KR101034267B1 - 이온필터를 이용한 전기동력학적 토양오염 복원시스템 및그 동작방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 이온필터를 이용한 전기동력학적 토양오염 복원시스템 및 그 동작방법에 관한 것으로서, 내부에 음극(cathode) 및 음극액(catholyte)이 수용되는 제 1 전극모듈; 내부에 양극(anode) 및 양극액(anolyte)이 수용되는 제 2 전극모듈; 상기 제 1 전극모듈 및 제 2 전극모듈과 각각 연결되어 상기 양극액 및 음극액이 서로 순환되도록 하는 순환수단; 및 상기 순환수단의 일부에 구비되어 상기 양극액 및 음극액의 순환시 중금속 또는 염류 등의 불순물이 함께 이동하지 못하도록 걸러내는 이온필터를 포함하여 서로 대향하는 전극 간 pH를 일정하게 유지함으로써 오염물질의 이동성을 높이고 이온필터를 통해 보다 쉽게 오염물질을 제거할 수 있으므로 이에 따라 시설 재배지 등 오염 토양에 함유된 오염물질의 제거 효율을 크게 높일 수 있다.

토양복원, 오염물질, 전기동력, 전기이동, 이온필터, 순환

Description

이온필터를 이용한 전기동력학적 토양오염 복원시스템 및 그 동작방법{The system and method for electrokinetic soil recovery using the ion filter}

본 발명은 이온필터를 이용한 전기동력학적 토양오염 복원시스템 및 그 동작방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 음극 주변의 수산화 이온에 의해 인근 토양의 pH 값이 크게 증가하는 것을 억제하고 토양 내 함유되어 있는 오염물질의 침전 염(precipitation)을 방지하여 상기 오염물질의 이동성을 높이고 제거 효율을 향상시킬 수 있는 전기동력학적 토양 복원 시스템 및 그 동작방법에 관한 것이다.

토양은 중금속류, 페놀류, 유류 등과 같은 다양한 유해물질들에 의하여 오염될 수 있으며 이러한 오염물질들은 농작물에 축적되거나 지하수 등을 오염시켜 결국에는 인간의 건강을 해친다.

이러한 문제를 해결하기 위해 최근 전기동력학적(electrokinetic) 오염토양 복원기술이 많이 연구되고 있다.

전기동력학적 오염토양 복원기술은 토양에 전기를 공급하여 전하를 띤 오염물질을 모아서 제거하는 기술로서, 습윤한 토양에 직류전기를 공급하고 이에 따라 발생하는 전기삼투, 전기이동 등의 여러 기작 및 물의 전기분해 반응으로 생성된 수소 이온(H+)이 이동하면서 오염물질에 대한 공극 수로의 탈착이나 용해반응 등을 향상시켜 토양 내에 존재하는 오염물질의 용해도와 이동도를 증가시킨다.

도 1 은 일반적인 전기동력학을 이용한 토양 복원 시스템에 있어서, 양극과 음극 사이에 존재하는 토양의 pH 구배(gradient)가 도시된 그래프이다.

양극(anode) 및 음극(cathode) 사이에서 물의 전기분해 반응이 일어나면 양극에서는 수소 이온(H⁺)이 생성되며, 음극에서는 수산화 이온(OH^-)이 생성된다. 양극에서 생성된 수소 이온(H⁺)들은 여러 이동 기작에 의해 토양 내에서 음극 쪽으로 이동하며, 토양의 pH를 감소시켜 토양 내 중금속 오염물질의 탈착 반응(desorption)과 용해 반응(dissolution)을 주도한다.

이때 음극에서 생성된 수산화 이온(OH^-)은 양극 쪽으로 이동하게 되는데, 수산화 이온(OH^-)은 토양 내에서 이동하면서 도 1에 도시된 바와 같이 토양의 pH를 증가시킨다. 특히 음극에 가까운 토양(A영역)에서는 여러 기작에 의해 음극 측으로 이동해 온 양이온의 중금속 오염물질과 상기 수산화 이온이 결합하여 침전 반응(precipitation) 또는 토양 표면과의 흡착 반응(absorption)을 일으키게 된다. 이에 따라 음극 가까이(A영역)에서 전기 전도도가 크게 떨어지며 오염물질의 이동성이 감소되어 토양 복원 시스템을 통해 정상적으로 오염물질을 제거하는데 어려움이 있으며 오염물질의 제거 효율이 저하된다.

따라서, 이러한 문제점을 해결하기 위하여 최근까지는 음극 주변의 전해질 용액에 아세트산(CH₃COOH)과 같은 산성 용액을 첨가하여 중화시킴으로써 음극 전해질 용액에서 생성되는 수산화 이온의 수를 줄이는 연구들이 진행되어 왔다.

본 발명에서는 수산화 이온에 의한 pH 증가를 억제하기 위한 방법으로 음극 전해질 용액에 아세트산과 같은 약산 용액을 첨가하는 기존 방법과 달리, 보다 제거 효율이 높고 용이하게 활용할 수 있도록 하는 새로운 토양 복원 시스템 및 그 방법을 제안한다.

보다 구체적으로, 본 발명의 일실시예에 따른 이온필터를 이용한 전기동력학적 토양오염 복원 시스템은 내부에 음극(cathode) 및 음극액(catholyte)이 수용되는 제 1 전극모듈; 내부에 양극(anode) 및 양극액(anolyte)이 수용되는 제 2 전극모듈; 상기 제 1 전극모듈 및 제 2 전극모듈과 각각 연결되어 상기 양극액 및 음극액이 서로 순환되도록 하는 순환수단; 및 상기 순환수단의 일부에 구비되어 상기 양극액 및 음극액의 순환시 불순물이 함께 이동하지 못하도록 걸러내는 이온필터를 포함하여 수산화 이온을 중화시키기 위한 별도의 용액을 구비하지 않으면서도 효과적으로 토양 내의 pH를 중성 내지 약산성으로 유지할 수 있도록 한다.

또한, 본 발명의 일실시예에 따른 전기동력학적 토양 복원 시스템의 동작방법은 오염토양에 양극 및 음극을 배치하는 제 1 단계; 및 상기 양극 및 음극 사이의 오염토양에 함유된 오염물질이 극성에 따라 상기 양극 또는 음극으로 이동하여 수집되면, 수집된 오염물질을 제거하는 제 2 단계를 포함하며, 상기 제 2 단계는 상기 양극이 수용된 양극액(anolyte) 및 상기 음극이 수용된 음극액(catholyte)에 함유된 불순 이온을 걸러내면서 서로 순환시키는 제 3 단계를 포함하여 활용이 용이하면서도 오염물질의 제거 효율을 높일 수 있도록 한다.

이하 첨부된 도면을 참조로 하여 본 발명에 따른 실시예를 설명한다.

일반적인 토양 복원 시스템에서는 도 2(a)에 도시된 바와 같이, 양 전극이 각각 수용된 수로관(1, 2)을 구비하고 각 전극에 직류전원을 인가하면 물의 전기분해 반응에 의해 음극이 수용된 수로관 내에서 수산화 이온(OH^-)이 생성된다. 생성된 수산화 이온(OH^-)은 전극 사이에 존재하는 토양(3)을 통해 양극 쪽으로 이동하면서 토양 내 함유되어 있는 Pb²+, Cd²⁺, Ca²⁺와 같은 양이온과 결합하여 침전 염인 Pb(OH)₂ 또는 Ca(OH)₂와 같은 염을 생성하거나, 상기 양이온들이 토양 표면에 흡착되도록 하여 오염물질의 이동성을 감소시킨다.

그러나, 본 발명에 따른 토양오염 복원 시스템은, 도 2(b)에 도시된 바와 같이, 양극(anode, 15)이 수용되는 제 1 전극모듈(10) 및 음극(cathode, 25)이 수용되는 제 2 전극모듈(20)을 순환수단(70) 및 이온필터(75)를 통해 서로 연결하고, 오염물질 제거를 위한 전원 인가시 또는 그 후에 상기 제 1 및 제 2 전극모듈(10, 20) 내 수용된 양극액(anolyte) 또는 음극액(catholyte)의 일부를 서로 교환하여 순환시키며 상기 이온필터(75)를 통해 순환시 함께 이동할 수 있는 불순 이온을 제거하게 된다.

보다 상세히 설명하자면, 양극(15)이 수용된 상기 제 1 전극모듈(10)은 하우징 내에 양극액이 수용되고 양극액 내에서 상기 양극(15)이 충분히 잠기도록 구성 될 수 있다. 또한, 음극(25)이 수용된 상기 제 2 전극모듈(20)은 하우징 내에 음극액이 수용되고 음극액 내에서 상기 음극(25)이 충분히 잠기도록 구성될 수 있다. 이때 양극(15), 음극(25) 및 순환수단(70)에 각각 전원을 인가하면 제 1 전극모듈(10) 내에서 생성된 수소 이온(H⁺)의 일부는 제 2 전극모듈(20) 내로 유입되고, 제 2 전극모듈(20) 내에서 생성된 수산화 이온(OH^-)의 일부는 제 1 전극모듈(10) 내로 유입된다.

따라서, 음극(25) 및 음극액의 반응에 의해 생성된 다수의 수산화 이온 중 일부의 수산화 이온은 유출되고 일부의 수산화 이온은 유입된 수소 이온과 결합하여 중성의 물 분자(H₂O)를 생성하게 된다. 이에 따라 음극액에 함유된 수산화 이온의 수는 순환수단(70)이 동작하기 전의 수산화 이온의 수보다 줄어들 수 있으며 음극액의 pH 값은 토양오염 복원 시스템의 구동전원 인가 초기 또는 그 전의 pH 값과 비교하여 값이 증가하지 않고 일정하게 유지될 수 있다.

또한, 양극(15) 및 음극(25)에 전압 또는 전류를 인가하면 제 1 전극모듈(10) 및 제 2 전극모듈(20) 사이에 존재하는 토양 내 오염물질들의 이동 기작이 원활히 진행되어 토양(30) 내 함유되어 있던 Pb²⁺, Cd²⁺, Mg²⁺, Ca²⁺ 등의 양이온들이 음극(25)이 수용되는 제 2 전극모듈(20) 내로 유입될 수 있으며, 유입된 양이온은 제 2 전극모듈의 하우징(housing) 바닥면에 침전될 수 있다.

제 1 전극모듈(10) 내에서 생성되는 수소 이온들의 경우, 제 2 전극모듈(20) 에서의 화학적 반응과 유사한 반응으로서, 일부가 유입되는 수산화 이온과 반응하여 물 분자를 생성한다. 물 분자를 생성하지 않고 잔존하는 수소 이온들은 음극으로부터 작용하는 인력에 의해 토양을 통해 제 1 전극모듈(10) 측으로 이동할 수 있다.

따라서, 제 1 전극모듈(10)로부터 수소이온이 이동하고, 수산화 이온은 제 2 전극모듈(20)에서 순환수단(70)에 의해 그 수가 줄어듬에 따라 제 1 및 제 2 전극모듈(10, 20) 사이에 존재하는 토양의 pH는 종래와 비교하여 비교적 균일한 값을 갖게 되며 오염물질의 이동성을 향상시킬 수 있다.

이를 위한 본 발명의 일실시예에 따른 이온필터를 이용한 전기동력학적 토양오염 복원시스템은 다음과 같이 구성될 수 있다.

본 발명의 일실시예에 따른 전기동력학적 토양 복원 시스템은 기본적으로 오염된 토양이 수용되는 토양정화 셀, 상기 토양정화 셀의 양측에 배치되는 적어도 두 개 이상의 전극모듈 및 상기 각 전극모듈에 전압이나 전류를 인가하여 전기역학적으로 토양 내 함유된 오염물질을 제거하도록 하는 전원공급 장치를 포함하여 구성될 수 있으며, 전극모듈 및 토양정화 셀을 제외한 다른 구성요소에 대한 상세한 설명은 후술하도록 한다.

도 3 은 본 발명의 일실시예에 따른 전기동력학적 토양 복원 시스템의 일부 구성이 도시된 사시도이다.

본 발명의 일실시예에 따른 전기동력학적 토양 복원 시스템의 오염토양 정화 셀은 도 3에 도시된 바와 같이 제 1 전극모듈(10), 제 2 전극모듈(20) 및 토양정화 셀(30)을 포함하여 구성될 수 있다.

상술한 바와 같이 제 1 전극모듈(10)은 하우징, 상기 하우징 내에 수용되는 양극(15), 및 상기 양극(15)이 충분히 잠기도록 상기 하우징 내에 수용되는 양극액을 포함한다. 제 2 전극모듈(20)은 제 1 전극모듈(10)과 유사한 구성으로 하우징, 상기 하우징 내에 수용되는 음극(25), 및 상기 음극(25)이 충분히 잠기도록 상기 하우징 내에 수용되는 음극액을 포함한다. 이때 상기 양극액 및 음극액은 물 또는 전해질로 전기를 가했을 때 전자의 이동이 가능한 용액이다.

제 1 전극모듈(10) 및 제 2 전극모듈(20)은 오염물질을 제거하고자 하는 토양정화 셀(30)의 양 단에 배치되며 각 전극모듈(10, 20)에 구비된 양극 및 음극에 (+), (-) 전원이 인가되어 동작한다.

이때 상기 양극 및 음극은 후술하는 전원공급 수단으로부터 공급되는 전류 또는 전압에 의해 극성이 반전되어 음극 및 양극으로 기능할 수 있으며, 상기 각 전극 모듈(10, 20)은 적어도 하나 이상 구비될 수 있다. 또한, 제 1 및 제 2 전극모듈(10, 20)이 다수 구비되는 경우에는 오염물질을 제거하고자 하는 오염 토양 내에서 번갈아 배치되어 각 전극모듈 사이에 존재하는 토양 내 오염물질의 제거 동작을 수행함으로써 대면적의 오염토양에서도 오염이온의 제거 효율을 높일 수 있다.

제 1 전극모듈(10) 및 제 2 전극모듈(20)은 서로 대향하는 일면에 용액의 투과성이 용이한 반투과 막(membrane)(35)으로 다공성 셀룰로오스 막을 각각 구비하여 토양정화 셀(30)과 연결될 수 있다. 즉, 제 1 전극모듈(10) 및 토양정화 셀(30)의 경계면에는 제 1 반투과 막을 구비하고, 제 2 전극모듈(20) 및 토양정화 셀(30) 의 경계면에는 제 2 반투과 막을 구비하여 각 전극모듈과 오염토양을 분리 및 연결한다.

한편, 본 발명의 일실시예에 따른 토양 복원 시스템은 제 1 전극모듈(10) 및 제 2 전극모듈(20)을 서로 연결하고, 상기 제 1 및 제 2 전극모듈(10, 20) 내 수용액 일부가 서로 교환하여 순환되도록 하는 순환수단을 포함한다.

순환수단은 적어도 하나 이상의 순환 이동수단(74a, 74b) 및 순환 동력수단(72a, 72b)을 포함할 수 있으며, 순환 동력수단(72b)에서 제공되는 동력에 의해 음극액의 일부가 순환 이동수단(74b)을 따라 제 1 전극모듈(10)로 유입되고, 양극액의 일부는 별도로 구비된 모터(74a) 및 순환 이동수단(74a)을 통해 제 2 전극모듈(20)로 전달된다.

각 순환 이동수단(74a, 74b)을 통해 유입 또는 유출되는 용액 내에는 다수의 이온이 포함되어 있는데, 특히 수산화 이온(OH^-)과 수소 이온(H⁺)을 교환함으로써 음극액 내에서 수산화 이온이 계속 증가하는 것을 억제할 수 있다.

이를 보다 상세하게 설명하면, 상기 순환수단은 음극(25)이 수용된 음극액 내에서 전원이 인가됨에 따라 지속적으로 생성되는 수산화 이온의 수를 감소시키고, 그에 따라 보다 원활하게 오염물질들이 제 1 및 제 2 전극모듈(10, 20) 측으로 수집될 수 있도록 하기 위한 것으로서, 물의 전기분해에 의해 생성되는 수산화 이온(OH^-)을 제 1 전극모듈(10)로 유출시키고, 제 1 전극모듈(10)에서 생성된 수소 이온(H⁺)이 제 2 전극모듈(20) 내에 유입되어 유입된 수소 이온(H⁺)과 반응함에 따라 물 분자를 생성하도록 한다.

제 1 전극모듈(10) 내에서는 수소 이온(H⁺)이 생성되는데, 생성된 수소 이온(H⁺)의 일부를 제 2 전극모듈(20)로 유출시키고, 제 2 전극모듈(20)로부터 수산화 이온(OH^-)이 유입되면 유입된 수산화 이온(OH^-)과 반응하여 물 분자를 생성한다.

이렇듯 제 1 전극모듈(10) 및 제 2 전극모듈(20)에 수용된 수용액을 서로 순환시켜 수산화 이온(OH^-) 및 수소 이온(H⁺)을 일부 교환하면 각 전극모듈의 수용액 액성은 중성을 갖는 것으로 생각될 수 있다. 그러나 본 발명의 일실시예에 따른 토양오염 복원 시스템을 실험을 통해 실제 적용하면 pH가 약 3 내지 4로 약산성의 성질을 띠는 것으로 나타나며, 이를 위한 설명으로 각 전극에서의 반응을 아래 반응식과 함께 설명하면 다음과 같다.

우선 음극(25) 주변에서는 다음과 같은 반응이 일어난다.

(A): 4H₂O + 4e^- -> 4OH^- + 2H₂

(B): Mg^{2 +} + 2e^- -> Mg(s)

Fe^{2 +} + 2e^- -> Fe(s)

이와 동시에 양극(15) 주변에서는 다음과 같은 반응이 일어난다.

(C): 2H₂O -> 4H⁺ + O₂ + 4e^-

(D): H⁺ + Cl^- -> HCl

양극(15) 및 음극(25)에 전압 또는 전류를 인가하면 반응식 1의 (A) 및 반응식 2의 (A)와 같은 물의 전기분해 반응이 일어난다. 이때 순환 수단(70)을 통해 음극액 및 양극액을 일부 교환하면 반응식 1의 (A) 반응에서 생성되는 수산화 이온의 수가 줄어들며, 제 2 전극모듈(20) 내에 양이온의 오염물질이 유입되면 반응식 1의 (B) 반응이 (A) 반응보다 지배적으로 일어나게 된다. 이는 반응식 1이 전자를 받는 환원 반응으로서, 일반적으로 토양 내 함유되는 중금속 등 오염물질의 표준 환원 전위가 물의 표준 환원 전위보다 높아 환원 반응에서 우선하기 때문이다.

토양 내에서 오염물질로 작용하는 여러 물질 중 일부의 표준 환원 전위는 다음의 표와 같다.

반쪽 전지 반응	E (V)
2H2O + 2e- -> H2 + 2OH-	-0.83
Zn2 +(aq) + 2e- -> Zn(s)	-0.76
Fe2 +(aq) + 2e- -> Fe(s)	-0.44
Ni2 +(aq) + 2e- -> Ni(s)	-0.25
Pb2 +(aq) + 2e- -> Pb(s)	-0.13
Cu2 +(aq) + 2e- -> Cu(s)	+0.34

표 1에 나타난 바와 같이, 액체 상태의 물의 표준 환원 전위는 -0.83V로 반응식 1의 (A)반응이 일어날 때의 환원 전위는 -1.66V가 된다. 이에 반해, 아연, 철, 니켈, 납, 구리 등 토양 내에서 제거해야 할 오염물질로 분류될 수 있는 금속 이온의 표준 환원 전위는 각각 순서대로 -0.76V, -0.44V, -0.25V, -0.13V, +0.34V 등으로 물의 표준 환원 전위보다 높다.

표준 환원 전위가 높다는 것은 환원 반응이 상대적으로 더 잘 일어난다는 뜻으로 전자를 받아들이는 성질이 더 강하다는 의미로도 해석할 수 있으며, 이에 따라 음극(25)에서는 반응식 1의 (A) 반응보다 (B)의 반응이 주도적으로 일어나 금속물질로 환원되고 제 2 전극모듈(20)의 내측 바닥면에 침전하여 침전물을 이루게 된다. 또한 물의 전기분해 반응이 계속 이루어지더라도 반응식 1의 (B) 반응이 지배적으로 진행되므로 제 2 전극모듈 내에 포함된 수산화 이온의 수는 크게 증가하지 않는다. 따라서, 상대적으로 수산화 이온은 적게 생성되고 수소 이온은 많이 생성되어 전체적으로 산성을 띠게 된다.

또한, 양극 주변에서는 상술한 반응식 2의 (C) 반응과 같이 수소 이온이 지속적으로 생성되며, 양극으로부터의 인력에 의해 Cl^-, NO3^- 등의 음이온이 제 1 전극모듈 내로 유입되면 (D) 반응과 같이 수소이온과 결합하여 양극액이 강산성을 띠게 된다.

토양의 pH는 오염물질을 제거하는 데 있어서 제거 효율을 결정하는 주된 요인 중 하나로, 양극에서 생성된 수소 이온은 이온성 오염물질을 제거하기 위한 주요 기작인 전기이동 또는 전기삼투에서 중금속 양이온을 토양으로부터 탈착시키고 이를 공극수에 용해시켜 오염물질의 이동성을 높일 수 있도록 하므로 전체적인 토양의 pH는 낮은 것이 바람직할 수 있다.

한편, 제 1 전극모듈(10) 또는 제 2 전극모듈(20) 내의 침전물이나 불순 이온들은 순환수단의 순환 동력수단(72a, 72b) 구동에 따라 수용액과 함께 순환 이동수단(74a, 74b)로 유입될 수 있다. 따라서, 이온필터(75a, 75b)는 순환 동력수단(72a, 72b)의 일단 또는 양단에 배치되어 이러한 침전물 또는 불순 이온들이 순환 이동수단(74a, 74b)을 통해 연결된 다른 전극모듈 내로 유입되지 못하도록 걸러내게 된다.

이러한 이온필터(75a, 75b)로는 여과 방식에 따라 멤브레인 필터, 이온교환 수지필터, 세라믹 필터, 활성탄 필터, 카본 필터 등 여러 종류가 있으며, 본 발명의 일실시예에 따른 토양오염 복원시스템에서 적용되는 이온필터는 그 종류에 한정되지 않고 중금속 등의 오염물질이나 순환 동작에 방해가 되는 염류, 불순 이온 등을 걸러낼 수 있는 필터라면 다양하게 적용될 수 있다.

순환수단(70)은 순환 동력수단(72a, 72b) 또는 순환 이동수단(74a, 74b)의 연결에 따라 여러 양태로 변용될 수 있으며 특정 형태에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 순환 이동수단(74a, 74b)는 각 전극모듈 간에 높이의 차를 두고 연결될 수 있는데, 제 1 전극모듈(10)의 하부에 일단이 연결되는 제 1 순환 이동수단(74a)은 소정 위치에서 제 1 순환 동력수단(72a)과 연결될 수 있으며 타단은 제 2 전극모듈(20)의 상부에 연결되어 제 1 순환 동력수단(72a)의 구동력에 의해 제 1 전극모듈(10)에 수용된 양극액의 일부가 제 2 전극모듈(20)로 이동할 수 있다. 또한, 제 2 전극모듈(20)의 하부에 일단이 연결되는 제 2 순환 이동수단(74b)는 역시 소정의 위치에서 별도로 구비된 제 2 순환 동력수단(72b)와 연결될 수 있으며 타단은 제 1 전극모듈(10)의 상부에 연결되어 연결된 제 2 순환 동력수단(42')의 구동력에 의해 제 2 전극모듈(20)에 수용된 음극액의 일부가 제 1 전극모듈(10)로 이동할 수 있다.

또한, 상기 순환수단(70)은 각 전극모듈(10, 20)의 양 단에 배치하여 연결될 수 있는데, 예를 들어, 제 1 순환 이동수단(74a) 및 제 2 순환 이동수단(74b)는 제 1 전극모듈(10) 및 제 2 전극모듈(20)의 앞뒤로 배치될 수 있다. 이때 제 1 및 제 2 순환 이동수단(74a, 74b)에 연결되는 각 이온필터(75a, 75b)는 수용액의 이동방향에 따라 배치되는 지점이 달라질 수 있다. 즉, 제 1 순환 이동수단(74a)의 경우 양극액이 제 1 전극모듈(10)에서 제 2 전극모듈(20)로 이동하므로 이때 구비되는 이온필터(75a)는 순환 동력수단의 양 단 중 제 1 전극모듈(10) 측에 구비되는 것이 바람직하다. 유사한 방법으로 제 2 순환 이동수단(74b)의 경우 음극액이 제 2 전극모듈(20)에서 제 1 전극모듈(10)로 이동하므로 이때 구비되는 이온필터(75b)는 모터의 양 단 중 제 2 전극모듈(20) 측에 구비되어 음극액에 포함되어 있는 불순물 기타 불순 이온을 걸러내는 것이 바람직하며, 상기 이온필터의 위치는 제거하고자 하는 물질 또는 이온의 제거 효율에 따라 달라질 수 있다.

상기 순환 이동수단(74a, 74b)으로는 튜브형태의 호스나 파이프 등이 적용될 수 있으며, 상기 양극액 또는 음극액이 이동할 수 있도록 통로의 기능을 수행할 수 있는 수단 또는 구조라면 상술한 예에 한정되지 않고 모두 적용될 수 있다. 또한, 상기 순환 동력수단(72a, 72b)의 경우에도 바람직하게는 모터 또는 압축기(compressor)가 적용될 수 있으나 이에 한정되지 않으며 상기 양극액 또는 음극액이 상기 순환 이동수단에 따라 이동할 수 있도록 동력을 제공하는 수단이라면 모두 적용될 수 있다.

특히, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 토양정화 셀의 경우 토양 내에 이온흡착 매트(ion absorption mat)(미도시)를 배치하여 보다 간편하게 오염물질을 제거할 수 있다. 예를 들어 상세히 설명하면, 제 1 전극모듈(10) 및 제 2 전극모듈(20)에 전원이 공급되면 상기 제 1 및 제 2 전극모듈(10, 20) 사이에 배치된 토양에 함유되어 있는 오염물질 중 양이온의 오염물질이 음극(25) 측으로 이동한다. 이때 상기 양이온의 오염물질이 음극(25)을 향해 이동하다가 음극(25) 가까이에 배치된 이온흡착 매트에 도달하면 상기 이온흡착 매트에 흡착되어 더이상 이동하지 못하고 이온흡착 매트에서 수집되며 상기 이온흡착 매트를 꺼내어 폐기함으로써 토양 내 함유되어 있던 오염물질을 손쉽게 제거할 수 있다.

제 1 전극모듈(10) 내에 오염물질들이 수집되면 상기 각 전극모듈을 구성하는 하우징으로부터 수용액을 배출하여 수집된 오염물질을 제거하거나 하우징 내측 바닥면에 침전물이 응고되어 있는 경우에는 상기 하우징을 교체하는 등으로 오염물질을 최종 제거할 수 있다. 이때, 상술한 바와 같이 이온흡착 매트를 구비하면 하우징 내에 침전된 여러 침전물을 제거하는 데 필요한 별도의 작업이 요구되지 않으며 단순히 상기 이온흡착 매트를 새 매트로 교체하는 것으로 오염물질 제거 작업을 대체할 수 있다. 또한 토양 내에 구비되므로 제 1 전극모듈(10) 내에까지 도달하지 못한 일부 오염물질에 대해서도 수집할 수 있으므로 오염물질의 제거효율을 높일 수 있다.

한편, 상술한 바와 같이 오염토양 정화 셀이 구성되는 본 발명의 일실시예에 따른 토양 복원 시스템은 다음과 같이 구성될 수 있다.

도 4 는 본 발명의 일실시예에 따른 전기동력학적 토양 복원 시스템의 전체 구성이 도시된 구성도이다.

본 발명의 일실시예에 따른 전기동력학적 토양 복원 시스템은 도 4에 도시된 바와 같이 하우징 및 전극을 구비하는 다수 전극모듈(10, 20)과, 전극모듈(10, 20) 사이에 배치되어 오염물질을 제거하고자 하는 오염토양을 포함하는 토양정화 셀(30)과, 상기 각 전극모듈(10, 20)과 연결되어 내부에 수용된 수용액을 순환시키는 순환수단(70) 및 이온필터(75)를 포함한다. 또한 상기 토양정화 셀(30) 및 순환수단(70)에 전원을 인가하는 전원공급수단(60) 및 상기 토양정화 셀(30)의 오염상태 등을 모니터링하는 제어수단(80)을 포함할 수 있다.

전원공급수단(60)은 각 전극모듈(10, 20) 및 순환수단(70)과 연결되어 구동전원을 공급하는데, 공급되는 구동전원은 직류전원 뿐만 아니라 교류전원일 수 있으며 두 종류의 전원이 혼합하여 공급될 수도 있다.

제어수단(80)은 근거리 또는 원격지에서 전원공급수단(60) 및 각 전극모듈(10, 20)과 연결되어 각 전극모듈에서의 전압 또는 전류의 크기를 계측하고 그에 따라 전원공급 수단의 동작을 제어할 수 있다. 또한 순환수단(70)에 구비된 순환 동력수단의 구동상태를 감지하여 상기 순환 동력수단이 지속적 또는 주기적으로 구동될 수 있도록 할 수 있으며, 상기 각 전극모듈 내에서 오염물질 제거 효율에 영향을 주는 여러 요인에 대해 실시간 또는 주기적으로 감지하여 상기 전원공급수단(60) 또는 순환수단(70)의 동작을 제어할 수 있다.

예를 들어 상세히 설명하면, 제어수단(80)은 각 전극모듈(10, 20)에서의 수산화 이온이나 수소 이온의 생성속도를 미리 산출하고 이를 반영하여 그에 따라 상기 순환 동력수단이 구동될 수 있도록 할 수 있다.

또한, 토양정화 셀(30) 내 오염토양에 함유된 이온농도 또는 각 수로관 내 수용액에 함유된 이온농도를 측정하여 오염물질 제거 동작을 제어할 수 있는데, 오염토양 내 오염이온 농도의 경우 토양의 흡착능이나 이온 교환능 이상으로 충분히 있으면 오염물질의 제거효율이 높지만, 농도가 낮으면 오염물질의 이동도가 낮아져 제거효율이 감소하게 된다. 따라서, 제거하고자 하는 오염물질의 농도를 실시간 또는 주기적으로 감지하여 원하는 바에 따라 전원공급수단 또는 순환수단의 동작을 제어하여 오염물질의 제거효율을 조절할 수 있다.

전극모듈을 구성하는 하우징 내 수용액의 이온농도의 경우에는, 수용액에 함유되어 있는 수산화 이온이나 수소 이온의 농도를 감지 및 측정하여 pH를 계측할 수 있으며 감지된 농도 또는 pH 값에 따라 상기 순환수단(70)의 순환 동력수단 동작을 제어할 수 있다. 제 1 전극모듈(10) 내 수용액의 수산화 이온 농도를 측정하는 경우 측정된 수산화 이온의 농도가 높아 중성 또는 염기성을 띠는 것으로 판단되면 상기 모터로 제어신호를 전달하여 순환동작이 이루어지도록 할 수 있다. 또한, 측정된 수산화 이온 농도를 기초로 pH 값을 산출하고 산출된 pH 값이 3 내지 7의 범위를 벗어나 7 초과의 값을 갖게 되면 상기 모터로 제어신호를 생성하여 전달함으로써 순환동작이 일어나 수산화 이온의 수를 감소시키고 산성의 성질을 갖도록 하여 오염물질의 제거 효율을 다시 높일 수 있다.

다른 경우, 각 전극모듈 사이에 배치된 오염토양에서의 전기 전도도를 측정하여 전기 전도도가 일정 값 이하가 되면 전원공급수단의 출력을 높이거나 순환수단의 순환동작이 더욱 빠르게 이루어지도록 하여 오염물질의 제거 효율을 높일 수 있다.

도 5 는 본 발명의 일실시예에 따른 전기동력학적 토양 복원 시스템이 실제 구현된 예시 도로서, 순환 이동수단으로서 순환호스를 적용하고 순환 동력수단으로서 모터를 적용한 실제 구현도이다.

본 발명의 일실시예에 따른 전기동력학적 토양 복원 시스템은 도 5에 도시된 바와 같이 전해질이 수용된 두 개의 하우징 내에 각각 양극 및 음극을 넣어 전극 모듈을 구성하고, 두 전극모듈 사이에는 오염물질이 함유된 오염토양이 투명한 재질의 토양정화 셀에 담겨 배치된다. 두 개의 하우징 중 제 1 하우징의 하부에 연결된 순환호스는 모터를 통해 제 2 하우징의 상부에 연결되고, 제 1 하우징의 상부에 연결된 순환호스는 모터를 통해 제 2 하우징의 하부에 연결된다. 따라서 모터의 구동력에 의해 각 하우징 내의 수용액 중 일부가 순환호스를 통해 다른 하우징으로 전달될 수 있도록 한다. 또한 각 전극모듈과 연결되는 전원공급 장치를 구비하고 각 전극모듈에 전압계 및 전류계를 연결하여 양 전극 간 인가되는 전압 또는 전류를 계측할 수 있도록 한다.

표 2는, 도 6에 도시된 바와 같이 실제 구현된 본 발명의 일실시예에 따른 전기동력학적 토양 복원 시스템을 실제 실험하여, 시간의 경과에 따른 양 전극에서의 pH 값 변화를 일부 나타낸 표이다.

No.	Item(mears)	Cathode	Anode
1	Vo(volt)/Io(mA)	40/49
	pH	6.06	5.88
2	Vo(volt)/Io(mA)	40/50
	pH	4.71	3.96
3	Vo(volt)/Io(mA)	40/49
	pH	3.95	3.54
4	Vo(volt)/Io(mA)	40/50
	pH	3.23	3.13
5	Vo(volt)/Io(mA)	40/49
	pH	3.17	3.11
6	Vo(volt)/Io(mA)	40/52
	pH	3.08	3.04

위의 실험에서 각 전극모듈에 수용되는 전해질로는 바닷물(sea water)을 사용하였으며 양 전극에는 40V의 전압을 인가하였다. 표 2에 나타난 바와 같이 실험 초기에는 양 전극에서의 pH 값은 비교적 중성을 나타내고 있으며 시간이 경과할수록 pH 값이 감소하여 양 전극을 수용하는 수용액의 액성이 점차 산성을 띠게 됨을 알 수 있다. 이는 본 발명의 일실시예에 따른 토양 복원 시스템이 기존과 차별화된 효과를 나타내고 있음을 보여주는 것으로, 일반적인 또는 종래의 토양 복원 시스템에서는 음극 측 수용액의 pH가 시간이 경과함에 따라 점차 증가하여 강한 염기성을 띠게 되는 데 반해 본 발명에서는 별도의 산성 수용액을 첨가하는 등의 별도의 작업 없이 음극 측 수용액에 함유되는 수산화 이온의 수를 감소시켜 음극 측에서도 산성을 띨 수 있도록 하고 이에 따라 양 전극 사이의 오염토양에서 오염물질을 보다 효율적으로 제거할 수 있도록 한다.

이상과 같이 본 발명에 따른 전기동력학적 토양 복원 시스템 및 그의 동작방법을 예시된 도면을 참조로 하여 설명하였으나 본 발명은 본 명세서에 개시된 실시예와 도면에 의해 한정되지 않으며 양극 및 음극 주변의 각 수용액을 서로 교환하여 두 전극 사이에 존재하는 토양의 산성도를 비교적 균일하게 유지할 수 있으며 이에 따라 오염물질의 제거 효율을 높일 수 있도록 하는 본 발명의 기술사상은 보호되는 범위 이내에서 당업자에 의해 용이하게 응용될 수 있음은 자명하다.

도 1 은 일반적인 전기동력학을 이용한 토양 복원 시스템에 있어서, 양 극간 pH 기울기가 도시된 도,

도 2 는 본 발명에 따른 전기동력학적 토양 복원 시스템의 개념이 간략하게 도시된 도,

도 3 은 본 발명의 일실시예에 따른 전기동력학적 토양 복원 시스템의 일부 구성이 도시된 사시도,

도 4 는 본 발명의 일실시예에 따른 전기동력학적 토양 복원 시스템의 전체 구성이 도시된 구성도, 및

도 5 는 본 발명의 일실시예에 따른 전기동력학적 토양 복원 시스템이 실제 구현된 예시 도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1, 10, 10': 제 1 전극모듈 2, 20, 20': 제 2 전극모듈

15: 양극(Anode) 25: 음극(Cathode)

3, 30: 오염토양 35: 반투과막(membrane)

70: 순환수단 72a, 72b: 모터

74a, 74b: 순환 이동수단 75: 이온필터

Claims (15)

1. 내부에 양극(anode) 및 양극액(anolyte)이 수용되는 제 1 전극모듈;

   내부에 음극(cathode) 및 음극액(catholyte)이 수용되는 제 2 전극모듈;

   상기 제 1 전극모듈 및 제 2 전극모듈과 각각 연결되어 상기 양극액 및 음극액이 서로 순환되도록 하는 순환수단; 및

   상기 순환수단의 일부에 구비되어 상기 양극액 및 음극액의 순환시 불순물이 함께 이동하지 못하도록 걸러내는 이온필터

   를 포함하는 이온필터를 이용한 전기동력학적 토양오염 복원시스템.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 이온필터는 이온교환수지 필터, 세라믹필터, 활성탄 필터, 멤브레인 필터 중 적어도 하나 이상의 필터를 포함하는 이온필터를 이용한 전기동력학적 토양오염 복원시스템.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 순환수단은 상기 제 1 전극모듈 및 제 2 전극모듈과 연결되는 적어도 하나 이상의 순환 이동수단; 및

   상기 순환 이동수단을 통해 상기 양극액 또는 음극액이 일정 방향으로 이동하도록 하는 적어도 하나 이상의 순환동력수단

   를 포함하는 이온필터를 이용한 전기동력학적 토양오염 복원시스템.
4. 제 3 항에 있어서,

   상기 순환 이동수단은 호스, 파이프, 수로관 중 적어도 하나 이상의 수단으로 이루어지는 이온필터를 이용한 전기동력학적 토양오염 복원시스템.
5. 제 3 항에 있어서,

   상기 순환 동력수단은 모터(motor), 압축기(compressor) 중 적어도 하나 이상의 수단으로 이루어지는 이온필터를 이용한 전기동력학적 토양오염 복원시스템.
6. 제 3 항에 있어서,

   상기 순환수단은 상기 제 1 전극모듈의 하부 및 상기 제 2 전극모듈의 상부를 연결하여 수소 이온이 이동할 수 있도록 하는 제 1 순환 이동수단; 및

   상기 제 1 전극모듈의 상부 및 상기 제 2 전극모듈의 하부를 연결하여 수산화 이온이 이동할 수 있도록 하는 제 2 순환 이동수단

   을 포함하는 이온필터를 이용한 전기동력학적 토양오염 복원시스템.
7. 제 6 항에 있어서,

   상기 이온필터는 상기 제 1 순환 이동수단과 연결되는 모터의 일단에 배치되며 상기 양극액에 섞여 함께 이동하려는 침전물 또는 음이온 물질을 걸러내는 제 1 필터; 및

   상기 제 2 순환 이동수단과 연결되는 모터의 일단에 배치되며 상기 음극액에 섞여 함께 이동하려는 침전물 또는 양이온 물질을 걸러내는 제 2 필터

   를 포함하는 이온필터를 이용한 전기동력학적 토양오염 복원시스템.
8. 제 3 항에 있어서,

   상기 순환수단은 일정 주기를 갖고 동작하거나 계속적으로 동작하는 이온필터를 이용한 전기동력학적 토양오염 복원시스템.
9. 제 5 항에 있어서,

   상기 모터는 상기 양극액의 pH 값이 일정 값을 초과하거나, 상기 음극액의 pH 값이 일정 값 미만이 되면 동작되는 이온필터를 이용한 전기동력학적 토양오염 복원시스템.
10. 제 5 항에 있어서,

    상기 모터는 상기 불순물 중 적어도 하나 이상의 물질의 농도를 감지하여 감지된 물질의 농도가 일정 값 이상이 되면 동작되는 이온필터를 이용한 전기동력학적 토양오염 복원시스템.
11. 제 1 항에 있어서,

    상기 양극 및 음극에 AC 및 DC 중 적어도 한가지 이상의 형태의 전압 또는 전류를 인가하는 전원공급장치

    를 포함하는 이온필터를 이용한 전기동력학적 토양오염 복원시스템.
12. 오염토양에 양극 및 음극이 서로 대향하도록 배치하는 제 1 단계; 및

    상기 양극이 수용된 양극액 및 상기 음극이 수용된 음극액을 서로 순환시키고 상기 오염토양에 함유된 오염물질이 상기 양극 측 또는 상기 음극 측으로 이동하여 수집되면 수집된 오염물질을 제거하는 제 2 단계를 포함하며,

    상기 제 2 단계는, 상기 양극액 및 음극액의 순환시 함께 이동하려는 불순 이온을 걸러내는 제 3 단계를 포함하는 이온필터를 이용한 전기동력학적 토양오염 복원시스템의 동작방법.
13. 제 12 항에 있어서,

    상기 제 2 단계는, 상기 음극액 및 양극액이 순환됨에 따라 수소 이온이 상기 음극으로 유입되는 단계; 및

    유입된 상기 수소 이온이 상기 음극액 내에 함유되어 있는 수산화 이온과 결합하며, 상기 음극액 내에 유입되는 양이온의 오염물질은 환원되어 침전하는 단계

    를 포함하는 이온필터를 이용한 전기동력학적 토양오염 복원시스템의 동작방법.
14. 제 12 항에 있어서,

    상기 제 2 단계는, 상기 양극액 및 음극액의 이온농도를 감지하여 각각 pH 값을 산출하는 단계; 및

    상기 양극액의 경우 산출된 pH 값이 일정 값 이상이면 상기 양극액의 일부가 상기 음극 측으로 이동하도록 하는 단계

    를 포함하는 이온필터를 이용한 전기동력학적 토양오염 복원시스템의 동작방법.
15. 제 12 항에 있어서,

    상기 제 2 단계는, 상기 오염물질 중 적어도 어느 한 물질의 농도를 감지하는 단계;

    감지된 농도가 일정 값 이상이면 상기 양극이 수용된 양극액 및 상기 음극이 수용된 음극액을 서로 순환시키는 단계

    를 포함하는 이온필터를 이용한 전기동력학적 토양오염 복원시스템의 동작방법.

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