분해성 고형화/안정화 (DS/S) 공정은 전통적인 시멘트를 기반으로 한 고형화/안정화 (S/S) 기술을 개량하여 오염물질의 물리화학적 제거능을 증가시킨 신개념 기술이다. 분해성 고형화/안정화 공정은 시멘트를 바인더로 사용하고, 2가철을 환원제로 사용하여 중금속과 염 ...

분해성 고형화/안정화 (DS/S) 공정은 전통적인 시멘트를 기반으로 한 고형화/안정화 (S/S) 기술을 개량하여 오염물질의 물리화학적 제거능을 증가시킨 신개념 기술이다. 분해성 고형화/안정화 공정은 시멘트를 바인더로 사용하고, 2가철을 환원제로 사용하여 중금속과 염소계 유기오염물질을 동시에 처리할 수 있다. 본 연구에서는 2가철로 개질된 시멘트 및 제강슬래그 (Cement/steel slag/Fe(II) system)를 이용한 분해성 고형화/안정화 공정을 적용하여 염소계 에틸렌의 환원성 탈염소화의 성능을 평가하고자 하였다.
첫째, 회분식 슬러리 반응조를 사용한 시멘트/Fe(II) 시스템에서 염소계 에틸렌 (PCE, TCE, 1,1-DCE, VC)의 반응성을 고찰하였다. 염소계 에틸렌의 제거 동력학은 유사 1차 반응 속도로서 시스템 내에서 제안된 공정이 이용될 수 있도록 빠른 속도로 제거되는 반응성을 나타내었다. 염소계 에틸렌은 대부분이 시스템 내에서 자연 환경에서 쉽게 정화 가능한 비염소계 유기화합물로 전환되었다.
둘째, 새로운 반응매질인 슬래그를 사용한 슬래그/Fe(II) 시스템 내에서 TCE의 제거 동력학을 고찰하여, 슬래그의 환원성 탈염소화 반응매질로의 적용 가능성을 평가하였다. 그 결과, 제강슬래그와 2가철이 결합된 시스템 (Steel slag/Fe(II) system)이 염소계 유기오염물질을 효과적으로 처리할 수 있는 것으로 나타났다. 제강슬래그/Fe(II) 시스템은 특성 실험 결과, 시멘트/Fe(II) 시스템보다 분해능이 높고, 영가철에 상응하는 속도로 TCE를 제거할 수 있는 분해능을 보였다.
마지막으로 바인더로서 시멘트와 제강슬래그를 혼합하여 사용한 2가철로 개질된 시멘트 및 제강슬래그 (Cement/steel slag/Fe(II) system)를 이용하여 TCE가 함유된 유해 액상폐기물의 분해성 고형화/안정화 공정의 성능을 평가하였다. 그 결과, 최적 2가철 주입량은 주입량 대비 반응속도 상수로서 결정되었다. 최적 시스템 내에서 액상폐기물에 함유되어 있는 고농도 11,600 ppm TCE는 40일 이내에 완전히 제거되었다. 이와 같은 결과를 볼 때, 시멘트와 제강슬래그를 중금속 고정화 바인더로 사용하고, 2가철을 유기오염물질 환원제로 사용한 시멘트/제강슬래그/Fe(II) 시스템은 TCE가 함유된 액상폐기물의 처리에 있어 매우 효과적인 것으로 판단된다.

Degradative solidification/stabilization (DS/S) is a new technology which enhances removal mechanisms of contaminants over the physicochemical immobilization mechanisms provided by conventional cement-based solidification/stabilization (S/S). DS/S ca ...

Degradative solidification/stabilization (DS/S) is a new technology which enhances removal mechanisms of contaminants over the physicochemical immobilization mechanisms provided by conventional cement-based solidification/stabilization (S/S). DS/S can be applied to remove chlorinated hydrocarbons when ferrous iron (Fe(II)) is used as a reductant with binders such as cement and to immobilize heavy metals simultaneously. In this paper, a DS/S system using cement and steel slag amended with Fe(II) (Cement/steel slag/Fe(II)) was investigated to asses its effectiveness in dechlorinating chlorinated ethylenes.
First, Reactivities of chlorinated ethylenes (tetrachloroethylene (PCE), trichloroethylene (TCE), 1,1-dichloroethylene (1,1-DCE), vinyl chloride (VC)) in cement/Fe(II) systems were characterized using batch slurry reactors. Reduction kinetics of the chlorinated ethylenes were sufficiently fast to be utilized for the proposed treatment scheme, and were described by a pseudo-first-order rate law. The chlorinated ethylenes were mostly converted to non-chlorinated compounds that could easily be attenuated in the environment.
Second, kinetics of TCE degradation were conducted to assess the feasibility of using slag as a new reactive material for dechlorination reactions and to investigate dechlorination chemistry of the systems containing the slag and Fe(II). A combination of the steel converter slag and Fe(II) showed a potential to be developed as a reactive material to treat chlorinated organics. Further, kinetic studies with the steel converter slag/Fe(II) systems show that dechlorination capacity of the slag/Fe(II) system is comparable to that of zero-valent iron and is generally higher than cement/Fe(II) systems.
Finally, a DS/S system using multiple binder system, cement and steel slag amended with Fe(II) (Cement/steel slag/Fe(II)) was investigated to assess its effectiveness in degrading TCE contained in hazardous liquid wastes. As a result, an optimum dose of Fe(II) was determined based on ratio of rate constants to Fe(II) doses. The optimized system could completely remove TCE in a liquid waste containing 11,600 ppm TCE within 40 d after the DS/S treatment. These results show that the cement/steel slag/Fe(II) system is effective in treating liquid wastes containing TCE by using cement/slag as an immobilizing agent and Fe(II) as a reductant.

분해성 고형화/안정화 (DS/S) 공정은 전통적인 시멘트를 기반으로 한 고형화/안정화 (S/S) 기술을 개량하여 오염물질의 물리화학적 제거능을 증가시킨 신개념 기술이다. 분해성 고형화/안정화 공정은 시멘트를 바인더로 사용하고, 2가철을 환원제로 사용하여 중금속과 염 ...

분해성 고형화/안정화 (DS/S) 공정은 전통적인 시멘트를 기반으로 한 고형화/안정화 (S/S) 기술을 개량하여 오염물질의 물리화학적 제거능을 증가시킨 신개념 기술이다. 분해성 고형화/안정화 공정은 시멘트를 바인더로 사용하고, 2가철을 환원제로 사용하여 중금속과 염소계 유기오염물질을 동시에 처리할 수 있다. 본 연구에서는 2가철로 개질된 시멘트 및 제강슬래그 (Cement/steel slag/Fe(II) system)를 이용한 분해성 고형화/안정화 공정을 적용하여 염소계 에틸렌의 환원성 탈염소화의 성능을 평가하고자 하였다.
첫째, 회분식 슬러리 반응조를 사용한 시멘트/Fe(II) 시스템에서 염소계 에틸렌 (PCE, TCE, 1,1-DCE, VC)의 반응성을 고찰하였다. 염소계 에틸렌의 제거 동력학은 유사 1차 반응 속도로서 시스템 내에서 제안된 공정이 이용될 수 있도록 빠른 속도로 제거되는 반응성을 나타내었다. 염소계 에틸렌은 대부분이 시스템 내에서 자연 환경에서 쉽게 정화 가능한 비염소계 유기화합물로 전환되었다.
둘째, 새로운 반응매질인 슬래그를 사용한 슬래그/Fe(II) 시스템 내에서 TCE의 제거 동력학을 고찰하여, 슬래그의 환원성 탈염소화 반응매질로의 적용 가능성을 평가하였다. 그 결과, 제강슬래그와 2가철이 결합된 시스템 (Steel slag/Fe(II) system)이 염소계 유기오염물질을 효과적으로 처리할 수 있는 것으로 나타났다. 제강슬래그/Fe(II) 시스템은 특성 실험 결과, 시멘트/Fe(II) 시스템보다 분해능이 높고, 영가철에 상응하는 속도로 TCE를 제거할 수 있는 분해능을 보였다.
마지막으로 바인더로서 시멘트와 제강슬래그를 혼합하여 사용한 2가철로 개질된 시멘트 및 제강슬래그 (Cement/steel slag/Fe(II) system)를 이용하여 TCE가 함유된 유해 액상폐기물의 분해성 고형화/안정화 공정의 성능을 평가하였다. 그 결과, 최적 2가철 주입량은 주입량 대비 반응속도 상수로서 결정되었다. 최적 시스템 내에서 액상폐기물에 함유되어 있는 고농도 11,600 ppm TCE는 40일 이내에 완전히 제거되었다. 이와 같은 결과를 볼 때, 시멘트와 제강슬래그를 중금속 고정화 바인더로 사용하고, 2가철을 유기오염물질 환원제로 사용한 시멘트/제강슬래그/Fe(II) 시스템은 TCE가 함유된 액상폐기물의 처리에 있어 매우 효과적인 것으로 판단된다.

시멘트/Fe(II) 시스템은 염소계 에틸렌을 영가철에 상응하는 1차 반응속도로서 주요 염소계 에틸렌 화합물인 TCE 뿐만 아니라 TCE 보다 독성이 강하고 난분해성 물질인 VC 및 DCE에 대해서도 TCE > 1,1-DCE > PCE > VC 순으로 효과적으로 분해시키고 있다. TCE 분해 부산 ...

시멘트/Fe(II) 시스템은 염소계 에틸렌을 영가철에 상응하는 1차 반응속도로서 주요 염소계 에틸렌 화합물인 TCE 뿐만 아니라 TCE 보다 독성이 강하고 난분해성 물질인 VC 및 DCE에 대해서도 TCE > 1,1-DCE > PCE > VC 순으로 효과적으로 분해시키고 있다. TCE 분해 부산물 분석결과, 주요 부산물로서 비염소계 화합물인 acetylene이 검출되어 reductive β-elimination의 반응 경로에서 분해시키는 것으로 나타났다. 염소계 에틸렌의 분해시 최적 pH는 12～13.5 부근이며, 이 부근에서 염소계 에틸렌을 분해시키는데 필요한 시스템 내의 유효성분인 Fe(II)이 포함된 mineral 및 Fe(II)-Fe(III) (hydr)oxides 성분을 효과적으로 생성시키는 것으로 보인다. Fe(III) 첨가에 의해 시스템의 반응성도 향상되어 Fe(III) 첨가는 Fe(II)-Fe(III) (hydr)oxides 성분의 생성을 촉진시키는 것으로 나타났다.
저가의 새로운 반응매질을 개발하고자 제강슬래그, 고로슬래그, Fe(II)의 조합으로 이루어진 선별실험 결과, Fe(II)로 개질된 제강슬래그(제강슬래그/Fe(II))가 TCE를 효과적으로 분해시키고 있어 염소계 유기화합물의 반응매질로 선별되었다. 다양한 형태의 Fe(II) 개질에 의한 제강슬래그의 TCE의 제거 동력학 고찰시 제강슬래그/Fe(II) 시스템은 시멘트/Fe(II) 시스템보다도 반응성이 향상된 결과를 얻을 수 있었다. 또한 시멘트/Fe(II) 시스템이 pH 12～13.5 부근에서만 반응성이 뛰어난 것과는 달리 제강슬래그/Fe(II) 시스템은 알칼리성 영역뿐만 아니라 중성 pH 부근에서도 효과적인 분해능을 보이는 것으로 나타났다. TCE 분해 부산물 분석결과, 부산물로서 염소계 화합물은 검출되지 않고 acetylene, ethylene, ethane 등 비염소계 화합물로서 94% 이상이 회수되어 염소계 유기화합물은 제강슬래그/Fe(II) 시스템 내에서 환원성 무해화된다고 판단된다.
시멘트/Fe(II) 시스템 또는 제강슬래그/Fe(II) 시스템의 반응성 향상을 위하여 시멘트와 제강슬래그 및 Fe(II)을 혼합한 반응매질의 성능을 평가한 결과, 시멘트/슬래그/Fe(II) 시스템은 시멘트/Fe(II)과 제강슬래그/Fe(II)과 같은 단일 바인더 시스템에서 보다 TCE의 제거에 있어 더 효과적인 것으로 나타났다. 시멘트/슬래그/Fe(II) 시스템의 Fe(II) 주입 농도에 따른 특성 실험결과, TCE 농도대비 약 1당량의 Fe(II)을 주입하여 고농도 TCE 11600 ppm을 30일 이내에 95% 이상 분해시킬 수 있었다. 시멘트와 제강슬래그 비를 1:9에서 9:1로 5가지 비율로서 달리하여 시스템의 성능을 비교한 결과, 5가지 비율 모두 반응상수(k) 값이 0.6～1.0 day-1의 범위로 나타나 큰 차이를 보이지 않았으며, 반응 시작 후 5일 이내에 90% 이상의 농도 감소를 보였다. 이러한 결과는 염소계 에틸렌의 처리시 산업부산물인 제강슬래그가 시멘트 바인더를 대체하여 고효율 저비용의 DS/S 공정을 실현가능한 물질로 사용 가능함을 보여 주는 것이다. 시멘트/슬래그/Fe(II) 매질의 고화체 강도 분석 결과, 제강슬래그를 시멘트 대체재로서 약 70%까지 대체하여도 TCE 분해시 반응성이 우수하였을 뿐만 아니라 일축압축강도 면에서도 미국 EPA의 권고기준강도인 50 psi (3.515 kgf/cm2)이상으로 나타나 TCE를 효과적으로 처리할 수 있음을 확인하였다. 이와 같은 결과를 볼 때, 2가철로 개질된 시멘트 및 제강슬래그는 토양/지하수 내에 오염되어 있는 염소계 에틸렌의 환원성 탈염소화시 기존의 영가철을 대신할 수 있는 투수반응벽체(Permeable Reactive Barriers, PRBs)의 경제적인 반응매질로서 적용성의 잠재적 능력을 띄고 있으며, 액상폐기물 성상으로 배출되는 중금속을 포함한 염소계 유기화합물 처리시에도 효과적으로 분해성 고형화/안정화(Degradative Solidification/Stabilization, DS/S) 공정을 수반할 수 있다고 판단된다.
본 연구 과제를 통해 개발되는 ferrous cement계 신소재는 복합 오염 토양/지하수의 복원, 액상지정폐기물의 처리, 소각비산재의 처리, 염소계 NAPL(Non-Aqueous Phase Liquids) 오염지역의 정화 등 다양한 분야에 적용될 수 있을 것으로 전망되어 국가경제에 미치는 파급효과가 클 것으로 전망된다. 국내 토양․지하수 오염복원시장에서 염소계유기용제 및 중금속 처리분야는 선진국의 예를 볼 때 적어도 시장의 약 10% 정도는 점유하리라 예측되며, 선진국에서 많이 쓰이는 생물학적 정화기법이나 영가철에 비해서 경제적인 ferrous cement계 소재를 이용한 복원기법이 지속적으로 개발되면 수입기술에 대해 경쟁력을 가질 수 있게 될 것이다.