PRB 공법은 지하수의 흐름을 변화시키지 않고 오염물질이 지나가는 길목에 반응물질이 삽입된 벽체를 형성함으로써 한번 설치할 경우 운용에 필요한 별도의 시설이 불필요한 경제적인 공법이다. PRB공법의 주요 지배요소는 반응벽체내 반응물질이며, 반응물질과 오염물간의 물리 화학적 특성에 따라 정화효율, 사용시간 등이 결정된다. PRB공법은 오염물의 유입 농도, 유입기간, 흡착반응물질의 특성을 종합적으로 고려한 설계가 이루어져야 높은 정화효율을 기대할 수 있다. 본 연구에서는 PRB시스템에서 구리($Cu^{2+}$)제거를 위한 흡착반응물질로 CFW를 사용할 경우 적용성 평가를 위한 컬럼실험을 실시하였다. 컬럼실험은 CFW를 반응물질로 하며 오염물의 유입속도, 밀도, PRB의 두께를 PRB의 설계에 필요한 영향인자로 선정하였다. 실험결과 PRB의 가동시간이 증가함에 따라 제거효율은 감소하였으며, PRB길이에 따라 제거효율은 선형적으로 증가하였다. 이러한 관계를 이용하여 PRB system의 반응물질 두께를 CFW 밀도, 정화기간을 고려한 제안식을 이용하여 설계할 수 있음을 확인하였다.
PRB 공법은 지하수의 흐름을 변화시키지 않고 오염물질이 지나가는 길목에 반응물질이 삽입된 벽체를 형성함으로써 한번 설치할 경우 운용에 필요한 별도의 시설이 불필요한 경제적인 공법이다. PRB공법의 주요 지배요소는 반응벽체내 반응물질이며, 반응물질과 오염물간의 물리 화학적 특성에 따라 정화효율, 사용시간 등이 결정된다. PRB공법은 오염물의 유입 농도, 유입기간, 흡착반응물질의 특성을 종합적으로 고려한 설계가 이루어져야 높은 정화효율을 기대할 수 있다. 본 연구에서는 PRB시스템에서 구리($Cu^{2+}$)제거를 위한 흡착반응물질로 CFW를 사용할 경우 적용성 평가를 위한 컬럼실험을 실시하였다. 컬럼실험은 CFW를 반응물질로 하며 오염물의 유입속도, 밀도, PRB의 두께를 PRB의 설계에 필요한 영향인자로 선정하였다. 실험결과 PRB의 가동시간이 증가함에 따라 제거효율은 감소하였으며, PRB길이에 따라 제거효율은 선형적으로 증가하였다. 이러한 관계를 이용하여 PRB system의 반응물질 두께를 CFW 밀도, 정화기간을 고려한 제안식을 이용하여 설계할 수 있음을 확인하였다.
Permeable Reactive Barriers (PRB) method is an economical method that does not require any other methods to be operated once it is installed as it controls of groundwater flow in the barrier, which is inserted a reactive material on the way of pollutant. The major dominant element of PRB is a reacti...
Permeable Reactive Barriers (PRB) method is an economical method that does not require any other methods to be operated once it is installed as it controls of groundwater flow in the barrier, which is inserted a reactive material on the way of pollutant. The major dominant element of PRB is a reactive material in the reactive wall, and such factors as purification efficiency and used time based on the chemical and physical features in between the reactant and pollutant. High purification efficiency can be expected when a rational design that is synthetically considered in features of packing density, operation period, and adsorption reactant of pollutant. A column test was conducted for an application test using CFW as its adsorption reactant in order to remove copper($Cu^{2+}$) in the PRB system. The CFW was used for the reactant and selected inflow speed, density and thickness of PRB as its necessary factors for design of PRB. As a result of the experiment, the removal efficiency decreased as operating time of PRB increased and the efficiency linearly increased upon the length. Therefore, it is confirmed that the thickness of reactive materials in PRB system can be designed using the proposed formula considering purification time and density of CFW.
Permeable Reactive Barriers (PRB) method is an economical method that does not require any other methods to be operated once it is installed as it controls of groundwater flow in the barrier, which is inserted a reactive material on the way of pollutant. The major dominant element of PRB is a reactive material in the reactive wall, and such factors as purification efficiency and used time based on the chemical and physical features in between the reactant and pollutant. High purification efficiency can be expected when a rational design that is synthetically considered in features of packing density, operation period, and adsorption reactant of pollutant. A column test was conducted for an application test using CFW as its adsorption reactant in order to remove copper($Cu^{2+}$) in the PRB system. The CFW was used for the reactant and selected inflow speed, density and thickness of PRB as its necessary factors for design of PRB. As a result of the experiment, the removal efficiency decreased as operating time of PRB increased and the efficiency linearly increased upon the length. Therefore, it is confirmed that the thickness of reactive materials in PRB system can be designed using the proposed formula considering purification time and density of CFW.
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문제 정의
본 연구에서는 PRB system에서 CFW를 구리(Cu2+)의 흡착반응물질로 적용하기 위한 컬럼실험 결과를 바탕으로 사용주기에 따른 적정 PRB시공두께를 선정하기 위한 상관관계 분석을 수행한 것이다. 충진밀도, 유입속도, 사용 기간을 영향인자로 설정하고 상관관계 분석을 실시하여 시공두께 설계방법을 제시하였으며, 결론은 다음과 같다.
또한, 흐름속도, CFW의 충진밀도에 대하여 가동시간과 PRB두께 관점으로 정화효율에 관한 상관관계 분석을 실시하였다. 이러한 일련의 과정을 거쳐 최종적으로 구리로 오염된 지하수 정화에 있어서 CFW를 PRB반응물질로 사용하고자 했을 때 요구되는 PRB두께를 사용기간, 밀도, 오염물 유입속도에 따라 설계할 수 있는 방법을 제시하고자 하였다.
제안 방법
실험장치는 아크릴 재질의 원통형 컬럼, 수위조절장치로 구성되어 있으며, 오염물질의 유입은 수두 차에 의해 컬럼 하부에서 상부로 주입되는 상향주입 방식을 채택하였다. 또한 유입구 및 유출구에 용액의 고른 분포를 위하여 표준사를 포설하였으며, 실험과정 중 샘플 추출을 위해 3cm 간격으로 9개의 포트를 설치하였다. 실험과정 중 오염물질은 24시간 간격으로 채취하였으며, 각 위치별로 채취된 오염물질은 40ml 유리병에 채운 후 부유물질 제거를 위해 3000rpm으로 원심분리하였다.
본 연구에서는 PRB공법의 반응물질로 CFW를 사용하였으며, 정화효율에 영향을 미치는 인자로 반응시간, 충진 밀도, 오염물의 흐름속도, 설치두께를 설정하여 침전 및 흡착에 의한 제거효과 관점으로 정화효율을 살펴보았다. 또한, 흐름속도, CFW의 충진밀도에 대하여 가동시간과 PRB두께 관점으로 정화효율에 관한 상관관계 분석을 실시하였다. 이러한 일련의 과정을 거쳐 최종적으로 구리로 오염된 지하수 정화에 있어서 CFW를 PRB반응물질로 사용하고자 했을 때 요구되는 PRB두께를 사용기간, 밀도, 오염물 유입속도에 따라 설계할 수 있는 방법을 제시하고자 하였다.
본 연구에서는 PRB공법의 반응물질로 CFW를 사용하였으며, 정화효율에 영향을 미치는 인자로 반응시간, 충진 밀도, 오염물의 흐름속도, 설치두께를 설정하여 침전 및 흡착에 의한 제거효과 관점으로 정화효율을 살펴보았다. 또한, 흐름속도, CFW의 충진밀도에 대하여 가동시간과 PRB두께 관점으로 정화효율에 관한 상관관계 분석을 실시하였다.
또한 유입구 및 유출구에 용액의 고른 분포를 위하여 표준사를 포설하였으며, 실험과정 중 샘플 추출을 위해 3cm 간격으로 9개의 포트를 설치하였다. 실험과정 중 오염물질은 24시간 간격으로 채취하였으며, 각 위치별로 채취된 오염물질은 40ml 유리병에 채운 후 부유물질 제거를 위해 3000rpm으로 원심분리하였다. 이 후 0.
표 2는 컬럼실험 조건을 나타낸 것으로 영향인자별로 총 9회 실시하였다. 영향인자 중 밀도는 상대밀도 산정식을 이용하였으며, 다짐실험을 통해 CFW의 최대건조밀도 0.834g/cm3와 최소건조밀도 0.558g/cm3를 건조단위중량에 따라 32%(느슨함), 52%(중간) 그리고 72%(조밀함)의 상태로 구분하였다.
실험과정 중 오염물질은 24시간 간격으로 채취하였으며, 각 위치별로 채취된 오염물질은 40ml 유리병에 채운 후 부유물질 제거를 위해 3000rpm으로 원심분리하였다. 이 후 0.24㎛의 멤브레인 필터를 이용해 미세잔류물을 제거한 후 유도결합플라스마분광기(ICP, Inductively Coupled Plasma Spectrometer, JY-Ultima-2, Jobin Yvon, France)를 이용해 잔류농도를 정량 분석하였다.
그림 4는 PRB운영시간에 따른 두께 산정을 위해 밀도와 유입속도를 영향인자로 두었을 때 가동시간에 따른 PRB두께를 농도별로 도시한 것으로, 가동시간을 1∼12개월을 적용하여 시간경과에 따른 PRB두께를 나타낸 것이다. 이때, 유입되는 농도의 변화는 회분식 실험결과(Han et al., 2008, 2010b)를 사용하였는데, 그림 5와 같이 Cu2+ 의 초기농도와 흡착량과의 비선형적인 관계를 적용하였다.
)의 흡착반응물질로 적용하기 위한 컬럼실험 결과를 바탕으로 사용주기에 따른 적정 PRB시공두께를 선정하기 위한 상관관계 분석을 수행한 것이다. 충진밀도, 유입속도, 사용 기간을 영향인자로 설정하고 상관관계 분석을 실시하여 시공두께 설계방법을 제시하였으며, 결론은 다음과 같다.
대상 데이터
그림 1 및 사진 2는 실험장치의 구성 및 실험전경을 나타낸 것이다. 실험장치는 아크릴 재질의 원통형 컬럼, 수위조절장치로 구성되어 있으며, 오염물질의 유입은 수두 차에 의해 컬럼 하부에서 상부로 주입되는 상향주입 방식을 채택하였다. 또한 유입구 및 유출구에 용액의 고른 분포를 위하여 표준사를 포설하였으며, 실험과정 중 샘플 추출을 위해 3cm 간격으로 9개의 포트를 설치하였다.
충진물질로 사용된 CFW는 No.40번체(0.4mm)를 통과한 재료를 사용하였으며, 오염물질은 분말상태의 황산구리[Copper(Ⅱ) Sulfate Pentahydrate-CuSO4･5H2O]를 증류수에 1,000mg/l의 농도로 희석하여 사용하였다.
성능/효과
(1) 컬럼 내부의 pH변화 양상은 Cu2+가 주입됨에 따라 유입부부터 점차 중화반응이 진행되어 컬럼 상부로 확산됨을 확인할 수 있었다. CFW의 충진밀도와 흐름속도에 따른 pH변화를 통해 침전에 의한 제거를 관점으로 한 PRB설계시에는 중간정도 밀도 및 k=1E-4cm/sec이하의 흐름 조건에서 효율성이 높을 것으로 판단된다.
(2) 컬럼길이 증가에 따라 제거효율은 선형적인 증가경향을 보였으며, 오염물의 유입속도가 느릴수록 제거효율은 증가하였고, 밀도가 증가할수록 pH증가 효과가 우수하였다.
(3) 제거효율과 가동시간과의 상관관계 분석결과 가동 시간이 증가함에 따라 제거효율은 감소하였고, PRB 길이에 따라 제거효율은 선형적으로 증가하였다. 이 같은 결과는 PRB두께와 제거효율은 비례관계임을 의미하며, 이러한 관계를 이용하여 PRB system 내 반응물질 두께를 CFW 밀도, 정화기간을 고려한 제안식을 이용하여 설계할 수 있음을 확인하였다.
의 제거율을 시간별로 나타낸 것이다. 그림 3(a)는 유입속도 k=1E-2cm/sec 에 대한 결과로서 24시간 경과 후 18cm 이상의 지점에서 100%의 제거율을 나타냈으며, 그 이하 위치에서는 제거율이 선형적으로 감소하였다. 그림 3(b)는 k=1E-3cm/sec 에 대한 제거율을 나타낸 것으로 24시간 경과 후 12cm이상 지점에서 측정된 제거율은 100%를 보였다.
k=1E-2∼1E-3cm/sec조건에서의 pH의 상승은 길이에 따라 다소 차이가 있지만 약 50∼70시간 경과 후 급격히 낮아진 값을 보였으며, k=1E-4cm/sec 조건에서는 최대 120시간 경과 후 pH가 감소하는 것으로 나타났다.
그림 3(d)~(f)는 CFW 충진밀도가 중간밀도 조건에서의 유입속도에 따른 제거율을 나타낸 것으로 k=1E-2cm/sec 에서는 충진밀도가 느슨한 경우에 비해 제거효율은 그리 크지 않은 것으로 나타났다. 그러나 k=1E-3cm/sec이하의 유입속도에서는 느슨한 경우에 비해 높은 제거율을 보였으며, 유입속도가 가장 느린 k=1E-4cm/sec조건일 때 실험 진행과정 전체적으로 컬럼 최상부 27cm지점에서 100%의 높은 제거율을 유지하였다. 그림 3(g)~(i)은 조밀한 충진밀도 조건에서의 실험결과이며, 전반적으로 모든 조건에서의 제거율은 다른 밀도조건에서의 실험결과보다 우수한 결과를 보였다.
의 주입에 따른 수소이온의 증가로 pH는 유입부인 하부부터 점차 중화반응이 진행되어 컬럼 상부로 확산됨을 확인할 수 있었다. 또한, CFW의 충진밀도와 흐름속도에 따른 pH변화와 관련된 영향인자 중에서 밀도는 중간밀도일 때 큰 폭의 변화를 가져왔으며, 흐름속도가 k=1E-3cm/sec이상의 조건에서는 변화폭이 크지 않음을 알 수 있었다.
그림 7은 유입되는 중금속의 농도가 1000㎎/l일 때 CFW밀도와 정화기간에 따른 PRB요구두께 설정관계를 나타낸 것으로 밀도와 PRB두께는 지수함수 관계로 표시된다. 밀도가 느슨한(약 30%) 경우 100%정화에 요구되는 두께는 약 50%일 때 보다 약 4배, 100배의 투수계수가 변화되었을 때 약 3배 이상 요구두께가 증가되는 것으로 나타났다. 밀도가 느슨하고 흐름속도가 1.
비표면적은 14.16m2/g, 평균세공경이 132.4Å으로 이는 IUPAC(International Union of Pure and Applied Chemistry)에서 정의하고 있는 대세공 500Å이상, 중간세공 20∼500Å, 미세세공 20Å이하와 대조해 볼 때 CFW는 중간세공이 발달한 것을 확인할 수 있었다.
126cm2/g보다 다소 떨어지는 것으로 평가되었으나 전체 세공용적 중 중간세공이 100%를 차지하고 있어 분자량이 큰 오염물질에 대한 제거효율은 높을 것으로 예상 된다. 사진 1은 주사전자현미경(SEM; Philips XL30 ESEM) 을 이용해 세공분포 발달을 관찰한 것으로 촬영결과 표면세공의 발달을 육안으로 확인할 수 있었다.
가장 느린 조건인 k=1E-4 cm/sec에서는 지속적으로 감소하는 경향을 보였다. 실험종료 후 pH가 약 6.5인 것으로 미루어 볼 때 침전에 의한 중금속 제거효과를 유지함을 알 수 있었다. 한편 그림 2(g)~(i)는 상대밀도가 72%인 조밀한 경우 각 흐름조건별 pH변화를 나타낸 것이다.
유입속도 관점으로 봤을 때 k=1E-2∼1E-3cm/sec에서의 pH변화는 유사한 경향을 보였으며, 유입속도가 상대적으로 느린 1E-4cm/sec에서는 pH 가 상승하는데 필요한 PRB길이가 짧은 것으로 나타났다.
(3) 제거효율과 가동시간과의 상관관계 분석결과 가동 시간이 증가함에 따라 제거효율은 감소하였고, PRB 길이에 따라 제거효율은 선형적으로 증가하였다. 이 같은 결과는 PRB두께와 제거효율은 비례관계임을 의미하며, 이러한 관계를 이용하여 PRB system 내 반응물질 두께를 CFW 밀도, 정화기간을 고려한 제안식을 이용하여 설계할 수 있음을 확인하였다.
전반적으로 중금속 유입시간이 증가할수록 점차 제거율은 감소하였으며, 감소폭은 실험초반에 크게 나타났다. 이것은 pH가 실험초반에 증가폭이 큰 것과 관련되며, CFW의 pH가 일정수준을 유지한 이후에 침전에 의한 제거보다 흡착에 의한 제거효과가 지배적이었기 때문으로 판단된다.
전반적으로 컬럼 내부의 수직적인 pH변화 양상은 Cu2+ 의 주입에 따른 수소이온의 증가로 pH는 유입부인 하부부터 점차 중화반응이 진행되어 컬럼 상부로 확산됨을 확인할 수 있었다. 또한, CFW의 충진밀도와 흐름속도에 따른 pH변화와 관련된 영향인자 중에서 밀도는 중간밀도일 때 큰 폭의 변화를 가져왔으며, 흐름속도가 k=1E-3cm/sec이상의 조건에서는 변화폭이 크지 않음을 알 수 있었다.
제거효율은 컬럼길이에 따라 선형적인 감소경향을 보였고, 오염물의 유입속도가 느릴수록 제거효율은 증가하였고, 밀도가 증가할수록 pH증가 효과가 우수하였다. 즉, 밀도와 유입속도에 따른 제거효율은 pH의 변화, 오염물과 흡착제의 반응시간, 반응횟수가 증가함에 따라 제거효율이 증감됨을 알 수 있었다.
제거효율은 컬럼길이에 따라 선형적인 감소경향을 보였고, 오염물의 유입속도가 느릴수록 제거효율은 증가하였고, 밀도가 증가할수록 pH증가 효과가 우수하였다. 즉, 밀도와 유입속도에 따른 제거효율은 pH의 변화, 오염물과 흡착제의 반응시간, 반응횟수가 증가함에 따라 제거효율이 증감됨을 알 수 있었다.
PRB의 사용기간은 흡착제의 최대흡착량과 비례하기 때문에 유입되는 금속이온 양이 변화하면 PRB길이는 초기농도-흡착량과의 관계로 변화하게 될 것이다. 즉, 유입되는 중금속의 양이 작으므로, 흡착제 최대흡착능력은 유입 중금속의 양만큼 사용기간이 증가한다는 것을 의미한다. 따라서 사용기간은 PRB의 두께를 증감시킴에 따라 변화시킬 수 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
양수 처리 공법은 무엇을 하는 방법인가?
오염된 지하수 정화를 위한 대표적인 방법으로는 양수 처리(pump and treat)공법이 있는데, 이 공법은 오염된 지하수를 추출정 또는 양수한 후 다양한 물리·화학적 처리에 의해 정화시키는 비원위치(ex-situ)처리 방법이다. 원위치(in-situ)처리방법은 오염원(유기, 무기)에 따라 미생물, 공기, 화학용액 등을 주입하는 방법과 반응물질을 벽체형태로 설치하여 오염물질과의 반응에 의해 처리할 수 있는 PRB(permeable reactive barrier)공법이 있다.
양수 처리 방법은 어떤 과정으로 오염된 지하수를 정화하는가?
오염된 지하수 정화를 위한 대표적인 방법으로는 양수 처리(pump and treat)공법이 있는데, 이 공법은 오염된 지하수를 추출정 또는 양수한 후 다양한 물리·화학적 처리에 의해 정화시키는 비원위치(ex-situ)처리 방법이다. 원위치(in-situ)처리방법은 오염원(유기, 무기)에 따라 미생물, 공기, 화학용액 등을 주입하는 방법과 반응물질을 벽체형태로 설치하여 오염물질과의 반응에 의해 처리할 수 있는 PRB(permeable reactive barrier)공법이 있다.
PRB 공법 적용에 관한 주요 지배요소는 반응벽체 내에 삽입되는 반응물질인데, 대표적인 반응 물질로는 무엇이 있는가?
PRB공법 적용에 관한 주요 지배요소는 반응벽체 내에 삽입되는 반응물질이며, 반응물질과 오염물간의 물리·화학적 특성에 따라 정화효율, 사용시간 등이 결정된다. 대표적인 반응물질로는 영가철(zero valent iron; ZVI), 제올라이트(zeolite), 입상활성탄(granular active carbon; GAC) 등이 사용되고 있으며, 최근에는 폐자원 활용에 관심을 둔 연구가 급증하고 있는 추세이다(이종영 등, 2009; 한중근 등, 2007, 2011; Han et al., 2010a).
환경부 (1996), 음식물 쓰레기의 제거 기술과 버려지는 식량자원의 경제적 가치산정에 관한 연구.
환경부 (2004), 음식물류 폐기물 처리 및 우수시설 사례집, 연구보고서.
Han, J.G., Lee, J.Y., Hong, S.M. and Kim Y.W. (2008), "The Application of Permeable Reactive Barrier using Food Waste-Carbonized", The 19th Annual Research Conference of the Japan Society of Waste Management Experts, Japan.
Han, J.G., Lee, J.Y., Hong, K.K., Lee, J.Y., Kim, Y.W. and Hong, S.M. (2010a), "Adsorption characteristics of $Cu^{2+}$ and $Zn^{2+}$ from aqueous solution using carbonized foods waste (CFW)." Journal of Material Cycles and Waste Management, Vol.12, No.3, pp.227-234.
USEPA (1997), Permeable reactive subsurface barriers for the interception and remediation of chlorinated hydrocarbon and chromium (VI) plumes in ground water, EPA/600/F-97/008.
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