Mercury Transport in a Soil-bentonite Backfill for Slurry Trench Cutoff Walls

지구의 지하를 거대한, 보이지 않는 스펀지라고 상상해 보세요. 때때로 이 스펀지는 우리가 마시는 물이나 강으로 퍼지는 것을 원치 않는 나쁜 물질들—화학 물질, 중금속, 또는 독성 폐기물—로 흠뻑 젖기도 합니다. 이를 연구하는 과학자들은 이 스펀지 안에 독이 움직이는 것을 막기 위해 어떻게 벽을 세울지 알아내려는 탐정들과 같습니다. 그들이 즐겨 사용하는 도구 중 하나는 "차단벽(cutoff wall)"인데, 이는 기본적으로 땅속에 바로 파 내려간 진흙과 모래로 만든 깊고 수직적인 울타리입니다. 목표는 단순합니다. 그 나쁜 것들이 벽에 달라붙거나 미세한 구멍을 통해 빠져나가지 못하도록 벽을 아주 촘데데하고 끈적하게 만드는 것입니다. 하지만 까다로운 점은, 수은과 같은 일부 독소는 매우 교활하다는 것입니다. 그것들은 형태를 바꾸기도 하고, 이상한 방식으로 무언가에 달라붙기도 하며, 심지어 특정 종류의 진흙을 갉아먹기도 합니다. 그래서 엔지니어들에게 던지는 큰 질문은 이것입니다. 만약 우리가 현지의 흙과 점토로 벽을 만든다면, 그것이 정말로 수은을 막아낼 수 있을까요, 아니면 수은이 체를 통과하는 물처럼 그냥 쑥 빠져나가 버릴까요?

이 논문은 그 지하 벽을 위한 특정 레시피가 수은을 잡아낼 수 있는지 확인하기 위한 실험에 관한 것입니다. 연구원들은 소규모 금 채굴자들이 금을 분리하기 위해 사용하는 데 사용되는 중금속인 수은 때문에 걱정했습니다. 수은은 독성이 있고 사라지지 않으며, 그저 주변을 맴돌며 우리 물로 들어오기를 기다리고 있기 때문입니다. 그들은 현지의 모래와 벤토나이트라고 불리는 특수한 종류의 점토 혼합물이 슈퍼히어로 방벽 역할을 할 수 있을지 알고 싶었습니다. 그들은 단순히 추측만 한 것이 아니라, 실험실에서 이 벽의 아주 작은 버전들을 만들고 몇 달 동안 수은이 섞인 물을 펌프로 통과시켜 보며 어떤 일이 일어나는지 관찰했습니다.

이야기는 문제에서 시작됩니다. 많은 지역에서 금광업자들이 금을 찾기 위해 수은을 사용하며, 그 결과 남은 진흙 섞인 물(광산 찌꺼기)은 종종 땅이나 강에 그대로 버려집니다. 이 수은은 꿈 nightmare와 같은 존재인데, 왜냐하면 이는 분해되지 않는 중금속이기 때문입니다. 대신, 그것은 다양한 형태로 변하며, 그중 일부는 매우 독성이 강해 물고기와 사람의 몸에 축적되어 뇌와 신체에 심각한 손상을 줄 수 있습니다. 이를 막기 위해 엔지니어들은 흔히 "차단벽"—두껍고 걸쭉한 토양과 벤토나이트 점토 혼합물로 채워진 깊은 참호—을 건설합니다. 벤토나ite를 젖었을 때 부풀어 오르는 초흡수성 스펀지라고 생각하면 쉽습니다. 이 스펀지는 모래 사이의 모든 미세한 틈을 메워 빽빽한 밀봉을 만들어냅니다. 보통 이 벽들은 물이 새는 것을 막기 위해 설계되지만, 여기서의 핵심 질문은 이것이었습니다: 과연 이 벽이 수은을 막을 수 있을까?

이 연구의 연구진은 콜롬비아 현지에서 발견된 재료들로 만든 혼합물을 테스트하기로 결정했습니다. 그들은 현지의 모래를 가져와 현지의 벤토나이트 점토와 섞었습니다. 그들은 이 현지 점토가 미국의 유명한 와이오밍 벤토나이트만큼 "슈퍼"하지 않다는 것을 알고 있었기에, 평소보다 훨씬 많은 양인 전체 혼합물의 약 15.3%를 사용해야 했습니다. 그들은 이 혼합물이 물의 흐름을 쉽게 막을 수 있을 만큼 두껍게 만들었으며, 물이 통과하는 데 영겁의 시간이 걸릴 정도의 속도(1×10⁻⁷ cm/s 미만)를 목표로 삼았습니다. 일단 이 "진흙 벽"이 준비되자, 본격적인 테스트가 시작되었습니다.

그들은 유연한 튜브 안에 모래-벤토나이트 혼합물을 채우고 수은이 포함된 물을 펌프로 밀어 넣었습니다. 그들은 두 가지 다른 테스트를 실시했습니다. 첫 번째 테스트에서는 낮은 농도의 수은(27 ppb)이 든 물을 사용해 약 4개월 동안 흘려보냈습니다. 두 번째 테스트에서는 압력을 높이고 더 높은 농도의 수한(300 ppb)을 사용하여 벽이 스트레스 상황에서도 잘 견디는지 확인했습니다. 그들은 물이 반대편으로 나올 때 얼마나 많은 수은이 통과하는지 지켜보았습니다.

결과는 꽤 흥eric했습니다. 벽은 물에 대해서는 완벽하게 제 역할을 수행했습니다. 즉, 틈 없이 단단하게 유지되어 물이 새지 않았습니다. 하지만 수은에 대한 결과는 훨씬 더 흥미로웠습니다. 반대편에서 나오는 물을 확인했을 때, 수은은 거의 통과하지 못했습니다. 첫 번째 테스트에서 벽은 수은의 약 94.6%를 잡아냈고, 두 번째 테스트에서는 97.6%를 잡아냈습니다. 이는 만약 수은물이 담긴 양동이가 있다면, 이 벽이 거의 모든 수은을 붙잡아 두고 아주 작은 한 방울만이 새어 나가게 한다는 것을 의미합니다.

여기서 놀라운 점은, 연구진이 벽이 어떻게 수은을 잡아냈는지 알아냈다는 것입니다. 그들은 수은이 단순히 천천히 흐르거나(파이프 속의 물처럼), 혹은 무작위로 퍼질 것(물속의 잉크처럼)이라고 예상했습니다. 하지만 데이터에 따르면 그 두 가지 모두 수은이 멈춘 주요 원인이 아니었습니다. 대신, 수은은 마치 벨크로(찍찍이)처럼 점토 입자에 "달라붙은" 것처럼 보였습니다. 과학자들은 이를 "흡착(sorption)"이라고 부릅니다. 마치 점토가 수은에 대해 자기력을 가진 것처럼, 수은을 낚아채서 움직이지 못하게 꽉 붙잡는 것입니다. 물이 흘러간 후에도 수은은 진흙 속에 갇힌 채 뒤에 남아 있었습니다.

그들은 또한 테스트 후에 강력한 현미경과 화학 스캐너를 사용하여 혼합물 내부를 들여다보며, 수은이 점토를 손상시키거나 구조를 변화시켰는지 살펴보았습니다. 그들은 초기에 점토가 약간 변했다는 것을 발견했습니다. 물이 알칼리성을 띠었기 때문에 일부 염분들이 용해되었던 것입니다. 하지만 곧 안정화되었습니다. 벽은 갈라지거나 부서지거나 무너지지 않았습니다. 사실, 수은은 점토의 화학적 구조(구체적으로 실리콘-산소 결합)와 결합하는 것처럼 보였는데, 이것이 왜 그렇게 잘 달라붙어 있었는지를 설명해 줍니다.

이 논문이 매우 명확하게 밝히고 있는 한 가지는, 일어나지 않았던 일들입니다. 수은은 벽을 통해 그냥 흘러가지 않았으며, 가스처럼 천천히 퍼지지도 않았습니다. 가장 큰 이유는 점토가 그것을 붙잡았기 때문입니다. 또한, 수-개월 동안 수은에 푹 젖어 있었음에도 불구하고 벽이 무너지거나 물을 차단하는 능력을 잃지도 않았습니다.

하지만 저자들은 이것이 만능 해결책이라고 말하지 않도록 주의를 기울였습니다. 그들은 이 벽이 수은을 붙잡는 데는 뛰어나지만, 땅속에서 수은을 제거하는 것은 아니라고 지적합니다. 이것은 제거가 아니라, 독을 가두는 격리 구역, 즉 독을 위한 감옥에 가깝습니다. 또한, 이 테스트는 깨끗한 물과 특정 양의 수은을 가지고 실험실에서 진행되었다는 점도 언급했습니다. 실제 세상에서는 물에 다른 화학 물질들이 섞여 있어 벽의 수은 포획 능력을 방해할 수도 있습니다. 따라서, 이 결과는 현지의 모래와 점토 혼합물이 광산 주변의 차단벽을 만들기 위한 매우 유망한 재료임을 시사하지만, 아직 완성된 해결책은 아닙니다. 실제 광산 폐기물의 복잡하고 무질서한 현실을 어떻게 다룰지에 대한 더 많은 테스트가 필요합니다.

결론적으로, 이 연구는 오염과 싸우기 위해 반드시 비싸고 수입된 재료가 필요한 것은 아니라는 점을 보여줍니다. 현지의 모래와 조금 더 많은 양의 현지 점토를 사용함으로써, 우리는 수은을 잡는 끈적한 덫 역할을 하는 벽을 만들 수 있습니다. 이는 금 채굴이 독성 유산을 남긴 지역들에게 희망적인 발견이며, 문제를 둘러싸는 울타리를 세워 그것이 퍼지는 것을 막을 수 있는 방법을 제시합니다.