폐광산 주변 토양과 지표수·지하수의 중금속 오염으로 인해 자연 생태계 파괴와 중금속관련 질병이 발생하고 있는 실정이며, 2009년도 토양오염 공정시험기준이 전함량 분석법으로 전면 개정됨에 따라 중금속으로 오염된 토양을 정화하는 토양세척법과 같은 상용화된 기술은 한계성을 드러내고 있다.
본 연구의 목적은 중금속오염 토양의 광물학적·이화학적 특성에 적합한 비중선별, 자력선별, 부유선별 등의 선별 실험과 현장적용성 평가를 수행하여 최적의 선별기술을 도출하고자 하였다. 이를 위한 연구대상 지역은 지질학적·광물학적 이질성과 고농도와 저농도 오염 대비성을 지닌 폐광산K광산(금·은), D광산(납·아연), N광산(철광산)을 선정하였다.
중금속의 기원을 확인하기 위해 광산에서 채취한 광석시료에 대한 편광현미경 감정을 수행하고 중금속과 연관성이 높은 광물상을 파악하기 위해 분급한 토양시료와 자착물 시료에 대해 주사 전자현미경을 통한 광물학적 특성평가를 수행하였다. 또한 Tessier와 Wenzel의 5단계 연속추출실험을 통해 중금속 존재형태를 파악하기 위한 이화학적 특성 평가를 수행하였다. 이와 같은 특성평가 결과를 고려하여 수행한 단위별 선별실험 평가 결과는 다음과 같다.
K광산의 경우는 황철석(FeS2), 유비철석(FeAsS)과 같은 자연부유도를 지닌 황화광물상이 확인됨에 따라 우선적으로 주요 오염원인 비소에 대해 부유선별 실험을 수행한 결과, 최대 50.0%의 제거효율을 얻었다. 또한, 토양의 비중(2.6∼2.7)과 철을 함유한 광물의 비중(4.0∼6.2)을 이용하여 도출된 선별도기준이 2.0∼3.1로 나타남에 따라 비중선별 실험을 수행한 결과, 49.9%의 비소 제거효율을 얻었다. 더불어, 습식 자력선별은 Wenzel 5단계 연속추출결과, 비소는 자화율이 낮은 3단계 비결정질 철산화물 형태로 42.5% 존재하였으며, 비소의 기원광물인 유비철석의 상자성으로 인해 11.0%의 가장 낮은 제거효율을 나타냈다. 따라서, K광산의 비소 제거를 위한 최적의 선별기술은 부유선별이며, 부유선별 또는 부유선별과 비중선별을 연계할 경우에 더 높은 비소 제거효율을 얻을 수 있을 것으로 고려된다.
D광산은 자연부유도를 지닌 방연석(PbS), 섬아연석(ZnS), 유비철석(FeAsS)의 황화광물상이 확인됨에 따라 부유선별 실험을 수행한 결과, 납은 44.4%, 아연은 37.3%, 비소는 47.7%의 제거효율을 나타냈다. 또한, 토양과 납의 비중(7.4∼7.6)의 현격한 비중차이(선별도기준: 3.8)를 이용해 비중선별 실험을 수행한 결과, 납의 경우에 69.8%의 가장 높은 중금속 제거효율을 나타냈고 아연은 57.2%, 비소는 60.0%의 제거효율을 얻었다. 습식 자력선별의 경우에 방연석의 비자성, 섬아연석과 유비철석의 상자성으로 인해, 납은 24.4%, 아연은 20.0%, 비소는 23.7%의 가장 낮은 제거효율을 나타냈다. 따라서 D광산의 납, 아연, 비소의 제거를 위한 최적의 선별기술은 비중선별이며, 비중선별과 부유선별을 연계할 경우에 중금속 제거효율은 더 높아질 것으로 고려된다.
N광산은 적철석(Fe2O3)과 같은 철산화물과 섬아연석(ZnS)의 광물상이 확인되어 선별도기준이 1.8∼2.9로 도출되었다. 이에 따라 비중선별 실험을 수행한 결과, 46.7%의 아연 제거효율을 얻었으며, 자화율을 이용해 습식 자력선별 실험을 수행한 결과, 23.9%의 아연 제거효율을 얻었다. 또한, 부유선별의 경우에 18.8%의 아연 제거효율을 나타냈다. 따라서, N광산의 경우에 비중선별이 최적의 선별기술로 판단되며, 자력선별과 연계할 경우에 더 높은 제거효율을 보일 것으로 고려된다.
단위별 선별기술 실험에서 도출된 중금속 제거효율을 바탕으로 저농도로 오염된 농경지 토양에 대해 좀 더 정화 가능성 여부를 평가하기 위하여, N광산을 선정하여 연속공정으로 두 차례의 비중선별과 두 차례의 자력선별을 수행하였다. 초기토양 대비 최종 79.8 wt.%의 정화토양을 얻었으며, 정화토양은 토양환경보전법 1지역 환경기준을 만족하여 농경지 토양으로 재사용이 가능한 결론을 얻었다.
따라서, 본 연구결과를 통하여 폐광산 주변 중금속으로 오염된 농경지 토양의 광물학적·이화학적 특성 규명을 통해 이학적·공학적 융합기술인 최적의 선별기술을 적용하기 위한 일반화의 기초 자료를 제공함으로서, 중금속오염 토양의 정화 및 복원에 기여할 것으로 기대된다.

Heavy metal contamination of soils and waters in the vicinity of abandoned mine sites has been responsible for many heavy metal-related diseases and destruction of ecosystem. Since the revision for the soil contamination standard method as a total content analysis in 2009, soil washing, which is one of the methods accepted commercially for the remediation of heavy metal contaminated soils in Korea, shows its technical limitation.
The purpose of this study is to investigate the optimal separation technology based on mineralogical and physicochemical properties of soils contaminated with heavy metals. For this study, three abandoned mine sites, K, D and N mine sites are chosen respectively as each site shows different geological and mineralogical properties and metal concentrations. Mineralogical studies were carried out for ores and contaminated soils from each abandoned mine sites using polarizing microscope, XRD and SEM on minerals in the ores and soils. Tessier''s and Wenzel''s sequential extraction assessment were also carried out to determine the existing form of heavy metals.
In mine site K, due to the occurrences of sulfide mineral phases such as pyrite(FeS2), and arsenopyrite(FeAsS) with natural floatability, froth flotation was performed to obtain 50.0% removal efficiency of arsenic(As). Also arsenic removal efficiency of 49.9% by gravity separation was obtained on the basis of high concentration criterion of 2.0 to 3.1. The wet magnetic separation results show low removal efficiency of As with 11.0 %, which is interpreted not only as the paramagnetic behavior of arsenopyrite but also as the highest contents of third phase(amorphous Fe/Al oxides) based on the Wenzel’s sequential extraction results. Therefore, the optimal separation technology for removal of arsenic in mine soils K is froth flotation, and the combination of froth flotation and gravity separation should be considered to obtain higher As removal efficiency.
In mine site D, froth flotation was also selected on the basis of the occurrences of sulfide mineral phases including galena(PbS), sphalerite(ZnS) and arsenopyrite(FeAsS). Removal efficiencies for Pb, Zn and As were 44.4 %, 37.3 % and 47.7 % respectively. The gravity separation showed the highest removal efficiency of 69.8 % for Pb, 57.2 % for Zn and 60.0 % for As, according to the concentration criterion of 3.8. For the wet magnetic separation, the removal efficiency was 24.4 % for Pb, 20.0 % for Zn and 23.7 % for As because of the nonmagnetism of galena(PbS) and paramagnetism of sphalerite(ZnS) and arsenopyrite(FeAsS). Therefore, the optimal separation technique for the mine soils D is the gravity separation and the combination of gravity separation and froth flotation can be used for better removal efficiency.
For mine site N, hematite(Fe2O3) and sphalerite(ZnS) were found in soil, and the concentration criterion was 1.8 to 2.9. The removal efficiency for zinc by gravity separation was 46.7 %. Wet magnetic separation was conducted and the removal efficiency for zinc was 23.9 %. The froth flotation showed 18.8 % of the removal efficiency for zinc. Thus gravity separation is the best interms of removal efficiency; however, it is found that combination of gravity and magnetic separations is the optimal separation technology for different heavy metals.
To evaluate field applicability, gravity separation and magnetic separation were carried out two times each continuously for soils in mine site N. As a result, total of 79.8 wt.% of treated soils met the environmental standards against the initial soils and they could be reused as agricultural soils.
Various mineral processing technologies were adopted for the remediation of heavy metal contaminated soils in the vicinity of abandoned metal mines, and preliminary studies on the mineralogical and physicochemical characteristics should be conducted to improve both removal efficiency and process economics.