[논문]모세관 현상에 의한 토양 환경에서의 지하수 거동에 관한 연구

최수아; 최은진; 김동수

doi:10.15681/kswe.2011.27.1.14

문제 정의

본 연구에서는 모세관의 내경, 온도 및 농도에 따른 모세관 수주의 높이 변화를 측정하였으며 이를 위한 모세관은 자체 제작하였다. 제작한 모세관의 각 내경은 0.
본 연구에서는 지하수의 거동에 영향을 미치는 이러한 토양환경의 물리화학적인 영향에 대해 기본적인 현상을 파악하고자 토양 입자의 크기의 변화에 따른 물의 움직임의 변화를 모세관을 이용하여 관찰하고자 하였다. 토양 입자의 크기에 따라 토양 간의 공극이 변하고, 그 공극 사이로 물질들이 거동하기 때문에 모세관의 내경을 변화함에 따른 수주의 높이를 측정하여 토양 환경의 공극의 크기가 물의 움직임에 미치는 영향에 대해 조사하였다.
실험방법에 제시한 바와 같이 모세관의 내경, 용액의 농도 및 온도에 따른 모세관 수주의 높이를 측정하여 그 결과를 제시하고 이에 대해 고찰하였다. 식 (4)에서 제시 한식에 대입하여 모세관 수주로부터 계산된 표면장력의 값은 Table 1에 나타내었다.
토양환경에서의 지하수의 거동의 물리화학적인 영향에 대한 기본적 현상을 파악하고자 모세관현상을 관찰하였다. 자체제작한 모세관을 이용해 모세관의 내경, 농도변화, 온도변화에 따른 모세관 수주의 높이를 측정한 결과, 모세 관내 경이 증가함에 따라 모세관 수주의 높이가 감소하였으며 이는 Young-Laplace equation에 의해 동일한 시료에 대해 표면장력이 일정할 때 모세관 수주의 높이는 모세관의 내경과 반비례하는 것을 알 수 있었으며 토양의 입자의 크기에 따라 지하수의 흐름이 달라짐을 적용할 수 있었다.

제안 방법

두어 모세관 오름의 높이를 측정하였다. 각 모세관을 대상으로 1차 증류수를 페트리 접시에 담은 후 증류수가 모세관에 끝까지 올라갈 수 있도록 충분한 시간을 준 뒤, 각각의 수주를 측정하였다.
또한 무기성 염류의 농도에 따른 모세관 수주의 높이를 측정하였으며 무기성 염류의 농도에 대한 변수는 NaCl 로조절하였다. 이는 지하수의 이온강도의 변화에만 초점을 둔 것이며 실험방법은 측정 5시간전 NaCl 용액의 농도를 각각 10-4, 10-3, 10-2, 10-1, 1 M 로 조제하여 충분한 시간 동안교 반한 후 패트리 접시에 담아 내경별로 모세관의 수주의 높이를 측정하였다.
토양 입자의 크기에 따라 토양 간의 공극이 변하고, 그 공극 사이로 물질들이 거동하기 때문에 모세관의 내경을 변화함에 따른 수주의 높이를 측정하여 토양 환경의 공극의 크기가 물의 움직임에 미치는 영향에 대해 조사하였다. 또한, 물의 온도와 물질의 이온강도를 변화시키면서 모세관에서의 수주의 높이 변화를 검토함으로써 이들 인자들이 지하수의 움직임에 미치는 영향을 파악하여 정량적인 해석을 시도하였다. 본 연구에서의 결과는 토양 환경에서의 지하수의 움직임에 대한 예측에 관한 의미있는 기본 자료를 제공할 것으로 사료되며 토양에서의 폐기물의 효과적인 처리에 대해서도 기초적인 개념을 설정하는데 활용될 수 있을 것으로 고려된다.
모세관 내경에 따른 모세관 수주의 높이의 측정을 위해토양의 온도(지하수의 온도) 및 수중 이온의 농도는 일정하게 유지하고 오직 토양 입자의 크기에 의한 공극변화를 변수로 두어 모세관 오름의 높이를 측정하였다. 각 모세관을 대상으로 1차 증류수를 페트리 접시에 담은 후 증류수가 모세관에 끝까지 올라갈 수 있도록 충분한 시간을 준 뒤, 각각의 수주를 측정하였다.
실온보다 낮은 온도에서의 측정의 경우 실험 2시간 전 냉동실에 사용할 증류수를 넣어 둔 후, 온도계로 증류수의 온도를 측정 후 모세관의 내경별 수주의 높이를 측정하였다. 실온 이상의 온도에 대해서는 증류수를 Hot Plate 로 가열하여 사용하였으며, 측정한 온도는 6℃, 20℃, 35℃, 85℃, 97℃이다. 실제 토양환경내의 온도변화는 10℃ 안팎으로 일어나는 것이 일반적이나 전반적인 온도에 의한 경향성을 알아보는 것은 매우 중요하다고 판단되어 넓은 범위의 온도에 대해 실험을 수행하였다.
실온보다 낮은 온도에서의 측정의 경우 실험 2시간 전 냉동실에 사용할 증류수를 넣어 둔 후, 온도계로 증류수의 온도를 측정 후 모세관의 내경별 수주의 높이를 측정하였다. 실온 이상의 온도에 대해서는 증류수를 Hot Plate 로 가열하여 사용하였으며, 측정한 온도는 6℃, 20℃, 35℃, 85℃, 97℃이다.
실온 이상의 온도에 대해서는 증류수를 Hot Plate 로 가열하여 사용하였으며, 측정한 온도는 6℃, 20℃, 35℃, 85℃, 97℃이다. 실제 토양환경내의 온도변화는 10℃ 안팎으로 일어나는 것이 일반적이나 전반적인 온도에 의한 경향성을 알아보는 것은 매우 중요하다고 판단되어 넓은 범위의 온도에 대해 실험을 수행하였다.
이는 지하수의 이온강도의 변화에만 초점을 둔 것이며 실험방법은 측정 5시간전 NaCl 용액의 농도를 각각 10-4, 10-3, 10-2, 10-1, 1 M 로 조제하여 충분한 시간 동안교 반한 후 패트리 접시에 담아 내경별로 모세관의 수주의 높이를 측정하였다.
모세관을 이용하여 관찰하고자 하였다. 토양 입자의 크기에 따라 토양 간의 공극이 변하고, 그 공극 사이로 물질들이 거동하기 때문에 모세관의 내경을 변화함에 따른 수주의 높이를 측정하여 토양 환경의 공극의 크기가 물의 움직임에 미치는 영향에 대해 조사하였다. 또한, 물의 온도와 물질의 이온강도를 변화시키면서 모세관에서의 수주의 높이 변화를 검토함으로써 이들 인자들이 지하수의 움직임에 미치는 영향을 파악하여 정량적인 해석을 시도하였다.

이론/모형

모세관 내의 액체의 이동과 그 표면장력 측정은 두 상간 곡면에서의 역학적 평형에 대한 조건을 유도한 YoungLaplace equation 을 통해서 알아볼 수 있다.

성능/효과

온도에 대한 모세관현상의 측정 결과, 토양내 지하수의 온도가 증가하면 표면장력이 감소해 그 흐름이 증가될 것으로 보이며, 이는 온폐수의 유입, 또는 토양전체의 환경이 온도 상승되었을 때의 상황을 예측하게 한다. 지구온난화로 인한 대기온도의 상승과 더불어 토양의 온도가 상승되면이는 지하수의 온도상승을 야기하고 이로 인해 지하수의 거동은 변화할 것으로 사료된다.
하겠다. 온도에 따른 모세관 수주의 높이 변화는 온도변화와 반비례하는 결과를 나타냈으며 토양 및 지하수의 온도 변화가 지하수의 거동에 영향을 줄 수 있으며 이는 지구온난화에 의한 영향을 고려할 수 있음을 사사한다.
관찰하였다. 자체제작한 모세관을 이용해 모세관의 내경, 농도변화, 온도변화에 따른 모세관 수주의 높이를 측정한 결과, 모세 관내 경이 증가함에 따라 모세관 수주의 높이가 감소하였으며 이는 Young-Laplace equation에 의해 동일한 시료에 대해 표면장력이 일정할 때 모세관 수주의 높이는 모세관의 내경과 반비례하는 것을 알 수 있었으며 토양의 입자의 크기에 따라 지하수의 흐름이 달라짐을 적용할 수 있었다. 또한 용액의 농도가 증가함에 따라 모세관 수주의 높이가 증가하였으며 이는 지하수 내 이온의 유입에 따른 이온강도에 의해 표면장력이 달라지며 이에 따라 지하수의 흐름이 달라질 수 있음을 의미한다.

후속연구

또한, 물의 온도와 물질의 이온강도를 변화시키면서 모세관에서의 수주의 높이 변화를 검토함으로써 이들 인자들이 지하수의 움직임에 미치는 영향을 파악하여 정량적인 해석을 시도하였다. 본 연구에서의 결과는 토양 환경에서의 지하수의 움직임에 대한 예측에 관한 의미있는 기본 자료를 제공할 것으로 사료되며 토양에서의 폐기물의 효과적인 처리에 대해서도 기초적인 개념을 설정하는데 활용될 수 있을 것으로 고려된다.
즉, 지하수의 온도는 물의 점성력 및 표면장력의 크기에 관계됨으로써 토양 분위기에서의 물의 움직임을 결정짓는 중요한 요인으로 작용한다(Miller and Donahue, 1990). 특히, 지구 온난화 현상과 관련하여 토양의 온도 역시 이의 영향을 받게 되고 이의 결과로 지하수의 온도 또한 지속적으로 상승할 것으로 예측할 수 있는 바, 이에 대한 고찰은 향후 토양 생태계의 변화를 파악하는데 있어 필요할 것으로 사료된다. 지하수에 용해되어 있는 물질의 농도와 관련된 사항에서는 일반적으로 폐기물로부터 유래된 용해성 물질이 지하수에서의 농도가 증가할 경우 지하수의 이온강도(Ionic Strength)가 상승하게 되며 이의 결과로 물의 비중이 증가함으로써 지하수의 거동이 영향을 받게 될 것으로 예상할 수 있다(김도희 등, 2004).
하겠다. 한편 앞서 언급한 바와 같이 지하수의 흐름은 단순한 토양입자 간 공극의 차이 온도변화, 농도의 차이 등 하나의 요인으로 해석되지 않으므로 차후 다른 요인들과 복합적인 연구를 추가로 수행한다면 의미있는 연구의 대안이 될 수 있을 것으로 사료된다.

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