를 바꾸어 실시한 결과 중금속 오염물질이 순수하게 분리ㆍ선별되지 않았으며, 시간도 오래 소요되며 그에 따른 비용도 상당하였던 바, 본 발명을 제시하게 되었다. 또한, 본 발명은 최종 단계인 부유선별 단계(S40)에 이르기까지 중금속 오염물질을 거의 완전히 분리해 내어 중금속 오염물질이 포함되지 않은 정화토양과 분리ㆍ선별할 수 있는 방법을 제공함으로 본 발명의 단계가 합리적임을 제시한다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명은 사격장 지역과 도로주변 및 산업지역 등과 같이 인위적으로 중금속이 오염된 토양의 복원 및 정화 방법에 관한 것으로서, 토양 중에 함유되어 있는 중금속 물질과 일반 토양의 성상 및 특성차이를 이용하여 중금속 물질만을 선별적으로 분리하여 중금속 물질을 원천적으로 제거할 수 있으며, 2차 오염원의 발생이 없고 선별된 정화토양은 재이용할 수 있는 특징을 갖고 있다. 상기와 같은 고도 선별처리 방법은 화학적 처리나 열적 처리, 생물학적 처리 방법에 비하여 적용범위가 넓고 경제적이며 단시간 내 대량처리가 가능한 방법으로, 사격장이나 산업지역 등의 중금속 오염토양에 대한 활용도가 높을 것으로 기대된다.

이하, 본 발명을 구체적인 실시 예에 의해 보다 더 상세히 설명하고자 한다. 하지만, 본 발명은 하기 실시 예에 의해 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 사상과 범위 내에서 여러 가지 변형 또는 수정할 수 있음은 이 분야에서 당업자에게 명백한 것이다.

상기 방법에 의하여 실제 인위적 중금속 오염토양인 사격장 지역 오염토양에 대하여 고도 선별처리를 실시하였는데, 상기 시료에 대하여 ICP(JY-38, Jobin-Yvon, France)를 이용하여 화학 성분 조성을 조사하였다 실시 예에 사용된 중금속 오염토양의 중금속 함유량은 하기 표 1과 같다.

[표 1]

[실시 예1]

상기 표 1의 중금속 오염토양 시료에 대하여 수중에서 고비중 물질과 저비중 물질의 침강속도의 차이를 이용하여 비중이 서로 다른 두 물질을 분리ㆍ선별할 수 있는 다이어 플램 지그(Jig)형 비중선별기를 사용하여 맥동수 300회/분, 광액농도 10wt.% 고체, 광액 공급 속도 5 리터/분의 조건으로 비중선별을 실시하여 경광물과 중광물(중금속 물질)을 분리하였다. 중금속 물질을 분리ㆍ선별한 결과는 하기 표 2와 같다. 중금속 물질로 전체 중량대비 1.13wt%가 분리되었는데, 분리ㆍ선별된 중광물(고비중 중금속 물질)에는 중금속 성분이 집중적으로 분포되는 특성을 나타내었다. 분리ㆍ선별된 중금속 물질은 구리 품위가 27.20wt%, 납이 14.00wt%로 품위가 매우 높기 때문에 제련방법에 의하여 이들 금속 성분을 회수하여도 경제성이 있을 것으로 판단된다.

[표 2]

[실시 예2]

상기 표 2에서 얻어진 경광물 시료에 대하여 습식방법으로 부유선별을 실시하는데, 분급점을 0.1mm로 설정하여 습식 사이클론에 의하여 0.1mm 이하 산물만을 취하여 부유선별을 실시함으로써 소수성 중금속 물질을 분리ㆍ선별하였다. 부유선별은 입자표면이 소수성을 띄고 있는 중금속 물질을 광액의 와류에 의하여 형성되는 기포에 부착시켜 부유시키고, 입자 표면이 친수성인 일반토양은 침강시켜 두 물질을 분리하는 것으로, 기포의 발생력을 향상시켜 주는 기포제, 소수성 중금속 입자 표면에 흡착되어 기포에 부착되도록 가교 역할을 하는 포수제 등이 첨가된다. 본 실시 예에서는 기포제로 메틸이소부틸카르비놀(MIBC, 4-메틸-2-펜탄올)을 톤당 80g, 포수제로 Aerofroth 242 프로모터와 Aerofroth 407 프로모터(Cyanamid사)를 각각 톤당 200g씩 첨가하여 조건부여 5분, 부선시간 10분으로 하여 실시하였는데, 분리ㆍ선별 결과는 하기 표 3과 같다. 중금속 물질로 전체 중량대비 3.19wt%가 분리ㆍ선별되었는데, 이 산물은 크롬 108ppm, 구리 1,500ppm, 니켈 53ppm, 아연 466ppm, 납 6,900ppm을 함유하고 있어 경광물 보다 매우 많은 중금속이 함유되어 있음을 알 수 있다.

[표 3]

[실시 예3]

상기 표 1의 중금속 오염토양 시료에 대하여 하기 도 1의 종합 처리 방법에 의한 중금속 오염 토양의 정화 결과는 하기 표 4와 같다. 하기 도 1과 같이 인위적 중금속 오염토양에 대하여 체가름 단계(S1O), 비중선별 단계(S2O), 습식 사이클론 단계(S3O), 부유선별 단계(S4O)를 실시하였는데, 체가름 단계(S10)에서는 습식방법으로 5mm의 체망을 가진 진동스크린을 사용하였고, 비중선별 단계(S20)에서는 맥동수가 분당 300회인 다이어플램 지그형 비중선별기를 사용하여 광액농도 10wt.% 고체, 광액 공급 속도 5리터/분의 조건으로 실시하였다. 습식 사이클론 단계(S30)에서는 분급점을 150메쉬(0.106mm)로 설정하였으며, 부유선별 단계(S40)에서는 기포제로 메틸이소부틸카르비놀(MIBC)을 톤당 80g, 포수제로 Aerofroth 242 프로모터와 Aerofroth 407 프로모터(Cyanamid사)를 각각 톤당 200g씩 첨가하여 분리ㆍ선별을 실시하였다.

상기 단계를 실시한 결과, 중금속 물질로 비중선별 중광물 2.84wt.%, 부유선별 부유산물 2.43wt.% 등 총 5.27wt.%, 정화토양으로는 습식 사이클론 조대입자 73.06wt.%, 부유선별 침강산물 21.67.wt%등 총 94.73wt.%가 분리ㆍ선별되었다.

분리ㆍ선별된 중금속 물질은 중금속의 함유량이 매우 높은 반면, 정화토양은 중금속 함유량이 매우 낮은 특성을 나타내었다. 따라서 인위적 중금속 오염 토양의 정화 및 복원 방법으로 비중선별, 부유선별, 습식 사이클론 단계 등을 포함하는 고도 선별 처리 방법이 매우 효과적임을 알 수 있다.

[표 4]

도 1은 인위적 중금속 오염토양의 처리도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

S1O : 체가름 단계

S2O : 비중선별 단계

S3O : 습식 사이클론 단계

S4O : 부유선별 단계

Claims (5)

1. 인위적 중금속 오염토양에 대하여 지그(Jig)형과 나선(Spiral)형 및 테이블(Table)형 비중선별 장치로부터 선택된 것을 이용하여 중금속 물질을 분리ㆍ선별하는 비중선별 단계(S20)를 포함하는 것을 특징으로 하는 고도 선별처리 방법.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 비중선별 단계(S20)에서 비중이 3.0 초과이고 10.0 미만인 중금속 물질을 비중선별에 의하여 분리ㆍ선별하는 것을 특징으로 하는 고도 선별처리 방법.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 비중선별 단계(S20) 후, 중금속 물질이 함유되어 있지 않은 조대입자와 중금속 물질을 함유한 미세입자를 분리ㆍ선별하기 위하여 중력과 원심력에 의하여 입자크기를 분리하는 습식 사이클론 단계(S30)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고도 선별처리 방법.
4. 제 3항에 있어서,

   상기 습식 사이클론 단계(S30) 이후에 분리된 중금속 물질 함유 미세입자에 포함되어 있는 소수성 중금속 물질을 분리ㆍ선별하는 부유선별 단계(S40)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고도 선별처리 방법.
5. 제 4항에 있어서,

   상기 부유선별 단계(S40)는 인위적 중금속 오염토양에 대하여 함유된 중금속의 종류에 따라 적합한 포수제 및 기포제 등을 포함하는 부선시약을 첨가하여 분리ㆍ선별하는 것을 특징으로 하는 고도 선별처리 방법.

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