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문제 정의
- 정전용량은 평행판 전극을 사용하여 측정하는 것이 일반적인 방법으로 알려져 있다. 따라서 본 연구에서는 유 전상수를 측정하기 위하여 평행판축전기의 원리를 이용한 아크릴몰드를 제작하였다 . 아크릴몰드의 개략도를 Fig.
- 토양의 유전상수는 수분함량에 따라 변하며, 체적함수비와 높은 상관성을 갖는 것으로 알려져 있다. 따라서 본 연구에서는 토양 시료에 포함된 수분함량을 체적 함수비로 도출하여 제시하였다.
- 또한 기존의 연구는 유 전상수 실수부에 대한 분석에 그치고 있으나 유전특성을 명확히 파악하기 위해서는 유전상수를 실수부, 허수부로 구분하여 체계적으로 분석할 필요가 있는 것으로 판단된다. 따라서, 본 연구에서는 유전상수 측정기법에 의한 지반 오염도 평가에 대한 적용성을 평가하기 위하여 국내에서 토양 및 지하수를 오염시키는 대표적인 오염원 중의 하나인 매립지 침출수로 오염된 간극수를 포함한 사질토 지반의 유전특성을 분석하여 유전상수 측정을 통하여 매립지의 침출수로 오염된 지반의 오염도 조사에의 적용 가능성을 평가하고자 하였다. 또한, 유전상수 측정기법을 오염도 조사에 적용함에 있어서의 정확성을 증진시키기 위한 방안으로 복소F 유전상수(complex dielectric constant)의 개념을 도입하여 유전상수를 실수부와 허수부로 구분하여 분석하였다.
- 유전상수 측정기법의 지반 오염도 조사에의 적용성을 평가하기 위하여 본 연구에서는 매립지 침출수로 오염된 간극수를 포함한 사질토 지반의 유전특성을 평가함으로써 유전상수 측정을 통하여 매립지의 침출수로 오염된 토양의 오염도 조사의 가능성을 평가하고자 하였다. 본 연구를 통해 도출된 결론을 정리하면 다음과 같다.
제안 방법
- 3에 제시하였다. LCR metei에 의해 정전용량을 측정할 때 에는 전극의 면적이 넓고 전극사이의 간격이 좁아야 측정 이 가능하기 때문에 원형 전극의 지름은 7 cm이고, 평행하 게 배치된 두 전극은 2 cm의 간격을 두도록 제작하였다. 유전상수 측정을 위한 전극은 황동으로 제작되었으며, LCR meter의 clip lead와의 연결을 용이하게 하기 위하여 connector를 황동으로 제작하여 전극에 부착하였다.
- 동일한 지반조건에서 침출수로 오염된 간극수를 포함한 사질토 지반의 유전거동을 분석하기 위하여 실험결과 중에서 주문진표준사의 경우 체적함수비가 0.39, 화강풍화토의 경우 체적함수비가 0.32로 성형된 시료에 대하여 침출수 오염농도에 따른 유전거동의 변화를 비교, 분석하였다. 침출수 희석용액으로 성형된 주문진 표준사와 화강풍화토의 주파수에 따른 유전거동을 Fig.
- 따라서, 본 연구에서는 유전상수 측정기법에 의한 지반 오염도 평가에 대한 적용성을 평가하기 위하여 국내에서 토양 및 지하수를 오염시키는 대표적인 오염원 중의 하나인 매립지 침출수로 오염된 간극수를 포함한 사질토 지반의 유전특성을 분석하여 유전상수 측정을 통하여 매립지의 침출수로 오염된 지반의 오염도 조사에의 적용 가능성을 평가하고자 하였다. 또한, 유전상수 측정기법을 오염도 조사에 적용함에 있어서의 정확성을 증진시키기 위한 방안으로 복소F 유전상수(complex dielectric constant)의 개념을 도입하여 유전상수를 실수부와 허수부로 구분하여 분석하였다.
- 주파수를 변화시켜가며 측정하더라도 모든 경우에 대해 LCR meter에서 전압은 항상 IV로 고정시켰 다. 본 실험에서는 몰드에 부착된 전극의 단면적과 전극 사이의 간격에 대해서 흙시료의 정전용량(C)을 측정하여 토양 시료의 유전상수를 계산하였다. 제작한 몰드는 평행 판 축전기와 동일한 원리이므로 토양의 유전상수 실수부 와 허수부는 각각 식 (5), (6)과 같은 관계에 의하여 도출하였다.
- 대부분의 성분에 대해서 표 3에서 제시된 바와 같이 김포매립지에서 채취한 침출수의 성분과 농도는 일반적인 위생매립지에서 발생하는 침출수의 성분과 농도 범위내에 존재하는 것을 확인할 수 있으며, 이는 김포매립지에서 채취한 침출수를 일반적인 위생매립지의 침출수로 고려할 수 있음을 나타낸다. 본 연구에서는 매립지 침출수로 오염된 간 극수를 모사하기 위하여 침출원수를 부피비 1, 2, 3, 10%로 탈이온수에 희석하여 사용하였다.
- 시료성형시 노건조한 흙에 물이 골고루 섞이도록 충분히 혼합한 뒤 아크릴몰드에 넣고 다짐봉을 사용하여 직접 다짐을 수행한 후 HP 4285A Precision LCR Meter의 두 개의 clip lead를 양쪽 전극에 각각 연결하여 각 시료 에 대해 75kHz~ 12MHz 주파수 범위에서 정전용량(C)을 측정하였다. 주파수를 변화시켜가며 측정하더라도 모든 경우에 대해 LCR meter에서 전압은 항상 IV로 고정시켰 다.
- 854X 1(尸2 F/m), A는 전극의 단면적, d는 전극 사이의 거리이다. 시료표면의 수분증발을 최소화하고 저주파 전기장의 장 시간 공급시 이온전도 등에 의한 시료내부의 온도상승을 막기 위하여 시료 성형 후 신속하게 유전상수를 측정하였다. 실험실 온도는 항상 20± FC로 일정하게 유지하였으 므로 온도변화에 따른 영향은 무시하였다.
- 유전상수 측정에 의하여 침출수 오염도 조사의 가능성을 평가하기 위하여 침출수로 오염된 시료에 대해 0.1, 1, 10MHz에서 측정된 유전상수의 실수부와 허수부를 탈이 온수로 성형된 시료의 유전상수의 실수부와 허수부로 나누어 정규화한 유전상수를 도출하여 Fig. 10과 11에 도시하였다.
- 075mm 이하인 실트, 점 토 성분이 5% 정도 함유하고 있는 것을 알 수 있다. 주문 진표준사에 비해 비교적 다양한 성분들로 구성된 SNU 화강풍화토의 경우 XRF(X-Ray Fluorescence Spectrometer) 분석을 통해 그 성분을 분석하였다(Table 2). 그러나 주문 진표준사의 경우 주 구성성분이 SKA임이 잘 알려져 있기 때문에 별도의 XRF 분석을 수행하지는 않았다.
- 실험실 온도는 항상 20± FC로 일정하게 유지하였으 므로 온도변화에 따른 영향은 무시하였다. 측정몰드와 LCR metei에서의 측정오차를 배제하기 위하여 공기와 탈 이온수(deionized water)의 유전상수를 즉정하여 즉정값을 보정하였다.
대상 데이터
- 기존의 연구에 의하면 실트, 점토와 같은 미세한 입자는 매질의 전기적 특성에 영향을 주므로 실트, 점토 입자를 함유하고 있는 토양에 대한 적용성의 검토가 필요한 것으로 판단된다. 따라서, 실제 현장에 존재하는 토양에 대한 적용성을 평가하기 위하여 국내 대표적인 토양인 화강풍화토를 서울대 구내 공사장에서 채취하여 토양 시료(SNU 화강풍화토)로 사용하였다. 두 토양의 물리적 특성은 Table 1에 요약하였으며, 입도 분포 곡선은 Fig.
- 본 연구에서는 토양 시료로 주문진 표준사와 화강풍화토 를 사용하였다. 기존의 연구에 의하면 실트, 점토와 같은 미세한 입자는 매질의 전기적 특성에 영향을 주므로 실트, 점토 입자를 함유하고 있는 토양에 대한 적용성의 검토가 필요한 것으로 판단된다.
- 실험에 사용된 매립지 침출수는 김포 생활폐기물 매립 지에서 채취하였다. 실제 차수재의 손상에 의해 침출수의 누출이 발생할 경우 침출원수가 지반에 직접 유입되게 되 므로 본 연구에 사용된 침출수는 침출수 처리시설로 유입되기 전의 집수정에서 침출수를 채취하였다. 김포 생활폐 기물 매립지에서 채취한 침출수의 성분과 농도는 표 3과 같다.
- 실험에 사용된 매립지 침출수는 김포 생활폐기물 매립 지에서 채취하였다. 실제 차수재의 손상에 의해 침출수의 누출이 발생할 경우 침출원수가 지반에 직접 유입되게 되 므로 본 연구에 사용된 침출수는 침출수 처리시설로 유입되기 전의 집수정에서 침출수를 채취하였다.
- 2와 같다. 실험에 사용된 주문진표준사는 통일분류법상 입도 분포가 불량한 모래 (SP)로 분류되었으며, SNU 화강풍 화토는 입도분포가 양호한 모래 (SW)로 분류되었다. SNU
성능/효과
- 10(a), Fig. 11(a)), 화강풍화토의 경우에는 체적함수비가 0.32일 때 더 뚜렷한 변화경향을 나타내었다(Fig. 10(b), Fig.
- 1) 토양의 유전상수 실수부는 전기장의 주파수가 증가함에 따라 감소하는 거동을 나타내었다. 저주파 영역에서는 공간전하분극이 발현되기 때문에 높은 유전상수 값을 나타내며, 주파수가 높아짐에 따라 공간전하 분극이 발현 되지 않게 되므로 유전상수는 감소하는 경향을 나타낸 것으로 판단된다.
- 2) 주문진표준사보다 화강풍화토의 경우에 더 큰 유전 상수 실수부 및 허수부의 값을 나타내었는데 이는 화강풍 화토에 더 많은 실트 및 점토 성분이 포함되어 있기 때문에 공간전하분극의 발현이 더 크고, 입자의 표면전도에 의한 전류손실 또한 더 많이 발생했기 때문인 것으로 사료된다.
- 3) 침출수로 오염된 간극수를 포함한 토양은 간극수의 침출수 오염도에 따라 유전상수가 변화되는 양상을 나타내었다. 유전상F 실수부는 250kHz를 기준으로 저주파 영 역에서는 공간전하분극의 발현에 의하여 침출수 농도가 증가함에 따라 유전상수의 실수부 값이 증가하는 경향을 나타내었으나, 고주파 영역에서는 침출수 내에 존재하는 이온성분들이 물분자의 쌍극자 모멘트를 감소시켜 물분자에 의한 배향분극 발현을 방해하기 때문에 유전상수 실수부가 감소하는 경향을 나타나었다.
- 4) 유전상수 측정에 의한 침출수 오염도 평가에 있어서 유전상수 허수부의 경우에는 측정주파수에 관계없이 일정한 경향을 나타내지만 유전상수 실수부의 경우에는 측정 주파수에 따라 상이한 경향을 나타내므로 측정주파수에 대한 고려가 필요하다. 또한 간극수가 침출수와 같은 전 도성 오염물질로 오염된 경우 유전상수 실수부에 비해 유전상수 허수부가 오염도에 따른 유전상수의 변화가 더 뚜렷하게 나타났다.
- Fig. 10과 같이 유전상수 실수부의 경우 주문진표준사 와 화강풍화도 모두 0.1 MHz의 저주파에서는 침출수 농도가 높아짐에 따라 유전상수가 증가하는 경향을 나타내었으며, 주파수가 10MHz의 고주파의 경우에는 침출수 농도 증가에 따라 유전상수가 감소하는 경향을 뚜렷하게 나타내었다. 그러나 주파수가 1MHz인 경우에는 침출수 농도 변화에 따른 유전상수의 변화가 그리 크지 않게 나타났다.
- 이 성분들은 모두 전기장하에서 전하운반체의 역할을 하는 성분으로 높은 전기전도성을 나타나게 한다. 대부분의 성분에 대해서 표 3에서 제시된 바와 같이 김포매립지에서 채취한 침출수의 성분과 농도는 일반적인 위생매립지에서 발생하는 침출수의 성분과 농도 범위내에 존재하는 것을 확인할 수 있으며, 이는 김포매립지에서 채취한 침출수를 일반적인 위생매립지의 침출수로 고려할 수 있음을 나타낸다. 본 연구에서는 매립지 침출수로 오염된 간 극수를 모사하기 위하여 침출원수를 부피비 1, 2, 3, 10%로 탈이온수에 희석하여 사용하였다.
- 4) 유전상수 측정에 의한 침출수 오염도 평가에 있어서 유전상수 허수부의 경우에는 측정주파수에 관계없이 일정한 경향을 나타내지만 유전상수 실수부의 경우에는 측정 주파수에 따라 상이한 경향을 나타내므로 측정주파수에 대한 고려가 필요하다. 또한 간극수가 침출수와 같은 전 도성 오염물질로 오염된 경우 유전상수 실수부에 비해 유전상수 허수부가 오염도에 따른 유전상수의 변화가 더 뚜렷하게 나타났다. 따라서, 정확한 오염도 평가를 위해서는 유전상수 실수부 뿐만 아니라 허수부에 대한 추가적인 분 석이 필요한 것으로 판단된다.
- 침출수 농도 에 따른 유전상수 허수부의 증가는 전류전도에 의한 손실 에너지의 증가로 설명될 수 있다. 실제로 표 4에 제시된 바와 같이 침출수 희석 용액의 전기전도도는 침출수 농도에 비례해서 증가하는 것을 확인할 수 있다. 높은 전기전도도를 갖는 매질의 경우 전기장이 가해졌을 때 더 많은 전하의 이동이 발생하여 전류전도가 많이 발생하게 된다.
- 3) 침출수로 오염된 간극수를 포함한 토양은 간극수의 침출수 오염도에 따라 유전상수가 변화되는 양상을 나타내었다. 유전상F 실수부는 250kHz를 기준으로 저주파 영 역에서는 공간전하분극의 발현에 의하여 침출수 농도가 증가함에 따라 유전상수의 실수부 값이 증가하는 경향을 나타내었으나, 고주파 영역에서는 침출수 내에 존재하는 이온성분들이 물분자의 쌍극자 모멘트를 감소시켜 물분자에 의한 배향분극 발현을 방해하기 때문에 유전상수 실수부가 감소하는 경향을 나타나었다. 유전상수 허수부의 경우에는 측정 주파수에 관계없이 침출수의 농도가 증가함에 따라 전기전도도가 증가하기 때문에 전류전도에 의한 에너지 손실량이 증대되어 유전상수 허수부가 뚜렷하게 증가하는 경향을 나타내었다.
- 10과 11에서 토양의 체적함수비에 따른 유전상수의 변화경향을 분석하면, 주문진 표준사와 화강풍화토 모두 체적함수비가 높은 경우에 침출수 농도에 따른 변화경향이 더욱 뚜렷하게 나타나는 것을 확인할 수 있다. 즉, 주문진표준사의 경우에는 체적함수비가 0.39 일때 체적함 수비가 0.03인 토양보다 농도변화에 따른 유전상수 변화가 더 크게 나타났으며 (Fig. 10(a), Fig.
- 침출수의 경우 물에 대한 부피비 1% 이상의 농도에서 각각 탈이온수의 유전거동과 뚜렷한 차이를 보였다. 측정주 파수에 따라서 약 250kHz 이하의 주파수에서는 침출수의 농도가 높아짐에 따라 유전상수 실수부가 증가하는 경향을 나타내었으며, 250kHz 이상의 주파수에서는 침출수의 농도가 높아짐에 따라 유전상수가 감소하는 경향을 나타내었다. 250kHz 이하의 저주파 영역에서는 침출수에 존재하는 많은 이온 성분들이 전하운반체로 작용하여 공 간전하분극이 발현되므로 침출수 농도에 따라 유전상수가 증가하게 된다.
- 침출수 오염도에 따른 유전상수의 실수부와 허수부의 변화를 비교하면 침출수 농도에 따른 유전상수 허수부의 변화가 더욱 명확하게 나타나는 것을 확인할 수 있다. 이는 침출수가 전기전도성이 큰 오염물질이기 때문에 나타나는 현상이다.
- 4(a)에서 화강풍화토의 유전상수 실수부가 주문 진표준사의 유전상수 실수부에 비해 더 큰 값을 갖는 결과를 보인다. 특히, 공간전하 분극이 발현되는 수백 kHz 이하의 저주파 영역에서 더 큰 유전상수 실수부 값의 차이를 나타내었다. 상대적으로 입도분포가 좋은 화강풍화 토의 경우 주문진표준사에 비해 실트 및 점토질을 포함하는 세립자의 성분이 많고, 더 큰 비표면적을 가지게 된다.
- 김포 생활폐 기물 매립지에서 채취한 침출수의 성분과 농도는 표 3과 같다. 표 3에서 침출수에는 중금속 성분의 농도는 낮았으나, total dissolved solids, Cl-와 NH44이 다른 성분에 비해 상대적으로 높은 농도를 나타냄을 확인할 수 있다. 이 성분들은 모두 전기장하에서 전하운반체의 역할을 하는 성분으로 높은 전기전도성을 나타나게 한다.
후속연구
- 본 연구의 결과는 유전상수 측정에 의하여 토양 내 간극수의 침출수 오염도를 추정하는데 활용될 수 있음을 암시한다. 다만, 유전상수는 지반 내 수분함량게 영향을 받으므로 토양의 체적함수비에 대한 평가가 선행되어야 정확한 오염도 평가를 수행할 수 있을 것으로 사료된다. 또한 유전상수 측정을 통한 침출수 오염도 평가에 있어서 측정주파수에 따른 영향을 고려해야 하며, 정확한 오염도 평가를 위해서는 유전상수의 실수부 뿐만 아니라 허수부를 모두 측정하여 분석하는 것이 바람직할 것으로 판단된다.
- 또한 간극수가 침출수와 같은 전 도성 오염물질로 오염된 경우 유전상수 실수부에 비해 유전상수 허수부가 오염도에 따른 유전상수의 변화가 더 뚜렷하게 나타났다. 따라서, 정확한 오염도 평가를 위해서는 유전상수 실수부 뿐만 아니라 허수부에 대한 추가적인 분 석이 필요한 것으로 판단된다.
- 다만, 유전상수는 지반 내 수분함량게 영향을 받으므로 토양의 체적함수비에 대한 평가가 선행되어야 정확한 오염도 평가를 수행할 수 있을 것으로 사료된다. 또한 유전상수 측정을 통한 침출수 오염도 평가에 있어서 측정주파수에 따른 영향을 고려해야 하며, 정확한 오염도 평가를 위해서는 유전상수의 실수부 뿐만 아니라 허수부를 모두 측정하여 분석하는 것이 바람직할 것으로 판단된다.
- 본 연구의 결과는 유전상수 측정에 의하여 토양 내 간극수의 침출수 오염도를 추정하는데 활용될 수 있음을 암시한다. 다만, 유전상수는 지반 내 수분함량게 영향을 받으므로 토양의 체적함수비에 대한 평가가 선행되어야 정확한 오염도 평가를 수행할 수 있을 것으로 사료된다.
- 즉, 유전상수 허수부는 시료 내에 발생하는 전류전도에 의한 유전손실을 반영하는 값이기 때문에 침출수의 농도가 높을수록 전류전도성이 증대되어 유전상 수 허수부가 명확한 증가경향을 나타내는 것이다. 이는 간극수가 침출수와 같은 전도성 오염물질로 오염된 경우 유전상수 허수부에 대한 분석이 오염도 평가에 더 유용한 자료가 될 수 있음을 제시하는 결과이다.
- 실트 및 점토 성분은 토양 입자 자체가 전기 전도성을 띠고 있기 때문에 실트 및 점토 성분이 많을수록 전류전도에 의한 에너지 손실이 많이 발생하게 된다. 흙의 종류에 따른 일반적인 유전거동 특성을 분석하기 위해서는 다양찬 종류의 흙에 대한 실험이 추가되어야 할 것이다.
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