Environment-friendly Processing Technologies of Mine Tailings: Research on the Characteristics of Mine Tailings when Developing of Deep Sea Mineral Resources
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(2) 782. 문인경 · 유찬민 · 김종욱. 에서는 1) 오염인자/환경영향, 2) 환경/생물 위해성 영향, 3) 입자 확산, 4) 선광, 5) 저감/처리(정화)를 친환경적인 선 상에서의 선광잔류물 처리를 위한 주요 핵심 요소로 구분하여 선광잔류물의 유해성, 해양생태계에 미치는 영향, 오염 입자 확산 모델, 선광 및 정화처리 후보기술 등에 대한 연구를 수행하고 있다. 본 연구 결과는 향후 심해저광물자원 개발과정에서 발생할 수 있는 환경영향에 대한 과학적인 증거 확보를 통해 환경문제를 최소화 할 수 있는 연구 기반 을 제시할 수 있고, 이는 다른 기원의 오염물 및 규제없이 방치되고 있는 육상 폐광산의 누출수 처리에도 적용할 수 있을 것이라 기대한다. 주요어 : 선광잔류물, 심해저 광물자원 개발, 친환경적인 개발, 해양 생태계, 열수광상. 1. 서. 론. 석기 시대 이후 지금까지 약 1억 1,500만 톤의 구 리, 납, 코발트, 아연, 카드뮴, 크롬과 같은 중금속이 채굴되었으며, 산업이 발달함에 따라 자원의 소비 및 광물자원의 수요가 계속적으로 증가하면서 광산업은 가 장 중요한 경제활동 중 하나가 되었다(Bury, 2005; Ramirez-Llodra et al., 2015). 망간단괴, 망간각, 해저 열수광상으로 대표되는 해저광물자원은 금, 은, 구리와 같은 유용 광물을 많이 포함하고 있어 경제적으로 매 우 중요한 가치를 가진다. 하지만 해양의 과잉 개발 등으로 해양생태계 파괴 문제가 점차 심화되고 있는 시점에서, 환경친화적이고 지속가능한 해저광물자원의 개발 및 활용이 필수적으로 고려되어야 한다. 광물 채광과정에서 필연적으로 대량의 폐기물을 생성 되게 되는데, 전 세계적으로 연간 50-70억톤에 이르는 선광잔류물(mine tailings)이 발생한다(Lu and Wang, 2012; Mudd and Boger, 2013). 선광잔류물이란 광석 채굴 작업에서 발생하는 부산물로써, 여과(filtering)와 제분(milling) 작업 이후 광석 광물에서 금속 광물을 추출하고 남은 광미(tailings) 입자와 광미와 같이 배출된 액체를 의미한다(Kline and Stekoll, 2001; Mining, Minerals, and Sustainable Development, 2002). 최 근에는, 선광잔류물의 방대한 양과 잠재적인 독성으로 인한 환경 문제가 중요한 이슈로 떠오르고 있고 (Cornwall, 2013), 이를 친환경적으로 처리하기 위한 적 절한 방안 모색이 필요한 시점이다(Lee and Correa, 2005). 선광잔류물의 잠재적 유해물질파악, 해양 환경 및 해 양생태계에 미치는 영향, 친환경적 처리 방법과 관련 된 연구의 중요성은 G7 정상회담 선언, EU 유럽위원 회(European Commission; EC), 국제해저기구(International Seabed Authority; ISA), MIDAS(Managing Impacts of Deep Sea Resource Exploitation), 심해 환 경관리 이니셔티브(Deep Ocean Stewardship Initiative:. DOSI), 국제해사기구(International Maritime Organization; IMO), 런던협약(London Convention on the Prevention of Marine Pollution by Dumping of Wastes and Other Matter), 그린피스(Greenpeace)와 같은 국제기구에 의해서도 언급되고 있다. 공해상 해 저광물자원 개발을 위해 국제해저기구는 2011년 망간 단괴 개발규칙 제정 작업을 시작하였고, 개발규칙에는 선광잔류물의 환경영향을 최소화하기 위한 관련 규정 을 포함할 예정이다. 국제해사기구와 런던협약에서 ‘채 광잔류물 처분 및 보관에 대한 규정’을 제정하지 않을 경우, 해양법협약에 명시된 ‘해양환경 보호와 보존’ 조 항에 근거하여 국제해저기구는 독자적으로라도 개발 규 칙에 관련 규정을 포함시킬 계획이다(International Seabed Authority, 2020). 또한 해양폐기물 문제를 가 장 폭넓게 다루고 있는 런던협약에서는 해양 투기로 인한 해양환경오염을 방지/감소/제거하기 위한 조치 항 목을 추가할 예정이다. 그린피스는 선광잔류물 영향에 대한 국제법적 해석 및 과학적 관리의 필요성을 제시 하였고, 2013년 런던의정서 관할 범위와 관련된 논의 를 시작으로 국제해저기구와의 협력 필요성을 제기하 였다. 2014년 국제해저기구와 런던의정서 간 규정 조 정과 기술체계개발 필요성을 강조했고, 이후 해저광물 자원탐사 및 개발과 관련된 사안을 재검토하는 과정이 본격화되었다(International Maritime Organization, 2015a). 2015년 런던의정서 과학그룹회의에서는 심해 저광물자원개발 시 발생하는 선광잔류물의 영향력을 이 해하고자 하는 워킹 그룹을 결성하였고, 국제해저기구 와 협력하여 선광잔류물 관련 규제관련 틀을 개발하기 로 결정하였다(International Maritime Organization, 2015b). 국내에서는 해양수산부를 중심으로 지속 가능 한 해양자원의 활용과 생태계 보존을 위한 연구를 수 행하고 있다. 한국광해관리공단에서는 광상 개발로 인 한 환경영향피해를 최소화할 기술 및 정책을 개발 중 이나, 이는 육상광물개발에 초점을 맞춘 것으로 심해 저광물자원개발에 대한 내용은 다루어 지지 않고 있는.
(3) 선광잔류물의 친환경적 처리 기술: 심해저광물자원개발시 발생하는 선광잔류물 특성 연구. 실정이다(Korea Institute of Ocean Science & Technology, 2020). 심해저광물자원 채광 시 발생하는 선광잔류물 처리 에 대한 관심이 증가하고 있다. Dold (2014)은 심해저 선광잔류물의 광물학적 지구화학적 데이터를 바탕으로 심해에서 선광잔류물의 거동을 예측하고 환경위험성을 평가하였다. Fuchida et al. (2017)은 채굴과정에서 광 석입자에서의 금속 및 준금속 입자의 침출 가능성에 대한 연구를 수행했고, 이를 통해서 열수 광석의 미세 입자물질이 해양에 영향을 줄 수 있는 잠재적인 오염 원임을 규명했다. Ma et al. (2017)와 Ma et al.. 783. 해양광물자원의 친환경적인 개발을 위한 선광잔류물의 잠재적 위해성과 수층 환경 및 생태계에 미치는 영향 등의 조사가 필요하다. 선광잔류물의 특성 이해는 심 해저광물자원 개발과정에서 발생할 수 있는 환경영향 에 대한 과학적인 증거 확보를 통해 환경문제를 최소 화 할 수 있는 연구 기반을 제시할 수 있고, 이는 다 른 기원의 오염물 및 규제없이 방치되고 있는 육상 폐 광산의 누출수 처리에도 적용할 수 있을 것이라 기대 한다. 본 논문에서는 육상, 해상, 선상에서의 선광잔류 물 처리 현황과 한국해양과학기술원에서 수행하고 있 는 선상에서의 선광잔류물 처리 연구 현황에 대해 정. (2018) 심해 선광잔류물 처리에 대한 새로운 방법을 제 안했으며, Kaikkonen et al. (2018)은 심해저 광물채 굴과정이 해양 생태계에 미치는 영향에 대한 실험적인 연구를 수행하였다. 이와 같이 최근 들어 다양한 관점 에서의 심해저광물개발 과정에서 발생하는 선광잔류물 에 대한 연구가 진행되고 있지만, 아직까지 선광잔류 물의 발생량, 물리·화학적 특성, 환경 유해성, 해양생태 계에 미치는 영향 등에 관한 기본적인 이해가 부족하. 리 기술하였다.. 고, 적합한 선광 및 유해물질 처리/저감 기술도 개발되 지 않은 상황이다. 이러한 문제를 해결하기 위해서는. 1995), 산성광산배수에 관한 연구(Brodie et al., 1991; Duncan and Bruynesteyn, 1979; Jennings and. 2. 선광잔류물 처리 현황 2.1. 육상에서의 선광잔류물 처리 육상 광산에서 발생하는 선광잔류물 내 중금속에 대 해서 광물학적 연구(Adamo et al., 1996; Davis et al., 1996; Fuge et al., 1993; Walder and Chavez,. Fig. 1. Schematic representation of mine tailing disposal systems by disposal place. Mine tailings disposal (a) on land, (b-d) to the ocean (Ramirez-Llodra et al., 2015), and (e) on board..
(4) 784. 문인경 · 유찬민 · 김종욱. Dollhopf, 1995; Lapakko, 2002; Lawrence, 1990; Sobek, 1978), 토양염도와 광산 폐기물 연구(Kaminski and Landsberger, 2000; Montour et al., 1998), 동 위원소연구(Frossard et al., 1994; McLaren and Crawford, 1973), 중금속의 이동성 연구(Alpers and Nordstrom, 1999; Appel and Reilly, 1994; Smith, 1999) 등과 같은 다양한 기초 연구가 수행되었다. 육상 광산에서 발생한 선광잔류물은 주로 계곡이나 언덕의 댐, 융기된 제방 또는 버려진 노천 광상에 적치 등의 방법을 통해 주로 처리되고 있으며(Fig. 1a), 공간적으 로 방대한 면적을 차지한다(Cornwall, 2013). 육상에 선광잔류물을 처리하면서 생성된 댐은 먼지와 악취와 같은 문제로 지역사회에 부정적인 영향을 끼친다 (Cornwall, 2013). 또한 수 천년 전부터 강물을 통한 선광잔류물 처리(riverine disposal)도 시행되어 왔는데 (Leblanc et al., 2000), 이러한 강물폐기 방법은 인도 네시아와 파푸아뉴기니 등지에서 사용되고 있다 (Rusdinar et al., 2013). 선광잔류물은 폐광석에 비해 금속 광물의 함유량이 적지만 버려지는 양이 많고, 입자 크기가 작아 물, 산 소와의 반응성이 크다. 또한, 선광과 제련 작업에는 수 은, 아민, 시안화물 등과 같은 화학약품이 사용되기 때 문에 광산 인근지역은 중금속 오염의 위험성이 상존하 고 있다(US EPA, 2000). 선광잔류물과 더불어 폐광산 도 직간접적으로 심각한 환경문제를 일으킬 가능성이 있기 때문에, 육상 광산의 선광잔류물에 의한 환경 오 염 연구에는 폐광산의 경우도 함께 고려되어야 한다. 환경부의 폐광산 토양오염실태 일체 조사보고서에 따 르면 국내 광산은 1920-1930년을 시작으로 1960-1970 년대까지 활발하게 개발되었지만, 1990년 이후에는 광 량 감소와 국제자원가격 하락으로 대부분의 광산이 폐 광되었다(Ministry of Environment, 2003). 이후 1,000 여개의 폐광산들이 적절한 사후처리가 되지 않은 상태 로 방치되었고, 이러한 폐광산 지역에 산재되어 있는 폐광석, 광미, 갱내수, 선광을 위해 사용한 화학 용품 등은 물의 등에 수나 주변. 주요 오염원으로 산성광산배수의 배출, 광산폐기 유실, 유해성 침출수의 배출, 광미와 분진의 분산 의해 환경오염을 일으킬 수 있다. 실제 광산 폐 선광잔류물이 적치된 댐의 붕괴로 인한 폐광산 오염 사례도 보고된 바 있다(Lee et al., 2004).. 2.2. 해상으로의 선광잔류물 처리 육상에서의 선광잔류물 처리 방법의 한계를 극복하 고자 대안으로 떠오른 것이 해상으로의 선광잔류물 처. 리이다. 해상에서 수행되는 선광잔류물 처리법은 배출 깊이에 따라 해안 선광잔류물 처리(Coastal Tailings Disposal; CTD) (Fig. 1b), 해저 선광잔류물 처리 (Submarine Tailing Disposal; STD)(Fig. 1c), 심해 선 광잔류물 처리(Deep-Sea Tailing Placement; DSTP) (Fig. 1d)의 3가지로 나뉜다(Ramirez-Llodra et al., 2015). 2.2.1. 해안 선광잔류물 처리 육상 광산에서 발생하는 선광잔류물들을 육지와 맞 닿은 얕은 연안해역에 처리하는 방법이다(Franks et al., 2011). 항구에 위치한 국가에서는 이를 육지 확장 으로 보아 토지 개간(land reclamation)이라 표현하기 도 한다. 강을 이용해 선광잔류물을 처리하고 있는 인 도네시아나 파푸아뉴기니의 경우, 최종적으로 연안해역 으로 유입된 선광잔류물에 의해 해안선이나 유광층의 생태계가 영향을 받기도 한다(Shimmield et al., 2010; Vogt, 2012). 2.2.2. 해저 선광잔류물 처리 육상과 연결된 관을 통해 연안 해역을 통과하여 좀 더 깊은 해양으로 선광잔류물을 배출하는 방법이다. 버 려지는 수심은 유광층 하부로 일반적으로 100 m를 넘 지는 않으나, 버려지는 잔류물은 경사면을 따라 좀 더 깊은 곳으로 이동하여 쌓이게 된다(Ellis and Ellis, 1994; Ellis et al., 1995; Shimmield et al., 2010; Skei and SMC, 2014; Vogt, 2012). 캐나다, 노르웨이, 그린란드 등 북극권 국가의 해안가에서 선광잔류물 처 리에 이 방법이 많이 사용되고 있다(Kvassnes and Iversen, 2013). 2.2.3. 심해 선광잔류물 처리 유광층을 지나 수심 100 m 이하 좀 더 깊은 곳까 지 연결된 배출관을 이용하여 해저사면에선광잔류물을 배출하는 방법이다. 사면에 배출된 선광잔류물은 중력 에 의해 수심 1000 m 이하의 심해까지 이동하여 퇴 적되기도 한다(Ellis and Ellis, 1994; Franks et al., 2011; Hughes et al., 2015; Shimmield et al., 2010; Sierralta, 2014; Skei and SMC, 2014). 인도네시아 숨바와섬에 있는 바투 히자우 금 구리 광산은 채광 후 버려지는 선광잔류물을 심해 선광잔류물 처리법을 사 용하여 폐기하였다(Angel et al., 2013). 해저 선광잔류물 처리법과 심해 선광잔류물 처리법은 선광잔류물의 배출 깊이에 의해서 구분된다. 심해 선.
(5) 선광잔류물의 친환경적 처리 기술: 심해저광물자원개발시 발생하는 선광잔류물 특성 연구. 광잔류물 처리를 이용하면 선광잔류물이 수심 1000 m 이상 깊이까지 도달하여 심해 생태계에 영향을 미칠 수 있지만, 해저 선광잔류물 처리를 이용하면 최대 수 심 250 m 정도의 깊이까지만 도달해서 심해 생태계에 큰 영향을 미치지 않을 수 있다(Gage and Tyler, 1991; Thistle, 2003). 배출되는 깊이에 따라 해양생태 계에 미치는 선광잔류물의 영향이 달라질 수 있기 때 문에, 적합한 선광잔류물 처리법 결정을 위해서는 상 대적으로 정보가 부족한 심해 해양생태계에 대한 연구 가 더 필요하다(Mengerink et al., 2014; RamirezLlodra et al., 2010). 2.3. 선상에서의 선광잔류물 처리 2011년 이후 Lockheed Martin(영국), Nautilus(캐나 다), Global Sea Mineral Resources(벨기에), Ocean Mineral Singapore(싱가폴), China Minmetals Corporation(중국), Japan Oil, Gas and Metals National Corporation(일본)과 같은 많은 민간기업들이 심해저광 업에 적극 참여하여, 대표적인 해저광물자원인 망간단 괴와 해저열수광상 자원개발을 추진하고 있다. 이들 심 해저광물자원 탐사는 해안에서 멀리 떨어진 공해상에 서 수행되고 있어, 개발 시 채굴한 광석을 제련 시설 이 있는 육상으로 운반하는데 많은 비용이 소요될 것 으로 예상된다. 따라서 채광한 광석 중 유용 광물을 현장에서 일차적으로 분리할 수 있는 선상선광기술개 발과 선광잔류물의 선상처리에 대한 관심이 증가하고 있 다(Fig. 1e)(Kline and Stekoll, 2001; Lee and Correa, 2005; Mero, 1965; Sharma, 2011; Theriault et al., 2003). 해저면에서 채굴한 광석을 선상처리하는 경우 발생 하는 선광잔류물을 처리할 수 있는 공간이 선박으로 제한되고, 배출된 선광잔류물이 예상하지 못한 환경오 염이나 저층 생태계 교란을 야기하는 등 여러 방면에 걸쳐 해양환경 및 생태계에 부정적인 영향을 끼칠 수 있다(Sharma, 2011). 선광잔류물에는 선광과정에서 생 성된 공정폐수가 포함되는데, 여기에는 중화 과정을 거 친 후 폐기되어야 하는 금속이나 산이 포함되거나, 화 학물 처리 이후에도 약간의 황화광물이 남아있어서 주 변 생태계를 교란할 가능성이 있다. 또한 시약, 계면활 성제, 침출제, 산화제, 용매 추출제, 다른 기타 첨가제 와 같은 화학물질과 채광 또는 제분 작업에서 발생하 는 유기물 등도 주변 환경에 악영향을 끼칠 수 있다 (Ritcey, 2005). 선광잔류물에 포함되어 있는 중금속들 은 배출 후 60-70년 동안이나 지속적으로 심해 환경에. 785. 영향을 줄 수 있다고 알려져 있다(Kline and Stekoll, 2001; Lee and Correa, 2005; Mero, 1965; Sharma, 2011; Theriault et al., 2003). Fuchida et al. (2017) 은 해저열수광상 개발 시 발생할 수 있는 환경오염을 이해하기 위해 오키나와 해분(Okinawa Trough)에서 채취한 광석 시료의 금속 침출 가능성에 관한 연구를 수행하였다. 해저면의 해저열수광석이 채굴되어 산화 환경에 노출되면 5분 이내의 빠른 시간 안에 많은 양 의 중금속이 해수로 방출됨이 확인되었다. 광석과 침 출수의 화학 조성은 다르게 나타나는데, 이는 광물 내 에서 황화물과 결합되어 있는 금속 이온이 직접 용해 되는 것이 아니라 광석 표면에 불안정하게 흡착되어 있던 중금속이 탈착되어 해수로 빠져나가기 때문이다. 중금속이 해양 생태계로 유입되면 이를 흡입한 생물체 내에 지속적으로 축적되기 때문에 생태계에 지속적이 고 치명적인 문제를 일으키게 된다(Eggleton and Thomas, 2004; Simpson et al., 1998). 선광잔류물에 의한 부정적인 환경 영향을 최소화하 기 위한 노력이 지속되고 있음에도 불구하고(McLellan et al., 2009), 개발 시 필연적으로 발생하는 선광잔류 물의 양, 물리·화학적 특성, 환경 유해성에 대한 연구 가 아직까지 불충분하며, 이와 관련된 친환경적 처리 기술 또한 확립된 바 없다. 지속 가능한 개발을 위해 심해저광물자원개발 과정에서 발생하는 선광잔류물은 물리·화학적으로 안정적이고, 화학적으로 불활성이며, 기후 및 지형과 같은 지역적 특성도 고려되어 처리되 는 등(Franks et al., 2011), 다방면적으로 정확한 이해 를 필요로 한다(Edraki et al., 2014; Sharma, 2011).. 3. 한국해양과학기술원의 선광잔류물 연구 현황 한국해양과학기술원은 심해저광물자원개발 연구의 일환으로 2019년에서 2022년까지 총 4년의 기간에 걸 쳐 “심해저광업 잔사물질 특성규명 및 환경친화적 저 감/처리 기술 연구”를 수행 중에 있다. 본 과제에서는 심해저광물자원개발 시 배출되는 잔류물 관리규정 제 정에 필요한 결과를 제공하기 위해 선광잔류물 오염물 질 특성 규명, 생물/환경 위해요소 도출 및 환경영향 평가기술 개발, 환경영향 최소화 선광/정화 기술 도출 등의 연구를 수행하고 있다. 육지에서 멀리 떨어진 공 해상 해저열수광상의 경제적 개발을 위해서는 선상에 서의 선광처리 작업이 우선적으로 고려되어야 하며, 선 상처리 후 해상으로 버려지는 오염물질의 특성, 확산 양상 및 환경위해성, 그리고 정화처리 과정 등이 우선.
(6) 786. 문인경 · 유찬민 · 김종욱. (Fig. 2). 여기에서는 각 핵심요소 별로 지금까지 진행 된 연구 결과의 일부를 발췌해 소개하고자 한다.. Fig. 2. Five representative research factors for development of environmental-friendly mine tailings treatment technologies and their interaction.. 적으로 평가되어야 할 요소이다. 이와 더불어, 선광작 업이 불필요한 망간단괴의 선상처리 후 버려지는 세립 물질 영향에 대해서도 규명할 필요가 있다. 이에 기초 하여 본 연구 과제에서는 1) 오염인자/환경영향, 2) 환 경/생물 위해성 영향, 3) 입자확산, 4) 선광기술, 5) 저 감/처리기술(정화)을 주요 핵심 요소로 구분하고, 각 요 소의 이해와 분야간 상관관계를 밝혀내고자 한다. 3.1. 오염인자/환경영향 동태평양과 인도양에 위치한 우리나라 독점탐사광구 에서 획득한 망간단괴와 해저열수광상을 이용하여 잠 재적인 오염원 특성을 규명하였다(Fig. 3). 섬아연석, 방연석 등의 광석광물을 포함하고 있는 해저열수광상 의 광석이 주변 해양으로 배출되었을 때, 광석에 포함 된 금속 원소의 거동을 알아보기 위해 배출 가능한 3 개의 입자크기(<20µm, 20-63µm, 63µm-2mm)로 광 석을 구분하여 금속 원소의 용출량을 알아보았다 (Fig. 4a). 용출실험 결과, 광석에 포함되어 있는 많은 양의 중금속이 주변 해수로 용출되었는데, 특히 배출 초기에 상당량의 중금속이 용출되는 것을 확인할 수 있었다. 용출되는 중금속의 종류에 따라 차이는 있으 나, 대부분의 경우 입자가 작을수록 더 많은 양의 중 금속이 용출되었다(Fig. 4a). 실험이 진행될수록 선광잔 류물 내의 금속 함량은 원광석에 비해 감소하였으며, 선광 과정에 이용된 배출용액에는 미량의 금속 성분만 존재하였다. 용출수의 pH는 실험 초기 1시간 이내에 7.75에서 6.98~7.57로 급감하였으며, 10일 후에는 초 기값에 비해 0.63~1.65 감소하였다(Fig. 4b). 심해저광 물자원을 개발하고자 하는 해양환경의 중금속 농도는 극히 낮기 때문에, 광물개발 시 광석 입자와 중금속이. Fig. 3. Contract areas for manganese nodule in the north eastern Pacific Ocean (a) and for seafloor massive sulphides (SMS) in the Central Indian Ridge (CIR) (b)..
(7) 선광잔류물의 친환경적 처리 기술: 심해저광물자원개발시 발생하는 선광잔류물 특성 연구. 787. Fig. 4. Representative experimental graphs of (a) degree of eluted Zn from SMS mine tailings by particle size, (b) pH change trend of eluted water, and (c) Zooplankton mortality rate by particle concentration (g/L) according to time. Photographs of stained in red for live zooplankton (d) and non-stained death zooplankton (e) after toxicity experiment.. 주변 생태계에 미치는 영향을 정확히 파악하기 위해서 는 배출되는 선광잔류물의 특성을 잘 이해하는 게 매 우 중요하다. 3.2. 환경/생물 위해성 영향 생물/생태 위해성 평가는 해양에 버려지는 선광잔류 물의 특성 규명과 환경친화적 심해저광물자원 개발을 위해서 우선적으로 수행되어야 할 연구항목이다. 수층 내 서식하는 식물플랑크톤과 동물플랑크톤을 이용한 다 양한 수준의 독성 평가는 해양 배출 폐기물에 대한 지 침을 제시하는데 유용한 지시자로 사용될 수 있다. 동 태평양과 인도양에서 채집한 동물플랑크톤 군집과 배 양한 요각류를 이용한 독성 실험을 통해 선광잔류물이 동물플랑크톤 사망에 미치는 영향을 이해하고자 하였 다(Figs. 4c, d, e). 동일한 농도의 입자를 넣어준 후 동물플랑크톤의 사망률을 비교한 결과, 망간단괴에 비 해 해저열수광상의 독성이 월등히 강한 것을 알 수 있 었다. 해저열수광석 입자의 경우, 0.4g/L 이상의 농도 에서는 1일이 지나기 전에 모든 개체가 사망하는 결과. 를 보인다(Fig. 4c). 또한 농도가 같다면, 입자를 넣어 준 경우나 용출수를 넣어 준 경우 모두에서 비슷한 사 망률을 나타내 광석에서 해양으로 빠져 나온 중금속이 동물플랑크톤의 사망에 중요한 요인으로 작용한 것을 알려주기도 한다. 앞으로 동물플랑크톤의 사망에 영향 을 미치는 원인을 명확히 규명하기 위한 독성 실험을 추가적으로 수행할 예정이며, 2세대 독성 실험을 통해 환경영향 평가에 유용한 생체지표를 발굴할 계획이다. 3.3. 입자 확산 모델 입자 확산 검증 실험을 통해 선광잔류물을 해수로 배출했을 때, 시간의 흐름에 따른 특정 수심에서의 입 자 농도 변화와 거동을 예측하고자 하였다. 8µ 이하와 8-20µm 크기의 망간단괴 입자를 이용한 침강 속도와 침강과정에서 일어나는 응집 현상이 확산에 미치는 영 향을 규명하였다(Lee et al., 2020). 실험 자료와 확산 모형 계산 결과 비교를 통하여 확산 모형을 예측하고, 처리 후 주변 해양으로 배출될 선광잔류물의 확산도를 작성하였다(Fig. 5). 응집 현상에 따라 선광잔류물의 대.
(8) 788. 문인경 · 유찬민 · 김종욱. Fig. 5. Expected diffusion experimental model of leachates from mine tailings.. 부분은 2-3일 내 해저면에 퇴적되는 것으로 나타나나, 일부 입자들은 수층에 지속적으로 머물며 생태계에 영 향을 미칠 가능성을 보여준다. 수층 내 입자 분포는 수심이 깊어질수록 범위는 넓으나 농도는 낮은 형태가 채광이 진행되는 동안 계속 유지될 것으로 예측되나, 선광잔류물에서 주변 해양으로 용출된 중금속들은 해 저면에 퇴적되지 않고 수층에 머무르면서 수평/수직으 로 확산됨을 예측할 수 있었다. 선광잔류물이 배출되 는 선박 부분에서 중금속 농도가 가장 높으며, 작업시 간이 경과함에 따라 지속적으로 고농도 영역이 주변으 로 확장되었다(Fig. 5). 생물 독성 실험으로 임계 농도 값을 확보하게 되면, 확산 모델을 이용하여 선광잔류 물이 생태계에 미치는 영향 범위를 한정하고 배출할 수 있는 용출물 농도 범위를 제시할 수 있으리라 기대 한다. 향후 실험실 결과와 더불어 실제 채광이 이루어 질 동태평양과 인도양의 해류 관측 결과를 이용하여 다양한 입력 변수에 따른 선광잔류물의 이동-확산 예 측 연구를 추가적으로 진행할 예정이다. 3.4. 선광후보기술 도출 전체가 유용금속으로 구성된 망간 단괴와 달리 맥석 과 같이 채취한 해저열수광석의 경우에는 선광 작업을 통해 유가 광물과 폐석을 분리함으로써 공해상에서 제 련 공장이 있는 육상까지의 운반 비용, 제련 비용 및 제련 후 발생하는 폐기물의 양을 줄이는 작업이 필요. 하다. 선광후보기술 도출 분야에서는 우리나라 광구해 역에서 채취한 해저열수광상 시료를 대상으로 제련 공 정에 이용할 유가 광물을 효율적으로 분리해낼 수 있 는 조건을 탐색하고 있다. 일차적으로 해저열수광상 광석을 150 µm 크기로 분 쇄한 후 부유선별법을 적용하여 황동석, 섬아연석, 방 연석 등의 유용광물들을 분리하였다. 부유선별법의 기 포제로는 AF-65, 포수제로는 xanthate를 사용하였다. 또한 예비 선광 실험을 통해 얻어진 선광잔류물에 대 해서는 생물 독성 실험을 수행하여 환경에 미치는 영 향을 최소화하는 배출기준을 확립하고자 하였다. 앞으 로 다양한 실험을 통해 정광에서 유용 광물의 농도를 높일 수 있는 조건, 버려지는 선광잔류물에서 유용 광 물의 회수율을 높이기 위한 최적의 조건들을 규명할 필요가 있다. 3.5. 저감/처리기술 도출 선상으로 올라온 광석을 걸러낸 후 다시 해양으로 배출되는 해수에는 미세한 크기의 광석 입자가 포함되 어 있다. 또한 선광과정에서 발생하는 선광잔류물도 조 건에 따라 해양으로 버려지게 되는데, 이들 물질들에 는 회수하지 못한 많은 중금속들이 포함되어 있어 주 변 생태계에 영향을 미칠 가능성이 크다. 저감/처리기술 분야에서는 선광잔류물의 물리적 성 질에 따른 선택적 분리 가능성, 화학적 특성을 이용한.
(9) 선광잔류물의 친환경적 처리 기술: 심해저광물자원개발시 발생하는 선광잔류물 특성 연구. 789. Fig. 6. Logic diagram of development of environmental-friendly reduction/processing technologies for mine tailings.. 오염물질 저감 가능성, 그리고 다양한 정화처리 후보 기술 적용 가능성에 대한 평가 및 검토를 통해 친환경 적 처리기술을 도출하고자 한다(Fig. 6). 램놀리피드, 황화알루미늄과 같은 환경친화적 첨가제를 이용하여 망 간 단괴와 해저열수광석 미세입자에서 중금속을 추출 할 수 있음을 밝혀낸 바 있으며(Lee and Kim, 2019), 가장 효율적으로 추출할 수 첨가제와 조건을 찾 아내기 위한 연구를 계속 진행하고 있다. 또한 육상 환경에서 개발되어 있는 정화 기술을 제약이 많은 선 상에서 활용하기 위한 공정 확립을 위한 노력도 병행 하고 있다.. 4. 요. 약. 망간단괴, 망간각, 해저열수광상과 같은 해양광물자 원 개발 시 광석 입자나 선광 후 선광잔류물들이 해양 으로 방류될 가능성이 높지만, 아직까지 이들 물질들. 에 대한 물리·화학적 특성이나 환경 위해성에 대한 연 구가 미비한 상태이다. 또한 선광잔류물의 양을 줄일 수 있는 효과적인 선광기술이나 유해 오염물질의 독성 을 저감할 수 있는 처리기술 개발도 이루어진 바 없다. 심해저광물자원개발 시 생태계 교란이나 처리기술 부 재로 인해 선광잔류물의 선상 처리가 이루어지지 못할 경우, 선광잔류물을 육상으로 운반하는데 소요되는 비 용이나 육상 환경오염 문제를 해결해야 하는 많은 노 력들에 의해 심해저광업을 현실화되는데 지장을 초래 할 수 있다. 따라서 심해저광업을 앞당기기 위해 자원 량 평가, 개발에 관련된 기술, 채광 시 발생하는 환경 문제 등을 해결해야 하는 노력과 더불어 광석처리 후 발생하는 선광잔류물이 주변 해양환경에 미치는 영향 을 이해하고 이의 영향을 저감할 수 있는 기술개발에 대한 연구가 수행되어야 한다. 한국해양과학기술원에서는 우리나라가 공해상에 확 보하고 있는 망간단괴, 망간각, 해저열수광상 자원개발.
(10) 790. 문인경 · 유찬민 · 김종욱. 을 위한 노력의 일환으로 광물개발 시 발생하는 선광 잔류물의 특성규명과 환경친화적 저감/처리기술 연구 를 수행하고 있다. 연구과제에서는 1) 오염인자/환경영 향, 2) 환경/생물 위해성 영향, 3) 입자확산, 4) 선광, 5) 저감/처리(정화)를 주요 핵심 요소로 구분하고, 각 요소별 이해와 분야간 상관관계를 규명을 통해 선광잔 류물의 유해성, 해양생태계에 미치는 영향, 오염 입자 확산 모델, 선광 및 정화처리 후보기술 등에 대한 유 용한 자료를 구축하고자 한다. 이들 결과는 심해저광 물자원 개발을 위한 규칙 제정 등에 유용하게 활용될 것으로 기대되며, 친환경적 해양광물 개발을 위한 기 반자료로 이용될 것이다.. 사. 사. 본 연구는 한국해양과학기술원 (KIOST) 주요사업 ‘심 해저광업 잔사물질 특성규명 및 환경친화적 저감/처리 기술 연구(PE99823)’의 일환으로 수행되었습니다.. References Adamo, P., Dudka, S., Wilson, M. and McHardy, W. (1996) Chemical and mineralogical forms of Cu and Ni in contaminated soils from the Sudbury mining and smelting region, Canada. Environmental Pollution, v.91, p.11-19. Alpers, C.N. and Nordstrom, D.K. (1999) Geochemical modeling of water-rock interactions in mining environments. Reviews in economic geology, v.6, p.289-324. Angel, B.M., Simpson, S.L., Jarolimek, C.V., Jung, R., Waworuntu, J. and Batterham, G. (2013) Trace metals associated with deep-sea tailings placement at the Batu Hijau copper–gold mine, Sumbawa, Indonesia. Marine Pollution Bulletin, v.73, p.306-313. Appel, C.A. and Reilly, T.E. (1994) Summary of selected computer programs produced by the US Geological Survey for simulation of ground-water flow and quality, 1994. US Government Printing Office. Brodie, M., Broughton, L. and Robertson, A. (1991) A conceptual rock classification system for waste management and a laboratory method for ARD prediction from rock piles, Second international conference on the abatement of acidic drainage. Conference proceedings, p.4. Bury, J. (2005) Mining mountains: neoliberalism, land tenure, livelihoods, and the new Peruvian mining industry in Cajamarca. Environment and planning A, v.37, p.221-239. Cornwall, N. (2013) Submarine tailings disposal in Norway’s fjords: Is it the best option? IIIEE Master thesis. Davis, A., Ruby, M.V., Bloom, M., Schoof, R., Freeman, G. and Bergstrom, P.D. (1996) Mineralogic constraints. on the bioavailability of arsenic in smelter-impacted soils. Environmental science & technology, v.30, p.392-399. Dold, B. (2014) Submarine tailings disposal (STD)—A review. Minerals, v.4, p.642-666. Duncan, D. and Bruynesteyn, A. (1979) Determination of acid production potential of waste materials, Metallurgical Society of AIME Annual Meeting, New Orleans, p.A79-29. Edraki, M., Baumgartl, T., Manlapig, E., Bradshaw, D., Franks, D.M. and Moran, C.J. (2014) Designing mine tailings for better environmental, social and economic outcomes: a review of alternative approaches. Journal of Cleaner Production, v.84, p.411-420. Eggleton, J. and Thomas, K.V. (2004) A review of factors affecting the release and bioavailability of contaminants during sediment disturbance events. Environment international, v.30, p.973-980. Ellis, D. and Ellis, K. (1994) Very deep STD. Marine Pollution Bulletin, v.28, p.472-476. Ellis, D., Pedersen, T., Poling, G., Pelletier, C. and Horne, I. (1995) Review of 23 years of STD: Island copper mine, Canada. Marine georesources & geotechnology, v.13, p.59-99. Franks, D.M., Boger, D.V., Côte, C.M. and Mulligan, D.R. (2011) Sustainable development principles for the disposal of mining and mineral processing wastes. Resources policy, v.36, p.114-122. Frossard, E., Morel, J., Fardeau, J. and Brossard, M. (1994) Soil isotopically exchangeable phosphorus: a comparison between E and L values. Soil Science Society of America Journal, v.58, p.846-851. Fuchida, S., Yokoyama, A., Fukuchi, R., Ishibashi, J.-i., Kawagucci, S., Kawachi, M. and Koshikawa, H. (2017) Leaching of metals and metalloids from hydrothermal ore particulates and their effects on marine phytoplankton. ACS omega, v.2, p.3175-3182. Fuge, R., Pearce, F.M., Pearce, N.J. and Perkins, W.T. (1993) Geochemistry of Cd in the secondary environment near abandoned metalliferous mines, Wales. Applied geochemistry, v.8, p.29-35. Gage, J.D. and Tyler, P.A. (1991) Deep-sea biology: a natural history of organisms at the deep-sea floor. Cambridge University Press. Hughes, D.J., Shimmield, T.M., Black, K.D. and Howe, J.A. (2015) Ecological impacts of large-scale disposal of mining waste in the deep sea. Scientific reports, v.5, p.9985. International Maritime Organization. (2015a) Coastal management Issues associated with activities to prevent marine pollution. International Maritime Organization. (2015b) Report of the working group on mine tailings and wastes from seabed mining. International Seabed Authority. (2020) Draft regulations on exploitation of mineral resources in the Area. Jennings, S. and Dollhopf, D. (1995) Acid-base account effectiveness for determination of mine waste potential acidity. Journal of Hazardous Materials, v.41, p.161175. Kaikkonen, L., Venesjärvi, R., Nygård, H. and Kuikka, S. (2018) Assessing the impacts of seabed mineral.
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