KR102634524B1 - 복합 가스 추적자를 활용한 dnapl 정량 평가 방법 - Google Patents
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Abstract
관정 주변에 존재하는 DNAPL을 정량화하기 위해 라돈 및 라돈 제외-비활성기체를 포함하는 복합 가스 추적자를 활용한 DNAPL 정량 평가 방법이 개시된다. 복합 가스 추적자를 활용한 DNAPL 정량 평가 방법은, 복합 가스 추적자 용액 제조를 위한 지하수를 제1 관정에서 양수하여 추적자 제조 용기에 수용시키는 단계; 양수되어 상기 추적자 제조 용기에 수용된 지하수에 라돈 폭기, 보존성 추적자 용해 및 라돈 제외-비활성기체 용해를 통해 복합 가스 추적자 용액을 제조하는 단계; 제조된 복합 가스 추적자 용액을 상기 제1 관정의 목표 심도에 주입하는 단계; 상기 목표 심도와 동일한 동일 심도의 제1 관정에서 지하수를 양수하는 단계; 보존성 추적자의 지연 계수(retardation factor)를 1로 가정하고, 대수층의 분산지수(dispersivity)을 추정하는 단계; 상기 대수층의 분산지수를 바탕으로, 상분배 추적자의 지연 계수를 추정하는 단계; 및 추적자 실험의 스웹 볼륨(swept volume) 내 존재하는 라돈의 포화도와 라돈 제외-비활성기체의 포화도에 기초하여 DNAPL 비율을 정량화하는 단계를 포함한다.
Description
본 발명은 복합 가스 추적자를 활용한 비수용성액체(Dense Non-Aqueous Phase Liquid, DNAPL) 정량적 평가 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 관정 주변에 존재하는 DNAPL을 정량화하기 위해 라돈 및 라돈 제외-비활성기체를 포함하는 복합 가스 추적자를 활용한 DNAPL 정량 평가 방법에 관한 것이다.
계속적인 경제발전과 소득수준이 향상되면서 에너지 소비량의 증가에 따른 환경오염이 심화될 것으로 예상되고 있다. 특히 산업 활동과 자동차 보급대수의 증가와 함께 유류사용량이 증대되면서 주유소를 비롯한 유류 저장시설의 수는 크게 증가하였다.
이에 따라 주유소와 유해화학물질을 저장하고 있는 산업시설에서의 지하저장탱크에서 비수용상액체(NAPL; Non Aqueous Phase Liquid)와 같은 오염물질로 분류되는 유류 및 유해화학물질의 유출로 인한 토양층 및 지하수오염 문제가 부각되고 있다. 또한 국내의 경우 많은 수의 주유소가 영업 중에 있으며, 토양오염을 유발하는 산업체까지 포함하면 그 숫자는 약 20,000여 개 이상이 된다. 특히 주유소의 지하 유류저장 탱크의 경우에는 준공 후 5년 미만의 시설은 약 1.8%, 11~25년이 된 시설의 경우에는 대부분 유류누출의 문제를 안고 있는 것으로 알려져 있으며, 이에 토양층이나 지하수의 오염사고가 증가하고 있는 추세에 있다.
한편, 비수용성액체(Dense Non-Aqueous Phase Liquid, DNAPL)는 인체에 유해한 오염물질로써 낮은 용해도와 물보다 높은 밀도로 인해 한번 지하수로 유입될 경우 긴 시간 동안 오염원으로 작용하게 된다. DNAPL은 불균질하게 분포되어 있기 때문에 상대적으로 파악이 어렵다. DNAPL에 대한 정량화가 파악되어야 추후 효과적인 정화방법을 설계할 수 있다.
이에 본 발명의 기술적 과제는 이러한 점에 착안한 것으로, 본 발명의 목적은 관정 주변에 존재하는 DNAPL을 정량화하기 위해 라돈 및 라돈 제외-비활성기체를 포함하는 복합 가스 추적자를 활용한 DNAPL 정량 평가 방법을 제공하는 것이다.
상기한 본 발명의 목적을 실현하기 위하여 일 실시예에 따른 복합 가스 추적자를 활용한 DNAPL 정량 평가 방법은, 복합 가스 추적자 용액 제조를 위한 지하수를 제1 관정에서 양수하여 추적자 제조 용기에 수용시키는 단계; 양수되어 상기 추적자 제조 용기에 수용된 지하수에 라돈 폭기, 보존성 추적자 용해 및 라돈 제외-비활성기체 용해를 통해 복합 가스 추적자 용액을 제조하는 단계; 제조된 복합 가스 추적자 용액을 상기 제1 관정의 목표 심도에 주입하는 단계; 상기 목표 심도와 동일한 동일 심도의 제1 관정에서 지하수를 양수하는 단계; 보존성 추적자의 지연 계수(retardation factor)를 1로 가정하고, 대수층의 분산지수(dispersivity)을 추정하는 단계; 상기 대수층의 분산지수를 바탕으로, 상분배 추적자의 지연 계수를 추정하는 단계; 및 추적자 실험의 스웹 볼륨(swept volume) 내 존재하는 라돈의 포화도와 라돈 제외-비활성기체의 포화도에 기초하여 DNAPL 비율을 정량화하는 단계를 포함한다.
일 실시예에서, 상기 보존성 추적자는 염화나트륨(NaCl), 염화칼슘(CaCl2), 불화나트륨(NaF), 불화규산(H2SIF6) 중 적어도 하나 이상을 포함하고, 상기 라돈 제외-비활성기체는 헬륨(He), 네온(Ne), 아르곤(Ar), 크립톤(Kr), 제논(Xe) 중 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 복합 가스 추적자 용액을 제조하는 단계는, 양수되어 상기 추적자 제조 용기에 수용된 지하수에 라돈을 폭기시키는 단계; 상기 라돈이 폭기된 지하수에 보존성 추적자 용액을 용해시키는 단계; 및 상기 보존성 추적자 용액이 용해된 지하수에 라돈 제외-비활성기체를 용해시키는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 라돈을 폭기시키는 단계는, 상기 추적자 제조 용기의 뚜껑을 연 상태에서 확산자(diffuser)를 통해 공기를 주입하여 용액내 용해된 라돈을 폭기시키는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 라돈 제외-비활성기체를 용해시키는 단계는, 상기 추적자 제조 용기의 뚜껑을 닫은 상태에서 사전에 준비한 라돈 제외-비활성기체 혼합 가스를 주입하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 라돈 제외-비활성기체를 용해시키는 단계는, 원활한 용해를 위해 확산자(diffuser)를 활용할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 라돈 제외-비활성기체를 용해시키는 단계는, 고른 용해를 위해 순환 펌프(circulation pump)를 활용하여 물을 순환시키며 용해를 진행할 수 있다.
이러한 복합 가스 추적자를 활용한 DNAPL 정량 평가 방법에 의하면, 양수된 지하수에 라돈 폭기, 보존성 추적자 용해 및 라돈 제외-비활성기체 용해를 통해 제조된 복합 가스 추적자 용액을 단공주입양수 추적자 시험에 활용하여 관정 주변에 존재하는 DNAPL의 양을 정량화할 수 있다. 특히, 부지에 존재하는 DNAPL의 양에 대한 정보가 부재한 상황에서 도달시간은 같지만 서로 다른 지연 계수를 갖는 라돈의 복합 가스 추적자와 라돈 제외-비활성기체를 사용함으로써 다양한 환경에서의 DNAPL 특성화가 가능하게 된다. DNAPL 농도가 높은 지중 환경의 경우, 라돈 제외-비활성기체 추적자를 통한 DNAPL 정량화가 장점이고, DNAPL 농도가 낮은 지중 환경의 경우, 라돈 추적자를 통한 DNAPL 정량화가 장점이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 복합 가스 추적자를 활용한 DNAPL 정량 평가 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명을 보다 상세하게 설명하고자 한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 복합 가스 추적자를 활용한 DNAPL 정량 평가 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 1을 참조하면, 복합 가스 추적자 용액 제조를 위한 지하수를 제1 관정에서 양수하여 추적자 제조 용기에 수용시킨다(단계 S110).
단계 S110에서 양수되어 추적자 제조 용기에 수용된 지하수에 라돈 폭기, 보존성 추적자 용해 및 라돈 제외-비활성기체 용해를 통해 복합 가스 추적자 용액을 제조한다(단계 S120). 통상적으로, 비활성기체는 원소 주기율표의 18족 원소들 헬륨(He), 네온(Ne), 아르곤(Ar), 크립톤(Kr), 제논(Xe), 라돈(Rn)을 이르는 말이다. 비활성기체는 전부 상온에서 기체 상태이며, 헬륨을 제외한 비활성 기체는 전자가 가장 바깥 전자 껍질에 8개가 꽉 차있는 상태이기 때문에 다른 원소와 거의 결합/반응하지 않는 안정적인 원소들이다. 본 실시예에서, 라돈 제외-비활성기체는 라돈을 제외한 헬륨(He), 네온(Ne), 아르곤(Ar), 크립톤(Kr), 제논(Xe) 일 수 있다.
본 실시예에서, 라돈을 폭기하는 목적은 복합 가스 추적자 용액 내 비활성기체와는 반대 기작을 갖는 라돈의 양을 0에 수렴하도록 만들기 위함이다. 따라서, 추적자 제조 용기의 뚜껑을 연 상태에서 확산자(diffuser)를 통해 공기를 주입함으로써 용액 내 기존에 용해되어 있던 라돈을 폭기시킨다. 또한 라돈 제외-비활성기체를 추적자로 사용하기 위해서는 배경 지하수의 비활성기체 농도보다 높은 농도로 용액을 제조해야 한다. 따라서, 상기 추적자 제조 용기의 뚜껑을 닫은 상태에서 미리 준비한 라돈 제외-비활성기체 혼합 가스를 주입한다. 본 실시예에서, 원활한 용해를 위해 확산자(diffuser)를 활용할 수 있다. 또한 고른 용해를 위해 순환 펌프(circulation pump)를 활용하여 물을 순환시키며 용해 동작을 진행할 수도 있다.
한편, 추적자는 처리과정에서 제거되거나 소모되지 않아야 하며, 시험하는 동안 물속에 있는 다른 물질과 반응을 하지 않는 비반응성 물질(Nonreactive materials) 즉 보존성 물질이어야 한다. 본 실시예에서, 보존성 추적자의 물질로는 염화나트륨(NaCl), 염화칼슘(CaCl2), 불화나트륨(NaF), 불화규산(H2SIF6) 등을 이용할 수 있다.
이어, 단계 S120에서 제조된 복합 가스 추적자 용액을 지하수를 양수한 제1 관정의 목표 심도에 주입한다(단계 S130). 본 실시예에서, 하나의 관정, 즉 제1 관정을 주입공과 양수공으로 사용하는 단공주입양수 추적자 시험이 수행된다.
이어, 상기 목표 심도와 동일한 동일 심도의 제1 관정에서 지하수를 양수한다(단계 S140). 본 실시예에서, 주입한 보존성 추적자의 회수율이 예를 들어 90% 이상일 때까지 양수를 진행한다. 양수를 진행하는 동안 연속적으로 용해된 염화나트륨과 같은 보존성 추적자와 용해된 라돈 제외-비활성기체와 같은 상분배 추적자에 대한 샘플링을 진행한다. 샘플링 간격은 보존성 추적자의 농도가 급격하게 변하는 초반에는 샘플링 간격을 좁게 하고, 후반으로 갈수록 넓게 진행한다.
이어, 보존성 추적자의 지연 계수(retardation factor)를 1로 가정하고, 대수층의 분산지수(dispersivity)을 추정한다(단계 S150). 구체적으로, 주입된 추적자의 최대 반지름은 아래의 수식 (1)과 같이 정의된다.
[수식 1]
여기서, rmax: 주입된 추적자의 최대 반지름, rwell: 관정 반지름, Vinj: 주입된 부피, b: 대수층 두께, n: 공극률, R: 보존성 추적자의 지연 계수(retardation factor)
수식 (1)에서 보존성 추적자의 지연 계수를 1로 가정하면 주입된 추적자의 최대 반지름 추정치()가 산출될 수 있다.
한편, 단공주입양수 추적자 시험시 양수하는 동안 양수정에서의 상대농도(C/C0)에 대한 해는 아래의 수식 (2)와 같다.
[수식 2]
여기서, rwell: 관정 반지름 [m], rmax: 주입된 추적자의 최대 반지름 [m], Vext: 양수된 부피 [L], Vinj: 주입된 부피 [L], αL: 대수층의 분산지수(dispersivity) [m], b: 대수층 두께 [m], : 주입된 추적자의 최대 반지름 추정치
상기한 수식 (2)를 통해 대수층의 분산지수(αL)를 추정한다.
이어, 상기 대수층의 분산지수를 바탕으로, 상분배 추적자의 지연 계수를 추정한다(단계 S160). 구체적으로, 단공주입양수 추적자 시험시 양수하는 동안 양수정에서의 상대농도(C/C0)에 대한 해는 아래의 수식 (3)와 같다.
[수식 3]
여기서, rwell: 관정 반지름 [m], rmax: 주입된 추적자의 최대 반지름 [m], Vext: 양수된 부피 [L], Vinj: 주입된 부피 [L], αL: 대수층의 분산지수 [m], b: 대수층 두께 [m], : 주입된 추적자의 최대 반지름 추정치
수식 (3)에서 대수층의 분산지수(αL)는 단계 S150에서 추정된 값이다.
한편, 주입된 추적자의 최대 반지름은 아래의 수식 (4)과 같이 정의된다.
[수식 4]
여기서, rmax: 주입된 추적자의 최대 반지름, rwell: 관정 반지름, Vinj: 주입된 부피, b: 대수층 두께, n: 공극률, R: 보존성 추적자의 지연 계수(retardation factor)
상기한 수식 (4)를 통해 보존성 추적자의 지연 계수(R)를 추정한다.
이어, 추적자 실험의 스웹 볼륨(swept volume) 내 존재하는 라돈의 포화도와 라돈 제외-비활성기체의 포화도에 기초하여 DNAPL 비율을 정량화한다(단계 S170). 즉, 라돈의 포화도(Sr)는 아래의 수식 (5)과 같다.
[수식 5]
여기서, Rr: 라돈의 지연 계수, Kr: 라돈의 상분배계수
본 실시예에서, 복합 가스 추적자 용액에는 농도가 0에 수렴하도록 라돈를 폭기시켜 라돈이 제거된 복합 가스 추적자 용액을 주입한다. 이에 따라 지하수에 존재하는 라돈은 배경 농도가 낮은 영역으로 이동하는 특성이 있으므로 이러한 라돈의 포화도에 기초하여 정량 평가를 수행한다.
한편, 라돈 제외-비활성기체의 포화도(Sn)는 아래의 수식 (6)와 같다.
[수식 6]
여기서, Rn: 라돈 제외-비활성기체의 지연 계수, Kn: 라돈 제외-비활성기체의 상분배계수
수식 5에 의해 계산된 라돈의 포화도와 수식 6에 의해 계산된 라돈 제외-비활성기체의 포화도를 산술평균하면, DNAPL 비율은 아래의 수식 (7)와 같다.
[수식 7]
본 실시예에서는 지하수를 양수한 후 복합 가스 추적자 용액을 제조하는 것을 설명하였으나, 복합 가스 추적자 용액을 제조한 후 지하수를 양수할 수도 있다.
이상에서 설명된 바와 같이, 본 발명에 개시되는 단공주입양수 추적자 시험은 하나의 관정을 주입공과 양수공으로 사용하며 보존성 추적자와 상분배 추적자를 활용하여 관정 주변에 존재하는 DNAPL의 양을 정량화하는 실험이다. 관정 주변 DNAPL이 존재할 가능성이 높고 부지내 관정간 거리가 멀 경우 장점을 갖는다.
본 발명에서 개시되는 복합 가스 추적자는 생태계에 영향을 주지 않는 추적자들이다. 즉, 복합 가스 추적자는 생물적 분해(Biodegradation)가 되지 않는다. 이에 반해, 알코올류 추적자는 생물적 분해의 영향을 받는다. 이에 따라, 복합 가스 추적자는 다양한 DNAPL 농도 환경에서 DNAPL 정량화가 가능하다.
DNAPL 농도가 높은 지중 환경의 경우, 라돈 제외-비활성기체 추적자를 통한 DNAPL 정량화가 장점을 갖는다. 즉, 지질 매체 내 추가 기원의 부재가 장점이다. 이에 따라, 라돈 제외-비활성기체 추적자의 경우, DNAPL 정량화에 대한 정확성이 상대적으로 높다.
한편, DNAPL 농도가 낮은 지중 환경의 경우, 비활성기체와는 반대 기작을 갖는 라돈 추적자를 통한 DNAPL 정량화가 장점을 갖는다. 즉, 높은 상분배 계수가 장점이다. 이에 따라, 라돈 추적자의 경우, 낮은 농도의 DNAPL 환경에서도 정량화가 가능하다.
DNAPL을 정량화하기 위한 실험을 진행하기 이전에 해당 실험 지점에 존재하는 DNAPL의 양에 대한 정보가 부재한 상황이기 때문에 폭넓은 환경에서 적용 가능한 실험 설계가 필요하다. 따라서, 부지에 존재하는 DNAPL의 양에 대한 정보가 부재한 상황에서 라돈의 복합 가스 추적자와 라돈 제외-비활성기체를 사용함으로써 다양한 환경에서의 DNAPL 특성화가 가능하게 된다.
단공주입양수 추적자 시험 중, 양수시 보존성 추적자와 상분배 추적자의 도달시간은 같지만, 서로 다른 지연 계수를 가짐으로써 DNAPL을 정량화할 수 있다.
이상에서는 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
Claims (7)
- 복합 가스 추적자 용액 제조를 위한 지하수를 제1 관정에서 양수하여 추적자 제조 용기에 수용시키는 단계;
양수되어 상기 추적자 제조 용기에 수용된 지하수에 라돈 폭기, 보존성 추적자 용해 및 라돈 제외-비활성기체 용해를 통해 보존성 추적자와 상분배 추적자를 포함하는 복합 가스 추적자 용액을 제조하는 단계 - 상기 상분배 추적자는 라돈 제외-비활성기체를 포함하는 것;
제조된 복합 가스 추적자 용액을 상기 제1 관정의 목표 심도에 주입하는 단계;
상기 목표 심도와 동일한 동일 심도의 제1 관정에서 지하수를 양수하는 단계;
상기 보존성 추적자의 지연 계수(retardation factor)를 1로 가정하고, 대수층의 분산지수(dispersivity)을 추정하는 단계;
상기 대수층의 분산지수를 바탕으로, 상기 상분배 추적자의 지연 계수를 추정하는 단계; 및
추적자 실험의 스웹 볼륨(swept volume) 내 존재하는 라돈의 포화도와 라돈 제외-비활성기체의 포화도에 기초하여 DNAPL(Dense Non-Aqueous Phase Liquid) 비율을 정량화하는 단계를 포함하되,
상기 복합 가스 추적자 용액을 제조하는 단계는,
양수되어 상기 추적자 제조 용기에 수용된 지하수에 라돈을 폭기시키는 단계;
상기 라돈이 폭기된 지하수에 보존성 추적자 용액을 용해시키는 단계; 및
상기 보존성 추적자 용액이 용해된 지하수에 라돈 제외-비활성기체를 용해시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 가스 추적자를 활용한 DNAPL 정량 평가 방법. - 제1항에 있어서, 상기 보존성 추적자는 염화나트륨(NaCl), 염화칼슘(CaCl2), 불화나트륨(NaF), 불화규산(H2SIF6) 중 적어도 하나 이상을 포함하고,
상기 라돈 제외-비활성기체는 헬륨(He), 네온(Ne), 아르곤(Ar), 크립톤(Kr), 제논(Xe) 중 적어도 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 가스 추적자를 활용한 DNAPL 정량 평가 방법. - 삭제
- 제1항에 있어서, 상기 라돈을 폭기시키는 단계는, 상기 추적자 제조 용기의 뚜껑을 연 상태에서 확산자(diffuser)를 통해 공기를 주입하여 용액내 용해된 라돈을 폭기시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 가스 추적자를 활용한 DNAPL 정량 평가 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 라돈 제외-비활성기체를 용해시키는 단계는, 상기 추적자 제조 용기의 뚜껑을 닫은 상태에서 사전에 준비한 라돈 제외-비활성기체 혼합 가스를 주입하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 가스 추적자를 활용한 DNAPL 정량 평가 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 라돈 제외-비활성기체를 용해시키는 단계는, 원활한 용해를 위해 확산자(diffuser)를 활용하는 것을 특징으로 하는 복합 가스 추적자를 활용한 DNAPL 정량 평가 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 라돈 제외-비활성기체를 용해시키는 단계는, 고른 용해를 위해 순환 펌프(circulation pump)를 활용하여 물을 순환시키며 용해를 진행하는 것을 특징으로 하는 복합 가스 추적자를 활용한 DNAPL 정량 평가 방법.
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