KR102374396B1 - 공압파쇄와 플라즈마 블라스팅을 이용한 지중오염토양 정화방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 공압파쇄와 플라즈마 블라스팅을 이용한 지중오염토양 정화방법에 관한 것으로서, (a) 주입정에 삽입된 공압파쇄 프로브에서 분사된 고압공기가 지중에 유동됨에 따라 상기 지중에 거시균열이 형성되는 단계; 및 (c) 상기 (a) 단계 이후, 상기 주입정에 삽입된 플라즈마 프로브에서 발생된 플라즈마가 상기 지중에 전파됨에 따라 상기 지중에 미세균열이 형성되는 단계를 포함하는 지중오염토양 정화방법에 관한 것이다.

Description

공압파쇄와 플라즈마 블라스팅을 이용한 지중오염토양 정화방법{A purifying method of contaminated soil in the ground}

본 발명은 공압파쇄와 플라즈마 블라스팅을 이용한 지중오염토양 정화방법에 관한 것으로서, 지중에 액상 정화제를 주입하여 화학적 반응으로 지중에 위치된 오염된 토양을 정화함에 있어서, 액상 정화제가 지중으로 유동되어 오염된 토양에 도달하되 최대한 균일하게 그리고 액상 정화제의 접촉면적을 확대하는 방향으로 오염된 토양으로 유동되도록 하여 정화의 효율을 증대시킬 수 있는 지중오염토양 정화방법에 관한 것이다.

오염된 토양을 정화하기 위하여 현장에서 적용되고 있는 지상(Ex-situ)정화기술로는 토양경작법(Landfarming), 토양세척법(Soil Washing), 열탈착공법(Thermal Desorption) 등이 있으며, 부지내 굴착(지하수 양수)이 어려울 경우 혹은 비용 절감을 위해 적용되는 지중(In-situ)정화기술로는 주로 화학적산화법(Chemical Oxidation), 토양증기추출법(Soil Vapor Extraction), 생물학적통풍법(Bioventing), 토양세정법(Soil Flushing) 등이 있다.

국내 정화기술 수준은 국내 토양·지하수 정화시장이 커지고 있는 데 비해 주로 해외의 기술력을 습득하는 단계라 할 수 있으며, 특히 유류로 오염된 토양을 정화하는 것을 중심으로 모방적 기술개발이 진행되고, 대규모 기술적용 사례가 부족하여 현장 경험 및 기술력의 축적이 열악한 수준인 실정이다.

국내 대표적인 유류로 오염된 토양에 대한 지중정화기술로 화학적산화환원공법이 가장 많이 적용되고 있으나, 일반적으로 지반 내의 인위적인 균열을 형성하지 않고 정화를 수행함으로써 1년 이상의 장기간에 걸쳐 정화기간이 필요함은 물론 정화효율 또한 불량한 상태이다.

이에 따라 정화가 필요한 부지 및 사업현장에서는 부지활용성 및 사업효과를 높이기 위하여 짧은 기간의 정화처리를 선호하며 이러한 이유로 인하여 미국과 같은 선진국에서 선호하는 저렴한 원위치 지중정화를 국내에서는 기피하는 실정이다.

이를 위한 종래기술인 대한민국 특허등록번호 제10-1927947호에서는, 오염된 토양에서 고압공기로 지중파쇄를 발생시켜 수리전도도를 개선한 후 물리적, 화학적, 생물학적 또는 복합공정 정화처리가 가능하도록 하여 효율적이고 안정적인 오염된 토양을 정화하는 기술적 특징을 개시하고 있다.

그러나 상술한 종래기술에 따르면, 공압파쇄로 토양에 균열이 발생되되 거시균열이 발생됨에 따라 지중에서 오염물질이 미세하게 분포되어 있는 오염된 토양까지 균열이 생성되지 않아 액상 정화제가 미세한 부분까지 도달하는데 그 한계가 있으며, 나아가 생성된 균열이 거시적인 균열인 바 짧은 시간 내에 지중의 압력으로 인하여 균열이 폐색되는 문제점이 발생되어 액상 정화제의 유동이 제한적이다는 문제점이 있다.

또 다른 종래기술인 대한민국 특허등록번호 제10-2023322호에서는, 오염된 토양에 플라즈마 방전 기능을 사용하여 인위적인 균열망을 형성시키는 한편 균열망 형성을 통해 투수성 및 액상 정화제 접촉면적을 확대하여 원위치 정화에 필요한 액상 정화제가 토양의 균열망을 따라 원활히 이동하도록 함으로써 궁극적으로 정화효율을 개선할 수 있는 기술적 특징을 개시하고 있다.

그러나 상술한 종래기술에 따르면, 플라즈마 블라스팅으로 플라즈마가 발생된 부분에 한정되어 균열이 발생되는 바, 오염된 토양이 넓은 범위로 분포되어 있는 경우 그 적용에 한계가 있으며, 넓은 범위의 오염된 토양에 적용하기 위해서는 다수의 플라즈마 프로브가 장착되어야 하고, 이에 따라 에너지 소모가 증가되는 문제점이 있다.

이에, 지중 오염된 토양을 정화하는데 있어서, 상술한 종래기술의 문제점을 극복할 수 있고, 에너지 사용을 절감시키고 효율성을 증대시킬 수 있는 지중오염토양 정화방법이 절실히 필요한 실정이다.

상술한 종래기술에 따른 문제점을 해결하고자, 상술한 종래기술에 따른 문제점을 극복하고, 이에 따라 종래기술보다 더 높은 효율로 오염된 토양을 정화시킬 수 있는 지중오염토양 정화방법을 제안하고자 한다.

상술한 종래기술에 따른 문제점을 해결하고자 본 발명에 따른 지중오염토양 정화방법은, (a) 주입정에 삽입된 공압파쇄 프로브에서 분사된 고압공기가 지중에 주입됨에 따라 상기 지중에 거시균열이 형성되는 단계; 및 (c) 상기 (a) 단계 이후, 상기 주입정에 삽입된 플라즈마 프로브에서 발생된 플라즈마가 상기 지중에 전파됨에 따라 상기 지중에 미세균열이 형성되는 단계를 포함할 수 있다.

바람직하게는, (b) 상기 (a) 단계 이후, 상기 주입정에 삽입된 정화제주입기에 일정한 압력에 가해짐에 따라 상기 정화제주입기에서 배출된 액상 정화제가 상기 지중으로 유동되는 단계를 더 포함하며, 상기 (b) 단계 이후 상기 (c) 단계가 진행될 수 있다.

바람직하게는, 상기 (c) 단계에서 상기 지중에 전파되는 플라즈마는, 상기 (b) 단계에서 상기 지중에서 유동되는 액상 정화제를 매질로 하여 전파될 수 있다.

바람직하게는, 상기 (c) 단계에서 상기 지중에 형성된 미세균열은 상기 (a) 단계에서 상기 지중에 형성된 거시균열에서 연장되어 형성될 수 있다.

바람직하게는, 상기 (b) 단계 이후, 상기 주입정에서 상기 공압파쇄 프로브가 추출되고, 이후 상기 플라즈마 프로브가 상기 주입정에 삽입된 상태에서, 상기 (c) 단계가 진행되며,

(d) 상기 (c) 단계 이후, 상기 정화제주입기에 일정한 압력에 가해짐에 따라 상기 정화제주입기에서 배출된 액상 정화제가 상기 지중으로 유동되는 단계를 더 포함하며,

상기 주입정에서 일정한 거리를 두고 위치되는 추출정이 형성된 상태에서, 상기 (a), (b), (c) 및 (d) 각 단계에서 상기 추출정에 삽입된 진공추출 프로브로 액체나 공기가 유입됨에 따라 상기 추출정에서 진공이 형성되어 상기 지중의 공기나 액체가 상기 추출정으로 유동될 수 있다.

상술한 과제해결수단으로 인하여, 공압파쇄로 넓은 범위로 지중에 거시균열이 생성되고, 액상 정화제가 일정한 압력으로 지중으로 투입되어 생성된 거시균열을 따라 유동된 상태에서, 다시 플라즈마 블라스팅으로 액상 정화제를 매질로 플라즈마가 전파되면서, 거시균열의 균열폐색을 방지하고 나아가 거시균열에서 연장된 미세균열까지 생성되도록 하여 오염된 토양 중 미세한 부분까지 액상 정화제가 유동되도록 하여 액상 정화제의 접촉면적을 최대화하는 바, 높은 효율로 오염된 토양을 정화시킬 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 지중오염토양 정화방법에 대한 순서도이다.
도 2는 본 발명에 따른 지중오염토양 정화방법을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3a, 3b는 본 발명에 따른 지중오염토양 정화방법에서 각 단계를 개략적으로 도시한 도면이다.

이하, 본 발명에 따른 방법의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의성을 위해 과장되게 도시될 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자 또는 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

도 1 및 도 3을 참조하여 설명한다.

S100: 공압파쇄 프로브에서 분사된 고압공기가 지중에 주입됨에 따라 지중에 거시균열이 생성되는 단계

본 단계 이전에, 오염물질이 위치된 지중에 근접한 곳에 주입정 및 추출정이 장착되는 천공홀이 형성되도록 지중 천공작업이 이루어지며, 이러한 천공홀에 주입정 및 추출정 스크린이 삽입되고, 삽입된 스크린 주변에 모래 등의 뒷채움재가 충전되고, 나아가 액상 정화제가 천공홀의 상부로 유동되는 것을 억제하기 위하여 벤토나이트 등 뒷채움재가 충전된 상태의 주입정 및 추출정이 형성될 수 있다.

이러한 주입정에 공압파쇄 프로브가 삽입된 상태에서, 공압파쇄 프로브에서 고압공기가 분사될 수 있다. 분사된 고압공기는 지중으로 유동되고, 고압공기가 지중으로 유동되는 과정 중 지중에서 거시균열이 형성될 수 있다.

이때, 진공펌프와 연통된 진공추출 프로브가 추출정에 삽입된 상태에서, 진공펌프의 작동으로 추출정에 위치된 공기나 액체가 외부로 추출되면서 추출정에 진공이 형성되며, 이에 따라 압력구배가 발생되고, 이러한 압력구배로 지중의 공기나 액체가 추출정으로 유동될 수 있다.

공압파쇄에 의해 거시균열을 생성시키기 위해 공압파쇄 프로브에서 고압공기가 분사되면서 동시에 추출정에서 진공이 형성되는 바, 공압파쇄 프로브에서 분사된 고압공기가 추출정이 위치된 방향으로 유동되도록 유도될 수 있다. 즉, 주입정 인근에 추출정이 형성됨에 따라 고압공기가 유동되어야 하는 방향을 제공할 수 있다.

따라서, 오염물질이 위치된 오염된 토양을 사이에 두고 주입정과 추출정이 형성될 수 있음은 물론이다.

공압파쇄 프로브에서 분사된 고압공기가 추출정의 진공상태로 인하여 지중의 오염된 토양 쪽으로 유동되면서 지중에 거시균열이 생성될 수 있다. 이러한 공압파쇄 프로브의 구성요소는 종래기술에 따른다.

S200: 주입정에 삽입된 정화제주입기에서 배출된 액상 정화제가 지중의 거시균열을 따라 유동되는 단계

공압파쇄로 지중에 거시균열이 형성된 상태에서, 주입정에 삽입된 정화제주입기에서 분사된 액상 정화제가 일정한 압력에 의해 지중으로 유동되고, 지중으로 유동된 액상 정화제가 이러한 거시균열을 따라 유동할 수 있다.

공압파쇄 프로브와 정화제주입기가 결합된 상태에서 주입정에 삽입되고, 이에 따라 공압파쇄가 이루어지고 난 후, 정화제주입기에서 액상 정화제가 분사될 수 있다. 또는 공압파쇄 프로브와 정화제주입기가 별도로 주입정에 삽입된 상태에서, 공압파쇄가 이루어지고 액상 정화제가 분사될 수 있음은 물론이다.

이때, 진공펌프와 연통된 진공추출 프로브가 추출정에 삽입된 상태에서, 진공펌프의 작동으로 추출정에 위치된 공기나 액체가 추출되면서 추출정에 진공이 형성되며, 이에 따라 압력구배에 발생되고, 이러한 압력구배로 지중의 공기나 액체가 추출정으로 유동될 수 있다.

정화제주입기에서 액상 정화제가 분사되면서 동시에 추출정에서 진공이 형성되는 바, 정화제주입기에서 분사된 액상 정화제가 거시균열을 따라 유동되되, 추출정이 위치된 방향으로 유동되도록 유도될 수 있다. 즉, 주입정 인근에 추출정이 형성됨에 따라 액상 정화제가 유동되어야 하는 방향을 제공할 수 있다.

정화제주입기에서 분사된 액상 정화제가 진공상태의 추출정으로 인하여 지중의 오염된 토양이 위치된 방향으로 유동되면서 지중의 오염물질과 접촉될 수 있다. 이러한 접촉에 따른 산화환원반응으로 오염된 토양의 정화가 이루어질 수 있다.

이러한 정화제주입기의 구성요소는 종래기술에 따른다.

S300: 주입정에 삽입된 플라즈마 프로브에서 발생된 플라즈마가 이미 거시균열을 따라 유동되는 액상 정화제를 매질로 하여 지중에 전파됨에 따라 지중에 미세균열이 생성되는 단계

공압파쇄로 지중에 거시균열이 생성되고, 액상 정화제가 거시균열을 따라 유동된 상태에서, 플라즈마 프로브에서 발생된 플라즈마가 이러한 액상 정화제를 매질로 하여 지중으로 전파될 수 있다.

공압파쇄가 이루어지고 액상 정화제가 지중으로 유동된 상태에서, 공압파쇄 프로브가 주입정에서 추출되고, 이후 플라즈마 프로브가 주입정에 삽입될 수 있다.

플라즈마 프로브에서 발생된 플라즈마는 지중에서 전파되되, 이미 생성된 거시균열을 따라 유동되는 액상 정화제를 매질로 하여 전파될 수 있고, 이렇게 전파된 플라즈마로 인하여 지중에 미세균열이 생성될 수 있다. 즉, 플라즈마 블라스팅으로 거시균열로는 액상 정화제가 접촉할 수 없는 미세한 부분까지 미세균열이 생성되어 액상 정화제의 접촉면적을 최대화할 수 있다.

이러한 플라즈마 발생으로 생성된 미세균열은 거시균열과 상관없는 지중에 생성될 수 있고, 나아가 액상 정화제가 위치된 상태의 거시균열에서 연장되어 생성될 수 있다.

즉, 플라즈마 프로브에서 발생된 플라즈마가 거시균열에 위치된 액상 정화제를 매질로 하여 지중으로 전파되는 바, 전파되면서 거시균열에 연장된 상태의 미세균열이 생성될 수 있다.

나아가, 공압파쇄로 생성된 거시균열의 경우, 균열의 크기가 일정 이상으로 지중의 압력으로 거시균열이 쉽게 폐쇄될 수 있으며, 이에 따라 액상 정화제의 유동이 억제될 수 있는데, 이러한 액상 정화제를 매질로 전파되는 플라즈마로 인하여 폐쇄된 균열이 개방될 수 있으며, 이에 따라 개방된 균열로 액상 정화제의 유동이 원할하게 이루어질 수 있다.

이때, 진공펌프와 연통된 진공추출 프로브가 추출정에 삽입된 상태에서, 진공펌프의 작동으로 추출정에 위치된 공기나 액체가 추출되면서 추출정에 진공이 형성되며, 이에 따라 압력구배에 발생되고, 이러한 압력구배로 지중의 공기나 액체가 추출정으로 유동될 수 있다.

플라즈마가 액상 정화제를 매질로 하여 전파되면서 동시에 추출정에서 진공이 형성되는 바, 플라즈마가 거시균열을 따라 전파되면서 미세균열이 생성되되, 추출정이 위치된 방향으로 전파되도록 유도될 수 있다. 즉, 주입정 인근에 추출정이 형성됨에 따라 플라즈마가 전파되어야 하는 방향을 제공할 수 있다.

플라즈마 프로브에서 발생된 플라즈마가 진공상태의 추출정으로 인하여 지중 오염된 토양이 위치된 방향으로 액상 정화제를 매질로 하여 전파되면서 거시균열에 연장된 미세균열이 생성될 수 있고, 나아가 폐쇄된 거시균열이 개방될 수 있다.

이러한 플라즈마 프로브의 구성요소는 종래기술에 따른다.

공압파쇄만 이루어지는 경우 거시균열을 따라 액상 정화제가 유동되는 바, 액상 정화제가 미세한 부분까지 유동되지 않아 오염된 토양을 정화하는데 그 한계가 있으며, 플라즈마 블라스팅만 이루어지는 경우 미세균열이 생성되되 플라즈마가 발생되는 부분에서만 국한되어 미세균열이 생성되어 더욱더 오염된 토양을 정화하는데 그 한계가 있다.

나아가, 공압파쇄 이후로 플라즈마 블라스팅이 이루어지는 경우, 플라즈마 블라스팅 이후로 공압파쇄가 이루어지는 경우, 또는 공압파쇄와 플라즈마 블라스팅이 동시에 이루어지는 경우, 마찬가지로 거시균열이 생성되지만 거시균열에 연장된 미세균열을 기대할 수 없으며, 플라즈마 블라스팅으로 생성된 미세균열은 플라즈마가 발생된 부분에 한정될 수밖에 없다.

즉, 플라즈마 블라스팅 효과에 따른 미세균열이 플라즈마가 발생된 부분에 국한되고, 주입정으로부터 일정한 거리에서 생성된 거시균열에서는 생성되지 않아 오염된 토양의 정화효율을 극대화하는데 그 한계가 있다.

이에 본 발명에서는, 공압파쇄로 거시균열이 생성되고, 이후 액상 정화제가 거시균열을 따라 유동되는 상태에서, 이후 발생된 플라즈마가 액상 정화제를 매질로 하여 전파되도록 하여 거시균열에 연장되는 미세균열이 생성되도록 하고, 생성된 미세균열로 액상 정화제가 유동되는 바, 액상 정화제의 접촉면적으로 최대화할 수 있어 정화효율을 증대시킬 수 있다.

즉, 본 발명에서는 공압파쇄에 의해 생성된 거시균열만으로 거시균열이 생성되지 않은 부분인 오염물질이 미미하게 존재하는 부분까지 액상 정화제를 유동시킬 수 없는 문제점을 해결하기 위하여, 공압파쇄 이후 액상 정화제가 거시균열에 위치된 상태에서 플라즈마 블라스팅으로 이미 생성된 거시균열에 연장된 미세균열이 생성될 수 있어 액상 정화제의 접촉면적을 최대화할 수 있다.

S400: 주입정에 삽입된 정화제주입기에서 배출된 액상 정화제가 거시균열 및 미세균열을 따라 지중으로 유동되는 단계

공압파쇄로 지중에 거시균열이 생성되고, 액상 정화제가 이러한 거시균열을 따라 유동된 상태에서, 플라즈마 블라스팅으로 인하여 플라즈마가 액상 정화제를 매질로 하여 전파되어 거시균열에서 연장되는 미세균열이 생성됨과 동시에 생성된 미세균열까지 액상 정화제가 유동되어, 오염된 토양에 대한 액상 정화제의 접촉면적을 최대화할 수 있다.

나아가, 공압파쇄와 플라즈마 블라스팅 사이에 1차적으로 액상 정화제가 배출되어 오염된 토양으로 유동되도록 하고, 다시 2차적으로 액상 정화제가 정화제주입기에서 배출되어 일정한 압력으로 지중에 생성된 거시균열 및 미세균열을 따라 유동될 수 있다.

플라즈마 프로브와 정화제주입기가 결합된 상태에서 주입정에 삽입되고, 이에 따라 플라즈마 블라스팅이 이루어지고 난 후, 정화제 주입기에서 액상 정화제가 분사될 수 있다. 또는 플라즈마 프로브와 정화제주입기가 별도로 주입정에 삽입된 상태에서, 플라즈마 블라스팅이 이루어지고 액상 정화제가 분사될 수 있음은 물론이다.

이때, 진공펌프와 연통된 진공추출 프로브가 추출정에 삽입된 상태에서, 진공펌프의 작동으로 추출정에 위치된 공기나 액체가 추출되면서 추출정에 진공이 형성되며, 이에 따라 압력구배에 발생되고, 이러한 압력구배로 지중의 공기나 액체가 추출정으로 유동될 수 있다.

정화제주입기에서 액상 정화제가 분사되면서 동시에 추출정에서 진공이 형성되는 바, 정화제주입기에서 분사된 액상 정화제가 거시균열 및 미세균열을 따라 유동되되, 추출정이 위치된 방향으로 유동되도록 유도될 수 있다. 즉, 주입정 인근에 추출정이 형성됨에 따라 액상 정화제가 유동되어야 하는 방향을 제공할 수 있다.

정화제주입기에서 분사된 액상 정화제가 진공상태의 추출정으로 인하여 지중 오염된 토양이 위치된 방향으로 유동되면서 지중의 오염물질과 접촉될 수 있다. 이러한 접촉으로 산화환원반응으로 오염된 토양의 정화가 이루어질 수 있다.

이러한 정화제주입기의 구성요소는 상술한 바와 같이 종래기술에 따른다.

이미 거시균열 및 미세균열에 위치되는 1차적 액상 정화제에 추가적인 일정한 압력으로 2차적 액상 정화제가 오염된 토양으로 유동되도록 하여, 1차적 액상 정화제가 유동되지 못한 오염된 토양 부분까지 2차적 액상 정화제가 유동되도록 하여 오염된 토양의 정화효율을 최대화할 수 있다.

이상, 본 명세서에는 본 발명을 당업자가 용이하게 이해하고 재현할 수 있도록 도면에 도시한 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당업자라면 본 발명의 실시예로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 보호범위는 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.

Claims (5)

1. (a) 주입정에 삽입된 공압파쇄 프로브에서 분사된 고압공기가 지중에 유동됨에 따라 상기 지중에 거시균열이 형성되는 단계;
   (b) 상기 (a) 단계 이후, 상기 주입정에 삽입된 정화제주입기에 일정한 압력이 가해짐에 따라 상기 정화제주입기에서 분사된 액상 정화제가 상기 지중으로 유동되는 단계;
   (c) 상기 (b) 단계 이후, 상기 주입정에 삽입된 플라즈마 프로브에서 발생된 플라즈마가 상기 지중에 전파됨에 따라 상기 지중에 미세균열이 형성되는 단계; 및
   (d) 상기 (c) 단계 이후, 상기 정화제주입기에 일정한 압력이 가해짐에 따라 상기 정화제주입기에서 분사된 액상 정화제가 상기 지중으로 유동되는 단계를 포함하며,
   상기 (c) 단계에서 상기 지중에 전파되는 플라즈마는, 상기 (b) 단계에서 상기 지중에서 유동되는 액상 정화제를 매질로 하여 전파되며,
   상기 주입정에서 일정한 거리를 두고 위치되는 추출정이 형성된 상태에서, 상기 (a), (b), (c) 및 (d) 각 단계에서 상기 추출정에 삽입된 진공추출 프로브로 액체나 공기가 유입됨에 따라 상기 추출정에서 진공이 형성되어 상기 지중의 공기나 액체가 상기 추출정으로 유동되는 지중오염토양 정화방법.
   
2. 삭제
3. 삭제
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 (c) 단계에서 상기 지중에 형성된 미세균열은 상기 (a) 단계에서 상기 지중에 형성된 거시균열에서 연장되어 형성되는 지중오염토양 정화방법.
   
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 (b) 단계 이후, 상기 주입정에서 상기 공압파쇄 프로브가 추출되고, 이후 상기 플라즈마 프로브가 상기 주입정에 삽입된 상태에서, 상기 (c) 단계가 진행되는 지중오염토양 정화방법.
   

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