KR101880197B1 - 지중 수은 제거 시스템 및 지중 수은 제거 방법 - Google Patents

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홍용석
김문현
남고운
박민오
박원석
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고려대학교 세종산학협력단
(주)이데아이엔에스
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Abstract

본 발명의 일 측면에 따르면, 지중의 일측에 적어도 일부가 삽입 설치되되 일측이 대기 측으로 개방되는 제 1 몸체, 상기 제 1 몸체의 일측을 통해 상기 제 1 몸체 내부로 외부 공기를 주입시키는 공기 공급부재 및 상기 제 1 몸체 내부의 공기를 가열하도록 상기 제 1 몸체 내부에 형성되는 가열부재를 포함하는 공기 가열부; 지중의 타측에 설치되고, 상기 공기 가열부에 의해 가열된 후 상기 제 1 몸체로부터 배출된 가열 공기를 포집하는 공기 포집부 및 상기 공기 포집부에 포집된 공기에 포함된 수은을 제거하는 수은 처리부;를 포함하는, 지중 수은 제거 시스템이 제공된다.

Description

지중 수은 제거 시스템 및 지중 수은 제거 방법{System and method for in situ removal of Hg from soil}
본 발명은 지중 수은 제거 시스템 및 지중 수은 제거 방법에 관한 것이다.
수은은 토양 및 지하수 환경에서 다양한 화학종 및 산화상태로 존재할 수 있으며, 특히 원소수은(Hg0)은 일반적인 환경에서 액체로 존재하며, 증기압이 높아 휘발성이 강하여 이동성이 크며, 물에도 용해된다.
일반적으로 대부분의 수은 화학종은 독성이 매우 강하며, 특히 유기수은(CH3Hg+)의 경우 환경에 극미량(pg/L 또는 ng/L)으로 존재하지만, 생물농축등으로 인해 생선에 고농도로 농축되어 인간의 건강을 위협할 수 있다.
석탄화력발전소 및 소각장에서 수은은 주로 원소수은(Hg0)의 형태로 대기중으로 배출되면, 배출된 수은(주로 Hg0)은 반감기가 1년이 넘기 때문에 전지구적 이동성을 보이며, 오염원에서 먼 거리에 떨어져 있는 지역도 오염될 수 있다.
UNEP(United Nation Environmental Protection)에서는 2013년에 국제수은협약(Minamata Convention on Mercury)을 공식 채택하였으며, 우리나라는 2014년 9월에 국제수은협약에 서명하였다.
국제수은협약이 발효(2017년 예정)되면 관련 국가들은 환경으로 수은배출량을 국제법에 의하여 감소시켜야 하며, 향후 수은제거 기술의 수요가 크게 증가할 것이라 예상되고 있다.
국내의 수은 제거 기술은 주로 수은 함유 제품(형광등 또는 온도계 등)의 폐기물 처리 과정에서 발생하는 수은을 어떻게 처리할 것인가에 집중되어 있다.
수은이 어떠한 형태로 누출되던, 환경에서 수은은 다양한 화학종으로 존재할 수 있으며, 대표적으로 Hg0 vs. Hg2+ vs. CH3Hg+이 존재함. 수은의 복잡한 형태로 인해 환경에서 제거하기 어려운 오염물질 수은 오염 토양·지하수에서 수은을 제거하기 위한 공법들은 크게, 원위치(in-situ) 정화방법 및 반출정화(ex-situ) 방법으로 구분되며, 주로 반출정화 방법이 많이 사용되었으나, 원위치 정화 방법도 간혹 적용되었다.
수은오염 토양 및 지하수를 반출하여 정화하는 방법은 수은오염을 오히려 확산시킬 수 있는 위험이 상존하는 문제가 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 토양 고유의 생태학적 성질을 보존하면서, 지중의 수은을 제거할 수 있는 지중 수은 제거 시스템을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 지중의 일측에 적어도 일부가 삽입 설치되되 일측이 대기 측으로 개방되는 제 1 몸체, 상기 제 1 몸체의 일측을 통해 상기 제 1 몸체 내부로 외부 공기를 주입시키는 공기 공급부재 및 상기 제 1 몸체 내부의 공기를 가열하도록 상기 제 1 몸체 내부에 형성되는 가열부재를 포함하는 공기 가열부; 지중의 타측에 설치되고, 상기 공기 가열부에 의해 가열된 후 상기 제 1 몸체로부터 배출된 가열 공기를 포집하는 공기 포집부 및 상기 공기 포집부에 포집된 공기에 포함된 수은을 제거하는 수은 처리부;를 포함하는, 지중 수은 제거 시스템이 제공된다.
이 때, 상기 제 1 몸체는 관형 부재로 이루어질 수 있다.
이 때, 상기 제 1 몸체의 상단부가 개방되도록 형성될 수 있다.
이 때, 상기 제 1 몸체의 상단부에는 플랜지가 형성되고, 상기 플랜지는 지표면 상에 배치될 수 있다.
이 때, 상기 제 1 몸체는 가열된 공기가 지중으로 주입되도록, 다공성 재질로 이루어질 수 있다.
이 때, 상기 제 1 몸체는 다공성 세라믹 재질로 이루어질 수 있다.
이 때, 상기 가열부재는 열선을 구비하고, 상기 제 1 몸체의 길이방향으로 연장 형성되는 가열봉부재로 이루어질 수 있다.
이 때, 상기 가열부재는 상기 제 1 몸체의 내측면과 소정 간격 이격되도록 배치될 수 있다.
이 때, 상기 가열부재의 일측 단부에는 상기 플랜지의 상부측에 지지되는 지지부재가 형성되고, 상기 지지부재는 상기 제 1 몸체의 개방된 일측을 덮도록 형성될 수 있다.
이 때, 상기 플랜지 및 상기 지지부재 사이에는 밀봉부재가 배치될 수 있다.
이 때, 상기 지지부재에는 상기 제 1 몸체 내부로 공기가 공급되도록, 상기 공기 공급부재와 연결된 공기 공급홀이 형성될 수 있다.
이 때, 상기 공기 공급부재는 블로어로 이루어질 수 있다.
이 때, 상기 공기 포집부는 상기 공기 가열부로부터 유입된 공기가 내부로 포집되도록, 지중에 삽입되어 설치되는 제 2 몸체를 포함하고, 상기 공기 포집부는 상기 제 2 몸체 내부에 포집된 공기를 흡입시키는 공기 흡입부재를 더 포함할 수 있다.
이 때, 상기 공기 흡입부재는 상기 공기 공급부재와 일체로 형성될 수 있다.
이 때, 상기 수은 처리부는 액체상의 수은을 포집하는 제 1 수은 처리부와 기체상의 수은을 포집하는 제 2 수은 처리부를 포함할 수 있다.
이 때, 상기 수은 처리부는 상기 포집된 수은의 농도를 측정하는 센서를 더 포함할 수 있다.
이 때, 상기 제 2 수은 처리부는 기체상의 수은을 흡착하는 흡착제를 구비할 수 있다.
이 때, 상기 제 1 몸체는 상기 제 2 몸체와 소정 간격 이격 배치될 수 있다.
이 때, 상기 공기 가열부는 제 1 가열부재를 포함하는 제 1 공기 가열부와 제 2 가열부재를 포함하는 제 2 공기 가열부를 포함하고, 상기 제 1 가열부재 및 상기 제 2 가열부재는 적어도 100도 이상으로 형성되고, 상기 제 1 가열부재와 상기 제 2 가열부재는 최대 40cm 이격될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 지중에 설치된 다공성의 하우징에 공기를 공급시키는 주입 단계; 주입된 공기를 소정의 온도로 가열시키는 가열 단계; 상기 하우징의 미세공을 통해 배출된 가열된 공기가 지중을 통과하면서 지중의 수은을 기화시키는 기화 단계; 기화된 수은을 포함하는 공기를 지중으로부터 추출시키는 추출 단계; 추출된 공기로부터 수은을 제거하는 제거 단계;를 포함하는 지중 수은 제거 방법이 제공된다.
이 때, 상기 가열 단계는 상기 하우징에 구비된 가열부재에 의해 이루어질 수 있다.
이 때, 상기 가열 단계에서 소정의 온도는 100도 내지 200도의 범위일 수 있다.
이 때, 상기 가열 단계는 지중에 삽입되되 적어도 두 개 이상으로 이루어지는 가열봉부재에 의해 수행되며, 상기 가열봉부재 중 어느 하나와 이에 인접한 다른 가열봉부재 사이의 이격거리는 40cm이하일 수 있다.
이 때, 상기 제거 단계는 상기 기화된 수은을 포함하는 공기를 기체 및 액체로 분리하여 액체상의 수은을 제거하는 제 1 제거 단계 및 수은 입자를 흡착시키는 흡착제를 이용하여, 기체상의 수은을 제거하는 제 2 제거 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 예시적인 실시예에 따르면, 외부 반출 방식이 아닌 원위치 방식의 지중 제거 시스템으로서, 수은 제거 과정에서 오염의 외부 확산을 방지할 수 있다.
또한, 공기를 상대적으로 저온으로 가열하는 저온 열탈착 방식을 이용하여, 토양 고유의 생물학적 활성을 그대로 유지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 지중 수은 제거 시스템을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에서 단열부를 더 포함하는 지중 수은 제거 시스템을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 지중 수은 제거 시스템의 배치를 도시한 평면도이다.
도 4는 도 3의 A부분을 확대 도시한 평면도이다.
도 5은 본 발명의 일 실시예에 따른 지중 수은 제거 시스템의 공기 가열부를 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 지중 수은 제거 시스템의 공기 가열부의 분해 사시도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 지중 수은 제거 시스템의 공기 가열부의 단면도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 지중 수은 제거 시스템의 공기 가열부의 분해 사시도이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 지중 수은 제거 방법을 도시한 순서도이다.
도 10은 본 발명의 제 1 실험예 따른 실험 장치이다.
도 11a 및 도 11b는 도 10의 각 위치에서의 시간에 대한 온도 변화 그래프이다.
도 11c는 도 11b의 결과를 수식화 한 그래프이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 지중 수은 제거 시스템에서, 가열부재의 온도가 400도인 경우, 가열부재간의 거리에 따른 최종 온도분포를 유추한 그래프이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 지중 수은 제거 시스템을 이용하여 가열부재의 설정 온도에 따라 HgCl2의 제거 속도를 도시한 그래프이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.
본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할 경우, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "아래에" 있다고 할 경우, 이는 다른 부분 "바로 아래에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 지중 수은 제거 시스템을 도시한 도면이다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에서 단열부를 더 포함하는 지중 수은 제거 시스템을 도시한 도면이다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 지중 수은 제거 시스템의 배치를 도시한 평면도이다. 도 4는 도 3의 A부분을 확대 도시한 평면도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 지중 수은 제거 시스템(1)은 공기를 지중으로 주입하는 공기 가열부(10), 주입된 공기를 추출하는 공기 포집부(20) 및 추출된 공기로부터 수은을 제거하는 수은 처리부(30)를 포함할 수 있다.
먼저, 도 1 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 공기 가열부(10)와 공기 포집부(20)가 서로 이격되어 지중에 배치될 수 있다. 이 때, 공기 공급부재(14)를 통해 외부 공기가 공기 가열부(10)의 제 1 몸체(11) 내부로 유입되고, 공기는 제 1 몸체(11) 내부의 가열부재(12)에 의해 100도 이상으로 가열될 수 있다.
이 때, 넓은 오염지역의 경우에는 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 공기 가열부(10)를 가운데에 배치하고, 반경 외측 방향에 복수개의 공기 포집부(20)를 배치할 수 있다. 이 때, 각 공기 포집부(20)는 약 1m만큼 이격될 수 있다.
섭씨 100도 이상으로 가열된 공기는 공기 가열부(10) 외측면의 다공을 통해, 지중에서 공기 포집부(20) 방향으로 유동할 수 있다. 유동 과정에서 지중에 포함된 수은 입자는 기화되어, 공기 포집부(20) 측으로 유입될 수 있다.
이 때, 공기 가열부에 의해 가열된 공기의 온도에 따라 토양에서의 수은 열탈착 속도를 조절할 수 있다.
공기 포집부(20)에 유입된 기화 수은은 펌프 등의 공기 흡입부재(24)에 의해 지상의 수은 처리부(30)로 이동될 수 있다. 수은 처리부(30)는 흡착제(32)를 구비하는 흡착탑을 포함하며, 흡착제(32) 표면에 기화 수은이 결합함으로써 수은을 제거할 수 있다.
이하, 도 5 내지 도 8을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 지중 수은 제거 시스템의 공기 가열부(10), 공기 포집부(20) 및 수은 처리부(30)를 설명한다.
도 5은 본 발명의 일 실시예에 따른 지중 수은 제거 시스템의 공기 가열부를 도시한 도면이다. 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 지중 수은 제거 시스템의 공기 가열부의 분해 사시도이다. 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 지중 수은 제거 시스템의 공기 가열부의 단면도이다. 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 지중 수은 제거 시스템의 공기 가열부의 분해 사시도이다.
공기 가열부(10)는 제 1 몸체(11), 제 1 몸체(11) 내부로 외부의 공기를 공급하는 공기 공급부재(14) 및 공급된 공기를 가열시키는 가열부재(12)를 포함할 수 있다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 공기 가열부(10)의 제 1 몸체(11)은 원통형의 형상으로 이루어질 수 있다. 이 때, 공기 가열부(10)는 원통형의 제 1 몸체(11) 길이 방향으로 지중에 삽입되어 설치될 수 있다.
이 때, 제 1 몸체(11)은 일측이 개방되고, 개방된 일측이 지표면 상에 배치되도록 설치될 수 있다. 개방된 일측을 통해 제 1 몸체(11)의 내부로 공기가 유입될 수 있다.
이 때, 제 1 몸체(11) 내부에는 가열부재(12)가 설치될 수 있다. 구체적으로, 도 6에 도시된 바와 같이, 제 1 몸체(11)의 개방된 일측을 통해, 가열부재(12)가 배치될 수 있다. 가열부재(12)는 원통형의 봉부재로 이루어질 수 있으며, 열선(18a)을 구비하여 전력이 공급될 때, 전기 에너지를 열 에너지로 변환시킬 수 있다.
이 때, 공기 가열부(10)는 열선(18a)에 전력을 공급하기 위한 전원 공급부재(18b)를 더 포함할 수 있다.
이 때, 제 1 몸체(11)은 가열공간(13)으로 유입되어 가열된 공기가 지중으로 원활히 배출되도록 외측면이 다공성의 재질로 이루어질 수 있다. 바람직하게는 다공성 세라믹으로 이루어질 수 있다.
다공성 세라믹의 미세공을 통해 지중으로 공기가 연통될 수 있다. 이 때, 제 1 몸체의 외측면은 두께가 약 1 mm 내지 2 mm로 형성되고, 미세공의 공극은 약 0.1 mm 내지 0.5 mm로 형성될 수 있다.
도 7 및 도 8을 참조하면, 가열부재(12)는 제 1 몸체(11)의 내측면과 소정 간격 이격되도록 배치될 수 있으며, 바람직하게는 제 1 몸체(11)의 중심축에 배치될 수 있다. 이 때, 가열부재(12)의 외측면과 제 1 몸체(11)의 내측면 사이의 공간에는 외부에서 유입된 공기가 유동하고 가열되는 가열공간(13)이 형성될 수 있다.
즉, 가열부재(12)가 봉부재로 이루어지는 경우 그 직경은 제 1 몸체(11)의 내경에 비해 작게 형성될 수 있으며, 가열부재(12)와 제 1 몸체(11) 사이의 간격은 1cm 내지 2cm일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 가열부재(12)는 전술한 바와 같이 가열봉부재로 이루어지거나, 원통형의 하우징 내부에 열선(18a)을 구비한 형태로 이루어질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 공기 가열부(10)는 제 1 몸체(11) 내부의 가열공간(13)으로 외부의 공기를 공급하기 위해서 공기 공급부재(14)를 더 포함할 수 있다. 이 때, 공기 공급부재(14)는 송풍기 또는 블로어 등으로 이루어질 수 있다.
이 때, 가열부재(12)는 가열부재(12)의 외측에 위치한 가열공간(13) 내부의 공기를 100도 이상으로 가열시킬 수 있다. 이렇게 가열된 공기는 제 1 몸체(11)의 다공성 외측면의 미세공을 통해 지중으로 유입되고, 지중에 포함된 수은을 기화시킬 수 있다.
이 때, 공기 가열부(10)는 제 1 몸체(11)의 개방된 일측 단부의 외주부에 형성된 제 1 플랜지(15a)를 구비할 수 있다.
제 1 몸체(11)의 일측 단부는 도 6을 기준으로, 상부측의 개구를 의미하며, 지중에 공기 가열부(10)가 설치되는 경우, 일측이 지표면 상에 배치될 수 있다. 이 때, 제 1 플랜지(15a)는 지표면 상에 대해 제 1 몸체(11)을 지지하여 공기 가열부(10)가 지중상에 견고히 설치될 수 있다.
이 때, 가열부재(12)는 상부측 단부에 형성되는 지지부재(15b)를 구비할 수 있다. 지지부재(15b)는 제 1 플랜지(15a)에 의해 지지되어, 공기 가열부(10)에 대해 가열부재(12)를 지지할 수 있다.
이 때, 지지부재(15b)는 도 5 내지 도 8에 도시된 바와 같이, 제 1 플랜지(15a)와 동일한 직경을 가지도록 형성될 수 있으며, 제 1 몸체(11)의 개방된 일측을 덮어 제 1 몸체(11) 내부가 밀봉되도록 형성될 수 있다. 후술하는 바와 같이, 공기 공급홀(19)에 의해 연통되는 것을 제외하고 밀봉되는 것이 바람직하다.
본 발명의 일 실시예에서, 도 6에 도시된 바와 같이, 공기 가열부(10)는 밀봉부재(17)를 더 포함할 수 있다. 밀봉부재(17)는 제 1 플랜지(15a)와 지지부재(15b) 사이에 배치될 수 있으며, 공기 가열부(10) 내부의 가열공간(13)을 밀봉시킬 수 있다.
이 때, 지지부재(15b)에는 공기 공급홀(19)이 형성될 수 있다. 공기 공급홀(19)은 제 1 몸체(11) 외부와 가열공간(13)을 연통시킬 수 있으며, 공기 공급부재(14)와 연결되어 제 1 몸체(11) 내부로 외부 공기를 유입시킬 수 있다.
이 때, 공기 공급홀(19)은 제 1 몸체(11)의 중심축으로부터 소정 간격 이격된 위치에 형성될 수 있으며, 소정 간격은 제 1 몸체(11)의 개방된 일측의 직경보다 작을 수 있다. 즉, 지지부재(15b)에 수직 방향으로 형성되는 공기 공급홀(19)에 의해 제 1 몸체(11) 내부와 연결될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 제 1 플랜지(15a)와 지지부재(15b)를 고정시켜 제 1 몸체(11)과 가열부재(12)를 고정 배치하는 클램프(16)를 더 포함할 수 있다. 이 때, 클램프(16)는 지면 상에 배치될 수 있으며, 단면이 ㄷ 자인 형태로 이루어질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 지중 수은 제거 시스템(1)은 기화 수은을 포집하는 공기 포집부(20)를 포함할 수 있다.
이 때, 공기 포집부(20)는 공기 가열부(10)와 마찬가지로, 지중에 삽입되도록 설치될 수 있다. 또한 지중에 설치되는 공기 포집부(20)와 공기 가열부(10)는 약 1m 내지 2m만큼 이격되도록 배치될 수 있다.
다만, 이격되는 거리는 지중의 열 전도율과 수분 흡수율 등의 지중 상태를 고려하여 다양하게 결정될 수 있다.
도 1 및 도 2를 참조할 때, 공기 포집부(20)는 원통형의 제 2 몸체(21)을 포함할 수 있으며, 상부측 외주부에는 제 2 플랜지(25)가 형성될 수 있다. 제 2 플랜지(25)는 지면에 대하여 공기 포집부(20)를 지지해줄 수 있으며, 지면상에 노출되거나, 지중의 소정 깊이에 설치될 수 있다.
이 때, 제 2 몸체(21) 내부 공간에는 가열된 공기가 유동할 수 있다. 이 때 가열된 공기는 기체상의 수은을 포함할 수 있으며, 기체상의 수은은 지중에 포함된 수은이 가열 공기에 의해 기화된 것이다.
이 때, 기화 수은을 포집하기 위하여 공기 포집부(20)의 상부측에는 공기 배출홀이 형성될 수 있다.
또한, 공기 포집부(20)는 수은을 포함하는 공기의 배출을 촉진하기 위하여 공기 흡입부재(24)를 더 포함할 수 있다. 이 때, 공기 흡입부재(24)는 공기 가열부(10)로 공기를 공급하는 공기 공급부재(14)와 일체로 이루어 질 수 있다. 또한, 공기 공급부재(14)와 공기 흡입부재(24)는 각각 블로어와 펌프로 이루어질 수 있다. 다만, 블로어와 펌프는 일 예시로서, 공기를 흡입하거나 토출할 수 있는 대체적인 구성으로 실시될 수 있다.
이 때, 공기 배출홀은 공기 흡입부재(24)와 연결되어, 공기 배출홀을 통해 수은을 포함하는 공기가 공기 포집부(20)로부터 수은 처리부(30)로 이동될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 지중 수은 제거 시스템(1)은 수은 처리부(30)를 포함할 수 있다.
수은 처리부(30)는 지중으로부터 기화되어 배출된 기화 수은을 흡착하기 위한 흡착제(32)를 구비하는 흡착탑을 포함할 수 있다.
흡착제(32)는 다공성 금속산화물, 제올라이트, 활성탄, 탄소분자체, 탄소나노튜브, 금속-유기 골격체 및 제올라이트 이미다졸레이트 골격체 등으로 이루어질 수 있으며, 상기의 물질 중 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다. 흡착제는 바람직하게는 활성탄으로 이루어질 수 있다.
기화 수은은 흡착탑을 통과하며 흡착탑의 흡착제(32)의 표면에 결합됨으로써 기화 수은이 제거될 수 있다.
수은 처리부(30)는 가열기(34) 및 응축기(36)를 더 포함할 수 있다.
가열기(34)는 흡착제(32)가 포화된 경우 포화된 흡착제를 가열하여 흡착제로부터 수은을 탈착시킬 수 있다. 탈착된 수은은 응축기(36)에 의해 응축되어 회수될 수 있다.
이 때, 수은 처리부(30)는 공기 포집부(20)로부터 연결된 배관에 수은의 양을 측정하는 센서(36)를 더 포함하여 실시간으로 포집되는 수은의 양을 측정할 수 있고, 이를 모니터링 할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 지중 수은 제거 시스템(1)은 단열부(40)를 더 포함할 수 있다.
이 때, 단열부(40)는 도 2에 도시된 바와 같이, 수은으로 오염된 지중의 지면상에 배치될 수 있다. 단열부(40)는 지면상에 배치되되, 제 1 몸체(11)의 제 1 플랜지(15a)로부터 제 2 몸체(21)의 지지부재(15b)로 연장 형성될 수 있다.
이 때, 단열부(40)는 지면상에 배치되는 제 1 층(42)과 제 1 층(42)의 상부에 배치되는 제 2 층(44)으로 구성될 수 있다. 여기서, 제 1 층(42)은 결정질의 탄소 재질로 이루어져 공기 가열부(10)와 공기 포집부(20)가 배치되는 지중을 단열시킬 수 있다. 이 때, 제 1 층(42)은 그래파이트 펠트(graphite felt)로 이루어질 수 있다.
단열부(40)의 제 2 층(44)은 내열성을 가지는 실리콘 고무로 이루어지거나, 유체의 침투를 방지하는 불침투성의 재질로 이루어질 수 있다.
단열부(40)를 더 구비함으로써, 가열된 공기가 지중에 포함된 수은 입자를 기화시키기 위해 지중에 전달하는 열의 외부 손실을 방지할 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 지중 수은 제거 시스템(1)의 수은 제거 효율을 향상시킬 수 있다.
이하, 다시 도 1 내지 도 4를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 지중 수은 제거 시스템(1)의 작동을 설명한다.
먼저, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 공기 가열부(10)와 공기 포집부(20)가 서로 이격되어 지중에 배치될 수 있다. 이 때, 공기 공급부재(14)를 통해 외부 공기가 공기 가열부(10)의 제 1 몸체(11) 내부로 유입되고, 공기는 제 1 몸체(11) 내부의 가열부재(12)에 의해 100도 이상으로 가열될 수 있다.
이 때, 넓은 오염지역의 경우에는 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 공기 가열부(10)를 가운데에 배치하고, 반경 외측 방향에 복수개의 공기 포집부(20)를 배치할 수 있다. 이 때, 각 공기 포집부(20)는 약 1m만큼 이격될 수 있다.
섭씨 100도 이상으로 가열된 공기는 공기 가열부(10) 외측면의 다공을 통해, 지중에서 공기 포집부(20) 방향으로 유동할 수 있다. 유동 과정에서 지중에 포함된 수은 입자는 기화되어, 공기 포집부(20) 측으로 유입될 수 있다.
공기 포집부(20)에 유입된 기화 수은은 펌프 등의 공기 흡입부재(24)에 의해 지상의 수은 처리부(30)로 이동될 수 있다. 수은 처리부(30)에서는 흡착제(32)를 이용하여 기화 수은을 흡착시켜 제거할 수 있다.
이로써, 토양에 포함된 수은을 휘발시키고 휘발된 수은을 안정적으로 포집할 수 있다. 특히, 본 발명의 일 실시예에 따른 지중 수은 제거 시스템(1)은 오염된 토양에 직접 적용하는 원위치 방식으로, 반출 정화와 달리 수은 유출을 방지하는 유리한 효과가 있다. 또한, 공기를 상대적으로 저온으로 가열하는 저온 열탈착 방식을 이용하여, 토양 고유의 생물학적 활성을 그대로 유지할 수 있다.
이하, 도 9를 참조하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 지중 수은 제거 방법에 대해 설명한다. 도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 지중 수은 제거 방법을 도시한 순서도이다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 지중 수은 제거 방법은 주입단계(s10), 가열단계(s20), 기화단계(s30), 추출단계(s40) 및 제거단계(s50, s60)를 포함할 수 있다.
이 때, 주입단계(s10)는 지중에 설치된 원통형의 몸체 내부에 외부의 공기를 공급하는 단계로서, 공기를 공급하기 위해 블로어 등의 공기 공급부재를 이용할 수 있다. 또한, 몸체는 지중에 설치되는 원통형의 하우징일 수 있으며, 다공성의 세라믹 재질로 이루어져, 하우징에 주입된 공기가 지중으로 유입될 수 있다.
다음으로, 가열단계(s20)는 몸체에 주입된 공기를 소정의 온도로 가열시키는 것으로서, 이 때, 소정의 온도란 약 100도 내외를 의미할 수 있다. 가열된 공기는 지중으로 전달되어 지중의 수은을 기화시킬 수 있고, 수은 기화를 촉진하기 위해서는 높은 온도로 가열하는 것이 유리할 수 있다. 하지만 지나치게 높은 온도는 토양 고유의 생태학적 성질을 훼손하는 문제가 있을 수 있어, 약 섭씨 100도 내외로 가열하는 것이 바람직하다.
이 때, 가열단계(s20)는 몸체에 삽입된 가열부재로 이루어질 수 있으며, 가열부재는 열선을 구비할 수 있다.
다음으로, 가열된 공기가 지중으로 유입될 수 있다. 기화단계(s30)에서는 가열된 공기가 지중으로 유입됨으로써, 지중으로 열 전달이 이루어지고 지중의 수은 입자들이 기화될 수 있다. 기화된 수은 입자들은 공기의 흐름을 따라 몸체로부터 멀어지는 방향으로 유동할 수 있다.
다음으로, 추출단계(s40)는 지중에서 유동하는 기화된 수은을 포함하는 공기를 추출시키는 것이다. 이 때, 추출은 펌프 등의 공기 흡입부재를 이용할 수 있다.
다음으로, 제 1 수은 제거단계(s50)는 공기 흡입부재를 이용하여 흡입시킨 공기를 기체와 액체로 분리시키고, 가열된 공기가 냉각되면서 수은을 포함한 공기가 액화될 수 있다. 이 때, 액화된 수은을 포집하여 제거할 수 있다. 이 때, 제 1 수은 제거단계는 기액 분리기에 의해 이루어질 수 있다.
다음으로, 제 2 수은 제거 단계(s60)는 액체상 수은이 제거된 공기에 기체상 수은을 제거하는 단계이다. 이 때, 기체상의 수은을 흡착시키는 흡착제를 이용할 수 있으며, 흡착제는 활성탄으로 이루어질 수 있다.
상기와 같은 과정을 거쳐 수은이 제거된 공기는 다시 지중에 설치된 몸체로 재공급(s80)될 수 있다.
이하, 도 9 내지 도 12를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 지중 수은 제거 시스템과 다른 실시예에 따른 지중 수은 제거 방법을 이용한 실험예를 설명한다. 다음의 실험예는 본 발명을 실시함에 있어 온도와 공기 가열부의 간격을 결정하는 데이터로 활용될 수 있다.
실험예 1 - 가열부재 간격에 따른 온도 측정
지중 수은 제거 시스템을 이용하여 수은 제거 속도와 공기 가열부의 가열 온도의 관계를 확인한다.
먼저, 도 9에 도시된 바와 같이, 토양에 50cm 길이의 공기 가열부재를 삽입하였다. 가열부재를 중심으로 반경 방향 외측으로 각각 5cm, 10cm, 20cm 및 30cm 이격된 위치에 열전대를 삽입 설치하였다.
도 10a는 가열 시간에 따른 온도 분포가 도시되며, 2일 내지 3일 내에 토양의 온도가 정상상태에 도달한다. 또한, 가열부재로부터 거리가 멀어질수록 토양의 온도가 낮게 형성된다.
도 10b는 상기의 데이터를 이용하여 거리에 따른 온도의 그래프로 변환한 결과이다. 토양 가열 시간에 상관없이, 가열부재로부터의 거리가 멀어질수록 토양의 온도가 지수적으로 감소한다.
이러한 데이터는
Figure 112017085172645-pat00001
의 지수함수로 나타낼 수 있으며, t는 섭씨 온도를 의미하고, x는 가열부재로부터의 반경방향 거리를 의미한다.
이 때, 본 발명의 일 실시예에 따른 지중 가열 시스템은 복수개의 공기 가열부를 포함할 수 있고, 각 가열부 사이의 온도 분포를 기초로 수은 탈착속도를 확인할 수 있다.
각 가열부재의 거리에 따른 온도 분포는 도 10b에 도시된 바와 같고, 이를 중첩하여 가열부재 사이의 온도 분포를 유추할 수 있다. 도 11을 참조하면, 각 가열부재로부터 거리가 멀어질수록 온도가 감소하며, 가열부재 사이 거리의 중심에서 온도가 가장 낮게 형성될 수 있다.
실험예 2 - 온도에 따른 수은 제거 속도 실험
실제로 HgCl2로 오염된 토양에 대해 수은 제거 실험을 수행하였다. 초기 수은 농도는 100mg/kg 이고 가열 시간에 따라 농도 감소량을 그래프에 도시했다. 도 12를 참조하면, 온도가 높을수록 지중 내 수은 제거 속도가 빠른 것을 확인할 수 있다.
이 때, 지중 내 수은의 농도
Figure 112017085172645-pat00002
으로 나타낼 수 있다. 여기서 t는 가열 시간이며, k 와 n은 속도 상수이다.
실험 결과는 다음과 같으며, 수은 농도가 초기 수은 농도의 1/10이 되는 시간을 기준으로 정리했다.
가열부재 온도(섭씨) 100 150 200 300 400
K 0.29 0.40 0.58 0.90 1.13
N 0.35 0.46 0.59 0.83 0.78
10mg/kg 이하로 낮추는데 걸리는 시간(hour) 340 hr
(14 day)		 45 hr
(2 day)		 10 hr 3 hr 2.5 hr
가열부재의 온도가 높아짐에 따라 수은의 제거 속도가 빠름을 알 수 있다. 상기의 결과와 실험예 1에서 도출된 결과를 함께 고려하여 가열부재 사이의 간격을 결정할 수 있다.
14일 이내에 지중 수은의 90%를 제거해야 하는 경우라면, 가열부재의 온도는 적어도 섭씨 100도가 되어야 한다. 즉, 가열부재 사이의 토양 온도의 최소 값이 섭씨 100도 이상으로 형성되어야 한다.
전술한 실험예 1의 결과를 참조하면, 도 11a의 가열부재 사이의 거리가 30cm일 때, 토양 온도의 최소값이 섭씨 180도로 형성되고, 도 11b의 가열부재 사이의 거리가 40cm일 때, 토양 온도의 최소값이 섭씨 100도로 형성된다.
따라서, 14일 이내의 지중 수은 제거를 위해서는, 수은이 포함된 토양에 최대 40cm의 간격으로 가열부재를 배치하고 가열부재의 온도를 적어도 섭씨 100도로 형성시켜야 한다.
이상에서 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 사상은 본 명세서에 제시되는 실시 예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서, 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 추가 등에 의해서 다른 실시 예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 사상범위 내에 든다고 할 것이다.
1: 지중 수은 제거 시스템 10: 공기 가열부
20: 공기 포집부 30: 수은 처리부
40: 단열부

Claims (22)

  1. 지중의 일측에 적어도 일부가 삽입 설치되되 일측이 대기 측으로 개방되는 제 1 몸체, 상기 제 1 몸체의 일측을 통해 상기 제 1 몸체 내부로 외부 공기를 주입시키는 공기 공급부재 및 상기 제 1 몸체 내부의 공기를 가열하도록 상기 제 1 몸체 내부에 형성되는 가열부재를 포함하는 공기 가열부;
    지중의 타측에 설치되고, 상기 공기 가열부에 의해 가열된 후 상기 제 1 몸체로부터 배출된 가열 공기를 포집하는 공기 포집부 및
    상기 공기 포집부에 포집된 공기에 포함된 수은을 제거하는 수은 처리부;를 포함하고,
    상기 제 1 몸체의 상단부에는 플랜지가 형성되고, 상기 플랜지는 지표면 상에 배치되고,
    상기 가열부재의 일측 단부에는 상기 플랜지의 상부측에 지지되는 지지부재가 형성되고, 상기 지지부재는 상기 제 1 몸체의 개방된 일측을 덮도록 형성되는
    지중 수은 제거 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 몸체는 관형 부재로 이루어지는 지중 수은 제거 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 몸체의 상단부가 개방되도록 형성되는 지중 수은 제거 시스템.
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 몸체는 가열된 공기가 지중으로 주입되도록, 다공성 재질로 이루어지는 지중 수은 제거 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 몸체는 다공성 세라믹 재질로 이루어지는 지중 수은 제거 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 가열부재는 열선을 구비하고, 상기 제 1 몸체의 길이방향으로 연장 형성되는 가열봉부재로 이루어지는 지중 수은 제거 시스템.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 가열부재는 상기 제 1 몸체의 내측면과 소정 간격 이격되도록 배치되는 지중 수은 제거 시스템.
  9. 삭제
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 플랜지 및 상기 지지부재 사이에는 밀봉부재가 배치되는 지중 수은 제거 시스템.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 지지부재에는 상기 제 1 몸체 내부로 공기가 공급되도록, 상기 공기 공급부재와 연결된 공기 공급홀이 형성되는 지중 수은 제거 시스템.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 공기 공급부재는 블로어로 이루어지는 지중 수은 제거 시스템.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 공기 포집부는 상기 공기 가열부로부터 유입된 공기가 내부로 포집되도록, 지중에 삽입되어 설치되는 제 2 몸체를 포함하고,
    상기 공기 포집부는 상기 제 2 몸체 내부에 포집된 공기를 흡입시키는 공기 흡입부재를 더 포함하는 지중 수은 제거 시스템.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 공기 흡입부재는 상기 공기 공급부재와 일체로 형성되는 지중 수은 제거 시스템.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 수은 처리부는 공기 포집부로부터 포집된 공기에 포함된 기체상의 수은을 흡착시키는 흡착제를 포함하는 지중 수은 제거 시스템.
  16. 제 13 항에 있어서,
    상기 제 1 몸체는 상기 제 2 몸체와 소정 간격 이격 배치되는 지중 수은 제거 시스템.
  17. 제 1 항에 있어서,
    상기 공기 가열부는 제 1 가열부재를 포함하는 제 1 공기 가열부와 제 2 가열부재를 포함하는 제 2 공기 가열부를 포함하고,
    상기 제 1 가열부재 및 상기 제 2 가열부재는 적어도 섭씨 100도 이상으로 형성되고, 상기 제 1 가열부재와 상기 제 2 가열부재는 최대 40cm 이격되는 지중 수은 제거 시스템.
  18. 지중에 설치된 다공성의 하우징에 공기를 공급시키는 주입 단계;
    상기 하우징에 구비된 가열부재에 의해 주입된 공기를 소정의 온도로 가열시키는 가열 단계;
    상기 하우징의 미세공을 통해 배출된 가열된 공기가 지중을 통과하면서 지중의 수은을 기화시키는 기화 단계;
    기화된 수은을 포함하는 공기를 지중으로부터 추출시키는 추출 단계;
    추출된 공기로부터 수은을 제거하는 제거 단계;를 포함하고,
    상기 하우징의 상단부에는 플랜지가 형성되고, 상기 플랜지는 지표면 상에 배치되고,
    상기 가열부재의 일측 단부에는 상기 플랜지의 상부측에 지지되는 지지부재가 형성되고, 상기 지지부재는 상기 하우징의 개방된 일측을 덮도록 형성되는
    하는 지중 수은 제거 방법.
  19. 삭제
  20. 제 18 항에 있어서,
    상기 가열 단계에서 소정의 온도는 섭씨 100도 내지 200도의 범위인 지중 수은 제거 방법.
  21. 제 20 항에 있어서,
    상기 가열 단계는
    지중에 삽입되되 적어도 두 개 이상으로 이루어지는 가열봉부재에 의해 수행되며,
    상기 가열봉부재 중 어느 하나와 이에 인접한 다른 가열봉부재 사이의 이격거리는 40cm이하인 지중 수은 제거 방법.
  22. 제 18 항에 있어서,
    상기 제거 단계는
    수은 입자를 흡착시키는 흡착제를 이용하여, 기체상의 수은을 제거하는 흡착 단계를 포함하는 지중 수은 제거 방법.
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