[논문]불포화 토양에서 유동하는 가스상 Volatile Organic Compounds의 출현곡선에 대한 고차 Temporal Moment의 분석

김헌기

불포화 토양에서 유동하는 가스상 Volatile Organic Compounds의 출현곡선에 대한 고차 Temporal Moment의 분석
Analysis of Higher Temporal Moments for Breakthrough Curves of Volatile Organic Compounds in Unsaturated Soil 원문보기

지하수토양환경 = Journal of soil and groundwater environment, v.12 no.6, 2007년, pp.60 - 69

초록
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토양에서 휘발성 유기화합물(VOC, volatile organic compound)의 유동특성을 이해하는 것은 오염물질의 확산을 예측하고 오염의 정도를 평가하며 대책을 수립하는 데 있어서 매우 중요하다. 토양과 같은 다공성매질에서 유동하는 물질의 출현곡선에 대한 모멘트의 분석을 통하여 화학물질의 유동속도, 플룸의 폭 및 비대칭정도를 평가할 수 있다. 본 연구에서는 실험실 규모의 토양 컬럼실험을 사용하여 VOC의 가스상 유동실험을 실시하였으며, 모두 네 가지의 VOC에 대하여 포화도(water saturation)범위 0.04-0.46에서 출현곡선을 측정하였다. 또한 포화도 0.21에서 열한가지의 VOC에 대하여 출현곡선을 측정하였다. 측정된 출현곡선의 중심 2차(central second)및 중심 3차(central third)모멘트는 포화도와 1차 모멘트(또는 지체상수)와 비교 분석되었다. VOC 출현곡선의 모멘트분석 결과 2차 및 3차 모멘트는 1차 모멘트의 2.23제곱 및 3.16제곱 함수로서 증가하였으며, 3차 모멘트가 2차 모멘트에 대하여 보다 민감하게 반응하였다. 이는 VOC가 토양가스상에서 이동할 때, 지체상수에 비례하여 가스 플룸의 폭과 비대칭성이 증가한다는 사실을 나타낸다.

Abstract ▼ AI-Helper

Understanding the behavior of gas phase VOCs (volatile organic compounds) in unsaturated soils is of a great environmental importance for public health concerns. Moment analysis for the breakthrough curves (BTCs) during transport of chemicals in porous media was known to be a useful tool to evaluate the velocity, spreadness, and the skewness of the plume of the chemicals. In this study, the temporal moments of the BTCs of a group of VOCs were analyzed for the gaseous transport in an unsaturated soil. BTCs were measured using lab-scale column experiments for four different VOCs at the water saturation range of 0.04-0.46, and for eleven VOCs at a water saturation of 0.21. The central second and third moments of the VOCs were compared with the water saturation and the first moment. It was found that both central second and third moments increased with the first moment. The central third moment was, however, found to be more sensitive to the first moment.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

오염물질이 토양진입은 오염물질이 연속적으로 도입되는 경우(continuous input 또는 step input)와 일시적으로 도입되는 경우(pulse input)로 구분할 수 있는데 본 연구에서 실시된 실험에서는 매우 짧은 시간에 토양에 오염물질이 도입되었으므로 dirac pulse input의 경우만 다루도록 하겠다. 또한 일정 지점에서의 오염물질의 시간에 대한 농도의 변화만을 다루도록 하겠다. 오염물질농도의 시간에 대한 변화, 즉 출현 곡선은 여러 가지 정보를 담고 있는데, 일차적으로 출현 곡선의 측정을 통하여 특정지점을 통과하는 오염물질의 질량을 알아낼 수 있다.
본 연구는 1차원 컬럼에 충진된불포화토양의 증기상에서 유동하는 휘발성 유기 오염물질의 출현 곡선을 실험적으로 측정한 후, 이들 출현곡선에 대하여 0차(zero-th), 1차(normalized first), 2차 및 3차(normalized central second and third) 시간 모멘트를 계산하여 각 오염물질의 지체상수retardation factor)와 줄현곡선의 종축 분산의 정도 및 출현곡선 무게중심을 기준으로 출현 곡선의 비대칭성을 정량적으로 계산하였다. 본 연구는 각 오염물질의 이동속도(즉 지체상수冲 대한 출현곡선의 분산 및 비대칭성의 함수관계를 검증하는데 그 목적이 있다.
본 연구에서는 불포화 토양의 가스상에서 일정한 속도로 유동하는 휘발성 유기화합물의 농도분포를 출현 곡선에 대한 모멘트 해석을 통하여 분석하였다. 일정한 크기의 토양컬럼을 이용한 실험실 규모의 가스 이동 실험을 실시하였으며 측정된 각 화합물의 출현곡선에 대한 1차, 2차, 3 차 모멘트를 계산하여 1차 모멘트(또는 지체상수 #)와 고차 모멘트간의 함수관계를 실험적으로 규명하였다.
GC의 이동상으로서는 질소를 사용하였으며, 가스세척병을 설치하여 유기물질 도입부로 진입하는 이동상 가스가 수증기로 포화되도록 하였다. 이는 건조한 질소가스가 토양컬럼을 지속적으로 통과할 경우 토양 함수율이 실험도중 변화하는 것을 막기 위한 목적이며, 실험 전후에 전체 컬럼의 무게를 측정한 결과 무게변화가 전혀 없는 것으로 확인되었다. 토양컬럼내부의 이동상 가스(질소)의 유속은 17(±2)cm/min으로일정하게 유지되었다.

제안 방법

2). GC의 이동상으로서는 질소를 사용하였으며, 가스세척병을 설치하여 유기물질 도입부로 진입하는 이동상 가스가 수증기로 포화되도록 하였다. 이는 건조한 질소가스가 토양컬럼을 지속적으로 통과할 경우 토양 함수율이 실험도중 변화하는 것을 막기 위한 목적이며, 실험 전후에 전체 컬럼의 무게를 측정한 결과 무게변화가 전혀 없는 것으로 확인되었다.
, 2005), 실험적으로 측정된 토양 가스상 오염물질에 대한 출현 곡선의 고차 모멘트에 대한 본격적인 해석은 이직 제대로 이루어지고 있지 않다. 본 연구는 1차원 컬럼에 충진된불포화토양의 증기상에서 유동하는 휘발성 유기 오염물질의 출현 곡선을 실험적으로 측정한 후, 이들 출현곡선에 대하여 0차(zero-th), 1차(normalized first), 2차 및 3차(normalized central second and third) 시간 모멘트를 계산하여 각 오염물질의 지체상수retardation factor)와 줄현곡선의 종축 분산의 정도 및 출현곡선 무게중심을 기준으로 출현 곡선의 비대칭성을 정량적으로 계산하였다. 본 연구는 각 오염물질의 이동속도(즉 지체상수冲 대한 출현곡선의 분산 및 비대칭성의 함수관계를 검증하는데 그 목적이 있다.
출현곡선으로 묘사할 수 있다. 오염물질이 토양진입은 오염물질이 연속적으로 도입되는 경우(continuous input 또는 step input)와 일시적으로 도입되는 경우(pulse input)로 구분할 수 있는데 본 연구에서 실시된 실험에서는 매우 짧은 시간에 토양에 오염물질이 도입되었으므로 dirac pulse input의 경우만 다루도록 하겠다. 또한 일정 지점에서의 오염물질의 시간에 대한 농도의 변화만을 다루도록 하겠다.
모멘트 해석을 통하여 분석하였다. 일정한 크기의 토양컬럼을 이용한 실험실 규모의 가스 이동 실험을 실시하였으며 측정된 각 화합물의 출현곡선에 대한 1차, 2차, 3 차 모멘트를 계산하여 1차 모멘트(또는 지체상수 #)와 고차 모멘트간의 함수관계를 실험적으로 규명하였다. 실험 결과 일정한 포화도에서 휘발성 화합물질의 종류에 상관없이 2차 모멘트는 1차 모멘트의 2.
일정 포화도에서 유기물질을 사용한 일련의 실험이 종료된 후, 다음의 조금 더 높은 포화도에서의 실험을 위하여 일정량의 증류수을 다시 컬럼에 도입한 다음 가열과방냉과정을 되풀이 흐]였다. 토양 컬럼의 포화도는 일정량의 증류수가 도입되어 가열 및 방냉과정을 거친 후 stainless steel plug로 설치되어있는 채로 그 질량을 측정하여 초기 의 건조 컬럼질량과 비교함으로써 측정되었다.
토양실험은 포화도# 0.038에서 시작하여 0.46에 이를 때까지 모두 15회의 7]스상 유동실험을 다섯 가지 VOC[methane, w-decane, CH₂CI2, PCE(perchloroethene), chlorobenzene]에 대하여 실시하였다. 특히 함수율이 0.

대상 데이터

6H 나타내었다. 본 연구에 사용된 유기화합물의 출현곡선에 대한 3차 모멘트는 1차 모멘트에 대하여 3.16 제곱함수로 나타났다. 이는 기존의 수분함량(또는 포화도)에 대비한 모멘트 해석(Kim et al.
본 연구에 사용된 토양은 미국 Delaware주의 Dover 공군기지에서 채취한 토양으로서 대부분 실트로 구성되어있으며 미량의 모래 및 점토가 포함되어 있는 것으로 나타났다. 채취된 토양은 증류수로 여러 번 세척되어 1051 에서 24시간 건조된 후 muffle fbmace에서 24시간 동안 500。0로 가열하여 유기물을 제거한 뒤, 방냉하여 건조된 상태로 컬럼에 충진되었다.
유기물을 제거한 이유는 가스상 유기화합물이 토양에 포함된 유기물에 흡착되는 현상을 방지하기 위함이며, 이는 해석이 어려운 비평형 흡착(non-equilibrium sorption)현상이 줄현곡선에 도입되는 것을 배제함으로써 포화도가 출현곡선 왜곡의 유일한 변수로서 작용토록 한다. 사용된 컬럼은 길이 30 cm, 내경 1 cm로서 stainless steel 재질이며 충진된 토양의 공극율은 0.34, 용적밀도(/%)는 1.75 g/cn?로 측정되었다. 압축메탄가스(>99%)와 액상 시약류는 모두 시약급으로서 Aldrich Chemical Co에서 구입하였으며 공급된 그대로 실험에 사용되었다.
75 g/cn?로 측정되었다. 압축메탄가스(>99%)와 액상 시약류는 모두 시약급으로서 Aldrich Chemical Co에서 구입하였으며 공급된 그대로 실험에 사용되었다. 본 실험에 사용된 유기화합물의 물리 화학적 성질 중 본 연구와 관련이 있는 부분을 Table 1 에 나타내었다.

성능/효과

흡착이 많이 일어나는 탄화수소(예: "-decane)의 출현 곡선이 흡착이 덜 일어나는 탄화수소(예: ”-hexane)보다 넓은 것을 관찰할 수 있었다. 이는 포화탄화수소의 분자량이 커지면서 토양수-토양가스의 계면에 흡착하는 정도(즉가 커지면서 R, 값^ 커져서 나타나는 현상이다.
8에 각각 나타내었다. 동일한 토양에 대한 실험결과이지만 모든 화합물의 R, 값(또는 #, )은 포화도의 변화에 매우 민감하게 반응하는 것으로 나타났다. 본 실험에서는 유기물이 제거된 토양을 사용하였으므로 토양에 대한 흡착은 무시되었으며(즉 0) 따라서 토양가스상으로부터 토양수 표면에 대한 흡착과 토양수에 대한 용해(분배)현상이 가스상 유동과정에서의 지체 현상을 유발하는 원인으로 판단된다[식(4)].
일정한 크기의 토양컬럼을 이용한 실험실 규모의 가스 이동 실험을 실시하였으며 측정된 각 화합물의 출현곡선에 대한 1차, 2차, 3 차 모멘트를 계산하여 1차 모멘트(또는 지체상수 #)와 고차 모멘트간의 함수관계를 실험적으로 규명하였다. 실험 결과 일정한 포화도에서 휘발성 화합물질의 종류에 상관없이 2차 모멘트는 1차 모멘트의 2.23 제곱함수로서, 또 3차 모멘트는 1차 모멘트의 3.16 제곱함수로서 가장 잘 표현되었다. 이 결과는 이론적으로 도출된 함수관계인 제곱 및 세제곱 함수와 거의 일치하는 것으로 평가된다.
16 제곱함수로서 가장 잘 표현되었다. 이 결과는 이론적으로 도출된 함수관계인 제곱 및 세제곱 함수와 거의 일치하는 것으로 평가된다. 또한 포화도의 변화에 따른 3차 모멘트의 변화는 동일 화합물에 대하여 2차 모멘트보다 훨씬 민감하게 변화하였으며, 이는 3차 모멘트가 지체상수의 세제곱 함수이기 때문으로 풀이된다.

후속연구

또한 포화도의 변화에 따른 3차 모멘트의 변화는 동일 화합물에 대하여 2차 모멘트보다 훨씬 민감하게 변화하였으며, 이는 3차 모멘트가 지체상수의 세제곱 함수이기 때문으로 풀이된다. 본 연구 결과는 토양내에서 휘발성 유기오염물질의 가스상 이동을 해석하고 가스상 오염물질 플룸의 크기 및 모양을 평가하는데 유용한 정보를 제공할 것으로 기대된다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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