KR20130087073A - 재생골재를 포함하는 반응벽체 및 이를 이용한 오염물질 정화방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 지하수나 토양오염을 정화하기 위한 투수성 반응벽체에 관한 것으로, 탈염반응물질로서의 영가금속 및 상기 영가금속의 반응효율을 향상시키기 위한 재생골재를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 저렴하고 자연친화적이고 재활용자원인 재료를 이용하여 지하수나 토양오염을 정화할 수 있다.

Description

재생골재를 포함하는 반응벽체 및 이를 이용한 오염물질 정화방법{A Reactive Barrier Comprising A Recycling Aggregate And A Purificating Method Of Pollution Materials Using The Same}

본 발명은 투수성 방응벽체 및 그를 이용한 오염물질 정화방법, 보다 상세하게는 재생골재를 포함하는 투수성 반응벽체 및 그를 이용한 오염물질 정화방법에 관한 것이다.

경제성장과 더불어 급속히 발전한 산업화는 광범위한 환경오염을 초래하였다. 지금까지는 환경오염 중 대기와 물에 대한 집중적으로 정화가 이루어졌고, 토양오염 정화에 대해서는 그동안 타분야에 비해 관심이 적었다.

그러나, 지속적인 오염으로 인한 누적된 토양오염은 자체정화의 기능에 한계에 도달하여 심각한 수질 오염을 초래하였으며, 그 결과 식용수의 오염의 원인이 되고 있다.

최근 관심있는 토양오염의 정화방법으로는 투수성 반응벽체를 이용한 오염물질 정화방법이 있는데, 지반굴착 후 투수성 및 흡착성 재료로 채워넣어 오염지하수를 통과시키는 것이다. 투수성 반응벽은 현장에서 보통 깔대기 & 수문시스템(funnel and gate system)으로 설치된다. 불투수벽(깔대기)은 오염지하수의 흐름방향과 대각선으로 설치되어 지하수를 일정한 방향으로 유도하고, 반응처리셀(수문)은 오염지하수의 흐름방향과 직각으로 설치되어 오염지하수를 통과시켜 오염지하수 내의 오염물질을 흡착 제거한다. 투수성반응벽의 재료로는 철, 침전재, 수착제, 환원제, 석회, 분쇄된 조개껍질, 활성탄, 녹사(greensand), 제오라이트, 이온교환수지, 폐타이어 등이 사용된다.

이러한 반응벽체는 시공 후 자연적인 지하수의 흐름을 유지하면서 오염물이 직접 반응벽체 내로 들어오도록 하기 때문에 오염물을 수집하려는 인위적인 노력이 전혀 필요 없고, 시공기간을 제외하고는 반응벽체 설치 후 지상을 다양하게 활용할 수 있는 장점이 있다.

계절별로 지하수의 수위가 바뀌면서 흐름이 크게 변하는 지반의 경우에는 지하수 수위의 변동을 충분히 감당할 수 있는 크기의 반응벽체를 시공하여야 한다. 그러나, 이와 같이 엄청나게 큰 반응벽체의 시공은 시공비용이 많아져 경제성에서 크게 문제가 되고 있다.

또한, 예상치 못한 오염물질이 통과하면서 화학적 반응을 통하여 반응물질이 처리하지 못하는 새로운 부산물을 만들어 내는 경우에 오히려 독성이 강한 부산물을 생산해 낼 우려가 있다.

본 발명의 목적은 상술한 종래의 문제를 해결하기 위한 것으로, 시공비용이 저렴하여 경제성이 우수한 투수성 반응벽체 및 이를 이용한 오염물질 정화방법을 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 오염물질과의 반응으로 해로운 부산물이 발생하지 않는 자연친화적인 투수성 반응벽체 및 이를 이용한 오염물질 정화방법을 제공함에 있다.

상기 본 발명의 과제를 해결하기 위한 오염물질 정화용 투수성 반응벽체는, 탈염반응물질로서의 영가금속 및 상기 영가금속의 반응효율을 향상시키기 위한 재생골재를 포함하는 것을 특징으로 한다.

투수성반응벽체는 점토광물을 더 포함하는 것이 바람직하다.

투수성반응벽체의 상기 점토광물은 몬모릴로나이트를 포함하는 것이 바람직하다.

투수성반응벽체의 상기 영가금속은 영가철인 것이 바람직하다.

투수성반응벽체의 상기 영가철은 폐영가철인 것이 바람직하다.

투수성반응벽체의 상기 영가금속과 재생골재의 비율은 (1.5~2.5):(3.5~2.5)인 것이 바람직하다.

본 발명의 오염물질 정화방법은 지하수 흐름 통로를 노출시키도록 지반을 굴착하는 단계; 및 탈염반응물질로서의 영가금속 및 상기 영가금속의 반응효율을 향상시키기 위한 재생골재를 포함하는 투수성 반응벽체를 상기 지하수 흐름 통로에 배치하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

오염물질 정화방법의 상기 영가금속은 영가철인 것이 바람직하다.

오염물질 정화방법의 상기 영가철은 폐영가철인 것이 바람직하다.

오염물질 정화방법은 상기 폐영가철의 표면 불순물을 제거하는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 오염물질의 정화를 위한 투수성 반응벽체는 자연친화적인 재료인 동시에 투수성이 좋으며, 저렴하고 유용한 재생골재, 영가철 및 점토광물을 이용하기 때문에 대형 투수성 반응벽체를 시공하더라도 시공비용의 부담을 줄일 수 있고, 다양한 수위를 갖는 지하수 흐름에 충분히 대응할 수 있다.

또한, 재생골재, 영가철, 및 점토광물을 이용함으로써 예기치 못한 반응에 따른 해로운 부산물이 발생하지 않는다.

도 1은 본 발명에 따른 투수성 반응벽체를 이용한 오염물질 방법의 개념을 설명하기 위한 개념도,
도 2는 시간에 따른 중금속 Ph 농도를 나타낸 그래프, 및
도 3은 영가철과 재생골재의 배합별 회분식 중금속 제거율(mg/l) 그래프이다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에 대하여 상세히 설명한다.

도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 투수성 반응벽체는 지하수 흐름을 따라 배치되어 지하수나 토양 오염을 정화한다.

투수성 반응벽체는 탈염반응물질로서의 영가금속 및 상기 영가금속의 반응효율을 향상시키기 위한 재생골재를 포함한다.

탈염반응물질로는 철(Fe), 니켈(Ni), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 아연(Zn) 등의 영가금속이 있으며, 이중에서 가장 저렴하고 독성이 없고 분해능이 좋은 재료는 영가철이다.

순수한 영가철의 경우 대량으로 사용하기엔 비용이 부담될 수 있다. 기계 제작공장에서 선반작업의 부산물로 나오는 영가철 폐자원을 이용하면 비용절감과 폐자원 재활용이라는 두가지 장점을 꾀할 수 있다.

페영가철은 표면에 절삭유 같은 유분이 다량 묻어있고, 선반작업 과정 중 표면에 고온이 발생되어 마치 표면이 광택 물질로 코딩되어 있어 전처리를 통하여 표면의 불순물을 제거시키고 표면 활성도를 높였다.

영가철은 산화환원반응에서 중금속에 대한 반응기작으로 환원반응에 의해 침전물이 발생하고 이들 침전물이 반응물질 표면에 흡착되면서 제거된다. 여기서 발생하는 침전물은 영가철의 표면에 층을 형성하여 영가철의 반응성을 감소시키게 한다.

초기 중금속 오염물의 농도가 높을수록 침전물의 양이 많아지면서 영가철 표면에 산화층을 형성하여 영가철이 전자를 이동시키기 어려워 영가철의 반응성이 감소되는 것이다. 이와 같이 영가철 표면의 산화층이 두꺼워질수로 영가철의 반응성이 감소된다면 영가철은 예상만큼의 효능을 발휘하지 못하게 된다. 결국 제 능력을 다하지 못한 채 산화층 속으로 묻혀버릴 수 있다.

이러한 문제를 해결하기 위해서 영가철의 산화환원반응에는 영향을 미치지 않으면서 영가철 대신 침전물을 흡착할 수 있는 표면적을 제공하는 물질이 필요하다. 이러한 물질들로서 재생골재를 이용할 수 있다.

재생골재는 건설폐기물(폐콘크리트) 파분쇄 장비인 조크러셔 또는 임팩트 크러셔를 이용하여 폐콘크리트에 강한 힘 (압력(Compressor)과 충격(impact))에 의해 골재와 시멘트(시멘트 모르타르)로 파분쇄시켜 얻어질 수 있다.

본 발명의 투수성 반응벽체에 사용하는 재생골재의 크기는 투수성과 반응성을 고려할 때 0.02mm ∼ 10mm가 바람직하다. 만일 0.02mm 보다 작으면 지하수와 함께 투과하거나 투수성을 방해하고, 10nn를 초과하면 투수성은 좋지만 중금속과 반응이 크게 떨어진다.

재생골재에는 미량의 알카리성 시멘트성분이 잔존하기 때문에 지하수를 상대적으로 높은 pH로 변화시킬 수 있다.

그러나, 재생골재만 사용할 경우 지하수의 pH를 높일 수 있지만 중금속의 흡착성이 떨어질 수 있으며, 이를 보완하기 위해 적정량의 점토광물을 혼합할 수 있다. 점토광물은 암석이 풍화·분해되어, 주로 규소(硅素)·알루미늄과 물이 결합하여 이루어진다. 점토광물은 카올린류, 몬모릴로나이트, 일라이트 등이 있다.

지하수의 pH는 영가철의 반응에 중요한 변수로 작용한다. 지하수로부터 중금속을 제거하는데 사용가능한 고정화 기작으로는 침전을 들 수 있고, 침전을 유발하는 방법으로는 벽체를 통과하는 지하수의 pH를 바꾸는 것이 있다. 영가철은 전자를 잃기 쉽고 양이온으로 존재하는 경향, 즉 자발적 산화반응 경향을 가지므로 수용액 pH의 변화에 영향을 주며 pH의 변화에 따라서 중금속의 침전을 유발시킨다.

또한, pH 역시 영가철의 반응에 중요한 변수로 작용한다. 낮은 pH에서 영가철의 반응성이 좋은 것으로 알려져 있다. 그 이유는 첫 번째로 반응에 수소이온이 주요인자로서 사용되기 때문이고, 두 번째로 높은 pH에서는 금속표면에 수산화 피막이 형성되어 금속의 반응성이 저하될 가능성이 있기 때문이다. 물과 영가철, 재생골재에 의하여 pH가 어떻게 변화하는지 알아보았다.

[ 영가철과 재생골재의 배합별 시간에 따른 pH 변화실험예 ]

1) 전자 저울을 이용하여 체거름한 시료를 조합비에 따라 정량한다.

2) 회분식 반응기에 정량한 시료와 증류수 150mL를 혼합하여 밀봉한 후 진탕기에서 150rpm, 15℃로 흔들어준다.

3) 4, 8, 24, 48, 72, 96hr마다 꺼내어 pH미터기를 이용하여 3~5회 측정한다.

측정 결과는 표 1 및 도 2에 나타낸 바와 같다.

영가철이 들어간 시료들과 순수 영가철만 들어간 시료 모두 pH가 12이상 올라갔다. 하지만 재생골재만 사용한 경우 pH의 변화가 미미한 것을 알 수 있었다. pH가 12까지 올라간 영가철 포함 재생골재의 중금속 제거가 매우 우수하다.

[ 회분식 실험예 ]

회분식 실험은 영가철과 재생골재의 배합에 따른 제거능을 알아보고 최적조건의 배합비를 구하기 위한 실험이다. PBR를 구성하는 주요 반응매질인 영가철과 재생골재에 대하여 적절한 배합에 대한 중금속 제거효율을 확인하고자 하였다.

1) 전자 저울을 이용하여 체거름한 시료를 조합비에 따라 정량한다.

2) 회분식 반응기에 pH 4~5, 10ppm이 되도록 제조한 인공침출수 150ml를 정량한 시료와 혼합하여 밀봉한 후 진탕기에서 150rpm, 15℃로 흔들어준다.

3) 20min, 60min, 4, 8, 24, 48, 72, 96hr마다 꺼내어 부유물질 제거를 위해 여과 시킨 후 상등액을 담아 측정 시까지 냉장 보관한다.

4) 분석은 ICP기기를 이용하였으며 경남 과학기술대학교 공동실습관에 측정의뢰를 한 결과 다음의 표 2 및 도 3에 나타낸 바와 같다.

상기 표 2 및 도 3에 나타나 있는 바와 같이, 재생골재 혼합토의 경우 영가철을 20% 혼합하였을 때 48시간 후 제거능은 크롬을 제외하고 거의 100%에 가까운 제거능을 보였고, 특히 72시간 후 제거능은 크롬을 제외하고 100% 제거능을 보였다.

지금까지 본 발명의 많은 실시예들이 도시되고 설명되었지만, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 당업자라면 본 발명의 원칙이나 정신에서 벗어나지 않으면서 실시예를 변형할 수 있을 것이다. 따라서, 발명의 범위는 지금까지 설명된 실시예로 정해지는 것이 아니라 첨부된 청구항과 그 균등물에 의해 정해질 것이다.

Claims (10)

1. 오염물질 정화용 투수성 반응벽체에 있어서,
   탈염반응물질로서의 영가금속 및 상기 영가금속의 반응효율을 향상시키기 위한 재생골재를 포함하는 것을 특징으로 하는 오염물질 정화용 투수성 반응벽체.
2. 제1항에 있어서,
   점토광물을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 오염물질 정화용 투수성 반응벽체.
3. 제2항에 있어서,
   상기 점토광물은 카올린류, 몬모릴로나이트, 일라이트 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 오염물질 정화용 투수성 반응벽체.
4. 제1항에 있어서,
   상기 영가금속은 영가철인 것을 특징으로 하는 오염물질 정화용 투수성 반응벽체.
5. 제4항에 있어서,
   상기 영가철은 폐영가철인 것을 특징으로 하는 오염물질 정화용 투수성 반응벽체.
6. 제1항에 있어서,
   상기 영가금속과 재생골재의 비율은 (1.5~2.5):(3.5~2.5)인 것을 특징으로 하는 오염물질 정화용 투수성 반응벽체.
7. 지하수 흐름 통로를 노출시키도록 지반을 굴착하는 단계; 및
   탈염반응물질로서의 영가금속 및 상기 영가금속의 반응효율을 향상시키기 위한 재생골재를 포함하는 투수성 반응벽체를 상기 지하수 흐름 통로에 배치하는 단계를 포함하는 투수성 반응벽체를 이용한 오염물질 정화방법.
8. 제7항에 있어서,
   상기 영가금속은 영가철인 것을 특징으로 하는 투수성 반응벽체를 이용한 오염물질 정화방법.
9. 제8항에 있어서,
   상기 영가철은 폐영가철인 것을 특징으로 하는 투수성 반응벽체를 이용한 오염물질 정화방법.
10. 제9항에 있어서,
    상기 폐영가철의 표면 불순물을 제거하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 투수성 반응벽체를 이용한 오염물질 정화방법.

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