대수층 폭기공정에서 토양입경 및 지하수 깊이에 따른 표면장력과 함수율의 상관관계 Surface Tension-Water Saturation Relationship as the Function of Soil Particle Size and Aquifer Depth During Groundwater Air Sparging원문보기
대수층으로부터 휘발성 유기오염물질을 제거하기 위하여 air sparging을 실시하는 과정에서, 지하수의 표면장력을 인위적으로 감소시킴으로써 지하 대수층의 물 포화율을 낮추어 오염물질제거효율을 높일 수 있는 것으로 알려져 있다. 그러나 대수층의 구성 토양의 입경의 차이나 대수층의 두께의 차이가 이와 같은, 개량된 air sparging의 물 포화율 변화에 미치는 영향은 연구된 바 없다. 본 연구는 실험실 규모의 물리적인 model을 사용하여 air sparging공정 실시과정에서 서로 다른 토양입경과 깊이를 갖는 대수층 조건에서 표면장력과 물 포화율의 상관관계를 규명하였다. 표면 장력을 감소하기 위한 계면활성제로 sodium dodecylbenzene sulfonate를 사용하였고, 토양은 입경이 서로 다른 두 가지 모래를 사용하여 비교 실험을 수행하였다. 모래의 air-entry pressure는 각각 $15.0\;cmH_2O$, $36.3\;cmH_2O$로 측정되었다. 입경에 상관없이 표면장력과 물 포화율의 관계는 서로 비슷한 형태를 보였고, 표면장력이 감소함에 따라 물 포화율이 감소하다 일정 표면장력 이후에 물 포화율이 증가하는 형태로 나타났다. 본 연구에서는 표면장력이 42 dyne/cm일 때 두 가지 모래의 물 포화율이 48%로 최소치에 도달하였다. 대수층의 깊이는 41 cm, 81 cm, 160 cm의 세 가지 조건에서 실험하였으며, 본 실험조건에 해당하는 깊이 영역에서는 표면장력과 물 포화율의 상관관계가 대수층 깊이에 따른 특이한 상이점을 나타내지 않았다. 또한 2차원 모델을 이용한 실험에서 표면장력의 변화에 따른 폭기영역의 변화는 1차원 컬럼을 이용하여 측정된 물 포화율의 변화와 유사하였다. 본 연구결과는 SEAS(surfactant-enhanced air sparging)기술의 실제 적용에 있어서 다양한 현장조건에 따른 공정조건의 선정에 도움이 될 수 있을 것으로 전망된다.
대수층으로부터 휘발성 유기오염물질을 제거하기 위하여 air sparging을 실시하는 과정에서, 지하수의 표면장력을 인위적으로 감소시킴으로써 지하 대수층의 물 포화율을 낮추어 오염물질제거효율을 높일 수 있는 것으로 알려져 있다. 그러나 대수층의 구성 토양의 입경의 차이나 대수층의 두께의 차이가 이와 같은, 개량된 air sparging의 물 포화율 변화에 미치는 영향은 연구된 바 없다. 본 연구는 실험실 규모의 물리적인 model을 사용하여 air sparging공정 실시과정에서 서로 다른 토양입경과 깊이를 갖는 대수층 조건에서 표면장력과 물 포화율의 상관관계를 규명하였다. 표면 장력을 감소하기 위한 계면활성제로 sodium dodecylbenzene sulfonate를 사용하였고, 토양은 입경이 서로 다른 두 가지 모래를 사용하여 비교 실험을 수행하였다. 모래의 air-entry pressure는 각각 $15.0\;cmH_2O$, $36.3\;cmH_2O$로 측정되었다. 입경에 상관없이 표면장력과 물 포화율의 관계는 서로 비슷한 형태를 보였고, 표면장력이 감소함에 따라 물 포화율이 감소하다 일정 표면장력 이후에 물 포화율이 증가하는 형태로 나타났다. 본 연구에서는 표면장력이 42 dyne/cm일 때 두 가지 모래의 물 포화율이 48%로 최소치에 도달하였다. 대수층의 깊이는 41 cm, 81 cm, 160 cm의 세 가지 조건에서 실험하였으며, 본 실험조건에 해당하는 깊이 영역에서는 표면장력과 물 포화율의 상관관계가 대수층 깊이에 따른 특이한 상이점을 나타내지 않았다. 또한 2차원 모델을 이용한 실험에서 표면장력의 변화에 따른 폭기영역의 변화는 1차원 컬럼을 이용하여 측정된 물 포화율의 변화와 유사하였다. 본 연구결과는 SEAS(surfactant-enhanced air sparging)기술의 실제 적용에 있어서 다양한 현장조건에 따른 공정조건의 선정에 도움이 될 수 있을 것으로 전망된다.
Reduction of groundwater surface tension prior to air sparging (SEAS, surfactant-enhanced air sparging) was known to increase air saturation in the aquifer under influence, possibly enhancing the removal rates of volatile contaminants. Although SEAS was known to be efficient for increasing air satur...
Reduction of groundwater surface tension prior to air sparging (SEAS, surfactant-enhanced air sparging) was known to increase air saturation in the aquifer under influence, possibly enhancing the removal rates of volatile contaminants. Although SEAS was known to be efficient for increasing air saturation, little information is available for different hydrogeological settings including soil particle sizes and the depth of aquifer. We investigated water saturations in the sparging influence zone during SEAS using one-dimensional column packed with sands of different particle sizes and different aquifer depths. An anionic surfactant was used to suppress the surface tension of water. Two different sands were used; the air entry pressures of the sands were measured to be $15.0\;cmH_2O$, and $36.3\;cmH_2O$, respectively. No significant difference was observed in the water saturation-surface tension relationship for sands with different particle sizes. As the surface tension decreased, the water saturation decreased to a lowest point and then it increased with further decrease in the surface tension. Both sands reached their lowest water saturations when the surface tension was set approximately at 42 dyne/cm. SEAS was conducted at three different aquifer depths; 41 cm, 81 cm, and 160 cm. Water saturation-surface tension relationship was consistent regardless of the aquifer depth. The size of sparging influence zone during SEAS, measured using two-dimensional model, was found to be similar to the changes in air saturation, measured using one-dimensional model. Considering diverse hydrogeological settings where SEAS to be applied, the results here may provide useful information for designing SEAS process.
Reduction of groundwater surface tension prior to air sparging (SEAS, surfactant-enhanced air sparging) was known to increase air saturation in the aquifer under influence, possibly enhancing the removal rates of volatile contaminants. Although SEAS was known to be efficient for increasing air saturation, little information is available for different hydrogeological settings including soil particle sizes and the depth of aquifer. We investigated water saturations in the sparging influence zone during SEAS using one-dimensional column packed with sands of different particle sizes and different aquifer depths. An anionic surfactant was used to suppress the surface tension of water. Two different sands were used; the air entry pressures of the sands were measured to be $15.0\;cmH_2O$, and $36.3\;cmH_2O$, respectively. No significant difference was observed in the water saturation-surface tension relationship for sands with different particle sizes. As the surface tension decreased, the water saturation decreased to a lowest point and then it increased with further decrease in the surface tension. Both sands reached their lowest water saturations when the surface tension was set approximately at 42 dyne/cm. SEAS was conducted at three different aquifer depths; 41 cm, 81 cm, and 160 cm. Water saturation-surface tension relationship was consistent regardless of the aquifer depth. The size of sparging influence zone during SEAS, measured using two-dimensional model, was found to be similar to the changes in air saturation, measured using one-dimensional model. Considering diverse hydrogeological settings where SEAS to be applied, the results here may provide useful information for designing SEAS process.
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문제 정의
1차원 컬럼을 이용한 폭기 실험은 지하수 폭기공정 과정에서 폭기 영역(또는 영향권)내부의 물 포화율 변화를 관찰하는 데 그 목적이 있었다면, 2차원 상자실험은 표면장력의 변화에 따른 폭기영역의 크기변화를 관찰하는 데 목적이 있다고 할 수 있다. 본 연구에서는 계면활성제가 도입되지 않은 조건을 포함하여 모두 다섯 번의 실험을 각각 서로 다른 표면장력(즉 서로 다른 계면활성제 농도)에서 실시하였다.
그러나 SEAS 기술에 대한 기존의 실험적 연구는 대부분 한 가지 종류의 토양(주로 모래)을 이용함으로써 대수층의 깊이에 변화가 있거나 토양의 종류(예: 입경)가 달라지는 경우에 대한 연구는 아직 이루어 진 바 없다. 따라서 본 연구의 목적은 다양한 수리지질학적 현장조건에 대한 SEAS의 효율을 검증하기 위하여, 첫째, SEAS 실행에 따른 폭기영역 내의 물(공기) 포화율과 표면장력과의 상관관계의 대수층의 깊이에 따른 변화를 평가하고, 둘째, air-entry pressure가 서로 다른(즉 입경이 다른)토양에 대하여 물(공기) 포화율과 표면장력간의 상관관계를 규명하며, 셋째, 2차원 상자모델 실험을 통하여 표면장력 변화와 폭기 영향권의 크기 변화의 상관성을 규명하는 것이다.
본 연구는 매우 제한된 조건, 즉 두 종류의 모래를 대상으로 단일한 폭기유량(10.0 mL/min)조건에서 실시한 실험이므로 실제 토양에 대하여 다양한 조건에서 동일한 결과(동일한 최저 물 포화율, 최저물 포화율을 나타내는 최적 표면장력)를 기대하기 어려울 수 있다. 그러나 본 연구결과를 통하여, 오염현장에서 SEAS 기법을 실시할 때 현장의 대수층 매질에 대한 최적 표면장력이 존재할 가능성이 매우 높으며 본 연구에서 제시된 최적 표면장력, 즉 물 포화율이 최저가 되는 표면장력을 현장의 최적 표면장력을 탐색하는 출발점으로 이용할 수 있을 것이다.
본 연구에서는 SEAS 기술이 기존의 지하수 폭기법(air sparging)에 대하여 갖는 높은 효율성이 토양의 종류 및 대수층의 깊이에 따라 나타내는 변화를 측정하였다. 서로 다른 입경을 갖는 모래를 대상으로 폭기영향권 내의 물 포화율을 표면장력의 함수로서 측정한 결과, 표면장력-물 포화율의 상관관계는 토양입경의 크기에 관계없이 유사한 상관관계를 갖는 것으로 관찰되었다.
제안 방법
폭기 실험은 모두 다섯 가지 실험조건에서 실시되었다. 계면활성제가 투여되지 않은 상태에서 상자에 대한 폭기 실험이 우선 실시되었으며, 순차적으로 계면활성제가 도입된 조건에서 4회(계면활성제의 농도에 따라) 실시되었다. 폭기실험은 압축공기실린더의 밸브를 열면서 시작되 었으며, 유량조절밸브와 flow meter를 이용하여 폭기 공기의 유량은 100 mL/min으로 고정되어 실험이 실시되었다.
이와 같은 방법으로 다양한 표면장력에서의 폭기 실험을 동일한 매질에 대하여 실험하였으며, 모래를 재충진 하지 않음으로써 실험의 조건의 일관성을 확보하였다. 계면활성제의 농도는 0~400 mg/L 범위에서 변화시키면서 실험을 수행하였다(SDBS의 critical micelle concentration = 414 mg/L, Faisal Anwar et al., 2000). 표면장력은 Fisher Surface Tensionmat Model 21을 사용하여 측정하였다.
공기 폭기 실험은 충진이 완료된 컬럼의 하단으로부터 공기를 주입함으로써 시작하였다. 컬럼으로 도입되는 공기의 유량은 미세조절밸브(needle valve)를 이용하여 조절하였고, 컬럼의 상단부에 설치된 bubble flowmeter로 column안에 흐르는 유량을 측정하였다.
폭기실험은 압축공기실린더의 밸브를 열면서 시작되 었으며, 유량조절밸브와 flow meter를 이용하여 폭기 공기의 유량은 100 mL/min으로 고정되어 실험이 실시되었다. 대수층으로 도입된 공기가 새로운 불포화영역, 즉 폭기영향권을 형성하면서 공기유량과 대수층내의 공기 흐름이 안정된 후 상자모델의 표면에 부착된 투명필름에 대수층 내 불포화 영역의 분포를 표시하였다. 새로이 형성된 불포화 영역, 즉 폭기영향권의 크기는 폭기전 포화영역 크기의 비율로서 계산되었다.
본 연구에서는 1차원 컬럼의 높이를 41 cm, 81 cm, 160 cm로 조절하여 대수층의 깊이가 서로 다른 조건을 구현하였으며 대수층의 깊이를 제외한 다른 모든 실험조건은 동등하게 유지하였다. 동일한 토양(굵은 모래)을 서로 다른 깊이에서 폭기한 결과, 대수층 깊이에 따른 특이할만한 차이점은 나타나지 않았다(Fig.
1차원 컬럼을 이용한 폭기 실험은 지하수 폭기공정 과정에서 폭기 영역(또는 영향권)내부의 물 포화율 변화를 관찰하는 데 그 목적이 있었다면, 2차원 상자실험은 표면장력의 변화에 따른 폭기영역의 크기변화를 관찰하는 데 목적이 있다고 할 수 있다. 본 연구에서는 계면활성제가 도입되지 않은 조건을 포함하여 모두 다섯 번의 실험을 각각 서로 다른 표면장력(즉 서로 다른 계면활성제 농도)에서 실시하였다. 폭기 실험 전에는 모래로 채워진 영역 중에서 물로 포화된 영역의 크기와 폭기 실험이 진행되어 폭기 유량 및 폭기 영역이 모두 안정된 다음 공기가 새로이 도입된 영역의 비율을 측정하였다.
컬럼이 실험 초기 상태로 돌아가면 미리 준비한 계면활성제 수용액을 충분히 도입하여 컬럼 내부의 증류수를 원하는 농도의 계면활성제 수용액으로 교환한다. 이와 같은 방법으로 다양한 표면장력에서의 폭기 실험을 동일한 매질에 대하여 실험하였으며, 모래를 재충진 하지 않음으로써 실험의 조건의 일관성을 확보하였다. 계면활성제의 농도는 0~400 mg/L 범위에서 변화시키면서 실험을 수행하였다(SDBS의 critical micelle concentration = 414 mg/L, Faisal Anwar et al.
공기 폭기 실험은 충진이 완료된 컬럼의 하단으로부터 공기를 주입함으로써 시작하였다. 컬럼으로 도입되는 공기의 유량은 미세조절밸브(needle valve)를 이용하여 조절하였고, 컬럼의 상단부에 설치된 bubble flowmeter로 column안에 흐르는 유량을 측정하였다. 폭기과정에서 컬럼으로부터 배출되는 물은 수집병을 이용하여 수집하였다.
컬럼하부로부터 공기가 들어오는 구멍(1/8인치 튜브)이 모래나 토양으로 막히는 현상을 방지하고 도입된 공기가 컬럼의 단면에 고루 분포되도록 하기 위하여 컬럼의 하단으로부터 3 cm까지 500~1000 µm 크기의 굵은 모래로 충진하였다.
0 mL/min으로 고정하였다. 포집된 물의 양으로서 컬럼내부로 도입된 공기의 양(또는 물, 공기 포화율)을 측정하였다. 또한 포집된 물은 표면장력 측정을 위해 사용되었다.
본 연구에서는 계면활성제가 도입되지 않은 조건을 포함하여 모두 다섯 번의 실험을 각각 서로 다른 표면장력(즉 서로 다른 계면활성제 농도)에서 실시하였다. 폭기 실험 전에는 모래로 채워진 영역 중에서 물로 포화된 영역의 크기와 폭기 실험이 진행되어 폭기 유량 및 폭기 영역이 모두 안정된 다음 공기가 새로이 도입된 영역의 비율을 측정하였다.
계면활성제가 투여되지 않은 상태에서 상자에 대한 폭기 실험이 우선 실시되었으며, 순차적으로 계면활성제가 도입된 조건에서 4회(계면활성제의 농도에 따라) 실시되었다. 폭기실험은 압축공기실린더의 밸브를 열면서 시작되 었으며, 유량조절밸브와 flow meter를 이용하여 폭기 공기의 유량은 100 mL/min으로 고정되어 실험이 실시되었다. 대수층으로 도입된 공기가 새로운 불포화영역, 즉 폭기영향권을 형성하면서 공기유량과 대수층내의 공기 흐름이 안정된 후 상자모델의 표면에 부착된 투명필름에 대수층 내 불포화 영역의 분포를 표시하였다.
대상 데이터
본 연구에서 사용된 두 모래는 서로 다른 입경을 보이며, air entry pressure는 굵은 입경의 모래가 15.0 cmH2O, 가는 모래가 36.3 cmH2O로 각각 측정되었다(Tempe pressure cell을 이용하여 측정)(Fig. 2). 두 모래의 λ 값 (식 (1)참조)은 굵은 모래와 조밀한 모래가 각각 3.
상자모델은 1차원 컬럼실험에 사용된 300~500 µm 입경범위 모래를 1차원 컬럼과 같은 방식으로 충진되었으며, 충진된 모래의 총 높이는 48 cm이고, 공극율(porosity)은 0.41이었으며, 상자의 밑면으로부터 35 cm까지 물로 포화되도록 하였다(water table의 높이는 상자의 밑면으로부터 약 25 cm).
실험에 사용된 다공성 매질로서 직경이 각각 53~300 µm, 300~500 µm 범위를 갖는 석영질 모래을 사용하였다.
실험에 사용된 다공성 매질로서 직경이 각각 53~300 µm, 300~500 µm 범위를 갖는 석영질 모래을 사용하였다. 지하수의 표면장력을 조절하기 위한 계면활성제는 음이온 계면활성제인 SDBS(sodium dodecylbenzene sulfonate, Tokyo Kasei Kogyo Co. Ltd., Reagent grade)를 사용 하였고, 모든 수용액은 증류수를 이용하여 제조되었다. 모든 실험은 25 ± 1℃에서 수행되었다.
컬럼으로 도입되는 공기의 유량은 미세조절밸브(needle valve)를 이용하여 조절하였고, 컬럼의 상단부에 설치된 bubble flowmeter로 column안에 흐르는 유량을 측정하였다. 폭기과정에서 컬럼으로부터 배출되는 물은 수집병을 이용하여 수집하였다. 공기유량은 10.
표면장력변화에 따른 토양 내 함수율 변화 측정을 위하여 구성한 1차원 컬럼실험에는 내경이 5.3 cm이고 길이가 각각 41 cm, 81 cm, 160 cm인 둥근 아크릴재질의 컬럼을 사용하였다. 빈 컬럼에 일정량의 탈기된 증류수를 채운 후, 모래를 컬럼의 위에서부터 투입하여 충진하는 습식충진을 하였으며, 이는 충진이 완료된 후 모래가 물로 완전히 포화되도록 하기 위함이다.
이론/모형
, 2000). 표면장력은 Fisher Surface Tensionmat Model 21을 사용하여 측정하였다. 실험조건은 Table 1에 상세히 나타내었다.
성능/효과
5). 1차원 컬럼실험에서 표면장력의 감소에 따라 폭기 영역내 물 포화율이 획기적으로 감소하는 경향과 유사한 경향이 폭기영역의 크기변화에서도 나타났으며, 더욱이 일정 표면장력 이하로 표면장력을 감소하였을 때, 폭기영역의 크기가 오히려 줄어드는 현상도 나타났다. 낮은 표면장력에서 폭기 영역이 오히려 작아지는 현상은 대수층 하부로 도입된 공기가 낮은 표면장력에서는 대수층 상부로 관통하여 공기의 수직채널을 형성하기가 용이함으로써 도입공기의 수평방향 확산, 즉 폭기영향권의 확산이 제한되는 것으로 판단된다.
일정한 폭기조건(일정한 공기 유량)에서 물 포화율은 표면장력의 감소에 따라 현저히 감소하지만 물 포화율이 최저점에 도달한 후, 더욱 표면장력을 감소하게되면 물 포화율은 오히려 증대하였다. 2차원 상자실험을 통하여 SEAS의 폭기 영역도 표면장력의 감소에 따라 증대하였으나 특정 표면장력보다 낮은 표면장력이 적용되었을 때에는 오히려 폭기영역이 작아지는 결과를 도출하였다. 즉 폭기영역의 크기와 폭기영역내 공기 포화율은 표면장력에 대하여 유사한 관계를 갖는 것으로 나타났다.
3). 그러나 이 현상은 물 포화율이 최저점에 도달한 후 역전되어 표면장력이 그 이상 감소하면 오히려 물 포화율이 증대하는 것으로 관찰되었다. 즉, 본 연구에서 구현한 실험조건의 범위 내 에서는 물 포화율을 최소로 하는 최적 표면장력이 존재하는 것으로 결론 낼 수 있다.
55로서 유사한 값을 나타내었으며, 이는 air entry pressure 이상의 압력을 포화조건의 토양(모래)에 가하였을 때, 압력변화에 대한 유효수분비율(Sw-Sr)이 거의 동일한 정도로 감소함을 의미한다. 길이가 81 cm인 1차원 컬럼에 위의 모래를 충진하여 표면장력을 달리하면서 폭기를 시도한 결과, 동일한 도입공기 유량(10.0 mL/min)에서 표면장력이 감소되면 물 포화율이 감소되는 현상이 관찰되었다(Fig. 3). 그러나 이 현상은 물 포화율이 최저점에 도달한 후 역전되어 표면장력이 그 이상 감소하면 오히려 물 포화율이 증대하는 것으로 관찰되었다.
즉, 41 cm의 대수층 깊이에서 측정된 물 포화율-표면장력 상관관계는 앞서 설명한 81 cm에서의 관계와 크게 다르지 않았으며, 또 160 cm의 깊이에서의 관계와도 크게 다르지 않았다. 대수층의 깊이에 관계없이 높은 수준의 표면장력 구간(즉 낮은 농도의 계면활성제)에서는 표면장력의 감소에 따라 물 포화율이 감소하는 현상을 보였고, 물 포화도가 최저치를 나타내는 표면장력 이하에서는 대수층의 깊이에 관계없이 표면장력의 감소에 따라 물 포화율이 증가하는 현상을 나타내었다.
는 일정하다고 볼 수 있다. 따라서 일정한 압력이 아닌 일정한 공기유량을 유지한 본 연구에서는 도입공기가 대수층을 관통할 만큼 충분한 압력차가 제공되었으므로 Pw는 극복되었다고 할 수 있으며, 결국 Pd의 변화가 토양 공극을 차지하는 물을 공기로 치환하기위한 압력의 변화를 유도하며, Pd의 변화가 물 포화율을 변화시키는 정도는 Pw의 값과 상관없이 일정하다 볼 수 있다. 따라서 동일한 토양이라면 대수층의 깊이에 관계없이 대수층의 공기도입부로부터 불포화층을 관통할 수 있는 정도의 공기압력이 적용되었다면 폭기 영향권 내부는 Pd의 크기에 따라 물 포화도가 영향을 받는다.
특기할 만 한 점은, 본 2차원 상자실험을 통하여 측정된 최대 폭기 영향권을 나타내는 최적 표면장력은 대략 40-45 dyne/cm이었으며, 이는 1차원 컬럼실험에서 측정된 최적 표면장력(최저 물 포화율)과 일치한다는 것이다. 따라서 최적 표면장력에서는 공기 폭기 영역 및 폭기 영역내 공기 포화율이 최대가 되는 것으로 결론 내릴 수 있으며, 현장조건에서 SEAS 기술을 적용할 때 중요한 설계요소로 작용할 것으로 판단된다.
서로 다른 입경을 갖는 모래를 대상으로 폭기영향권 내의 물 포화율을 표면장력의 함수로서 측정한 결과, 표면장력-물 포화율의 상관관계는 토양입경의 크기에 관계없이 유사한 상관관계를 갖는 것으로 관찰되었다. 또한 동일한 토양(모래)에 대하여 서로 다른 깊이에서 SEAS 기술을 적용한 결과 대수층의 깊이에 관계없이 유사한 표면장력-물 포화율의 상관관계를 나타내었다. 일정한 폭기조건(일정한 공기 유량)에서 물 포화율은 표면장력의 감소에 따라 현저히 감소하지만 물 포화율이 최저점에 도달한 후, 더욱 표면장력을 감소하게되면 물 포화율은 오히려 증대하였다.
본 연구에서는 SEAS 기술이 기존의 지하수 폭기법(air sparging)에 대하여 갖는 높은 효율성이 토양의 종류 및 대수층의 깊이에 따라 나타내는 변화를 측정하였다. 서로 다른 입경을 갖는 모래를 대상으로 폭기영향권 내의 물 포화율을 표면장력의 함수로서 측정한 결과, 표면장력-물 포화율의 상관관계는 토양입경의 크기에 관계없이 유사한 상관관계를 갖는 것으로 관찰되었다. 또한 동일한 토양(모래)에 대하여 서로 다른 깊이에서 SEAS 기술을 적용한 결과 대수층의 깊이에 관계없이 유사한 표면장력-물 포화율의 상관관계를 나타내었다.
이 기술은 수용성 계면활성제의 첨가에 의해 물의 표면장력을 감소시킴으로서 포화토양의 air-entry pressure(또는 bubbling pressure)를 감소하게 되고, 결과적으로 폭기 영향권을 현저히 확대시킬 뿐 아니라 폭기 영향권 내의 물 포화율을 획기적으로 감소하는 효과가 있다. 그러나 SEAS 기술에 대한 기존의 실험적 연구는 대부분 한 가지 종류의 토양(주로 모래)을 이용함으로써 대수층의 깊이에 변화가 있거나 토양의 종류(예: 입경)가 달라지는 경우에 대한 연구는 아직 이루어 진 바 없다.
또한 동일한 토양(모래)에 대하여 서로 다른 깊이에서 SEAS 기술을 적용한 결과 대수층의 깊이에 관계없이 유사한 표면장력-물 포화율의 상관관계를 나타내었다. 일정한 폭기조건(일정한 공기 유량)에서 물 포화율은 표면장력의 감소에 따라 현저히 감소하지만 물 포화율이 최저점에 도달한 후, 더욱 표면장력을 감소하게되면 물 포화율은 오히려 증대하였다. 2차원 상자실험을 통하여 SEAS의 폭기 영역도 표면장력의 감소에 따라 증대하였으나 특정 표면장력보다 낮은 표면장력이 적용되었을 때에는 오히려 폭기영역이 작아지는 결과를 도출하였다.
2차원 상자실험을 통하여 SEAS의 폭기 영역도 표면장력의 감소에 따라 증대하였으나 특정 표면장력보다 낮은 표면장력이 적용되었을 때에는 오히려 폭기영역이 작아지는 결과를 도출하였다. 즉 폭기영역의 크기와 폭기영역내 공기 포화율은 표면장력에 대하여 유사한 관계를 갖는 것으로 나타났다. 본 연구결과는 SEAS 기술을 현장에 적용하기 위한 기초적인 공학적 설계인자를 도출하는 데 유용한 정보로 이용될 수 있을 것으로 판단된다.
이는 앞서 설명한, 높은 표면장력에서 입경의 차이와 물 포화율의 차이의 관계와 같은 이유로 설명할 수 있겠다. 즉, 높은 표면장력 영역에서 가는 모래보다 굵은 모래에 상대적으로 많이 존재하는 큰 공극의 물이 적은 압력변화에 의하여 쉽게 공극에서 제거될 수 있는 것과 마찬가지로 낮은 표면장력 영역에서도 일단 공극에서 제거된 물이 비교적 낮은 압력변화에 의하여 재순환되어 공극을 빨리 채울 가능성이 클 것으로 추측된다.
그러나 이 현상은 물 포화율이 최저점에 도달한 후 역전되어 표면장력이 그 이상 감소하면 오히려 물 포화율이 증대하는 것으로 관찰되었다. 즉, 본 연구에서 구현한 실험조건의 범위 내 에서는 물 포화율을 최소로 하는 최적 표면장력이 존재하는 것으로 결론 낼 수 있다. 물 포화율이 최저점에 도달한 후, 표면장력이 더욱 낮아지면 물 포화율이 오히려 증가하는 현상은 아직 정확한 설명이 어렵고 향후 이에 대한 연구가 필요하지만, 지나치게 낮은 표면장력에서는 공기에 의하여 공극으로 밀려나간 물이 지역적으로 재순환되어 공극으로 되돌아오는 현상이 발생하는 것으로 추정된다.
그러나 이 차이는 표면장력이 낮아지면서 점차 감소하여 궁극적으로는 동일한 최저 물 포화율(48%) 또는 최고 공기 포화율(52%)을 나타내는 것으로 관찰되었다. 최저 물 포화율을 나타내는 표면장력 이하로 표면장력이 감소할 때, 표면장력 감소에 대한 물 포화도의 증가율 또한 굵은 모래가 가는 모래보다 작은 것으로 나타났다. 이는 앞서 설명한, 높은 표면장력에서 입경의 차이와 물 포화율의 차이의 관계와 같은 이유로 설명할 수 있겠다.
낮은 표면장력에서 폭기 영역이 오히려 작아지는 현상은 대수층 하부로 도입된 공기가 낮은 표면장력에서는 대수층 상부로 관통하여 공기의 수직채널을 형성하기가 용이함으로써 도입공기의 수평방향 확산, 즉 폭기영향권의 확산이 제한되는 것으로 판단된다. 특기할 만 한 점은, 본 2차원 상자실험을 통하여 측정된 최대 폭기 영향권을 나타내는 최적 표면장력은 대략 40-45 dyne/cm이었으며, 이는 1차원 컬럼실험에서 측정된 최적 표면장력(최저 물 포화율)과 일치한다는 것이다. 따라서 최적 표면장력에서는 공기 폭기 영역 및 폭기 영역내 공기 포화율이 최대가 되는 것으로 결론 내릴 수 있으며, 현장조건에서 SEAS 기술을 적용할 때 중요한 설계요소로 작용할 것으로 판단된다.
후속연구
0 mL/min)조건에서 실시한 실험이므로 실제 토양에 대하여 다양한 조건에서 동일한 결과(동일한 최저 물 포화율, 최저물 포화율을 나타내는 최적 표면장력)를 기대하기 어려울 수 있다. 그러나 본 연구결과를 통하여, 오염현장에서 SEAS 기법을 실시할 때 현장의 대수층 매질에 대한 최적 표면장력이 존재할 가능성이 매우 높으며 본 연구에서 제시된 최적 표면장력, 즉 물 포화율이 최저가 되는 표면장력을 현장의 최적 표면장력을 탐색하는 출발점으로 이용할 수 있을 것이다.
즉, 본 연구에서 구현한 실험조건의 범위 내 에서는 물 포화율을 최소로 하는 최적 표면장력이 존재하는 것으로 결론 낼 수 있다. 물 포화율이 최저점에 도달한 후, 표면장력이 더욱 낮아지면 물 포화율이 오히려 증가하는 현상은 아직 정확한 설명이 어렵고 향후 이에 대한 연구가 필요하지만, 지나치게 낮은 표면장력에서는 공기에 의하여 공극으로 밀려나간 물이 지역적으로 재순환되어 공극으로 되돌아오는 현상이 발생하는 것으로 추정된다.
즉 폭기영역의 크기와 폭기영역내 공기 포화율은 표면장력에 대하여 유사한 관계를 갖는 것으로 나타났다. 본 연구결과는 SEAS 기술을 현장에 적용하기 위한 기초적인 공학적 설계인자를 도출하는 데 유용한 정보로 이용될 수 있을 것으로 판단된다. 지하수의 표면장력을 감소함으로써 폭기효율을 향상하고자 하는 SEAS 기술은 다른 지하수복원기술과 마찬가지로 현장의 수리지질학적 특성에 많은 영향을 받는다.
지하수의 표면장력을 감소함으로써 폭기효율을 향상하고자 하는 SEAS 기술은 다른 지하수복원기술과 마찬가지로 현장의 수리지질학적 특성에 많은 영향을 받는다. 해당 대수층의 투수능(hydraulic conductivity), 서로 다른 투수능(또는 공기투과능)을 갖는 지층의 존재, 공기가 선택적으로 흐를 개연성이 높은 특이구조(예: fracture)의 존재 등의 SEAS 공정에 대한 영향이 미리 평가되어야 할 것이다. SEAS에 사용되는 계면활성제에 의하여 2차오염이 되거나 대수층 복원에 유용한 미생물 군집이 훼손되지 않는 계면활성제를 선택하도록 하여야 할 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
지하수 폭기법은 무엇을 위한 복원기술로 개발되었는가?
토양 및 지하수 복원기술의 일종인 지하수 폭기법(groundwater air sparging)은 지하수에 용해된 휘발성 유기오염물질(volatile organic compound, VOCs)과 대수층에 존재하는 불용성 유기물질의 덩어리(nonaqueous phase liquid, NAPLs)를 제거하기 위한 복원기술로 개발되었다(Marley et al., 1992; Johnson et al.
지하수 폭기법은 무엇인가?
토양 및 지하수 복원기술의 일종인 지하수 폭기법(groundwater air sparging)은 지하수에 용해된 휘발성 유기오염물질(volatile organic compound, VOCs)과 대수층에 존재하는 불용성 유기물질의 덩어리(nonaqueous phase liquid, NAPLs)를 제거하기 위한 복원기술로 개발되었다(Marley et al., 1992; Johnson et al.
전통적인 양수처리법(pump and treat)의 단점을 보완하기 위한 지하수 폭기법의 이점은 무엇인가?
전통적인 양수처리법(pump and treat)의 단점을 보완하기 위하여 개발된 여러 가지 새로운 기술의 하나인 이 기술은 여러 군데의 현장적용을 통하여 오염물질 제거효과가 검증되었다. 지하수 폭기법은 실험장치가 간단하고, 운영비가 적게 들고, 공기만을 사용하므로 2차 오염의 발생 가능성이 낮고, 생산되는 폐수가 적으며, 폭기 영역 내 산소를 공급함으로서 토양 미생물에 의한 생물학적 분해를 도모할 수 있는 등의 여러 이점을 갖고 있다(Unger et al., 1995; Braida and Ong, 1998).
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