KR20050001096A - 지하매질 틈에 고착된 비수용성-고밀도 오염물질의 정화를위한 정화유체 및 이를 이용한 정화방법 - Google Patents

Abstract

지하매질내에 지하수의 흐름이 형성되지 않는 곳, 즉 암반의 경우에는 사절리(dead-end fracture) 그리고 토양의 경우에는 토양의 사공극(dead-pore)이 존재하는데, 이러한 곳에 포획된 비수용성-고밀도 오염물질의 정화를 위하여 개발된 정화유체를 사용한다. 정화유체는 수용성 중액에 오염물질과의 계면장력을 완화시키기 위하여 계면활성제를 혼합하여 형성한다. 정화유체의 계면활성제는 정화유체와 비수용성-고밀도 오염물질과 중액간의 계면장력을 약화시키는 역할을 하고, 중액은 밀도차에 의한 중력의 힘으로 정화유체가 비수용성-고밀도 오염물질을 밀어내고 사절리로 흘러 들어갈 수 있도록 하여, 비수용성-고밀도 오염물질을 사절리 등으로 부터 효과적으로 정화할 수 있게 하는 방법이다.

Description

지하매질 틈에 고착된 비수용성-고밀도 오염물질의 정화를 위한 정화유체 및 이를 이용한 정화방법 {Remedial fluid for remediating dense non-aqueous phase liquid in trapped in subsurface media and method of using thereof}

본 발명은 지하매질 틈에 고착된 비수용성-고밀도 오염물질의 정화방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는 계면활성제를 첨가한 중액을 주입하여, 유체의 흐름이 형성되지 않는 암반의 사절리 또는 토양의 공극에 포획된 비수용성-고밀도 오염물질(Dense Non-Aqueous Phase Liquids; DNAPLs)의 근원을 효과적으로 정화시키는 방법에 관한 것이다.

비수용성-고밀도 오염물질은 지하의 다공질 물질을 통하여 하부로 빠르게 이동하며, 토양입자 사이 또는 절리면 사이, 그리고 유체가 흐르는 통로와 격리되어 흐름이 형성되지 않는 암반의 사절리 또는 토양의 사공극에 포획된다. 이렇게 포획된 비수용성-고밀도 오염물질은 지하수에 의하여 오랜 시간 동안에 걸쳐서 조금씩 용해되어 지하수를 오염시키기 때문에, 비수용성-고밀도 오염물질의 정화에 관한 방법들이 제안되어 왔다.

이러한 방법으로서는 양수처리법(pump-and-treat), 증기추출법(vapor extraction), 공기분무법(air sparging), 생분해법(biodegradation), 계면활성제 촉진법(surfactant enhancement) 등이 많이 사용되고 있다.

그러나 상기와 같은 방법들은 정화유체(remedial fluid), 즉 양수처리법의 경우에는 물, 증기추출법의 경우에는 증기, 공기분문법의 경우에는 공기, 계면활성제 촉진법의 경우에는 계면활성제를 첨가한 물 들로, 이러한 유체는 물의 흐름이형성되지 않는 곳으로는 들어갈 수 없으므로 이러한 곳에 포획된 비수용성-고밀도 오염물질을 정화하는 데는 많은 어려움이 따른다. 증기와 공기는 비수용성-고밀도 오염물질이 흔히 밀도로 인해 아래 중력 방향으로 발달하는 사절리나 사공극에 포함되기 때문에, 증기와 공기는 이러한 곳으로 들어갈 수 없어 사절리에 대한 정화방법으로 적절한 방법이 되지 못한다. 그리고 생분해법은 정화에 오랜 시간이 필요하므로 물리적으로 빨리 근원을 제거해야 하는 경우에 역시 부적절할 수 있다.

이와 같이 유체가 흐르는 통로와 격리된 토양 사공극(dead-pore) 또는 암반의 사절리(dead-end fracture)에 포획되어 존재하는 비수용성-고밀도 오염물질의 경우에는 기존의 정화방법으로는 정화하기가 매우 어렵다. 미국의 National Research Council 에서도 특히, 암반의 사절리에 포획된 비수용성-고밀도 오염물질의 경우에는 정화가 매우 어려워 이에 대한 새로운 정화방법의 필요성을 언급하고 있다.

상기에서와 같이 암반의 사절리와 같은 곳의 정화가 어려운 이유로는 지하수 또는 지하수에 계면활성제를 혼합하여 주입하는 경우에 정화유체가 흐름이 형성되는 경로를 따라 이동하며 비수용성-고밀도 오염물질을 정화하는데 반해, 암반의 사절리와 같은 곳은 지하수의 흐름이 형성되지 않아 정화유체가 비수용성-고밀도 오염물질에 도달될 수 없기 때문이다.

따라서 정화유체가 전달될 수 없는 곳에 포획된 비수용성-고밀도 오염물질의 정화를 위하여 효과적인 기술의 개발이 시급히 필요한 실정이다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 본 발명의 목적은 유체의 흐름이 없는 암반의 사절리나 토양의 공극에 포획된 비수용성-고밀도 오염물질을 정화하여 제거할 수 있는 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 유체의 흐름이 없는 암반의 사절리나 토양의 사공극에 포획된 비수용성-고밀도 오염물질을 유체의 통로로 밀어내어 정화를 가능하도록 하는 신규한 정화유체의 제공과 함께, 이를 이용한 정화방법을 제공하는 것이다.

도 1 은 본 발명에 따른 비수용성-고밀도 오염물질에 대한 정화를 테스트하기 위하여 인위적으로 형성된 구조물의 일예를 도시한 것이다.

도 2 은 비수용성-고밀도 오염물질을 암반절리에 주입하여 위치시킨 상태를 도시한 것으로, 도 2a 는 측면을 도시한 것이고 도 2b 는 상면에서 도시한 도이다.

도 3 는 첫번째 실험예에 따라서 물을 높은 수두구배로 주입한 후의 상태를 도시한 것으로, 도 3a 에 측면에서 도시한 상태로서 사절리에 포획된 오염물질이 그대로 존재하는 것을 도시한 것이고, 도 3b 에서는 물이 흐르는 수평절리들에서는 오염물질이 제거된 상태를 도시한 것이다.

도 4 은 두번째 실험예에 따라서 사절리에 포획된 비수용성-고밀도 오염물질에 대하여 중액만을 이용하여 정화한 결과를 도시한 것이다.

도 5 는 세번째 실험예에 따라서 사절리에 포획된 비수용성-고밀도 오염물질에 대하여 중액에 계면활성제를 첨가한 본 발명에 따른 정화유체에 의하여 비수용성-고밀도 오염물질이 사절리에서 정화된 결과를 도시한 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 지하매질내에 물의 흐름이 차단되어 있는 부분에 포획되어 있는 오염물질을 정화하기 위하여 정화유체에 있어서,

상기 정화유체는 중액과 계면활성제를 혼합한 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에 따른 지하매질내의 물의 흐름이 차단되어 있는 사절리 또는 토양의 사공극 등에 포획되어 있는 비수용성-고밀도 오염물질을 제거하기 위하여 본 발명에 따른 정화유체를 사용하는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명에 따른 지하매질 틈에 고착된 비수용성-고밀도 오염물질의 정화를 위한 정화유체 및 이를 이용한 정화방법을 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

본 발명에서 비수용성-고밀도의 오염물질의 정화를 위하여 사용되는 정화유체에 대하여 먼저 구체적으로 살펴본다.

정화유체는 비수용성-고밀도 오염물질을 처리하기 위하여 이러한 오염물질들보다 비중이 높은 수용성 중액(aqueous dense fluid)에 계면활성제를 첨가하여 형성한다. 이때 첨가되는 계면활성제는 사절리에 포획된 비수용성-고밀도 오염물질과 중액간의 계면장력을 완화시키며, 비수용성-고밀도 오염물질보다 비중이 높은 수용성 중액은 밀도차에 의해 정화유체를 사절리로 흘러들어 갈 수 있게하는 매개체로 이용되어, 결과적으로 비수용성-고밀도 오염물질을 사절리 또는 토양의 사공극으로 부터 제거한다.

중액에 계면활성제를 첨가하는 것은, 중액만을 사용하는 경우에 중액이 사절리에 포획된 비수용성-고밀도 오염물질보다 밀도가 크다 할지라도 계면장력으로 인하여 침입하지 못하고 비수용성-고밀도 오염물질이 없는 다른 절리를 따라 흐르기 때문이다. 또는 반대로 계면활성제만을 사용하는 경우에는 계면장력을 줄였다 할지라도, 정화유체가 비수용성-고밀도 오염물질보다 가벼워 사절리 또는 토양의 사공극으로 들어갈 수 있는 흐름을 형성하지 못하기 때문이다.

결론적으로, 유체와 흐름이 격리된 암반의 사절리나 토양의 사공극에 포획된 비수용성-고밀도 오염물질을 밀어내기 위해서는 정화유체와 비수용성-고밀도 오염물질간의 계면장력을 줄이고 밀도차를 증가시켜야 효율적이므로, 오염물질보다 비중이 높은 중액에 계면활성제를 첨가하여 정화유체를 제조한다.

상기에서와 같이 정화유체가 비수용성-고밀도 오염물질을 제거하는데에는 어떠한 화학반응도 요구되지 않는다. 즉, 두 물질을 혼합하여 이들의 혼합물에 의하여 접촉되는 오염물질의 물리적인 성질, 즉 모세관압과 중력을 이용하여 제거하는 것이다. 이는 화학적 또는 생물학적인 반응을 이용하는 방법에 비해 훨씬 빠르게 정화할 수 있는 장점이 있다.

상기에서와 같이 형성되는 정화유체와 비수용성-고밀도 오염물질의 일 예로는 다음과 같은 것들이 사용될 수 있다.

먼저, 중액으로는 물에 CaBr2 (물 100g 당 150g 을 섞음)를 섞어서 중액의 밀도를 1.67(g/cc) 로 하였다. 여기에서 중액은 물에 녹아서 밀도를 증가시킬 수 있는 첨가제라면 모두 가능하다. 단, 중액이 환경적으로 비수용성-고밀도 오염물질보다 훨씬 안정한 물질이어야 하므로 이러한 점을 고려하여 첨가제를 선택한다.

또한, 물에 첨가제를 섞지 않고 사용하는 것 중에는 3M 사에서 개발하여 판매하고 있는 HFE 계열 시약들은 환경적으로 매우 안정하고 밀도 또한 다양하여 정화 대상이 되는 비수용성-고밀도 오염물질의 밀도에 따라 그 보다 높은 것을 선택하여 중액으로 사용할 수 있다. 이 시약은 밀도가 물보다 크기 때문에 다른 첨가물을 섞을 필요없이 바로 사용할 수 있다.

다음으로 계면활성제로는 기존의 어떠한 계면활성제도 가능하다. 즉 계면장력을 줄일 수 있는 특성을 가진 것이라면 모두 가능하다. 바람직하게는 계면장력 뿐만 아니라 비수용성-고밀도 오염물질의 용해도 또한 증가시킬 수 있는 계면활성제를 사용하면 효용성이 더욱 증가할 수 있을 것이다.

비수용성-고밀도 오염물질로는 물 보다 밀도가 높은 비수용성 물질로 대표적인 예로서 PCE(Tetrachloroethylene), TCE(Trichloroethylene), 1,1-Dichloroethene, Pentachloroethane 들로서 주로 염화탄화수소(Chlorinated hydrocarbons)들이다.

상기의 물질들을 일 예로 하여 다음과 같은 조건으로 나누어서 정화가능성에 대한 실험을 수행하였다.

첫번째 : 물만을 정화유체로서 물의 수두구배를 증가시켜 실시함

두번째 : 중액만을 주입시켜 실시함

세번째 : 중액에 계면활성제를 첨가하여 실시함

상기와 같은 정화유체의 준비와 함께 사절리를 포함하는 구조물의 일예를 도 1 과 같은 형태로 구현하였다. 도 1 에서의 구조물은 20㎝ ×15㎝ 크기의 2㎝ 정도의 두께를 가지는 아크릴판 위에 인위적인 2차원 절리망(fracture network)으로 형성되었고, 이때 절리망에서의 절리들은 약 0.2㎜ 정도의 일정한 개구를 가지도록 하였고 이 절리에 비수용성-고밀도 오염물질(TCE)을 주입하여 도 2 에 도시된 바와 같이 위치시켰다. 도 2a 는 측면을 도시한 것이고 도 2b 는 위에서 도시한 것이다. 각 도에 도시된 것처럼 사절리에 오염물질이 포획되어 있으며, 도 2b 에는 수평절리에도 오염물질들이 존재함을 보여주고 있다. 또한 TCE 와의 시각적인 차이를 위하여 물에 붉은 색 염료를 넣었고, 무색은 TCE 를 나타낸다.

이와 같이 오염물질이 절리에 포획된 상태에서 펌프를 이용하여 정화유체를 분당 일정한 양을 공급하여 그 변화추이를 디지털 캠코더 등을 이용하여 촬영하여 이를 자료로서 수집하였다.

이러한 조건에 의하여 이루어진 실험결과는 다음과 같다.

<첫번째 실험예>

앞서에서 언급한 것처럼, 기존의 정화방법의 경우에는 양수처리법, 증기추출법, 공기분무법 및 계면활성제 촉진법 등이 있으나 그 중에서 증기추출법과 공기분무법은 공기나 증기 자체가 물 보다 가벼워 위로 뜨기 때문에 사절리에 포획된 비수용성-고밀도에는 적용할 수가 없다. 계면활성제 촉진법은 물에 약 5%미만의 (보통 1-2%)를 첨가하여 정화유체를 제조하므로, 물을 위주로 하는 정화유체라는 측면에서 양수처리법과 유사하다. 즉, 물의 흐름이 있는 곳만 흘러가며 오염물질을 정화한다는 것이다. 따라서, 여기에서는 물을 주입하여 밀어내는 양수처리법을 사용하였다.

이와 같이 준비된 상태에서 물을 높은 수두구배(0.4)로 주입한 후의 상태를 도 3a 에 도시하였다. 도시된 것처럼 사절리에 포획된 오염물질은 그대로 존재한다. 이는 주입된 정화유체(즉, 여기서 물)가 물의 흐름이 형성되지 않는 사절리에 들어가지 못해 포획된 오염물질을 제거할 수 없었기 때문이다. 반면에 도 3b 에서는 수평절리들이 물이 흐르는 통로가 되므로 주입된 물이 흘러가며 오염물질을 밀어내어 제거된 상태를 보여주고 있다.

도 3a 및 도 3b 를 살펴보면, 양수처리법 및 계면활성제 처리법 등의 방법은 물이 흐르는 통로에 존재하는 오염물질들은 정화시킬 수 있지만, 사절리와 같이 물의 흐름이 형성되지 않는 곳에 포획된 비수용성-고밀도 오염물질들은 제거할 수 없음을 보여준다.

<두번째 실험예>

두번째 실험에서는 정화유체로서 중액만을 사용하여 비수용성-고밀도 오염물질의 제거여부를 확인하였다. 비수용성-고밀도 오염물질이 사절리 등에 포획되는이유는 물보다 비중이 높은 비수용성-고밀도 오염물질이 절리를 따라서 흐르다가 아래 중력방향으로 발달된 사절리를 만나면 물의 흐름이 형성되지 않는 곳이라 하더라도 밀도차에 의하여 사절리에 빠지기 때문이다. 이러한 원리를 이용하여 비수용성-고밀도 오염물질보다 비중이 높은 수용성 중액을 주입하여 사절리에 포획된 오염물질의 제거여부를 실험하였다.

도 4 은 사절리에 포획된 비수용성-고밀도 오염물질에 대하여 중액만을 이용하여 정화한 결과를 도시한 것이다. 여기에서 물은 붉은 색, TCE 는 무색, 그리고 중액은 다른 유체들과의 시각적 차이를 위해 파란색 염료를 섞었다. 도 4 에 도시된 것처럼, 중액을 도입하였어도 사절리에 포획된 비수용성-고밀도 오염물질을 제거할 수는 없었다 (절리들의 교차점 A 에서 아래의 사절리로 들어가지 않고 수평절리들로 흘러감). 물론 주입되는 중액의 양을 아주 크게 증가시키면 사절리로 중액이 들어갈 수도 있겠으나 밀도를 어느 한도이상 올리는 것은 불가능하고 이는 실제 현장에 적용하기에는 한계가 있으므로 실험의 의미가 없다. 이와 같이 중액만을 정화유체로 사용한 결과, 비수용성-고밀도 오염물질이 제거되지 않는 이유는 수용성 중액과 비수용성-고밀도 오염물질간의 계면장력으로 인하여 아래방향, 즉 중력방향으로 중액이 들어가지 못하고 수평절리로 흐르기 때문에 정화효과를 전혀 기대할 수 없는 것이다.

<세번째 실험예>

세번째 실험에서는 정화유체로서 중액에 계면활성제를 첨가하여 실시하였으며, 그 결과를 도 5 에 도시하였다. 여기에서도 계면활성제를 첨가한 중액은 파란색으로 나타내었다. 도 5 에 도시된 것처럼, 본 발명에 따른 정화유체에 의하여 사절리에 포획되어있던 비수용성-고밀도 오염물질이 성공적으로 제거되었다. 즉, 물보다 비중이 높은 중액과 함께 계면활성제를 첨가하여 정화유체를 형성함으로써, 비수용성-고밀도 오염물질간의 계면장력을 줄여서 사절리나 토양의 틈새 등의 물의 흐름이 형성되지 않는 곳으로 중액을 흘러 들어가도록 하여, 틈새 등에 포획되어있던 오염물질을 분리시킬 수 있다.

상기의 실험예에서와 같이 물에 용질을 타서 밀도를 변화시켜 중액을 만들고, 이 중액에 계면활성제를 첨가하여 이들을 혼합함으로써 정화유체를 만들어 사용함으로써 상기와 같은 효과를 얻을 수 있다.

상기에서와 같이 본 발명에 따른 정화유체 및 이를 이용한 정화방법으로 물보다 비중이 높은 비수용성-고밀도 오염물질이 포획되어 있는, 유체의 흐름과 격리된 암반의 사절리나 토양의 사공극으로부터 이들 오염물질을 밀어내어 효과적으로 정화시킬 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에서는 유체의 흐름이 격리된 부분에 초점을 두어 설명을 하였으나 유체의 흐름이 있는 통로에 존재하는 비수용성-고밀도 오염물질의 정화에도 기여할 수 있으므로 실질적으로는 유체의 흐름에 관계없이 지질매체의 비수용성-고밀도의 오염물질을 효과적으로 제거할 수 있다.

본 발명은 상기의 실시예를 참조하여 특별히 도시되고 기술되었지만, 이는 예시를 위하여 사용된 것이며 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 첨부된 청구범위에서 정의된 것처럼 발명의 정신 및 범위를 벗어남이 없이 다양한 수정을 할 수 있다.

Claims (5)

1. 지하매질내에서 물의 흐름이 차단되어 있는 부분에 포획되어 있는 오염물질을 정화하기 위하여 정화유체에 있어서,

   상기 정화유체는 계면활성제와 상기 오염물질 보다 비중이 높은 중액을 혼합하여 형성하는 것을 특징으로 하는 정화유체.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 물의 흐름이 차단되어 있는 부분은 사절리인 것을 특징으로 하는 정화유체.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 물의 흐름이 차단되어 있는 부분은 토양의 사공극인 것을 특징으로 하는 정화유체.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 오염물질은 비수용성-고밀도 오염물질인 것을 특징으로 하는 정화유체.
5. 지하매질내에서 물의 흐름이 차단되어 있는 사절리 또는 토양의 사공극 등에 포획되어 있는 비수용성-고밀도 오염물질을 제거하기 위하여 제 1 항 내지 제 3 항중 어느 한 항에 따른 정화유체를 사용하는 것을 특징으로 하는 정화방법.