KR100484594B1 - 기상 및 액상 유기화합물의 추출을 위한 다중상 추출장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 토양 및 지하수에 함유된 유기화합물을 추출하여 오염지역을 복원하는 다중상 추출장치에 관한 것으로서, 복원현장에 수직으로 매설되는 튜브형태의 추출정; 상기 추출정의 일측에 고정되고, 추출정의 중공을 따라 특정 깊이까지 그 단부가 연장된 고정관; 상기 추출정 내부에 유입되는 지하수의 수면에 떠 있도록 부력을 갖는 한편, 지하수의 수위변동시 상기 고정관을 따라 상하로 슬라이딩하도록 결합되는 제1플로팅부재; 일측이 상기 제1플로팅부재에 고정되는 한편, 그 일단이 상기 고정관의 단부에 연결되어 연통되고, 그 타단으로부터 지하수 수면의 나플이 유입되는 연질소재의 유동관; 및 상기 고정관과 연통되도록 설치되어 흡입력을 제공하는 펌핑수단;을 포함한다.

Description

기상 및 액상 유기화합물의 추출을 위한 다중상 추출장치{Multi-phase extraction apparatus for extracting a vapor and liquid phase organic compounds}

본 발명은 기상 및 액상 유기화합물의 추출을 위한 다중상 추출장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 지하수의 수위변동과는 무관하게 오염현장의 토양 및 지하수에 존재하는 유기화합물인 LNAPL(Light Nonaqueous Phase Liquid; 이하, '나플'로 지칭)을 선택적으로 추출할 수 있는 다중상 추출장치에 관한 것이다.

오염된 토양 및 지하수에 대한 현장복원을 위해서는 토양 내 불포화층과 지하수의 수면에 부유하는 나플을 제거하는 것이 매우 중요한데, 이를 위해 현재 사용되고 있는 정화기술로는 예컨대, TPE(Two Phase Extraction)와 같은 추출기법을 들 수가 있다.

종래의 이러한 추출기법은 복원현장의 지하에 추출정을 매설한 후 추출파이프 및 펌핑수단을 이용하여 토양증기 및 지하수를 지상으로 배출하여 수분을 분리해 내는 방법으로 수행된다.

따라서, 지하수가 과다하게 존재하는 현장의 경우에는 추출된 유체로부터 수분을 분리해 내는 것이 용이하지 않을 뿐만 아니라 설비비용이 많이 소요되고, 분리된 지하수에 대한 재처리 비용이 크게 상승하는 문제가 있다.

또한, 지하수의 불안정으로 인해 수위가 급격히 높아질 경우에는 토양 내 증기상의 유기화합물에 대한 추출성능이 저하되고, 지하수의 수위가 급격히 낮아질 경우에는 추출파이프에 유입되는 나플과 지하수의 양이 현저히 줄어들게 되므로 펌핑을 위해 높은 진공압력이 요구되고, 이에 따라 통상의 송풍기와 같은 저출력의 펌핑수단을 사용할 수 없는 취약점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 지하수의 수위변동에 관계없이 토양 내 존재하는 증기상 나플과 지하수 수면에 부유하는 액상의 나플을 선택적으로 추출할 수 있는 다중상 추출장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은 저출력의 펌핑수단을 사용하더라도 높은 추출효율을 얻을 수 있는 다중상 추출장치를 제공하는데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 다중상 추출장치는, 복원현장에 수직으로 매설되는 튜브형태의 추출정; 상기 추출정의 일측에 고정되고, 추출정의 중공을 따라 특정 깊이까지 그 단부가 연장된 고정관; 상기 추출정 내부에 유입되는 지하수의 수면에 떠 있도록 부력을 갖는 한편, 지하수의 수위변동시 상기 고정관을 따라 상하로 슬라이딩하도록 결합되는 제1플로팅부재; 일측이 상기 제1플로팅부재에 고정되는 한편, 그 일단이 상기 고정관의 단부에 연결되어 연통되고, 그 타단으로부터 지하수 수면의 나플이 유입되는 연질소재의 유동관; 및 상기 고정관과 연통되도록 설치되어 흡입력을 제공하는 펌핑수단;을 포함한다.

바람직하게 본 발명에는, 상기 유동관의 타단에 연결되어 지하수의 수위변동에 따라 상기 제1플로팅부재와 연동하는 나플 유입부;가 더 포함되는데, 상기 나플 유입부에는, 지하수 수면에 떠 있도록 부력을 갖는 한편, 나플 수용공간이 구비된 제2플로팅부재; 및 상기 나플 수용공간 내부로 그 일단이 연장되고, 그 타단이 토양공기의 유입을 위한 간극을 두고 상기 유동관에 내삽되어 나플층의 두께 변화에 따라 슬라이딩하는 연결관;이 구비된다.

본 발명에는 상기 유동관에 가동적으로 걸려서 하방으로 장력을 제공하는 풀리 웨이트;가 더 포함되는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명에는 상기 고정관의 단부에 결합되어 균형을 유지하는 밸런스 웨이트;가 더 포함될 수 있다.

상기 고정관과 펌핑수단 사이에는, 추출되는 유체로부터 기상과 액상 추출물을 상호 분리하는 기액분리기;가 더 개재될 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 다중상 추출장치의 구성을 도시하는 부분단면도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명은 복원현장에 수직으로 매설되는 튜브형태의 추출정(10)과, 상기 추출정(10)의 중공 내에 설치되는 고정관(11)과, 지하수의 수위변동에 의해 상기 고정관(11)을 따라 슬라이딩하는 제1플로팅부재(13)와, 상기 제1플로팅부재(13)에 연결되어 연동하는 나플 유입부(16)와, 흡입력의 제공을 위한 펌핑수단(21)을 포함한다.

추출정(10)은 지하수의 유입을 위한 통로가 몸체에 마련된 중공관으로서 그 길이방향의 일정구간이 지하에 매설된다.

고정관(11)은 바람직하게 그 상단이 상기 추출정(10)의 상부에 고정되어 추출정(10) 외부의 배출라인(19)과 연통되고, 그 하단은 중공 내의 특정 지점까지 연장된 상태로 추출정(10)의 중공 내에 설치된다. 이러한 고정관(11)으로는 내식성과 강성이 상대적으로 우수한 스테인레스 파이프가 채용될 수 있다.

또한, 상기 고정관(11)의 하단부에는 밸런스 웨이트(Balance weight)(12)가 결합되어 상기 추출정(10) 내에서 고정관(11)의 중심축이 변형되지 않게 중력방향으로 장력을 제공하는 것이 바람직하다.

제1플로팅부재(13)는 상기 추출정(10) 내부로 유입된 지하수의 수면에 떠 있도록 부력을 갖는 다양한 형태의 부유수단으로서, 지하수의 수위변동에 관계없이 수면에 뜬 상태가 유지되도록 상기 제1플로팅부재(13)는 상기 추출정(10)에 상하로 슬라이딩 가능하게 결합된다. 따라서, 지하수의 수위가 예컨대, 도 2에 도시된 바와 같이 상승할 경우 이에 연동하여 상기 제1플로팅부재(13)는 지하수 수면에 뜬 상태를 유지하면서 추출정(10)을 따라 상승하게 된다.

한편, 지하수의 수위변동에 관계없이 지하수 수면의 나플이 상기 고정관으로 유입되도록 하기 위해서는, 상기 고정관(11)의 단부와 제1플로팅부재(13) 간의 거리 변화에 관계없이 상기 고정관(11)과의 연통상태를 유지하면서 지하수 수면 측으로 연장되는 도관이 필요한데, 이를 위해 상기 고정관(11) 및 제1플로팅부재(13)에는 유동관(14)이 설치된다.

상기 유동관(14)은 예컨대, 타이곤(Tygon) 튜브와 같은 플렉서블(flexible)한 소재로 이루어지는 것으로서, 그 일단이 상기 고정관(11)의 하단에 연통가능하게 결합됨과 동시에 상기 제1플로팅부재(13) 측으로 연장되어 일측이 고정되고, 그 타단은 지하수 수면의 나플이 유입되도록 설치된다. 따라서, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 지하수의 수위변동에 따라 고정관(11)의 하단과 제1플로팅부재(13) 간의 거리가 변하더라도 그 몸체가 구부러지면서 상기 고정관(11)과의 연통상태를 유지하게 된다.

상기 유동관(14)에는 하방으로 장력을 제공하도록 풀리 웨이트(Pulley weight)(15)를 가동적으로 걸어서 상기 고정관(11)의 하단과 제1플로팅부재(13) 간의 거리 변화에 관계없이 유동관(14)의 형상 및 위치가 팽팽하고도 안정적으로 유지되도록 하는 것이 바람직하다.

바람직하게, 상기 유동관(14)의 타단에는 지하수의 수위변동에 따라 상기 제1플로팅부재(13)와 연동되는 나플 유입부(16)가 구비되어 지하수 수면에 부유하는 나플층의 두께 변화에 관계없이 안정적으로 상기 유동관(14)으로 나플의 유입이 이루어지게 된다. 이를 위해, 상기 나플 유입부(16)는 나플 수용공간(17a)을 구비한 제2플로팅부재(17)와, 유동관(14)에 대해서 상기 제2플로팅부재(17)를 가동적으로 연결하는 연결관(18)을 포함하는 것이 바람직하다.

제2플로팅부재(17)는, 도 3에 도시된 바와 같이 지하수 수면(W)과 나플층(L) 사이에 떠 있도록 부력이 구비되되, 상기 나플층(L)의 두께 변화에 민감하게 의존하여 상하로 유동될 수 있도록 그 비중과 형태가 설계되는 것이 바람직하다. 상기 제2플로팅부재(17)의 일측에는 지하수 수면(W)에 부유하는 나플층(L)으로부터 나플이 유입되어 수용되도록 소정 깊이의 나플 수용공간(17a)이 구비된다.

상기 제1플로팅부재(13)를 비롯하여 상기 제2플로팅부재(17)는 유류성분에 대한 내성이 우수한 코르크 재질로 이루어지는 것이 바람직하다.

상기 연결관(18)은 그 일단이 상기 나플 수용공간(17a) 내부로 연장된 상태로 고정되고, 그 타단이 상기 유동관(14)에 내삽되어 나플층(L)의 두께 변화에 따라 상하로 슬라이딩하게 된다. 도 4에는 나플층(L)의 두께가 감소함에 따라 유동관(14)에 대하여 상기 연결관(18)이 하강한 상태가 도시되어 있다.

따라서, 나플층(L)의 변화시 상기 제1플로팅부재(13)와 제2플로팅부재(17) 간에 상하 이동의 민감도에 차이가 발생하더라도 상기 유동관(14)에 대한 연결관(18)의 상하 슬라이딩 운동을 통해 완충작용이 이루어져 실질적으로 지하수 수면(W)과 나플층(L) 사이에 상기 나플 수용공간(17a)이 안정적으로 위치하도록 할 수 있다.

상기 연결관(18)은, 토양내 공기의 유입을 위한 충분한 간극이 형성되도록 그 직경이 상기 유동관(14)에 비해 작게 형성되는 것이 바람직하다. 따라서, 상기 추출정(10) 외부로부터 흡입력이 인가되면, 상기 유동관(14)과 연결관(18) 사이의 간극을 통해 토양공기가 유입되면서 상기 나플 수용공간(17a) 및 연결관(18) 내부의 압력이 유동관(14)에 비해 급격히 하강하게 되고, 이에 따라 흡입력이 증대되어 상기 유동관(14)으로 연속적인 나플의 유입이 이루어진다. 여기서, 나플의 추출속도는 상기 토양공기의 유입속도 및 유량에 의해 매우 민감하게 좌우된다.

도 5에서 점선화살표와 실선화살표는 각각 토양공기 및 나플의 흐름을 나타내고, 관 내부를 따라 표시된 화살표는 상기 토양공기 및 나플의 혼합유체에 대한 추출경로를 나타낸다. 보다 구체적으로, 상기 혼합유체 중 토양공기는 주로 유동관(14) 및 고정관(11)의 관 중심부를 따라 이동하고, 나플은 관벽과 가까운 부분을 따라 이동한다.

상기와 같은 구성에 의하면, 인가되는 흡입력에 비해 추출효율이 종래에 비해 상대적으로 향상되므로 상기 배출라인(19)에 연결되어 흡입력을 제공하는 펌핑수단(21)으로는 예컨대, 수 마력(hp)의 저출력 송풍기가 채용될 수 있다.

바람직하게, 상기 추출정(10)과 펌핑수단(21) 사이에는 기액분리기(20)가 개재되어 추출되는 유체로부터 기상과 액상 추출물을 서로 분리하고, 상기 펌핑수단(21)의 후단에는 공기정화기(22)가 구비되어 다시 휘발성유기화합물 (Volatile Organic Compounds; VOC) 등의 기상추출물을 흡수처리하여 정화된 공기를 대기로 방출한다. 이러한 기액분리기(20)나 공기정화기(22)로는 통상의 설비가 동일하게 채용될 수 있다.

도 6에는 이상과 같은 구성을 갖는 본 발명의 적용예에 따른 시간별/압력별 추출량이 도시되어 있다. 본 실시예에서 펌핑수단(21)으로는 2마력(hp)의 송풍기를 사용하였으며, 추출정(10)은 직경 5인치(inch), 길이 2m의 아크릴관을 사용하고, 기액분리기(20)는 50리터(L) 용량의 PVC 용기를 사용하였다.

도 6에서 그래프 (a), (b), (c), (d)는 각각 가솔린, 등유, 디젤 및 물에 해당하는 나플 구성물의 시간별/압력별 추출량을 나타낸다. 각 그래프를 참조하면, 추출압력의 증가에 따라 추출량(혹은 추출속도)가 일차적으로 비례하며 증가하고, 그 추출효율은 가솔린, 등유, 물, 디젤 순으로 큰 것을 알 수 있다.

이러한 수치는 점성, 비중, 표면장력이 모두 상대적으로 작을수록 유체의 흐름이 원활하여 추출효율이 높아지는 사실을 감안할 때 이에 부응하는 데이터이며, 각 수치를 분석해 볼 때 토양공기와 지하수 수면의 나플을 선택적으로 추출하는 본 발명의 특징으로 인해 매우 높은 효율로 나플에 대한 추출공정이 수행됨을 알 수가 있다.

그러면, 상기와 같은 구성을 갖는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 다중상 추출장치의 동작에 대하여 설명하기로 한다.

본 발명에 의하면, 추출정(10)의 내부 중공에는 펌핑수단(21)과 연통되는 고정관(11)이 설치되고, 이 고정관(11)에는 중공 내 지하수의 수위변동에 따라 유동하면서 토양공기와 지하수 수면의 나플을 선택적으로 유입시키도록 연장된 유동관(14)이 연결된다.

구체적으로, 상기 고정관(11)에는 제1플로팅부재(13)가 슬라이딩 가능하게 결합되고, 상기 고정관(11)으로부터 제1플로팅부재(13)를 거쳐서 지하수 수면으로 유동관(14)이 연장되는 한편, 상기 유동관(14)에는 나플 유입부(16)가 결합된다.

따라서, 추출정(10) 내부의 지하수 수위가 상승할 경우, 상기 제1플로팅부재(13) 및 나플 유입부(16)는 부력에 의해 지하수 수면에 떠 있는 상태를 유지하면서 상기 고정관(11)을 따라 상방으로 이동하게 된다.

이때, 플렉서블한 성질을 갖는 상기 유동관(14)은 상기 제1플로팅부재(13)에 의해 끌려 올라가게 되더라도 상기 고정관(11)과의 연통상태를 유지하게 되는데, 바람직하게 상기 유동관(14)의 하부에 풀리 웨이트(15)를 걸어 둘 경우 상기 유동관(14)은 제1플로팅부재(13)의 위치에 관계없이 팽팽한 상태를 유지하게 된다.

한편, 상기 나플 유입부(16)는 제2플로팅부재(17)를 통해 지하수 수면(W)과 나플층(L) 사이에 민감하게 상하유동되면서 떠 있는 상태를 유지하고, 나플 유입공간(17a)으로부터 연장되어 상기 유동관(14)에 가동적으로 내삽된 연결관(18)을 통해 상기 유동관(14)과 완충 가능하게 결합된다.

이에 따라, 예컨대 지하수의 수위가 미세하게 낮아지거나 나플 추출공정의 진행에 따라 나플층(L)의 두께가 미세하게 감소할 경우, 제1플로팅부재(13)가 유동되지 않더라도, 상기 유동관(14)에 대해서 연결관(18)과 제2플로팅부재(17)가 일체로 하강하면서 상기 지하수 수면(W)과 나플층(L) 사이에 떠 있는 상태를 유지하여 실질적으로 나플의 유입위치를 일정하게 유지할 수 있다.

펌핑수단(21)이 구동되면, 상기 나플 유입부(16)의 연결관(18)과 상기 유동관(14) 사이의 간극을 통해 토양공기가 빠른 속도로 상기 유동관(14) 내부로 유입되는데, 이때 상기 나플 수용공간(17a) 및 연결관(18) 내부에 비해 유동관(14) 입구의 압력이 급격히 하강하면서 흡입력이 증대되어 연속적인 나플의 유입 및 진행이 이루어진다.

상기 유동관(14)과 고정관(11)을 따라 진행하여 외부로 배출된 혼합유체는 기액분리기(20)를 거치면서 기상의 추출물과 액상의 추출물을 분리되고, 그 중 특히 VOC와 같은 유기화합물은 공기정화기(22)에 의해 정화처리된다.

이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

상술한 바와 같이 본 발명은 지하수의 수위변동에 관계없이 지하수 수면의 나플과 혼합공기를 선택적으로 동시에 추출할 수 있다. 따라서, 펌핑수단으로서 저출력의 송풍기를 사용하더라도 동일조건의 종래기술에 비해 추출효율을 높일 수 있으며, 나플에 동반되어 배출되는 수분의 양이 종래의 추출장치에 비해 현저히 적으므로 수분의 재처리를 위한 부대비용을 절감할 수 있다.

또한, 본 발명에는 이중의 플로팅수단이 구비되므로 지하수의 수위변동이나 나플 두께층의 미세한 변화에 상응하여 나플 유입위치를 일정하게 유지할 수 있다.

본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 다중상 추출장치의 구성을 도시하는 부분단면도.

도 2는 도 1에서 지하수의 수위가 상승한 상태를 도시하는 부분단면도.

도 3은 도 1에서 나플 유입부의 구성을 개략적으로 도시하는 도면.

도 4는 도 3에서 나플층의 두께 변화에 따른 유동관과 연결관의 결합상태의 변화를 도시하는 도면.

도 5는 기상 및 액상 유기화합물의 추출경로를 개략적으로 도시하는 구성도.

도 6은 본 발명의 적용예에 따른 시간별/압력별 추출량의 변화를 도시하는 그래프.

<도면의 주요 참조부호에 대한 설명>

10...추출정 11...고정관

12...밸런스 웨이트 13...제1플로팅부재

14...유동관 15...풀리 웨이트

17...제2플로팅부재 18...연결관

20...기액분리기 21...펌핑수단

22...공기정화기

Claims (5)

1. 복원현장에 수직으로 매설되는 튜브형태의 추출정(10);

   상기 추출정(10)의 일측에 고정되고, 추출정(10)의 중공을 따라 특정 깊이까지 그 단부가 연장된 고정관(11);

   상기 추출정(10) 내부에 유입되는 지하수의 수면에 떠 있도록 부력을 갖는 한편, 지하수의 수위변동시 상기 고정관(11)을 따라 상하로 슬라이딩하도록 결합되는 제1플로팅부재(13);

   일측이 상기 제1플로팅부재(13)에 고정되는 한편, 그 일단이 상기 고정관(11)의 단부에 연결되어 연통되고, 그 타단으로부터 지하수 수면의 나플이 유입되는 연질소재의 유동관(14);

   상기 고정관(11)과 연통되도록 설치되어 흡입력을 제공하는 펌핑수단(21); 및

   상기 유동관(14)의 타단에 연결되어 지하수의 수위변동에 따라 상기 제1플로팅부재(13)와 연동하는 나플 유입부(16);를 포함하고,

   상기 나플 유입부(16)에는,

   지하수 수면에 떠 있도록 부력을 갖는 한편, 나플 수용공간(17a)이 구비된 제2플로팅부재(17); 및

   상기 나플 수용공간(17a) 내부로 그 일단이 연장되고, 그 타단이 토양공기의 유입을 위한 간극을 두고 상기 유동관(14)에 내삽되어 나플층의 두께 변화에 따라 슬라이딩하는 연결관(18);이 구비된 것을 특징으로 하는 다중상 추출장치.
2. 삭제
3. 제 1항에 있어서,

   상기 유동관(14)에 가동적으로 걸려서 하방으로 장력을 제공하는 풀리 웨이트(15);를 더 포함하는 다중상 추출장치.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 고정관(11)의 단부에 결합되어 균형을 유지하는 밸런스 웨이트(12);를 더 포함하는 다중상 추출장치.
5. 제 1항에 있어서,

   상기 고정관(11)과 펌핑수단(21) 사이에 개재되어 기상과 액상 추출물을 서로 분리하는 기액분리기(20);를 더 포함하는 다중상 추출장치.