I. 제목
: 펄스동전기 기술을 이용한 오염토양의 현장 원위치 정화기술 개발
II. 연구개발의 목적 및 필요성
○ 기존의 물리화학적 처리 기술을 이용하여 중금속 오염 토양을 처리하는 기술로는 in-situ soil flushing과 ex-situ soil washing이 알려져 있으나 투수성이 낮은 토양에서는 투입하는 세척제의 흐름이 원활하지 못하고 비교적 세공이 큰 지점으로 흐름이 형성되는 편류현상이 발생하여 처리 효율이 감소되는 주요 문제점이 발생하고 있다.
○ 최근 이에 대한 해결 방법으로 동전기(electrokinetics)를 이용한 기술이 개발되고 있으나 적용상의 어려움이 있어 기술적 보완이 필요하다. 주요 원인은 장기간 운전시 토양의 저항 증가와 전극의 부식으로 인하여 전력소비가 증가하고 안정적인 운전이 어려워지는 문제점을 들 수 있다.
○ 이에 중금속으로 오염된 토양을 효율적이고 경제적으로 처리하기 위하여 펄스파워가 인가된 동전기 시스템을 개발하였으며 이를 안정적으로 운전하기 위한 제반기술을 확보하였다. 본 개발 기술은 기존의 직류전원을 대체하여 펄스형태의 전류를 인가하였을 때 순간적인 고에너지(Physical effect)가 토양에 투입되어 오염원의 이동속도 및 처리효율의 상승을 유도 하였다. 펄스 파워는 순간 대전력을 공급하기 때문에 토양의 전기전도도 변화에 비교적 둔감하여 안정적으로 일정한 순간 대전류를 인가 할 수 있다. 순간 대전력을 토양에 안정적으로 투입하기 위해서는 토양의 특성에 맞는 적정 펄스 파형의 선택과 전극의 수명이 매우 중요하다. 본 개발 기술에서는 중금속 오염 토양 처리에 적합한 펄스 전원의 파형을 최적화 하였으며 높은 전류밀도에서 장기간 수명을 유지할 수 있는 불용성 전극을 개발하였다. 또한 개발 전극을 효과적으로 적용할 수 있도록 전극의 형태 및 전극셀의 연결구성을 설계하여 현장 pilot plant에 적용하여 효율과 경제성을 평가하였다.
III. 연구개발의 내용 및 범위
○ 펄스 동전기 기술 적용을 위한 중금속 오염 토양의 특성 조사
- 오염토양의 전기적 특성 평가
- 오염토양내 중금속의 결합형태 분석
○ 펄스 동전기 기술 적용을 위한 펄스 파워의 설계 및 제작
- 오염토양의 전기화학적 회로 모델 구성
- 저전압 고주파 펄스파형 출력 전원장치 제작
- 펄스 에너지 출력 파형의 분석
○ 펄스 동전기 기술 적용을 위한 내구성 향상 불용성 촉매 전극의 개발
- 촉매 및 전극 물질의 선정
- 개발 전극의 안정성 및 수명 예측 평가
○ 중금속 오염 토양 처리를 위한 펄스 동전기의 적용성 평가
- 실험실 규모의 동전기 오염토양 처리 장치 제작
- 펄스 전원 방식과 직류 전원 방식과의 동전기 성능 비교 평가
○ 현장오염토양에 대한 펄스동전기 기술의 중금속 처리 효율 평가
- 삼광광산 광미의 펄스 동전기 적용성 연구
- 소하 택지 개발 지구 토양의 펄스 동전기 적용성 연구
- 금왕 광산 광미 토양의 펄스 동전기 적용성 연구
○ Bench scale 반응기 적용을 통한 펄스 동전기 기술의 설계 인자 도출
- Bench scale 반응기의 설계 및 제작
- Bench scale 반응기의 실험 결과 평가 및 설계 인자 도출
○ 현장 pilot plant 운전을 통한 펄스 동전기 기술의 상용성 평가
- Pilot plant 설계 및 제작
- Pilot plant 현장설치 및 운전
- Pilot plant test 평가 및 상용화를 위한 경제성 분석
IV. 연구개발결과
○ 중금속 오염 토양을 중심으로 일반 동전기 기술과 펄스 동전기 기술의 비교실험을 통하여 처리효율과 에너지 효율을 비교 평가한 결과 펄스 동전기의 에너지 효율이 약 2배 정도 우수하였으며 (일반 동전기 : 457.4 WH/kg dry soil, 펄스 동전기 : 157.8 WH/kg dry soil), 특히 음이온성 착물을 이루는 Cr, As의 처리효율이 펄스 동전기에서 20 - 30% 정도 향상됨을 확인하였다.
○ 직류전원이 인가된 일반 동전기는 장기간 운전시 토양 셀에서 나타나는 저항 증가에 따른 전류량 감소 및 투입전력 감소 현상이 있으나, 펄스 동전기는 일정한 저항을 유지하여 전력 감소 현상 없이 안정적 운전 가능함을 확인하였다.
○ 상기 결과를 근거로 경제성을 검토하기 위하여 처리단가를 산출한 결과 (5,000㎥ 처리 기준) 일반동전기 기술은 17만원 (원/㎥/회/년) 수준이었으며 펄스 동전기 기술은 7만원(원/㎥/회/년) 수준으로 경제성이 높음을 검증하였다.
○ 전극의 안정성 및 수명을 확인하기 위하여 실제 적용 전류 밀도 보다 50배 이상 높은 고전류 밀도(적용 최대 전류 밀도 : 0.01A/㎠, 가속 실험 전류 밀도 : 0.5A/㎠)에서 장기간의 전극 가속실험을 수행한 결과 2,700시간 이후 전극의 부식이 급속하게 진행함을 확인하였다. 이 결과를 실제 적용 전류 밀도로 유추하면 약 15년에 해당하며 연속 사용 시 전극 수명을 15년 정도로 예측할 수 있다. 따라서 전극 셀을 구성하는 초기 투자비용과 오염토양 복원 후 재이용성을 고려한다면 일반 전극이 3 - 6개월 정도의 수명에 불가하기 때문에 경제성이 높다고 판단된다.
○ 동일한 토양 샘플을 이용하여 Lab. test와 Pilot plant test를 비교 검증한 결과 처리효율 및 단위 처리량당 소비전력량이 90%수준으로 유사함을 입증하였다. 또한 Lab test로부터 유추한 펄스 파형과 Pilot plant test에서 발생한 펄스 파형을 비교하였을 경우 오차율이 10%이하의 범위에서 일치하였으며 따라서 실증 Plant 설계시 펄스 전원의 scale-up 설계 인자를 효율적으로 산출할 수 있음을 검증하였다.
○ 개발된 전극 셀은 망상형 구조로 전극 셀 안쪽 면을 액체의 흐름 제어 및 토양에 용액을 공급하는 역할을 수행하기 때문에 기존의 전극 셀과 구조적으로 큰 차이가 있다. 기능적인 면에서는 유체의 흐름과 pH 조정이 용이하고 전극 표면적이 크기 때문에 전극간격을 넓게 하여도 전류의 이동이 유리하며 순간 고준위 펄스 전원 인가시 임피던스 매칭이 안정적으로 이루어 질 수 있었다.
V. 연구개발결과의 활용계획
○ 본 연구개발을 통해 축적된 펄스 동전기 기술은 환경신기술인증서를 취득하였으며 향후 실증화를 위한 현장 사이트를 확보하여 기술검증을 추진할 예정이다. 또한 국내외 특허검색 결과 신규성이 매우 높은 것으로 분석되었으며 본격적인 상용화시 토양복원시장에서 높은 점유율이 기대된다. 국내 토양복원시장은 한국토양지하수환경보존협회의 자료에 의하면 2000년도 100억원 정도의 시장규모를 기록한 이래 꾸준한 성장을 보이고 있으며 특히 2003년 이후 개정된 토양보전법의 영향으로 시장의 성장추세는 더욱 가속화되어 가고 있는 실정이다. 2010년도 기준 국내 토양복원시장 규모는 1조원 이상으로 추정하고 있다.
○ 본 개발 기술은 투수성이 낮은 오염토양의 in-situ/ex-situ 처리에 타 기술대비 경쟁력이 높다고 판단된다. 주요 적용분야는 중금속 오염토양 처리 분야 (광산 폐기물 및 주변 농경지, 산업단지, 군부대, 하상침적토, 슬러지) 이며 유류 오염토양 분야 (철도차량기지, 민군 차량정비창, 석유/전자 산업단지) 에도 적용이 가능하다고 예상한다.
○ 사업화 추진 전략으로는 참여기업인 그린프라(주)와 기존 토양복원시장 진입업체인 (주)에코필 그리고 대규모 사업수주가 가능한 롯데건설(주)과의 컨소시움을 구성하였으며 주관기관은 기술지원 및 상용화기술 추가 개발, 참여기업은 핵심부품 및 장비 제작, (주)에코필은 현장시공 및 사후관리, 롯데건설(주)은 계열사 등 대규모 공사수주 등의 업무를 분담할 예정이다. 본 컨소시움은 최근 서울 회현동(10,000㎥규모) 과 부산 용현동(2,000㎥규모)의 토양정화 사업 수주를 추진 중이며, 미군부대 이전에 의한 정화사업(처리비용 최소 5,000억원 규모) 참여를 준비하고 있다.