[논문]비파괴적 기법을 활용한 다공성 매체에서의 용질 이동 메커니즘 분석에 대한 고찰

장성간; 김태섭; 김창민; 양민준

doi:10.9720/kseg.2024.3.473

[국내논문] 비파괴적 기법을 활용한 다공성 매체에서의 용질 이동 메커니즘 분석에 대한 고찰
A Review of Image Analysis Techniques for Investigating Solute Transport in Porous Media 원문보기

지질공학 = The journal of engineering geology, v.34 no.3, 2024년, pp.473 - 496

장성간 (국립부경대학교 지구환경시스템과학부 지구환경과학전공) , 김태섭 (국립부경대학교 지구환경시스템과학부 환경지질과학전공) , 김창민 (국립부경대학교 지구환경시스템과학부 지구환경과학전공) , 양민준 (국립부경대학교 지구환경시스템과학부 환경지질과학전공)

초록
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본 논문은 오염 수리지질학 분야에서 다공성 매질 내 용질 이동 메커니즘을 분석하기 위한 비파괴적 방법 중 하나인 이미지 분석법을 검토하였다. 일반적으로 사용되는 이미지 분석법으로는 X-ray를 활용한 X-ray 영상법, UV 또는 가시광선을 활용한 광 투과 시각화 및 광 반사 시각화가 있다. 이러한 이미지 분석법은 용질 농도 분포, 유체 흐름 역학 및 다상 시스템에 대한 정밀한 고해상도 데이터를 제공하며, 실험구성을 변경하지 않고 지속적인 모니터링을 진행함으로써 용질 이동 메커니즘에 보다 정확한 통찰력을 제공할 수 있다. 본 논문에서는 각 이미지 분석법의 개요, 적용, 장점 및 한계점을 나타내었다. 또한, 이러한 방법들이 용질의 이동을 이해하고 예측하는 데 어떠한 기여를 하고 있는지, 그리고 이러한 방법들이 적용된 연구 사례들에 대해서 논의하고자 한다. 이를 통해 이미지 분석법이 지하수 오염과 같은 환경 문제 해결에 어떻게 기여할 수 있는지에 대한 종합적인 이해를 제공하고자 한다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study reviewed image analysis techniques used in non-destructive investigations of solute transport mechanisms in porous media during contaminant transport. Commonly employed image analysis methods include X-ray imaging, light-transmission visualization, and light-reflection visualization using ultraviolet or visible light. These techniques provide precise, high-resolution data on solute concentration distributions, fluid flow dynamics, and multiphase systems. Through continuous monitoring without alteration of the experimental setup, they provide accurate insights into solute transport mechanisms. We outline the principles, applications, advantages, and limitations of each method, and explore their contribution to the understanding and prediction of solute transport. We also examine case studies in which these methods have been effectively applied. This review provides a comprehensive understanding of how image analysis techniques can contribute to addressing environmental issues such as groundwater contamination.

Keyword

표/그림 (18)

표 Table 1. Comparison of imaging methods, advantages, and limitations of image analysis techniques for investigating solute transportin porous media
표 Table 2. Image analysis techniques for investigating of multiphase fluid distribution, solute transport, fluid flow, and reactive transport using the tracer andsolute
표 Table 2. Continued
그림 Fig. 1. Flow cell configuration. The dense non-aqueous phase liquid (DNAPL) pool was created by filling the lower part with coarse-grained sand and the overlying volume with fine-grained sand (modified from Glover etal., 2007).
그림 Fig. 2. (a) Steady-state mass flux of chlorinated ethene chemicals in flow-cell effluentfor dissolution experiments with biological activity. (b) Relationship of bio-enhancement ratio to transition-zone thickness and flow rate (modified from Glover etal., 2007).
그림 Fig. 3. Schematic of (a) X-rayimaging; (b) light-transmission visualization; and (b) the sand chamber used in comparison studies (modified from Tidwell and Glass, 1994).
그림 Fig. 4. Saturation as a function of flow-cell height as measured by X-ray, light, and gamma techniques. Saturation profile for (a) 0.42~0.30mm, (b) 0.59~0.21 mm, and (c) 0.84~0.149 mm sand (modified from Tidwell and Glass, 1994).
그림 Fig. 5. (a) Breakthrough curves for tetrachloroethene (PCE) concentration during seven successive surfactant flushing pulses. (b) Examples of PCE saturation changes in measurements at different stages during surfactant flushing using Model 4 (modified from Wang et al., 2008).
그림 Fig. 7. (a) Photographs of visualization in the tracer study using fluorescein at specific times during the 22-day loading phase, captured at 1,3, 5, 10, and 22 days, and during the flushing phase, recorded at 2, 5, 11, and 52 days following the termination of source input. (b) Measured and simulated breakthrough curves for fluorescein and bromidein the effluent using a numerical model (HydroGeoSphere, HGS) (modified from Chapman et al., 2012).
그림 Fig. 6. Schematic of the flow chamber system for dual tracer (fluorescein and bromide) studies, with darker bentonite zones surrounded by lighter sand and assumed geometry of clay layers for incorporation in numerical simulations (modified from Chapman et al., 2012).
그림 Fig. 8. Dimensions of the sand flow cell with aquifer (tan) and aquitard (white). The squaresin the background grid are 1 cm across. The upper clay with transects A-A', B-B', and C-C' represent installed fiber optic cables for measurements of fluorescein concentrations (modified from Bolhari and Sale, 2023).
그림 Fig. 9. Profiles of fluorescein concentrations through the upper clay and adjacent sand layer. Transects A-A', B-B' and C-C' lie along lines with a vertical position of 59 cm, a horizontal position of 51 cm, and a vertical position of 71 cm, respectively. Red shading indicates the position of the clay. Arrows indicate directions of diffusion fluorescein transport in the clay (modified from Bolhari and Sale, 2023).
그림 Fig. 10. Log of effluent fluorescein and bromide concentrations versus time (modified from Bolhari and Sale, 2023).
그림 Fig. 11. Schematic of the flow-chamber system using Brilliant Blue FCF in Kaolinite and Ponceau 4R in montmorillonite (modified from Yang et al., 2014).
그림 Fig. 12. Concentration versus corrected intensity calibration curves with clay (kaolinite and montmorillonite) and dye (Brilliant Blue FCF and Ponceau 4R) at concentrations of 0, 0.5, 1.5, 10, 50, 100, 150, 200, 250, and 300mgL^-1 (modified from Yang et al., 2014).
그림 Fig. 13. Measured and simulated concentration profiles at days 5 and 23 for (a) Brilliant Blue FCF in Kaolinite, and (b) Ponceau 4R in montmorillonite. Two different horizontal frames (partial and whole) were used (modified from Yang et al., 2014).
그림 Fig. 14. (a) Conceptual schematic of the flow-chamber system with anaquifer and aquitard. The aquitard comprised 4cm of kaolinite and montmorillonite, and 6 cm of bentonite. The tracer (sodium fluorescein) flowed to thex-direction in the aquifer and diffused upward in thez-direction in the aquitard. (b) Measurement procedure of RGB channel intensities. The image files (bentonite layer, 6 cm depth) obtained during the diffusion-chamber experiments were split into RGB- scale images, and transformed into grey-scale images to measure the RGB channel intensities (modified from Kim et al., 2024).
그림 Fig. 15. Measured and simulated sodium fluorescein concentration profiles during the early and late stages of forward diffusion are presented for (a) kaolinite using the blue channel (31.1, 97.9 pore volumes (PVs)) andfor (b) montmorillonite using the green channel (54.6, 93.9 PVs). For the bentonite layer, sodium fluorescein concentration profiles are shown through a combination of green and blue channels at(c) early time periods (6.71, 29.7 PVs) and (d) later timeperiods (89.1 PVs) (modified from Kim et al., 2024).

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구의 목적은 이미지 분석 방법을 활용하여 다공성 매질 내에서 오염 물질의 이동 및 농도 변화를 정밀하게 분석하고 이를 다양한 환경 연구에 응용하는 방법을 고찰하는 데 있다. 이를 위한 세부 목적은 먼저 1) 이미지 분석 방법들의 기본 작동 원리를 상세히 설명하며, 연구자들이 해당 방법의 기초 개념을 이해할 수 있도록 함이다.
이를 통해 연구자들은 이미지 분석 방법이 수리지질학 분야에서 어떤 방식으로 유용하게 사용될 수 있는지에 대한 구체적인 응용 방안을 얻을 수 있을 것이다. 본 논문은 이러한 분석을 통해, 이미지 분석 기술이 오염 물질의 이동 및 농도 변화 연구에 있어 가지는 잠재적 가능성을 종합적으로 평가하고, 이를 바탕으로 더 나은 환경 관리 및 오염 예방 전략 수립에 기여하고자 한다.
본 논문은 다공성 매질 내 용질 이동 메커니즘을 분석하기 위해 사용되는 비파괴적 방법인 X-ray 영상법, LTV, LRV 방법을 검토하였다. 이러한 기술은 각각의 특성과 장단점을 바탕으로, 오염 물질의 분포와 이동 경로를 정밀하게 파악하고, 복잡한 지질 환경에서 오염 물질의 거동을 이해하는 데 중요한 기여를 하고 있다.

제안 방법

이러한 원리 설명은 X-ray 기반, 자외선을 활용한 발광, 그리고 광학을 이용한 투과 및 반사 기법 등 다양한 기술에 대한 심층적인 이해를 돕는데 있다. 다음으로, 2) 각 이미지 분석 방법의 장단점을 종합적으로 분석하여, 각 방법이 가지는 특성, 적용 가능 범위, 해상도, 시간적 ‧ 공간적 제약 등을 비교하고자 한다. 이를 통해 연구자들이 특정 연구 목표에 가장 적합한 이미징 기술을 선택할 수 있도록 가이드라인을 제시함에 있다.
이러한 한계를 극복하기 위해, 연구팀은 수치 모델링을 활용하였다. 유출수에서 측정된 플루오레세인 및 브로마이드 농도를 모델링 결과와 비교하여, 실험에서 사용된 모델링의 타당성을 검증하고, 챔버 내 용질의 분포를 추정하였다(Fig. 7b).

성능/효과

실험 결과, X-ray 영상법은 챔버 내 DNAPL 포화도의 공간 분포를 시각화 하였으며, 전이 구역(transition zone)이 생분해를 가속화시키는 주요 원인임을 규명하였다. 전이 구역에서는 물과 DANPL이 혼합되는 전이 구역이 형성되어 미생물의 활동도 증가로 인한 DNAPL 분해의 가속화를 기대할 수 있었다.
74인 구역에서는 전이 구역의 발달이 미비하였다. 관측 가능한 전이 구역이 있는 평균 포화도에서 미생물의 활동은 생분해 인자가 4~13으로 DNAPL의 전달 속도를 크게 증가시킨 반면, 전이 구역이 관측되지 않은 평균 포화도에서는 생분해 인자가 1.5 미만으로 제한적인 생분해를 나타내었다(Fig. 2).
2). 이러한 연구 결과는 전이 구역 내 DNAPL 오염원을 표적으로 지하수 시스템의 보다 효과적인 오염 완화를 촉진하는 생물학적 복원 전략의 잠재력을 강조하였으며, X-ray 시스템을 활용한 DNAPL 공간 분포 분석은 미생물 활동 및 물질 전달 과정 사이의 복잡한 상호 작용을 비파괴적이면서도 연속적으로 규명하였음에 그 의의가 있다.
연구 결과, UV 램프를 사용하여 촬영된 이미지는 챔버 내 플루오레세인의 분포 및 이동에 대해 자세한 시각적 증거를 제시하였다. 용질 주입 단계에서 촬영된 이미지는 플루오레세인이 대수층에서 저투수층으로 확산되는 과정을 명확히 보여주었다.
연구 결과, UV 램프를 사용하여 촬영된 이미지는 챔버 내 플루오레세인의 분포 및 이동에 대해 자세한 시각적 증거를 제시하였다. 용질 주입 단계에서 촬영된 이미지는 플루오레세인이 대수층에서 저투수층으로 확산되는 과정을 명확히 보여주었다. 세척 단계에서는 대수층에 분포된 플루오레세인이 점진적으로 제거된 후, 저투수층에 저장된 플루오레세인이 대수층으로 천천히 확산되는 현상을 포착하였다.

후속연구

이를 통해 연구자들이 특정 연구 목표에 가장 적합한 이미징 기술을 선택할 수 있도록 가이드라인을 제시함에 있다. 마지막으로, 3) 각 이미지 분석 방법이 실제로 적용된 대표적인 연구 사례를 소개함으로써, 이러한 방법들이 실질적으로 어떻게 활용되고 있는지, 그리고 오염 물질 이동 메커니즘을 규명하는 데 있어 어떠한 기여를 하고 있는지에 대해 논의함에 있다. 이를 통해 연구자들은 이미지 분석 방법이 수리지질학 분야에서 어떤 방식으로 유용하게 사용될 수 있는지에 대한 구체적인 응용 방안을 얻을 수 있을 것이다.
마지막으로, 3) 각 이미지 분석 방법이 실제로 적용된 대표적인 연구 사례를 소개함으로써, 이러한 방법들이 실질적으로 어떻게 활용되고 있는지, 그리고 오염 물질 이동 메커니즘을 규명하는 데 있어 어떠한 기여를 하고 있는지에 대해 논의함에 있다. 이를 통해 연구자들은 이미지 분석 방법이 수리지질학 분야에서 어떤 방식으로 유용하게 사용될 수 있는지에 대한 구체적인 응용 방안을 얻을 수 있을 것이다. 본 논문은 이러한 분석을 통해, 이미지 분석 기술이 오염 물질의 이동 및 농도 변화 연구에 있어 가지는 잠재적 가능성을 종합적으로 평가하고, 이를 바탕으로 더 나은 환경 관리 및 오염 예방 전략 수립에 기여하고자 한다.
LTV 방법은 투수성이 좋은 다공성 매질을 포함한 챔버에서 Brilliant Blue FCF, Oil-Red-O 염료 또는 플루오레세인(fluorescein)과 같은 염색 염료나 형광 물질을 활용하여, 용질의 이동 및 유체 흐름 경로를 시각화한다. 이를 통해 용질의 공간 분포를 정량화할 수 있으며, 염료 확산 경로와 같은 시각적 데이터를 활용하여 용질이 다공성 매질 내에서 어떻게 퍼지고 농도가 변화하는지를 연구하는 데 적합하다. LTV는 비교적 저비용으로 수행 가능하며, 실시간으로 데이터 수집이 가능하다는 장점을 가지고 있다.
LRV는 불투명한 매질에서도 효과적으로 작동하여, LTV가 적용되지 않는 환경에서 유용한 대안적 방법으로 자리잡고 있다. 이러한 기법들은 각각의 장단점을 바탕으로 다공성 매질 내에서 용질 이동 메커니즘을 연구하는 데 중요한 데이터를 제공하며, 이를 통해 정화 전략의 개발 및 오염 방지 계획 수립에 기여할 수 있다. X-ray 영상법은 고해상도 분석을 제공하는 반면, LTV와 LRV는 비용 효율성과 실험적 간편성으로 다양한 연구 환경에서 적용 가능하다.
7a). 그러나, 챔버 내 불균질한 UV 램프 조명과 그림자 현상으로 인해 플루오레세인의 농도를 정량적으로 평가하는 데는 한계가 있었다. 이러한 한계를 극복하기 위해, 연구팀은 수치 모델링을 활용하였다.
이러한 이미지 분석법은 실험 환경에 따라 각기 다른 장점과 한계를 가지고 있지만, 다공성 매질에서 오염 물질의 이동을 실시간으로 모니터링함으로써 실험적 시나리오와 현장 적용 간의 격차를 해소하는 데 중요한 역할을 할 수 있다. 오염물질의 거동을 시각적으로 분석하고 정량화함으로써, 지하수 오염 문제에 대한 정확한 모델링과 예측이 가능해진다. 이는 궁극적으로 지속 가능한 지하수 관리를 위한 과학적 기반을 제공하며, 정확한 데이터에 근거한 오염 관리 전략을 통해 지하수 복원 활동의 효율성을 극대화할 수 있다.
이는 궁극적으로 지속 가능한 지하수 관리를 위한 과학적 기반을 제공하며, 정확한 데이터에 근거한 오염 관리 전략을 통해 지하수 복원 활동의 효율성을 극대화할 수 있다. 따라서, 이 연구에서 검토한 X-ray, LTV, LRV 방법은 오염 물질의 이동 메커니즘을 깊이 이해하는 데 중요한 도구로 작용하며, 이론적 연구와 현장 적용 사이의 차이를 줄여 지하수 오염 방지 및 관리를 위한 중요한 기초 자료를 제공할 수 있을 것으로 판단된다. 그리고 이러한 방법들이 발전함에 따라, 오염된 지하수 환경의 위험성을 평가하고, 보다 정교한 복원 전략을 수립하는 데 있어 그 중요성은 더욱 커질 것으로 예상된다.

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Zinn, B., Meigs, L.C., Harvey, C.F., Haggerty, R., Peplinski, W.J., Von Schwerin, C.F., 2004, Experimental visualization？of solute transport and mass transfer processes in two-dimensional conductivity fields with connected regions of high？conductivity, Environmental Science & Technology, 38(14), 3916-3926.

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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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