석회석 column 내 산성비 침식에 관한 연구

서명조, 김성철, 윤도영, 한춘, 이화영*, 김성규*, 오종기*

광운대학교 화학공학과, 한국과학기술연구원 금속공정연구센터*

Study of acid rain erosion in a limestone column

M.J. Seo, S.C. Kim, D.Y. Yoon, C. Han, H.Y. Lee*, S.K. Kim*, J.K. Oh*

Department of Chemical Engineering, Kwangwoon University,

Metal Processing Research Center, KIST*

서  론

휴·폐광된 광산지역의 상당수가 폐석과 광미가 방치되고있어 산성비에 의해 인근의 토양, 하천 및 지하수가 중금속으로 오염되고 있는 상황을 원천적으로 방지하기 위해 석회석으로 오염토양을 도폭함으로써 산성비의 중성화 방안을 해석하고자 하였다. 이를 위하여 본 연구에서는 인위적인 산성용액을 제조하여 석회석 입자로 충진된 packed column 내에서 중화실험을 실시하였다. Column 실험의 결과들은 오염물 전달방정식의 해를 이용한 수치모사시 이용된다.

이  론

1. 유동장 해석

토양내에서 산성비와 같은 오염수의 유동 및 전달현상에 영향을 주는 요인들로는 이산(advection), 분산(dispersion), 확산(diffusion), 수착(sorption)과 변환(transformation)등이 있다. 이산, 분산 그리고 확산은 오염수의 흐름과 오염물질의 이동에 관련이 있고, 수착은 오염물질의 전체 농도에는 영향을 주지 않고 오염물질을 토양으로 수착시켜 오염수에 있는 오염물질의 이동을 지연시키는 역할을 한다. 변환은 오염물질의 전체량에 변화를 주는 화학반응이나 미생물학적 작용에 의하여 일어난다. 따라서 토양내에서 오염물질의 이동을 모델링하기 위하여 본 연구에서는 다공성 유체층에서 일반적으로 사용되는 continuity equation 과 Darcy 의 유동방정식을 적용하였다.

[eqn: rm DEL CDOT vec v = 0]                              (1)

[eqn: rm vec v = - { kg rho } over { mu } DEL h = - K DEL h]                       (2)

여기서[eqn: rm vec v]와 h는 토양내 유체의 속도벡터와 수두(head)를 각각 나타내고 있다. k, g, □와 □는 토양의 투과계수, 중력가속도, 유체의 밀도와 점도를 각각 나타내고 있으며, K는 수력학적 전도도(hydraulic conductance)를 나타낸다.

두식을 결합함으로써 오염물질의 유동장은 1차원 미분형 지배방정식인 식 (3)의 정상상태 Darcy 지하수 유동방정식으로 나타난다.

[eqn: rm { PARTIAL } over { PARTIAL x } LEFT ( K sub x { PARTIAL { h } } over { PARTIAL x } RIGHT ) = 0]                          (3)

2. 오염물의 전달 방정식

다공성 지하에서 유동되는 침출오염수 흐름에서 오염물질의 이동은 크게 확산과 분산에 의하여 지배된다. 특히 오염물질의 이동 속도가 비교적 클 때는 분산이 확산에 비하여 중요하다.

일반적으로 침출수에서 나오는 오염물질과 지하 토양과의 수착은 가역반응이고 매우 빨리 일어나고 있어 이에 대한 평형상태는 선형을 가정되어진다. 이와 같은 수착과 관련된 분배계수에 의해 침출수에서의 오염물의 농도(C)와 토양에서의 오염물의 농도(S)는 다음의 선형식으로 표시될 수 있다.

[eqn: rm S=K_d C]                                  (4)

위에서 언급한 균일상에서의 1차원 대상계에 대하여 이산, 분산, 확산, 수착 및 변환의 사항들을 종합하면 포화된 지하 토양에서 1차원 오염물질의 전달 방정식은 식(5)로 표현된다.

[eqn: rm R_f {∂C} over {∂t }=D{ ∂^2 C} over {∂x^2 }- { ∂} over {∂x } LEFT ( { v_x C} over { epsilon } RIGHT ) - kC]              (5)

여기서 Rf, D, k는 각각 지연인자(retardation factor), 분산계수(dispersion coefficient), 반응상수를 나타낸다.

실 험 방 법

석회석 column은 그림 1에서 볼 수 있는 것과 같이 아크릴로 제작하였으며, column 하부에는 유리솜(glass wool)으로 채운후, 흐름속도를 일정하게 유지하기위해 측관(bi-pass) 및 펌프를 사용하였다. 펌프의 유량은 50∼500ml/min까지 조절할 수 있고, column을 통과하는 수용액의 유량이 일정하도록 calibration 하였다. 시료는 column에 10cm 간격으로 지름 1cm의 구멍에 teflon 마개를 사용하여 밀봉을 한 다음, 주사기를 이용하여 채취하였으며, pH meter를 이용하여 황산 수용액의 산도를 측정하여 석회석의 반응량을 계산하였다.

석회석은 10mm/+4, -4/+8, -8/+12mesh의 입도를 사용하였으며, 황산 수용액(pH 2.0, 1.5, 1.0, 0.5, 0.1)의 농도와 60, 120, 180ml/min의 유량을 변화시키면서 실험을 수행하였다.

결과 및 고찰

본 연구의 석회석 column 실험은 석회석의 입자, 황산용액의 농도 및 유량를 변화시키면서 실행되었으며, Darcy 지하수 유동방정식과 오염물질의 전달방정식을 해석하는데 필요한 석회석의 투과계수는 1×10-6m/s로 설정하였고, 석회석의 벌크밀도는 2000kg/m3, 확산계수는 1×10-5cm2/s로 가정하였다.

석회석의 particle size가 10mm/+4mesh, 황산용액의 유량이 120ml/min의 조건에서 황산용액의 산도를 변화시켰을 경우, pH 2.0은 상부에서 5cm 지점에서 98% 중화되었다. pH 1.5는 10cm 지점에서 97%, pH 1.0은 30cm 지점에서 99.8%가 중화되었다. 즉, 산도가 높을수록 column 내에 산성용액의 포화되는 시간이 빨라져서 하부로의 전이가 빠름을 알 수 있었다.(Fig. 2)

석회석의 particle size가 10mm/+4mesh, 황산용액의 산도는 pH 1.0의 조건에서 황산용액의 유량을 변화시켰을 경우, 산성용액의 전이는 유량이 증가함에 따라 상부에서 하부로 급속히 전이되었다.(Fig. 3)

황산용액의 산도는 pH 1.0, 황산용액의 유량이 120ml/min의 조건에서 석회석의 particle size를 변화시켰을 경우, -8/+12mesh는 상부로부터 10cm 지점에서 완전히 중화되었다. -4/+8mesh는 약 15cm , 10mm/+4mesh는 30cm 지점에서 완전히 중화되었다. 즉, 석회석의 particle size가 커질수록, 황산오염물의 이동속도가 빨라지므로 하부로의 전이가 2배 증가되었다.(Fig. 4)

결  론

본 연구에서 인위적인 산성용액을 제조하여 석회석 입자로 충진된 packed column 내에서 중화실험을 실시하여 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.

1. 산도가 높을수록 column 내에 산성용액의 포화되는 시간이 빨라져서 하부로의 전이가 빨랐다. 즉, pH 2.0은 5cm 지점에서 98% 중화된 반면 pH 1.0은 30cm 지점에서 99.8% 중화됨으로써 6배가량 빨라졌다.

2. 유량이 증가함에 따라 상부에서 산성용액의 포화는 빨라졌지만, 30cm 지점에서 120ml/min은 99.8%, 180ml/min은 97.7% 중화됨으로써 하부에서 산성용액의 전이는 유사하였다.

3. -4mesh/+8mesh는 약 15cm , -10mm/+4mesh는 30cm 지점에서 완전히 중화되었다. 즉 석회석의 particle size가 커질수록, 황산오염물의 이동속도가 빨라지므로 하부로의 전이가 2배 증가되었다.

참 고 문 헌

1. 석탄산업합리화사업단: 석탄광폐광지원백서, 서울 (1995).

2. Freeze, R.A. and Cherry, F.A., "Groundwater", Prentice-Hall, New Jersey,

(1979).

3. Istok, J., "Groundwater Modelling by the Finite Element Method",

American Geoohysical Union (1989).

4. Schnoor, J.L., "Environmental Modeling", Wiley-Interscience, New York

(1996).

5. Neuman, S.P., Water Resour. Res., 26, 1749 (1990).

6. Bear, J. and Bachmat, Y., "Introduction to Modeling of Transport

Phenomena in Porous Media", Kluwer Academic Publishing, Dordrecht

(1990).

7. Istok, J. "Groundwater Modelling by the Finite Element Method",

American Geoohysical Union (1989).

Fig. 1.	Schematic diagram of the column apparatus for acid rain erosion		Fig. 2.	Conversion of H2SO4 for various concentrations (10mm/+4mesh, t=3hr, 120ml/min)

Fig. 3.	Effects of feed rates on the conversion of H2SO4 (10mm/+4mesh, t=3hr, pH 1.0)		Fig. 4.	Effects of particle size of limestone on the conversion of H2SO4 (120ml/min, t=6hr, pH 1.0)