동래 납석광산 산성 광석배수의 중화실험: 중금속의 거동 특성 규명 = Neutralization of Acid Rock Drainage from the Dongrae Pyrophyllite Deposit: A Study on Behavior of Heavy Metals

국문 초록 (Abstract)

동래 납석광산 지역의 산성광석배수(ARD)에 의해 오염된 동래천의 공간적 화학조성 변화와 중금속의 제거 과정을 중화실험을 통하여 조사하였다. 광산에 인접한 동래천은 강산성(pH 3.0~4.2)이며 많은 양의 Al. Fe, $SO_4$및 중금속(Pb, Cu, Zn, Cd)을 포함하고 있다. 동래천의 화학조성은 산성배수의 침출지에서부터 수영강과의 합류지점까지 체계적으로 변화한다. 즉, 동래천으로 유입되는 침출수는 Al과 Fe가 풍부하나 하류로 갈수록 Al이 풍부한 조성으로 변한다. 침출수(pH 2.3)는 오염되지 않은 동래천(pH 6.5)과 소규모의 지류(pH 6.2)와 혼합되면서 pH가 최대 4.2까지 증가한다. 이러한 낮은 pH 범위(<4.2)에서는 거의 모든 Fe가 침전되나 Al은 대부분 용존상태로 남게 되어 하류로 갈수록 A띠 풍부한 조성으로 변화하게 된다. 한편, Al이 풍부한 하류의 지표수는 유량이 큰 수영강(pH 6.9)과 혼합되면서 pH가 증가(5.7)하여 흰색의 Al 침전물을 형성시킨다. 침출수를 대상으로 한 중화실험 결과. pH 3.5 이하에서 Fe침전물이, pH 4~6범위에서 Al 침전물이, 그리고 pH 6.0이상에서 Mn침전물이 형성되었다. pH의 증가에 따른 이러한 Fe, Al 및 Mn의 단계적인 침전은 실제 동래천에서 관찰되는 침전물의 형성과 잘 일치하고 있다. 또한 pH 증가에 따른 Fe및 Ai침전물에 의한 중금속의 흡착순서는 Pb>Cu>Cd$\geq$Zn이었으며, 50%의 흡착을 보이는 pH의 값($pH_{50}$은 Pb 3.2, Cu 4.5, Cd 5.2 및 Zn 5.8이었다. 이와 비교하기 위해서, Al이 풍부한 하류의 지표수를 대상으로 한 중화실험 결과, $pH_{50}$의 값은 Pb 4.5, Cu 5.8, Cd 7.4 및 Zn 7.0으로서 침출수에 비해 높은 값을 보였다. 이와 같은 결과로부터, 광산배수에서의 중금속의 제거는 pH의 변화뿐 만 아니라 하천수의 Fe 및 Al의 상대적인 양에 따라 결정됨을 알 수 있다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In this study, we have investigated the geochemical behavior and fate of heavy metals in acid rock drainage (ARD). The ARD was collected from the area of the former Dongrae pyrophyllite mine. The Dongrae Creek waters were strongly acidic (pH : 2.3~4.2) and contained high concentrations of $SO_4$, Al, Fe, Mn, Pb, Cu, Zn, and Cd, due to the influence of ARD generated from weathering of pyrite-rich pyrophyllite ores. However, the water quality gradually improved as the water flows downstream. In view of the change of mole fractions of dissolved Fe, Al and Mn, the generated ARD was initially both Fe- and AA-ich but progressively evolved to more Al-rich toward the confluence with the uncontaminated Suyoung River. As the AR3 (pH 2.3) mixed with the uncontaminated waters (pH 6.5), the pH increased up to 4.2, which caused precipitation of $SO_4$-rich Fe hydroxysulfate as a red-colored, massive ferricrete precipitate throughout the Dongrae Creek. Accompanying the precipitation of ferricrete, the Dongrae Creek water progressively changed to more Al-rich toward downstream sites. At the mouth of the Dongrae Creek, it (pH 3.4) mixed with the Suyoung River (pH 6.9), where pH increased to 5.7, causing precipitation of Al hydroxysulfate (white precipitates). Neutralization of the ARD-contaminated waters in the laboratory caused the successive formation of Fe precipitates at pH<3.5 and Al precipitates at higher pH (4~6). Manganese compounds were precipitated at pH>6. The removal of trace metals was dependent on the precipitation of these compounds, which acted as sorbents. The pHs for 50% sorption ($pH_{50}$) in Fe-rich and Al-rich waters were respectively 3.2 and 4.5 for Pb, 4.5 and 5.8 for Cu, 5.2 and 7.4 for Cd, and 5.8 and 7.0 for Zn. This indicates that the trace metals were sorbed preferentially with increasing pH in the general order of Pb, Cu, Cd, and Zn and that the sorption of trace metals in Al-rich water occurred at higher pH than those in Fe-rich water. The results of this study demonstrated that the partitioning of trace metals in ARD is not only a function of pH, but also depends on the chemical composition of the water.