[논문]트리클로로에틸렌(TCE) 선택적 반응에 따른 모래, 칼슘-벤토나이트 및 겔화제 혼합차수물의 투수 특성

윤성열; 최정우; 오민아; 이재영

doi:10.12814/jkgss.2020.19.1.025

트리클로로에틸렌(TCE) 선택적 반응에 따른 모래, 칼슘-벤토나이트 및 겔화제 혼합차수물의 투수 특성
Characteristic of Permeability with the Sand, Calcium Bentonite and Solidifier Mixtures according to Selective Reaction of TCE 원문보기

한국지반신소재학회논문집 = Journal of the Korean Geosynthetics Society, v.19 no.1, 2020년, pp.25 - 33

윤성열 (Department of Environmental engineering, The University of Seoul) , 최정우 (Department of Environmental engineering, The University of Seoul) , 오민아 (Department of Environmental engineering, The University of Seoul) , 이재영 (Department of Environmental engineering, The University of Seoul)

초록
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본 연구에서는 기존 차수재가 수분과의 팽윤성을 갖는 특징을 개선하기 위해 모래, 칼슘-벤토나이트 및 겔화제 혼합물의 트리클로로에틸렌(TCE) 반응에 따른 투수 특성을 평가하였다. 이를 위해 연구 재료의 기본적인 특성 분석, 투수시험을 진행하였다. 투수계수는 칼슘-벤토나이트 혼합 비율이 증가함에 따라 감소하였으며, 겔화제 혼합 비율이 증가함에 따라 증가하였다. 결론적으로, 칼슘-벤토나이트 15%, 겔화제 30% 이상 혼합 시 지하수 유동에서의 투수계수는 α × 10^-4 cm/sec 이상으로 분석되어 지하수 유동을 차단하지 않는 것으로 분석되었다. 또한 TCE 반응 시 혼합차수물의 투수계수는 α × 10^-7 cm/sec 이하로 분석되어, 차단층 투수계수 조건(1.0 × 10^-6 cm/sec 미만)을 만족하였다. 따라서 칼슘-벤토나이트와 겔화제는 TCE로 오염된 토양 및 지하수에 선택적 투수능 변환 특성을 보이는 차수재로서 활용이 가능하다.

Abstract ▼ AI-Helper

To improvement the swelling characteristics of the existing cutoff wall against the moisture, the permeability of the sand, calcium bentonite and solidifier mixture according to the contact with trichloroethylene (TCE) was evaluated. Characteristics analysis and the permeability test of the research materials were performed. The permeability was decreased as the mixing ratio of the calcium bentonite was increased and it was increased as the mixing ratio of the solidifier was increased. In conclusion, when mixing 15% of calcium bentonite and more than 30% of solidifier, the permeability coefficient in the underground water movement was analyzed as more than α × 10-4 cm/sec showing that it does not block the underground water movement. In addition, as the permeability coefficient of mixtures after TCE reaction was analyzed as less than α ×10-7 cm/sec, it satisfied the condition of blocking layer (less than 1.0 × 10-6 cm/sec). Therefore, the calcium bentonite and solidifier can be utilized as barrier that showing the characteristic of percolation ability conversion in soil and underground water contaminated with TCE.

주제어

표/그림 (13)

그림 Fig. 1. S mine calcium bentonite
그림 Fig. 2. Mineralogical properties of S mine Calcium bentonite
표 Table 2. Chemical properties of S mine calcium bentonite
표 Table 1. Physical properties of S mine calcium bentonite
그림 Fig. 3. Solidifier before and after TCE contact
표 Table 3. Physical properties of solidifier in this study
표 Table 4. Concentration of hazardous substance in solidifier
표 Table 5. Type of mixing ratio of sand, calcium bentonite and solidifier for this study
그림 Fig. 4. Permeability meter (DIK-4012)
그림 Fig. 5. A schematic flow chart for this study
표 Table 6. Constant-head permeability characteristics of sand, calcium bentonite and solidifier mixtures
표 Table 7. Falling-head permeability characteristics of sand, calcium bentonite and solidifier mixtures
그림 Fig. 6. Structural characteristics of mixtures with permeability change after TCE contact by calcium bentonite mixing ratio

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 차수재의 수분과의 팽윤성을 갖는 특징을 개선한 차수재를 개발하고자 한다. 이를 위해 칼슘-벤토나이 트 10%와 15%, 겔화제 15-35%로 배합비를 변화시킨 모래, 칼슘-벤토나이트 및 겔화제 혼합차수물을 차수재로 적용하여 TCE 반응에 따른 투수 특성을 평가하였다.
본 연구는 투수계수가 비교적 큰 토양에서 투수계수가 비교적 작은 토양으로 투수 특성이 변화하는 것을 목표로 하고 있다. 따라서 정수위 투수시험을 진행한 시편에 대하여 TCE와 24시간 반응시킨 후 변수위 투수시험을 진행하였다.
본 연구에서는 기존 차수재의 수분과의 팽윤성을 갖는 특징을 개선한 차수재를 개발하고자 칼슘-벤토나이트와 겔화제 및 모래를 적용하여 TCE 반응 전후 투수 특성 분 석을 진행하였으며, 다음과 같은 결론을 얻었다.
연구는 사질토와 같이 투수계수가 비교적 큰 토양에서 점성토와 같이 투수계수가 비교적 작은 토양으로 투수 특성이 변화하는 것을 목표로 하고 있다. 이러한 이유로 혼 합차수물의 지하수 유동에서는 정수위 투수시험을 통해 투수 특성을 분석하였으며, TCE 반응 후 혼합차수물의 지하수 유동에서는 변수위 투수시험을 통해 투수 특성을 분석하였다.

가설 설정

여기서, a : 변수위 눈금관 단면적(cm² ), A : 시편 단면적(cm² ), L : 시편 두께(cm), t : 시간(sec), H₁ : 변수위 눈금 관의 상부회선(cm), H₂ : 변수위 눈금관의 하부회선(cm) 이다.

제안 방법

이러 한 이유로 본 연구에서 혼합차수물의 구조분석은 ESEM 분석을 통해 진행하였다. ESEM 분석 조건은 가속전압은 10.0kV으로 고정하였으며, 작동거리는 10-11mm로 조작하여 분석을 진행하였다.
본 연구는 투수계수가 비교적 큰 토양에서 투수계수가 비교적 작은 토양으로 투수 특성이 변화하는 것을 목표로 하고 있다. 따라서 정수위 투수시험을 진행한 시편에 대하여 TCE와 24시간 반응시킨 후 변수위 투수시험을 진행하였다. Table 7은 TCE 반응 후 모래, 칼슘-벤토나이트 및 겔화제 혼합차수물의 변수위 투수 특성을 나타내고 있다.
5는 모래, 칼슘-벤토나이트 및 겔화제 혼합차수물의 투수 특성 시험 방법을 나타내고 있다. 본 연구에서 TCE 반응은 정수위 투수시험을 진행한 시편에 대하여 TCE 원액을 혼합차수물과 24시간 접촉시킨 후 변수위 투수시험을 진행하였다.
본 연구에서 혼합차수물의 구조 특성은 투수능 변환 특성을 보이는 시편에 대하여 칼슘-벤토나이트 함량에 따른 혼합 차수물의 구조 분석을 환경주사전자현미경(Environmental Scanning Electron Microscopy, ESEM) 분석을 통해 진행하였다. 연구 특성상 혼합차수물은 수분을 함유하고 있기 때문에 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope, SEM) 및 전계방사형 주사전자현미경(Field Emission Scanning
0 × 10^-5 cm/sec 이상이다(Ratrick, 1992).연구 특성상 TCE 접촉 전 혼합차수물은 투수계수가 비교적 큰 토양으로 투수 특성이 변화하지 않는 것이기 때문에 정수위 투수시험을 진행하였다. 제조한 시편은 지하수 유동 차단 여부 확인을 위해 정수위 투수 시험을 진행하였다.
연구 특성상 TCE 접촉 후 혼합차수물은 투수계수가 비교적 작은 토양으로 투수 특성이 변화하는 것이기 때문에 변수위 투수시험을 진행하였다. 정수위 투수 특성이 분석된 시편은 TCE를 접촉하였으며, TCE와 접촉한 시편은 지하수 유동 차단 여부 확인을 위해 변수위 투수 시험을 진행하였다.
특히, ESEM 은 분석 시 저진공 상태에서 sample 표면에 미세한 입자의 H₂O를 분사해주기 때문에 코팅 등의 전처리 과정이 필요 없이 수분을 함유한 sample image 관찰이 가능하다. 이러 한 이유로 본 연구에서 혼합차수물의 구조분석은 ESEM 분석을 통해 진행하였다. ESEM 분석 조건은 가속전압은 10.
연구는 사질토와 같이 투수계수가 비교적 큰 토양에서 점성토와 같이 투수계수가 비교적 작은 토양으로 투수 특성이 변화하는 것을 목표로 하고 있다. 이러한 이유로 혼 합차수물의 지하수 유동에서는 정수위 투수시험을 통해 투수 특성을 분석하였으며, TCE 반응 후 혼합차수물의 지하수 유동에서는 변수위 투수시험을 통해 투수 특성을 분석하였다.
본 연구는 차수재의 수분과의 팽윤성을 갖는 특징을 개선한 차수재를 개발하고자 한다. 이를 위해 칼슘-벤토나이 트 10%와 15%, 겔화제 15-35%로 배합비를 변화시킨 모래, 칼슘-벤토나이트 및 겔화제 혼합차수물을 차수재로 적용하여 TCE 반응에 따른 투수 특성을 평가하였다. 특히, 투수능 변환 특성을 보이는 혼합차수물에 대해 구조 분석을 진행하였다.
연구 특성상 TCE 접촉 후 혼합차수물은 투수계수가 비교적 작은 토양으로 투수 특성이 변화하는 것이기 때문에 변수위 투수시험을 진행하였다. 정수위 투수 특성이 분석된 시편은 TCE를 접촉하였으며, TCE와 접촉한 시편은 지하수 유동 차단 여부 확인을 위해 변수위 투수 시험을 진행하였다. 변수위 투수계수 계산은 시편의 단면적 및 두께, 투수량과 단위용적질량 및 수압의 관계로부터 식 (3)을 통해 계산하였으며, 식 (4)를 통해 투수계수의 온도 보정을 진행하였다.
연구 특성상 TCE 접촉 전 혼합차수물은 투수계수가 비교적 큰 토양으로 투수 특성이 변화하지 않는 것이기 때문에 정수위 투수시험을 진행하였다. 제조한 시편은 지하수 유동 차단 여부 확인을 위해 정수위 투수 시험을 진행하였다. 정수위 투수계수 계산은 시편의 단면적 및 두께, 높이 차이로부터 식 (1)을 통해 계산하였으며, 식 (2)를 통해 투 수계수의 온도 보정을 진행하였다.
선행연구로부터 칼슘-벤토나이트 20% 이상 배합 시 지하수 유동을 차단하는 것으로 분석되었으므로, 칼슘-벤토나이트 배합비는 10%와 15%로 선정하였다. 특히, 겔화제의 주성분은 polynorbornene rubber이므로, 지하수 유동상태에 크게 영향을 미치지 않을 것으로 판단되어 15-35%로 선정하고 연구를 진행하였다. 모래, 칼슘-벤토나이트 및 겔화제 배합비에 대한 시편은 KSF 2314 (2018)에 준하여 시행하였으며, 시편의 모양은 5cm, 높이는 지름의 1.
이를 위해 칼슘-벤토나이 트 10%와 15%, 겔화제 15-35%로 배합비를 변화시킨 모래, 칼슘-벤토나이트 및 겔화제 혼합차수물을 차수재로 적용하여 TCE 반응에 따른 투수 특성을 평가하였다. 특히, 투수능 변환 특성을 보이는 혼합차수물에 대해 구조 분석을 진행하였다.
이러한 결과는 본 연구에서 혼합차수물 제조시 혼합차수물을 구성하는 평균입경에 의해 기인한 것으로 판단된다. 혼합차수물 제조시 칼슘-벤토나이트와 모래는 입경 0.15mm 이하, 겔화제는 입경 0.8mm 이하를 적용하여 혼합차수물을 제조하였다. 따라서 겔화제의 투입량이 증가함에 따라 혼합차수물의 유효입경이 증가하게 된다.

대상 데이터

Table 4은 겔화제의 유해물질 함량을 나타내고 있다. 겔화제는 지중에 적용되기 때문에 토양환경보전법에 의거하여 유해물질 함량을 분석하였으며, 모든 항목들은 토양환경보전법 기준을 만족하는 것으로 분석되었다(Ministry of Environment, 2019) 연구에 사용된 모래는 칼슘-벤토나이트와 마찬가지로 압력 감소 및 시료의 균질성을 위해 0.20mm 이하의 모래를 사용하였다. 트리클로로에틸렌(Trichloroethylene, 순도 99.
모래, 칼슘-벤토나이트 및 겔화제 배합비에 대한 시편은 KSF 2314 (2018)에 준하여 시행하였으며, 시편의 모양은 5cm, 높이는 지름의 1.8∼2.5배로 제작하였다.
본 연구에서는 선행연구와 동일한 칼슘-벤토나이트를 사용하였으며(Yun et al., 2019), 지중에 차수재로서 적용하는 것을 목적으로 하고 있기 때문에 지중에서의 압력 감소 및 시료의 균질성을 위하여 0.15mm 이하의 칼슘-벤토 나이트를 사용하였다.
Table 5는 모래, 칼슘-벤토나이트 및 겔화제의 배합비를 나타내고 있다. 선행연구로부터 칼슘-벤토나이트 20% 이상 배합 시 지하수 유동을 차단하는 것으로 분석되었으므로, 칼슘-벤토나이트 배합비는 10%와 15%로 선정하였다. 특히, 겔화제의 주성분은 polynorbornene rubber이므로, 지하수 유동상태에 크게 영향을 미치지 않을 것으로 판단되어 15-35%로 선정하고 연구를 진행하였다.
연구에 사용된 겔화제는 분쇄 등의 추가적인 전처리 없이 적용하였다. Table 3는 겔화제의 물리적 특성을 나타내고 있다.
칼슘-벤토나이트는 포항시 소재 S 벤토나이트 광산에서 채취하였으며, S 벤토나이트 광산 전경은 Fig. 1, 칼슘-벤 토나이트의 광물학적 특성은 Fig. 2와 같다.
투수시험은 Fig. 4와 같이 U 사의 토양투수성 측정기 DIK-4012를 사용하여 진행하였다. KSF 2322(2015)에서는 사질토와 같이 투수계수가 비교적 큰토양인 경우 정수 위 투수시험, 점성토와 같이 투수계수가 비교적 작은 토양인 경우 변수위 투수시험을 실시하도록 규정하고 있다.
20mm 이하의 모래를 사용하였다. 트리클로로에틸렌(Trichloroethylene, 순도 99.5% 이상)은 Sigma-Aldrich사의 시약을 사용하였다.

성능/효과

(1) 모래, 칼슘-벤토나이트 및 겔화제 혼합차수물의 지하수 유동에서의 투수계수 결정은 칼슘-벤토나이트 함량이 겔화제와 모래 함량에 비해 지배적으로 작용한다. 칼슘-벤토나이트의 주 구성광물은 몬모릴로나이트로서 배합비가 증가함에 따라 팽윤도가 증가하여 지하수 유동에서의 투수계수를 감소시키지만, 겔화제의 배합비 증가시 혼합차수물 내 유효입경이 증가하여 지하수 유동에서의 투수계수는 증가한다.
(2) 모래, 칼슘-벤토나이트 및 겔화제 혼합차수물의 지하수 유동에서의 투수계수가 α × 10-4 cm/sec에서 TCE 반응 후 차단층 투수계수 α × 10-7 cm/sec로 투수 특성이 변환되기 위해서는 구조적 안정성 확보가 가능해야 한다.
(3) 모래, 칼슘-벤토나이트 및 겔화제 혼합차수물의 지하수 유동에서의 투수계수가 α × 10-4 cm/sec에서 TCE 반응 후 차단층 투수계수 α × 10-7 cm/sec로 투수 특성이 변환되기 위해서는 겔화제 30% 이상 배합 시 가능하다.
(4) 칼슘-벤토나이트 15% 배합시 구조적 안정성 확보가 가능하여 TCE와 반응을 통해 생성된 겔화 물질이 혼합차수물 내 모든 간극을 채워 차단층이 형성되나, 칼슘-벤토나이트 10% 배합 시 일부 간극이 존재하여 투수능 변환 특성이 발휘되지 않는다. 다만, 혼합차수재를 구성하는 바인더의 특성에 따라 배합비가 증감할 수 있으므로, 혼합차수재로 활용하기 전 추가적인 연구를 통해 배합비를 산정할 필요가 있다.
X-ray Diffraction(XRD) 분석 결과 몬모릴로나이트(Mont-morillonite)가 주 구성광물이며, 조장석(Albite)과 소량의 크리스토발라이트(Cristoballite)로 구성되어 있는 것으로 분석되었다. 이는 Lee et al.
이러한 결과로서 칼슘-벤토나이트 15% 배합 시 투수능 변환 특성이 발휘되나, 칼슘-벤토나이트 10% 배합 시 투수능 변환 특성이 발휘되지 않는 것으로 사료된다. 이는 혼합차수물을 구성하는 바인더 함량의 중요성을 보여준다.
이상과 같은 결과로서 칼슘-벤토나이트는 활성화 공정을 거치지 않고 차수재로서 활용이 가능하며, 겔화제는 투 수능 변환 특성을 보이는 차수재로서 기존 차수재의 유기 오염물질 유출 시에만 팽윤성을 보이는 차수재로서 활용이 가능하다고 판단된다.
채굴한 칼슘-벤토나이트의 X-Ray Fluorscencen(XRF) 분석 결과 CaO 함량이 Na₂O 함량보다 0.09% 높게 분석되었다. 일반적으로 칼슘-벤토나이트는 XRF 분석 시 CaO 함량이 NaO 함량보다 높게 분석된다.
칼슘-벤토나이트 10% 배합 시 투수계수는 겔화제 배합비가 15%에서 35%로 증가함에 따라 투수성이 증가하는 것이 아니라 증가 또는 감소하는 경향을 나타냈다. 이러한 결과는 공시체 제작 시 충분한 혼합과정을 거쳐서 제작하였으나, 일부 불균질하게 혼합되어 공시체가 제작되어 이러한 결과가 나타난 것으로 판단된다.
칼슘-벤토나이트 15% 배합 시 투수계수는 α × 10-7 cm/sec 범위로 분석되어 국내 차단층 투수계수 조건을 만족하는 것으로 분석되었다.

후속연구

국내에서 겔화제에 대한 연구는 1999년부터 해양환경에 유출된 유류를 처리하는 목적으로 연구된 바 있으나(Cheong, 2008;Lee, 2001), 지중환경에 차수재로서 적용된 사례는 거의 없다. 그러나 겔화제를 지중 환경에 차수재로서 적용 시 겔화제 특성상 지하수와 거의 반응하지 않으며, 유기오염 물질 유출 시 고형화하여 차수가 가능할 것으로 기대된다.
(4) 칼슘-벤토나이트 15% 배합시 구조적 안정성 확보가 가능하여 TCE와 반응을 통해 생성된 겔화 물질이 혼합차수물 내 모든 간극을 채워 차단층이 형성되나, 칼슘-벤토나이트 10% 배합 시 일부 간극이 존재하여 투수능 변환 특성이 발휘되지 않는다. 다만, 혼합차수재를 구성하는 바인더의 특성에 따라 배합비가 증감할 수 있으므로, 혼합차수재로 활용하기 전 추가적인 연구를 통해 배합비를 산정할 필요가 있다.
추후, 차수능 변환 특성을 보이는 차수재 개발 시 바인더 배합비에 대한 충분한 실험이 필요할 것이다. 또한 이러한 구조학적 특성을 면밀하게 규명하기 위해서는 추가적인 연구가 필요하다.
이는 혼합차수물을 구성하는 바인더 함량의 중요성을 보여준다. 추후, 차수능 변환 특성을 보이는 차수재 개발 시 바인더 배합비에 대한 충분한 실험이 필요할 것이다. 또한 이러한 구조학적 특성을 면밀하게 규명하기 위해서는 추가적인 연구가 필요하다.
이러한 결과는 공시체 제작 시 충분한 혼합과정을 거쳐서 제작하였으나, 일부 불균질하게 혼합되어 공시체가 제작되어 이러한 결과가 나타난 것으로 판단된다. 추후, 차수능 변환 특성을 보이는 차수재 개발 시 충분한 실험이 필요할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	LNAPL이란?	이 중 유기오염 물질은 지하수면 상부에 존재하는 저밀도비수상액체(Lighter-than-water Non-Aqueous Phase Liquids, LNAPL)과 지하 수면 하부에 존재하는 고밀도비수상액체(Denser-than-water Non-Aqueous Phase Liquids, DNAPL)로 분류된다(Bang, 2017; Kim and Yi, 1998).LNAPL은 물보다 비중이 작은 유기오염물질로서 환경 에 유출 시 겔화제를 사용하여 물질을 흡수시킨 후 회수 및 소각하는 방법이 알려져 있다(Jeong, 2016). 그러나 DNAPL 은 물보다 비중이 크기 때문에 환경에 유출 시 불투수 매 질을 만나기까지 침투되며, 단열암반 내 미세 단열속으로 침투하면 정화가 매우 어려운 특징을 가진다(Kim et al.
	차수재의 사용으로 인해 지하수 유동 차단이 일어나는 이유는?	현재까지 개발된 대부분의 차수재는 수분과의 팽윤성 이 높은 벤토나이트를 혼합하여 제조되고 있다. 이러한 이 유로 현재까지 개발된 차수재 대부분은 유기오염물질이 유출되지 않더라도, 지하수 내 수분이 벤토나이트와 반응 하여 차수능이 발휘되어 지하수 유동을 차단하게 된다 (Lee et al., 2014; MIFAFF, 2012).
	LNAPL와 비교하여 DNAPL가 가지는 단점은?	LNAPL은 물보다 비중이 작은 유기오염물질로서 환경 에 유출 시 겔화제를 사용하여 물질을 흡수시킨 후 회수 및 소각하는 방법이 알려져 있다(Jeong, 2016). 그러나 DNAPL 은 물보다 비중이 크기 때문에 환경에 유출 시 불투수 매 질을 만나기까지 침투되며, 단열암반 내 미세 단열속으로 침투하면 정화가 매우 어려운 특징을 가진다(Kim et al., 2019).

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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