폐광산 광미 및 주변 오염토양에 함유된 비소의 토양세척법에 의한 제거 특성 - 하동윤 (The Graduate School, Ajou University, 2008)
우리나라의 휴·폐금속광산은 전국에 936여개가 산재하고 있으며, 이들 폐광산에 적치된 광미와 폐석으로부터 유출된 중금속으로 인하여 주변 수계와 토양이 오염되는 등 심각한 환경문제를 야기하고 있다. 특히 EPA에서 발암물질로 분류하고 있는 비소는 다른 중금속들에 비하여 그 위험성이 매우 높은 것으로 알려져 있으며, 근자에 들어 이러한 비소로 오염된 토양으로 인한 환경파괴 및 인체 피해사례가 증가하고 있어 비소로 오염된 토양의 처리가 절실히 요구되고 있는 실정이다. 이에 본 연구에서는 폐광산 광미와 주변 오염토양에 함유된 비소 성분의 제거방안을 수립하고자 하였다. 이를 위하여 광미와 오염토양을 대상으로 산세척제(HCl, H₂SO₄)와 알칼리세척제(NaOH)를 이용하여 세척제의 농도, 고액비 변화에 따른 비소 제거특성 및 각 세척제별 최적의 세척조건을 조사하였으며, 세척 후 잔류하는 비소의 화학적 결합형태에 대해서도 조사하여 비소 제거특성을 평가하였다. 도출된 세척조건에서 반복세척방법을 적용하여 비소의 제거효율과 경제성을 증진시킬 수 있는 최적의 반복세척조건을 도출하였다. 또한 kinetic model을 이용하여 토양세척법에 의한 광미와 오염토양 처리시 비소의 용출 kinetic에 대해서도 조사하였다. 광미의 경우 최적의 세척조건(3.0N, 고액비 1:25)에서 HCl과 NaOH을 이용하여 세척한 결과 1회 세척으로는 토양오염기준치 이하로 제거가 불가능하였으나, 반복토양세척법을 적용한 결과(HCl 3회, NaOH 5회 세척) 토양오염대책기준치(“나”지역 50mg/kg)이하로 처리가 가능하였다. 그러나 반복세척에 의한 비소 제거효과는 HCl이 NaOH 비하여 높은 것으로 조사되었다. HCl 사용시 처리비용 절감을 위하여 농도와 고액비를 변화시켜 반복세척한 결과 2.0N HCl, 고액비 1:5, 세척시간 1시간으로 6회 반복세척시 광미내 잔류하는 비소를 토양오염대책기준치(50mg/kg)이하로 제거할 수 있었으며, 3.0N HCl, 고액비 1:25에서 3회 세척하는 것에 비하여 비소 제거효율과 경제성을 감안할 때 최적인 것으로 판단되었다. 오염토양의 경우 H₂SO₄ 사용시 최적의 세척조건(1.0N, 고액비 1:25)에서 토양오염우려기준치(“나”지역, 12mg/kg) 이하로 제거가 가능하였다. 이에 본 연구에서는 토양세척시 소요되는 비용절감을 위하여 H₂SO₄의 농도와 고액비를 변화시켜 반복세척한 결과 0.5N H₂SO₄를 사용하여 고액비 1:5에서 3회 반복세척하는 것이 1.0N H₂SO₄를 사용하여 고액비 1:25에서 1회 세척하는 것에 비하여 비소 제거효율과 경제성 측면에서 최적인 것으로 판단되었다. 토양세척법에 의한 광미와 오염토양에 함유된 비소의 화학적 결합형태 별 제거특성을 조사한 결과 HCl은 비잔류성 형태의 비소 화합물들을 화학적 결합형태에 관계없이 비선택적으로 대부분 제거할 수 있는 것으로 조사되었으며, 잔류성 형태의 비소 화합물의 제거효율도 H₂SO₄와 NaOH에 비하여 우수한 것으로 나타났다. H₂SO₄는 HCl과 같이 유사한 제거특성을 나타내었으나, 잔류성 형태의 비소 제거효율은 HCl에 비하여 낮은 것으로 나타났다. 반면, NaOH는 잔류성 형태의 비소 보다는 비잔류성 형태의 비소 화합물 제거에 효과적인 것으로 나타났으며, 특히 환원성 및 산화성 형태의 비소 화합물 제거에 효과적인 것으로 나타났다. 토양세척법에 의한 광미와 오염토양의 처리시 비소의 용출 kinetic 연구 결과 비소의 용출 특성은 초기의 빠른 용출반응과 이후의 느린 용출 반응 두단계로 나타났으며, 이를 kinetic model에 적용하여 비교한 결과, 광미와 오염토양 모두 세척제의 종류에 관계없이 two site first-order reaction model과 더 일치하는 결과를 나타내었다. 또한 빠른 용출단계에서의 비소 용출특성은 세척제의 농도에 크게 영향을 받는 반면, 느린 용출단계에서의 비소 용출은 세척제의 농도 보다는 세척제의 종류 및 특성(비소와 결합된 광물의 용해능력)에 더 영향을 받는 것으로 나타났다. 본 연구를 통해 도출된 토양세척법에 의한 광미와 오염토양의 처리시 비소의 제거특성과 반복세척법의 효율성에 대한 결과는 향후 토양세척법을 이용한 중금속으로 오염된 광미와 오염토양의 복원기술 개발에 크게 활용될 수 있을 것으로 판단된다.
학위논문(박사)----아주대학교 일반대학원 :환경공학과,2008. 2
Keywords: 비소; 토양세척법; 광미; 오염토양