소석회를 이용한 금속광산 폐광미의 고형화처리 연구 = A Study on Solidification of Abandoned Metal Mine Tailings with Hydrated Lime

국문 초록 (Abstract)

고형화는 폐기물과 이를 구성하는 유독물질을 환경으로의 이동속도와 독성의 정도를 감소시킨 상태로 전환하기 위하여 고체를 포함한 충분한 양의 고화제를 유독물질에 첨가하여 고형물질을 형성시키는 공정을 말한다. 고형화처리 공정에는 처리비용이 비교적 저렴하고 처리효율이 높은 시멘트와 포졸란물질이 주로 사용되고 있다. 일반적으로 폐광산에 산재해 있는 광미는 포졸란 유발물질인 SiO₂, Al₂O₃ 성분을 다량 함유하고 있다. 이러한 포졸란 유발 성분에 석회를 첨가하여 포졸란 반응을 일으킴으로써 불용성의 실리카질 화합물을 생성시켜 광미의 유실로 인한 농경지 오염 및 광미 침출수에 의한 수계오염 예방을 목표로 하였다.
금장광미의 화학조성 분석결과 SiO₂, Al₂O₃ 성분 및 Fe₂O₃ 성분이 주요 산화물 형태의 원소로 존재하는 것으로 나타났으며, 토양오염공정시험법에 의한 중금속 농도는 Cd 17.8mg/kg, Cu 564mg/kg, Pb 3440mg/kg, Zn 4845mg/kg으로 대책기준을 초과하는 것으로 나타났다. 고농도의 중금속을 함유한 금장광미의 고형화 처리를 위하여 가능성평가의 예비실험과 최적배합비를 통한 본 실험으로 나누어 연구를 진행하였다.
고형화 가능성평가를 위한 예비실험에서는 광미:소석회 비율을 5:1로 하여 고화체를 제작, 압축강도 측정 및 중금속 농도 측정을 실시하였다. 실험결과 압축강도는 미국 EPA 폐기물 매립권고기준인 3.5kgf/㎠을 만족하는 강도값을 나타냈으며, 중금속 농도는 원시료의 농도보다 현저하게 낮은 농도를 나타냈다. 현장적용을 위한 최적배합 실험에서는 ASTM D6276에 의한 광미와 소석회의 최적배합비를 도출하였고, KS F 2312에 따라 최적함수비를 측정하였다. 실험결과 최적배합비는 광미:소석회 비율 20:1로 나타났으며 최적함수비는 13.1%로 나타났다. 최적비율에 따라 광미와 소석회를 혼합하여 고화체를 제작하였고 제작한 고화체는 40℃에서 7일간 양생 후 물리화학적 특성평가를 위한 실험을 실시하였다. 고화체의 압축강도 실험은 양생후, 동결융해 10cycles, 20cycles, 야외매립의 네 가지 조건으로 실시하였으며, 측정결과 모든 조건에서 EPA 기준을 만족하는 값을 나타냈다. 압축강도 측정 후 파쇄된 고화체는 토양오염공정시험법과 폐기물공정시험법에 따라 중금속 농도를 측정하였고, 중금속 농도 측정결과 우려기준과 대책기준 이하의 농도로 나타났다. 현장매립을 가정하여 실시한 큐빅형태 고화체의 인공강우 실험은 pH4로 조정한 인공강우를 고화체 상부로 주입하여 하부로 유출되는 유출수를 채수하여 중금속농도를 분석하였다. 분석결과 유출수의 중금속 농도는 음용수 수질기준 이하의 낮은 농도를 나타냈다.
본 연구에서 제안한 소석회를 이용한 광미의 고형화처리는 현장적용시 경제적이고 효율적인 처리 방안을 제시할 수 있을 것으로 예상된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Solidification is one of the stabilization processes for wastes and their components to reduce their toxicity and migration rates to surroundings. Hydrated limes were applied as cementing materials to solidify heavy metals contaminated tailings from the Geumjang mine and the solidified tailing specimens were tested for their appropriateness in accordance with the suggested test methods.
In preliminary tests for the solidified tailing specimens, all the solidified specimens have higher uniaxial compressive strengths than 3.5kgf/㎠, the standard recommended for land reclamation solids by EPA(Environmental Protection Agency). Even in leaching tests for the solidified tailing specimens, concentrations of heavy metals such as Cd, Cu, Pb, and Zn were decreased significantly below the environmental warning standards in comparison with those of raw tailing samples.
In the main tests, the optimum mixing ratio of tailings, hydrated lime, and water was determined through a preliminary test. The mixtures of mine tailings and hydrated lime solidified through pozzolanic reaction were tested for their durability against repeated freezing and thawing processes. After repeated freezing and thawing, the uniaxial compressive strengths of all the solidified mixture specimens decreased in comparison with those before test but still higher than 3.5kgf/㎠, and concentrations of heavy metals such as Cd, Cu, Pb, and Zn were below the standards. Effluents in the repetitive artificial tests show pH's of 7.4 to 9.1 and concentrations of heavy metals such as Cd, Cu, Pb, and Zn of below 0.05ppm. Conclusively this study shows potential applicability of hydrated limes to in-situ stabilization of abandoned mine tailings.

목차 (Table of Contents)

• 1. 서론 = 1
• 2. 연구배경이론 = 3
• 2.1. 고형화/안정화 공법 = 3
• 2.2. 포졸란 공법 = 6
• 3. 연구대상 지역의 일반현황 = 7
• 4. 광미시료의 분석 = 11
• 4.1. 입도분석 = 11
• 4.2. XRF 분석 = 13
• 4.3. ICP 분석 = 14
• 5. 고형화처리 예비실험 = 16
• 6. 최적배합비 산정 및 고화체 제작 = 19
• 6.1. 최적배합비 산정실험 = 19
• 6.2. 최적함수비 산정실험 = 21
• 6.3. 고화체 제작 = 22
• 7. 고화체 실험 = 23
• 7.1. 동결융해 실험에 따른 고화체 압축강도 실험 = 23
• 7.2. 동결융해 실험에 따른 중금속 용출실험 = 26
• 7.3. 동결융해 실험에 따른 미세구조 관찰(SEM) = 27
• 7.4. 고화체 Batch Test = 29
• 7.5. 고화체 인공강우 실험 = 42
• 8. 결론 = 46
• 참고문헌 = 48
• Abstract = 50