폐광산이나 폐제련소에서 유출된 유출수나 슬러지 내부에 존재하는 중금속들은 주변 수계로 유입되어 심각한 수질 오염을 야기할 수 있다. 특히, 중금속으로 인해 지하수가 오염되거나 산성화되는 문제가 심각한데 이는 제련 과정에서 발생하는 카드뮴 (Cd2+), 아연 (Zn2+), 황산염 (SO42-)으로 인해 야기된다. 이러한 문제를 해결하기 위해, 지하수를 정 하기 위한 환원제 중 하나로 쓰이는 다황화칼슘 (Calcium polysulfide; CPS)를 이용하여 지하수 내 Cd2+와 Zn2+를 제거한 몇몇 사례가 있지만 CPS에 의해 중금속이 제거되는 구체적인 기작에 대해선 명확하게 밝혀진 바가 없다. 또한 중금속이 황화물 형태로 침전할 경우, 용존 산소 (Dissolved oxygen; DO)에 의해 산화되어 수용액 상태로 용출될 수 있는 가능성이 있다. 따라서, 본 연구에서는 다황화물 (polysulfide; Sx2-)의 농도를 정량하고 CPS에 의한 Cd2+와 Zn2+의 침전 기작을 도출한 다음 CPS 주입으로 생성된 침전물의 산화와 관련된 DO의 영향에 관해서 평가하여, 실제 중금속으로 오염된 지하수에 회분식 실험 결과들을 적용해보고자 한다.
본 연구 결과, CPS 1%에는 82.2 mM의 Sx2-가 존재하고 이를 중금속 오염수에 주입할 경우 76.8 mM의 Cd2+, 77.6 mM의 Zn2+가 제거됨을 확인하였다. 또한 X선 회절 분석법 (X-ray diffraction; XRD)과 주사전자현미경 (Scanning Electron Microscope; SEM)을 이용하여 CPS에 의해 elemental sulfur (S8 또는 S0), gypsum (CaSO₄·2H₂O), CdS, ZnS가 침전되고 수산화물 형태인 Cd(OH)₂나 Zn(OH)₂는 발견되지 않음을 밝혔다. 이에 더하여, CPS를 주입하더라도 중금속의 침전이 완료되기 전에는 pH에 큰 변화가 없다가 중금속의 침전이 완료된 후에는 pH가 증가하는 경향성을 보인다는 것을 실험을 통해 알 수 있었다. 이러한 결과들을 종합하면, Sx2-에서 하나의 2가 황 (sulfide)만 방출되어 중금속 침전에 관여하고 나머지는 S8 또는 S0로 존재하고 CPS가 중금속으로 오염된 지하수 오염원에 주입될 경우 CPS가 과량 주입되지 않는 이상 지하수 내에는 pH 변화가 크지 않을 것이라고 결론내릴 수 있었다. 또한, 침전물들을 지속적으로 대기중에 노출시켜 산화 환경을 조성한 실험을 통해, Sx2-와 bisulfide (HS-)가 DO와 반응하여 중금속의 산화를 억제한다고 추론할 수 있었다. 이러한 결과들을 토대로, CPS를 실제 중금속으로 오염된 지하수에 주입해보았고 지하수 내 Cd2+와 Zn2+를 성공적으로 제거할 수 있었다. 또한 이렇게 제거된 침전물들은 산소가 지속적으로 공급되는 상황임에도 3주까지 용출되지 않고 안정적으로 존재하였다.