KR100900892B1 - 토양의 전도 열처리 전에 결빙 배리어로 토양 고립 - Google Patents

Abstract

결빙 웰은 토양 복원을 위한 영역을 고립시키는데 사용될 것이다. 결빙 웰은 처리 영역 주위에 결빙 배리어를 형성할 것이다. 결빙 배리어는 유체가 처리 영역으로 유입하는 것을 방지할 것이다. 또한, 결빙 배리어는 오염물이 처리 영역 외부로 이동하는 것을 방지할 것이다. 결빙 배리어는 처리 영역의 주분 전체를 둘러싸는데 사용될 것이다. 또한, 결빙 배리어는 처리 영역 위에 또는 아래에 형성될 수 있다. 결빙 웰은 토양 복원전에 활성화되어, 토양 복원이 개시될 때 결빙 배리어가 형성된다. 토양 복원은, 열적 토양 복원 시스템을 포함하는 어떠한 유형의 토양 복원 시스템에 의해 수행될 수 있다. 열적 토양 복원 시스템의 가열기는, 복원시 배리어를 관통하지 않고서, 결빙 배리어에 근접하게 배치될 것이다.

토양 복원 시스템

Description

토양의 전도 열처리 전에 결빙 배리어로 토양 고립{ISOLATION OF SOIL WITH A FROZEN BARRIER PRIOR TO CONDUCTIVE THERMAL TREATMENT OF THE SOIL}

본 발명은 일반적으로 토양 복원에 관한 것이다. 본 발명의 실시형태는 현장 열 탈착식 토양 복원 방법 등과 같은 열적 방법을 사용하기 위한 처리 영역을 고립하는 것에 관한 것이다.

토양 오염은 많은 장소에서 중요한 관심사가 되고 있다. "토양" 은 지면내에 굳어지지 않은 물질 또한 굳어진 물질을 말한다. 토양은 자연적으로 형성된 물질, 즉 먼지, 모래, 바위, 또한 충진재와 같은 다른 물질을 포함할 수 있다. 토양은 화학적, 생물학적, 및/또는 방사능 오염으로 오염될 수 있다. 토양 오염은 여러 가지 방법, 즉 저장 용기로부터의 물질 유출과 누수 및 매립지의 누출 등으로 유발될 수 있다. 오염물이 대수층 또는 공기로 이동하면 추가적으로 공중 위생에 대한 관심이 높아지게 된다. 또한, 토양 오염물은 먹이사슬의 다양한 종의 생체내 축적되어 먹이 공급으로 이동하게 될 것이다.

오염된 토양을 복원하는 다양한 방법이 있다. "토양 복원" 은 토양을 처리하여 토양 오염물을 제거하거나 토양내의 오염물을 (예를 들어, 수용가능한 레벨로) 감소시키는 것을 의미한다. 오염된 장소를 복원하는 방법으로는, 토양내 의 오염 레벨을 제거하거나 감소시키기 위해서 토양을 파서 별개의 처리 설비내에서 토양을 처리하는 것이다. 상기 방법의 사용과 효용성은 이 방법과 관련된 여러 가지 문제점으로 제한될 수 있다. 예를 들어, 굴착으로 인한 먼지 생성으로 주위 환경과 작업자를 토양 오염에 노출시킨다. 또한, 심지어 작은 오염 지역을 효과적으로 처리하기 위해서는 다량의 토양이 파져야 할 것이다. 장치, 노동력, 이송, 및 처리 비용으로 인하여 상기 방법은 다른 토양 복원 방법에 비하여 엄청나게 비싸게 될 것이다.

또한, 토양 복원에 생물학적 처리와 화학적 처리를 사용할 수 있다. 생물학적 및/또는 화학적 처리는, 재료를 토양에 주입시켜, 즉 재료가 토양내의 오염물과 반응하고 및/또는 이 오염물을 이동시키도록 하는 것이다. 생물학적 또는 화학적 처리시 주입된 재료는, 토양 오염물과 반응하여 오염되지 않은 반응 부산물을 생성하는 반응물일 수 있다. 반응 부산물 중 일부는 휘발성일 수 있다. 이러한 반응 부산물이 토양에서 제거될 것이다.

화학 처리시 주입되는 재료는, 토양으로부터 오염물을 제거하는 추출 웰 (well) 쪽으로 오염물을 구동시키는 구동 유체일 수 있다. 구동 유체는 증기, 이산화탄소, 또는 다른 유체일 수 있다. 하지만, 토양 이종 성분과 다른 인자가 생물학적 처리 및/또는 화학적 처리를 사용하여 토양의 오염물 레벨을 균일하게 감소하는 것을 억제할 수 있다. 또한, 유체 주입으로 인접한 토양으로 오염물을 이동시킬 수 있다.

토양 증기 추출 (SVE) 은 지표밑 토양에서 오염물을 제거하는데 사용될 수 있는 방법이다. SVE 시, 지표 및 토양을 통하여 공기를 끌어내기 위해서 어떠한 진공이 사용된다. 토양/공기 경계면에 또는 토양내에 위치된 진공 웰을 통하여 진공이 가해질 수 있다. 공기가 휘발성 오염물을 반출하여 진공원 쪽으로 운반할 수 있다. 진공에 의해서 토양으로부터 제거된 발생 가스는 토양내에 있는 오염물을 포함할 수 있다. 발생 가스는 처리 설비로 이송될 수 있다. 토양에서 처리된 발생 가스는 공정 설비내에서 처리되어 발생 가스내의 오염물을 제거 또는 감소시킬 수 있다. SVE 는 토양을 이동하거나 상당히 방해할 필요없이 토양에서 오염물을 제거하도록 할 수 있다. 예를 들어, SVE 는 도로, 토대, 및 다른 고정 구조물 아래에서 수행될 수 있다.

지표밑 토양의 투과성은 SVE 의 효율을 한정할 수 있다. 공기와 증기는 토양의 고투과성 영역을 통하여 주로 지표밑 토양을 관류할 수 있다. 공기와 증기는, 비교적 대량의 오염물을 토양에 남겨놓으면서, 토양의 저투과성 영역을 바이패스할 수 있다. 고투과성 영역과 저투과성 영역은, 예를 들어 토양내의 습기, 층상으로 된 토양층, 및 파괴물과 물질 이종 성분에 의해 특징 지워진다.

토양내에는 물이 존재할 수 있다. 일부 토양내의 어떠한 레벨에서, 토양내의 공극 공간이 물로 포화된다. 상기 레벨을 포화대라고 한다. 포화대 위의 불포화대에 있어서, 토양내의 공극 공간은 물과 가스로 채워진다. 불포화대와 포화대 사이의 경계면은 수면이라고 한다. 수면의 깊이는 포화대의 깊이라고 한다. 포화대는 아퀴타드 (aquitard) 에 의해 한정될 수 있다. 아퀴타드는 물의 이동을 방지하는 저투과성 토양층이다.

물 보유로 인한 감소된 통기성으로 인해 SVE 토양 복원시 유동하는 공기와 토양내의 오염물과의 접촉을 방지할 수 있다. 토양을 탈수함으로써, 물 보유 문제를 부분적으로 해결할 수 있다. 수면을 낮추어서 및/또는 진공 탈수 기법을 사용하여 토양을 탈수시킬 수 있다. 이러한 방법은 기류를 허용하도록 토양의 공극을 개방시키는 효과적인 방법이 아닐 수 있다. 지면이 낮아질 때, 모세관 작용력은 토양에서 물을 제거하는 것을 방지한다. 지면을 낮춤으로써 촉촉한 토양을 형성하여 공기 전도를 한정할 수 있다.

진공 탈수 기법은 실제로 제한을 가질 수 있다. 진공 탈수 기법에서 형성된 진공은 탈수 웰로부터의 거리를 신속하게 감소시킬 수 있다. 진공 탈수의 사용으로 토양내의 물 보유를 상당히 감소시킬 수 있다. 또한, 이러한 방법은 탈수 웰에 인접하게 위치된 공기 전도성의 바람직한 통로를 형성할 수 있다.

다양한 유형의 토양은 고투과성과 저투과성이 교차하는 층으로 수평 적층되는 것을 특징으로 한다. 적층된 유형의 토양의 공통적인 실시예로는, 미사층과 모래층이 교대로 형성된 얇은 베드를 특징으로 하는 호수의 침전물이다. 상기 층에 SVE 를 실시하기 위해서, 모래층내에 실질적으로 형성되어 미사층을 바이패스하는 기류를 유발한다.

토양내에는 이종 성분이 존재할 수 있다. 공기와 증기는 자갈층과 같은 이종 성분의 토양층 또는 어떠한 영역을 관류하는 것이 바람직할 수 있다. 공기와 증기는 점토층과 같은 이종 성분의 토양층 또는 어떠한 영역을 관류하는 것을 저해한다. 또한, 예를 들어 공기와 증기는 덜 컴팩트한 충진재내의 공극을 바 람직하게 관류하는 경향이 있다. 공기와 증기가 겹쳐진 컴팩트한 충진재를 관류하는 것이 저해될 수 있다. 또한, 충진재내의 매장된 폐기물이 토양을 통하여 기류를 저해할 수 있다.

토양 오염물 중 어떠한 성분은 유독성일 수 있다. 이러한 토양 오염물은 수은, 디메틸 수은 등의 수은 함유 성분, 플루토늄 등의 방사능 물질, 휘발성 해로운 성분, 및 이들의 결합물을 포함할 수 있다. 토양 오염 위치와 정도를 확인하기 위해서 웰의 배치 또는 침습성 시험 과정을 사용하기 위해서는, 주변 환경과 작업자가 웰의 설치와 사용시 또는 시험 과정시 오염된 증기, 먼지 또는 오염물의 다른 형태에 노출되지 않는 것을 보장하기 위한 특별한 방법을 필요로 할 수 있다. 이러한 방법은, 비한정적으로, 오염물이 주변 환경으로 방출되는 것을 방지하기 위해서 먼지 또는 증기 형성 작업을 엔클로저내에 배치하는 단계, 공기를 주변 환경으로 방출하기 전에 오염물을 제거 또는 감소시키기 위해서 상기 엔클로저내에서 공기를 처리하는 단계, 작업자가 적절한 방호복을 착용하는 단계, 및/또는 작업자가 적절한 호흡 필터 또는 별개의 공기 공급원을 착용하는 단계를 포함할 수 있다.

어떠한 경우에 있어서, 감염된 토양으로부터 어떠한 오염물을 제거하는 것이 비현실적일 수 있지만, 다른 오염물을 제거하는 것이 바람직할 수 있다. 예를 들어, 방사능 물질로 오염된 토양은 수은, 수은 함유 성분, 및/또는 염소화 탄화수소 등의 다른 오염물로 오염될 수 있다. 방사능 물질의 제거는 불가능하거나 비현실적이지만, 토양내의 다른 오염물을 제거 또는 감소시켜 이 오염물 이 토양을 통하여 다른 영역으로 이동하는 것을 방지하는 것이 바람직할 수 있다.

지면내에 물이 존재함으로써 건설 사업에 문제를 종종 유발한다. 물의 존재 및/또는 물의 재충진 문제는 일부 건설 사업에 있어서 극복되어야 할 것이다. 선택된 영역을 둘러싸는 결빙벽을 형성함으로써, 선택된 영역으로 물이 이동하는 것에 대한 배리어가 형성될 수 있다. 터널과 샤프트의 건설시 또한 굴착 작업시, 작업장에 인접한 토양을 안정화시켜서 작업장으로 물이 이동하는 것을 방지하기 위해서 결빙벽을 사용하는 것이 실시되었다. 작업장에 결빙벽을 통상적으로 사용할 시, 이 결빙 웰이 토양으로 삽입되어, 결빙된 물과 토양으로 된 벽이 선택된 영역 주위에 형성된다. 그 후, 선택된 영역내의 토양은 굴착되어 구멍을 형성하게 된다. 지지물은 구멍을 한정하는 벽이 넘어지는 것을 방지할 수 있다. 결빙벽은 이 벽의 붕괴를 방지하기에 충분한 지지물이 설치되었을 때 녹여지게 될 것이다. 다른 방법으로, 토양을 제거하여 형성된 구멍내에서의 작업은, 구멍이 붕괴되는 것을 방지하기 위해서 물과 토양의 결빙벽에 따라서 완료될 수 있다. 물과 토양의 결빙벽은 웰내에서의 작업이 완료된 후 녹여지게 될 것이다.

본 발명에서 완전 발표된 바와 같이 참조자료로 포함된 Ljungstrom 에게 허여된 미국특허 제 2,777,679 호에서는, 탄화수소 생산에 사용되는 구역의 주변을 한정하기 위해서 결빙된 배리어를 형성하는 것에 대해서 개시하였다. 상기 구역내의 물질은 가열 전방을 재료를 통하여 대류 전진함으로써 열분해되어 열분해 생성물을 제조 웰 쪽으로 구동하게 된다.

본원에서 완전 발표된 바와 같이 참조 자료로 포함된 크리에그 (Krieg) 등에게 허여된 미국특허 제 4,860,544 호에서는, 지표, 즉 오염 장소로부터 아래로 또는 그 바로 아래로 연장하는 소정의 부피에 대한 밀폐된 극저온 배리어 제한 시스템을 형성하는 것에 대해서 개시하였다.

결빙 웰은 오염된 토양의 처리 영역 주변에 배리어를 형성하는데 사용될 수 있다. "결빙 웰" 은 형성물의 일부를 지면내의 물을 결빙하기에 충분한 온도로 냉각시키는데 사용되는 지면내의 웰 또는 개구를 말한다. "처리 영역" 은 현장 토양 복원 방법으로 처리되는 토양의 공간을 말한다. 결빙 웰은 주변을 따라서 결빙 배리어를 형성할 수 있다. 배리어는 불투과성일 수 있다. 배리어는 처리 영역으로 또는 처리 영역 외부로 유체가 유동하는 것을 방지할 수 있다. 유체가 처리 영역 외부로 유동하는 것을 방지함으로써, 오염된 토양의 오염물이 오염되지 않은 토양으로 퍼지는 것을 방지한다. 유체가 처리 영역 외부로 유동하는 것을 방지함으로써, 처리 영역으로부터 제거된 유체량을 감소시킬 수 있다. 처리 영역으로부터 제거된 유체량의 감소로, 지면으로부터 제거된 유체를 처리하는 장비의 크기, 비용, 및 작동비를 감소시킬 수 있다. 유체가 처리 영역으로 유동하는 것을 방지함으로써, 처리 영역으로 물이 유동하는 것을 한정할 수 있다. 현장 열 탈착식 (ISTD) 복원 시스템에 대하여, 물이 처리 영역으로 유동하는 것을 방지함으로써, 토양을 경제적으로 실행가능하게 복원할 수 있도록 한다.

결빙 웰을 사용하는 시스템의 실시형태에 있어서, 결빙 웰은 결빙 웰에 인접한 토양내의 물을 고형화하여 인접한 결빙 웰 사이에 아이스 배리어를 형성하게 된다. 결빙 웰은 복원될 처리 영역을 둘러싸는 물 포화대에 설치될 수 있다. 결빙 웰은 처리 영역에 물의 재충진을 방지하는 배리어를 형성할 수 있다. 결빙 웰의 작용으로 유체가 배리어를 가로질러 유동하는 것을 방지하는 결빙 배리어를 형성할 수 있다. 결빙 웰이 배치되는 토양이 일부 장소에서 상당한 양의 물을 포함하지 않는다면, 물은 웰로부터 주입되거나 결빙 웰에 인접한 표면으로부터 토양으로 이동되어 결빙 웰이 결빙 배리어로 물을 결빙시키도록 할 것이다. 결빙 웰을 사용하는 시스템의 실시형태에 있어서, 결빙 배리어에 의해 한정되는 처리 영역내에서 수면 레벨의 상승은 결빙 배리어의 형성을 확인해줄 수 있다. 처리 영역 주위에 배리어를 형성한 후에, 배리어의 두께는 배리어가 팽창함에 따라 증가할 것이다. 팽창하는 배리어는 처리 영역내의 간극 수압의 수두 (piezometric water head) 를 강제 변화시킬 수 있다. 결빙 웰의 내측상에 위치된 간극 수압계(들)와, 결빙 웰의 외측상에 위치된 간극 수압계(들)는 토양내의 수두를 측정하여 결빙 배리어가 형성된 시기를 결정하는데 사용될 수 있다.

다른 실시형태에 있어서, 배리어의 무결성은 "압력강하 시험 (drawdown test)" 을 사용하여 결정될 수 있다. 처리 영역 주위에서 상호 연결된 결빙 배리어의 형성을 위한 충분한 시간이 경과한 후에, 처리 영역내에는 급격한 압력 강하 펄스가 발생할 수 있다. 처리 영역내의 웰상에서 진공을 유도함으로써 압력 강하 펄스가 형성될 수 있다. 결빙 웰에 의해 형성된 배리어의 특성을 결정하 기 위해서는, 처리 영역 외측 및/또는 처리 영역 내측의 웰을 모니터링하면서 압력 반응이 사용될 것이다. 결빙 배리어가 처리 영역 주위에 형성된다면, 처리 영역 외측의 모니터 웰은 처리 영역내의 압력 강하에 의해 영향을 받지 않아야 한다. 결빙 배리어의 두께와 깊이를 측정하기 위해서는, 처리 영역내의 압력강하에 대한 시간 반응의 측정을 사용할 것이다. 또한, 시간 반응은 형성시 브리치 (breach) 의 위치 확인을 보조하는데 사용될 수 있다. 브리치의 위치가 발견되었을 때, 인접한 결빙 웰로 냉매의 유량을 증가시킴으로써 추가적인 냉각 용량이 인접한 웰로 향하게 된다. 다른 방법으로, 주변 배리어를 완성할 수 있는 추가적인 결빙 토양을 형성하기 위해서 브리치를 포함하는 결빙 웰 사이의 토양으로 다른 결빙 웰을 삽입할 수 있다.

결빙 배리어의 형성시 및/또는 그 후에 흡입 펌프 및/또는 주입기가 사용될 수 있다. 물이 관류하는 처리 영역에서, 흡입 펌프 및/또는 주입기는 물의 흐름을 감소시키도록 작동되어 결빙 배리어를 형성한다. 실시형태에 있어서, 결빙 배리어가 형성된 내측 및 외측상에는 흡입 웰이 설치된다. 흡입 웰은 내부측 흡입 웰과 외부측 흡입 웰 사이의 압력 차이를 최소화하도록 작동되어서, 내부측 흡입 웰과 외부측 흡입 웰 간의 유체 흐름이 최소화된다. 결빙 웰은, 결빙 배리어를 형성하는데 필요한 온도 이하의 상호 관련된 저온구역을 형성하도록 작동된다. 저온 구역의 형성 후에, 흡입 웰에 공급되는 전력이 감소되어 물 또는 다른 유체가 흡입 웰 사이의 저온 영역으로 유입되도록 한다. 물 또는 다른 유체는 저온 구역내에서 결빙할 것이다.

일부 토양 복원 시스템의 실시형태에 있어서, 흡입 펌프는 처리 영역내의 가열기 웰의 작동 전에 또는 그와 동시에 토양으로부터 물을 제거하는데 사용될 수 있다. 흡입 펌프는 가열기가 토양 복원시 기화될 물의 양을 감소시키도록 물을 제거한다. 토양으로부터 제거되는 물은 처리 설비내에서 처리되어 물내의 오염물을 제거 또는 감소시킬 수 있다.

결빙 웰내의 냉매는, 결빙 웰 사이의 토양 온도를, 결빙 웰 사이의 결빙 배리어를 형성하기에 충분히 낮게 감소시킬 수 있다. 저온 구역에 물이 존재함으로써 결빙 배리어의 형성을 허용할 수 있다. 결빙 배리어는 일관된 불투과성 구조물일 수 있다. 결빙 배리어가 형성된 후, 이 결빙 배리어를 유지하는데 필요한 에너지 필요조건은, 결빙 배리어를 형성하는데 필요한 에너지 비용과 비교해보면, 상당히 감소될 수 있다. 일부 실시형태에 있어서, 비용 감소는 10 이상의 인자일 수 있다. 다른 실시형태에 있어서, 비용 감소는 약 3 또는 4 인자 만큼의 감소와 같이 덜 급격할 수 있다.

결빙 웰은, 처리 영역의 주변 또는 그 일부 둘레에서 단일의 열로 지면에 삽입될 수 있다. 더 두꺼운 결빙 배리어를 형성하기 위해서, 2 열 이상의 결빙 웰이 처리 영역 둘레에 설치될 것이다. 결빙 웰의 열은 개별 결빙 웰 사이의 짧은 분리 거리를 가지도록 엇갈려 배치될 수 있고, 따라서 결빙 웰에 의해서 두꺼운 결빙 배리어가 형성될 것이다. 현장 열 탈착 (ISTD) 복원 시스템에 대해서, 가열기 웰 및/또는 추출 웰은 결빙 웰의 삽입전, 또는 그와 동시에, 또는 그 후에 지면으로 삽입될 것이다. 결빙 웰은 가열기 웰 전에 작동되어서 열이 처리 영역에 적용되기 전에 결빙 배리어를 형성하도록 한다. 가열 전에 결빙 배리어를 형성함으로써, 열 전방은 절대로 결빙 배리어를 통하여 초과하여 파괴하지 않을 것이다.

냉매가 결빙 웰내에서 순환하여 결빙 배리어를 형성할 수 있다. 다른 방법으로, 냉매는, 순환하지 않고서, 웰내에 위치될 수 있다. 토양은 냉매에 열을 전달할 것이다. 냉매는, 염화칼슘 브라인 또는 염화리튬 브라인과 같은 냉각된 브라인, 액체 질소와 같은 극저온 유체, 탄화수소 냉매, 이산화탄소, 질소, 또는 공기와 같은 냉각 가스, 및/또는 드라이 아이스 또는 드라이 아이스와 액체 (에탄올, 글리콜 또는 다른 낮은 결빙점의 액체) 로 이루어진 욕 (bath) 을 포함하는 어떠한 유형의 냉매일 수 있으며, 이에만 한정되는 것은 아니다. 결빙 웰에는 기화 사이클이 사용될 수 있다. 결빙 웰을 통하여 냉매가 순환되면, 냉매가 냉각 유닛(들)을 통과하기 전에, 냉매는 여러 가지 웰을 통하여 순환될 것이다. 냉각 유닛(들)은 냉매를 소망하는 온도로 냉각시키는데 사용될 것이고, 또는 기화 사이클이 사용된다면 냉각 유닛은 유체를 액화할 것이다.

토양 복원 시스템의 결빙 배리어를 형성하기 위해 선택된 냉각 시스템 및 냉매의 유형은 다수의 인자에 바탕을 둘 수 있다. 상기 인자는, 비한정적으로, 결빙 배리어 형성에 필요한 시간, 경제성, 냉매가 받게 될 최저 온도와 최고 온도, 잠재적인 냉매 방출, 누수, 또는 유출과 관련된 환경 문제, 및 지면내에 결빙 배리어를 형성하는데 필요한 시간을 포함할 것이다. 염류 형성 유체의 결빙점 하락을 보상하기 위해서 물의 결빙 온도 (표준 온도와 압력에서 0℃) 보다 상 당히 낮은 냉매 온도가 필요할 것이다.

토양내의 오염물을 기화시키고/또는 파괴하기 위해서 처리 영역내의 토양 온도를 상승시키는 현장 열 탈착식 (ISTD) 토양 복원 시스템과 함께 결빙 웰이 사용될 것이다. 결빙 웰은 처리 영역 또는 처리 영역의 일부 주위에 결빙 배리어를 형성할 것이다. 결빙 웰은 결빙 배리어의 외부측상에서 토양의 온도의 상승을 방지하는 결빙 배리어를 형성할 것이다. 결빙 배리어는 처리 영역 내부로 또는 외부로의 유체 이동을 방지할 것이다.

토양과 물의 물리적 특성은, 토양에 열을 가할 시, 용융되지 않을 결빙 배리어의 형성을 허용할 것이다. 토양 가열기는, 결빙 웰에 의해 형성된 결빙 배리어를 관통하지 않고서, 결빙 웰에 근접하게 배치될 것이다. 통상적으로, 결빙된 포화 토양은 고온의 건조 토양보다 상당히 더 큰 열확산계수를 가진다. 고온 건조 토양의 열확산계수와 저온 포화 토양의 열확산계수의 차이로, 저온 구역이 고온 구역으로 더 빨리 전파됨을 예측할 수 있다. 결빙 웰에 의해 형성 및 유지되는 저온 구역의 빠른 전파로, 토양 복원시 토양 가열기에 의해 형성된 고온 구역이 저온 구역을 용융시키는 것을 방지할 것이다. 배리어를 형성하기 위한 저온과 토양을 복원하기 위한 열을 결합하여 사용하도록 해주는 또 다른 인자로서는, 토양 가열기의 작동 전에, 저온 웰을 작동시켜 결빙 배리어를 형성할 수 있다는 것이다. 결빙 토양의 형성률, 결빙 웰과 토양 가열기를 분리하는 거리, 및/또는 토양 특성과 같은 인자는, 결빙 웰과 토양 가열기의 작동 시간의 차이를 결정하여, 토양 복원시, 결빙 웰이 관통하지 않는 결빙 배리어를 형성할 것 이다. 토양 복원 시스템의 실시형태에 있어서, 가열기 웰이 결빙 웰에 의해 형성된 결빙 배리어를 용융시키지 않으면서, 이 가열기 웰은 결빙 웰에 약 0.3 m 만큼 근접하게 배치될 것이다. 다른 실시형태에 있어서, 가열기 웰은 결빙 웰로부터 0.3 m 보다 더 근접하게, 또는 결빙 웰로부터 0.3 m 더 멀리 배치될 수 있다. 어떤 실시형태에 있어서는, 가열기 웰은 결빙 웰로부터 0.6 m 이상의 거리에 위치될 수 있다.

처리 영역에 웰의 설치시, 가열기 웰의 최외부 링은 결빙 웰이 결빙 배리어를 형성하는 영역에 위치될 수 있다. 가열기 웰의 작동 전에 결빙 배리어를 형성함으로써, 복원을 위해서 가열기 웰이 활성화되는 시점에, 가열기 웰이 배리어를 관통하는 것이 방지될 것이다. 토양 복원 시스템의 일실시형태에 있어서, 처리 영역 주위의 2 개의 링내에는 결빙 웰이 배치되고, 결빙 웰의 내부 링이 결빙 배리어를 형성하는 영역에는 가열기 웰이 위치된다. 토양 복원 시스템의 실시형태에 있어서, 가열기 웰(들)은 인접한 결빙 웰 사이에 배치될 수 있다. 예를 들어, 가열기 웰은 2 개의 인접한 결빙 웰 사이의 통로에 배치될 것이다.

ISTD 토양 복원 시스템의 처리 영역으로 유입하는 물의 양을 제어하는 것은 아주 중요할 수 있다. 토양 복원 시스템이 물 재충전 구역에서 작동된다면, 물의 유입으로 인하여, 유입하는 물을 기화시키는 것과 관련된 에너지 소비가 상당히 증가하게 될 것이다. 또한, 물의 유입으로 인하여, 처리 영역내의 토양 온도를 물의 기화 온도보다 더 높은 온도로 상승시킬 수 없게 된다. 처리 영역으로 물이 이동하는 것을 방지하기 위해서, 결빙 웰은 물의 측면 이동 또는 유동 을 중지시킬 필요가 있다. 토양의 수평 투과성은 토양의 수직 투과성보다 훨씬 더 클 수 있고, 또는 토양내의 물의 수직 상향 이동을 억제하는 아퀴타드가 존재할 수 있다.

결빙 웰을 사용하는 토양 복원 시스템의 일실시형태에 있어서, 결빙 웰은 처리 영역의 주변을 둘러쌀 것이다. 토양 복원 시스템의 다른 실시형태에 있어서, 결빙 웰은 처리 영역의 주변부의 일부를 따라서 배치될 것이다. 예를 들어, 결빙 웰은 처리 영역의 북향 가장자리를 따라 물의 이동에 대한 배리어를 형성하도록 배치될 수 있지만, 상기 배리어는 처리 영역의 남향 가장자리를 따를 필요는 없다.

결빙 배리어를 형성하는 결빙 웰은 오염되지 않은 토양 또는 실질적으로 오염되지 않은 토양내에 배치될 수 있기 때문에, 결빙 웰에 의해 형성된 결빙 배리어는 상당한 양의 오염물을 포함하지 않는다. 토양 오염 시스템의 일부 실시형태에 있어서, 결빙 웰에 가열기 부재가 형성될 수 있고, 또는 냉각 부재를 웰보어로부터 제거하여, 가열기 부재를 웰보어 또는 결빙 웰내에 설치할 수 있다. 결빙 웰과 배리어의 열에너지를 이용하고 결빙 웰의 내부측에서 토양 복원을 완료한 후, 가열기 부재를 작동시켜 이미 결빙된 토양을 가열할 수 있다. 토양내의 증기는 우선적으로 토양 복원 시스템의 추출 웰 쪽으로 유동하게 된다. 또한, 가열기 웰로 전환된 결빙 웰의 전부 또는 일부는 추출 웰일 수 있다. 넓은 토양 오염 영역은 분할하여 처리될 수 있다.

토양 복원 시스템의 일부 실시형태에 있어서, 처리 영역 아래로부터의 유체 유입을 방지하는 것이 바람직할 수 있다. 웰의 패턴은 처리 영역의 주변을 따라서 결빙 웰이 배치되어 있고 처리 영역 내부에는 토양 복원 웰이 있는 처리 영역내에 형성될 수 있다. 토양 복원 웰은 가열기 웰, 추출 웰, 및/또는 가열기/추출 웰일 수 있다. 토양 복원 웰은, 결빙 배리어를 형성하는데 바람직한 깊이로 토양내에 설치될 수 있다. 결빙 배리어의 깊이는 오염된 토양 구역 아래로 1 m 이상일 수 있다. 토양 복원 웰에는 냉각 라인이 설치될 수 있다. 냉각 라인은 웰의 저부를 제외하고 토양과의 열전달을 방지하는 절연체를 포함할 수 있다. 토양 복원 시스템의 활성화전에, 처리 영역내에 바닥 결빙 배리어를 형성하기 위해 냉각 시스템은 상당한 시간 동안 (예를 들어 몇 달) 활성화될 것이다. 토양 복원 시스템의 일실시형태에 있어서, 배리어 형성 후에도 웰내에는 냉각 라인이 남아있을 수 있다. 냉각 라인은, 토양 복원 공정의 가열 단계 동안에, 바닥 결빙 배리어를 유지하는데 사용되거나 사용되지 않을 수 있다. 다른 실시형태에 있어서, 배리어 형성 후, 토양 복원 공정의 가열 단계 개시 전에, 냉각 라인은 토양 복원 웰로부터 제거될 수 있다.

아래로부터의 유체 이동이 방지되는 것이 바람직한 토양 복원 시스템의 일부 실시형태에 있어서, 결빙 웰은 경사진 방향으로 설치될 것이다. 결빙 웰은 "V" 형 또는 "U" 형 패턴을 이루도록 배향될 수 있다. 일부 실시형태에 있어서, 웰은 지그재그 배열로 위치될 수 있고, 또는 웰은 지향적으로 뚫리어 제 1 측상에서 처리 영역으로 유입하여 처리 영역의 제 2 측상에서 처리 영역을 나갈 수 있다. 가열기 웰 및/또는 열 블랭킷 (blankets) 은 결빙 웰의 "V" 형 또는 "U" 형 패턴의 레그 사이에 배치될 수 있다. 수직하게 배치된 결빙 웰은 "V" 형 또는 "U" 형 패턴의 단부를 따라서 배치될 수 있다.

결빙 웰과 토양 복원 웰은 복원될 처리 영역내에 설치될 것이다. 처리 영역의 범위는 공지된 유출 범위 또는 토양 샘플링 또는 모니터링 웰로부터 결정된 오염물의 범위에 바탕을 둘 수 있다. 토양 복원 시스템은 처리 영역내에 설치될 것이다. 토양 복원 시스템은 처리 영역의 상부에 배치된 가열기 블랭킷 및/또는 처리 영역에 설치된 가열기 웰을 포함할 수 있다. 결빙 웰은 처리 영역의 주변 둘레에 설치될 수 있고, 또는 처리 영역의 선택된 주변부를 따라서 설치될 수 있다.

결빙 웰을 이용하는 토양 복원 시스템과 관련하여 구동 유체가 사용될 수 있다. 토양내의 오염물을 추출 웰 쪽으로 이동시키기 위해서 구동 유체가 사용될 수 있다. 어떤 실시형태에 있어서는, 일부 추출 웰은 주입 웰로 전환되어, 진공 시스템에서 웰을 분리하여 이 웰을 주입 시스템에 부착함으로써 구동 유체가 토양에 주입될 것이다. 추출 웰의 링은 주입 웰로 전환될 수 있다. 웰을 통하여 구동 유체가 토양에 주입된 후, 웰을 진공 시스템에 재부착시킴으로써 주입 웰이 추출 웰로 다시 전환될 수 있다. 구동 유체는 잔류 오염물을 추출 웰쪽으로 제거하기 위해서 토양 복원 공정의 종결시에 이용되어 토양으로부터 오염물이 제거될 것이다. 토양의 가열로 인하여 토양의 증가된 투과성은 구동 유체를 사용한 잔류 오염물의 제거를 촉진시킬 것이다. 일부 실시형태에 있어서, 일부 토양 복원 웰은 주입 시스템에 연결된 주입 웰이어서, 복원시 추출 웰이 주입 웰로 전환될 필요가 없다.

처리 영역내의 오염물이 수용가능한 레벨로 감소 또는 제거된 후, 토양 복원 시스템과 초기의 결빙 웰이 비활성화될 것이다. 제 2 처리 영역 주위에 새로운 배리어가 형성된다면, 새로운 배리어가 형성되는 토양과, 순환식 열전달 유체를 사용하는 초기의 결빙 웰 사이에서 열전달이 일어날 것이다. 결빙 배리어가 형성될 토양을 냉각시키기 위해서 비활성화된 결빙 웰을 사용하면, 초기 배리어를 형성 및 유지하는데 소비된 에너지의 일부를 회수할 수 있다. 새로운 결빙 배리어가 형성되는 토양을 냉각시키기 위해서 초기 배리어를 사용하면, 새로운 배리어를 형성하는 비용을 상당히 감소시킬 것이다. 녹는 결빙 배리어, 유지되는 결빙 배리어, 및/또는 냉각 유닛으로부터 나오는 스트림의 일부는, 응축물 트랩 및/또는 유체 분리 시스템을 냉각하기 위해 이용될 수 있다. 일부 토양 복원 실시형태에 있어서, 결빙 배리어는 주변 토양과 열적 평형에 일반적으로 도달하게 될 것이다. 토양 복원 후 지면으로부터 결빙 웰이 제거될 것이다. 결빙 웰 또는 결빙 웰의 일부는 다른 위치에서 재사용될 수 있다.

본 발명의 장점은 첨부된 도면을 참조하여 실시형태의 이후의 상세한 설명부의 장점과 함께 당업자에게 명백할 것이다.

도 1 은 회분 조작식 결빙 웰에 의해서 형성된 결빙 벽을 갖춘 토양 복원 시스템의 개략도,

도 2 는 토양 복원 시스템의 지면 덮개의 단면도,

도 3 은 처리 영역을 둘러싸는 결빙 웰의 이중링을 갖춘 토양 복원 시스템을 위한 웰 패턴의 평면도,

도 4 는 회분 조작식 결빙 웰의 일실시형태의 단면도,

도 5 는 유체를 결빙 웰의 내부로 또한 외부로 이송하는데 도관을 사용하는 순환식 냉매 시스템에 대한 결빙 웰의 일실시형태의 일부 단면도,

도 6 은 개방 웰보어내에 배치된 도관을 포함하는 결빙 웰의 실시형태의 부분 단면도,

도 7 은 순환식 냉매 시스템을 위한 결빙 웰의 실시형태의 대표도를 나타내는 도면으로, 냉매는 입구 라인을 통하여 결빙 웰로 유동하여 입구 라인과 웰 케이싱 사이의 환상 공간의 결빙 웰을 통과하며, 결빙 웰은 지표면아래의 단면도로 도시되었고,

도 8 은 순환식 냉매 시스템을 위한 결빙 웰의 실시형태의 단면도로, 결빙 웰의 일부는 개방 웰보어를 포함하며,

도 9 는 결빙 웰 배치의 평면도로, 결빙 웰 일부는 지향적으로 뚫리어, 결빙 웰이 작동될 때 바닥 배리어가 형성될 수 있고,

도 10 은 "V" 형상의 처리 영역을 형성하도록 토양내로 구부러지는 결빙 웰의 실시형태의 대표도,

도 11 은 처리 영역의 제 1 측상에서 토양에 들어가고 처리 영역의 제 2 측상에서 토양을 나오는 "U" 형상의 결빙 웰의 실시형태의 도면,

도 12 는 열적으로 복원되는 토양 아래의 결빙 배리어를 형성하는데 사용되 는 결빙 웰의 실시형태의 도면,

도 13 은 오염된 토양의 긴 스트립을 처리하는데 사용될 수 있는 복원 시스템의 실시형태의 도면,

도 14 는 결빙 웰 사이를 유동하는 유체를 통하여 결빙 웰 사이에 결빙 배리어를 형성시키는 결빙 웰의 실시형태의 도면,

도 15 는 토양 저항 가열에 의해서 토양을 가열하는 현장 열 탈착 방법을 사용하여 오염된 토양을 복원하는데 사용될 수 있는 결빙 웰, 추출 웰, 전극의 실실형태의 도면,

도 16 은 결빙 웰의 링에 의해서 둘러싸인 열원의 열 시뮬레이션 결과를 도시한 도면,

도 17 은 사각형 처리 영역의 평면도,

도 18 은 원호부로 된 주변 배리어로 형성된 처리 영역의 일실시형태의 평면도로, 원호부의 중심은 정삼각형 패턴을 이루고,

도 19 는 원호부로 된 주변 배리어로 형성된 처리 영역의 일실시형태의 평면도로, 원주부의 중심은 정사각형 패턴을 이루고,

도 20 은 중심점을 중심으로 반경방향으로 위치된 주변 배리어로 형성된 처리 영역의 일실시형태의 평면도.

본 발명은 다양한 변형 및 다른 형태로 될 수 있지만, 본 발명의 특정한 실시형태는, 도면의 실시예로 도시되었고, 본원에서 자세히 설명될 것이다. 도 면은 축척으로 도시되지 않았다. 도면과 이의 상세한 설명부는 본 발명을 개시된 특정한 형태로 한정하는 것이 아니고, 반대로 본 발명은, 첨부된 청구항에서 한정된 바와 같이 본 발명의 정신과 범위를 벗어나지 않는 한, 모든 변형물, 동등물, 및 대체물을 포함할 수 있음을 이해해야 한다.

현장 열 탈착 (ISTD) 공정 시스템은 오염된 토양을 복원하는데 사용될 수 있다. ISTD 토양 복원 공정은 진공으로 발생 가스를 동시에 제거하면서 토양의 온도를 상승시키도록 토양을 현장 가열하는 것과 관련이 있다. 토양을 가열함으로써 여러 메카니즘으로 오염물을 제거할 수 있다. 이러한 메카니즘의 예를 들면, 토양으로부터 오염물의 기화 및 이송, 공기 또는 수증기로 오염물을 기화, 반출, 및 제거하는 것, 및/또는 오염물을 토양내에서 열분해, 산화, 또는 다른 화학 반응으로 오염되지 않은 성분으로 전환시키거나 열 탈착하는 것이 있다.

ISTD 토양 복원 공정은, 토양 증기 추출 (SVE) 공정과 구동 유체, 화학 반응제, 및/또는 생물학적 반응제를 토양내로 주입하는 공정보다 현저한 장점을 제공할 수 있다. 평균 토양의 유체 유동 전도성은, 부분적으로 토양내의 토양 이종 성분과 물로 인해 토양에 걸쳐서 10⁸ 인자만큼 변할 것이다. 본원에 사용된 "유체"는 액체 또는 가스 상태에 있는 물질을 말한다. 토양을 통한 유체의 질량 이송은 SVE 공정이나 토양의 화학적 처리 및/또는 생물학적 처리를 사용하여 처리 장소를 복원하는데 있어서 제안 요인이 될 수 있다. 토양의 유체 유동 투과성이 매우 큰 폭으로 변할 수 있는 것과는 반대로, 평균 토양의 열전도성은 토 양에 걸쳐서 약 2 인자만큼 변할 수 있다. 토양에 열을 가하는 것이, 동일한 토양을 통하여 유체를 주입하는 것보다 상당히 더 효과적일 수 있다. 또한, 토양에 열을 가함으로써 촘촘한 (저투과성) 토양의 투과성을 바람직하게 증가시켜 준다. 가한 열은 토양을 건조시킬 것이다. 토양이 건조됨에 따라, 토양의 미시적 및 거시적인 투과성이 증가할 것이다. 가열된 토양의 증가된 투과성으로 인하여 ISTD 토양 복원 공정으로 처리 영역에 걸쳐서 오염물을 수용가능한 레벨로 제거 또는 감소시킬 수 있다. 토양의 투과성이 증가하면 표준 토양 증기 추출 공정에 적합하지 않는 저투과성 점토와 슬릿을 현장 복원할 수 있다.

토양 복원 실시형태에 있어서, 오염물 제거 방법은, 기화 및/또는 열 분해에 의해 오염물이 제거되는 온도로 오염된 토양을 가열시키는 것을 포함한다. 현장의 물은 기화되고 증기는 증류되거나 오염물을 내포한다. 수증기내의 오염물은 추출 웰을 통하여 토양으로부터 제거될 것이다.

다양한 방법으로 토양이 가열될 수 있다. 토양 가열 방법은, 열원으로부터의 열복사 또는 열전도에 의한 가열, 고주파 가열에 의한 가열, 또는 전기 토양 저항 가열에 의한 가열을 포함하며, 이에만 한정되는 것은 아니다. "복사 가열" 은 고온 열원에서 저온 표면으로의 복사열 전달을 말한다. ISTD 공정에 있어서, 열은 일차적으로 가열된 토양 표면에서 인접한 토양으로 전도에 의해 전달되어, 열원으로부터 소정의 거리에서 토양 온도를 상승시킨다. 복사 또는 전도 가열에 의해 획득가능한 온도는 토양내에 존재하는 물의 양에 의해 제한되지 않기 때문에, 복사 및/또는 전도 가열이 유리할 것이다. 실질적으로 물의 끓 는점 이상의 토양 온도는 복사 및/또는 전도 가열을 사용하여 얻어질 수 있다. 약 100℃, 125℃, 150℃, 200℃, 400℃, 500℃ 또는 그 이상의 토양 온도는 복사 및/또는 전도 가열을 사용하여 얻어질 수 있다. 복사 및/또는 전도 가열의 열원은, 웰보어내에 배치된 전기 저항 가열기, 웰보어를 통하여 순환하는 열전달 유체, 또는 웰보어내에서의 연소일 수 있으며, 이에만 한정되는 것은 아니다.

가열기는 토양을 가열하기 위해서 토양내에 또는 그 위에 배치될 수 있다. 약 1 m 의 토양 표면내의 토양 오염물에 대해서는, 토양의 상면에 배치된 지면 가열기 및/또는 열 블랭킷이 토양에 전도열을 가할 수 있다. 진공 시스템은 열 블랭킷을 통과하는 진공 포트를 통하여 토양에 진공을 유발할 것이다. 가열기는 약 870℃ 에서 작동할 수 있다. 본 발명에서 완전 발표된 바와 같이 참조자료로 포함된 마스덴 (Marsden) 등에게 허여된 미국특허 제 5,221,827 호에서는 열 블랭킷 토양 복원 시스템을 개시하였다. 본 발명에서 완전 발표된 바와 같이 참조자료로 포함된 비네가 (Vinegar) 등에게 허여된 미국특허 제 4,984,594 호에서는, 불투과적인 가요성 시트 바로 아래의 토양에 진공을 가하여 시트 아래의 토양표면상에 배치된 전기 표면 가열기로 토양을 가열함으로써, 표면 및 근방의 표면 토양으로부터 오염물을 제거하는 현장 방법을 개시하였다.

더 깊이 있는 오염물에 대해서는, 가열기 웰이 토양에 열을 공급하는데 사용될 수 있다. 본 발명에서 완전 발표된 바와 같이 참조자료로 포함된, 비네가 등에게 허여된 미국특허출원 제 09/549,902 호와 미국특허 제 5,318,116 호, 및 비네가 등에게 허여된 미국특허출원 제 09/836,447 호에서는, 복사 및/또는 전도 가열로 오염된 지하 토양을 처리하는 ISTD 토양 복원 공정을 개시하였다. 웰링톤 (Wellington) 등에게 허여된 미국특허출원 제 09/841,432 호, 웰링톤 등에게 허여된 미국특허출원 제 10/131,123 호, 웰링톤 등에게 허여된 "배리어를 사용하는 탄화수소 함유 형성물로부터 현장 복원" 이라는 제목의 미국특허출원 (2002년 10월 24일 출원) 에서는, 가열기와 다양한 장비를 개시하였다. 이러한 출원 각각은 본 발명에서 완전 발표된 바와 같이 참조자료로 포함되었다.

일부 가열기 웰은 토양으로부터 유체를 제거하도록 천공된 케이싱을 포함할 것이다. 또한, 천공된 케이싱을 가진 가열기 웰은 유체가 토양으로 흡인되거나 주입되도록 할 수 있다. 토양으로부터 유체를 흡인하기 위해서 토양에는 진공이 가해질 수 있다. 토양내에 배치된 추출 웰을 통하여 또는 표면에 진공이 가해질 수 있다.

"웰" 은 가열기 웰, 추출 웰, 주입 웰, 및 시험 웰을 말한다. 토양의 온도는 가열기 웰을 사용하여 상승될 수 있다. 토양으로부터의 유체는 추출 웰을 통하여 토양으로부터 나올 수 있다. 일부 추출 웰은 가열기 부재를 포함할 수 있다. "가열기-추출 웰" 이라고 하는 이러한 추출 웰은 토양을 온도를 상승시킬 수도 있고 또한 토양으로부터 유체를 제거할 수도 있다. 가열기-추출 웰에 인접한 영역에서, 열유동의 방향은 유체 유동의 방향과는 반대일 수 있다. 가열기-추출 웰로부터 나오는 유체는, 유체내의 오염물 일부를 파괴할 수 있도록 가열기-추출 웰내에서 충분한 고온에 노출될 것이다. 주입 웰은 유체를 토양으로 주입시켜준다. 토양 복원 시스템의 웰 패턴내의 바람직한 위치에 배치된 시험 웰을 사용하여, 토양 또는 이 토양으로부터의 유체를 샘플링 또는 로깅 (logging) 할 수 있다.

현장 토양 복원 시스템은 다수의 가열기 웰과 1 이상의 증기 추출 웰을 포함할 수 있다. 또한, 증기 추출 웰은 1 이상의 가열기 부재를 포함할 것이다. 가열기-증기 추출 웰의 가열기 부재는 증기 추출 웰의 부근에서 초기 투과성을 얻기 위한 열을 제공할 수 있다. 또한 추가 열은 웰내의 수증기와 오염물의 응결을 방지할 것이다. 일부 추출 웰의 실시형태에 있어서, 추출 웰은 가열기 부재를 포함하지 않을 수 있다. 증기 추출 웰내에 가열기 부재가 없음으로써 증기 추출 웰보어의 구성을 단순화할 수 있고, 또한 일부 적용에 있어서 바람직할 수 있다.

웰은 토양내의 열과 행의 패턴으로 배열될 수 있다. 웰의 행은 지그재그로 형성되어서 웰이 삼각 패턴으로 될 수 있다. 다른 방법으로, 웰은 사각형, 다각형, 육각형, 또는 더 높은 차수의 다각형 패턴으로 배열될 수 있다. 인접한 웰간의 거리는 실질적으로 고정된 거리여서, 다각형 웰 패턴은 정삼각형 또는 정사각형으로 형성될 수 있다. 한 패턴에서 인접한 웰간의 간격은 약 1 m ~ 약 12 m 또는 그 이상의 범위일 수 있다. 통상적인 간격은 약 2 m ~ 4 m 일 수 있다. 일부 웰은 패턴내의 장애물을 피하기 위해서 일정한 패턴을 이루지 않고 배치될 수 있다.

ISTD 토양 복원 공정은 SVE 시스템보다 여러 가지 장점을 가질 수 있다. 오염된 토양에 열을 부가함으로써, 토양의 온도를 이 토양내의 오염물의 기화 온도 이상으로 상승시킬 수 있다. 토양 온도가 토양 오염물의 기화 온도를 초과한다면, 오염물이 기화될 것이다. 토양에 가해진 진공은 기화된 오염물을 토양 외부로 유도할 수 있도록 한다. 오염물의 기화 온도 이하의 온도로 토양을 가열하더라도 유리한 효과를 얻을 수 있다. 토양의 온도를 증가시킴으로써, 토양내의 증기 압력을 증가시켜, 기류에 의해서 낮은 토양 온도에서 할 수 있는 것보다 더 많은 오염물을 토양으로부터 제거하도록 한다. 가열에 의해 증가된 토양의 투과성으로 인하여 토양 처리 영역 전체에 걸쳐서 오염물을 제거할 수 있다.

2002년 10월 24일 출원된 스테제메이어 (Stegemeier) 등에게 허여된 "열적으로 향상된 토양 오염물 제거 방법" 이라는 명칭의 미국특허출원과, 2002년 10월 24일 출원된 스테제메이어 등에게 허여된 "굽어진 방해물에 대하여 토양 복원 웰의 위치결정" 이라는 명칭의 미국특허출원과, 2002년 10월 24일 출원된 비네가르 등에게 허여된 "수은 오염된 토양의 복원" 이라는 명칭의 미국특허출원에서는 ISTD 토양 복원 공정을 개시하였다. 상기 참조자료는 본 발명에서 완전 발표된 바와 같이 참조자료로 포함되었다.

많은 토양 형성물은 오염물에 비하여 다량의 물을 포함한다. 토양의 온도를 물의 기화 온도로 상승시킴으로써 물이 기화될 것이다. 물의 기화는 토양내의 오염물을 휘발시키고 (수증기 증류에 의한) 및/또는 오염물을 반출하는 것을 돕는다. 토양에 가해진 진공은 기화된 및/또는 반출된 오염물을 토양으로부터 제거할 것이다. 오염물의 기화와 반출로 인하여 중간의 또한 높은 끓는점을 가 진 오염물을 토양으로부터 제거할 수 있다.

토양으로부터 오염물을 더 제거하는 것 외에도, 토양에 열을 더 가함으로써 현장에서 오염물을 파괴할 수 있다. 공기 또는 수증기와 같은 산화제가 존재함으로써 고온의 토양을 통과하는 오염물을 산화시킬 수 있다. 산화제가 존재하여, 열분해로 토양내의 오염물을 바꿀 수 있다. 토양에 가해진 진공은 토양으로부터의 반응물을 제거할 것이다.

가열 및 증기 추출 시스템은 가열기 웰, 추출 웰, 주입 웰, 및/또는 시험 웰을 포함할 수 있다. 가열기 웰은 열에너지를 토양에 가하여 토양의 온도를 증가시킨다. 가열 및 증기 추출 시스템의 추출 웰은 발생 가스를 토양으로부터 제거하도록 하는 천공된 케이싱을 포함할 수 있다. 케이싱 또는 케이싱 일부는 화학적 및/또는 열적 열화에 대한 저항성을 갖는 금속으로 제조될 수 있다. 웰 케이싱내의 천공부는 케이싱을 지면에 삽입하기 전에 제거가능한 재료로 막혀질 수 있다. 케이싱을 지면에 삽입한 후, 천공부내의 막힘부가 제거될 것이다. 본 발명에서 완전 발표된 바와 같이 참조자료로 포함된 미국특허출원 제 09/716,366 호에서는, 웰 케이싱의 천공부내에 배치된 제거가능한 막힘부가 설치된 웰을 개시하였다. 웰 케이싱내의 천공부는, 구멍 및/또는 슬롯일 수 있으며, 이에만 한정되는 것은 아니다. 천공부는 가려질 수 있다. 케이싱은 이 케이싱의 길이를 따른 상이한 위치에서 여러 개의 천공 구역을 가질 것이다. 케이싱이 토양에 삽입될 때, 천공 구역은 토양의 오염된 층에 인접하게 배치될 것이다. 케이싱의 천공부에 인접한 영역은 자갈 또는 모래로 채워질 수 있다. 케이싱은 비생산 토양층에 인접한 토양에 밀봉되어 오염되지 않은 토양으로 오염물이 이동하는 것을 방지할 수 있다.

도 1 에서는 토양 복원 시스템 (20) 의 개략도를 도시하였다. 토양 복원 시스템은 이 복원 시스템 (20) 의 주변에 배치된 결빙 웰 (24) 로 형성된 배리어 (22) 를 포함할 것이다. 복원 시스템 (20) 은 처리 영역 (28) 내의 토양 (26) 을 처리하는데 사용될 것이다. 토양 (26) 은 오염된 토양 및 오염되지 않은 토양을 포함할 것이다. 토양 복원 시스템 (20) 은 처리 영역 (28) 내의 오염물을 제거하거나 이 오염물을 수용가능한 레벨로 감소시킬 수 있다. 결빙 웰 (24) 은 토양 (26) 내의 물을 결빙시킴으로써 처리 영역 (28) 주변에 배리어 (22) 를 형성할 수 있다. 일부 복원 시스템의 실시형태에 있어서, 천연 배리어 (과적된, 적재미달된, 및 실질적으로 불투과성 토양) 및/또는 인공 배리어 (불투과성 벽 및 삽입된 금속 시트) 가 있으면 결빙 웰을 처리 영역의 주변 전체에 배치시킬 필요는 없다. 배리어 (22) 는 처리 영역 (28) 내부 또는 외부로 유체가 유동하는 것을 방지할 수 있다. 배리어 (22) 는 유리하게도 복원시 처리 영역 (28) 외부로 오염물이 이동되는 것을 방지할 수 있다. 배리어 (22) 는 처리 영역 (28) 으로 물 및/또는 공기 등의 유체 유동을 방지할 것이다. 처리 영역 (28) 으로의 유체 유동을 방지함으로써 지면으로부터 제거된 재료량을 한정하여 토양으로부터 제거된 오염물을 처리하는데 필요한 처리 설비의 크기를 제한할 수 있다.

토양 복원 시스템 (20) 은, 생물학적 또는 반응 유체 주입 시스템, 토양 증기 추출 시스템, 또는 현장 열 탈착식 (ISTD) 복원 시스템일 수 있으며, 이에 만 한정되는 것은 아니다. ISTD 토양 복원 시스템은, 토양의 온도를 상승시키기 위해, 열 블랭킷, 가열기 웰, 고주파 가열, 및/또는 토양 전기 저항 가열을 사용할 수 있으며, 이에만 한정되는 것은 아니다. 전기 저항 가열은 토양의 6-상 또는 3-상 가열을 사용할 것이다. 도 1 에서는 열 블랭킷과 가열기 웰을 사용하는 ISTD 토양 복원 시스템의 일실시형태를 도시하였다. ISTD 토양 복원 시스템에 대해서, 처리 영역 (28) 내에 존재하거나 처리 영역으로 유입될 수 있는 물의 양을 한정함으로써, 에너지 소비를 상당히 감소시킬 수 있고, 또한 상기 시스템은 처리 영역내 전체 토양의 온도를 물의 기화 온도보다 상당히 높은 온도로 상승될 수 있다.

복원 시스템 (20) 은 1 이상의 토양 복원 웰을 포함할 수 있다. 토양 복원 웰은 추출 웰 (30), 가열기 웰 (32), 또는 가열기-추출 병용 웰 (33) 일 수 있다. 추출 웰 (30) 은 토양 (26) 으로부터 발생 가스를 제거해준다. 추출 웰 (30) 은, 토양 (26) 과 연통하여 발생 가스가 추출 웰로 유도되도록 해주는 개구(들)를 포함한다. 가열기 웰 (32) 은 토양 (26) 으로 열을 전달한다. 전기 가열 부재로부터, 웰보어내의 연소로부터, 및 순환식 열전달 유체에 의한 열전달로부터 토양에 열이 가해질 수 있으며, 토양에만 열이 전달되는 것은 아니다. 토양에 가해진 열은 실질적으로 전도에 의해서 인접한 토양에 전달된다. 가열기-추출 웰은 토양으로의 열전달뿐만 아니라 토양으로부터의 발생 가스 제거를 가능케 한다.

토양 복원 웰은 주입 웰일 수 있다. 주입 웰은 토양 (26) 에 유체를 첨 가하는데 사용될 수 있다. 주입 웰은, 토양 (26) 과 연통하여 주입 웰로부터 유체가 토양으로 갈 수 있도록 해주는 1 이상의 개구를 포함한다. 유체는 생물학적 작용제, 화학 반응제, 및/또는 유체를 추출 웰 (30) 쪽으로 흐르게 하는 플러딩 작용제 (flooding agent) 일 수 있다. 일실시형태에 있어서, 유체는 주입 웰을 통하여 토양으로 끌어올려질 수 있다. 다른 실시형태에 있어서, 유체는 주입 웰내에 배치될 수 있고, 추출 웰 (30) 에서 토양 (26) 상에 유도되는 진공에 의해서 이 유체가 토양안으로 흡인될 수 있다. 토양 복원시, 일부 추출 웰 (30) 은 주입 웰로 전환될 수 있다. 추출 웰을 주입 웰로 전환하기 위해서, 추출 웰은 진공 시스템으로부터 분리되어 유체를 전환된 웰로 유도하는 유체 공급 시스템에 연결될 수 있다.

복원 시스템 (20) 은 1 이상의 시험 웰 (34) 을 포함할 수 있다. 시험 웰 (34) 은 복원 진행을 모니터링하는데 사용될 수 있다. 시험 웰 (34) 은 토양내의 화학 성분의 온도 데이터, 압력 데이터, 샘플, 및/또는 농도 데이터를 수집하도록 하는 로깅 포트일 수 있다. 시험 웰 (34) 은 추출 웰 (30) 의 패턴 내측 및/또는 외측에 배치될 수 있다.

일부 시험 웰 (34) 은 간극 수압계일 수 있다. 결빙 배리어 (22) 를 형성하도록 결빙 웰을 사용하는 토양 복원 시스템의 일실시형태에 있어서, 결빙 배리어에 의해 한정되는 처리 영역 (28) 내의 수면 레벨의 상승으로 결빙 배리어의 형성을 확인할 수 있다. 처리 영역 (28) 주위에 배리어 (22) 를 형성한 후, 배리어의 두께는 배리어가 팽창함에 따라 증가할 것이다. 팽창 배리어는 처리 영역 (28) 내의 간극 수압계의 수두를 강제 변화시킬 것이다. 결빙 웰 (24) 의 링 내측에 배치된 간극 수압계(들) 및 결빙 웰의 링 외측에 배치된 간극 수압계(들)는 결빙 배리어가 형성된 때를 결정하기 위해서 토양 (26) 내의 수두를 측정하는데 사용될 수 있다. 처리 영역 (28) 내의 수두 상승은 배리어 (22) 의 형성을 나타낼 것이다.

시험 웰 (34) 은 온도 센서를 포함할 것이다. 온도 센서는, 열전대 또는 저항 온도 검출기 (RTD) 일 수 있으며, 이에만 한정되는 것은 아니다. RTD 는 물로 포화된 토양의 어는점 근처의 온도를 포함하는 넓은 온도 범위에 걸쳐서 정확성 및 안정성을 제공할 것이다. 시험 웰 (34) 은 1 이상의 온도 센서를 포함할 것이다. 시험 웰내의 온도 센서의 위치는 깊이에 따라서 토양내의 온도를 측정하도록 조절가능할 것이다. 결빙 배리어 (22) 와 토양 복원 웰 근처에 배치된 시험 웰 (34) 은, 결빙 배리어에 의해 영향을 받는 온도와 토양 복원 웰에 의해 영향을 받는 온도를 측정하는 온도 센서를 포함할 것이다. 예를 들어, 시험 웰은 토양내에 배치된 7.6 cm 의 웰보어일 수 있다. 제 1 센서는 결빙 배리어에 가장 근접한 웰보어 측에 대하여 웰보어내에 위치될 수 있다. 제 2 센서는 토양 복원 웰에 가장 근접한 웰보어 측에 대하여 웰보어내에 위치될 수 있다.

측정가능한 특성 및/또는 시험 과정은 결빙 배리어의 형성을 나타내줄 수 있다. 예를 들어, 결빙 웰 내측에서 탈수가 실시된다면, 결빙 배리어가 처리 영역으로의 물의 재충전을 형성 및 차단함에 따라, 탈수 웰을 통하여 형성물로부터 제거된 물의 양은 상당히 감소할 것이다. 처리 영역내에서 제거된 물은 결 빙 배리어가 형성되어 유체 레벨이 낮아진 후 신속하게 정지할 것이다.

처리 영역내의 과도 압력 시험 (예를 들어 압력강하 시험 또는 주입 시험) 은 결빙 배리어의 형성을 나타내준다. 또한, 상기 과도 압력 시험은 배리어에서 투과성을 나타내줄 것이다. 압력 시험은 C.S. Matthews & D.G. Russell 의 웰에서의 압력 형성 및 유동 시험 (SPE Monograph, 1967) 에 개시되어 있다.

과도 유체 펄스 시험은 주변 배리어의 형성을 결정 또는 확인하는데 사용될 수 있다. 처리 영역은 주변 배리어의 형성 후에 물로 포화될 수 있다. 주변 배리어에 의해 둘러싸이는 처리 영역 내측에 펄스가 유발될 수 있다. 이 펄스는 웰보어 내부로 또는 외부로 유체 (예를 들어 물) 를 끌어올림으로써 형성되는 압력 펄스일 수 있다. 토양 외부로 유체를 끌어올리는 것은 처리 영역 외부로 어떠한 재료의 이동을 방지하는데 바람직할 수 있다. 일부 실시형태에 있어서, 압력 펄스는 증분식 단계로 가해질 수 있고, 각 단계 후에 반응이 모니터링될 수 있다. 압력 펄스가 가해진 후, 예를 들어 모니터 웰에서 및/또는 압력 펄스가 가해지는 웰내에서 압력을 측정함으로써 펄스에 대한 과도 응답이 측정될 수 있다. 압력 펄스를 검출하는데 사용되는 모니터링 웰은 처리 영역의 외측 및/또는 내측에 배치될 수 있다.

일부 실시형태에 있어서, 웰보어를 통하여 토양상에 진공을 유발함으로써 압력 펄스가 가해질 수 있다. 결빙 배리어가 형성되면, 펄스의 일부는 펄스원 쪽으로 되돌아가는 결빙 배리어에 의해서 반사될 것이다. 센서는 펄스에 대한 반응을 측정하는데 사용될 것이다. 일부 실시형태에 있어서, 결빙 웰이 작동 되기 전에 펄스(들)가 유발된다. 다른 반응에 대한 베이스 라인을 제공하기 위해서 펄스(들)에 대한 반응이 측정된다. 주변 배리어를 형성한 후, 주변 배리어의 내측에 작동되는 압력 펄스는 주변 배리어의 외측에 모니터 웰에 의해서 검출되지 않아야 한다. 처리 영역내에서 측정된 압력 펄스의 반사는 분석되어 결빙 배리어의 형성, 두께, 깊이, 및 다른 특성에 대한 정보를 제공해줄 수 있다.

시험에서 결빙된 주변 배리어가 결빙 웰에 의해 형성되지 않았음을 확인하면, 주변 배리어의 불완전부의 위치가 결정될 것이다. 펄스 시험은 주변 배리어의 비형성부의 위치를 나타낼 수 있다. 추적자 시험 (tracer tests) 은 주변 배리어의 불완전부가 있는 일반적인 방향을 나타낼 수 있다.

처리 영역 주위에서 주변 배리어의 불완전부의 위치를 결정하기 위해서 결빙 웰의 온도를 모니터링할 수 있다. 일부 결빙 웰의 실시형태에 있어서 (도 7 에 도시된 실시형태에 있어서), 각각의 결빙 웰 (24) 은 포트 (35) 를 포함할 수 있다. 저항 온도 장치와 같은 온도 프로브가 포트 (35) 에 삽입될 수 있다. 결빙 웰로의 냉매 유동이 정지될 것이다. 처리 영역내로 진공이 유도되어 주변 배리어를 통과하는 유체를 유도할 수 있다. 온도 프로브는 포트 (35) 내에서 이동되어 결빙 웰의 길이를 따라서 온도 변화를 모니터링한다. 결빙 배리어가 형성되지 않은 영역에 인접한 영역에서 온도가 급격하게 상승할 수 있다. 비형성된 주변 배리어 부분의 위치가 결정된 후, 영역에 인접한 결빙 웰을 관류하는 냉매가 증가되고 및/또는 이 영역 근처에 추가 결빙 웰(들)이 설치되어 처리 영역 주위에서 결빙 배리어를 완성하도록 할 수 있다.

도 1 에 도시된 바와 같이, 복원 시스템 (20) 은 지면 덮개 (36), 처리 설비 (38), 증기 수집 시스템 (40), 제어 시스템, 및 다수의 복원 웰을 포함할 수 있다. 복원 웰은 추출 웰, 가열기 웰, 주입 웰, 가열기-추출 웰, 또는 토양 복원에 사용되는 다른 유형의 웰일 수 있다. 또한, 복원 시스템 (20) 은 결빙 웰 (24) 및/또는 시험 웰 (34) 을 포함할 수 있다. 지면 덮개 (36) 는 처리 영역에 걸쳐서 배치되어서 처리 영역 (28) 으로부터 대기로의 열손실 및 증기 손실을 방지할 수 있다. 지면 덮개 (36) 는 대기로부터의 과도한 공기가 토양 (26) 으로 유입되는 것을 방지할 수 있다. 지면 덮개 (36) 는 표면으로부터 처리 영역 (28) 내의 토양으로 물이 유입하는 것을 방지할 것이다.

도 2 에서는 지면 덮개 (36) 의 일실시형태의 구성요소를 도시하였다. 지면 덮개 (36) 는 금속 시트층 (42), 절연체 (44), 불투과성 층 (46), 및 골조 (48) 를 포함할 수 있다. 처리 영역을 고르게 하기 위해 자갈 또는 모래와 같은 충진재 (50) 를 지표면에 배치하여 분류할 수 있다. 금속 시트층 (42) 은 충진재 (50) 의 상부상에 배치될 수 있다. 토양 복원 웰, 토양 표면상에 진공을 유도하도록 하는 라이저, 및 시험 웰은 금속 시트층 (42) 에 형성된 개구를 통하여 배치될 수 있다.

금속 시트층 (42) 은, 용접되거나 고온 밀봉제로 밀봉되거나 또는 서로 연결되어 처리 영역 (28) 으로부터 유체가 방출되고 처리 영역으로 유체가 유입되는 것을 방지하도록 층을 형성하는 다수의 개별 부분들로 형성될 수 있다. 금속 시트층 (42) 은, 용접, 고온 밀봉제, 또는 다른 밀봉 방법에 의해서, 토양 복 원 웰, 표면상에 진공을 유발하도록 하는 라이저, 또는 금속 시트층을 통하여 연장하는 다른 장비에 밀봉될 수 있다. 금속 시트층 (42) 은 처리 영역 (28) 을 둘러싸는 결빙 배리어 (22) 에 밀봉될 수 있다. 금속 시트층 (42) 의 주변을 따른 립 (lip) (52) 이 습윤 토양에 삽입될 수 있다. 결빙 웰 (24) 이 작동될 때, 립 (52) 에 인접한 습윤 토양은 결빙되어 결빙 웰 (24) 에 의해 형성된 결빙 배리어 (22) 를 금속 시트층 (42) 에 밀봉하게 될 수 있다. 금속 시트층 (42) 에 배리어 (22) 를 밀봉함으로써 처리 영역에 인접한 영역으로부터 처리 영역 (28) 으로 유체가 흐르지 않도록 방지할 수 있다. 유체 유입을 방지함으로써 복원시 진공 시스템이 처리 영역 (28) 내의 토양상에 고진공을 유도하도록 할 수 있다. 고진공은 토양 복원시 처리 영역 (28) 내의 오염물 제거를 향상시킬 수 있다.

금속 시트층 (42) 및 ISTD 토양 복원 시스템의 다른 구성요소는 토양 복원시 고온으로 상승될 수 있다. ISTD 토양 복원 시스템의 구성요소를 형성하는데 사용되는 재료는, 아말감화에 대한 저항성이 있고 (토양내에 수은이 존재할 시) 화학적 열화 및/또는 열적 열화에 대한 저항성이 있는 재료로 제조될 수 있다. ISTD 토양 복원 시스템의 일실시형태에 있어서, 금속 시트층은 탄소강일 수 있다. 일부 토양 복원 실시형태에 있어서, 염화 조성물이 분해되어 염화수소를 형성할 것이다. 금속 시트층과 고온으로 상승되는 관 (piping) 은 탄소강 보다 더 내화학성을 갖는 강 또는 다른 금속으로 형성될 수 있다. 일실시형태에 있어서, 사용되는 금속은 316 스테인레스 강일 수 있다. 발생 가스의 온도가 플라스틱관의 한계 작동 온도 이하로 감소되면, 증기 수집 시스템은 플라스틱관을 사용할 수 있다. 폴리비닐 클로라이드 관과 같은 중합체 관은 금속관보다 더 내화학성을 갖고 값도 저렴할 수 있다. 가열되지 않는 토양 복원 시스템에 있어서, 이 토양 복원 시스템의 구성요소를 형성하는데 사용되는 재료는 토양 복원시 작동 조건과 화학적 노출을 견디기에 충분한 재료로 제조될 수 있다. 예를 들어, 토양 복원 시스템이 생물학적 및/또는 화학적 반응 토양 복원 시스템이라면, 내화학성 중합체 층이 ISTD 토양 복원 시스템의 금속 시트층 대신에 사용될 수 있다.

도 2 에 도시된 바와 같이, 지면 덮개 (36) 는 금속 시트층 (42) 의 상부 또는 하부에 배치되는 절연체 (44) 를 포함할 수 있다. 절연체 (44) 를 금속 시트층 (42) 위에 배치함으로써, 절연체의 오염을 유리하게 방지할 수 있다. 절연체 (44) 는 토양 복원시 대기로의 열손실을 방지할 것이다. 절연체는 어떠한 형태의 고온 절연체일 수 있다. 절연체는, 미네랄 절연체, 유리섬유 절연체, 또는 질석 (vermiculite) 절연체일 수 있으며, 이에만 한정되는 것은 아니다. 일실시형태에 있어서, 절연체는 골조 (48) 주위에서 블로우성형되는 질석 절연체이다. 절연체는 결빙 웰 (24) 에 의해 형성된 결빙 배리어에 걸쳐서 연장하여 대기로부터 결빙 배리어로의 열전달을 방지한다.

도 2 에 도시된 실시형태에 있어서, 지면 덮개 (36) 는 토양 복원 시스템에 걸쳐서 연장하는 불투과성 층 (46) 을 포함한다. 불투과성 층 (46) 은 대기로 증기가 방출하는 것을 방지하도록 금속 시트층 (42) 에 대한 후속층 (back-up layer) 일 수 있다. 불투과성 층은 관, 라이저, 와이어링 도관, 및 토양 복원 시스템의 다른 장비위에 배치되거나 이에 밀봉될 수 있다. 불투과성 층 (46) 의 일부는 습윤 토양으로 삽입되어 결빙 웰 (24) 이 배리어를 형성할 때 불투과성 층이 결빙 배리어에 밀봉될 것이다. 불투과성 층 (46) 은 빗물 또는 다른 유체가 절연체 (44), 금속 시트층 (42), 및/또는 토양 복원 웰의 일부, 시험 웰, 및 처리 영역에 배치된 가열기와 접촉하는 것을 방지할 것이다. 불투과성 층 (46) 은, 금속, 캔버스, 중합체, 또는 이들의 혼합물일 수 있으며, 이에만 한정되는 것은 아니다. 불투과성 층 (46) 은 불투과성 층의 상부에 물이 고이는 것을 방지하도록 경사지게 될 수 있다. 불투과성 층의 내면상에 형성하는 응축물은 응축물 트랩 (traps) 으로 향하게 될 것이다. 응축물 트랩이 상당한 양의 응축물을 모으면, 이 응축물은 오염에 대해서 시험될 것이다. 응축물이 오염물을 함유한다면, 이 응축물은 토양 복원 시스템의 처리 설비로 유입되거나 다른 처리 설비로 이송될 것이다.

토양 복원시 금속 시트층 (42) 과 불투과성 층 (46) 사이에 진공이 유도될 것이다. 진공 시스템에서 나가는 스트림은 오염물에 대해서 모니터링될 것이다. 오염물이 발견되면, 스트림은 처리 설비로 보내질 것이다. 진공은 금속 시트층으로부터의 열전달을 감소시킬 것이다.

골조 (48) 는 지면 덮개 (36) 의 일부일 수 있다. 골조 (48) 는 금속 시트층 (42) 상에 배치된 절연체 (44) 의 압축 및/또는 파열을 방지할 것이다. 골조 (48) 는 웰 및 처리 영역내에 배치된 다른 구조물을 지지할 것이다. 골조 (48) 는 토양 복원 웰 및/또는 시험 웰에 접속하는 통로를 지지할 것이다. 불투과성 층 (46) 은 골조 (48) 의 일부상에서 지지될 것이다.

일부 토양 복원 시스템의 실시형태에는 지면 덮개가 필요하지 않을 수 있다. 토양 표면에서 토양의 가열과 토양으로부터의 발생 가스 제거가 무시할 정도가 되도록 오염된 토양이 너무 깊고 그리고/또는 표면과 오염물 사이에 불투과성 층이 개재되어 있다면, 지면 덮개가 필요하지 않을 것이다.

도 1 에 도시된 처리 설비 (38) 는 토양 (26) 으로부터 발생 가스 스트림을 흡인하는 진공 시스템 (54) 을 포함할 것이다. 또한, 처리 설비 (38) 는 발생 가스내의 오염물을 처리하기 위한 오염물 처리 시스템 (56) 을 포함할 것이다. 오염물 처리 시스템 (56) 은, 발생 가스 스트림으로부터 오염물을 제거하거나, 오염물을 수용가능한 레벨로 감소시킬 것이다. 오염물 처리 시스템 (56) 은, 응축기, 액체-증기 분리기, 열산화 반응기 등의 반응기 시스템, 활성화된 탄소층과 같은 질량 전달 시스템, 또는 반응기 시스템과 질량 전달 시스템이 조합된 것을 포함할 수 있으며, 이에만 한정되는 것은 아니다.

증기 수집 시스템 (40) 은 토양 (26) 에서 제거된 발생 가스를 처리 설비 (38) 로 이송하는 관 시스템을 포함한다. 또한, 증기 수집 시스템은 토양 표면에 진공을 유도하는 라이저 (58) 를 포함할 수 있다. 증기 수집 시스템 (40) 은 진공 시스템 (54) 및 추출 웰 (30) 에 연결될 수 있다. 일실시형태에 있어서, 관은 절연되어 가열된다. 절연 가열된 관은 관내의 발생 가스 응축을 방지한다. 다른 실시형태에 있어서, 라이저 이후의 관 일부가 가열되지 않은 관 및/또는 절연되지 않은 관일 수 있기 때문에, 발생 가스는 관내에서 응축되어 처리 설비로 유동한다. 일부 실시형태에 있어서, 증기 수집 시스템의 관은 여러 개의 상이한 재료로 형성될 수 있다. 추출 웰에 인접한 영역과 같은 고온 영역에서의 관은 금속으로 형성될 수 있다. 덜 고온인 영역에서의 관은 금속 또는 플라스틱으로 형성될 수 있다. 관 시스템의 일부는 가요성 배관으로 형성될 수 있다. 가요성 배관은 이 가요성 배관을 통하여 유도되는 진공으로 인한 붕괴를 방지하는 내부 구조물을 포함할 수 있다. 가요성 배관은 비용을 감소시키고 강성 관을 사용하는 시스템의 설치보다 상당히 용이하게 증기 수집 시스템을 설치하도록 한다.

토양 복원 시스템용 제어 시스템은 컴퓨터 제어 시스템일 수 있다. 제어 시스템은 처리 설비 (38), 가열된 증기 수집 시스템 (40), 다수의 토양 복원 웰의 작동을 모니터 및 제어할 수 있다. 제어 시스템은 가열기 웰 (32) 로의 전력 입력을 모니터 및 제어할 수 있다. 또한, 제어 시스템은 주입 웰 및/또는 시험 웰 (34) 을 제어할 것이다.

복원 시스템 (20) 은 토양 (26) 에 열에너지를 공급하는 가열기를 포함할 수 있다. 열에너지는 토양내에 배치된 토양 복원 웰의 일부 또는 전부로부터 토양 (26) 에 공급될 것이다. 다른 방법으로, 열에너지는 지면 덮개 (36) 상에 또는 그 아래에 배치된 지면 가열기 (60) 로부터 토양에 공급될 것이다. 일부 토양 복원 시스템에 있어서, 열에너지는 가열기 웰 (30) 및 지면 가열기 (60) 로부터 토양 (26) 에 공급될 것이다. 가열기 웰과 결합하여 사용되는 지면 덮개는 지면 덮개 및/또는 토양 표면상의 발생 가스의 응축을 방지할 것이다. 열에너지는, 고주파 가열, 토양을 저항 가열하기 위해서 토양에 전류 공급, 열원으로 부터 토양을 복사 가열, 열원으로부터 토양에 열전도 가열, 및/또는 이들의 혼용으로 토양 (26) 에 공급될 수 있으며, 이에만 한정되는 것은 아니다. 토양 복원 시스템 (20) 의 일실시형태에 있어서, 가열기 웰 (32) 의 웰보어내에 배치된 가열기 부재(들) 을 저항 가열하기 위해서 전기를 사용한다. 가열기 부재는 와이어링 (62) 에 의해서 전력원 (64) 에 접속될 것이다. ISTD 시스템의 일실시형태에 있어서, 전력원 (64) 은 전력망 (electrical grid) 으로부터 전기를 유도하는 변압기 또는 일련의 변압기이다. 가열기 웰 (32) 내에 형성된 열은 웰 근처에서 토양으로 복사에 의해 그리고/또는 전도에 의해 전달될 수 있다. 가열기 웰 (32) 에서 토양 (26) 으로 전달된 열은 일차적으로 전도에 의해 웰로부터 멀리 있는 토양으로 전달될 것이다. 일실시형태에 있어서, 1 이상의 버너는 연료를 연소하고, 연소에 의해 발생되는 열은 토양 (26) 을 가열하는데 사용된다. 지표면에 또는 그 위에, 또는 지면내의 웰내에서 연소가 실시될 것이다.

토양 복원 웰은 토양 복원 시스템 (20) 의 처리 영역 (28) 내에 소망하는 형태로 배치될 것이다. 토양 복원 웰의 형태는, 삼각형 웰 형태 또는 사각형 웰 형태일 수 있으며, 이에만 한정되는 것은 아니다. 토양 복원 웰로부터의 열을 중첩하여 처리 영역 (28) 에 걸쳐서, 효과적이고 균일한 가열, 또는 실질적으로 균일한 가열을 향상시킬 수 있다. 토양 복원 시스템의 실시형태는 토양 온도를 약 100℃, 약 300℃, 약 500℃, 또는 더 높은 온도로 상승시키도록 구성될 수 있다. 토양의 온도는 이 토양내의 오염물을 제거 및/또는 파괴하게 되는 온도로 상승될 것이다. 토양 복원 웰의 중심간의 간격은 약 0.6 m ~ 6 m 또는 그 이상일 수 있다. 이 간격은 다수의 인자, 필요한 복원 시간, 토양의 조성, 토양의 물리적 특성, 토양내의 오염물의 종류, 오염물의 물리적 및 화학적 특성, 및 복원될 영역의 크기에 따라 변할 수 있으며, 이에만 한정되는 것은 아니다. 토양 복원 웰간의 통상적인 간격은 약 2 m ~ 약 4 m 일 것이다. 토양 복원 웰은 가열기-추출 웰 (33) 일 것이다. 다른 실시형태에 있어서, 토양 복원 웰은 별개의 가열기 웰 (32), 별개의 추출 웰 (30), 및/또는 별개의 가열기-추출 웰 (33) 의 결합일 수 있다.

가열기 웰 (32) 의 링(들)은 추출 웰 (30) 또는 가열기-추출 웰 (33) 을 둘러쌀 것이다. 도 1 에 도시된 바와 같이, 가열기 웰 (32) 은 육각형 형태로 토양내에 배치될 것이고, 가열기-추출 웰 (33) 은 정삼각형 형태로 배치될 것이며, 이 가열기-추출 웰은 가열기 웰의 육각형 패턴의 육각형 중심에 위치한다. 가열기 웰 (32) 사이의 간격은 약 2.4 m 일 수 있다. 다른 실시형태에 있어서, 모든 토양 복원 웰은 가열기-추출 웰이다.

가열기 웰은 추출 웰보다 생산 및 설치 비용이 더 쌀 수 있고, 추출 웰은 가열기-추출 웰보다 생산 및 설치 비용이 덜 쌀 수 있다. 토양 복원 시스템에서 추출 웰 및/또는 가열기-추출 웰의 개수를 한정하는 것은 바람직할 수 있다. 복원 시스템의 일실시형태에 있어서, 추출 웰은 가열기 웰을 둘러싸는 형태의 중심에 또는 그 근처에 배치될 수 있다. 예를 들어, 도 3 에 도시된 바와 같이, 추출 웰 (30) 은 정삼각형 형태로 배치된 3 개의 가열기 웰 (32) 의 중심에 실질적으로 배치될 수 있다. 가열기-추출 웰 (33) 은 결빙 웰 (24) 에 인접하게 배치 될 수 있다.

결빙 웰 (24) 은 토양 복원 시스템 (20) 의 주변을 한정할 것이다. 결빙 웰 (24) 은 처리 영역 내부로 또는 외부로 유체 유동하도록 배리어 (22) 를 형성할 수 있다. 일부 토양 복원 시스템에 있어서, 결빙 웰은 처리 영역 (28) 주변에 링을 형성할 것이다. 다른 토양 복원 시스템에 있어서, 결빙 웰은 처리 영역 내부로 또는 그 외부로의 유체 유동을 방지하는 것이 바람직한 처리 영역의 선택된 측을 따라서만 배치될 것이다. 불투과성 암석 형성물 등의 천연 배리어와, 인조 배리어는 처리 영역 주변의 다른 일부를 따라서 위치될 것이다. 인조 배리어는, 비한정적으로, 처리 영역 주변의 일부를 따라서 토양내에 배치된 시트와, 처리 영역 주변의 일부를 따라서 형성된 자갈 벽을 포함할 수 있다.

토양과 물의 물리적 특성으로 토양에 열을 가할시 용융되지 않을 결빙 배리어를 형성할 수 있을 것이다. 토양 가열기는, 결빙 웰에 의해 형성된 결빙 배리어를 관통하지 않고서 결빙 웰에 인접하게 배치될 수 있다. 통상적으로, 결빙된 포화 토양은, 고온의 건조 토양보다 상당히 더 큰 열확산계수를 가진다. 고온 건조 토양과 저온 포화 토양의 열확산계수의 차이는, 저온 구역이 고온 구역보다 더 빨리 전파할 것임을 알려준다. 결빙 웰에 의해 형성되고 유지되는 저온 구역의 빠른 전파로, 토양 복원시 토양 가열기에 의해 형성된 고온 구역이 저온 구역을 통하여 용융되지 않도록 방지할 것이다. 결빙 배리어를 형성하도록 하는 냉각과 토양을 복원하도록 하는 가열을 결합하여 사용하도록 하는 다른 인자는, 결빙 웰이 작동되어 토양 가열기를 작동하기 전에 결빙 배리어를 형성할 수 있도록 할 것이다. 결빙 토양의 형성율, 결빙 웰과 토양 가열기를 분리하는 거리, 및 토양 특성 등의 인자는, 결빙 웰이 토양 복원시 관통되지 않을 결빙 배리어를 형성도록 토양 가열기에 대하여 결빙 웰의 작동에 걸리는 시간을 결정할 것이다. 토양 복원 시스템의 실시형태에 있어서, 가열기 웰이 복원시 결빙 웰에 의해 형성된 결빙 배리어를 통하여 용융되지 않도록, 이 가열기 웰은 결빙 웰에 약 0.3 m 만큼 가깝게 배치될 것이다. 다른 실시형태에 있어서, 가열기 웰은 결빙 웰로부터 0.3 m 보다 더 가깝게 또는 결빙 웰로부터 0.3 m 보다 더 멀리 배치될 수 있다. 어떤 실시형태에 있어서는, 가열기 웰은 결빙 웰로부터 0.6 m 이상 멀리 배치될 수 있다.

결빙 웰에 의해 형성된 결빙 배리어는 토양 복원 웰을 작동하기 전에 일부 토양 복원 웰을 둘러쌀 것이다. 토양 복원 웰의 작동으로, 결빙된 토양내에 배치된 토양 복원 웰이 토양을 녹여서 이 토양을 토양 복원 웰이 녹일 수 없는 결빙 배리어까지 복원하도록 할 것이다.

결빙 웰 및/또는 토양 복원 웰은 어떠한 방식으로 지면으로 삽입될 것이다. 토양 복원 웰을 삽입하는데 사용되는 유닛(들)은 결빙 웰을 삽입하는데도 사용될 수 있다. 웰은 오거된 (ougered) 또는 뚫려진 구멍에 형성 또는 삽입되거나, 지면으로 진동되거나, 지면의 트랜치 더그 (trench dug) 내에 매설되거나, 또는 지면에 충돌시킬 수 있다. 웰을 지면에 진동 또는 충돌시킴으로써, 먼지, 절삭분, 및 결빙 웰과 토양 복원 웰의 삽입시 지면으로부터 분리된 다른 재료를 제거 또는 감소시키는데 유리할 것이다. 먼지, 절삭분, 및 웰의 삽입시 분리된 다른 재료를 제거 또는 감소시킴으로써, 작업자가 오염물에 노출되는 것을 최소화할 수 있고, 웰의 삽입시 토양으로부터 분리된 오염물을 담아서 처리하는 특별한 방법 및 과정에 대한 필요성을 감소시킬 것이다.

일부 결빙 웰의 실시형태와 토양 복원 웰의 실시형태는 웰 케이싱을 포함할 것이다. 웰 케이싱은, 나사가공되고 및/또는 서로 용접되어 드릴링 리그를 사용하여 웰보어내에 배치되는 표준 관으로부터 형성될 것이다. 통상적으로, 웰 케이싱은 약 5 cm ~ 약 15 cm 의 직경을 가진다. 더 큰 또는 더 작은 웰 케이싱은 특정한 장소 필요조건을 충족시키는데 사용될 것이다.

일실시형태에 있어서, 웰 케이싱은 코일배관 설치물에 의해 설치될 수 있다. 코일배관 설치물은 케이싱 길이에서 다수의 용접된/또는 나사가공된 연결부를 감소시킬 수 있다. 코일배관의 용접부 및/또는 나사가공된 연결부는 무결성에 대해서 미리 시험될 수 있다. 코일배관은 Quality Tubing Inc.사 (텍사스주 휴스톤 소재) 및 다른 제조사로부터 구입가능하다. 코일배관은 다양한 크기와 상이한 재료를 이용할 수 있다. 코일배관의 크기는 약 2.5 cm ~ 약 15 cm 일 수 있다. 코일배관은 탄소강을 포함하는 다양한 상이한 금속을 이용할 수 있다. 코일배관은 큰 직경의 릴 (reel) 상에서 스풀 (spooled) 될 수 있다. 이 릴은 코일배관 유닛상에서 실시될 수 있다. 적절한 코일배관 유닛으로서는 Fleet Cementers Inc. 사 (텍사스주 시스코 소재) 및 Halliburton Co. (오클라호마주 덩컨 소재) 로부터 구입가능하다. 케이싱이 밀봉된 케이싱이라면, 코일배관상에는 단부캡이 나사가공 및/또는 용접될 수 있다. 코일배관은 릴로부터 풀 려서, 스트레이너를 통과하여, 웰보어로 삽입된다. 삽입 후, 릴상의 코일배관으로부터 코일배관이 절단될 것이다.

결빙 웰의 일부 실시형태는 케이싱내에 배치된 부재 (입구 도관 등) 를 포함한다. 케이싱이 릴상에서 감기기 전에 부재가 케이싱내에 배치될 것이다. 코일배관이 케이싱내에 배치되는 부재를 포함한다면, 결빙 웰을 토양에 배치하기 위해서 단일 설치 과정이 사용될 것이다. 다른 방법에 있어서, 케이싱은 코일배관 설치물을 사용하여 설치되고, 그 후 코일배관 설치물 또는 상이한 삽입 과정을 사용하여 케이싱내에 부재가 설치될 것이다. 일부 실시형태에 있어서, 코일배관 설치 이외의 방법을 사용하여 케이싱이 삽입될 것이고, 케이싱내에 배치된 부재는 코일배관 설치물을 사용하여 설치될 것이다.

지면내에 설치된 결빙 웰 케이싱의 직경은 저온 구역을 형성하는데 필요한 최소 직경에 비하여 대형화될 것이다. 예를 들어, 토양과 결빙 웰 사이에 충분한 열전달 영역을 제공하기 위해서 10.2 cm 관이 필요하다고 계산되면, 15.2 cm 의 관이 토양내에 배치될 것이다. 결빙 웰 케이싱내에서 누수가 진전되면, 대형화된 케이싱에서 슬리브 또는 다른 유형의 밀봉부가 케이싱내에 배치될 수 있다.

저온 구역을 형성하는데 필요한 시간은 다수의 인자 및 변수에 따라 변할 것이다. 이러한 인자와 변수는, 비한정적으로, 저온 구역의 길이, 결빙 웰 간격, 처리 영역으로의 유체 유량, 처리 영역으로의 유체 유량의 염도, 및 냉각 시스템 유형, 냉매 온도, 및 배리어 형성에 사용되는 냉매를 포함할 수 있다. 저온 구역을 형성하는데 필요한 시간은, 결빙 웰의 정도 및 간격에 따라서, 약 2 일 ~ 1 년 이상일 수 있다. 일부 실시형태에 있어서, 저온 구역을 형성하는데 필요한 시간은 약 6 ~ 8 개월일 수 있다.

인접한 결빙 웰 사이의 간격은 다수의 상이한 인자의 함수일 수 있다. 이 인자는, 비한정적으로, 토양 재료의 물리적 특성, 냉각 시스템의 유형, 냉매의 유형, 결빙 웰에 의해 한정되는 처리 영역의 내부로 또는 외부로의 재료의 유량, 저온 구역을 형성하는 시간, 및 경제적 문제를 포함할 수 있다. 고형화되거나 부분적으로 고형화된 토양 재료는 결빙 웰 사이에 큰 분리 거리를 허용할 수 있다. 고형화되거나 부분적으로 고형화된 토양 재료의 결빙 웰 사이의 분리 거리는 약 3 m ~ 10 m 이상일 수 있다. 일실시형태에 있어서, 인접한 결빙 웰 사이의 간격은 약 5 m 이다. 고형화되지 않거나 실질적으로 고형화되지 않은 토양 재료에서 결빙 웰 사이의 간격은 고형화된 토양 재료의 간격보다 더 작을 필요가 있다. 고형화되지 않은 재료에서 결빙 웰 사이의 분리 거리는 1 m 이상일 수 있다.

토양의 공지된 물리적 특성을 바탕으로 결빙 웰의 간격을 결정하기 위해서 수치 시뮬레이션을 사용할 것이다. 결빙 웰 사이의 최적 간격 및 결빙 웰과 가열기 웰 사이의 최적 간격을 결정하기 위해서 수치 시뮬레이션을 사용할 것이다. Computer Modeling Group, Ltd. (캐나다 앨버타 소재) 로부터 구입가능한 Steam, Thermal and Advanced Processes Reservoir Simulator (STARS) 등의 일반적인 목적의 시뮬레이터는 수치 시뮬레이션 작업 용도로 사용될 것이다. 또한, Geoslope (앨버타 캘거리 소재) 로부터 구입가능한 TEMP W 와 같은 결빙 웰용 시뮬레이터는 수치 시뮬레이션 용도로 사용될 수 있다. 수치 시뮬레이션은 결빙 웰 에 의해 한정되는 처리 영역내에서 작동하는 열원의 효과를 포함할 것이다.

도 1 에서는 처리 영역 주변에 단일 열로 배치된 결빙 웰 (22) 을 도시하였다. 실질적으로 규칙적인 간격은 인접한 결빙 웰 (24) 을 분리할 것이다. 인접한 결빙 웰 사이의 간격은 약 0.6 m ~ 6.1 m 이상일 것이다. 인접한 결빙 웰 사이의 간격은 다수의 인자에 따라 변할 것이다. 상기 인자는, 비한정적으로, 결빙 웰의 온도, 결빙 웰을 형성하기 위한 이용 시간, 경제성, 토양의 조성, 토양의 물리적 특성, 및 결빙 웰에 의해 형성되는 배리어의 두께를 포함할 것이다. 고형화되지 않은 토양은 인접한 결빙 웰 사이의 간격이 가까울 것을 요구할 것이다. 고형화된 토양은 더 큰 간격을 허용할 것이다. 일실시형태에 있어서, 인접한 결빙 웰 사이의 간격은 약 1 m ~ 약 2 m 이다. 더 큰 또는 더 작은 간격이 사용될 것이다. 통상적으로, 결빙 웰용 간격은 토양 복원 웰용 간격보다 작다. 토양 복원 시스템의 일실시형태에 있어서, 결빙 웰의 간격이 종래의 토양 복원 웰의 간격의 배수이어서, 일부 결빙 웰은, 소망한다면, 토양 복원 웰로 전환될 수 있다. 일실시형태에 있어서, 결빙 웰의 간격은 토양 복원 웰 간격의 약 1/2 이다.

도 3 에서는 처리 영역 (28) 주위에서 2 열로 배치된 결빙 웰 (24) 을 도시하였다. 3 열 이상의 결빙 웰이 사용될 수도 있다. 처리 영역 주변에 다중열로 배치된 결빙 웰 (24) 은 단일 열의 결빙 웰보다 더 두꺼운 배리어를 형성할 것이다. 결빙 웰 (24) 의 열은 지그재그로 형성되어 인접한 결빙 웰 사이의 분리 거리를 최소화한다. 일실시형태에 있어서, 제 1 열의 웰과 제 2 열의 웰 사이의 일반적인 분리 거리는 제 1 열의 인접한 웰 사이의 분리 거리의 1/2 일 수 있다. 예를 들어, 제 1 열의 웰은 2.2 m 떨어져 있고, 제 2 열의 웰은 제 1 열의 웰 사이에 배치되어 제 1 열로부터 약 1.1 m 떨어져 있다. 또한, 다른 분리 거리와 형태가 사용될 것이다. 결빙 웰의 열은 지그재그로 형성되어서, 결빙 웰은 실질적으로 이등변 삼각형 형태로 되어 있다.

배리어 형성을 위한 냉각 시스템은 회분식 시스템 도는 순환식 유체 시스템일 것이다. 일부 토양 복원 시스템의 실시형태에 있어서, 일부 결빙 웰에 인접한 토양에 물이 첨가되어 토양을 포화시켜 유체가 처리 영역 내부로 또는 외부로 유동하는 것을 방지하는 배리어의 형성을 확인해줄 수 있다. 웰보어내에 결빙 웰이 배치되면, 결빙 웰이 웰보어내에 배치되기 전에 웰보어로 물이 유입될 것이다. 과도한 물은 흡입 펌프(들)에 의해서 웰보어로부터 제거될 것이다. 일부 실시형태에 있어서, 습윤될 필요가 있는 토양에 인접한 결빙 웰 케이싱의 일부는 물을 토양으로 유입시키는 천공부를 포함할 것이다. 일부 실시형태에 있어서, 천공부는 라이너 또는 밀봉제로 밀폐되어 토양이 습윤화된 후 유체가 결빙 웰의 케이싱으로 유입되는 것을 방지할 것이다. 다른 실시형태에 있어서, 천공부는 개방되어 있을 것이다.

토양 복원 시스템은 회분식 작동 결빙 웰을 사용할 것이다. 도 1 에서는 배리어 (22) 를 형성하는데 사용되는 회분식 작동 냉각 시스템의 일실시형태를 도시하였다. 도 4 에서는 회분식 작동 냉각 시스템용 결빙 웰 (24) 의 일실시형태를 도시하였다. 회분식 작동 냉각 시스템용 결빙 웰 (24) 은 케이싱 (66) 과 케이싱 플랜지 (68) 를 포함할 것이다. 케이싱 플랜지 (68) 는 절연될 것이다. 케이싱 플랜지 (68) 는 리필 라인 (70) 및/또는 통풍 라인 (72) 을 포함할 것이다. 결빙 웰 (24) 을 사용하기 위해서, 결빙 웰이 냉매 (73) 로 채워질 것이다. 냉매는 액체 질소, 드라이 아이스, 및 저결빙점을 가진 유체 용액, 또는 다른 극저온 유체일 수 있다. 냉매는 토양 (26) 으로부터 열을 흡수하여 결빙 배리어 (22) 를 형성하게 될 것이다. 결빙 웰 (24) 내에서 진전하는 압력은 통기 라인 (72) 을 통하여 통기될 것이다. 냉매는 리필 라인 (70) 을 통하여 결빙 웰 (24) 내에서 재충진될 것이다. 다른 방법으로, 케이싱 플랜지 (68) 는 주기적으로 제거될 것이고, 케이싱 (66) 은 냉매로 재충진될 것이다. 냉매는 현장에서 소망하는 온도로 되고, 또는 냉매는 기차, 화물선, 또는 다른 차량에 선적될 것이다. 냉매는 현장에서 탱크 또는 다른 설비에 저장될 것이다.

토양 복원 시스템의 일실시형태에 있어서, 가압된 이산화탄소 또는 드라이 아이스 슬러리는 냉매로서 사용되어 결빙 배리어를 형성할 것이다. 액체 질소는 극저온 냉매로서 사용되어 다른 실시형태에서 결빙 배리어를 형성할 것이다. 액체 질소가 사용되는 경우에는 웰보어 사이에서 웰 간격이 1.2 m 이하로 작은 것이 좋다. 액체 질소를 사용하여 0.9 m 중심상에 웰용 배리어를 완성하는데 걸리는 시간은 약 80 ~ 100 시간일 것이다. 배리어 형성에 필요한 액체 질소양은 포화된 토양의 입방미터당 약 1.9 미터톤일 것이다. 결빙 웰의 단위 길이당 액체 질소의 사용율은 웰의 1 미터당 분당 약 0.22 kg 일 것이다. 액체 질소의 비용으로 인하여 작은 복원 장소에만 사용가능한 액체 질소를 사용할 것이다. 더 큰 복원 장소에 대해서는, 순환식 브라인 (brine) 또는 기화 사이클 냉매 사이클이 보다 경제적일 수 있다.

회분식 작동 결빙 웰에 의해 형성된 결빙 배리어는 개방 웰보어 또는 천공된 케이싱내에 형성될 것이다. 개방 웰보어 시스템의 일실시형태에 있어서, 결빙 웰내에 물이 유입되어 이 물은 웰보어에 인접한 토양내의 균열 및/또는 공극 공간을 채운다. 개구로부터 과도한 물을 제거하기 위해서 흡입 펌프를 사용할 것이다. 다른 실시형태에 있어서, 개구에 물이 추가될 필요가 없을 수 있다. 액체 질소와 같은 매우 저온의 유체가 개구에 유입되어 이 개구에 인접한 토양을 결빙시켜 토양의 어떠한 균열 또는 투과성을 밀봉할 것이다. 매우 저온의 유체는 주기적으로 보충되어 결빙 배리어가 형성되어 유지된다. 다른 방법에 있어서, 웰보어로부터 매우 저온의 유체를 기화 또는 제거한 후에, 덜 차갑고 덜 비싼 유체 (드라이 아이스와 저결빙점 액체 용액 등) 는 매우 저온의 유체로 대용될 수 있다. 덜 차가운 유체는 결빙 배리어를 형성 및 유지하는데 사용될 것이다.

토양 복원 시스템은 배리어 (22) 형성을 위해서 순환식 냉매 유형의 냉각 시스템을 사용할 것이다. 도 3 에서는 순환식 냉매를 사용하는 토양 복원 시스템용 웰 형태를 도시하였다. 냉각 시스템은 냉각 유닛(들) (74), 저온측 냉각 도관 (76), 및 온간측 냉각 도관 (78) 을 포함할 것이다. 냉각 도관 (76, 78) 은 절연관일 수 있다. 저온측 및 온간측 냉각 도관 (76, 78) 은 결빙 웰 (24) 에 일렬로 또는 평행하게 또는 일렬로 평행하게 연결될 수 있다. 도관 (76, 78) 용도의 배관 시스템 유형은 냉각 시스템의 유형, 냉각 유닛의 개수, 및 냉각 시스템에 의해 제거될 필요가 있는 열부하에 따라 변한 것이다.

순환식 유체 냉각 시스템은 결빙 웰을 통하여 순환되는 액체 냉매를 사용할 것이다. 액체 순환 시스템은, 냉매의 상당부를 상변화하지 않고서, 순환식 액체와 토양 사이의 열전달을 사용한다. 액체는 저온에서 작동할 수 있는 어떠한 유형의 열전달 유체일 수 있다. 액체 냉매용으로 바람직한 특성 중 일부는, 낮은 작동 온도, 저점도, 고비열 용량, 높은 열전도성, 낮은 부식성, 낮은 독성, 및 저비용이다. 냉매의 낮은 작동 온도는 결빙 웰 주위에서 큰 저온 구역의 형성을 허용한다. 액체의 낮은 작동 온도는 약 -20℃ 이하이어야 한다. -20℃ 이하에서 낮은 작동 온도를 가진 유체는 어떠한 식염수 (예를 들어, 염화칼슘 또는 염화리튬을 함유한 용액) 를 포함할 것이다. 다른 식염수는 어떠한 유기산 (예를 들어, 포름산 포타슘, 아세트산 포타슘, 시트르산 포타슘, 포름산 암모늄, 아세트산 암모늄, 시트르산 암모늄, 시트르산 나트륨, 포름산 나트륨, 아세트산 나트륨) 염을 포함할 것이다. 냉매로서 사용될 하나의 액체로서는 Kemira Chemicals (핀란드 헬싱키 소재) 로부터 구입가능한 Freezium

이다.

냉각 유닛은 냉각 액체의 온도를 낮은 작동 온도로 하강시키는데 사용될 수 있다. 일부 실시형태에 있어서, 냉각 유닛은 암모니아 기화 사이클을 사용할 것이다. 도 3 에 도시된 냉각 유닛 (74) 은 부피가 큰 유닛일 것이다. 냉각 유닛이 배리어 (22) 형성을 시작하도록 작동될 때, 냉각 유닛 (74) 의 입구측 유체와 출구측 유체 사이의 온도 차이는 약 5 ℃ ~ 30℃ 이다. 형성된 배리어 (22) 의 유지시 온도 차이는 약 1℃ 이하일 것이다. 냉각 유닛은 Cool Man Inc. (위스콘신주 밀워키), Gartner Refrigeration (미시간주 플리머스), 및 다른 공급사로부터 구입가능하다.

일부 실시형태에 있어서, 냉매를 냉각시키는 냉각 유닛은 흡수-탈착 사이클을 사용할 것이다. 흡수식 냉각 유닛은 열에너지를 사용하여 온도를 약 -60℃ 로 하강시킬 수 있다. 흡수식 냉각 유닛의 탈착 유닛에 사용되는 열에너지원은, 비한정적으로, 고온수, 증기, 유체, 및/또는 배기 가스를 포함할 것이다. 일부 실시형태에 있어서, 흡수식 냉각 유닛에 있어서 냉매로서 암모니아가 사용되고 흡수제로서 물을 사용한다. 흡수식 냉각 유닛은 Stork Thermeq B.V. (네덜란드 헨겔로) 로부터 구입가능하다.

액체 순환 시스템은, 냉매에서 실질적인 상변화 없이, 순환 액체와 토양 사이의 열전달을 사용한다. 기화 사이클에서, 토양으로부터의 열은 액체를 기화시킨다. 액체는 냉각 유닛에서 응축되어 토양으로 다시 순환된다. 냉매는, 비한정적으로, 프로판 또는 암모니아일 수 있다.

도 5, 도 6, 및 도 7 에서는 순환식 냉각 시스템에 사용될 결빙 웰의 실시형태를 도시하였다. 도 5 에서는 도관 (80), 스페이서 (82), 및 케이싱 (66) 을 갖는 결빙 웰 (24) 의 일부를 도시하였다. 스페이서 (82) 는 도관 (80) 을 케이싱 (66) 과 접촉 유지할 것이다. 도관 (80) 은 케이싱 (66) 내에 현수되거나 포장될 것이다. 현수식 도관 (80) 은 도관을 위한 수축 및 팽창 공간을 제공하는 것이 유리할 것이다. 케이싱 (66) 은 물, 낮은 결빙점 유체, 또는 다른 열전달 유체로 채워져서, 토양 (26), 케이싱 및 도관 (80) 사이의 열전달을 향상시키고 열접촉을 증가시킬 것이다. 결빙 웰의 일부 실시형태에 있어서, 도관 (80) 은 개방 웰보어내에서 또는 개구 (84) 를 포함하는 천공된 케이싱내에서 현수되거나 포장될 것이다. 결빙 웰로부터의 물이 토양에 유입되면 천공된 케이싱 및/또는 개방 웰보어가 사용될 것이다.

결빙 웰 (24) 내의 도관 (80) 은 입구 레그 (86) 와 출구 레그 (88) 를 포함할 것이다. 냉매는 저온측 도관 (76) 으로부터 입구 레그 (86) 로 유입할 것이다. 냉매는 출구 레그 (88) 내로 또한 도관 외부로 온간측 도관 (78) 으로 통과할 것이다. 입구 레그 (86) 는 절연재로 제조될 수 있고, 또는 입구 레는 절연될 수 있으며, 이는 입구 레그와 출구 레그 (88) 사이의 열전달을 방지한다. 도관의 실시형태에 있어서, 입구 레그 (86) 는 고밀도 폴리에틸렌 (HDPE) 배관으로 제조된다. 입구 레그 (86) 는 약 2.5 cm ~ 약 5 cm 의 직경을 가질 것이다. 또한, 더 큰 또는 더 작은 직경의 입구 레그가 사용될 것이다. 도관의 실시형태에 있어서, 출구 레그 (88) 는 입구 레그 (86) 주위에서 감겨져서, 출구 레그는 큰 열전달 표면적을 가진다. 출구 레그 (88) 는 높은 열전달계수의 재료로 형성되어, 출구 레그가 대기와의 열전달을 개선시킨다. 일실시형태에 있어서, 출구 레그 (88) 는 구리 배관, 구리 합금, 스테인레스 강, 또는 냉매와 융화가능한 다른 금속으로 제조된다.

도 6 에서는 개방 웰보어내에 배치된 "U" 형상의 도관 (80) 을 가진 결빙 웰 (24) 의 일실시형태를 도시하였다. 결빙 웰 (24) 은 웰의 상부에서 도관 (80) 을 지지하기 위해서 작은 단면의 케이싱 (66) 을 포함할 수 있다. 스페이서 (82) 는 도관이 웰보어의 측면과 접촉하는 것을 방지할 것이다. 또한, 스페이서 (82) 는 입구 레그 (86) 가 출구 레그 (88) 와 접촉하는 것을 방지할 것이다.

도 7 에서는 순환식 유체 냉각 시스템에 사용될 수 있는 결빙 웰 (24) 의 일실시형태를 도시하였다. 결빙 웰 (24) 은 케이싱 (66) 과 입구 (90) 를 포함할 수 있다. 일부 실시형태에 있어서, 스페이서는 입구와 케이싱 사이에 배치될 수 있다. 입구 (90) 는 환상의 공간에서 유체와의 열전달을 방지하는 절연된 도관 또는 절연 도관일 수 있다. 일실시형태에 있어서, 입구 (90) 는 HDPE 배관이다. 입구 (90) 의 직경은, 더 큰 또는 더 작은 직경의 배관이 사용되더라도, 통상적으로 약 2.5 cm ~ 약 5 cm 일 것이다. 저온측 도관 (76) 으로부터의 유체는 입구 (90) 로 끌어올려질 수 있다. 유체는 입구 (90) 와 케이싱 (66) 사이의 환상의 공간을 통하여 온간측 도관 (78) 을 통과한다. 환상의 공간에서 토양으로부터 유체로 열전달될 것이다. 일부 실시형태에 있어서, 케이싱이 배치되는 웰보어는 케이싱을 삽입하기 전에 물로 채워질 것이다. 결빙 웰이 작동될 때, 물이 결빙되어 이 얼음은 토양과 케이싱 간의 열전달을 향상시킬 것이다.

도 7 에 도시된 실시형태에서는 과적 층 (91) 과 적재미달 층 (93) 사이에 배치된 오염된 토양층 (92) 을 도시하였다. 오염물은 과적 층과 적재미달 층 사이의 층으로 이동될 것이다. 과적 층은 충분히 두꺼워서, 토양에 가해진 열은 지표면에서 무시할만큼 영향력이 없다. 지면 덮개는 불필요할 것이다.

순환 유체를 결빙 웰로 유입시키는 입구를 사용하는 결빙 웰의 일실시형태에 있어서, 결빙 웰은 개방 웰보어내에 형성될 것이다. 웰보어를 형성한 후, 이 웰보어내로 물이 유입되어 웰보어에 인접한 공극 공간과 균열을 채울 것이다. 흡입 펌프로 웰보어로부터 물을 과도하게 제거할 수 있다. 일부 실시형태에 있어서, 웰보어에 물을 첨가할 필요가 없을 수 있다. 액체 질소와 같은 극저온 유체는 웰보어로 유입되어, 웰보어내에 초기의 결빙 배리어를 형성할 수 있다. 저온 유체를 기화 또는 제거한 후, 이 웰보어에는 낮은 결빙점의 유체가 유입되어, 토양으로 열전달되어서, 토양의 온도가 순환 냉매의 결빙점 이상의 온도로 상승될 것이다. 토양의 온도를 냉매의 결빙 온도 이상으로 상승시킨 후에, 냉매는 입구를 통하여 웰보어로 유입될 것이다. 유체는 웰보어의 벽과 입구 사이의 환상의 공간에서 상방으로 유동할 것이다. 순환 유체내의 어떠한 반출된 재료를 제거하기 위해서 스크린 및 필터 시스템과 같은 분리기가 사용될 것이다. 도 8 에서는 결빙 웰의 웰보어 일부가 냉매 순환용 개방 웰보어인 결빙 웰 (24) 의 일실시형태를 도시하였다. 유체는 입구 (90) 를 통하여 결빙 웰 (24) 로 유입하여 온간측 도관 (78) 을 통하여 결빙 웰 외부로 통과한다.

결빙 웰은, 결빙 웰의 일부가 토양의 아퀴타드 층내에 있도록 하는 깊이만큼 토양으로 삽입될 것이다. 아퀴타드 층은 처리 영역으로의 물의 유입이 아퀴타드 층 이하로 흐르는 것을 방지할 것이다. 토양 복원 시스템의 일부 실시형태에 있어서, 결빙 웰의 일부를 아퀴타드 층에 배치하는 것이 불가능하거나 바람직하지 않을 수 있다. 복원시 상당한 양의 물이 상방으로 이동할 경우, 또는 상당한 양의 오염물이 더 깊은 토양으로 이동할 경우, 바닥 결빙 배리어를 형성할 필요가 있다. 바닥 결빙 배리어는 처리 영역 아래에 결빙 웰을 배치시킴으로써 형성될 것이다. 일실시형태에 있어서, 결빙 웰용 웰보어는 지향성 드릴링을 사용하여 형성되고, 이 지향적으로 뚫려진 웰보어내에는 결빙 웰이 형성된다.

도 9 에서는 처리 영역을 한정하는 결빙 웰의 평면도를 도시하였다. 처리 영역의 측면을 따른 결빙 웰 (24) 은 지향적으로 뚫려져 처리 영역 (28) 의 실질적으로 일부를 가로질러 연장하여, 결빙 웰이 작동될 때 바닥 배리어를 형성할 것이다. 다른 결빙 웰 (24') 이 지면에 실질적으로 수직하게 삽입된다. 결빙 웰 (24, 24') 이 작동될 때, 결빙 웰은 일정한 부피의 토양을 고립하여 이 토양을 복원할 것이다. 바닥 결빙 배리어를 형성하는 결빙 웰은 처리 영역을 가로질러 연장하는 트렌치내에 배치될 것이다. 어떠한 경우에 있어서, 오염된 구역 위에 결빙 배리어를 형성하는 것이 유리할 수 있다.

도 10 에서는 결빙 웰 사이의 처리 영역 (28) 이 "V" 형상의 영역을 가지도록 토양 (26) 으로 경사진 2 개의 결빙 웰 (24) 을 도시하였다. 처리 영역 (28) 반대측상의 결빙 웰의 열은 "V" 형상의 처리 영역을 한정하도록 토양으로 경사진다. 수직하게 설치된 결빙 웰은 복원될 일정한 부피의 토양을 한정하기 위해서 처리 영역 (28) 의 타측상에 배치될 것이다. 도 11 에서는 "U" 형상의 결빙 웰 (24) 을 도시하였다. 결빙 웰은 지향적으로 뚫려져, 처리 영역 (28) 의 제 1 측상의 토양 (26) 으로 유입되어, 처리 영역에 걸쳐서 연장하여, 처리 영역의 반대측상의 토양을 나갈 수 있다. 수직하게 설치된 결빙 웰은 처리 영역 (28) 의 타측상에 배치되어 복원될 일정한 부피의 토양을 한정할 것이다.

도 12 에서는 오염된 토양 아래에 결빙 웰을 형성하는데 사용될 수 있는 결빙 웰-토양 복원 웰 결합을 도시하였다. 주변 결빙 웰용 웰보어 및 토양 복원 웰용 웰보어는 처리 영역내에 형성될 것이다. 토양 복원 웰용 웰보어는 오염된 토양층 (92) 을 통하여 오염되지 않은 토양층 (94) 으로 뚫릴 것이다. 경계면 (96) 은 2 개의 토양층 (92, 94) 을 분리할 것이다. 토양층 (94) 이 바닥 결빙 배리어를 형성하기에 충분한 물을 포함하지 않는다면, 이 토양층으로 물이 유입될 것이다. 오염되지 않은 토양층 (94) 에는 결빙 배리어가 형성될 것이다. 일실시형태에 있어서, 결빙 웰의 도관은 각각의 토양 복원 웰의 웰보어내의 토양에 현수될 것이다. 도관의 입구 레그 (86) 는 절연체 (98) 를 포함할 것이고, 오염된 토양 (92) 에 인접하게 배치된 출구 레그 (88) 의 일부도 절연체를 포함할 것이다. 출구 레그 (88) 는 결빙 배리어가 형성되는 토양층에 인접한 절연체를 구비하지 않을 것이다.

바닥층, 결빙 벽, 및 주변 결빙 벽을 형성하는 결빙 웰은 토양 복원 시작전에 작동될 것이다. 바닥 배리어는 토양 복원 개시 전에 미리 몇 달 전에 형성될 것이다. 일실시형태에 있어서, 토양 복원 웰보어내의 결빙 웰 도관은 바닥 배리어의 형성 후에 토양 복원 웰보어로부터 회수되어, 웰보어는 가열기 웰, 추출 웰, 및/또는 가열기-추출 웰로 전환된다. 일실시형태에 있어서, 결빙 웰 도관과 가열기 부재는 토양 복원 웰보어내에 배치된다. 예를 들어, 가열기 부재는 냉각 도관의 절연 레그상에서 지지되거나 그에 연결되는 미네랄 절연 케이블일 수 있다. 결빙 웰의 도관은, 결빙 배리어의 형성 후에 및 토양 복원 개 시 후에, 웰보어내에 남아 있다. 토양 복원시 결빙 웰에 냉매가 공급될 수 있고, 또는 토양 복원시 결빙 웰부에 냉매를 공급하는 것이 중지될 것이다. 일실시형태에 있어서, 이 바닥 결빙 배리어를 형성하기 위해서 회분식 시스템을 사용하여 바닥 결빙 배리어를 형성할 것이다. 예를 들어, 바닥 결빙 배리어가 형성되는 토양의 투과성 층에 인접한 토양 복원 웰의 케이싱의 바닥부에는 액체 질소가 배치될 것이다. 액체 질소는 필요하다면 보충될 것이다.

결빙 배리어를 형성하는 결빙 웰은 오염되지 않은 토양 또는 실질적으로 오염되지 않은 토양내에 배치되어, 결빙 웰에 의해 형성된 결빙 배리어는 상당한 양의 오염물을 포함하지 않는다. 토양 복원 시스템의 일부 실시형태에 있어서, 미네랄 절연 케이블 등의 가열기 부재와 함께 결빙 웰이 형성될 것이다. 토양 복원 시스템의 다른 실시형태에 있어서, 냉각 부재는 웰보어로부터 제거되어 이 결빙 웰의 웰보어에는 가열기 부재가 설치될 것이다. 결빙 웰의 내부측상의 토양의 복원을 완성한 후 또한 결빙 웰과 배리어의 열에너지를 사용한 후에, 이전의 결빙 토양을 가열하도록 가열기 부재가 작동될 것이다. 처리된 토양의 투과성이 증가하기 때문에, 토양내의 증기는 토양 복원 시스템의 추출 웰 쪽으로 유동하는 것이 바람직할 것이다. 또한, 가열기 웰로 전환되는 결빙 웰의 일부 또는 전부는 천공되어 진공 시스템에 연결되어서, 전환된 결빙 웰은 가열기-추출 웰이다. 웰을 진공 시스템에 연결시킴으로써 일부 결빙 웰이 추출 웰로 전환될 것이다. 상기 웰은 가열기 부재를 포함하지 않을 것이다.

큰 영역의 토양 오염물은 분해하여 처리될 것이다. 도 13 에서는 오염된 토양의 긴 스트립을 처리하는데 사용될 수 있는 토양 복원 웰 (100) 과 결빙 웰 (24) 의 평면도를 도시하였다. 결빙 웰 (24) 은 제 1 구역 (102) 을 한정하도록 오염된 토양 스트립의 일부 길이의 측면 및 제 1 단부를 따라서 형성될 것이다. 결빙 웰 (24) 은, 오염된 토양에 인접한 오염되지 않은 토양 또는 실질적으로 오염되지 않은 토양내에 배치될 것이다. 토양 복원 웰 (100) 은 제 1 구역 (102) 으로 삽입될 것이다. 결빙 웰 (24) 과 토양 복원 웰 (100) 의 패턴은 제 1 구역 (102) 에 접하는 제 2 구역 (104) 으로 연장될 것이다. 토양 복원 웰 (100) 은 처리 설비에 연결될 것이다. 지면 덮개 (36) 는 제 1 구역 (102) 에 걸쳐서 설치될 것이다. 또한, 지면 덮개는 제 2 구역 (104) 에 걸쳐서 연장할 것이다.

일실시형태에 있어서, 제 1 구역 (102) 과 제 2 구역 (104) 사이에 결빙 웰 (24') 이 배치되어 이 결빙 웰은 제 1 구역과 제 2 구역 사이의 결빙된 분리 배리어를 형성한다. 분리 배리어를 형성하는 토양 복원 웰 (100) 간의 간격과 결빙 웰 (24') 간의 간격은, 편리하게 복합적으로 조절되어서, 분리 배리어를 형성하는 결빙 웰의 일부 또는 전부는 토양 복원 웰의 패턴내에서 끼워맞춰지는 토양 복원 웰로 전환될 것이다. 분리 배리어를 형성하는 결빙 웰 (24') 용 웰보어는 오염된 토양의 길이를 따라서 선택된 간격으로 토양에 형성되어, 오염된 토양의 전체 길이에 걸쳐서 복원하는 처리 구역을 한정할 수 있다.

일실시형태에 있어서, 제 1 구역과 제 2 구역 사이의 토양에는, 금속 시트 배리어가 삽입되거나 그라우트 벽 (grout wall) 이 형성될 수 있다. 배리어는, 토양 전부를 복원될 배리어로 상승시키면서, 제 1 구역과 제 2 구역 사이에서 유체 이송을 방지하거나 실질적으로 방지하는 것이 유리하다. 배리어에 근접한 제 1 구역에 가해지는 열의 일부는 배리어를 가로질러 제 2 구역으로 전달될 수 있다. 오염된 토양의 길이를 따라서 선택된 간격으로 금속 배리어가 삽입되거나 그라우트 벽이 형성되어서, 오염된 토양의 전체 길이에 걸쳐서 복원하는 처리 구역을 한정한다.

제 1 구역 (102) 의 결빙 웰 (24) 은 제 1 구역 주위에서 결빙 배리어를 형성하도록 작동될 것이다. 제 1 구역 (102) 내의 토양은 결빙 배리어를 형성한 후에 토양 복원 웰 (100) 을 사용하여 복원될 것이다. 제 1 구역 (102) 의 복원이 거의 완성되면, 제 2 구역 (104) 의 결빙 웰이 오염된 토양의 길이를 따라서 결빙 배리어를 연장하도록 작동될 것이다. 제 1 구역의 복원을 완성한 후에, 분리 배리어를 형성하는 결빙 웰 (24') 의 일부가 작동되지 않을 것이다. 제 1 구역 (102) 의 섹션 (106) 에서 결빙 웰 (24) 의 일부 및 토양 복원 웰 (100) 의 일부가 작동 유지될 것이다. 연장된 결빙 배리어의 형성 후에, 제 2 처리 구역 (104) 내의 토양 복원 웰 (100) 이 작동될 것이다. 제 1 구역 (102) 과 제 2 구역 (104) 사이의 분리 배리어가 결빙 배리어라면, 제 1 구역의 작동된 토양 복원 웰과 제 2 구역의 토양 복원 웰은 결빙된 분리 배리어를 파괴할 것이다. 분리 배리어를 형성한 결빙 웰 (24') 의 일부 또는 전부는 결빙 웰을 비활성화시킨 후에 토양 복원 웰로 전환될 것이다. 활성화된 토양 복원 웰 (100) 과 섹션 (106) 내의 결빙 웰 (24) 은 활성화된 웰 이상으로 유체가 이동하는 것을 방지할 것이다. 오염된 토양의 전부가 처리될 때까지 오염된 토양의 길이를 따라서 웰의 패턴을 연장시킴으로써 추가 구역이 처리될 것이다.

토양 복원용 처리 영역은 모니터링 웰을 사용하여 또는 다른 기법을 사용하여 결정될 수 있다. 토양의 샘플을 채취하여 분석할 수 있다. 토양의 수문학이 결정될 것이다. 처리 영역내의 오염물을 제거 또는 감소시키기 위한 토양 복원 시스템의 시뮬레이션을 실행하여, 소망하는 시간내에서 토양을 복원하기 위해서 결빙 웰의 간격과 토양 복원 웰의 간격을 결정할 수 있다.

결빙 웰, 토양 복원 웰, 및/또는 시험 웰은 지면내에 설치될 수 있다. 순환식 냉매를 사용하여 결빙 배리어가 형성된다면, 결빙 웰은 냉각 유닛(들)에 연결될 것이다. 토양 복원 웰, 시험 웰, 및 냉각 유닛은 전기 시스템 및 제어 시스템에 연결될 것이다. 증기 수집 시스템은 발생 가스를 처리 설비로 이송하기 위해 설치될 것이다. 증기 수집 시스템의 일부는 열추적되어 전력 공급 시스템에 연결될 것이다. 지면 덮개는 처리 영역에 걸쳐서 형성될 것이다. 필요하다면, 토양을 포화시키기 위해서 결빙 웰에 인접한 토양에 물이 유입될 수 있다. 결빙 웰은 처리 영역 주위에서 결빙 배리어를 형성하도록 작동될 수 있다. 배리어의 형성은 지면에 대하여 지면 덮개를 밀봉할 수 있다.

일부 실시형태에 있어서, 결빙 배리어를 형성하도록 흡입 웰 및/또는 주입 웰이 사용되었을 것이다. 도 14 에 도시된 바와 같이, 웰 (108) 은 결빙 웰 (24) 의 측면(들)에 형성될 수 있다. 웰 (108) 은 결빙 웰 사이의 물 유동을 방지하는데 사용되어서 결빙 웰이 결빙 배리어 (예를 들어 탈수 웰) 을 형성할 것 이다. 물의 유동에 저항하기 위해서 충분히 두꺼운 결빙 배리어를 형성한 후에, 웰 (108) 의 작동이 중단될 수 있다.

일실시형태에 있어서, 웰 (108) 은 결빙 웰에 충분히 근접하게 배치되어, 결빙 웰에 의해 형성된 결빙 배리어는 웰을 둘러쌀 것이다. 일부 실시형태에 있어서, 웰 (108) 은 결빙 배리어의 형성 후에 시험 웰 또는 토양 복원 웰로서 사용될 수 있다. 웰 (108) 이 토양으로부터 물을 제거하면, 물내의 오염물을 제거 또는 감소시키기 위해서 처리 설비내에서 물이 처리될 것이다. 일실시형태에 있어서, 결빙 배리어가 형성되어 물이 관류하는 내측 및 외측에 웰 (108) 이 배치될 수 있다. 웰 (108) 에 연결된 흡입 펌프는 내측 흡입 웰과 외측 흡입 웰 사이의 압력 차이를 최소화하도록 작동되어, 내측 및 외측 흡입 웰 사이의 유체 유동을 감소 또는 정지시킨다. 웰 (108) 은 결빙 웰 (24) 에 인접한 영역을 탈수시킬 수 있다. 결빙 웰 (24) 은 토양이 웰 (108) 에 의해 탈수된다면 토양내의 물을 결빙시키기에 충분한 저온 구역을 형성할 것이다. 저온 구역이 형성된 후, 웰 (108) 에 공급된 전력이 감소되어 물을 저온 구역으로 유입하여 결빙시킬 수 있다. 결빙 배리어를 형성한 후, 웰 (108) 이 비활성화될 수 있다.

결빙 웰은 처리 영역내의 가열기 웰을 작동하기 전에 작동될 수 있다. 결빙 배리어를 형성하는데 필요한 시간은 다수의 인자와 변수에 따라 변할 것이다. 상기 인자와 변수는, 결빙 배리어의 길이, 결빙 웰의 간격, 처리 영역으로 유입되는 유체의 유량, 처리 영역내의 유체의 염분, 냉각 시스템 유형, 및 배리어 형성에 사용된 냉매를 포함할 수 있으며, 이에만 한정되는 것은 아니다. 결빙 배리어를 형성하는데 필요한 시간은 약 2 일 ~ 4 달 또는 그 이상일 수 있다.

일부 실시형태에 있어서, 결빙 배리어의 형성을 결정하거나 확인하기 위해서 트레이서 시험이 사용될 것이다. 주변 배리어의 제 1 측상에 트레이서 유체가 주입될 것이다. 주변 배리어의 제 2 측상의 모니터 웰은 트레이서 유체를 검출하도록 작동될 수 있다. 모니터 웰에 의해 트레이서 유체가 검출되지 않았다는 것은 주변 배리어가 형성되었다는 것을 나타낼 것이다. 트레이서 유체는, 이산화탄소, 아르곤, 질소, 동위원소급 물, 또는 이들의 결합물일 수 있으며, 이에만 한정되는 것은 아니다. 트레이서 유체는 주입 웰로부터 포화된 토양을 통하여 모니터 웰로 용이하게 이동할 수 없기 때문에, 가스 트레이서 시험은 포화된 토양내에 한정 사용될 것이다. 물로 포화된 토양에 있어서, 동위원소급 물 (예를 들어 D₂O 또는 삼중수소화 물) 또는 선택된 이온 (예를 들어 티오시안산 이온) 의 수용액이 사용될 것이다.

일실시형태에 있어서, 배리어 형성 후 및 가열기의 작동 전에, 또는 가열기의 작동과 동시에, 처리 영역내의 물이 처리 영역으로부터 끌어올려질 수 있다. 끌어올려진 물은 처리 설비에 의해 처리될 것이다. 다른 실시형태에 있어서, 가열기 웰이 작동되고, 토양의 온도가 증가함에 따라 토양내의 물이 기화된다. 토양은 토양 복원 웰의 작동에 의해서 복원될 것이다. 복원 후에 시스템이 꺼지게 될 것이다. 다른 결빙 배리어를 형성하기 위해서 결빙 배리어가 사용될 수 있다. 열전달 유체는 열전달 유체를 냉각시키기 위해서 결빙 웰을 통하여 순환 되어, 유체는 다음의 결빙 배리어가 형성되는 토양으로부터 열을 제거하는데 사용될 수 있다. 토양 복원의 일부 실시형태에 있어서, 인접한 토양으로부터의 열은 결빙 토양의 온도를 평균 온도로 상승시키도록 할 것이다.

결빙 웰을 사용하는 토양 복원 시스템과 함께 구동 유체를 사용할 것이다. 구동 유체는 토양내의 오염물을 추출 웰 쪽으로 이동시키는데 사용될 것이다. 일부 추출 웰은 구동 유체를 토양으로 주입시키도록 주입 웰로 전환될 것이다. 주입 웰로 전화되는 추출 웰은 진공 시스템으로부터 분리되어 주입 시스템에 부착될 것이다. 추출 웰의 링은 주입 웰로 전환될 것이다. 웰을 통하여 구동 유체가 토양에 주입된 후, 주입 웰을 진공 시스템에 다시 부착시킴으로써 이 주입 웰은 추출 웰로 다시 전환될 것이다. 구동 유체는 잔류 오염물을 추출 웰 쪽으로 보내도록 토양 복원 공정이 종결되는 근방에서 사용되어, 토양으로부터 오염물을 제거할 것이다. 토양을 가열함으로써 토양내의 투과성이 증가함에 따라 구동 유체를 사용하여 잔류 오염물의 제거를 촉진시킬 것이다.

토양 복원 시스템의 일실시형태에 있어서, 추출 웰의 최외부 링내의 추출 웰은 주입 웰로 전환되고, 구동 유체는 토양으로 유입된다. 추출 웰의 내부 링으로부터 충분한 구동 유체가 형성된 후, 구동 유체의 주입이 정지될 것이다. 주입 웰은 추출 웰로 다시 전환될 것이고, 추출 웰의 다음의 내부 링은 주입 웰로 전환될 것이다. 인접한 추출 웰로부터 구동 유체가 형성될 때까지 토양에 구동 유체가 주입될 것이다. 주입 웰의 최내부 링 또는 최내부 주입 웰을 둘러싸는 추출 웰의 링내에 구동 유체가 주입될 때까지, 웰의 링의 전환 형태와 구동 유체 의 주입 형태는 연속적일 것이다. 다른 실시형태에 있어서, 패턴은 최내부 추출 웰 또는 추출 웰의 링에서 시작하여 처리 영역을 둘러싸는 결빙 배리어 쪽 외부로 이동할 것이다.

ISTD 토양 복원 시스템의 일실시형태에 있어서, 전기 저항 가열을 사용하여 토양이 가열될 것이다. 결빙 웰에 의해 형성된 결빙 배리어는 오염된 토양을 둘러쌀 것이다. 통상적인 전기 저항 가열 시스템은 6-상 60 헤르츠 (Hz) 가열 또는 3-상 60 Hz 가열을 사용한다. 또한, 고주파 가열이 사용될 수 있다. 토양내에서의 전극 배치는 실질적으로 토양내의 오염물의 분포 형태를 따를 것이다. 결빙 배리어는 토양 가열을 처리 영역에 한정할 것이다. 결빙 토양은 결빙되지 않은 토양의 전기 저항비보다 더 큰 크기의 차수를 가지는 전기 저항비를 가질 것이다. 결빙된 토양의 더 큰 전기 저항비는 결빙 배리어내의 전극으로부터 토양에 가해되는 전류를 실질적으로 한정할 것이다. 결빙 배리어는 부가 전류로 인해 처리 영역 외측이 가열되는 것을 방지할 것이다. 도 15 에서는, 토양 저항 가열에 의해 토양을 가열하는 토양 복원 시스템에 사용될 수 있는 결빙 웰 (24), 전극 (110), 및 추출 웰 (30) 의 패턴을 도시하였다. 결빙 웰 (24) 은 오염된 토양 (92) 의 주변 주위에 배치된다. 오염된 토양은 경계면 (112) 에 의해 한정된 영역내에서 한정된다. 결빙 웰 (24) 은 냉매 라인 (76, 78) 및 냉각 유닛 (74) 에 연결될 것이다. 토양내에는 전극 (110) 이 삽입된다. 전극에 전류가 가해질 때, 토양이 가열된다. 토양내에 발생된 발생 가스는 토양으로부터 추출 웰을 통하여 제거될 것이다.

포화된 결빙 토양과 고온의 건조 토양의 열확산계수와 다른 특성은 결빙 웰에 인접한 열원을 작동시킬 수 있다. 이러한 특성은 열원에 의해 제공된 열이 결빙 웰에 의해 형성된 결빙 배리어를 관통하는 것을 방지할 것이다. 결빙된 포화 토양은 고온의 건조 토양보다 상당히 더 큰 열확산계수를 가질 것이다. 고온의 건조한 토양과 저온의 포화된 토양 재료의 열확산계수의 차이는, 저온 구역이 고온 구역보다 더 빨리 전파될 것이라는 것을 나타낸다. 결빙 웰에 의해 형성 및 유지되는 저온 구역의 빠른 전파는, 열원에 의해 형성된 고온 구역이 처리 영역의 열처리시 저온 구역을 통하여 용융되는 것을 방지할 것이다.

일부 실시형태에 있어서, 복원 웰은 결빙 웰에 비교적 아주 근접하게 배치될 것이다. 토양 복원시, 열원에 의해 형성된 고온 구역과 결빙 웰에 의해 형성된 저온 구역은, 고온 구역과 저온 구역이 서로 쪽으로 팽창하지 않도록 평형 상태에 도달할 것이다. 도 16 에서는 1000 일 동안 가열되어 형성된 결빙 배리어에 대한 열 시뮬레이션 결과를 도시하였다. 결빙 웰은 -25℃ 에서 작동되고, 열원은 650℃ 에서 작동된다. 가열기 웰 (32) 은 결빙 웰 (24) 의 링 중심에 위치된다. 결빙 웰 (24) 은 가열기 웰로부터 약 9.1 m 떨어져 있고 약 2.4 m 의 간격으로 이격되어 있다. 아치형 등온선은, 패턴의 중심에 있는 가열기 웰 (32), 결빙 웰 (24), 및 최외부 원호밖의 외부 영역 (55) (초기 토양 온도에서) 사이의 열분포를 나타낸다. 등온선으로 도시된 바와 같이, 결빙 웰 (24) 은 가열기 웰 (32) 쪽 내부로 1 m 에 걸쳐서 연장하는 결빙 배리어 (22) 을 유지할 수 있다. 결빙 웰 (24) 의 외측상에서, 배리어 (22) 가 훨씬 더 두껍게 되고, 결빙 웰은 결빙 웰로부터 약 15 m 까지 있는 토양에 영향을 준다. 약 1000 일 후에, 결빙 토양의 환상의 밴드는 8 m ~ 12 m 로 여전히 존재한다. 백색 영역은 가열 기간 중에 최소의 결빙 웰 두께를 나타낸다. 가열기 웰 (32) 은 도 16 에 도시된 9.1 m 간격보다 결빙 웰 (24) 에 더 근접하게 배치될 것이다. 가열기 웰 (32) 은, 가열기 웰이 결빙 배리어내의 토양을 복원하는데 필요한 시간내에 결빙 배리어를 관통하지 않으면서, 결빙 웰 (24) 에 의해 형성된 결빙 배리어 (22) 로부터 약 0.3 m 로 작동될 것이다.

토양 복원 방법을 사용하여 처리되는 토양은, 주변 배리어에 의해서 여러 가지 처리 영역으로 분리될 것이다. 도 17 에서는 영역을 처리 영역으로 분할하는 사각형 주변 배리어 (22) 의 실시형태의 평면도를 나타낸다. 처리 영역 (28) 용 주변 배리어는 필요할 때 형성될 수 있다. 현장 전환을 받게되는 토양 전부에 대한 주변 배리어의 완성 형태는 개별 처리 영역을 처리하기 전에 형성될 필요가 없다.

원형부 또는 아치부를 갖는 주변 배리어 (22) 는 규칙적인 패턴으로 지면내에 배치될 것이다. 원형부 또는 아치부의 중심은 가상의 다각형 패턴의 정점들에 배치될 것이다. 예를 들어, 도 18 에서는 주변 배리어 패턴을 도시하였고, 여기서 이 패턴의 유닛은 정삼각형에 바탕을 둔다. 도 19 에서는 패턴의 유닛이 정사각형에 바탕을 두는 주변 배리어 형태를 도시하였다. 또한, 주변 배리어 형태는 더 높은 차수의 다각형에 바탕을 둘 수 있다.

도 18 에서는 지면에 처리 영역 (28) 을 형성하는 주변 배리어 실시형태의 평면도를 도시하였다. 주변 배리어 (22) 의 아치부의 중심은 가상의 정삼각형 정점들에 위치된다. 가상의 정삼각형은 점선으로 도시되었다. 제 1 원형 배리어 (22') 의 일부는 제 1 처리 영역 (28') 을 한정하도록 지면내에 형성될 것이다.

제 2 배리어 (22") 가 형성될 것이다. 제 2 배리어 (22") 와 제 1 배리어 (22') 부는 제 2 처리 영역 (28") 을 한정할 것이다. 제 2 배리어 (22") 는 제 1 원형 배리어 (22') 의 반경과 실질적으로 동일한 반경을 가진 아치부를 가질 것이다. 제 2 배리어 (22") 의 중심은, 제 2 배리어가 완전한 원형으로 형성되면 제 2 배리어가 제 1 배리어와 접점에서 접촉하도록 위치될 수 있다. 제 2 배리어 (22") 는 선형 섹션 (114) 을 포함할 것이고, 이 선형 섹션은 더 넓은 영역이 동일한 영역을 포위하도록 하거나, 또는 제 2 배리어를 원형으로 완성하는데 필요한 것보다 더 작은 길이의 주변 배리어를 허용한다. 일부 실시형태에 있어서, 제 2 배리어 (22") 는 선형 섹션을 포함하지 않을 수 있고, 제 2 배리어는 접점에서 또는 접선영역에서 제 1 배리어와 접촉할 수 있다. 제 2 처리 영역 (28") 은 제 1 원형 배리어 (22') 의 일부와 제 2 배리어 (22") 에 의해 한정될 수 있다. 제 2 처리 영역 (28") 의 면적은 제 1 처리 영역 (28') 의 면적보다 더 클 수 있다.

제 3 배리어 (22") 는 제 1 배리어 (22') 와 제 2 배리어 (22") 에 인접하게 형성될 수 있다. 제 3 배리어 (22") 는 제 3 처리 영역 (28") 을 한정하기 위해서 제 1 배리어 (22') 와 제 2 배리어 (22") 에 연결될 수 있다. 추가 처리 영역을 형성하기 위해서 추가 배리어가 형성될 수 있다.

도 19 에서는 지면내의 처리 영역 (28) 을 형성하는 주변 배리어의 실시형태의 평면도를 도시하였다. 주변 배리어 (22) 의 아치형 부위의 중심은 가상의 정사각형의 정점에 위치된다. 가상의 정사각형은 점선으로 도시되었다. 제 1 원형 배리어 (22') 는 제 1 처리 영역 (28') 을 한정하도록 토양내에 형성될 것이다. 제 2 배리어 (22") 는 제 2 처리 영역 (28") 의 일부 주위에 형성될 것이다. 제 2 배리어 (22") 는 제 1 원형 배리어 (22") 의 반경과 실질적으로 동일한 반경을 가진 아치형 부위를 가질 것이다. 제 2 배리어 (22") 의 중심은, 제 2 배리어가 완전한 원형으로서 형성되면 제 2 배리어가 제 1 배리어에 접점에서 접촉하도록 위치될 수 있다. 제 2 배리어 (22") 는 선형 섹션 (114) 을 포함할 것이고, 이 선형 섹션은 더 넓은 영역이 동일한 영역을 포위하도록 하거나, 또는 제 2 배리어를 원형으로 완성하는데 필요한 것보다 더 작은 길이의 주변 배리어를 허용한다. 4 개의 처리 영역의 유닛을 완성하기 위해서 2 개의 추가 주변 배리어를 형성할 것이다.

도 20 에서는 주변 배리어 (22) 가 중심점을 중심으로 반경방향으로 형성되는 배리어 형상의 실시형태를 도시하였다. 토양 복원 웰은 중심 영역에 설치될 것이다. 제 2 배리어 (22") 와 제 1 배리어 (22') 사이의 토양 링은 처리 영역 (28') 일 수 있다. 제 3 배리어 (22"') 은 제 2 배리어 (22") 주위에 형성될 것이다. 배리어 패턴은 필요에 따라 연장될 것이다. 내부 배리어와 외부 배리어 사이의 토양 링은 처리 영역이 될 수 있다. 링의 영역이 전부 처리되기에 너무 크다면, 내부 배리어에서 외부 배리어로 연장하는 선형 섹션 (114) 은 링을 다수의 처리 영역으로 분할하도록 형성될 수 있다. 일부 실시형태에 있어서, 배리어 링간의 거리는 실질적으로 동일할 것이다. 다른 실시형태에 있어서, 배리어 링간의 거리는 변화되어 배리어에 의해 둘러싸이는 영역을 조절할 수 있다.

토양 복원 시스템을 갖춘 결빙 웰을 사용함으로써 이 결빙 웰이 처리 영역 내부로 또는 외부로의 유체 유동을 방지하는 배리어 형성할 수 있다는 장점이 있다. 과도한 유체가 처리 영역으로 유입하는 것을 방지함으로써, ISTD 토양 복원 공정에서 토양을 가열하는 것과 관련된 가열 비용을 상당히 감소시킬 수 있고, 발생 가스 처리 설비의 크기와 비용을 감소시킬 수 있다. 유체 유입을 방지함으로써 토양을 물의 끓는점보다 상당히 높은 온도로 가열시킬 수 있다. 가열 시간이 상당히 단축될 수 있다. 가열기 웰은 결빙 웰에 인접하게 배치될 수 있다. 일부 가열기 웰은 결빙 배리어내에 또는 그에 근접하게 배치될 수 있다. 상기 가열기 웰은 배리어의 일부를 녹일 수 있지만, 토양 복원시 배리어를 관통하지 않는다.

토양 복원 시스템에 결빙 웰을 사용함으로써, 처리될 수 있는 오염물의 종류와 오염된 토양의 종류가 더 많아지는 장점이 있다. 결빙 웰의 사용으로, 단일 토양 복원 공정으로 지하수면보다 높이 있고 포화된 토양 구역내에 있는 오염된 토양을 처리할 수 있다. 큰 수원에 인접한 토양을 복원할 수 있다. 큰 수원은 바다, 호수, 및/또는 강일 수 있다. 물 재충전 구역내의 토양이 처리될 것이다. 처리 영역 주위에 배리어를 형성하는데 결빙 웰을 사용함으로써, ISTD 토양 복원 시스템이 복원할 수 있는 토양의 종류는 더 많아질 수 있다. 예를 들어, 지면 아래에 위치한 갈라진 암석내의 오염물을 복원하기 위해서는 ISTD 토양 복원 시스템을 사용할 것이다.

ISTD 토양 복원 시스템을 갖춘 결빙 웰을 사용함으로써, 제거하기 어려운 오염물, 즉 밀집한 비수성상의 액체 (DNAPL) 를 복원할 수 있는 장점이 있다. DNAPL 유체는, 비한정적으로, 염화 용액, 폴리클로리네이티드 비페닐, 및 수은을 포함할 수 있다. 결빙 배리어는, 처리 영역에 고진공을 가하여 토양으로부터 기화된 오염물을 제거하는 불투과성 배리어를 제공할 것이다.

토양 복원 시스템에 결빙 웰을 사용함으로써, 결빙 웰이 처리 영역을 고립시킬 수 있는 장점이 있다. 결빙 웰에 의해 형성된 배리어는, 복원 공정시, 오염물이 처리 영역에서 인접한 영역으로 이동하는 것을 방지할 것이다. 예를 들어, 처리 영역을 둘러싸는 결빙 웰은, ISTD 토양 복원 공정시, 갈라진 암석내의 DNAPL 오염물이 균열을 통하여 인접한 영역으로 유동하는 것을 방지할 수 있다. 결빙 웰에 의해 형성된 결빙 배리어는 소망하는 깊이에 위치될 것이다. 결빙 배리어의 깊이는 토양에 금속 시트를 삽입시켜 얻어질 수 있는 배리어보다 상당히 더 깊게될 수 있다. 결빙 웰에 의해 형성된 결빙 배리어는, 이 결빙 웰이 결빙 웰 사이의 토양을 결빙시키기 때문에, 처리 영역 주위에서 완전 개구를 형성할 필요가 없지만, 그라우트 벽 배리어에는 필요할 수 있다. 결빙 웰은, 경사진 또는 지향적으로 뚫린 웰을 사용하여 및/또는 토양 복원 웰보어부를 사용하여 처리 영역용 바닥 배리어를 형성하는데 사용될 수 있다.

배리어 형성에 결빙 웰을 사용함으로써 복원 후의 토양에 미미한 효과를 줄 수 있다. 결빙 웰은 열 복원 공정시 처리 영역 외측에 원하지 않은 가열 정도를 한정할 것이다. 결빙 웰의 유지가 끝나면 결빙 배리어가 제거된다. 결빙 배리어가 제거된 후 토양으로부터 결빙 웰이 제거될 수 있다. 토양으로부터 결빙 웰이 제거될 수 있고, 결빙 웰의 웰보어는 충진재로 채워질 수 있다. 결빙 웰의 사용에 따른 다른 장점은, 결빙 웰이 단순하고 효과적이며, 신뢰성 있고, 값싸다는 것이고, 결빙 웰도 제조, 설치, 및 사용이 용이하다는 것이다.

본 발명의 다양한 관점의 다른 실시형태와 다른 변형은 전술한 관점에서 당업자에게 명백할 것이다. 따라서, 상기 설명부는 설명적으로 구성되었고 본 발명을 실시하는 일반적인 방식을 당업자에게 교시하기 위해서이다. 본원에서 도시되고 설명된 본 발명의 형태는 실시형태의 실시예로서 설명되었음을 이해할 것이다. 부재 및 재료는 본원에서 설명되고 기재된 부재 및 재료로 대용될 수 있고, 부품 및 공정은 가역적일 수 있으며, 본 발명의 어떠한 특징은 별개로 사용될 수 있고, 본 발명의 상기 설명부의 이점은 당업자에게 명백할 것이다. 이후의 청구항에서 개시된 본 발명의 정신과 범위를 벗어나지 않는 한, 본원에 기재된 부재들은 변형될 수 있다.

Claims (79)

1. 다수의 결빙 웰을 처리될 토양의 주변을 따라서 소정의 패턴으로 배치하는 단계,

   결빙 웰에 인접한 토양을 냉각시켜 결빙 배리어를 형성하는 단계, 및

   토양을 복원하여 토양내의 오염물 레벨을 감소시키는 단계를 포함하며,

   토양을 복원하는 단계는 토양을 가열하여 토양으로부터 발생 가스를 제거하는 단계를 포함하는 토양 오염물 복원 방법.
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