오염토양 정화기술(용제추출법(Solvent Extraction)과 고형화/안정화(Solidfication/Stabilization))

용제추출법(Solvent Extraction)

(1) 기술개요

용제추출법은 오염토양을 추출기내에서 유기용매와 혼합시켜 용해시킨 후 분리기에서 오염물질을 분리하여 처리하는 물리․화학적 지상처리(Ex-situ)기술이다.

본 기술은 토양세척법과 같이 토양에 흡착되어 있는 오염물질을 추출하여 처리하는 면에서 공통적인 공정원리를 가지고 있지만 오염물질을 용해시키기 위한 세척제로서 물이 아닌 유기용매를 사용한다는 점이 다르다.

용제추출법은 오염물질을 분해하는 기술이기 보다는 토양, 슬러지 및 퇴적물

로부터 오염물질을 분리시킴으로써 전체적인 오염토양의 부피를 감소시키는 방법이라 할 수 있다. 용제추출법을 적용할 경우 추출공정의 효율을 높이기 위해 오염토양과 추출용매의 접촉을 극대화 시킬 수 있는 회전 교반 장치가 필요하며, 오염물질 및 토양의 상태에 따라 고형화/안정화, 소각, 혹은 토양세척과 같은 다른 기술과 병합하여 사용할 수 있다.

주로 이용되는 추출용매는 triethylamine, kerosene, 그리고 탄화수소 용매 등을 들 수 있으며, 추출과정을 통하여 오염물질을 흡수한 용매는 상분리에 의해 토양으로부터 분리되고, 오염된 용매는 휘발장치에서 휘발된 후 다시 응축시켜 공정에 재이용한다. 그러나 오염된 용매가 재이용이 불가능한 경우에는 매립하거나 다른 처리법을 이용하여 처분하여야 한다.

용제추출법은 PAHs, PCB와 같은 난분해성 물질을 단기간에 정화하는데 매우 효과적인 기술이지만 수분함량이 높거나 유화제와 같은 물질이 오염토양에 존재할 경우 공정에 방해가 되며, 공정에서 사용된 추출용매가 토양에 잔류하여 2차 오염물질로서 작용할 수도 있는 단점을 가지고 있다.

또한 용제추출법은 일반적으로 고분자 유기물질이나 친수성 물질에는 정화효율이 높고, 유기오염물질과 중금속이 결합되어 있을 경우 중금속이 함께 추출될 수 있으므로 공정설계시 유의하여야 한다.

(2) 공정원리

추출장치에 있어서 기본과정은 ①토양의 선별 ②추출물질과 혼합 ③액상과 고상의 분리 ④정화된 토양의 처리 ⑤추출용액 정화 및 슬러지 처리로 이루어져 있다. 본 기술은 실질적인 추출 이외에도 입자분리기술(입자의 크기나 밀도에 의한 분리), 화학적 처리(주로 산화) 및 부유기술 등 다른 여러 기술과 결합하여 이용되고 있다. 용매추출 장치에 대한 처리공정도는 [그림 3-8]과 같다

 

(3) 처리물질 및 처리효율

용제추출법은 PAHs, PCB와 같은 비할로겐 및 할로겐 SVOCs로 오염된 지역의 정화에 탁월한 효과를 나타내며, 비할로겐 및 할로겐 VOCs, 유류로 오염된 지역의 정화에도 대체적으로 적용이 가능하다.

하지만 중금속과 같은 무기물질, 방사성물질 및 화약류로 오염된 지역의 정화에는 본 기술의 적용이 쉽지 않다. 이 공정은 페인트 찌꺼기, 인조고무 오염토양, 타르 오염토양, 살충제 오염토양, 그리고 유류정제 폐기물 등으로 오염된 토양의 유기오염물질을 분리하는 데 적용할 수 있다.

(4) 영향인자

용제추출법은 토양세척법과 비슷한 공정원리를 가지고 있기 때문에 본 기술

적용시 영향을 미치는 인자들 또한 [표 3-7]의 토양세척법 영향인자와 같다. 다만, 세척용액을 물이 아닌 유기용제를 사용하기 때문에 유기용제의 종류, 물리/화학적 특성, 생분해성, 특히, 독성에 대한 평가가 필요할 수가 있다.

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고형화/안정화(Solidfication/Stabilization)

(1) 기술개요

고형화 및 안정화법은 오염토양에 시멘트, 석회, 슬래그 등의 고형화제를 첨가하여 오염물질의 이동성을 물리적으로 저감시키고 화학적으로 용해도를 낮추거나 무해한 형태로 변화시키는 처리기술을 말한다. 고형화/안정화법 또한 화학적 산화/환원법과 같이 지상처리(Ex-situ) 및 지중처리(In-situ)로 모두 활용 가능한 기술로서 중금속 등 무기물질을 고정시키는데 효과가 매우 높다.

다양한 고형화/안정화법 중 가장 많이 활용되는 것은 시멘트화에 의한 고형화 및 안정화 처리기술로서 포틀랜드 시멘트(portland cement), 석회 등의 고형화제를 첨가하여 오염물질을 포함한 토양을 고형물질로 변화시켜 오염물질의 이동을 방지하기 위한 방법을 말한다. 고형화 및 안정화를 위한 첨가제로는 폴리에스테르, 에폭시, 아스팔트 등 유기성 접합제와 시멘트, 포졸란 등의 무기성 접합제로 나누어 볼 수 있으며, 이중 포틀랜드 시멘트가 가장 널리 사용되고 있다.

고형화/안정화법은 중금속으로 오염된 지역에 적용시 타기술에 비하여 처리효과가 높으며, 처리비용 또한 저렴한 장점이 있다. 그러나 일반적으로 오염물질을 제거하는 것이 아닌 오염물질의 용해도 및 이동성만을 감소시키는 처리기술이기 때문에 향후에 오염물질의 용출이 발생할 가능성이 잠재되어 있으므로 장기간의 모니터링 과정이 필요한 단점을 가지고 있다.

또한 휘발성 유기물질의 경우 고정화가 어렵고 일반적으로 고형화제의 첨가로 인하여 오염토양의 부피가 증가할 수 있으며, 처리 후 고형화된 물질에 대한 처분작업이 필요할 수도 있다.

(2) 공정원리

고형화란 액상이나 슬러지와 같은 오염물질에 접합제를 첨가하여 고상의 형태로 만드는 것을 말하며 안정화란 오염물질을 불용해성으로 변화시키는 것을 의미한다.

y 무기접합제： 시멘트, 석회, 비산재(Kiln dust, fly ash), 규산, 점토, 지올라이트

y 유기접합제： 아스팔트, 폴리에틸렌, 레자, 에폭시, 우레아 포름알데하이드,

폴리에스테르

무기성 접합제는 비용이 저렴하고 장기적인 안정성이 있으며, 구입이 용이하

고 독성이 없기 때문에 다양하게 적용되고 있다. 유기성 접합제는 용해도가 높은 오염물질이나 유기성 오염물질을 화학적으로 접합시켜 안정화시키는 능력이 무기성 접합제보다 크지만 가격이 비싸고 고도의 기술을 요하기 때문에 핵폐기물이나 독성이 강한 오염물질 등의 처리에 국한되어 사용되고 있다. 고형화/안정화법의 처리공정도는 [그림 3-9]와 같다

① 시멘트를 기초로 한 고형화/안정화

시멘트를 기초로 한 고형화/안정화법에는 일반적으로 포틀랜드 시멘트를 사용한다. 처리시험을 통하여 혼합비율을 산정한 후 포틀랜드 시멘트와 오염토양을 물과 함께 혼합하면 일반적으로 수산화철이 형성되는데, 이 수산화물은 최초의 형태보다 용해도가 낮아지게 된다. 고형화/안정화법은 금속에 의하여 오염된 토양의 처리에 폭넓게 이용할 수 있으며 Cd2+, Cr(Ⅳ), Pb2+, Ni2+, Zn2+, PCBs, 폐오일 슬러지 등의 오염물질의 경우 포틀랜드 시멘트를 이용하여 안정화 할 수 있다.

② 포졸라닉 고형화/안정화

포졸란(pozzolan)은 그 물질 자체로서는 시멘트가 아니며, 보통의 온도에서 석회(CaO)․물과 결합하였을 때 시멘트 화합물이 된다. 일반적인 포졸란은 화력발전소의 비산재, 석회/시멘트 로(kiln)내의 먼지 또는 고로슬래그로부터 얻어진다.

포졸란 반응은 포틀랜드 시멘트의 수화를 통하여 생산되는 물질과 비슷한 화합물을 생성하지만 수화반응 속도가 포틀랜드 시멘트 반응보다 느리다. 포졸라닉 고형화/안정화법은 폐오일 슬러지, 중금속을 함유한 도금슬러지, 폐산과 크레오소트 등의 오염물질을 안정화시키는데 사용된다.

③ 열가소성 고형화/안정화

열가소성 고형화/안정화법은 오염물질과 입자 사이의 공극을 아스팔트, 폴리에틸렌과 같이 상온에서 소성을 나타내는 열가소성 물질로 채우는 미세캡슐화 작용의 형태로 이용된다. 미세캡슐화는 물리적 처리기술의 기본으로서 오염물질 부피 감소, 취급 용이, 오염물로부터의 자유수 제거, 투수성 감소, 구조의 강도 증가 등의 장점을 지니고 있다. 단점으로는 대기오염의 잠재성이 높고, 유기물이 다량 포함되어 있을 경우 공정이 방해를 받을 수 있으며, 또한 고가 장비가 요구되는 점 등을 들 수 있다.

(3) 처리물질 및 처리효율

고형화/안정화법은 무기물질 및 방사성물질의 처리에 탁월한 효과를 나타내며, 비할로겐 및 할로겐 SVOCs로 오염된 지역의 정화에도 대체적으로 적용이 가능하다. 그러나 휘발성 유기오염물질과 유류 및 화약류의 정화에는 효과적이지 못하다.

(4) 영향인자

고형화/안정화법을 적용하는데 있어서 고려해야 할 영향인자를 [표 3-9]에 나타내었다.

오염토양의 부피 또는 무게에 대한 총표면적의 비를 비표면적이라 하며, 동일한 부피나 무게일 때 비표면적은 입자가 작을수록 증가한다. 일반적으로 미립자 매체의 경우 비표면적이 증가할수록 오염물질의 용출능력이 증가하므로 고형화/안정화법을 적용하여 비표면적을 감소시키는 것이 효과적인 방법이 될 수 있다.

고형화/안정화법은 타기술에 비하여 적용이 간단한 기술로서 외부인자들에 의한 영향이 비교적 적다. 다만, 고형화/안정화법에서는 안정화된 매체의 강도와 내구성, 그리고 오염물질의 용출가능성이 가장 큰 영향인자이자 관심사이므로 이러한 인자들은 면밀히 검토되어져야 한다.

 

 

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