석회석 column 내 산성비 침식에 관한 2차원 수치모사

서명조, 김성철, 윤도영, 한춘, 이화영*, 김성규*, 오종기*

광운대학교 화학공학과, 한국과학기술연구원 금속공정연구센터*

2-dimensional simulation 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 이용되었다.

실 험 방 법

석회석 column은 원통의 아크릴로 제작하였으며, column 하부에는 유리솜(glass wool)으로 채운후, 수용액 흐름속도를  일정하게 유지하기위해 정량펌프를 사용하였다. 펌프는 유량을 50∼500ml/min 까지 조절할 수 있고, column을 통과하는 수용액의 유량이 일정하도록 calibration하였다. 수용액은 column 위에서 아래쪽으로 흐르게 하면서 유체의 저항(channeling)이 발생하지 않도록 하면서 충진된 석회석과 고르게 접촉하도록 했으며, 석회석과 수용액의 수두(head)가 발생하지 않도록 측관(by-pass)을 사용하였다.

본 실험에서는 -8/+12mesh, -4mesh/+8mesh, -10mm/+4mesh의 석회석을 각각 50cm 채운후, 황산 수용액(pH 1.0, 1.5, 2.0)을 60, 120, 180ml/min의 일정한 유속으로 흘려보냈다.  시료는 column에 10cm 간격으로 지름 1cm의 구멍에 teflon 마개를 사용하여 밀봉을 한 다음, 주사기를 사용하여 채취하였다.  따라서 column 내의 위치별, 시간별 농도를 측정하기 위하여, 일정 시간 간격으로 동일한 시간에 5개의 port에서 10ml씩 시료를 채취하여 pH meter로 산도를 측정하였다.

결과 및 고찰

Column 실험에서는 -8/+12 mesh, -4mesh/+8mesh, -10mm/+4mesh의 석회석을 50cm 채운후, 황산 수용액(pH 1.0, 1.5, 2.0)을 60, 120, 180ml/min의 일정한 유량으로 column 내에서 일정한 유속을 유지하도록 하였다. 한편 수두는 석회석의 표면에서 일정하게 유지되고 있으며, 석회석 층의 투수계수는 1×10-6m/s로 설정하였고, 석회석의 벌크밀도는 2000 kg/m3 로 가정하였다. 오염물질의 전달을 해석하는데 필요한 확산계수를 1×10-5□/s 가정하였고, 분산자 [eqn: alpha sub L =61 m]로 가정하였다. 이는 일반적인 석회석 토양에서 사용되고 있는 자료들이다.

석회석의 입자 크기가 -10mm/+4mesh, 황산수용액의 유량이 120ml/min의 조건에서 황산수용액의 산도를 변화시켰을 경우의 실험결과를 Fig. 1에 나타내었다. 그림에서 column의 입구부 즉, x=0에서는 농도가 1로 가정되어 있다. 또한, x/x0=1은 출구부를 나타내고 있으며, 임의의 시간에 대한 위치별 농도분포를 살펴볼 수 있다.  즉, pH 2.0 산도의 황산수용액을 흘려보낼 때 상부에서 5cm 지점에서 98% 중화되었다. pH 1.5일 경우는 10cm 지점에서 97%, pH 1.0 경우는 30cm 지점에서 99.8%가 중화되었다. 즉, 산도가 높을수록 column 내에 산성용액의 포화되는 시간이 빨라져서 하부로의 전이가 빠름을 알 수 있었다. 이것은 산도가 감소할수록 용액내 산성농도가 급속히 감소하므로 수착 및 반응에 의한 오염물의 포집이 빨라질 수밖에 없음을 의미한다.

Fig. 2는 석회석의 입자 크기가 -10mm/+4mesh, 황산의 산도는 pH 1.0의 조건에서 황산용액의 유량을 60ml/min, 120ml/min, 180ml/min으로 변화시켰을 경우의 실험결과이다. 유량이 증가함에 따라 상부에서 산성용액의 포화는 빨라졌지만, 30cm 지점에서 120ml/min일 때 99.8%, 180ml/min일 때 97.7% 중화됨으로써 하부에서 산성용액의 전이는 비슷하였다.

Fig. 3은 황산용액의 산도는 pH 1.0, 황산용액의 유량이120ml/min의 조건에서 석회석의 입자 크기를 변화시켰을 경우의 실험결과를 나타내었다. 입도가 -8mesh/+12mesh일 경우 상부로부터 10cm 지점에서 완전히 중화되었으며, -4mesh/+8mesh일 경우 약 15cm, -10mm/+4mesh 경우는 30cm 지점에서 완전히 중화되었다. 즉, 석회석의 입자 크기가 커질수록, 황산오염물의 이동속도가 빨라지므로 하부로의 전이가 2배 증가되었다.

Fig. 2,3에서 오염물의 전달방정식의 해로 수치모사한 결과와 실험결과가 잘 부합되었다. 특히 수치모사결과 정량적인 표현이 가능한 석회석의 분배계수는 입자 크기가 -10mm/+4mesh는 1000, -4mesh/+8mesh는 1300, -8mesh/+12mesh는 1900으로 계산되었으며, 오염물의 지연 효과는 석회석과 황산용액의 직접적인 반응보다는 수착에 의한 효과가 가장 지배적임을 알 수 있었다. 이것은 입자 크기가 작아질수록 표면적이 증가하여 수착 효과가 증가했으며, 또한 column 내 오염물질의 유속이 batch 실험에서의 반응속도보다 매우 빠르기 때문에 화학반응에 의한 지연효과가 미미하기 때문이다.

또한, 2차원 계에 대한 구조와 농도분포가 Fig. 4에 나타나 있다. 그림에 보이는 바와 같이 석회석층의 깊이에 비하여 너비가 매우 큰 2차계로 가정하였으며, 이를 위하여 석회석층의 깊이는 1m 그리고 길이는 200m로 설정하였다. 또한, 석회석층의 투과계수는 1×10-6m/s로 설정하였고, 석회석의 벌크밀도는 2000 kg/m3 로 가정하였다. 오염물질의 전달을 해석하는데 필요한 확산계수를 1×10-5□/s 가정하였고, 분산자 [eqn: alpha sub L =61 m], [eqn: alpha sub T =6 m] 로 가정하였다. 이는 1차원 수치모사에서 사용한 것과 같은 일반적인 매립지의 형태와 매우 유사한 수치들이다.

Fig. 4는 산성비의 강수량이 2m/year로서 20년간 2차원계의 상층부에 지속적으로 내릴때 공극률의 변화에 따른 오염물질의 농도(%)를 나타내었다. 석회석층의 공극률이 0.3일때에는 오염물질의 농도가 1%가 되는 지점이 0.15m이었다.

결  론

1. Column 실험에서 pH 2.0의 황산수용액은 5cm 지점에서 98% 중화된 반면 pH 1.0의 수용액은 30cm 지점에서 99.8% 중화됨으로써 6배가량 빨라졌으며, 유량이 증가함에 따라 상부에서 산성용액의 포화는 빨라졌지만, 30cm 지점에서 120ml/min유속의 경우 99.8%, 180ml/min유속의 경우 97.7% 중화됨으로써 하부에서 산성용액의 전이는 유사하였다.

또한 -4mesh/+8mesh의 석회석 입자를 충진하였을 때는 약 15cm, -10mm/+4mesh는 30cm 지점에서 완전히 중화되었다. 즉 석회석의 입자 크기가 커질수록, 황산오염물의 이동속도가 빨라지므로 하부로의 전이가 2배 증가되었다.

2. 오염물의 전달방정식의 해를 수치모사한 결과와 실험결과가 잘 부합되었다. 특히 수치모사결과 정량적인 표현이 가능한 석회석의 분배계수는 입자 크기가 -10mm/+4mesh 일 때는 1000, -4mesh/+8mesh는 1300, -8mesh/+12mesh는 1900으로 계산되었다.

3. 석회석(-10mm/+4mesh)을 0.5m 복토하고 강수량이 2m/year일 경우, 수치모사결과 20년후 석회석 상층부로부터 0.15m 깊이까지 황산이 침식하였다. 따라서 경제성을 고려하여 석회석을 0.15m 복토한다면, 20년마다 석회석을 교체하면 토양의 산성화를 막을 수 있을 것이다.

참 고 문 헌

1. 석탄산업합리화사업단: 석탄광폐광지원백서, 서울 (1995).

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

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

American Geoohysical Union (1989).

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

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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).

Fig. 1.	Conversion of sulfuric acid for various concentration. (10mm/+4mesh,time=3hr, 120ml/min)		Fig. 2.	Comparison results of feed on the conversion of sulfuric acid with simulated data.(10mm/+4mesh,time=3hr, pH 1.0)

Fig. 3.	Comparison results of particle size limestone on the conversion of sulfuric acid with simulated data. (120ml/min, time=6hr, pH 1.0)		Fig. 4.	Concentration distribution of sulfuric acid with 2-dimension simulated data. (2m/year, time=20year, porosity=0.3)