비소 오염토양의 열탈착 및 아임계수 추출 특성

Abstract

휴․ 폐광산과 더불어 제련소는 고농도의 비소가스를 방출하여 급속도로 확산시키는 대표적인 배출 오염원이고, 이들 비소로 인한 환경오염과 이에 따른 인체에 대한 유해성은 심각한 상황이다. 비소 등 중금속 처리를 위해 그 동안 주로 적용되어 왔던 안정화기술이 중금속의 시험법이 2009년부터 용출시험법에서 전함량분석법으로 개정됨에 따라 더 이상의 적용이 어려운 상황이다. 따라서 비소 등 중금속을 토양매체로부터 완전히 제거할 수 있는 열탈착, 식물정화, 토양세척과 같은 토양복원기술의 개발이 시급한 상황이다. 본 연구에서 사용된 장항제련소 주변지역 오염토양의 비소농도는 토양오염공정시험법 분석시 0.5-18.9 mg/kg, 전함량분석법 분석시 8.5-79.4 mg/kg였으며, 토성 및 입도 분석 결과, 미세토 함량이 높은 것으로 나타났다. 오염토양에 대한 SEM/EDS 분석 결과, 비소의 함량은 0.21%로서 Fe, Al 등의 원소에 비해 매우 낮은 비율로 나타났고, 이런 이유로 비소의 image를 확인할 수 없었다. XRD 분석결과에서는 Si, Al, O 등의 화합물 peak에 의한 간섭효과로 인해 비소 형태의 결정구조를 정확하게 확인할 수 없었으나, 일부 비소들이 산소 및 수소와 결합되어 있는 형태로 존재할 가능성이 있다는 것을 발견하였고, XPS 분석결과에서 비소가 As2O3, R-As-OOH 화합물로 존재하는 것을 확인할 수 있었다. 음이온 카트리지 (Anion cartridge) 분석을 통해 +3가 비소와 +5가 비소의 각 fraction 농도를 계산했다. 종분화 분석결과, 주로 +3가 비소가 존재하는 것으로 나타났고, 이를 통해 비소가 무기물 광물 형태로 존재할 가능성이 큼을 알아냈다. 본 장항토양을 연속추출법 실험으로 분석한 결과, 토양 내의 비소들이 대부분 흡착종이나 광물종으로 존재하고 있는 것으로 확인되었다. 열탈착시 주요 공정인자인 반응온도 및 체류시간을 달리하여 비소의 제거효율 및 상변화 특성을 확인하였다. 반응온도 700℃ 이하에서는 반응온도나 체류시간과 관계없이 일정한 제거효율을 보였다. 그러나 반응온도 800℃에서는 체류시간이 증가함에 따라 제거효율이 증가하는 것으로 나타났다. 또한 열처리 전/후의 상변화를 분석한 결과, residual한 형태의 phase V가 상대적으로 mobile한 형태의 phase I과 II로 변화되는 비소의 상변화가 확인되었고, 상변화를 이용한 열탈착-토양세척 조합공정의 실험결과에서 pH 13에서 phase I-IV까지 제거되었고, 반응온도 300, 400℃에서 phase V의 제거율이 가장 우수한 것으로 나타났다. 한편 아임계 추출시 추출제와 반응온도를 달리하여 추출효율을 확인하였다. 추출효율은 온도의 영향이 지배적이었으며, 300℃ 조건에서 약 99% 이상의 높은 추출효율을 보였다. 또한 처리토양에 대한 sequential 분석 및 종분화 분석결과, 아임계 수의 높은 비소 용해도와 추출능에 의해 phase V까지 처리가 가능한 것으로 나타났고, 아임계에서의 극산화 조건으로 인해 3가 비소가 5가 비소로 대부분 산화되어 추출되는 것으로 나타났다.