Solidification for Metal Mine Tailing Treatment with Portland and MSG (micro silica grouting) Cements

Abstract

폐금속 광산 주변에 산재한 광미를 고화제를 이용하여 영구 매립하는 고형화 처리공정의 타당성을 평가하기 위하여, 경상북도에 위치한 지시, 대량, 어전 금속 폐광산 주변 광미를 대상으로 3 종류의 시멘트 고화제를 이용하여 고화체를 양생하였다. 양생된 고화체의 고형화 효율을 평가하기 위하여 고화체의 압축강도 및 중금속 용출을 측정하여 고화체의 고형화 효율을 규명하였다. 고화제로서 일반적으로 사용하는 1종 포틀랜드 시멘트, 마이크로 실리카가 주성분인 MSG(micro silica grouting)-E 와 MSG-N을 사용하였으며 광미/고화제 비율, 배합수/고화제 비율 그리고 고화체 양생기간을 실험인자로 설정하여 실험을 수행하였다. 고화체 성형에 사용된 몰드는 3개의 몰더가 하나로 되어있는 황동으로 제작된 3연식 큐브몰더(5cm×5cm×5cm)를 사용하였으며 24시간 성형시킨 후, 20℃, 90% 이상의 습도를 유지하는 습윤함에서 7일, 14일, 28일 동안 고화체를 양생하였다. 14일, 28일 동안 양생된 고화체를 대상으로 압축강도 실험을 실시하였다. 포틀랜드 시멘트와 MSG계열 시멘트를 고화제로 사용하여 광미와 1:1(w.t.)혼합하여 양생한 고화체의 압축강도 실험 결과, 양생기간이 14일인 모든 고화체의 일축압축강도는 1~2kgf/㎟를 나타내어, 폐기물 관리법에서 규정하고 있는 차단형 매립시설의 내부막의 압축강도 기준인 0.21kgf/㎟ 보다 높은 것으로 나타났다. 이를 통해 광미/고화제의 비율을 1.0으로 유지하는 경우, 고화제의 종류에 관계없이 광미의 영구매립을 위한 고화체로서의 강도로 매우 적절한 것으로 나타났다. 광미와 혼합하여 성형한 고화체와 순수한 광미를 대상으로 토양공정시험법에서 제시한 약산 추출법으로 중금속 용출을 실시하여 광미와 광미로 성형한 고화체의 중금속 용출 농도차이를 비교하였다. 고화제와 광미를 1:1(w.t.)로 혼합하여 성형한 고화체의 경우 As와 Pb의 용출 농도가 약 3~5배 감소하는 것으로 나타나 약산 추출법에 의한 중금속 용출은 고화체 성형시 뚜렷한 감소 효과가 있었다. 다양한 pH를 갖는 수용액을 이용하여, 광미와 고화제를 혼합하여 양생한 고화체의 시간에 따른 수용액으로의 중금속 용출 농도를 측정하였다. 실험 결과, pH1과 pH13 용액을 제외하고는 고화체로부터 중금속 용출이 지하수 허용치보다 낮거나 거의 발생하지 않는 것으로 나타났다. 대부분의 용출과정에서 중금속 용출농도는 용출시간이 지남에 따라 증가하나 3일 이후에는 거의 안정된 농도를 나타내고 있으며, pH1과 pH13인 경우에는 10일이 경과한 용액의 중금속 농도가 오히려 감소하는 경향을 나타냈다. 이러한 결과는 초기에는 강산과 강염기성인 용액에 의해 고화체로부터 중금속 용출이 증가하지만, 시간이 지남에 따라 고화체의 buffering 효과가 나타나 오히려 용액으로부터 침전이 생기면서 용액의 중금속 농도는 낮아지며 이러한 침전물 형성은 고화체로부터의 중금속 용출을 감소하기 때문으로 판단되었다. 따라서 실제 매립현장에서 pH가 1과 13인 수계와 광미로 형성된 고화체가 접촉한다하여도, 고화체 및 주변토양의 완충효과에 의해 고화체로부터 지속적인 다량의 중금속 용출에 의한 광범위한 지역의 수계 및 토양오염이 제한될 수 있을 것으로 판단된다.

Three kinds of mine tailings (located at Gishi, Daeryang, and Aujeon mine in Korea) were treated by using the solidification process with Portland and MSG (micro silica grouting) cements as solidification solidifiers. Solidified matrices (5 cm × 5 cm × 5 cm) were molded from the paste of tailings and cements at various conditions such as different tailing/cement ratio, cement/water ratio, and different cements or tailing types. To evaluate the efficiency of solidification treatment for mine tailing, single axis compressible strengths and the heavy metal extraction rates of solidified matrices were measured. Experimental results showed that single axis compressible strengths of solidified matrices after 7, 14 and 28 day ranged from 1 to 2 kgf/㎟, which were higher than Korean limit of compressible strength for the inside wall of the isolated landfill facility (0.21 kgf/㎟). For solidified matrices, heavy metal extraction experiments by using the weak acidic solution were performed. In the results of the heavy metal extractions from intact tailings and powdered solidified matrices (Portland cement + Gishi tailing at 1:1 w.t. ratio), As concentration in the extraction solution of solidified matrix decreased to lower than one fifth of intact tailing concentration. Pb extraction concentration of the solidified matrix also decreased to lower than one fourth of intact tailing extraction concentration. Extraction batch experiments by using various pH conditions of solution were also performed to investigate the heavy metal extraction from the solidified matrix. With pH 1 and pH 13 of extraction solution, Zn and Pb concentration of solution were over the drinking water limit (Zn: 1.00 mg/L) and groundwater tolerance limit (Pb: 0.10 mg/L), but at pH 3~11 of solution, heavy metal concentrations dramatically decreased and were lower than groundwater tolerance limits. Heavy metal concentrations in most of the extraction solutions from the solidified matrix decreased as time passed, and were stabilized after 5 day. Even the solidified matrix was immerged into very acidic or basic solution (pH 1 or 13), pH of solution lowered to 8~10 because of the buffering effect of the matrix. From all these experiments, it was investigated that the solidification process by using Portland and MSG cements is suitable to treat heavy metal contaminated mine tailing.