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문제 정의
- 국외에서는 90년대에 이미 SVE의 현장 적용성 시험을 끝내고 이들 자료를 근거로 하여 실제 오염지역에서 이용되고 있으나, 국내에서는 아직 이러한 적용성 실험에 관한 학문적인 연구가 부족한 실정이다 (환경부, 1995).본 논문은 토양 특성에 따른 SVE의 정화 효율의 변화를 실내 칼럼 실험을 통하여 규명함으로서 실제 오염토양에 SVE을 적용할 때 최대의 정화성과를 높일 수 있는 정화방법의 설계과정에 학문적인 정보를 제공함에 그 목적이 있다.
- 칼럼 실험 결과들이 Table 3에 요약되어 있다. 본 실험을 통하여 토양의 특성들에 따른 SVE 정화 효율의 변화를 규명하였다. 본 실험에서는 토양의 입자 크기 자체나 토양의 함수 율보다는 매질의 불균질성에 의해, 그리고 오염물질의 특성에 의해 정화 효율이 변화하였다.
제안 방법
- 각각의 칼럼 실험마다 주입 공기량에 따른 유출가스 농도 변화를 도시하여 정화 효율을 측정하였다. SVE 실험 후 칼럼을 메탄올로 세정(flushing)하여 GC로 분석함으로서 실험 후에 남아있는 오염물질의 양을 측정하였다.
- 2). 각각의 칼럼 실험마다 주입 공기량에 따른 유출가스 농도 변화를 도시하여 정화 효율을 측정하였다. SVE 실험 후 칼럼을 메탄올로 세정(flushing)하여 GC로 분석함으로서 실험 후에 남아있는 오염물질의 양을 측정하였다.
- 3은 오염토양 매질의 입도 분포 곡선이다. 또한 매질 내 함수율을 변화하며 실험을 반복하여 함수율 변화에 따른 정화 효율을 비교하였으며, 오염물의 칼럼 내 존재 시간의 변화가 SVE 정화 효율에 미치는 영향을 조사하였다. 국내 대부분의 VOCs들이 유류성분임을 감안하여, BTEX 성분의 하나인 toluene을 Ottawa sand와 오염주유소 토양에 오염시켜 칼럼 실험을 반복 실시하였다.
- 매질의 입도가 정화 효율에 미치는 영향을 규명하기 위하여 조립질과 세립질 Ottawa sand, 오염토양으로 각각 충전하여 칼럼 실험을 반복하였다. 조립질 Ottawa sand(F-35)는 체가름을 하여 입자의 직경이 0.
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3.오염물의 매질 내 머므름 시간 변화에 따른 실험
실제 오염토양 칼럼에 TCE를 오염시킨 후, 칼럼 양쪽을 밀봉하여 일주일 경과시킨 다음, 공기 추출을 실시하였다
. Fig. - 1). 제로에어(순도 99.9% 이상)가 일정한 속도로 칼럼 내에 주입될 수 있도록 공기유량 계 (air flow meter: Cole-Parmer Company 제품)를 설치하여 0.03L/min의 일정한 속도로 공기가 주입되도록 하고, 주입 공기의 습윤도 (Humidity)를 99% 이상으로 유지하기 위하여 퍼지장치를 설치하였다. 칼럼으로부터 유출되는 가스는 자동 가스 시료 주입 밸브 장치를 이용하여 가스크로마토그래 피(GC : Agilent 6890 Plus with FID)의 칼럼 내로 주입하여 유출가 스 농도를 분석하였다(Fig.
- 03L/min의 일정한 속도로 공기가 주입되도록 하고, 주입 공기의 습윤도 (Humidity)를 99% 이상으로 유지하기 위하여 퍼지장치를 설치하였다. 칼럼으로부터 유출되는 가스는 자동 가스 시료 주입 밸브 장치를 이용하여 가스크로마토그래 피(GC : Agilent 6890 Plus with FID)의 칼럼 내로 주입하여 유출가 스 농도를 분석하였다(Fig. 2). 각각의 칼럼 실험마다 주입 공기량에 따른 유출가스 농도 변화를 도시하여 정화 효율을 측정하였다.
- grade 이상）를 이용하였다. 표준가스의 농도와 검출 기 면적값의 상관관계선을 작성하여, 검량선의 신뢰도가 r2=0.99 이상이 될 때만 검량선을 사용하였으며, 또한 매 5개의 가스시료 분석 후 표준가스 시료를 분석하여 새로운 검량선을 작성하여, 새로운 검량선과 이전 검량선과의 편차가 3% 이내로 일치할 경우에만 검량선을 사용하고, 그 이외의 경우 표준시료를 다시 조제하여 신뢰도 이상의 경우에만 사용하였다. TCE의 표준 검량선의한 예가 Fig.
대상 데이터
- SVE 정화 실험을 위하여, 초순도의 TCECIrichloroethylene: Sigma-Adrich Company 제품) 와 toluene (Sigma-Adrich Company 제품)이 오염물질로 이용되었으며, Ottawa sand(US Silica Company 제품), 주유소와 군부대 실제 오염 토양이 직경 2.5 cm, 길이 30 cm인 유리 칼럼에 충전되었다. TCE나 Toluenee 오염 토양에서 발견되는 대표적인 VOCs 오염물질들로, 모두 헨리 상수가 0.
- TCE와 toluene 농도 분석을 위하여 Agilent 회사의 6890 plus gas chromatography（검 출기 : FID）와 가스 샘플링 밸브（6 port）를 사용하였다. Supelco 회사 제품인 capillary VOC-column（0.53 mm ID, 30 m in length, 3 m Film thickness）를 사용하였으며, Carrier gas는 N2（99.99% 이상 순도 : 주입 속도 5 psi.）, 주입구온도는 180℃였다.
- TCE와 toluene 농도 분석을 위하여 Agilent 회사의 6890 plus gas chromatography（검 출기 : FID）와 가스 샘플링 밸브（6 port）를 사용하였다. Supelco 회사 제품인 capillary VOC-column（0.
- 매질의 입도가 정화 효율에 미치는 영향을 규명하기 위하여 조립질과 세립질 Ottawa sand, 오염토양으로 각각 충전하여 칼럼 실험을 반복하였다. 조립질 Ottawa sand(F-35)는 체가름을 하여 입자의 직경이 0.85mm 미만 0.425mm 이상인 조립질 모래만을 이용하였고, 오염토양들은 주유소 및 군부대 오염지역 （이하 “Soil A”와 “Soil B”로 명명）에서 상부 표층을 10-30cm 제거한 후 500m/유리 용기（Rflon 마개） 에 headspace가 없도록 채취한 후, 바로 4℃ 이하 냉장 보관하였으며, 칼럼 실험을 위해 70℃ 오븐에서 6시간 동안 건조한 후 2 mm 체로 걸러 사용하였다. 오 염 토양들은 실트질을 약 20%, 점토질을 약 10%, 유기물질을 5% 정도 포함하고 있는 사질토들이다.
- 1 ng/l 이상으로 유지시켰다. 표준시료는 Supelco 회사 제품의 가스표준 시료（모두 A.C.S. grade 이상）를 이용하였다. 표준가스의 농도와 검출 기 면적값의 상관관계선을 작성하여, 검량선의 신뢰도가 r2=0.
성능/효과
- 유출가 스의 농도가 TCE 경우보다 낮고, 제거시간도 길게 나타나는데, 이것은 toluene이 TCE 보다 휘발성이 적은 결과로부터 기인하며, 따라서 오염물질의 휘발 특성이 SVF의 정화 효율에 중요한 영향을 미치는 것으로 사료된다. 그러나 전체적인 제거 경향은 TCE 칼럼 실험과 유사하며, 두 칼럼 실험 모두 약 100 liter 공기 추출 시 초기 주입toluene의 90%가 제거되고, 약 200liter추출 시 98% 이상이 제거되었다. 이와 같은 결과들로부터 SVE 방법에 의한 토양 내 VOCs를 제거가 매우 효율적이라는 것을 검증할 수 있었다.
- 일주일 경과 후 공기를 추출한 실험에서 최대 유출 농도가 약간 감소하였으나 일반적인 정화 경향은 매우 흡사하였다. 다만 250liter 공기 추 출 후 각각의 칼럼매질을 메탄올로 세정하여 칼럼 내에 잔존하는 TCE의 양을 측정한 결과, 일주일 경과 후 공기 추출을 한 칼럼에서는 7.8 mg, 오염 즉시 공기 추출을 실시한 칼럼에서는 0.35 mg이였다. 이 양은 초기 주입량(4000mg TCE)과 비교하여 볼 때, 매우 적은 양으로 일주일 경과 후 SVE를 실시한 칼럼에서도 높은 정화 효과를 나타내었으나, 일주일 동안 자유상의 TCE가 토양의 점토질과 유기물질에 흡착되어 매질 내에 소량 남아 있음을 추측할 수 있었고, 이러한 흡착양은 오염물이 매질에 존재하는 시간(오염누출 후 경과 시간)이 증가함에 따라 증가할 것으로 사료된다.
- 본 실험에서는 토양의 입자 크기 자체나 토양의 함수 율보다는 매질의 불균질성에 의해, 그리고 오염물질의 특성에 의해 정화 효율이 변화하였다. 다양한 토양조건에서의 칼럼 실험을 통하여 SVE 정화 방법은 VOCs를 정화하는 데 매우 효율적이라는 사실을 확인할 수 있었다. 향후 SVE 방법의 보다 구체적인 설계와 정량적인 정화 효율 정보를 얻기 위해서는 2-차원 실험이나 pilot 규모의 연구, 그리고 토양 변수 특성에 따른 정화 효율의 예측을 위한 수치 모델링 작업들이 필요하다고 사료된다.
- 본 실험을 통하여 토양의 특성들에 따른 SVE 정화 효율의 변화를 규명하였다. 본 실험에서는 토양의 입자 크기 자체나 토양의 함수 율보다는 매질의 불균질성에 의해, 그리고 오염물질의 특성에 의해 정화 효율이 변화하였다. 다양한 토양조건에서의 칼럼 실험을 통하여 SVE 정화 방법은 VOCs를 정화하는 데 매우 효율적이라는 사실을 확인할 수 있었다.
- 6은 F-110 칼럼 실험 결과와 오염 주유소(Soil A) 그리고 오염 군부대 토양(Soil B) 칼럼 실험들의 정화 효율을 나타낸다. 실제 오염토양 실험들의 최대 유출 농도는 246mg/Z와 179mg/Z로서 F-35 칼럼보다 약 50% 정도 감소하였으며, 농도 감소 현상도 지연되어 나타난다. 따라서 SVE 정화 효율은 입자의 크기보다는 입자의 불균질성에 더 영향을 받는 것으로 사료된다.
- 05%) 이하였다. 오염토양 칼럼 결과들은 SVE 방법이 실제 오염토양에서 VOCs 정화에 적합하다는 것을 입증한다.
- 9는 이들 칼럼 실험 결과들을 보여준다. 유출가 스의 농도가 TCE 경우보다 낮고, 제거시간도 길게 나타나는데, 이것은 toluene이 TCE 보다 휘발성이 적은 결과로부터 기인하며, 따라서 오염물질의 휘발 특성이 SVF의 정화 효율에 중요한 영향을 미치는 것으로 사료된다. 그러나 전체적인 제거 경향은 TCE 칼럼 실험과 유사하며, 두 칼럼 실험 모두 약 100 liter 공기 추출 시 초기 주입toluene의 90%가 제거되고, 약 200liter추출 시 98% 이상이 제거되었다.
- 35 mg이였다. 이 양은 초기 주입량(4000mg TCE)과 비교하여 볼 때, 매우 적은 양으로 일주일 경과 후 SVE를 실시한 칼럼에서도 높은 정화 효과를 나타내었으나, 일주일 동안 자유상의 TCE가 토양의 점토질과 유기물질에 흡착되어 매질 내에 소량 남아 있음을 추측할 수 있었고, 이러한 흡착양은 오염물이 매질에 존재하는 시간(오염누출 후 경과 시간)이 증가함에 따라 증가할 것으로 사료된다.
- 그러나 전체적인 제거 경향은 TCE 칼럼 실험과 유사하며, 두 칼럼 실험 모두 약 100 liter 공기 추출 시 초기 주입toluene의 90%가 제거되고, 약 200liter추출 시 98% 이상이 제거되었다. 이와 같은 결과들로부터 SVE 방법에 의한 토양 내 VOCs를 제거가 매우 효율적이라는 것을 검증할 수 있었다.
- 5는 TCE로 오염된 조립질 Ottawa sand(F-35) 와 세립질 Ottawa sand(F-HO) 칼럼의 SVE 정화 효율을 보여준다. 조립질 OHawa sand 칼럼(이하 F-35 칼럼으로 명칭)의 유출가스 최대 농도는 442 mg/l인 반면 세립질 Ottawa sand 칼럼(이하 F-110 칼럼으로 명칭)의 최대 농도는 337mg/Z로서 입자가 작아짐에 따라 최대 유출 농도가 감소하는 것으로 나타났으나, 두 칼럼 모두 약 20 liter 공기 추출 후에는 유출 농도가 비슷하며, 40 liter 추출 후에는 모두 초기 TCE의 약 98%가 제거되었다. Fig.
- 7). 최대 유출 농도가 함수율의 증가에 따라 약간 감소하였으나, 예상과는 다르게 전체적으로 함수율 증가에 따른 정화 효율의 감소 현상은 크게 나타나지 않았다. 이것은 공기의 칼럼 주입량(0.
후속연구
- 다양한 토양조건에서의 칼럼 실험을 통하여 SVE 정화 방법은 VOCs를 정화하는 데 매우 효율적이라는 사실을 확인할 수 있었다. 향후 SVE 방법의 보다 구체적인 설계와 정량적인 정화 효율 정보를 얻기 위해서는 2-차원 실험이나 pilot 규모의 연구, 그리고 토양 변수 특성에 따른 정화 효율의 예측을 위한 수치 모델링 작업들이 필요하다고 사료된다.
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