[논문]Mobile-Immobile 모델을 활용한 유류오염토양 내 수리분산 특성 연구

김용성; 우희수; 박준범

Mobile-Immobile 모델을 활용한 유류오염토양 내 수리분산 특성 연구
Analysis of Hydrodynamic Dispersion in Contaminated Soil based on Mobile-Immobile Model 원문보기

김용성 (서울대학교 건설환경공학과) , 우희수 (서울대학교 건설환경공학과) , 박준범 (서울대학교 건설환경공학과)

Laboratory column tests were conducted in this study using $Cl^-$ tracers on Jumunjin sand to analyze contaminant transport in mixed contaminated soils. Results obtained from clean soils and soils containing residual diesel verified heterogeneous distribution of residual diesel, and clear acceleration of solute movement. In addition, asymmetric breakthrough curves indicated development of immobile region where solute movement becomes stagnant and creates tailing phenomenon.

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문제 정의

증류수로 완전포화 된 시료의 간극률 산정은 질량 측정을 통하여 이루어졌다. 본 연구에서 사용된 유류오염물질은 디젤유로서 주입 후 그 잔류정도를 파악하기 위한 목적으로 Sudan IV로 염색한 후 맴브레인 필터로 걸러서 전처리하였다. 컬럼의 하단부에서 0.
본 연구에서는 비수용성 오염물질(Non Aqueous Phase Liquid, NAPL)이 잔류된 오염 포화대의 수리분산 특성을 분석하기 위해 CT 추적자를 주입하는 실내 주상실험이 수행되었다. 흙의 전기전도도 측정을 통하여 추적자의 용질의 상대농도 변화를 시간연속적으로 추정해볼 수 있었으며, 이를 Mobile-Immobile 모델로 분석하여 수리분산 인자를 구할 수 있었다.

가설 설정

여기서 m과 im은 각각 mobile과 immobile 영역을 뜻하며 (θ = θm + θim) 이들 영역 사이의 용질의 이동은 농도차에 비례한다고 가정한다.

제안 방법

그림 2의 E1, E2, E3의 전극은 LCR meter(4263, Alilent사)와 연결되었으며, 측정되는 저항 값은 용질의 상대적인 농도값으로 환산되었다. 또한, 일정한 시간간격으로 컬럼의 상단부에서 유출수 샘플링이 이루어졌으며, 샘플은 IC(Ion Chromatography) 분석기기를 사용하여 분석하였다. 이와 같이 얻은 파과곡선은 푀적역산법에 근거한 CXTFIT코드(Toride et al.
완전포화를 유도하기 위하여 증류수의 주입 이전에 건조시료에 높은 용해도를 갖는 CO_2(g)가 2시간 이상 주입되었다. 증류수로 완전포화 된 시료의 간극률 산정은 질량 측정을 통하여 이루어졌다. 본 연구에서 사용된 유류오염물질은 디젤유로서 주입 후 그 잔류정도를 파악하기 위한 목적으로 Sudan IV로 염색한 후 맴브레인 필터로 걸러서 전처리하였다.
흡착에 의한 용질의 지연을 배제할 수 있는 조건을 모사하기 위해 비반응성 추적자로서 염소이온(Cl^-)이 주상시험에 사용되었다, 모든 주상시험은 지하수 흐름을 모사하기 위해 0.3ml/min의 유량 하에서 이루어졌으며, 추적자를 연속으로 주입하는 Continuous Input Test와 초기 90분 동안 주입후 증류수를 유입하는 Pulse Test가 수행되었다. 그림 2의 E1, E2, E3의 전극은 LCR meter(4263, Alilent사)와 연결되었으며, 측정되는 저항 값은 용질의 상대적인 농도값으로 환산되었다.

대상 데이터

15cm의 거리에서 시작연속적인 전기저항 측정이 가능하다. 일차원 흐름을 발생시키고 유입 및 유출 경계면에서 흐름의 방해가 최소화될 수 있도록 컬럼과 동일한지름을 갖는 원형 다공판(diffuser)이 사용되었다. 시간연속적인 전기저항의 측정을 통하여 전극의 위치에서 용질의 파과곡선을 얻을 수 있으며, 분석을 통하여 컬럼 내 위치별 용질의 이동특성이 파악 가능하다(김용성 외, 2008)

이론/모형

또한, 일정한 시간간격으로 컬럼의 상단부에서 유출수 샘플링이 이루어졌으며, 샘플은 IC(Ion Chromatography) 분석기기를 사용하여 분석하였다. 이와 같이 얻은 파과곡선은 푀적역산법에 근거한 CXTFIT코드(Toride et al., 1995)를 이용하여 분석되었으며, 평균간극유속(v_x, average pore-water velocity)과 종분산계수(longitudinal dispersion coefficient)가 추정되었다.
본 연구에서는 비수용성 오염물질(Non Aqueous Phase Liquid, NAPL)이 잔류된 오염 포화대의 수리분산 특성을 분석하기 위해 CT 추적자를 주입하는 실내 주상실험이 수행되었다. 흙의 전기전도도 측정을 통하여 추적자의 용질의 상대농도 변화를 시간연속적으로 추정해볼 수 있었으며, 이를 Mobile-Immobile 모델로 분석하여 수리분산 인자를 구할 수 있었다.

성능/효과

MIM 모델로 해석해본결과, 디젤의 잔류되어 있는 토양의 Immobile Fraction θim은 0.1051-0.1969에 이르는 것으로 확인되었다.
가장 대표적으로 반환완료된 춘천의 캠프페이지를 꼽을 수 있다. 대다수의 주한미군기지에서 토양과 지하수의 석유계 총탄화수소(TPH), BTEX, 그리고 중금속(납, 구리, 아연, 카드뮴) 수치 중 두 개 이상이 정화 기준을 초과하는 것으로 나타났다. 이와 같은 복합 오염지역은 오랜 기간 동안 정화가 이루어지지 않고 다양한 물질의 누출이 반복되어 발생하였을 가능성이 높다.
• 잔류유류오염은 전기전도도 파과곡선이 나타나는 시점에 변화를 가져옴을 확인하였다. 동일한 유량이 유지될 때 깨끗한 시료의 경우 컬럼 상부에서 파과가 일어나는데 필요한 시간(PV)이 1,013-1,056분인 반면, 잔류디젤이 존재할 경우 801-802분이 필요한 것으로 나타났다. 이는 간극에 잔류하는 유류오염물질로 인하여 용질이 이동할 수 있는 부피가 줄어들게 됨을 뜻하며, 복합오염지역의 경우 잔류유류오염으로 인하여 수용성 오염물질의 거동이 가속화되어 일어날 수 있음을 보여준다.
본 연구에서는 실내주상실험을 통하여 비교적 균질한 토양에서도 비수용성 오염물질인 디젤유의 잔류정도가 불규칙적으로 나타나며, 이로 인하여 수용성 오염물질의 이동이 가속화 될 수 있음을 볼 수 있었다. 또한, 잔류된 유류오염은 간극의 연결성에 큰 영향을 미치며, 이로 인하여 이류-확산 효과가 더욱 뚜렷하게 발생함을 확인하였다. 이와 같은 간극 구조의 변화는 흐름이 정체된 immobile 영역을 발생 시키며, 이로 인하여 용질의 tailing 현상이 나타날 수 있음을 확인하였다.
무엇보다 비수용성으로 잔류하게 되는 오염물질의 분포 양상을 파악해야하며 이것이 수용성 오염물질의 거동 특성에 미치는 영향을 판단해야한다. 본 연구에서는 실내주상실험을 통하여 비교적 균질한 토양에서도 비수용성 오염물질인 디젤유의 잔류정도가 불규칙적으로 나타나며, 이로 인하여 수용성 오염물질의 이동이 가속화 될 수 있음을 볼 수 있었다. 또한, 잔류된 유류오염은 간극의 연결성에 큰 영향을 미치며, 이로 인하여 이류-확산 효과가 더욱 뚜렷하게 발생함을 확인하였다.
파과 경향을 보아 컬럼의 중심지역 보다는 상하단부 주변에 상대적으로 많은 디젤유가 잔류하고 있는 것으로 보이며, 특히 E2→E1에 이르는 용질의 파과시간이 긴 것으로 보아 이 구간에는 디젤의 잔류 정도가 상당히 낮은 것으로 파악된다.

핵심어

질문

논문에서 추출한 답변

불용성 오염물질이란?

불용성 오염물질은 주로 탄화수소계의 물질로 물에 용해도가 매우 낮은 물질을 말한다. 그림.

균질한 용질의 흐름을 발생시키기 위해 무엇이 사용되었는가?

균질한 용질의 흐름을 발생시키기 위해 주문진사가 사용되었으며, 컬럼 내에서 일정한 다짐상태를 갖도록 다짐봉을 이용하여 채워졌다. 완전포화를 유도하기 위하여 증류수의 주입 이전에 건조시료에 높은 용해도를 갖는 CO2(g)가 2시간 이상 주입되었다.

지하수 유동을 정확히 파악하는 것은 오염지역의 범위를 예측하는데 매우 중요한 작업인 이유는 무엇인가?

잔류된 유류오염물질은 대수층의 수리분산특성에 변화를 가져오는데, 지하수 유동을 정확히 파악하는 것은 오염지역의 범위를 예측하는데 매우 중요한 작업이다. 중장기적으로 유류오염 또한 분산 또는 풍화작용을 겪으며 지하수에 용해되며, 낮은 용해도에도 높은 특성을 지닌 물질이 존재할 수 있기 때문이다. 지하수 흐름 또는 용질의 이동 측면에서 잔류 유류오염은 불균질성을 증가시키는 요소로 작용한다.

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