슬래그 반응벽체 내 중금속 간 경쟁에 따른 비평형 흡착에 관한 연구   

Competitive and nonequilibrium sorption of heavy metals in a slag-based reactive barrier

연구배경 | 현재 전국적으로 1000여개의 폐광산이 생산성이 떨어져 적절한 처리가 이루어지지 않은 채 방치되어 있으며 제련과정에서 사용된 시안 등의 화학 약품과 중금속 성분을 포함하고 있는 광미의 유실, 갱내수 유출 등으로 주변 토양 및 하천수, 지하수 등이 중금속에 오염됨으로써 생태계의 파괴는 물론 인체에 피해를 끼칠 우려가 크다. 중금속은 유기오염물질과 달리 미생물에 의해 생분해되지 않고 자연계 내에 남아 pH, Eh 등 환경 조건이 변화함에 따라 지속적으로 용출되어 이동, 확산하게 된다. 특히 폐광산 등지에서의 오염은 일반적으로 단일 금속에 의한 오염이기보다는 두 종류 이상의 금속이 혼합되어 있는 복합오염의 양상을 띠고 있다. 매질에 대한 친화도가 서로 다른 두 종류 이상의 금속들이 혼합되어 존재할 때 금속들 간 흡, 탈착을 포함한 경쟁 흡착현상이 발생하는데 이를 반영한 현장 특이적 오염물질 이동 해석 방법이 요구된다.                                    

                        △ 광산 채굴에 따른 지하수면 저하 및 수계 오염 모식도                 △ 산성광산배수(AMD)

연구내용 | 본 연구에서는 반응벽체의 매질로 기존에 주로 사용되던 영가철을 대체할 수 있는 매질로 제철소의 부산물인 제강 슬래그를 이용하여 혼합 오염 하에서의 금속 간 경쟁 흡착에 따른 흡착능 평가 및 경쟁흡착 현상을 고려한 반응벽체 내에서의 이동 해석을 수행하였다.    

                                                                                              △ 반응벽체 개념도

평형 흡착 실험 결과 최대 흡착량 및 슬래그 표면과의 친화도는 납>구리>카드뮴 순서로 나타났으며 동적 흡착 실험 결과 초기 오염 농도가 높을수록 흡착 속도는 떨어지며 평형 상태에서 최대로 흡착할 수 있는 평형 흡착량은 증가하는 것으로 나타났다. 또 두 가지 이상의 금속이 혼합으로 존재할 경우에는 단일로 존재할 경우보다 금속별로 흡착 속도 및 최대 흡착량이 현저하게 감소함을 확인할 수 있었다. 주상식 실험을 통해 흐름 상태에서의 거동 특성을 평가한 결과 흡착에 의한 지연 효과 역시 납>구리카드뮴 순으로 나타났고 두 가지 이상의 중금속이 동일 농도로 혼합 되어 존재할 때 단일 금속의 거동과는 확연히 다른 양상을 보였다. 특히 납과 구리 혼합 용액의 경우 두 금속 간의 계속적인 흡, 탈착 과정을 통하여 기존의 평형 조건에서의 파과곡선 분석으로는 관련 변수들을 정확히 뽑아낼 수 없었는데 이는 슬래그에 대한 두 금속의 친화도 차이에 기인한 것으로 판단된다. 이동해석 부분에서 2 성분 혼합의 경우에는 이동변수 추출 프로그램인 CXTFIT 코드 내 Nonequilibrium transport model을 사용하여 어느 정도 추정이 가능하였으나 최적화 프로그램의 특성상 반복적인 이터레이션을 통해 두 가지 이상의 변수를 추출하는 과정에서 각 변수가 과대평가 되었을 소지가 있음을 감안하여 동적 흡착 실험 결과를 적용하여 수정된 모델을 제시하였다. 수정된 모델의 검증을 위해 칼럼을 해체하여 파과된 시료를 가지고 단계별 추출 실험을 수행해 느린 흡착과 빠른 흡착이 일어나는 부분의 비율을 나누어 본 결과 단일일 경우 0.6이던 빠른 흡착기의 비율이 납, 구리의 2 성분 혼합 용액에서는 0.35, 납, 구리, 카드뮴의 3 성분 혼합 용액에서는 0.32로 점차 작아지는 것을 확인할 수 있었다. 이 값은 수정된 모델을 통해 얻은 값과도 상통하며 수정된 모델이 기존의 모델로 변수 추출 시 나타나던 편향을 어느 정도 해결해 줄 수 있을 것으로 생각된다.

기대효과 | 본 연구에서는 폐광산 지역과 같이 여러 종류의 중금속으로 복합 오염된 현장에서 반응 벽체를 이용해 지하수를 정화하는 데에 있어 오염물질의 이동이 각각의 금속이 개별적으로 존재할 때와 복합적으로 존재할 때 상이하며 이를 예측할 수 있는 기존 모델의 한계와 보완점을 중심으로 진행하였다. 결국 여러 종류의 중금속으로 복합 오염된 현장에서는 반응벽체 내에서 중금속들 간의 경쟁에 의해 기존의 예측과는 다른 거동을 보일 수 있으며 그 결과 구리와 같이 반응 매질과의 친화도가 낮은 오염물질은 예상보다 훨씬 이른, 고농도의 유출을 초래할 수 있다. 본 연구에서 제시한 평형, 비평형 상태를 모두 고려한 수정된 two-site 모델로 혼합 오염지역의 중금속의 반응벽체 내 거동을 예측한다면 보다 합리적인 대비를 할 수 있을 것으로 기대된다.