KR102184681B1 - 마이크로파를 이용한 오염 토양의 정화시스템 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 마이크로파를 이용한 오염 토양의 정화시스템은 오염 토양에 마이크로파를 조사하는 마이크로파 조사장치; 상기 마이크로파의 조사에 따라 상기 오염 토양에서 발생되는 배출가스를 흡착제를 이용하여 필터링하는 가스 포집장치를 포함하고, 상기 흡착제는 상기 배출 가스에 포함된 오염 물질을 필터링하기 위해 활성탄을 사용하는 것을 특징으로 한다.

Description

마이크로파를 이용한 오염 토양의 정화시스템 및 방법{Apparatus and method for purifying contaminated soils by microwave}
본 발명은 유류오염물질로 오염된 토양을 정화하는 기술에 관한 것으로, 보다 상세하게는 마이크로파를 통해 유류오염물질로 오염된 토양을 정화하는 기술이다.
오염된 지역을 정화하기 위한 기술을 선별하는데 있어 가장 중요한 기준은 오염물질의 특성과 적용대상 부지의 특성에 좌우됨으로, 오염된 지역을 복원하기 위한 경제적이고 효율적인 기술개발이 필요하다.
도시지역이나 향후 활용도가 높은 지역에 위치한 토양오염 부지는 정화 비용이 증가하더라도 신속한 복원을 통하여 부지의 활용성을 제고 시키는 것이 보다 경제적이다. 특히, 계획에 의하여 도심에 위치한 공장지대 및 군부대의 외곽 이전이 실시될 경우 도심의 효율적인 개발을 위하여 이들 부지에 위치한 오염된 토양에 대한 신속한 정화가 요구된다.
오염토양의 처리기술로 생물학적, 물리·화학적, 고정화기술 및 열처리기술 등이 소개되고 있다. 이중, 열처리 기술은 다양한 오염 토양에 광범위하게 적용되고 있다. 기존의 열처리 기술은 토양의 오염물질을 높은 온도에서 태우거나, 높은 온도의 공기로 오염물질을 증발시키는 방법을 사용한다. 하지만, 오염물질을 증발시키기 위해서 토양을 높은 온도로 가열하므로, 많은 연료를 사용해야 하고, 오염물질을 태우면서 발생하는 이차 오염물질을 처리하여야 하는 문제가 발생한다.
이를 위해, 근래에는 마이크로파를 이용하여 토양 오염을 제거하는 방법이 개시되어 있다. 그러나, 마이크로파를 이용하여 토양 오염을 제거하는 방법의 경우에는 오염된 배출 가스가 대기 중에 그대로 노출되는 문제점이 있다. 또한, 배출 가스에 대해 일부 처리하는 기능이 부가될 수 있으나, 배출 가스로부터 오염물질을 효과적으로 제거하지는 못하기 때문에, 대기를 오염시키는 원인이 된다.
대한민국 공개특허공보 제10-2011-0022186호(공개일 2011.03.07.)
본 발명은 마이크로파를 이용하여 유류오염물질로 오염된 토양을 정화하는 것으로, 유류오염물질로 오염된 토양에 마이크로파를 조사(irradiation)하며, 이를 통해 증발된 유류오염물질의 배출 가스에 대해 활성탄을 이용하여 흡착 및 제거하는 마이크로파를 이용한 오염 토양의 정화시스템 및 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 마이크로파를 이용한 오염 토양의 정화시스템은 오염 토양에 마이크로파를 조사하는 마이크로파 조사장치; 상기 마이크로파의 조사에 따라 상기 오염 토양에서 발생되는 배출가스를 흡착제를 이용하여 필터링하는 가스 포집장치를 포함하고, 상기 흡착제는 상기 배출 가스에 포함된 오염 물질을 필터링하기 위해 활성탄을 사용하는 것을 특징으로 한다.
상기 마이크로파 조사장치는, 상기 오염 토양을 운반시키는 이송부; 상기 마이크로파를 생성하고, 상기 이송부로부터 운반된 상기 오염 토양에 상기 마이크로파를 조사하는 마이크로파 생성부; 상기 오염 토양의 온도를 실시간으로 체크하는 온도 센서부; 및 상기 배출가스를 포집하여 상기 가스 포집장치로 전달하기 위해 상기 이송부를 따라 배치된 턱트부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 가스 포집장치는, 상기 활성탄을 포함하는 복수개의 밀폐형 반응조들; 상기 밀폐형 반응조들의 상부에 위치하여, 서로 이웃하는 밀폐형 반응조들로 상기 배출 가스를 전달하기 위한 통로로 기능하는 연결관들; 및 상기 배출 가스를 상기 마이크로파 조사장치로부터 상기 가스 포집장치로 유입시키키고, 유입된 상기 배출 가스가 상기 밀폐형 반응조들에게 순차적으로 전달되도록 가스 유로를 형성하는 송풍기를 포함하고, 상기 밀폐형 반응조들 내의 상기 활성탄은 상기 배출 가스 내에 포함된 상기 오염 물질 중에서 휘발성 유기화합물(VOCs)을 미세공극에 흡착시켜 필터링하는 것을 특징으로 한다.
상기 가스 포집장치는, 산화제를 이용한 습식 산화방식으로 개질된 활성탄을 이용하여 상기 오염 물질을 필터링하는 것을 특징으로 한다.
상기 개질된 활성탄은, 상기 산화제로 질산을 사용하되, 상기 질산을 가열하여 끊는 온도에서 상기 활성탄을 함침시킨 후에, 함침에 따라 산화된 활성탄을 중성 상태가 되도록 증류수로 세척한 후에 건조시킨 것을 특징으로 한다.
상기 연결관들 각각은, 일단이 어느 하나의 밀폐형 반응조의 상부 덮개와 결합되고 타단이 다른 밀폐형 반응조의 내부에서 하부 방향으로 연장되어 형성된 'J'자형 파이프 구조를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 마이크로파를 이용한 오염 토양의 정화방법은 오염 토양을 컨베이어 벨트로 운반시키는 단계; 상기 마이크로파를 생성하여 운반 중인 상기 오염 토양에 조사하는 단계; 및 상기 마이크로파의 조사에 따라 상기 오염 토양에서 발생되는 배출가스를 흡착제를 이용하여 필터링하는 단계를 포함하고, 상기 흡착제는 상기 배출 가스에 포함된 오염 물질을 필터링하기 위해 활성탄을 사용하는 것을 특징으로 한다.
상기 활성탄은, 산화제를 이용한 습식 산화방식으로 함침시켜서 개질된 활성탄인 것을 특징으로 한다.
상기 개질된 활성탄은, 상기 산화제로 질산을 사용하되, 상기 질산을 가열하여 끊는 온도에서 상기 활성탄을 함침시킨 후에, 함침에 따라 산화된 활성탄을 중성 상태가 되도록 증류수로 세척한 후에 건조시킨 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 마이크로파를 이용해 오염 토양으로부터 유류오염물질을 제거함으로써, 토양으로부터 오염물질의 정화효율을 높일 수 있다. 특히, 토양의 오염물질이 배출 가스 형태로 증발되더라도 해당 배출 가스를 활성탄을 이용하여 유효하게 필터링함으로써, 유류 오염 토양으로부터 발생되는 2차 오염물질이 대기 중으로 노출되는 것을 효과적으로 예방할 수 있다.
도 1은 유류 오염물질에 의해 오염된 토양에 대해 마이크로파를 이용한 오염물질 제거기작을 설명하기 위한 일 예의 참조도이다.
도 2는 본 발명에 따른 마이크로파를 이용한 오염 토양의 정화시스템을 설명하기 위한 일 실시예의 참조도이다.
도 3은 본 발명에 따른 마이크로파를 이용한 오염 토양의 정화시스템를 구성하는 일 실시예의 마이크로파 조사장치를 나타내는 참조도이다.
도 4는 도 2의 마이크로파 생성부에서 조사되는 마이크로파에 의한 오염 토양의 TGA(열중량 분석) 분석결과를 예시하는 그래프이다.
도 5a는 마이크로파 조사장치에서 조사되는 마이크로파 조사 세기가 3kW인 경우에 온도 변화를 예시하는 그래프이다.
도 5b는 마이크로파 조사장치에서 조사되는 마이크로파 조사 세기가 6kW인 경우에 온도 변화를 예시하는 그래프이다.
도 6은 불균질 토양에 대한 마이크로파 조사에 따른 온도변화를 나타내는 참조도이다.
도 7은 마이크로파에 의한 토양시료의 무게별 온도변화를 나타내는 그래프이다.
도 8은 마이크로파에 의한 토양시료의 무게별 오염제거효율을 나타내는 그래프이다.
도 9는 본 발명에 따른 마이크로파를 이용한 오염 토양의 정화시스템를 구성하는 일 실시예의 가스 포집장치를 나타내는 참조도이다.
도 10은 산화제를 통해 개질된 활성탄 표면을 나타내는 참조도이다.
도 11은 마이크로파 조사에 따른 가스 포집장치의 VOCs 측정결과를 나타내는 그래프이다.
도 12은 도 9에 도시된 연결관들 중 어느 하나를 예시하는 사시도이다.
도 13은 본 발명에 따른 마이크로파를 이용한 오염 토양의 정화방법을 설명하기 위한 일 실시예의 참조도이다.
본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 아래의 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래의 실시예들로 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하며 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다.　
본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이 단수 형태는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 용어로서, "및/또는"은 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.　
이하, 본 발명의 실시예들은 본 발명의 실시예를 개략적으로 도시하는 도면들을 참조하여 설명한다.
본 발명은 마이크로파를 통해 발생되는 마이크로파를 이용하여 유류로 인해 오염된 토양을 정화시키는 기술이다. 마이크로파는 유전체 물질에 흡수되어 마이크로파 의 고정 주파수(2.45GHz)의 진동에 의해 가열되며 열에너지를 발생시키는 원리이다.
마이크로파는 오염 토양(유전체) 내부로 조사(irradiation)되어 극성을 띄고 있는 토양수분 물 분자의 쌍극자회전 즉, 쌍극자 모멘트작용에 의해 대상토양은 가열된다. 오염물질인 유류와 토양과의 결합력(흡·탈착)은 토양유기물, 수분 함량 등에 따라 결합관계가 결정된다. 토양내 수분함량이 높을수록 유전율(Permittivity)이 증가하게 된다.
토양유기물은 지표환경에서 자연적으로 이루어지는 지구화학적인 물리·화학적 변화이며, 이에 따라 지표 내 각종 물질들과의 결합특성 및 반응성이 변화하여 오염물질의 오염특성과 거동에 크게 영향을 주게 된다.
도 1은 유류 오염물질에 의해 오염된 토양에 대해 마이크로파를 이용한 오염물질 제거기작을 설명하기 위한 일 예의 참조도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 토양에 흡착된 유류오염물질은 높은 유전율을 가지고 있다. 이로 인하여 마이크로파는 토양 고유의 성분은 유지함과 동시에 고온탈착증발로 수증기압, 용해도, 오염원 거동을 증가 시키며, 표면장력을 감소시켜 유류오염물질을 제거한다. 또한, 극성분자만을 선택적으로 가열함으로써 토양 내 착물 형태의 유류오염물질 분자결합 파괴 및 토양 내 수분이 가열되어 stripping효과로 증기가 토양외부로 배출되면서 토양에 흡착된 유류오염물질을 제거시킨다.
본 발명은, 마이크로파에 의한 토양수분 물 분자의 쌍극자회전에 의한 가열기작 및 토양유기물의 열 반응이 이루어지는 것이 바람직하나 이에 한정되지 아니한다. 또한, 토양유기물의 성상이 변화되고 이에 따라 오염물질과 토양간의 결합도가 변화되어 정화효율을 크게 향상시키는 방법을 제공한다.
도 2는 본 발명에 따른 마이크로파를 이용한 오염 토양의 정화시스템을 설명하기 위한 일 실시예의 참조도이다.
도 2를 참조하면, 오염 토양의 정화시스템은 마이크로파 조사장치(100) 및 가스 포집장치(200)를 포함한다.
마이크로파 조사장치(100)는 오염 토양에 마이크로파를 조사한다. 마이크로파 조사장치(100)는 마이크로파의 조사에 따라 발생되는 배출 가스를 가스 포집장치(200)로 전달한다. 이를 위해, 마이크로파 조사장치(100)는 이송부, 마이크로파 생성부 및 온도 센서부를 포함한다.
도 3은 본 발명에 따른 마이크로파를 이용한 오염 토양의 정화시스템를 구성하는 일 실시예의 마이크로파 조사장치(100)를 나타내는 참조도로서, 이송부(110) 및 마이크로파 생성부(120)가 도시되어 있으며, 온도 센서부는 도시되어 있지 않다. 도 3의 마이크로파 조사장치(100)는 이송부(110)를 이용하여 오염토양을 주입한 후 배출까지 진행되는 연속식 흐름방식이 바람직하나 이에 한정되지 아니한다. 즉, 마이크로파 조사부(100)는 도 3에 도시된 연속식 흐름방식이 아닌, 배치식 방식으로 오염토양을 내부 챔버에 적재하여 오염 물질을 제거할 수도 있다.
이송부(110)는 투입구를 통해 투입되는 오염 토양을 운반한다. 이를 위해, 이송부(110)는 컨베이어 벨트를 구비할 수 있다. 컨베이어 벨트는 투입구를 통해 투입되는 오염 토양을 배출구까지 일정 이송 속도를 유지하면서 이송한다.
또한, 이송부(110)는 토양 입자의 크기를 분류하기 위해 진동 모듈 및 입자 분류필터를 구비할 수 있다. 오염 토양은 입자가 다양하므로, 다양한 토양입자의 크기를 분류하는 절차가 요구된다. 진동 모듈은 컨베이어 벨트로 이송되는 오염 토양의 크기를 구분하기 위한 동작을 수행하는 것으로, 컨베이어 벨트가 구동하는 동안에 지속적인 진동을 통해 이송 중에 있는 입자들에 대한 대략적인 크기 분류를 수행할 수 있다. 입자 분류필터는 대략적으로 분류된 오염 토양을 입자 크기 별로 세분할 수 있도록 하는 입자 크기별 필터이다.
마이크로파 생성부(120)는 이송부(110)를 통해 운반되는 오염 토양을 정화하기 위한 마이크로파를 생성하며, 생성된 마이크로파를 오염 토양에 조사한다. 도 3에 도시된 바와 같이, 마이크로파 생성부(120)는 이송부(110)을 따라 복수개가 정렬되어 배치될 수 있다.
마이크로파는 대상 물질의 입자를 강제로 진동시켜서 건조 및 열에너지를 발생시키는 것으로, 유류에 의해 오염된 토양에 마이크로파 전자계에너지를 인가하면 기공을 통해 전자계에너지가 전달되고, 이 전자계에너지에 의해 발생되는 열은 오염입자 주위의 오일을 증발시켜 토양에 기공을 확보하게 되고, 지속적으로 마이크로파 전자계에너지를 인가하게 되면 오염입자에 이온 결합력으로 부착된 오일까지 증발시킨다.
이를 위해, 마이크로파 생성부(120)는 마이크로파 발진기와 전원 변압기 등을 포함할 수 있다. 전원 변압기는 외부로부터 입력되는 상용교류전압을 고주파 발생에 적합한 고전압으로 변압하여 마이크로파 발진기로 인가한다. 마이크로파 발진기는 전원 변압기로부터 인가되는 고전압에 의하여 고주파발진을 하여 마이크로파를 발생시킨다. 마이크로파 주파수는 ISM(Industrial, Scientific and Medical) 주파수를 사용하되, 대략 2.45GHz 대역을 사용할 수 있다. 마이크로파 생성부(120)에서 생성되는 마이크로파는 오염 물질에 조사되며, 오염 물질로 조사된 마이크로파의 고정 주파수(2.45GHz)의 진동에 의해 가열되며 열 에너지를 발생시킨다.
마이크로파 생성부(120)는 마이크로파의 전력세기(3kW, 6kW)에 따른 온도변화 특성과 각 전력세기별 에너지효율을 파악하여 발열 및 투입열량을 산출하여 에너지효율을 산출할 수 있다. 마이크로파 생성부(120)는 2.45GHz 고정주파수를 이용하여 마이크로파를 조사함으로써, 토양과 같은 고형매질에 대한 투과율이 뛰어나고, 토양수분의 물 분자의 쌍극자회전에 의한 가열에 따른 열 반응을 효과적으로 유도할 수 있다.
도 4는 도 3의 마이크로파 생성부(120)에서 조사되는 마이크로파에 의한 오염 토양의 TGA(열중량 분석) 분석결과를 예시하는 그래프이다.
도 4를 참조하면, 오염 토양의 수분은 마이크로파가 조사될 때 일반적으로 쌍극자 모멘트를 갖고 있는 수분으로 마이크로파가 집중되는 경향이 있으므로 가열을 위해서는 토양수분이 높을수록 유리하지만, 마이크로파 조사에 따라 온도가 상승하면서 이후 토양시료 내 존재하는 수분이 기화하면서 빼앗기는 열이 증가하므로, 10% 의 무게비율이 적절하다.
마이크로파 조사를 통해 오염물질이 흡착된 토양은 고온탈착증발로 수증기압 및 용해도가 증가되며, 표면장력이 감소되어 유류오염물질이나 유류오염물질 화합물 분자결합이 파괴된다. 또한, 동시에 토양 내 수분이 가열되어 stripping효과로 증기가 토양외부로 배출된다.
이와 같은 반응기작을 통해 유류 오염토양을 대상으로 마이크로파를 조사한 결과에 대한 구체적인 사항은 다음과 같다.
도 5a는 마이크로파 조사장치(120)에서 조사되는 마이크로파 조사 세기가 3kW인 경우에 온도 변화를 예시하는 그래프이고, 도 5b는 마이크로파 조사장치(120)에서 조사되는 마이크로파 조사 세기가 6kW인 경우에 온도 변화를 예시하는 그래프이다.
마이크로파를 이용하여 전력세기(3kW, 6kW)에 따른 온도변화 특성과 각 전력세기별 에너지효율을 살펴보면, 다음의 표 1 내지 3과 같다.
다음의 표 1은 마이크로파의 조사 세기에 따른 무게별 온도변화를 나타내는 표이다.
Time
(min)		 1kg 2kg 3kg 4kg 5kg
3kW 6kW 3kW 6kW 3kW 6kW 3kW 6kW 3kW 6kW
2 90 137 81 92 72 88 60 88 53 76
4 118 199 87 145 88 139 87 102 65 100
6 146 255 104 252 98 200 90 139 88 104
8 158 304 131 309 107 202 106 176 90 137
10 130 320 164 312 119 228 125 220 103 177
12 124 322 151 335 144 284 136 240 118 238
14 - - 173 349 182 309 167 225 136 255
16 - - 175 - 199 325 189 247 160 283
18 - - 179 - 212 326 206 298 157 305
20 - - 188 - 233 343 204 327 173 -
22 - - 196 - 261 - 237 341 190 -
24 - - 204 - 262 - 264 342 183 -
26 - - 206 - 269 - 283 350 213 -
28 - - 204 - 230 295 194 -
30 - - 202 - 241 335 192 -
또한, 다음의 표 2는 3kW의 전력 세기를 갖는 마이크로파를 조사하는 경우에 토양 무게에 따른 에너지 효율을 표로 나타낸 것이다.
토양무게
(g)		 조사 후 무게(g) 발열열량
(Kcal/kg)		 투입열량
(Kcal/kg)		 에너지효율
(%)
1,000 990 158 344 46%
2,000 1,812 600 3784 16%
3,000 2,716 900 2236 40%
4,000 3,566 1200 1290 93%
5,000 4,538 1500 2236 67%
또한, 다음의 표 3은 6kW의 전력 세기를 갖는 마이크로파를 조사하는 경우에 토양 무게에 따른 에너지 효율을 표로 나타낸 것이다.
토양무게
(g)		 조사 후 무게(g) 발열열량
(Kcal/kg)		 투입열량
(Kcal/kg)		 에너지효율
(%)
1,000 918 300 688 44
2,000 1,896 600 688 87
3,000 2,738 900 1,204 75
4,000 3,560 1,200 1,720 70
5,000 4,564 1,500 1,548 97
전술한 표 1 내지 3과 도 5a와 도 5b를 참조하면, 발열 및 투입열량 계산을 통해 에너지효율을 파악한 결과, 시료무게가 증가할수록 오염 토양의 발열증가율은 감소되며, 전력 세기가 증가할수록 한계 함수율 도달시간 및 발열 증가율이 증가하게 된다. 또한, 대상 토양무게별 시간에 따른 온도를 측정한 결과 반응온도는 무게에 따라 비례하며 4kg(3kW)과 5kg(6kW)에서 에너지효율이 높게 나타난다. 전술한 표 2 및 표 3을 참조하면, 조사세기에 따른 무게별 온도변화 자료를 기준으로 무게변화량을 관찰한 결과 1~11%범위로 조사된다.
전술한 표 1 내지 표 3의 실험에 사용된 오염 토양은 균일한 입도토양이 아닌 불균질한 입도토양을 대상으로 진행하였다. 본 실험에서 불균질한 입도를 대상으로 진행한 이유는 다양한 토양입도 조건에서 오염 토양을 마이크로파를 이용하여 처리할 때 발생되는 에너지효율을 파악하고자 함이다. 이에 따라, 마이크로파의 이론적 특징인 균일한 조사 특성을 파악한 결과, 오염 토양이 후술할 도 6과 같이 불균질한 입도조건에서는 마이크로파가 균일하게 조사되지 않으며, 자갈과 같이 밀도가 높은 대상 시료에 선택적으로 조사되는 것을 관찰할 수 있다.
도 6은 불균질 토양에 대한 마이크로파 조사에 따른 온도변화를 나타내는 참조도이다. 도 6을 참조하면, 에너지가 자갈에 집중되어 선택적으로 발열이 이루어짐을 확인할 수 있다.
조사세기에 따른 무게별 온도변화는 토양시료(3kg)에서 균일한 온도변화를 보였으며, 표 2 및 표 3에 기재된 바와 같이 에너지 효율이 3kW; 40%, 6kW; 75%로 조사되었다. 시료무게에 따른 에너지효율의 차이는 시료의 불균질성으로 인한 차이로 조사된다. 즉, 에너지효율의 균질성을 확보하기 위해서는 대상토양 입도의 균질성이 필요하다.
유류오염물질(TPH)이 함유된 오염토양을 대상으로 마이크로파를 조사한 결과를 다음의 도 7 및 도 8을 참조하여 설명한다.
도 7은 마이크로파(6kW)에 의한 토양시료의 무게별 온도변화를 나타내는 그래프이고, 도 8은 마이크로파(6kW)에 의한 토양시료의 무게별 오염제거효율을 나타내는 그래프이다.
도 7 및 도 8을 참조하면, 유류오염토양(1kg, 3kg, 5 kg)을 대상으로 마이크로파(6kW)를 조사한 후 대상토양의 내/외부 온도를 탐침 온도계와 적외선 온도계를 각각 이용하여 측정한 결과 무게가 증가할수록 온도가 낮아지며, 이에 따라 오염물질(TPH)의 제거효율은 68~94%를 갖되, 무게가 증가할 수록 점점 낮아짐을 확인할 수 있다.
온도 센서부는 마이크로파가 조사되어 온도가 상승되는 오염 토양의 온도를 실시간으로 체크한다. 이를 위해, 온도 센서부는 적외선 온도계 또는 탐침 온도계 등일 수 있다. 온도 센서부는 마이크로파 조사장치(100) 내부에 부착되어 있어 토양의 온도를 실시간으로 측정한다. 온도 센서부는 마이크로파 조사장치(100)의 내부온도가 일정 온도에 도달하는가를 감지한다. 온도 센서부가 일정 온도에 도달하게 되면, 마이크로파 생성부(120)는 동작을 중지할 수 있고, 이송부(110)는 마이크로파가 조사된 오염토양을 배출구로 이동시켜 배출할 수 있다.
덕트부는 배출가스를 포집하여 가스 포집장치로 전달하기 위해 이송부(110)를 따라 배치되어 있다. 덕트부는 이송부(110)의 상부에서 일정 거리 만큼 이격되어 있으며, 이송부(110)를 따라 길이 방향으로 길게 형성된 것일 수 있다. 다만, 턱트부의 구조는 필요에 따라 다양하게 변형될 수 있다. 이송부(110)를 따라 오염 토양이 이동되면서 마이크로파 조사장치(100)에 의해 가열되면, 배출가스가 발생하게 되며, 발생된 배출가스는 덕트부에서 포집되어 가스 포집장치(200)로 전달된다.
가스 포집장치(200)는 마이크로파의 조사에 따라 상기 오염 토양에서 발생되는 배출가스를 흡착제를 이용하여 필터링한다.
도 9는 본 발명에 따른 마이크로파를 이용한 오염 토양의 정화시스템를 구성하는 일 실시예의 가스 포집장치(200)를 나타내는 참조도이다.
도 9를 참조하면, 가스 포집장치(200)는 밀폐형 반응조들(210), 연결관들(220) 및 송풍기(230)를 구비한다.
밀폐형 반응조들(210)은 통형 구조로 밀폐되어 있으며, 통형 구조 내에 흡착제를 포함하고 있다. 밀폐형 반응조들(210)은 흡착제가 충전된 흡착탑 구조를 가지며, 흡착탑 구조에 흡착제에 의한 흡착영역이 형성되어 공기가 통과되도록 설계될 수 있다. 이러한 밀폐형 반응조들(210)은 복수개가 구비될 수 있다.
여기서, 흡착제는 배출 가스에 포함된 오염물질을 흡착시키는 기능을 수행하는 것으로, 밀폐형 반응조들(210)은 각각 흡착제로서 활성탄을 포함할 수 있다. 활성탄은 배출 가스 내에 포함된 오염 물질 중에서 휘발성 유기화합물(VOCs)을 미세공극에 흡착시켜 필터링한다.
마이크로파를 이용한 오염토양의 제거공정에 있어 2차적인 오염을 예방하기 위해서는 배출가스의 흡착이 필요하다. 흡착의 원리는 분자 사이에 존재하는 반데르발스 힘에 의해 흡착된다. 이때, 본 발명에서 밀폐형 반응조들(210)에 포함되는 흡착제는 산화제를 이용한 습식 산화방식으로 활성탄을 함침시켜서 개질된 활성탄을 이용한다. 개질된 활성탄은 배출 가스에 포함된 휘발성 유기화합물(VOCs)을 미세공극에 용이하게 흡착시킴으로써, 휘발성 유기화합물(VOCs)에 대한 효과적인 필터링을 수행할 수 있다.
활성탄의 개질을 위한 산화제로 질산을 사용하며, 산화된 활성탄을 중성 상태가 되도록 증류수로 세척한 후에 건조시킴으로써 개질된 활성탄을 획득할 수 있다. 질산을 가열하여 끊는 온도에서 상기 활성탄을 함침시킨 후에, 함침에 따라 산화된 활성탄을 중성 상태가 되도록 증류수로 세척한 후에 건조시킨다.
예를 들어, 0.1M의 질산 산화제를 가열시켜서 질산 산화제가 끓는 온도 부근에서 활성탄을 함침시킨다. 이때, 활성탄의 함침 시간은 30분 내지 2시간 동안이 적절하다. 이후, 질산에서 산화된 활성탄을 산화제가 완전히 씻겨나가 pH가 7이 되는 시점까지 3회 이상 증류수로 세척한다. 세척된 활성탄은 건조시키되, 건조 시 필요 이상으로 미세 공극이 넓어지는 것을 방지하기 위해 건조온도는 40 내지 70도 범위에서 완전 건조시킨다. 활성탄이 산화제인 질산과 반응할 때 반응 시간의 증가와 건조온도가 증가하게 되면, 활성탄 표면의 기능기가 감소되기 때문에 적정 반응시간과 적정 온도로서, 활성탄의 함침 시간은 30분 내지 2시간 동안으로 하고, 건조온도는 40 내지 70도 범위로 하는 것이 바람직하다. 도 10은 산화제를 통해 개질된 활성탄 표면을 나타내는 참조도이다.
이러한 산화 처리를 통해 상기 활성탄은 표면에 산소 함유 기능기가 증가되어 화학적으로 활성화되어 보다 높은 효율을 얻을 수 있다. 이와 같은 단계를 통해 개질된 활성탄의 광물학적 특성과 비표면적 특성은 다음의 표 4 및 표 5를 통해 확인할 수 있다.
다음의 표 4는 활성탄의 광물학적 특성에 대한 XRF 분석결과를 나타내는 표이다.
Concentration (Wt.%) Al2O3 SiO2 SO3 Fe2O3 CaO TiO2
활성탄 45.29 32.17 13.17 3.97 2.16 0.83
또한, 다음의 표 5는 활성탄에 대한 비표면적 분석결과를 나타내는 표이다.
구분 비표면적
(m2/g)		 공극 부피
(*10-3cm3/g)		 평균공극 크기(nm) 평균공극 크기(Å)
활성탄 270.849 169.800 2.508 25.08
표 4의 광물학적 특성과 표 5의 비표면적 특성을 갖는 활성탄의 미세공극에 배출가스에 포함된 휘발성 유기화합물(VOCs)이 용이하게 흡착됨으로써, 배출 가스에 포함된 오염 물질을 효과적을 제거할 수 있다.
도 11은 마이크로파 조사에 따른 가스 포집장치의 VOCs 측정결과를 나타내는 그래프이다.
유류오염토양을 대상으로 마이크로파 조사시간에 따른 배출가스 변화특성을 VOC측정기를 통해 관찰한 결과 마이크로파가 대상토양을 가열함에 있어 유전율이 높은 극성분자인 수분과 유기물 등을 가열 및 온도가 증가됨에 따라 토양표면에 흡착된 휘발성이 높은 탄화수소계열의 오염물질의 배출량이 증가되어 점진적으로 VOC 함량이 증가되는 것을 관찰할 수 있다.
연결관들(220)은 상기 밀폐형 반응조들의 상부에 위치하여, 서로 이웃하는 밀폐형 반응조들로 상기 배출 가스를 전달하기 위한 통로로 기능한다.
연결관들(220) 각각은, 일단이 어느 하나의 밀폐형 반응조의 상부 덮개와 결합되고 타단이 다른 밀폐형 반응조의 내부에서 하부 방향으로 연장되어 형성된 'J'자형 파이프 구조를 포함한다.
도 12은 도 9에 도시된 연결관들(220) 중 어느 하나를 예시하는 사시도이다.
도 12를 참조하면, 연결관(220)는 배출 가스가 연통될 수 있는 'J'자형 파이프 구조를 가지며, 연결 통로(220-1), 연결관 일단(220-1) 및 연결관 타단(220-3)으로 구성될 수 있다.
연결 통로(220-1)는 연결관 일단(220-2)에서 시작하여 한번 이상의 절곡이 이루어진 후에 다른 밀폐형 반응조의 상부 덮개를 관통하여 하부방향으로 연장되어 형성된 구조일 수 있다.
연결관 일단(220-2)은 연결 통로(220-1)의 일측 끝단에 해당하는 것으로, 어느 하나의 밀폐형 반응조의 상부 덮개(미도시)와 결합되어 있다. 또한, 연결관 타단(220-3)은 연결 통로(220-1)의 타측 끝단에 해당하는 것으로, 연결 통로(220-1)가 다른 밀폐형 반응조의 하부 덮개와 인접하는 지점을 의미한다.
배출 가스는 연결관 일단(220-2)과 결합된 어느 하나의 밀폐형 반응조에서 출발하여 연결관 일단(220-2)으로 유입되며, 유입된 배출 가스는 연결 통로(220-1)을 거쳐서 연결관 타단(220-3)으로 배출된다. 이에 따라, 배출 가스는 다른 밀폐형 반응조의 하부에서 상부로 이동하면서, 다른 밀폐형 반응조의 내부에 포함된 활성탄을 거치면서 오염 물질이 흡착된다.
송풍기(230)는 상기 배출 가스를 상기 마이크로파 조사장치(100)로부터 가스 포집장치(200)로 유입시키키고, 유입된 상기 배출 가스가 상기 밀폐형 반응조들(210)에게 순차적으로 전달되도록 가스 유로를 형성한다. 송풍기(230)는 풍압조절을 통해 배출 가스가 각 밀폐형 반응조들(210)에 순차적으로 통과하도록 한다. 이에 따라, 배출 가스는 밀폐형 반응조들(210)에 들어 있는 다공성 물질인 활성탄 즉, 흡착영역을 통과하면서 VOCs가스가 흡착되며, VOCs가 제거된 공기가 배출된다.
도 13은 본 발명에 따른 마이크로파를 이용한 오염 토양의 정화방법을 설명하기 위한 일 실시예의 참조도이다.
오염 토양의 정화시스템은 오염 토양을 컨베이어 벨트로 운반시킨다(S300 단계). 컨베이어 벨트는 투입구를 통해 투입되는 오염 토양을 배출구까지 일정 이송 속도를 유지하면서 이송한다. 이때, 오염 토양의 정화시스템은 컨베이어 벨트로 이송되는 오염 토양에 대해 지속적인 진동을 가하여 입자들에 대한 대략적인 크기 분류를 수행할 수 있다. 또한, 오염 토양의 정화시스템은 대략적으로 분류된 오염 토양을 입자 크기 별로 세분할 수 있다.
S300 단계 후에, 오염 토양의 정화시스템은 마이크로파를 생성하여 운반 중인 상기 오염 토양에 조사한다(S302 단계).
오염 토양의 정화시스템은 컨베이어 벨트를 통해 운반되는 오염 토양을 정화하기 위한 마이크로파를 생성하며, 생성된 마이크로파를 오염 토양에 조사한다. 오염 토양의 정화시스템에서 생성되는 마이크로파 주파수는 ISM(Industrial, Scientific and Medical) 주파수를 사용하되, 대략 2.45GHz 대역을 사용할 수 있다. 오염 토양의 정화시스템은 마이크로파의 전력세기에 따른 온도변화 특성과 각 전력세기별 에너지효율을 파악하여 발열 및 투입열량을 산출하여 에너지효율을 산출한다. 오염 토양의 정화시스템은 2.45GHz 고정주파수를 이용하여 마이크로파를 조사함으로써, 토양과 같은 고형매질에 대한 투과율이 뛰어나고, 토양수분의 물 분자의 쌍극자회전에 의한 가열에 따른 열 반응을 효과적으로 유도할 수 있다.
S302 단계 후에, 오염 토양의 정화시스템은 마이크로파의 조사에 따라 상기 오염 토양에서 발생되는 배출가스를 흡착제를 이용하여 필터링한다(S304 단계). 이때, 흡착제는 상기 배출 가스에 포함된 오염 물질을 필터링하기 위해 활성탄을 사용한다. 여기서, 상기 활성탄은, 산화제를 이용한 습식 산화방식으로 함침시켜서 개질된 활성탄일 수 있다. 개질된 활성탄은, 상기 산화제로 질산을 사용하여, 상기 질산이 끊는 온도에서 상기 활성탄을 30분 내지 2시간 동안 함침시킨 후에, 산화된 활성탄을 중성 상태가 되도록 증류수로 세척한 후에, 40 이상 70 이하의 온도에서 건조시킨 것일 수 있다.
흡착제로서 활성탄을 이용한 흡착과정은 3 단계로 이루어질 수 있다. 제1 단계는 배출 가스의 이동과 확산에 의해 오염 물질의 분자들이 활성탄의 경계면까지 이동한다. 그 후, 제2 단계는 오염 물질이 흡착제 즉, 활성탄의 공극을 통해 분산 및 확산된다. 그 후, 제3 단계에서, 확산된 오염 물질이 활성탄 입자의 미세공극 내부표면과 결합하거나 채워져 흡착된다. 기상으로 존재하는 유류 배출가스의 흡착은 온도가 상승할수록 흡착량이 감소하고, 오염 물질의 농도 및 상대증기압이 높을수록 흡착량은 증가하므로 적정 온도 및 농도, 증기압을 맞춰주는 것이 중요하다.
이상과 같이 본 발명의 실시예를 설명하였으나, 본 발명의 명세서에 개시된 실시예들은 본 발명을 한정하는 것이 아니다. 본 발명의 범위는 아래의 특허청구범위에 의해 해석되어야 하며, 그와 균등한 범위 내에 있는 모든 기술도 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석해야 할 것이다.
100: 마이크로파 조사장치
110: 이송부
120: 마이크로파 생성부
200: 가스 포집장치
210: 밀폐형 반응조들
220: 연결관들
230: 송풍기

Claims (9)

  1. 오염 토양에 마이크로파를 조사하는 마이크로파 조사장치;
    상기 마이크로파의 조사에 따라 상기 오염 토양에서 발생되는 배출가스를 흡착제를 이용하여 필터링하는 가스 포집장치를 포함하고,
    상기 흡착제는 상기 배출 가스에 포함된 오염 물질을 필터링하기 위해 활성탄을 사용하고,
    상기 가스 포집장치는,
    상기 활성탄을 포함하는 복수개의 밀폐형 반응조들;
    상기 밀폐형 반응조들의 상부에 위치하여, 서로 이웃하는 밀폐형 반응조들로 상기 배출 가스를 전달하기 위한 통로로 기능하는 연결관들; 및
    상기 배출 가스를 상기 마이크로파 조사장치로부터 상기 가스 포집장치로 유입시키고, 유입된 상기 배출 가스가 상기 밀폐형 반응조들에게 순차적으로 전달되도록 가스 유로를 형성하는 송풍기를 포함하고,
    상기 밀폐형 반응조들 내의 상기 활성탄은 상기 배출 가스 내에 포함된 상기 오염 물질 중에서 휘발성 유기화합물(VOCs)을 미세공극에 흡착시켜 필터링하고,
    상기 가스 포집장치는,
    산화제를 이용한 습식 산화방식으로 개질된 활성탄을 이용하여 상기 오염 물질을 필터링하고,
    상기 개질된 활성탄은,
    상기 산화제로 질산 산화제를 사용하되, 상기 질산 산화제를 가열하여 끓는 온도에서 상기 활성탄을 함침시킨 후에, 함침에 따라 산화된 활성탄을 중성 상태가 되도록 증류수로 세척한 후에 건조시키며,
    상기 활성탄의 함침 시간은 30분 내지 2시간 이내로 하고, 세척된 상기 활성탄은 40 내지 70도 범위에서 완전 건조시키고,
    상기 연결관들 각각은, 배출 가스가 연통될 수 있는 'J'자형 파이프 구조로서, 연결 통로, 연결관 일단 및 연결관 타단으로 구성되며,
    상기 연결 통로는 상기 연결관 일단에서 시작하여 한번 이상의 절곡이 이루어진 후에 다른 밀폐형 반응조의 상부 덮개를 관통하여 하부방향으로 연장되고,
    상기 연결관 일단은 상기 연결 통로의 일측 끝단에 해당하는 것으로, 어느 하나의 밀폐형 반응조의 상부 덮개와 결합되어 있으며,
    상기 연결관 타단은 상기 연결 통로의 타측 끝단에 해당하는 것을 특징으로 하는 마이크로파를 이용한 오염 토양의 정화시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 마이크로파 조사장치는,
    상기 오염 토양을 운반시키는 이송부;
    상기 마이크로파를 생성하고, 상기 이송부로부터 운반된 상기 오염 토양에 상기 마이크로파를 조사하는 마이크로파 생성부;
    상기 오염 토양의 온도를 실시간으로 체크하는 온도 센서부; 및
    상기 배출가스를 포집하여 상기 가스 포집장치로 전달하기 위해 상기 이송부를 따라 배치된 턱트부를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로파를 이용한 오염 토양의 정화시스템.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 오염 토양을 컨베이어 벨트로 운반시키는 단계;
    마이크로파 조사장치가 마이크로파를 생성하여 운반 중인 상기 오염 토양에 조사하는 단계; 및
    가스 포집장치가 상기 마이크로파의 조사에 따라 상기 오염 토양에서 발생되는 배출가스를 흡착제를 이용하여 필터링하는 단계를 포함하고,
    상기 흡착제는 상기 배출 가스에 포함된 오염 물질을 필터링하기 위해 활성탄을 사용하고,
    상기 가스 포집장치는,
    상기 활성탄을 포함하는 복수개의 밀폐형 반응조들;
    상기 밀폐형 반응조들의 상부에 위치하여, 서로 이웃하는 밀폐형 반응조들로 상기 배출 가스를 전달하기 위한 통로로 기능하는 연결관들; 및
    상기 배출 가스를 상기 마이크로파 조사장치로부터 상기 가스 포집장치로 유입시키고, 유입된 상기 배출 가스가 상기 밀폐형 반응조들에게 순차적으로 전달되도록 가스 유로를 형성하는 송풍기를 포함하고,
    상기 밀폐형 반응조들 내의 상기 활성탄은 상기 배출 가스 내에 포함된 상기 오염 물질 중에서 휘발성 유기화합물(VOCs)을 미세공극에 흡착시켜 필터링하고,
    상기 배출가스를 상기 흡착제를 이용하여 필터링하는 단계는,
    산화제를 이용한 습식 산화방식으로 개질된 활성탄을 이용하여 상기 오염 물질을 필터링하되,
    상기 개질된 활성탄은,
    상기 산화제로 질산 산화제를 사용하되, 상기 질산 산화제를 가열하여 끓는 온도에서 상기 활성탄을 함침시킨 후에, 함침에 따라 산화된 활성탄을 중성 상태가 되도록 증류수로 세척한 후에 건조시키며,
    상기 활성탄의 함침 시간은 30분 내지 2시간 이내로 하고, 세척된 상기 활성탄은 40 내지 70도 범위에서 완전 건조시키고,
    상기 연결관들 각각은, 배출 가스가 연통될 수 있는 'J'자형 파이프 구조로서, 연결 통로, 연결관 일단 및 연결관 타단으로 구성되며,
    상기 연결 통로는 상기 연결관 일단에서 시작하여 한번 이상의 절곡이 이루어진 후에 다른 밀폐형 반응조의 상부 덮개를 관통하여 하부방향으로 연장되고,
    상기 연결관 일단은 상기 연결 통로의 일측 끝단에 해당하는 것으로, 어느 하나의 밀폐형 반응조의 상부 덮개와 결합되어 있으며,
    상기 연결관 타단은 상기 연결 통로의 타측 끝단에 해당하는 것을 특징으로 하는 마이크로파를 이용한 오염 토양의 정화방법.
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KR102466041B1 (ko) 2021-10-26 2022-11-11 김영숙 마이크로파 투과성 토양교반 정화터널을 이용한 유류오염토양 정화장치

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