초록 ▼

다공성 매질로 구성된 지하 토양 공간의 불포화층(Unsaturated zone) 공극내에 유입되어 존재하는 오염물질을 공기나 기체를 주입하여 추출/제거하는 방법(SVE)에 대해 지금까지의 현상학적인 해석 방법에서 벗어나 기본적인 원리에 입각하여 예측하고 분석하는 이론 체계를 도출하고 glass bead packed column 실험을 수행한다.
*기체 주입/추출(SVE)방법에 대한 이론 체계의 도출:
(i) 단척도의 진행 과정들을 다공성 매질을 구성하는 성분별로 정의.
(ii) 균질화이론(Homogenizati

다공성 매질로 구성된 지하 토양 공간의 불포화층(Unsaturated zone) 공극내에 유입되어 존재하는 오염물질을 공기나 기체를 주입하여 추출/제거하는 방법(SVE)에 대해 지금까지의 현상학적인 해석 방법에서 벗어나 기본적인 원리에 입각하여 예측하고 분석하는 이론 체계를 도출하고 glass bead packed column 실험을 수행한다.
*기체 주입/추출(SVE)방법에 대한 이론 체계의 도출:
(i) 단척도의 진행 과정들을 다공성 매질을 구성하는 성분별로 정의.
(ii) 균질화이론(Homogenization theory)을 이용하여 장척도의 전반적인 과정 도출.
(iii) 장척도 유효계수(투수계수, 오염 물질의 확산계수)들의 산정 방법을 확립.
(iv) 도출된 오염 물질 전달/이동의 이론을 SVE 실험 상황에 적용.
*SVE 실험적 연구:
(i) 유리입자(Glass beads)로 구성된 다공성 매질 모형 원형 주상체를 제작.
(ii) 불포화 다공성매질 상황 구현: 간극률(Porosity)을 하회하는 수분량을 공급.
(iii) 화합물(Benzene, Chlorobenzene) 용액을 적절량 간극 내에 주입.
(iv) 공기의 주입을 통해 유출되는 공기중의 오염 물질 농도 측정.
(v) 오염원 배출(또는 제거) 상황을 분석.
(vi) 실험적 측정 결과와 이론을 이용한 수치해석적 모델링 결과의 비교 분석.
(i) 불포화 다공성 매질 내의 기체 유동 상황에서의 물질 이동/확산에 대한 이론을 도출 - 기체 유동 방정식, Darcy의 법칙, 오염원 이동/확산 방정식을 도출.
(ii) 장척도 지배 방정식의 이용에 요구되는 유효 물성계수의 산정 체계 확립 - 단척도 단위셀 내의 제반 경계치 문제를 정의(Stokes 유동 문제, 경계면의 source 분포에 의한 확산 문제).
(iii) 단면의 요철을 가지는 공극 형상을 가지는 단위셀을 선정하여 유효계수들을 해석적 방법으로 산정하고 실제 측정치와의 보정하고 요철의 크기가 투수계수와 유효 확산계수에 미치는 영향을 분석.
(iv) Glass bead를 이용한 packed column을 제작하여 SVE 실험을 수행 - Benzene과 Chlorobenzene을 오염원으로 이용하고 SVE의 효과적인 오염원 제거를 보임.
(v) 공기 주입량에 따른 오염원 제거 효과를 분석 - 유동의 관성 효과가 작은 조건에서(Reynolds수가 작음) 유량이 증가할수록 오염원의 제거가 신속하게 이루어짐을 보임.
(vi) SVE 실험 상황에 대해 도출된 이론과 산정된 계수를 이용하여 수치해석적 방법으로 모델링을 수행 - 실험치와 예측치의 차이가 다공성 매질 내의 공극의 형상과 분포에 기인함을 보임.

Abstract ▼

To deduce a theory for contaminant transport in unsaturated porous media due to air injection or extraction(Soil Vapor Extraction) without recourse to phnomenological basis by using the theory of homogenization which sues the basic governing relations on the microscale. To perform SVE experiments in

To deduce a theory for contaminant transport in unsaturated porous media due to air injection or extraction(Soil Vapor Extraction) without recourse to phnomenological basis by using the theory of homogenization which sues the basic governing relations on the microscale. To perform SVE experiments in a column packed by glass beads.
* To deduce a theoretical frame for SVE.
(i) Define various processes on the microscale in a porous medium.
(ii) Deduce the processes on the macroscale by using homogenization theory.
(iii) Construct a theoretical frame for the calculation of effective macroscale coefficients(permeability and diffusivity of contaminant).
(iv) Apply the deduced theory to the SVE experiments performed.
* Experimental investigation of SVE.
(i) Construction of sample porous medium in cylindrical shape with glass beads.
(ii) Form an unsaturated zone with water content smaller than porosity.
(iii) Inject contaminant(benzene/chlorobenzene) into medium.
(iv) Measure the concentration on the exit side of the column with air injection.
(v) Analyze the contaminant removal from the medium.
(vi) Comparison and analysis of the results from experiments and modeling.
(i) Deduced a theory for transport of contaminant in an unsaturated medium - derived gas flow equation, Darcy's law, convection/diffusion of contaminant.
(ii) Establish a theoretical frame for the calculation of various macroscale coefficients - define several microcell boundary value problems(Stokes problem, diffusion due to distributed source)
(iii) Select a medium with corrugated tubes as pores and carry out the determination of the macroscale coefficients. Calibrate them with measurements. Analyze the effects of the corrugation on the coefficients.
(iv) Perform SVE experiments in a packed column with glass beads - use benzene/chlorobenzene and show the effectiveness of SVE.
(v) Analyze the effects of air flow rate - under the condition of negligible inertial effect of air(small Reynolds number) showed that the removal rate increases with air flow rate.
(vi) Carry out numerical simulation of the SVE experiments performed with the developed theory and calculated coefficients - show that the discrepancies between the two results are from the different pore geometries.

목차 Contents

• Ⅰ. 연구계획 요약문...3
• 1. 국문요약문...3
• Ⅱ. 연구결과 요약문...4
• 1. 국문요약문...4
• 2. 영문요약문...5
• Ⅲ. 연구내용...6
• 1. 서론...6
• 2. 연구방법 및 이론...8
• 2.1 균질화 이론을 이용한 SVE 이론의 개발...8
• 2.1.1 단척도 지배 방정식 및 경계 조건...8
• 2.1.2 Scaling 및 무차원화...9
• 2.1.3 다척도 전개법(Multiple-Scale Expansion)...11
• 2.1.4 균질화 이론을 이용한 SVE 유효 방정식의 도출...12
• 2.2 모델셀에 대한 장척도 유효계수의 산정...17
• 2.2.1 모델셀의 선정...17
• 2.2.2 좌표계의 변환...18
• 2.2.3 Stokes 경계치 문제...18
• 2.2.4 단위셀 공극내의 확산 문제...19
• 2.2.5 Sinusoidal 공극을 가지는 단위셀...21
• 2.3 Glass bead를 이용한 SVE 실험...23
• 2.3.1 실험의 배경...23
• 2.3.2 실험 장치의 구성...23
• 2.3.3 투수계수의 측정...29
• 2.3.4 SVE 실험을 통한 오염원 추출 측정...29
• 2.4 SVE 이론의 실험 상황에의 적용...30
• 2.4.1 지배 방정식 및 경계조건...30
• 2.4.2 Scale 및 무차원화...31
• 2.4.3 압력 분포...32
• 2.4.4 오염원 농도 변화 예측을 위한 수치해석적 방법...32
• 2.4.5 수치해석을 위한 장척도 유효계수의 산정...33
• 3. 결과 및 고찰...34
• 3.1 장척도 유효계수의 산정...35
• 3.1.1 장척도 유효 투수계수...35
• 3.1.2 장척도 유효 확산계수...35
• 3.1.3 SVE 실험 조건의 요약...36
• 3.1.4 실험 조건에 대한 제반 계수...37
• 3.2 SVE 실험 결과 및 수치해석적 모델링 결과...38
• 3.2.1 SVE 실험 결과...39
• 3.2.2 수치해석적 모델링 결과와 실험치와의 비교...39
• 3.3 SVE 실험 결과 및 모델링 결과의 고찰...43
• 4. 결론...44
• 5. 인용문헌...45
• 부록 A. 새로운 좌표계내의 Stokes 경계치 문제...46