KR20200019315A - 토양세척을 이용한 불소 오염토양의 정화방법 - Google Patents

토양세척을 이용한 불소 오염토양의 정화방법 Download PDF

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Abstract

연속적으로 불소 오염토양을 정화하고, 정화효율이 높일 수 있는 토양세척을 이용한 불소 오염토양의 정화방법을 제시한다. 그 방법은 형석광물을 함유하는 오염토양을 경도 차이를 이용하여 표면을 파쇄하고, 표면이 파쇄된 오염토양을 입도분리하여 언더플로우 토양 및 오버플로우 토양으로 구분하며, 언더플로우 토양을 탈수하고, 탈수된 언더플로우 토양을 정화토로 배출한다.

Description

토양세척을 이용한 불소 오염토양의 정화방법{Method of treating fluorine contaminated soil using soil washing}
본 발명은 불소 오염토양의 정화방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 토양세척을 이용하여 오염토양 중의 형석(CaF2)광물에 내재하는 불소를 정화시키는 방법에 관한 것이다.
불소는 토양환경보전법에서 유해물로 규정하여 토양오염우려기준 400ppm으로 그 함량을 규제하고 있다. 불소는 수돗물 사용 등 인간생활과 밀접한 관련이 있고 독성뿐 아니라 기준치 이상으로 섭취하면, 뼈와 신경계의 손상을 야기하는 원인이 된다. 불소 오염토양의 정화는 토양경작, 열탈착, 기존의 토양세척 등과 같은 물리적 방법으로는 정화되지 않으며, 화학적인 처리법은 환경문제를 야기하고 경제성이 부족하여 실제로 거의 활용되지 않고 있다. 불소를 제거하기 위하여, 국내등록특허 제10-0767339호, 일본등록특허 제3325081호 등에 불소이온 전하를 이용한 정화기술이 제시되었으나, 이러한 방식은 연속적이 아닌 배치식이어서 정화효율이 낮다.
한편, 불소 오염토양은 인위적으로 배출된 불소화합물에 의해서도 발생되지만, 주로 토양이나 암석에 함유되어 있는 형석(CaF2)광물이 토목, 건축공사, 자연재해 등에 의하여 지표면이나 수계에 노출되어 발생된다. 이에 따라, 불소 오염토양으로부터 불소 오염원인 물질로 대표적인 형석광물을 효과적으로 분리 및 제거하기 위한 처리방법이 요구되고 있다. 국내등록특허 제10-0928059호는 비중선별 및 부유선별을 통하여 형석광물을 제거하는 방법이 제시하였다. 하지만, 상기 특허에 의하면, 비중선별은 상대적으로 선별하는 시간이 많이 소요되므로 정화효율이 떨어진다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 연속적으로 불소 오염토양을 정화하고, 정화효율이 높일 수 있는 토양세척을 이용한 불소 오염토양의 정화방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 과제를 해결하기 위한 토양세척을 이용한 불소 오염토양의 정화방법은 먼저, 형석광물을 함유하는 오염토양을 경도 차이를 이용하여 표면을 파쇄한다. 그후, 상기 표면이 파쇄된 오염토양을 입도분리하여, 언더플로우 토양 및 오버플로우 토양으로 구분한다. 상기 언더플로우 토양을 탈수한다. 상기 탈수된 언더플로우 토양을 정화토로 배출한다.
본 발명의 방법에 있어서, 상기 경도 차이는 상기 형석광물과 상기 형석광물을 제외한 나머지 토양과의 모스경도의 차이이다. 상기 표면을 파쇄하는 단계는 상기 오염토양에서의 표면마찰을 이용한다. 상기 표면을 파쇄하는 단계에 있어서, 고액비가 작고, 체류시간이 길수록 상기 형석광물이 미세한 평균입도를 가지도록 파쇄될 수 있다. 상기 입도분리는 하이드로 사이클론을 활용할 수 있다. 상기 오버플로우 토양은 침전과정을 거쳐 부유선별에 의한 하부 슬러지에 의해 고농도 불소함유 슬라임을 분리한다. 상기 부유선별에 의한 상부 슬러지는 경도 차이를 이용하여 표면을 파쇄하고, 상기 표면이 파쇄된 오염토양을 입도분리하여 언더플로우 토양 및 오버플로우 토양으로 구분하며, 상기 부유선별에 의해 상기 고농도 불소함유 슬라임으로 분리하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 토양세척을 이용한 불소 오염토양의 정화방법에 의하면, 경도(hardness)의 차이를 이용하여 오염토양 중의 형석광물과 다른 토양을 분리하여 정화함으로써, 연속적으로 불소 오염토양을 정화하고, 정화효율을 높인다.
도 1을 본 발명에 의한 불소 오염토양을 정화하는 과정을 설명하기 위한 흐름도이다.
이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 다음에서 설명되는 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예는 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이다.
본 발명의 실시예는 경도(hardness)의 차이를 이용하여 오염토양 중의 형석광물과 다른 토양을 분리하여 정화함으로써, 연속적으로 불소 오염토양을 정화하고, 정화효율을 높일 수 있는 정화방법을 제시한다. 이를 위해, 불소 오염토양에 대하여 구체적으로 알아보고, 경도 차이를 활용하여 불소 오염토양을 정화하는 방법을 상세하게 설명하기로 한다. 불소 오염토양은 인위적으로 배출된 불소화합물에 의해서도 발생되지만, 주로 토양이나 암석에 함유되어 있는 형석(CaF2)광물이 토목, 건축공사, 자연재해 등에 의하여 지표면이나 수계에 노출되어 발생된다. 여기서, 경도 차이는 오염토양 중의 형석광물과 형석광물을 제외한 다른 토양과의 경도의 차이를 말한다.
도 1을 본 발명의 실시예에 의한 불소 오염토양을 정화하는 과정을 설명하기 위한 흐름도이다. 다만, 엄밀한 의미의 도면을 표현한 것이 아니며, 설명의 편의를 위하여 도면에 나타나지 않은 구성요소가 있을 수 있다.
도 1에 의하면, 본 발명의 정화과정은 표면파쇄 공정(S16)을 거친 오염토양을 입도분리(S18)하여 언더플로우 토양은 탈수(S20)하여 정화토로 배출된다(S22). 부가적으로, 오버플로우 토양은 특히 부유선별(S26)을 통하여 형석광물을 분리하여 제거된다. 즉, 본 발명의 정화과정은 정화토를 배출하는 단계 및 형석광물을 분리하여 제거하는 단계로 구분된다. 보다 구체적으로, 먼저 폐기물을 제거하고(S10), 상기 폐기물의 제거는 예를 들어 그리즐리 스크린(grizzly screen)을 활용한다. 그리즐리 스크린은 거름망과 같은 역할을 하는 빔들이 일정간격으로 구비되어 있다. 그리즐리 스크린은 진동기로 빔의 진동을 통하여 폐기물을 제거한다. 물론, 본 발명의 범주 내에서, 그리즐리 스크린 이외에 폐기물을 제거하는 다른 장치를 적용할 수 있다.
그후, 폐기물이 제거된 오염토양을 세척한다(S12). 오염토양의 세척은 예를 들어 드럼워셔(drum washer)를 사용한다. 상기 드럼워셔는 국내등록특허 제10-1634123호에 제시된 드럼워셔를 채용할 수 있다. 상기 특허의 드럼워셔는 투입부 및 토출구 사이의 교반부에 위치하고, 고정휠의 원주를 따라 서로 이격되어 고정된 블레이드를 포함하며, 블레이드의 내측에는 상기 오염토양이 통과하는 유로가 형성되어 있으며, 구동부에 의해 회전하여 상기 오염토양의 교반 및 세척을 수행한다. 물론, 본 발명의 범주 내에서 상기 드럼워셔 이외에 오염토양을 세척하는 다른 장치를 적용할 수 있다.
세척된 오염토양에서의 조대입자를 분리한다(S14). 상기 조대입자의 분리는 반드시 이에 한정되지는 않으나, 진동스크린을 채용하는 것이 바람직하다. 상기 진동스크린은 예를 들어 복수개로 분할된 스크린보드가 순차적으로 회전되면서 진동을 발생시키는 것으로, 오염토양의 조대입자를 선별한다. 필요한 경우, 진동스크린 이외에 트롬멜 스크린, 자력선별등과 같이 입자의 크기나 자성과 같은 물리적 힘을 사용하여 토양을 분리할 수 있다.
이어서, 조대입자가 분리된 오염토양의 표면을 파쇄한다(S16). 표면파쇄 공정은 형석광물과 형석광물을 제외한 오염토양의 광물과의 경도(hardness) 차이를 이용한다. 불소 오염토양에서 불소원소를 내포하고 있는 형석광물의 경도(Mohs hardness)는 약 4이며 나머지 토양의 주된 성분인 석영 등의 경도는 7 정도이다. 여기서, 나머지 토양은 오염토양 중에서 형석광물을 제외한 토양을 말한다. 표면마찰을 이용하는 표면파쇄 공정은 경도가 낮은 형석광물의 파쇄를 극대화한다. 오염토양의 표면파쇄를 위한 장치는 예컨대 어트리션 스크러버(attrition scrubber), 어트리션 그라인딩(attrition grinding), 스크러버(scrubber) 등이 있다.
본 발명의 실시예는 어트리션 스크러버를 채용하였다. 일반적으로 어트리션 스크러버는 마모입자를 러빙 또는 마찰시켜 표면의 오염을 효과적으로 제거한다. 본 발명은 상기 어트리션 스크러버를 오염토양의 표면파쇄에 적용한다. 상기 어트리션 스크러버의 사례 중의 하나는 제1 임펠러 및 제2 임펠러를 포함한다. 제1 임펠러는 회전축의 하부에 장착되며, 회전하여 상부로 물과 오염토양을 밀어내도록 회전축에 경사지게 결합된 복수의 제1 날개가 구비된다. 제2 임펠러는 제1 임펠러의 상부로 이격되게 회전축에 장착되며, 회전하여 하부로 물과 오염토양을 밀어내도록 회전축에 경사지게 결합되되, 제1 날개와 반대방향으로 경사지게 결합되는 제2 날개가 구비된다.
형석광물의 표면파쇄공정은 오염토양과의 고액비, 체류시간 등의 공정인자의 영향을 받는다. 구체적으로, 상기 형석광물은 고액비가 작고, 체류시간이 길수록 미세한 평균입도를 가지도록 파쇄된다. 본 발명의 실시예는 공정인자를 최적화하여, 상기 임펠러의 구동에 의해 불소를 내포하는 형석광물과 나머지 토양의 표면마찰 등에 의해 충분히 미세하게 파쇄하고 분쇄되는 최적의 조건을 도출할 수 있다.
표면파쇄가 완료되면, 평균입도를 설정하여 파쇄된 오염토양을 분리한다(S18). 평균입도에 따라 분리하는 과정은 하이드로 사이클론(hydro-cyclone)을 활용하였다. 하이드로 사이클론은 고액분리를 위한 것으로, 일반적으로 평균입도 0.075mm 이하의 파쇄된 오염토양을 세척수와 함께 배출한다. 경우에 따라, 사이클론을 2개 이상 연결하여 평균입도를 낮출 수 있다. 평균입도보다 큰 입자는 언더플로우(under flow) 토양이 되어서 탈수되어서(S20), 탈수를 마친 정화토로 배출된다(S22). 탈수는 예컨대 벨트 프레스나 압축여과기를 이용하여 공극이 작은 여과포로 탈수시켜야 하는 대상물질을 투입하고 압력을 가하여 그 여과포 입경보다 큰 고형물은 여과포 위에 남아 있고, 여과포를 통하여 물은 배출되는 원리로 탈수가 일어난다. 상기 정화토는 경작지 등의 토양으로 재활용할 수 있다.
한편, 표면파쇄 공정(S16)에서 형석광물은 경도 차이에 의해 상대적으로 미세하게 파쇄되어, 평균입도보다 큰 입자로 이루어진 언더플로우 토양에는 포함되지 않는다. 이에 대해서는 추후에 실시예를 통하여 상세하게 설명하기로 한다. 언더플로우 토양에는 형석광물의 함량을 최대한으로 줄었기 때문에, 불소의 함량을 토양오염우려기준인 400ppm보다 낮게 줄인다. 이에 따라, 정화토에는 토양환경보전법에서의 토양오염우려기준인 400ppm보다 낮은 함량의 불소를 가진다.
평균입도보다 작은 오염토양은 오버플로우(over flow) 토양으로 배출된다. 오버플로우 토양에는 미세하게 파쇄된 형석광물이 포함된다. 오버플로우 토양은 침전조로 투입되어 침전된다(S24). 침전공정은 응집제를 사용할 수도 있고 사용하지 않을 수 있다. 상기 응집제는 응집 및 pH 조절을 하기 위한 것이다. 응집제로 pH 조절의 과정을 거치면, 세척수에 포함된 중금속이 침전되거나 미세입경의 토양에 흡착되는 재침전 및 재흡착이 일어나는 문제가 있다. 응집제를 사용하지 않으면, pH 조절 과정을 배제함으로써, 상기 재침전 및 재흡착을 방지할 수 있다.
침전이 완료되면, 침전된 오버플로우 토양에 대하여 부유선별(flotation process)을 실시한다(S26). 상기 부유선별은 침전된 오버플로우 토양의 표면특성을 이용하는 물리화학적 선별법이다. 오버플로우 토양이 현탁되어 있는 부유선별조 내에 기포를 발생시키면 소수성 물질은 기포에 부착되어 수면으로 부유되고, 친수성 물질은 부유선별조 내에 남게 된다. 부유선별 방법에는 물에 대한 습윤도가 낮은 토양 입자들이 떠올라서 수면에 층을 이루는 형태에 따라 다유 부선법(bulk-oil flotation), 피막 부선법(skin flotation), 포말 부선법(froth flotation) 등으로 구분된다.
부유선별에는 선별을 위한 시약이 사용된다. 상기 시약으로는 포집제(collector), 기포제(frother), 억제제(depressant), 활성제(activator), pH조절제(pH regulating agent), 분산제(dispersing agent) 등이 있다. 특히, 포집제는 목적 광물에만 선택적으로 흡착하여, 그 표면을 소수성으로 만든다. 포집제에 의해 소수성이 된 목적 광물은 부유선별조 속에서 임펠러의 교반에 의해 발생한 많은 량의 기포에 접착되어 수면으로 떠오른다. 부유선별을 거치면, 고농도의 불소를 함유하는 슬라임(slime)으로 분리되거나(S28), 슬라임 이외의 토양인 하부 슬러지는 슬러지 및 폐수로 배출된다(S30).
본 발명의 실시예는 우선적으로 표면파쇄에 의해 불소를 함유하는 형석광물을 미세하게 파쇄시키고 입도분리된 언더플로우 토양을 이용하여, 토양환경보전법에서의 토양오염우려기준인 400ppm보다 낮은 함량의 불소를 가진 정화토를 얻을 수 있다. 표면파쇄는 경도 차이에 의해 강제로 형석광물을 파쇄하므로, 종래의 비중선별에 비해 공정이 간단하고 정화효율을 높일 수 있다. 부가적으로, 입도분리된 오버플로우 토양을 부유선별을 통하여 고농도의 불소함유 형석 슬라임(slime)으로 분리한다. 이에 따라, 표면파쇄 및 입도분리 공정은 본 발명의 필수적인 과정이며, 입도분리 공정을 거친 오버플로우 토양을 부유선별하여 고농도의 불소함유 슬라임을 얻는 과정은 선택적인 과정이라고 할 수 있다. 다시 말해, 오버플로우 토양은 부유선별을 거치지 않고 폐기처분할 수도 있다.
이하, 본 발명의 플라즈마 부품의 물성을 상세하게 설명하기 위해, 다음과 같은 실시예를 제시한다. 하지만, 본 발명은 이하의 실시예에 특별히 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 실시예는 불소로 오염된 오염토양을 표면파쇄 공정에 적합한 어트리션 스크러버 유닛에 투입하여 경도가 작은 형석광물의 마찰로 파쇄하였다. 상기 표면파쇄 공정 이후의 오염토양을 하이드로 사이클론을 이용하여 평균입도 0.075mm을 기준으로 오버플로우 토양 및 언더플로우 토양으로 분리하였다. 오버플로우 토양을 침전 및 부유선별 과정을 거쳐 고농도의 불소 함유 슬라임으로 분리하였다.
표 1은 본 발명의 실시예의 원래의 오염토양, 오버플로우 토양 및 언더플로우 토양에서의 불소의 농도를 XRF에 의해 분석하여 보여주는 것이다. 이때, 원래의 오염토양은 표면파쇄 공정에 투입되기 전의 오염토양을 말한다.
시료 무게 불소농도
원 오염토양 5,000g 1,050ppm
오버플로우 토양 1,440g 2,924ppm
언더플로우 토양 3,560g 292ppm
표 1에 의하면, 원래의 토양에서의 불소농도는 1,050ppm으로 토양환경보전법의 토양오염우려기준인 400ppm을 상당하게 초과하였다. 평균입도 0.075mm 기준의 하이드로 사이클론으로 분리된 오버플로우 토양에서의 불소농도는 2,924ppm으로 급격하게 증가하였고, 언더플로우 토양에서의 불소농도는 292ppm으로 이었다. 이에 따라, 표면파쇄 공정으로 형석광물은 대부분이 평균입도 0.075mm 이하로 파쇄되어 오버플로우 토양에 함유된 것을 알 수 있었다. 또한, 언더플로우 토양을 탈수하여 배출된 정화토는 토양오염우려기준인 400ppm보다 매우 낮은 수치의 불소농도를 나타내어, 불소가 확실하게 정화되었다. 즉, 언더플로우 토양은 불소 정화가 완료된 정화토이다.
표 2는 본 발명의 실시예의 부유선별 하부 슬러지 및 부유선별 상부 슬러지에서의 불소의 농도를 XRF에 의해 분석하여 나타낸 것이다.
시료 무게 불소농도
부유선별 상부 슬러지 310g 12,261ppm
부유선별 하부 슬러지 1,130g 363ppm
표 2에 의하면, 부유선별 상부 슬러지는 불소농도 12,261ppm으로 고농도의 불소를 함유하는 슬라임 형태로 분리된다. 불소농도 12,261ppm는 토양오염우려기준인 400ppm보다 훨씬 큰 고농도 불소함유 슬라임으로 토양으로부터 분리하여 별도로 폐기처분된다. 부유선별 하부 슬러지는 불소농도 363ppm으로 토양오염우려기준인 400ppm보다 매우 낮은 수치의 불소농도를 나타내어, 불소가 확실하게 정화되었다. 부유선별 상부 슬러지는 토양으로부터 분리하여 슬러지 및 폐수로 배출하는 것이 좋다.
필요한 경우, 부유선별 하부 슬러지는 본 발명의 실시예에서 설명한 표면파쇄, 입도분리, 부유선별 등의 공정을 다시 거쳐서 불소의 함량을 줄일 수 있다. 구체적으로, 오염토양과의 고액비, 체류시간 등의 공정인자를 조절하여 형석광물을 더욱 미세하게 파쇄하고, 사이클론을 2개 이상 연결하여 평균입도를 낮추어 오버플로우 토양 및 언더플로우 토양으로 분리하며, 부유선별을 하여 부유선별 하부 슬러지에서의 불소 함량을 더욱 줄일 수 있다.
이상, 본 발명은 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.

Claims (7)

  1. 형석광물을 함유하는 오염토양을 경도 차이를 이용하여 표면을 파쇄하는 단계;
    상기 표면이 파쇄된 오염토양을 입도분리하여, 언더플로우 토양 및 오버플로우 토양으로 구분하는 단계;
    상기 언더플로우 토양을 탈수하는 단계; 및
    상기 탈수된 언더플로우 토양을 정화토로 배출하는 단계를 포함하는 토양세척을 이용한 불소 오염토양의 정화방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 경도 차이는 상기 형석광물과 상기 형석광물을 제외한 나머지 토양과의 모스경도의 차이인 것을 특징으로 하는 토양세척을 이용한 불소 오염토양의 정화방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 표면을 파쇄하는 단계는 상기 오염토양에서의 표면마찰을 이용하는 것을 특징으로 하는 토양세척을 이용한 불소 오염토양의 정화방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 표면을 파쇄하는 단계에 있어서, 고액비가 작고, 체류시간이 길수록 상기 형석광물이 미세한 평균입도를 가지도록 파쇄되는 것을 특징으로 하는 토양세척을 이용한 불소 오염토양의 정화방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 입도분리는 하이드로 사이클론을 활용하는 것을 특징으로 하는 토양세척을 이용한 불소 오염토양의 정화방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 오버플로우 토양은 침전과정을 거쳐 부유선별에 의한 하부 슬러지에 의해 고농도 불소함유 슬라임을 분리하는 것을 특징으로 하는 토양세척을 이용한 불소 오염토양의 정화방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 부유선별에 의한 하부 슬러지는 경도 차이를 이용하여 표면을 파쇄하고, 상기 표면이 파쇄된 오염토양을 입도분리하여 언더플로우 토양 및 오버플로우 토양으로 구분하며, 상기 부유선별에 의해 상기 고농도 불소함유 슬라임으로 분리하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 토양세척을 이용한 불소 오염토양의 정화방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR102241009B1 (ko) 2020-11-10 2021-04-19 주식회사 대일이앤씨 불소 오염토양 부유선별 방법 및 시스템
KR102300117B1 (ko) 2021-04-26 2021-09-09 주식회사 대일이앤씨 판상광물 부유 기능을 갖는 오염토양 선별 방법

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KR102457070B1 (ko) 2021-04-26 2022-10-24 주식회사 대일이앤씨 판상광물 부유 기능을 갖는 오염토양 선별 장치

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