KR20170099705A

KR20170099705A - 토양 내 중금속 고형화/안정화 방법

Info

Publication number: KR20170099705A
Application number: KR1020160022114A
Authority: KR
Inventors: 신원식; 박혜옥; 최지연; 후스나인나
Original assignee: 경북대학교 산학협력단
Priority date: 2016-02-24
Filing date: 2016-02-24
Publication date: 2017-09-01
Also published as: KR101777950B1

Abstract

본 발명의 토양 내 중금속 고형화/안정화 방법은 고로슬래그(blast furnace slag) 및 래들슬래그(laddle slag) 중 적어도 어느 하나를 포함하는 슬래그에 물 및 이산화탄소를 혼합하는 단계 및 상기 물 및 이산화탄소가 혼합된 슬래그와 토양을 혼합하는 단계를 포함한다.

Description

토양 내 중금속 고형화/안정화 방법{SOLIDIFICATION/STABILIZATION METHOD OF HEAVY METAL IN SOIL}

본 발명은 중금속의 고형화/안정화 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 토양 내 중금속의 고형화/안정화 방법에 관한 것이다.

우리나라는 지난 수십 년간 경제성장 및 산업 활동의 급격한 증가로 인해 수많은 종류의 오염물질들이 자연계에 노출되고, 누적되어 국민의 건강에 위협적인 요소로 작용하고 있다. 특히, 오염물질 중 중금속은 생물권을 순환하면서 먹이연쇄를 따라 사람에까지 이동해 올 수 있어, 중금속에 의해 오염된 환경은 더 큰 문제가 되고 있다. 특히, 중금속으로 오염된 토양은 지하수의 오염을 동반할 수 있어, 토양 내 중금속의 처리는 매우 중요한 문제이다.

토양 내 오염 물질을 처리하기 위한 방법으로는 오염물질을 외부로 용출시켜 토양을 정화하는 토양세척법이 있다. 토양세척법은 다양한 오염 물질에 적용할 수 있다는 장점이 있으나, 대규모의 토양에 적용하기가 어렵고 고비용을 필요로 한다는 단점이 있다. 오염 토양을 처리하기 위한 다른 방법으로는 토양 내 오염물질이 주위 환경으로 누출되지 않도록 고형화/안정화 방법이 있다.

고형화/안정화 방법은 안정화를 이용하여 오염물질을 화학적으로 유동성, 독성, 용해성이 낮은 형태로 전환하여 안정화하고, 고화제를 통해 오염물질을 비고형화상태에서 고형화하여, 오염물질의 용출을 물리적으로 차단하는 방법이다. 고형화/안정화 방법은 토양 내 오염물질의 거동을 제한할 수 있고, 짧은 처리 기간과 저렴한 비용으로 광범위한 오염토양을 처리할 수 있어, 매우 유용한 공법으로 인식되고 있으나, 아직까지는 토양 내 중금속 이온을 효율적으로 고형화/안정화하기 위한 방법이 부족한 실정이다.

때문에, 보다 효율적으로 토양 내 중금속 이온을 고형화/안정화할 수 있는 토양 내 중금속의 고형화/안정화 방법에 대한 연구가 더 필요하다.

본 발명의 일 목적은 우수한 효율로 중금속을 고형화/안정화할 수 있는 토양 내 중금속의 고형화/안정화 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 일 목적을 위한 토양 내 중금속 고형화/안정화(solidification/stabilization) 방법은 고로슬래그(blast furnace slag) 및 래들슬래그(laddle slag) 중 적어도 어느 하나를 포함하는 슬래그에 물 및 이산화탄소를 혼합하는 단계 및 상기 물 및 이산화탄소가 혼합된 슬래그와 토양을 혼합하는 단계를 포함한다.

일 실시예에서, 상기 중금속은 비소(As), 납(Pb), 카드뮴(Cd), 크롬(Cr), 구리(Cu), 및 니켈(Ni) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 슬래그에 물 및 이산화탄소를 혼합하는 단계는 1℃ 내지 40℃의 온도 및 1 bar 내지 10 bar의 압력 하에서 수행할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 슬래그에 물 및 이산화탄소를 혼합하는 단계에서, 상기 물 및 상기 슬래그는 부피비 1:0.3 내지 1:1로 혼합할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 물 및 이산화탄소가 혼합된 슬래그와 토양을 혼합하는 단계에서, 상기 토양 100 중량부 대비 상기 물 및 이산화탄소가 혼합된 슬래그 30 내지 100 중량부를 혼합할 수 있다.

본 발명의 토양 내 중금속 고형화/안정화 방법에 따르면, 고로슬래그, 래들슬래그, 또는 이들의 혼합물을 이용하여 중금속 오염 토양 내의 중금속 이온을 효율적으로 고형화 및 안정화할 수 있다. 또한, 토양 내 중금속 이온을 고형화 및 안정화함으로서, 토양으로부터의 중금속 이온 용출을 억제할 수 있다. 뿐만 아니라, 토양 내 중금속을 고형화/안정화함에 있어, 고로슬래그나 래들슬래그와 같은 산업부산물을 이용하므로, 친환경적이고 경제적으로 토양 내 중금속을 고형화 및 안정화할 수 있다.

도 1은 본 발명의 토양 내 중금속 고형화/안정화 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예들에 따른 토양 내 중금속 고형화/안정화 효율을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 비교예들에 따른 토양 내 중금속 고형화/안정화 효율을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예들에 따른 토양 내 중금속 고형화/안정화 효율을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 비교예들에 따른 토양 내 중금속 고형화/안정화 효율을 설명하기 위한 도면이다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로서 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

도 1은 본 발명의 토양 내 중금속 고형화/안정화 방법을 설명하기 위한 도면이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 토양 내 증금속 고형화/안정화(solidification/stabilization) 방법은 먼저, 고로슬래그(blast furnace slag) 및 래들슬래그(laddle slag) 중 적어도 어느 하나를 포함하는 슬래그에 물 및 이산화탄소를 혼합한다(단계 S110).

이때, 상기 슬래그는 1℃ 내지 40℃의 온도 및 1 bar 내지 10 bar의 압력 하에서 물 및 이산화탄소와 혼합될 수 있으며, 상기 물 및 상기 슬래그는 1:0.3 내지 1:1의 부피비로 혼합할 수 있다.

일반적으로 슬래그는 산성 산화물 및 염기성 산화물의 혼합물로서, 철을 용해할 때 용제의 작용으로 생긴 비철 금속 물질을 말한다. 슬래그는 철강 산업 부산물이라고도 하며, 산화칼슘(CaO), 실리카(SiO₂), 산화 알루미늄(Al₂O₃) 등을 다량 포함하고 있다. 고로슬래그는 용광로에서 철광석으로부터 선철을 형성할 때 발생하는 슬래그이고, 래들슬래그는 선철, 고철 등을 정련하여 강을 제조할 때 발생되는 슬래그로, 제강슬래그라고도 한다.

일례로, 상기 고로슬래그, 래들슬래그, 또는 이들의 혼합물을 포함하는 슬래그에 물을 혼합하고, 이산화탄소를 주입하여, 상기 물 및 이산화탄소가 혼합된 슬래그를 형성할 수 있다. 이때, 상기 물 및 이산화탄소가 혼합된 슬래그는 이산화탄소가 고정되어, 탄산염(CaCO₃)을 포함하는 슬래그일 수 있다.

그 다음, 상기 물 및 이산화탄소가 혼합된 슬래그와 토양을 혼합하여 상기 토양 내 중금속을 고형화/안정화한다(단계 S120).

상기 토양 내 중금속은 비소(As), 납(Pb), 카드뮴(Cd), 크롬(Cr), 구리(Cu), 및 니켈(Ni) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.

이때, 상기 토양 100 중량부에 대하여 상기 물 및 이산화탄소가 혼합된 슬래그 30 내지 100 중량부를 혼합할 수 있다.

중금속의 고형화/안정화는 비고형 상태의 중금속에 고형물질을 혼합하여 물리 및 화학적으로 안정화시켜, 중금속 용출을 억제하는 방법이다. 본 발명의 토양 내 중금속 고형화/안정화 방법에 따르면, 상기 고형화/안정화제로서 물 및 이산화탄소가 혼합된 슬래그를 이용하여, 오염 토양 내 중금속을 효율적으로 안정화 및 고형화할 수 있다. 구체적으로, 상기 물 및 이산화탄소가 혼합된 슬래그를 오염 토양과 혼합하면 오염 토양의 pH가 증가하게 되고, 이를 통해, 오염 토양 내 중금속 이온의 토양 흡착성을 증가시키거나, 중금속 이온 수산화물 또는 불용성염을 형성하여, 오염 토양 내 중금속 이온을 효율적으로 고형화/안정화할 수 있다.

또한, 본 발명의 토양 내 중금속 고형화/안정화 방법에 따르면, 오염 토양 내 중금속을 고형화/안정화함에 있어, 산업부산물인 고로슬래그, 래들슬래그 등을 이용하므로, 경제적이고 친환경적으로 토양 내 중금속 이온을 처리할 수 있다.

뿐만 아니라, 상기 중금속을 고형화/안정화하고, 이를 골재로서 이용할 수도 있다.

이하에서는, 보다 구체적인 실시예를 들어, 본 발명의 토양 내 중금속 고형화/안정화 방법에 대해 설명하기로 한다.

본 발명의 실시예 1 내지 3에 따른 토양 내 중금속 고형화/안정화를 확인하기 위해, 고로슬래그(BOF slag) 25g을 20 mL 증류수와 혼합한 후 반응기에 넣었다. 그 다음, 반응기에 이산화탄소를 주입하여, 증류수 및 이산화탄소가 처리된 고로슬래그(이하, 슬래그 1)를 형성하였다. 그 다음, 납, 카드뮴, 크롬, 구리, 니켈을 포함하는 오염 토양 1 g에 상기 슬래그 1을 각각 0.3g, 0.6g, 1.0g을 첨가하고, 균일하게 혼합하였다. 그 후, 수분함량이 50%가 되도록 조절하고 1일 동안 반응시켜, 본 발명의 실시예 1 내지 3에 따른 토양 내 중금속 고형화/안정화를 수행하였다.

토양 내 중금속 고형화/안정화 정도는 미국 환경청(U.S. EPA)의 용출시험방법인 TCLP(Toxicity Characteristic Leaching Procedure, U.S. EPA, Method SW846, #1311)법으로 평가하였다. US, EPA의 용출시험방법(이하, TCLP)은 시료의 pH에 따라, pH가 5 이상인 경우는 0.1 M(6 g/L)의 빙초산(glacial acetic acid, CH₃COOH) 5.7 mL를 1 L의 증류수에 녹인 용액을 시료와 질량비로 1:20이 되게 주입하고, 상온에서 18시간동안 텀블러(tumbler)를 이용하여 200 rpm으로 교반하면서 용출하였다. pH가 5 미만인 경우는 증류수 500 mL에 빙초산 5.7 mL를 가하고, 1 M NaOH 64.3 mL를 가한 후, 1 L로 희석한 용액을 시료와 중량비로 1:20이 되게 주입하고 상온에서 18시간 동안 200 rpm으로 교반하면서 용출하였다. 그 결과를 도 2에 나타낸다.

도 2는 본 발명의 실시예들에 따른 토양 내 중금속 고형화/안정화 효율을 설명하기 위한 도면이다.

도 2에서, "TCLP"는 TCLP 기준을 나타내고, "Control"은 대조군인 광미사(mine tailing)를 나타내며, "슬래그 1"은 물 및 이산화탄소가 혼합된 고로슬래그를 나타낸다.

또한, 고로슬래그에 이산화탄소를 처리하지 않은 것을 제외하고는 상기 실시예 1 내지 3과 실질적으로 동일한 방법으로, 비교예 1 내지 3에 따른 토양 내 중금속 고형화/안정화를 수행하였다. 그 결과를 도 3에 나타낸다.

도 3은 본 발명의 비교예들에 따른 토양 내 중금속 고형화/안정화 효율을 설명하기 위한 도면이다.

도 3에서, "TCLP"는 TCLP 기준을 나타내고, "Control"은 대조군인 광미사를 나타내며, "비교 슬래그 1"은 이산화탄소가 혼합되지 않은 고로슬래그를 나타낸다.

도 2 및 도 3을 함께 참조하면, 슬래그 1을 각각 0.3 g, 0.6 g, 및 1.0 g 첨가하였을 때의 중금속 용출 정도가 비교 슬래그 1을 각각 0.3 g, 0.6 g, 및 1.0 g 첨가하였을 때의 중금속 용출 정도 보다 낮은 것을 확인할 수 있다. 슬래그 1과 토양을 혼합한 경우의 중금속 고형화/안정화 정도가 비교 슬래그 1과 토양을 혼합한 경우 보다 더 우수함을 의미한다.

구체적으로, 본 발명의 실시예 1 내지 3에 따라 슬래그 1을 혼합한 토양에서는 비소 및 니켈이 전혀 용출되지 않은 반면, 비교예 1 내지 3에 따라 비교 슬래그 1을 혼합한 토양에서는 비소가 매우 높은 수준으로 용출되었음을 확인할 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예 1 내지 3에 따라 슬래그 1을 혼합한 토양으로부터의 납, 크롬, 카드뮴 용출 정도가 낮은 것을 확인할 수 있다. 구리의 경우 일부 용출되었으나, 이는 대조군인 광미사와 비교하였을 때보다 낮은 수치로 전반적인 중금속 용출 정도는 우수하게 감소하였음을 확인할 수 있다.

즉, 본 발명의 실시예 1 내지 3에 따라 슬래그 1과 토양을 혼합한 경우의 중금속 용출이 우수하게 감소하였으며, 이것은 본 발명의 실시예 1 내지 3에 따른 토양 내 중금속 고형화/안정화 효율이 우수함을 의미한다.

또한, 본 발명의 실시예 1에 따라 0.3 g의 슬래그 1 및 1.0 g의 중금속 오염 토양을 혼합한 경우에도 토양으로부터의 중금속 용출이 우수하게 억제됨을 확인할 수 있다.

따라서, 본 발명에 따라 적은 양의 물 및 이산화탄소가 혼합된 슬래그를 이용하고도 우수한 효율로 중금속을 고형화/안정화할 수 있음을 확인할 수 있다.

그 다음, 본 발명의 실시예 4 내지 6에 따른 토양 내 중금속 고형화/안정화를 확인하기 위해, 래들슬래그를 이용한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1 내지 3과 실질적으로 동일한 방법으로, 본 발명의 실시예 1 내지 3에 따른 토양 내 중금속 고형화/안정화를 수행하고, TCLP를 이용하여 그 효율을 확인하였다. 그 결과를 도 4에 나타낸다.

도 4는 본 발명의 실시예들에 따른 토양 내 중금속 고형화/안정화 효율을 설명하기 위한 도면이다.

도 4에서, "TCLP"는 TCLP 기준을 나타내고, "Control"은 대조군인 광미사(mine tailing)를 나타내며, "슬래그 2"은 물 및 이산화탄소가 혼합된 래들슬래그를 나타낸다.

또한, 래들슬래그를 이용한 것을 제외하고는 상기 비교예 1 내지 3에 따른 토양 내 중금속 고형화/안정화와 실질적으로 동일하게 중금속 고형화/안정화를 수행하고, TCLP를 이용하여 효율을 확인하였다. 그 결과를 도 5에 나타낸다.

도 5는 본 발명의 비교예들에 따른 토양 내 중금속 고형화/안정화 효율을 설명하기 위한 도면이다.

도 5에서, "TCLP"는 TCLP 기준을 나타내고, "Control"은 대조군인 광미사를 나타내며, "비교 슬래그 2"은 이산화탄소가 혼합되지 않은 래들슬래그를 나타낸다.

도 4 및 도 5를 함께 참조하면, 슬래그 2를 각각 0.3 g, 0.6 g, 및 1.0 g 첨가한 본 발명의 실시예 4 내지 6에 따른 중금속 용출 정도가 비교 슬래그 2를 각각 0.3 g, 0.6 g, 및 1.0 g 첨가한 비교예 4 내지 6 보다 낮음을 확인할 수 있다. 즉, 본 발명의 실시예 4 내지 6에 따른 토양 내 중금속 고형화/안정화 효율이 우수함을 확인할 수 있다.

구체적으로, 본 발명의 실시예 4 내지 6에 따라 슬래그 2를 혼합한 토양에서는 비소, 구리, 및 니켈이 전혀 용출되지 않은 반면, 비교예 4 내지 6에 따라 비교 슬래그 2를 혼합한 토양에서는 비소 및 구리가 용출되었고, 특히, 비소는 매우 높은 수준으로 용출되었음을 확인할 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예 4 내지 6에 따라 슬래그 2를 혼합한 토양은 납, 크롬, 카드뮴 용출 정도가 낮은 것을 확인할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예 4에 따라 0.3 g의 슬래그 2 및 1.0 g의 토양을 혼합하였을 때도 토양으로부터의 중금속 용출이 우수하게 억제됨을 확인할 수 있으며, 이것은 본 발명에 따라 적은 양의 물 및 이산화탄소가 혼합된 슬래그를 이용하고도 우수한 효율로 중금속을 고형화/안정화할 수 있음을 확인할 수 있음을 나타낸다.

따라서, 본 발명의 실시예 4 내지 6에 따라 슬래그 2와 토양을 혼합한 경우의 중금속 용출을 우수한 효율로 억제하였으며, 이에 따라, 본 발명의 실시예 4 내지 6에 따른 토양 내 중금속 고형화/안정화 효율이 우수함을 확인할 수 있다.

종합적으로, 상기 도 2 내지 도 5에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예 1 내지 6에 따라, 토양 내 중금속 용출을 효율적으로 억제할 수 있음을 확인할 수 있고, 즉 본 발명의 토양 내 중금속 고형화/안정화 방법에 따라 우수한 효율도 토양 내 중금속을 고형화/안정화할 수 있음을 확인할 수 있다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims

고로슬래그(blast furnace slag) 및 래들슬래그(laddle slag) 중 적어도 어느 하나를 포함하는 슬래그에 물 및 이산화탄소를 혼합하는 단계; 및
상기 물 및 이산화탄소가 혼합된 슬래그와 토양을 혼합하는 단계를 포함하는,
토양 내 중금속 고형화/안정화(solidification/stabilization) 방법.
제1항에 있어서,
상기 중금속은 비소(As), 납(Pb), 카드뮴(Cd), 크롬(Cr), 구리(Cu), 및 니켈(Ni) 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는,
토양 내 중금속 고형화/안정화 방법.
제1항에 있어서,
상기 슬래그에 물 및 이산화탄소를 혼합하는 단계는 1℃ 내지 40℃의 온도 및 1 bar 내지 10 bar의 압력 하에서 수행하는 것을 특징으로 하는,
토양 내 중금속 고형화/안정화 방법.
제1항에 있어서,
상기 슬래그에 물 및 이산화탄소를 혼합하는 단계에서,
상기 물 및 슬래그는 부피비 1:0.3 내지 1:1로 혼합하는 것을 특징으로 하는,
토양 내 중금속 고형화/안정화 방법.
제1항에 있어서,
상기 물 및 이산화탄소가 혼합된 슬래그와 토양을 혼합하는 단계에서,
상기 토양 100 중량부 대비 상기 물 및 이산화탄소가 혼합된 슬래그 30 내지 100 중량부를 혼합하는 것을 특징으로 하는,
토양 내 중금속 고형화/안정화 방법.