KR20100094839A

KR20100094839A - 전기역학적 방법에 의한 퇴적토에서의 중금속 제거 방법

Info

Publication number: KR20100094839A
Application number: KR1020090014014A
Authority: KR
Inventors: 백기태; 류병곤; 박성우; 조정민; 김경조; 양중석; 고성환
Original assignee: 금오공과대학교 산학협력단; 주식회사 에코필
Priority date: 2009-02-19
Filing date: 2009-02-19
Publication date: 2010-08-27

Abstract

본 발명은 전기역학적 정화기술을 이용하여 중금속을 함유하고 있는 퇴적토에서 중금속을 제거함으로써 퇴적토가 폐기물이 아닌 유용한 자원과 유사 토양으로서의 기능을 가지도록 하는 방법에 관한 것이다.

전기역학, 퇴적토, 중금속, 제거, 유기물

Description

전기역학적 방법에 의한 퇴적토에서의 중금속 제거 방법{Removal Method of Heavy Metals from the Sediments using Electrokinetics}

본 발명은 퇴적토에서 중금속을 제거하는 방법, 특히, 전기역학적 정화기술을 이용하여 중금속을 함유하는 퇴적토에서 중금속을 제거함으로써 퇴적토가 폐기물이 아닌 유용한 자원과 유사 토양으로서의 기능을 가지도록 하는 방법에 관한 것이다.

강이나 하천, 그리고 강의 하구와 인접한 해안은 상류에서 하천의 흐름을 따라 함께 이동해온 미세토사가 지속적으로 쌓이게 된다. 미세토사가 충적되어 형성된 것이 퇴적토이다. 퇴적토에는 유기물이 다량 함유되어 있고, 영양분이 풍부하여 강이나 호수에서 부영양화를 일으키는 원인이 되기도 한다. 특히 농경지가 많은 강이나 호수의 퇴적토에서는 인을 다량하고 여름철 플랑크톤의 과다번식의 직접적인 원인이 되기도 한다.

도로 등이 발달하면서 도로가 주요 비점오염원으로 작용하고 있다. 도로가에는 타이어의 마모에 의해 중금속을 함유한 미세토사나 먼지가 다량 존재하며, 이러한 미세토사는 빗물에 씻겨 강이나 하천으로 유입되고 퇴적토는 중금속을 함유하게 된다. 또한 강의 상류지역에 최근 많은 사회적 문제가 되고 있는 휴광산이나 폐광산이 존재하면 이들 광산으로부터 광물찌꺼기가 유실되고 하천의 흐름을 따라 이동하게 된다. 이렇게 이동된 광물찌꺼기는 퇴적토의 형태로 강이나 하천의 바닥에 쌓이게 된다.

이들 퇴적토에 함유된 영양분과 중금속 등은 재 부유, 용출의 형태로 수중으로 녹아 나와 하천 생태계를 위협하고 있다. 지속적인 이동으로 해안까지 이송된 퇴적토는 강하구 근처에서 유속이 느려지면서 점진적으로 퇴적되어 강이나 바다의 밑바닥에 쌓여 강이나 바다의 수심을 낮추는 역할을 하며, 지속적인 중금속 용출로 근처의 생태계에도 악 영향을 주고 있다.

이러한 퇴적토는 일반적으로 준설되는데, 준설된 퇴적토에는 중금속이나 유기 오염물질 다량 함유되어 있어 처리가 쉽지 않다. 해양 준설 퇴적토는 고화처리하여 심해에 다시 버리는 방식을 취하고 있다. 그러나 해양환경에서의 안정성을 확신할 수 없기 때문에 오염물질의 분리가 보다 타당한 방법이다. 하천이나 강에서 준설된 퇴적토는 매립되는 것이 일반적이다.

그러나, 퇴적토는 미세토양으로 건설현장 등에 재활용될 수 있는 유용한 자원이다. 준설된 퇴적토에서 오염물질만 효과적으로 분리하면 여러 가지 용도로 사용될 수 있다.

미세토양에서 이온성 성분을 제거하는 방법으로 전기역학적 방법이 있다. 이 방법은 다공성 물질에 직류 전류를 가해주면 다공성 물질에 있는 간극수를 통하여 이온이 전기이동과 전기삼투 및 전기영동에 의해 이동하여 제거되는 방법이다. 전 기역학적 정화는 중금속으로 오염된 미세 토양의 정화에 널리 사용되는 방법이다. 중금속의 주성분이 나트륨과 염소이온이며, 이들은 물에 대한 용해도가 매우 크고 토양과의 반응이 적기 때문에 전기역학적 방법에 의해 쉽게 이동시켜 제거할 수 있다. 전기역학적 정화는 미세 토양에 적용하는 것이 가장 장점을 가진다고 알려져 있다. 퇴적토는 미세토양이며 적절한 함수율을 가지고 있기 때문에 이러한 퇴적토에서 이온성 물질인 중금속을 전기화학적으로 제거하는 것이 가능하다.

전기역학적 방법을 이용하는 동전기정화기술은 오염물질을 전기삼투, 전기이동, 전기영동의 기작에 의해 이동시켜 제거하는 방법이다. 동전기 정화기술은 중금속의 제거에 가장 효과적인 것으로 알려져 있다. 동전기정화기술은 특히 투수계수가 매우 낮은 점토질 토양에서도 효과적으로 오염물질을 이동시켜 제거할 수 있는 장점이 있다.

퇴적토는 입자가 미세한 유사토양이기 때문에 전기역학적 정화 기술을 활용하여 효과적으로 제거할 수 있다.

본 발명에서는 전기화학적 방법에 의해 퇴적토에서 중금속을 제거하는 방법을 제공하여 퇴적토가 폐기물이 아닌 유용한 자원과 토양으로서의 기능을 가지도록 하고자 한다.

본 발명의 목적은 중금속을 함유하는 퇴적토에서 동전기정화기술의 장점을 이용하여 중금속을 용이하게 제거함으로써 퇴적토가 폐기물이 아닌 유용한 자원과 토양으로서의 기능을 지니도록 하는데 있다.

본 발명은 상기 목적을 달성하기 위해서 중금속을 함유하는 토양을 음극실과 양극실 및 토양셀이 구비된 중금속제거 장치에 넣고 동전기 기술에 의해서 전류를 가하여 중금속을 제거하는 방법을 제공하고 있다.

본 발명의 방법에 따르면, 중금속을 함유하는 토양, 즉, 퇴적토를 동전기 기술을 이용하여 정화시킴으로써 중금속 함유 토양을 용이하고 효율적으로 정화시키는 이점이 있다.

본 발명은 중금속을 함유하는 퇴적토를 정화시키는 방법으로서, 중금속을 함유하는 퇴적토를 양쪽 단부에 양극이 있는 양극실과 음극이 있는 음극실이 각각 구비되어 있는 전기역학적 정화 시스템에 넣는 단계; 및 전류밀도가 0.1 mA/cm² 내지 10 mA/cm²이거나 전압경사가 0.1 내지 2 V/cm가 되도록 상기 전극에 전류를 공급하면서, 순환수를 양극실 또는 음극실에 공급하고, 양극실 또는 음극실에서 전기장 하에서 전기삼투, 전기영동, 전기이동 현상에 의해 퇴적토로부터 중금속(양이온성)은 음극으로 유기물과 결합하여 전체적인 전하가 음전하를 띠는 복합체는 양극으로 이동시키는 단계를 포함하여, 중금속을 함유하는 퇴적토에서 중금속을 제거하는 방 법을 제공하고 있다.

본 발명의 방법에서 바람직하게는 순환수를 일반적인 물, 예를 들어, 수돗물일 수 있다.

전기역학적 제거기술에서 양이온은 음극으로 이동하며, 음이온은 양극으로 이동한다. 토양의 pH가 낮아지면 일반적인 중금속의 제거율이 증가하기 때문에, 본 발명의 방법에서는 음극에서 물의 전기분해로 발생하는 OH^- 이온의 영향을 최소화시키기 위해 음극실을 질산용액으로 순환시켜 준다. 질산용액 외에도 염산, 황산, 아세트산과 같은 다양한 산성용액을 사용할 수 있다. 본 발명의 방법에서 양극에는 전해질을 공급해 주기위해 질산나트륨 용액으로 양극실을 순환시켜 준다. 전해질은 전기화학적 반응에 의해 전극의 부식을 야기하지 않는 것이 바람직하다.

전극은 전기역학적 정화에서 가장 많은 비용을 차지하는 재료이다. 양극에서는 일반적으로 pH가 낮아 부식 작용이 강하게 일어난다. 퇴적토에는 Cl^-가 많이 포함되어 있어 부식작용이 더욱 강하게 일어난다. 전극의 부식은 전체적인 처리 비용을 상승을 초래하기 때문에 불용성 전극인 백금 코팅 티나늄을 양극으로 사용한다. 탄소전극도 불용성 전극으로 알려져 있으나, 강한 산성에서는 전해질이 검은색으로 변화되어 탄소가 부식되는 것을 확인할 수 있다. 음극으로는 탄소전극을 사용한다.

본 발명의 방법에서 이용되고 있는 동전기 기술에서 전류밀도는 0.1 mA/cm² 내지 10 mA/cm²일 수 있으며, 이러한 전류밀도는 0.1 mA/cm² 미만인 경우 중금속제 거 효율이 낮아져 바람직하지 않으며 10 mA/cm²를 초과하는 경우에는 안전성 및 경제성이 좋지 않아 바람직하지 않다. 유사하게, 동전기 기술에서의 전압경사는 0.1 내지 2V/cm가 바람직하다.

이하 본 발명을 실시예를 참조로 하여 보다 구체적으로 설명하고 있지만, 이로써 본 발명이 한정되는 것은 아니다.

<실시예>

사용된 오염 퇴적토

금강 하구에서 채취한 퇴적토를 사용하여 중금속제거를 실시하였다. 퇴적토를 풍건한 후 분쇄하여 퇴적토 10g을 0.1N HCl 50 ml를 가하여 분당 100회씩 30분간 교반하였다. 또한 0.15 mm보다 미세한 퇴적토 3.0g을 왕수를 사용하여 왕수추출하였다. 추출후 원심분리를 통하여 퇴적토와 용액을 분리하였으며, 용액 중의 중금속을 원자흡광광도계를 사용하여 분석하였다. 초기 중금속의 농도는 카드뮴 1.8 mg/kg, 구리 54 mg/kg, 납 89 mg/kg, 총 크롬 68 mg/kg, 아연 320 mg/kg이었다. 이러한 수치는 토양환경보전법을 적용하였을 때 카드뮴, 구리, 아연은 가지역 우려기준을 초과한 수준이다.

실시에 사용된 장치

중금속을 제거하기 위해 사용한 전기역학적 정화 시스템은 도 1에 도시되어 있다. 토양셀과 양극, 음극, 그리고 순환수로 구성되어 있다. 일반적으로 전기역학적 정화에서 순환수는 pH를 조절하기 위하여 사용한다. 본 발명에서도 0.1N 질산으 로 음극조를 순환시켜 전체적인 pH를 산성으로 유지하였으며, 양극 전해질은 양이온의 공급을 위해 0.1M 질산나트륨을 사용하였다.

중금속제거의 실시

금강 하구에서 채취한 토양을 풍건한 후 20%의 함수율로 조절하여 토양셀에 넣었으며, 양극으로는 백금이 코팅된 타이타늄 전극을 음극으로는 흑연 전극을 사용하였다. 전압경사를 각각 0.5, 1, 및 2 V/cm로 가하여 주었다. 5일 후 퇴적토를 10등분하여 앞서 기술한 퇴적토의 중금속 측정 방법으로 중금속 농도를 측정하였다. 퇴적토 5.0 g에 증류수 25 ml를 가하여 진탕한 후 퇴적토의 pH를 측정하였다.

결과는 도 7에 도시하였다. 직류 전류를 공급하면 양이온성 중금속은 전기이동이나 영동 그리고 전기삼투현상에 의해 음극으로 이동하게 된다. 퇴적토에 다량 함유된 유기물은 중금속과 복합체를 형성할 수 있다. 이러한 유기물에 포함되어 있는 -COOH와 페놀기 등이 중금속이 흡착하거나 결합할 수 있는 작용기의 역할을 한다. 이렇게 퇴적토 유기물과 결합된 중금속-유기물 복합체의 전체적인 전하가 음전하를 나타내면, 이 복합체는 양극으로 이동하게 된다. 또한 해안과 가까운 퇴적토이기 때문에 염소이온이 다량함유 되어 있으며, 이 염소이온은 중금속과 결합하여 전체적인 전하가 음전하를 띨수 있으며, 이 염소-중금속 복합체도 양극으로 이동한다. 전기삼투와 전기이동 그리고 전기영동의 방향이 서로 다르기 때문에 가운데 부분에서 중금속의 농도가 가장 높은 형태를 나타내었다(도2, 도3, 도4, 도6). 전기삼투의 방향은 양극에서 음극으로 발생하였다. 이는 퇴적토의 표면전하를 전체적으로 음전하를 띠기 때문이며, 질산으로 산순환을 시켰음에도 pH의 변화를 크지 않았다. 이는 다량의 유기물로 인한 퇴적토의 완충능력이 크기 때문으로 판단된다. 평균적인 카드뮴의 제거율은 0.5 V/cm에서 66.8%, 1.0 V/cm에서 75.7%, 2.0 V/cm에서 82.8%의 제거율을 얻었다(도2). 평균적인 구리의 제거율은 0.5 V/cm에서 50.8%, 1.0 V/cm에서 57.5%, 2.0 V/cm에서 65.4%의 제거율을 얻었다(도3). 평균적인 납의 제거율은 0.5 V/cm에서 47.5%, 1.0 V/cm에서 58.2%, 2.0 V/cm에서 60.6%의 제거율을 얻었다(도4). 평균적인 크롬의 제거율은 0.5 V/cm에서 64.9%, 1.0 V/cm에서 75.0%, 2.0 V/cm에서 84.3%의 제거율을 얻었다(도5). 평균적인 아연의 제거율은 0.5 V/cm에서 52.4%, 1.0 V/cm에서 60.6%, 2.0 V/cm에서 66.8%의 제거율을 얻었다(도6). 크롬의 제거 양상이 다른 중금속과 다른 것은 크롬은 6가로 존재하면 산소와 결합하여 음이온 형태를 띠기 때문에 전기이동의 방향이 양극을 향하기 때문이다. 또한 토양 유기물로 인하여 크롬 6가는 3가로 환원될 수도 있다.

퇴적토에서는 토양과는 달리 유기물과 결합되어 있는 중금속의 비율이 높아 전기영동이 전기이동이나 전기삼투보다 매우 중요한 역할을 수행하였다. 따라서 일반적인 중금속 오염토양의 정화에서는 양극의 농도는 낮아지고 음극의 농도는 증가하는 양상이나, 전기영동현상으로 인하여 가운데 부분이 가장 많은 중금속이 제거하는 형태를 보였다.

전압경사가 증가하면서 제거율도 증가하는 양상을 보였기 때문에 충분한 처리기간과 전압경사를 제공하면 원하는 수준까지 중금속을 효과적으로 제어할 수 있어, 퇴적토의 재활용이 가능하리라 판단된다.

도 1은 중금속을 제거하기 위해 사용한 전기역학적 정화 시스템을 도시하고 있다.

도 2는 퇴적토에서의 처리 전후 카드뮴 농도 분포를 도시하고 있다.

도 3은 퇴적토에서의 처리 전후 구리의 농도분포를 도시하고 있다.

도 4는 퇴적토에서의 처리 전후 납의 농도분포를 도시하고 있다.

도 5는 퇴적토에서의 처리 전후 크롬의 농도분포를 도시하고 있다.

도 6는 퇴적토에서의 처리 전후 아연의 농도분포를 도시하고 있다.

도 7은 중금속 제거 후의 퇴적토의 pH를 도시하고 있다.

Claims

중금속을 함유하는 퇴적토를 정화시키는 방법으로서,

중금속을 함유하는 퇴적토를 양쪽 단부에 양극이 있는 양극실과 음극이 있는 음극실이 각각 구비되어 있는 전기역학적 정화 시스템에 넣는 단계; 및

전류밀도가 0.1 mA/cm² 내지 10 mA/cm²이거나 전압경사가 0.1 내지 2 V/cm가 되도록 상기 전극에 전류를 공급하면서, 순환수를 양극실 또는 음극실에 공급하고, 양극실 또는 음극실에서 전기장 하에서 전기삼투, 전기영동, 전기이동 현상에 의해 퇴적토로부터 카드뮴, 구리, 납, 크롬, 아연을 음극 또는 양극으로 이동시키는 단계를 포함하여, 중금속을 함유하는 퇴적토에서 중금속을 제거하는 방법.
제 1항에 있어서, 양극이 백금으로 코팅된 타이타늄 전극이며, 음극이 흑연 전극이고, 양극실을 질산 용액으로 순환시키는 방법.