서 론
우리나라는 삼면이 바다에 접하고 있어 해양환경에 대한 관심이 증대하고 있다. 연안지역의 퇴적토는 선박 방오재의 탈락, 하역 중 중금속 함유물 유실, 선박수리작업 등 다양한 요인에 의해 금속성분으로 오염될 수 있다(Lee et al., 2015). 항만의 경우 시간이 지남에 따라 고운입자의 퇴적량이 증가하여 항로유지를 위한 준설을 시행해야하며, 과거에는 준설된 오염퇴적토를 해양투기해왔으나 현재는 강화된 해양환경법에 의해 투기가 곤란한 실정이다. 현재는 오염퇴적토를 준설하여 탈수 후 매립하는 방법이 사용되고 있으나 육상매립지가 향후 부족할 것으로 예상되어 이에 대한 대책이 시급한 실정이다.
현재까지 중금속으로 오염된 토양을 처리하기 위해 비중선별(gravity separation), 식물이용정화법(phytoremediation), 열처리법(thermal process), 동전기 정화법(electrokinetic remediation), 그리고 토양세척법(soil washing) 등이 개발되어 왔다(Furukawa and Tokunaga, 2004; Park et al., 2013). 납(11.34 g․cm–3), 구리(8.96 g․cm–3), 아연(7.14 g․cm–3)의 밀도는 일반토양(2.5-2.6 g․cm–3)의 밀도보다 크기 때문에 중금속 입자는 비중선별공정에 의해 제거가 가능하다. 그러나 미립자의 경우 비중선별공정을 적용하는 것이 어렵다고 알려져 있으며, 오히려 비표면적이 증가하기 때문에 화학적 처리법의 적용이 용이한 것으로 보고되었다(Lin et al., 1995; Lin, 1996; Park et al., 2013). 그러나 화학적 처리법의 경우 시약사용에 의한 비용증가와 폐수와 잔사 등 2차 오염발생우려 등의 문제점이 제기되고 있는 현실이다.
미립자에 대한 비중선별적용 한계를 극복하기 위해 다양한 연구가 진행되어 왔으며, 원심력을 이용한 개량형 비중선별기(enhanced gravity separators, EGS)가 현장에서 사용되고 있다. 이중 원심지그(Jig) 선별기, MGS(Multi- gravity separator), Falcon separator, 넬슨선별기(Knelson separator)가 대표적이다(Wills and Napier-Munn, 2005). 이와 같은 개량형 비중선별기에서는 미립자의 경우에도 원심력에 의해 비중 차에 의한 침강속도 차가 증가하여 미립자 처리가 곤란하였던 기존 비중선별기의 단점이 극복 가능하였다. 넬슨선별기는 회전하는 용기(bowl)중심에 시료슬러리를 투입하고 원심력에 의해 시료슬러리가 바닥부터 위로 용기벽면을 타고 위로 이동하는데 저비중 입자는 그대로 배출되며 고비중의 입자는 용기벽면에 있는 홈에 머물러 분리된다(Coulter and Subasinghe, 2005).
당 연구에서는 항만에서 채취된 중금속 오염퇴적토를 대상으로 하여 넬슨선별기를 이용한 중금속 성분 제거실험을 실시하였으며, 넬슨선별기의 원심가속도의 영향을 분석하였다. 또한, 중액선별을 실시하여 넬슨선별기의 결과와 비교하고 중금속성분 분리거동을 분석하고자 하였다.
실험방법
본 연구에서 사용된 시료는 국내 항구에서 채취된 시료이며, Fig. 1에 습식체질에 의해 분석된 입도분포를 나타내었다. 75 ㎛ 이하 입자가 23.5%로 전구간 중 가장 많이 분포되어 있으며, 이는 항만퇴적토의 일반적인 입도분포특징과 일치한다. 이 시료를 20인치 습식싸이클론으로 분급하여 상향흐름 산물을 출발시료로 하였으며, 이 시료의 입도분포를 Fig. 2에 나타내었다. 출발시료를 왕수에 의한 전함량 분석법으로 중금속 함량을 측정한 결과 납, 구리, 아연이 각각 1,301.6 mg/kg, 726.73 mg/kg, 581.2 mg/kg으로 나타났다.
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Fig. 2. The particle size distribution of overflow product obtained from 20-inch hydrocyclone treatment. |
넬슨선별실험은 Knelson 선별기(KC-MD3-G4, Knelson, Canada)를 이용하여 진행하였다. 시료 10 g과 증류수 100 ml으로 슬러리를 제조한 후, 수압 10 kPa조건에서 원십가속도를 40 × g로부터 120 × g까지 변화시키며 상향흐름 산물과 용기내 잔존한 산물을 각각 회수하였다. 회수된 산물은 바로 Microtrac사의 S3500 입도분포 분석을 실시하였고, 건조한 후 중금속 함량분석을 실시하였다.
중액선별은 Sodium polytunstate(3Na2WO4․9WO3․H2O, Sometu, Germany) 분말을 초순수에 녹여 비중을 2.8로 하여 진행하였다. 시료 1 g을 50 ml 중액에 첨가한 후 원심분리기에서 10,000 rpm 가속도에서 20분간 침강시켜 침강한 산물과 부유된 산물을 각각 회수하였다. 넬슨선별실험과 중액선별실험에서 회수된 시료 중 중금속의 함량은 왕수를 이용하여 전함량분석법으로 측정하였다. 농도분석에는 AA-7000 atomic absorption spectrophotometer(Shimadzu Scientific Instrument, Ltd., Japan)이 사용되었다.
실험결과 및 고찰
원심가속도를 40 × g에서 120 × g까지 조절한 넬슨선별실험을 통해 얻어진 상향 산물(overflow product)의 납 함유량과 회수율을 Fig. 3에 나타내었다. 원심가속도가 증가할수록 납 함유량은 3,886 mg/kg에서 8,094 mg/kg까지 두배 정도 농축되어 증가하는 경향을 나타내나, 회수율의 경우는 95.2%에서 78.9%로 감소하고 있다. 넬슨선별기에서 원심가속도를 증가시키면 입자가 물의 주입에 의한 수압보다 원심력에 의해 영향을 더 크게 받아 넬슨선별기 내에 잔존하게 된다. 따라서 수압에 의해 상향흐름으로 배출되는 양이 감소하며 이것이 회수율 감소의 원인으로 생각된다. 다만 함유량이 증가한 것은 잔존하는 성분에서 중금속을 포함하지 않는 비오염토양의 비율이 더 높았던 것이 이유로 판단된다.
Fig. 4와 5에 동일 실험에서 분석된 구리와 아연의 함유량과 회수율을 각각 제시하였다. 원심가속도를 증가시킴에 따라 상향 산물 중 구리와 아연의 함유량은 증가하고 회수율은 감소하였으며, 이는 Fig. 3에 나타낸 납의 함유량 및 회수율의 경향과 일치한다. 그러나 회수율이 구리의 경우 76.9%에서 36.5%로, 아연의 경우 89.2%에서 42.6%로 급격히 감소하는 것을 알 수 있다. 원심가속도가 40 × g에서 선별기 내에 잔존하는 산물 중 납, 구리, 아연의 함량은 각각 91.1 mg/kg, 238 mg/kg, 89.3 mg/kg으로 감소하였고 토양오염우려기준의 납과 아연은 1지역기준, 구리는 2지역기준을 만족하여 넬슨선별공정에 의해 오염퇴적토 중 중금속 성분이 성공적으로 제거된 것을 알 수 있다.
일반적으로 넬슨선별법과 같은 비중선별에서 고비중의 입자는 하향흐름으로, 저비중의 입자는 상향흐름으로 분리되나 Fig. 3-5의 결과는 이와 같은 경향과 반대되는 결과를 나타내고 있다. 넬슨선별법의 분급효과를 검증하기 위하여 상향 산물과 넬슨선별기 내 잔존하는 산물의 입도분포를 각각 조사하였다. Fig. 6의 상향 산물 입도분포는 원심가속도가 증가함에 따라 감소하는 경향을 나타내며, 원심가속도가 90 × g 이상의 조건에서 큰 변화가 나타나지 않았다. 이는 원심가속도가 증가함에 따라 상향산물 중 상대적으로 큰 입자가 선별기 내에 잔존한 것이 원인으로 생각된다. Fig. 7의 경우는 원심가속도가 증가함에 따라 선별기 내 잔존하는 산물의 입도분포는 큰 변화가 없다. Fig. 6과 7을 비교할 때 선별기 내 잔존하는 산물의 입도가 상향 산물의 입도보다 크기 때문에 분급효과가 나타난 것으로 생각된다.
중금속 성분이 저비중 물질과 함께 거동할 수 있기 때문에 중액선별실험을 통하여 넬슨선별법과 비교하고자 하였다. Sodium polytunstate를 사용하여 비중을 2.8로 조절한 중액(dense medium)을 사용하여 선별실험을 진행하였으며, 실험결과를 Fig. 8에 나타내었다. 구리, 아연, 납 모두 Sink 산물에서 높게 나타났으며, 이는 중금속 성분이 비오염토양에 비하여 비중이 높다는 것을 나타낸다. 따라서 중액선별결과는 넬슨선별결과와 반대의 경향을 나타내고 있다. 중액선별에서 Sink 산물에서 Fig. 9와 같이 섬유상의 물질이 관찰되었고, 상향 산물에서도 동일하게 관찰되었다(data not shown). 회수된 시료는 미량으로 정량적인 분석이 어려워 정성적으로 분석한 결과 납, 구리, 아연이 관찰되었다. 따라서 넬슨선별에서는 이 물질이 수류작용에 의하여 상향흐름으로 배출된 것으로 판단된다. 이 섬유상 물질은 밧줄의 잔해로 추정되는데, 밧줄제작과정에서 중금속 성분이 첨가되거나 가라앉은 밧줄에 중금속 성분이 흡착된 것으로 판단되며 이에 대한 보다 면밀한 조사가 필요할 것으로 생각된다.
결 론
중금속성분으로 오염된 미립 항만퇴적토를 정화하기 위해서 넬슨선별기를 이용한 분리실험을 진행하였고, 중액선별을 실시하여 중금속 성분의 비중선별 분리거동을 관찰하였다.
수압을 고정한 상태에서 원심가속도를 증가시키며 정화실험을 진행한 결과, 납, 구리, 아연 모두 회수율은 감소하고, 상향흐름 산물 중 함유량은 증가하는 것으로 나타났다. 넬슨선별기 내에 잔존하는 산물의 중금속 함량을 분석한 결과, 납, 구리, 아연의 함량은 각각 91.1 mg/kg, 238 mg/kg, 89.3 mg/kg으로 감소하여 성공적으로 중금속 성분이 제거된 것으로 판단되었다. 중액선별결과 중금속 성분은 넬슨선별분리결과와 반대로 침강된 산물에서 높게 관찰되었다. 이는 중금속 성분이 섬유상 물질에 함유되어 있어 수류작용에 의해 넬슨선별실험에서는 상향흐름 산물에 포함되고, 중액선별에서는 비중 때문에 침강된 산물에 함유된 것으로 분석되었다.
