KR20080111587A - 오염물질의 지반 내 이동해석을 위한 시험장치 및 해석방법 - Google Patents

오염물질의 지반 내 이동해석을 위한 시험장치 및 해석방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 상측 개구(101) 및 하측 개구(102)가 형성되고, 내부에 토양 샘플의 수용공간이 형성된 컬럼(100); 컬럼(100)의 내면에 상하방향으로 장착된 한 쌍의 전위전극(210)과, 한 쌍의 전위전극(210)의 상측 및 하측에 각각 장착된 한 쌍의 전류전극(220)을 구비한 저항 측정부(200); 하측 개구(102)를 통해 오염물을 유입하는 유입수 공급부(120); 상측 개구(101)에서 유출되는 유출수 샘플을 채취하는 유출수 채취부(110);를 포함하는 오염물질의 지반 내 이동해석을 위한 시험장치를 제시함으로써, 유출수의 화학적 분석없이 신속하게 결과를 파악할 수 있고, 토양 및 지하수 내 오염물질의 거동을 보다 직접적이고 현실감 있게 모사할 수 있도록 한다.
토양, 오염, 전극

Description

오염물질의 지반 내 이동해석을 위한 시험장치 및 해석방법{TESTING APPARATUS FOR ANALYSIS OF POLLUTANT TRANSPORT IN SOIL AND ANALISYS METHOD USING THE SAME}
도 1 내지 4는 본 발명에 의한 시험장치의 실시예를 도시한 것으로서,
도 1은 제1실시예의 측면도.
도 2는 제1실시예의 부분확대도.
도 3은 제2실시예의 구성도.
도 4는 제3실시예의 구성도.
도 5는 본 발명에 의한 시험장치의 원리를 설명하기 위한 회로도.
**도면의 주요부분에 대한 부호의 설명**
100 : 컬럼 101 : 상측 개구
102 : 하측 개구 110 : 유출수 채취부
120 : 유입수 공급부 200 : 저항 측정부
210 : 한 쌍의 전위전극 220 : 한 쌍의 전류전극
본 발명은 환경 분야에 관한 것으로서, 상세하게는, 토양 내의 오염물질의 거동을 해석하는 방법 및 이에 사용되는 시험장치에 관한 것이다.
지반환경 분야에서는 토양을 오염시키는 오염물질의 종류와 양을 파악하는 것뿐만 아니라, 토양 내에서의 오염물질의 거동을 해석하는 것도 대단히 주요한 관심사의 하나로 되어 있다.
실제 토양 내 오염물질의 이동을 모사하기 위하여, 토양의 샘플을 채취하여 컬럼에 충전하고, 이에 오염물질을 주입함으로써, 오염물질의 이동 상태를 측정하는 시험방법이 사용되어 왔다.
이는 현장조건에 따라 발생하는 오염물질의 이동경로, 이동에 걸리는 시간, 관심지점에서의 농도, 그리고 지속시간을 파악하고자하는 1차원 모형시험이다.
그런데, 이러한 종래기술은 유출수의 반복적인 샘플링이 필요하다는 점, 채취된 유출수 샘플에 대한 성분분석으로 많은 시간이 요구된다는 점, 유출수 샘플링이 단순히 한 지점에서 이루어지기 때문에 지점별 농도변화 분석을 바탕으로 정확한 이동특성을 파악하는데에 한계가 있다는 점 등에서 문제로 지적되어 왔다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 유출수의 화학적 분석이나 전기전도도 측정없이 신속하게 결과를 파악할 수 있고, 토양 내 오염물질의 거동을 보다 직접적이고 현실감 있게 모사할 수 있도록 하는 오염물질의 지반 내 이동해석을 위한 시험장치 및 이를 이용한 오염물질의 지반 내 이동해석방법을 제공함을 그 목적으로 한다.
본 발명은 상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 상측 개구 및 하측 개구가 형성되고, 내부에 토양 샘플의 수용공간이 형성된 컬럼; 상기 컬럼의 내면에 상하방향으로 장착된 한 쌍의 전류전극과, 상기 한 쌍의 전류전극의 상측 및 하측에 각각 장착된 한 쌍의 전위전극을 구비한 저항 측정부; 상기 하측 개구를 통해 오염물을 유입하는 유입수 공급부; 상기 상측 개구에서 유출되는 유출수 샘플을 채취하는 유출수 채취부;를 포함하는 오염물질의 지반 내 이동해석을 위한 시험장치를 제시한다.
상기 컬럼은 종단면이 원형이고, 상기 전류전극 및 전위전극은 호(弧) 형상으로 평행하게 장착된 것이 바람직하다.
상기 컬럼의 중심과 상기 전류전극 및 전위전극의 양단이 이루는 각은 30°이상 180°이하인 것이 바람직하다.
상기 전류전극 및 전위전극 상호 사이의 거리는 상기 컬럼의 직경의 5% 이상 10% 이하인 것이 바람직하다.
상기 저항 측정부는 상기 컬럼의 상하방향으로 복수가 장착된 것이 바람직하다.
상기 복수의 저항 측정부 상호 사이의 거리는 상기 컬럼의 길이의 20% 이상 50% 이하인 것이 바람직하다.
한편, 본 발명은 상기 시험장치를 이용한 오염물질의 지반 내 이동해석방법으로서, 상기 컬럼 내부에 토양 샘플을 충전 및 다짐하는 토양 샘플 충전단계; 상 기 유입수 공급부를 통해 오염물을 유입하는 유입수 공급단계; 상기 복수의 저항 측정부에서, 상기 전류전극에 전기를 인가하고, 상기 전위전극에 의해 전위를 측정함으로써, 저항을 측정하는 저항 측정단계; 상기 측정된 저항으로부터 시간에 따른 상대적 농도변화율을 계산하는 농도변화율 계산단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 오염물질의 지반 내 이동해석방법을 제시한다.
상기 유입수로 사용되는 오염물은 용액 내 이온 상으로 존재하여 높은 전기전도성을 띄는 무기오염물인 것이 바람직하다.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 관하여 상세히 설명한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 의한 오염물질의 지반 내 이동해석을 위한 시험장치는 기본적으로, 상측 개구(101) 및 하측 개구(102)가 형성되고, 내부에 토양 샘플의 수용공간이 형성된 컬럼(100); 컬럼(100)의 내면에 상하방향으로 장착된 한 쌍의 전위전극(210)과, 한 쌍의 전위전극(210)의 상측 및 하측에 각각 장착된 한 쌍의 전류전극(220)을 구비한 저항 측정부(200); 하측 개구(102)를 통해 오염물을 유입하는 유입수 공급부(120); 상측 개구(101)에서 유출되는 유출수 샘플을 채취하는 유출수 채취부(110);를 포함하여 구성된다.
즉, 본 발명에 의한 시험장치는 전기비저항 탐사(지반환경물리탐사, 2000)의 원리를 채용한 것으로서, 이는 토양에 흘려보낸 직류 또는 저주파수의 교류 전류에 의해 만들어지는 전위차를 측정함으로써, 지하의 전기 비저항 분포를 결정하고 지하구조를 해석하는 이론이다.
본 발명은 이와 같은 시험장치를 활용하여, 오염토양의 전기적 특성을 바탕 으로 수평전극을 컬럼에 부착하여 오염물질의 이동을 파악할 수 있는 방법을 제안하고자 하는 것이고, 오염토양의 전기 비저항을 직접 측정하는 이 방법은 간극수의 샘플링 없이도 오염물질의 이동을 예측할 수 있다는 장점이 있다.
이하, 도 5를 참조하여 본 발명에 의한 시험장치 및 해석방법의 원리에 관하여 상세히 설명한다.
전기비저항 단위는 통상 Ω·m를 사용한다. 저항의 역수는 컨덕턴스(conductance)이며, 따라서 전기전도도(conductivity) 역시 전기비저항의 역수이다. 전기전도도의 단위로는 Ω-1/m 또는 S/m이 일반적으로 사용된다.
전기탐사의 목적은 전기회로와 마찬가지로 두 지점 사이의 전위차를 측정하는 것이다.
도 5에는 두개의 전위전극 P1과 P2 그리고 두 개의 전류전극이 나타나 있는데, 각각의 전위전극에서 발생하는 전위
Figure 112007044124062-PAT00001
,
Figure 112007044124062-PAT00002
는 다음과 같이 식 1,2에 의해 나타낼 수 있다.
Figure 112007044124062-PAT00003
Figure 112007044124062-PAT00004
위 식으로부터 전위차는 다음과 같이 구할 수 있다.
Figure 112007044124062-PAT00005
전기 비저항 탐사는 전위차를 측정하여 전기 비저항을 결정하는 것이므로, 전기 비저항에 대한 식으로 바꾸어 쓰면 다음과 같다.
Figure 112007044124062-PAT00006
이 식의 괄호 항을 흔히 거리계수(Geometric factor) G라고 부르며, 이를 이용하여 다시 쓰면 다음과 같이 된다.
Figure 112007044124062-PAT00007
본 칼럼실험에서 사용하는 저항값은 위에서 언급한 거리계수가 곱해지기 전의 값이다.
한편, 실제 지하수는 동수구배가 없으면 움직이지 않는 것이지만, 지하수 환경으로 유입된 각종 용질은 농도구배나 온도구배에 의해서도 움직일 수 있다.
이와 같이 지하수환경 내에 유입된 오염물질은 이류(advection)에 의한 지하수 동수구배를 따라 흐를 것이라고 예상되는 이동경로로부터 이탈하여 분산 및 확산되는 경향이 있으며, 이를 수리분산(hydrodynamic dispersion)이라 한다.
따라서 미시적 규모에서 오염물질은 지하수의 동수구배에 대한 이류(advection)와 수리분산기작에 의해 이동하면서 그 농도가 점차 변화하게 된다.
일반적으로 종방향의 수리분산계수는 식 6과 같이 공극 유속의 n승에 비례한다.
Figure 112007044124062-PAT00008
시험발명 결과 n값의 범위는 대체적으로 1~2 정도이고 입상 다공질매체에서 n=1이다 따라서 식 6은 통상 다음과 같이 표현한다.
Figure 112007044124062-PAT00009
여기서,
Figure 112007044124062-PAT00010
: 수리분산계수
Figure 112007044124062-PAT00011
: 지하수의 공극유속
Figure 112007044124062-PAT00012
: 분산지수
Figure 112007044124062-PAT00013
: 분자확산계수
이 식에서
Figure 112007044124062-PAT00014
를 이류에 의한 역학적인 분산(mechanical dispersion)이라고 하고
Figure 112007044124062-PAT00015
를 용질의 열역학적인 에너지에 의한 발생되는 분자확산(molecular diffusion)이라 하며, 미시적 규모에서 역학적인 분산현상은 공극 내에서 용질의 속도차, 즉 공극의 불균질성에 의해 일어난다.
실제로 유체 내에서 발생하는 용질의 확산은 Fick의 제1 및 제 2법칙으로 다음과 같이 표현할 수 있다.
Figure 112007044124062-PAT00016
Figure 112007044124062-PAT00017
여기서, Do는 이온확산계수, F는 유체내에서 용질의 유출량을 의미한다.
지하수환경 내로 유입된 각종 오염물질은 대수층 구성입자 표면에서 흡착, 이온교환, 화학적인 침전, 산화환원 반응, 이온화 작용 등과 같은 작용에 의해 용액 내에서 용액물질의 농도가 저감되거나 희석된다.
본 발명에서는 흡착과 생화학반응으로 인한 지연현상이 없다고 가정한다.
대상 지하수계가 균질, 등방, 포화상태이고, 지하수계 내에서 흐르고 있는 지하수의 흐름이 정류일때 1차원계(1D)내에서 비반응 용질의 운동식은 식 10과 같이 간단히 표시할 수 있다.
Figure 112007044124062-PAT00018
여기서,
Figure 112007044124062-PAT00019
: 유선방향의 좌표
Figure 112007044124062-PAT00020
: 종분산계수
Figure 112007044124062-PAT00021
: 유선방향에서 지하수의 공극유속
Figure 112007044124062-PAT00022
Figure 112007044124062-PAT00023
: 종분산지수
위의 개념을 바탕으로 컬럼 내 반응물질의 수리분산 지배식과 오염물질의 이동을 해석하고자 한다.
본 발명에서는 오염물질의 이동시 컬럼 내 벽면 마찰로 인한 지연과 모래와의 흡착으로 인한 거동의 영향은 없다고 가정하고 해석을 하였다.
이하, 상기와 같은 원리를 채용하는 본 발명에 의한 시험장치의 구체적 실시예에 관하여 설명한다.
컬럼(100)은 어떠한 단면 현상을 취하더라도 관계없으나, 그 내부에 충전된 토양 샘플에 전류가 골고루 흘러들도록 하기 위해서는, 도 2에 도시된 바와 같이 컬럼(100)의 종단면이 원형이고, 전위전극(210) 및 전류전극(220)은 호(弧) 형상으로 평행하게 장착된 구조를 취하는 것이 바람직하다.
컬럼(100)의 중심과 전위전극(210) 및 전류전극(220)의 양단이 이루는 각도는, 전기 비저항 탐사(지반환경물리탐사, 2000)의 기본 이론을 바탕으로 각 전극이 서로 전기적 영향을 미치지 않는 범위 내에서, 측정범위 내의 최소한의 흙의 부피를 갖도록 고려하여 결정하는 것이 필요하다.
실험 결과, 컬럼(100)의 중심과 전위전극(210) 및 전류전극(220)의 양단이 이루는 각은 30°이상 180°이하인 것이 바람직한 것으로 나타났으며, 도 2에서는 45.9°를 채택한 실시예를 도시하고 있다.
이는 충전된 토양과 전극사이에 충분한 접촉면적이 확보되어 접촉저항이 최소화되어야하기 때문이다.
전위전극(210) 및 전류전극(220) 상호 사이의 거리도 위 전극 사이의 각의 경우와 마찬가지 인자를 고려하여야 하는데, 실험 결과 컬럼(100)의 직경의 5% 이상 10% 이하인 것이 바람직한 것으로 나타났으며, 도 2의 실시예에서는 컬럼(100)의 직경 40mm인 경우 전위전극(210) 및 전류전극(220) 상호 사이의 거리를 3mm로 설정하였다.
위 전위전극(210) 및 전류전극(220)에 의해 구성되는 저항 측정부(200)는 오염물질이 이동하는 방향인 컬럼(100)의 상하방향을 따라 복수가 장착되는 것이 실험결과의 신뢰성을 증대한다는 측면에서 바람직하다.
복수의 저항 측정부(200) 상호 사이의 거리도 위 전극 사이의 각도 및 거리의 경우와 마찬가지 이유로 제한될 필요가 있으며, 실험 결과 컬럼(100)의 길이의 20% 이상 50% 이하인 것이 바람직한 것으로 나타났다.
이하, 본 발명에 의한 시험장치를 사용한 오염물질의 지반 내 이동해석방법의 구체적 실시예에 관하여 상세히 설명한다.
본 발명에 의한 오염물질의 지반 내 이동해석방법은, 컬럼(100) 내부에 토양 샘플을 충전 및 다짐하는 토양 샘플 충전단계; 유입수 공급부(120)를 통해 오염물을 유입하는 유입수 공급단계; 복수의 저항 측정부(200)에서, 전위전극(210)에 전기를 인가하고, 전류전극(220)에 의해 전위를 측정함으로써, 저항을 측정하는 저항 측정단계; 상기 측정된 저항으로부터 시간에 따른 상대적 농도변화율을 계산하는 농도변화율 계산단계;를 포함하여 구성된다.
우선, 도 3,4에 도시된 바와 같이 동일한 크기(높이:400mm, 직경 :40mm)를 갖는 2개의 컬럼을 제작하였고, 각 컬럼에는 오염물질의 이동을 해석하기 위해 동일한 간격으로 총 3개의 전극을 배열하였다.
시료로 사용된 흙은 균일한 투수계수와 오염물질의 흡착이 발생하지 않을 것으로 판단되는 주문진 표준사(세척후 24시간 노건조)를 사용하여 채웠다.
이때 흙의 상태를 일정한 조건으로 모사하기 위하여 동일한 다짐방법으로 컬 럼을 채워 표 1과 같은 다짐 특성을 갖는 시료를 만들었다.
구 분 컬럼 1 컬럼 2
무게 (g) 컬럼 734 735
컬럼 + 충전토양 1956 1970
컬럼 + 충전토양 + 물 2286 2297
컬럼 치수 (길이 × 직경; cm) 40 × 5 40 × 5
체적 (㎤) 토양의 총체적 785 785
토양 내 간극의 체적 330 327
간극의 체적 (㎖) 330 327
간극률 0.4 0.42
함수비 (%) 27 26.5
유입 유량 (㎖/min) 0.1 1.2
측정 주파수 1 kHz 1 kHz
측정 온도 (°C) 24.3 23.4
저항을 측정하기 위한 전극은 2개의 전류전극(220)과 2개의 전위전극(210)으로 이루어져 있으며, 컬럼 내부곡면과 동일한 곡면 반지름을 갖도록 제작하였다.
이는 전극에 접촉하는 시료의 표면적을 최대화하고 공극을 줄임으로서 보다 정확한 전기적 측정을 하기 위함이다.
도 2에서 볼 수 있듯이 전극의 배열은 컬럼 높이 400mm를 기준으로 컬럼 상하부로부터 50mm를 이격시켜 120mm 간격으로 3개의 전극이 같은 거리를 갖도록 배열하였다.
또한 전극은 크기는 길이 20mm, 두께 2mm를 갖도록 제작하였으며 각 전극은 3mm의 간격을 두고 있다.
이는 전기 비저항 탐사의 기본 이론을 바탕으로 각 전극이 서로 전기적 영향을 미치지 않는 범위 내에서 측정범위 내의 최소한의 흙의 부피를 갖도록 고려한 것이다.
컬럼 내 시료는 양쪽 모두 주문진 표준사를 사용하여 동일한 다짐방법(10cm 간격, 다짐봉으로 15회 다짐)로 다져 넣었다.
전극의 번호는 ○-○으로 표시하였으며, 앞번호는 컬럼 번호를 의미하고, 뒷번호는 컬럼 상단을 기준으로 차례대로 -1, -2, -3으로 표기하였다.
예를 들어 컬럼 1의 상단에 위치한 전극은 1-1 이 되는 것이다.
우선, 실험에 앞서 2개의 컬럼 모두 주문진 표준사를 사용하여 동일한 다짐방법으로 다짐하여 채워 넣었으며, 그 결과 위 표 1과 같이 거의 유사한 함수비, 간극률, 간극체적을 얻을 수 있었다.
컬럼을 탈이온수로 완전 포화시키기 위해, 탈이온수를 컬럼내로 유입시키기 전에 CO2(g) 가스로 2시간 동안 포화시켰고, 펌프는 각 컬럼당 1개씩 연동식 펌프를 사용하였다.
CO2 (g)는 탈이온수에 잘 녹기 때문에 토양의 완전 포화를 가능하게한다.
유입수로서 0.002M Cl-을 사용하였으며 컬럼1의 경우 유입유속은 0.1 ml/min, 컬럼2의 경우 유입유속을 1.2 ml/min으로 설정하였다.
Cl-을 사용한 이유는 토양입자와 흡착 또는 화학적 반응을 하지 않는 무반응성 물질이기 때문이다.
저항 측정은 LCR meter를 사용하여 1kHz로 10분 간격으로 Cl-이 완전파과가 일어날 때까지 측정하였다.
그리고 유출수의 샘플링은 Auto Sampler를 사용하여 0.1 ml/min와 1.2 ml/min의 유출유속을 고려하여 분 간격으로 샘플링할 수 있도록 설정하였다.
이때 모든 샘플은 전기 비저항에 대한 파과곡선와 비교하기위해 저항 측정시마다 해당되는 샘플에 번호로 표기하였다.
이하, 상술한 본 발명에 의한 시험장치 및 해석방법에 의해 시험한 결과에 관하여 설명한다.
Figure 112007044124062-PAT00024
DI water로 포화되어있는 컬럼에 Cl-용액이 유입하게 되면 전극에서 측정되는 저항 값은 급격하게 감소하게 된다.
이것은 Cl-이 수용액 상태에서는 이온상태로 존재하고 이러한 이온들이 전하운반체(charge carrier)역할을 수행하여 측정되는 저항 값은 낮아지고 전기전도도는 증가하는 경향을 나타내는 것이다.
0.002M Cl-을 0.1 ml/min 의 유속으로 흘려보낸 컬럼의 경우, 위 표 1와 같이 경과 시간에 따른 농도이력곡선이 나타났다.
기서 C/Co 는
Figure 112007044124062-PAT00025
값을 의미하며, 각 전극에서 측정된 저항값 (그 역수인) 컨덕턴스(EC) 값으로 환산, 상대적인 농도변화율(C/C0)로 표현하여 농도이력곡선으로 나타낸 것이다.
여기서 ECt는 시간(t)의 컨덕턴스, ECmax는 시험시간동안 측정된 최대 컨덕턴스 값, 그리고 ECmin는 시험시간동안 측정된 최소 컨덕턴스 값을 의미한다.
표 2에서 볼 수 있듯이, Cl-의 경우 각 전극마다 차례대로 뚜렷한 농도이력곡선이 형성된 것을 볼 수 있었다.
전극과 접하는 토양이 0.002 M Cl-로 포화되는게 걸리는 시간은 C/C0가 0.5의 값을 갖을 때의 시간으로 이해할 수 있다.
즉, T1(500분)은 전극1-3, T2(1540분)는 전극1-2, T3(2600분)는 전극1-1의 주변의 흙이 완전히 포화되는데 걸리는 시간이다.
물론 T1에서 T3으로 갈수록 값이 증가하는 이유는 컬럼의 하측개구에서 유입되는 Cl- 용액이 전극까지 도달하는데 이동하는 거리가 증가하기 때문이다.
T1과 T2 사이의 시간은 1040분, T2와 T3 사이의 시간은 1060분임을 알 수 있는데 이는 실험이 신뢰성 있는 결과를 나타냄을 보여준다.
이론적으로 전극 1-1, 1-2, 1-3 사이 간의 거리가 120mm로 같고 유입 유속이 일정하다고 가정한다면 (T2-T1)과 (T3-T2)의 값은 같아야한다.
T4, T5, T6는 컬럼 내 전극 1-1, 1-2, 1-3과 인접한 토양에 Cl-이 처음 유입된 후 완전 파과 되기까지 걸리는 시간이다.
이 또한 T6 > T5 > T4의 경향을 보이는데, 이는 컬럼 내 오염물질의 이동시 발생 할 수 있는 이류, 확산 등의 영향에 의한 것이다.
표 3은 표 2의 결과를 식 10에 대입하여 수치해석을 해본 결과 얻어진 유속, 유량, 수리분산계수와 결정계수이다.
그 결과 세 전극에서 유량과 수리분산계수는 거의 같은 값을 보였음을 확인하였으며 결정계수는 1에 가까운 값을 보였다.
이를 통하여 저항값을 바탕으로 얻은 농도이력곡선이 높은 신뢰도를 갖음을 확인할 수 있었다.
유속 v [cm/min] 유량 Q [ml/min] 수리분산계수 D [cm2/min] 결정계수 R2
1-1 전극 0.01322 0.1091 0.0007614 0.9999
1-2 전극 0.01278 0.1054 0.0008506 0.9997
1-3 전극 0.01152 0.0951 0.0006708 0.9996
Figure 112007044124062-PAT00026
표 4 0.002M 의 Cl- 수용액을 컬럼 2에 유입 시킨 후 시간의 변화에 따른 상대농도이력곡선을 나타내는 그래프이다.
컬럼 2의 조건은 컬럼 1과 비교하여 유입수 유속을 변화시킨 것 외에는 동일한 조건이었다.
컬럼1의 시험과 비슷하게 컬럼2의 측정 전극 범위 내에 있는 흙이 포화되는데 걸리는 시간이 바닥 전극에서 위로 올라갈수록 증가하는 경향을 나타내었다.
즉, T1(53분)은 전극1-3, T2(140분)는 전극1-2, T3(215분)는 전극1-1의 주변의 흙이 완전히 포화되는데 걸리는 시간이다.
이론적으로 컬럼2의 시험에서 유입수의 유량이 컬럼1의 시험보다 12배 크다는 것을 볼때 T1, T2, T3의 값 또한 12배 차이가 나야한다.
컬럼1과 컬럼2의 T1, T2, T3 값을 비교하였을 때 시험이 신뢰성 높은 결과를 보여주었음을 알 수 있다.
결과적으로 본 발명에 의한 해석방법에서 저항값을 이용해 Cl-의 이동모습을 파악할 수 있었다.
또한 3개의 전극에서 측정되는 저항값의 보정을 위해 다양한 유량에서 Cl- 용액을 포화시켜 저항 값을 비교해 본 결과 T1, T2, T3가 유량에 비례하게 나와 전극 자체 오차는 매우 적은 것으로 확인되었다.
유속 v [cm/min] 유량 Q [ml/min] 수리분산계수 D [cm2/min] 결정계수 R2
1-1 전극 0.1098 0.9065 0.00656 0.9964
1-2 전극 0.1429 1.1798 0.01463 0.9993
1-3 전극 0.1591 1.3135 0.01516 0.9992
표 5에 나타난 수치해석 결과 또한 세 전극이 비슷한 유속, 유량과 수리분산계수 값을 보여 높은 신뢰도를 가짐을 보여준다.
T4, T5, T6는 컬럼 내 전극 1-1, 1-2, 1-3과 인접한 토양에 Cl-이 처음 유입된 후 완전 파과 되기까지 걸리는 시간이다.
컬럼1과 컬럼2 모두 T6 > T5 > T4의 경향을 보이는데, 이는 본 실험을 통하여 컬럼 내 오염물질의 이동시 발생할 수 있는 이류, 확산 등의 영향이 파악 가능함을 보여준다.
이상은 본 발명에 의해 구현될 수 있는 바람직한 실시예의 일부에 관하여 설명한 것에 불과하므로, 주지된 바와 같이 본 발명의 범위는 위의 실시예에 한정되어 해석되어서는 안 될 것이며, 위에서 설명된 본 발명의 기술적 사상과 그 근본을 함께 하는 기술적 사상은 모두 본 발명의 범위에 포함된다고 할 것이다.
본 발명은 유출수의 화학적 분석 없이 신속하게 결과를 파악할 수 있고, 토양 내 오염물질의 거동을 보다 직접적이고 현실감 있게 모사할 수 있도록 하는 토양 및 지하수 오염물질의 이동해석을 위한 시험장치 및 이를 이용한 토양 및 지하수 오염물질의 이동해석방법을 제공한다.
위 실시예에서는 저항값을 이용하여 토양내 Cl- 물질의 이동을 해석하고자 컬럼 내에 3개의 일체형 전극을 제작하여 위치별 측정된 저항값을 바탕으로 컬럼내 흙을 통과하는 Cl- 용액의 이동을 관찰하였다.
그 결과. 측정된 저항값을 상대적인 농도 변화율 값으로 변환하여 Breakthrough Curve를 얻어내었다.
얻어진 Breakthrough Curve는 컬럼실험에 있어서 오염물질의 이동을 해석하는데 다음과 같은 의미를 갖는다.
1) 유출수의 화학적 분석이나 전기전도도 측정없이 보다 신속하게 Breakthrough Curve을 얻어 낼 수 있다.
2) 유출수가 아닌 흙을 포함한 오염물질의 전기 비저항 값으로 얻어진 농도파과곡선이므로 토양 내 오염물질의 거동을 보다 직접적이고 현실감 있게 모사할 수 있다.
3) 측정된 저항 값으로 얻어진 농도파과곡선의 분석 결과 오염물질의 이동에 영향을 미치는 분산(Dispersion)과 이류(Advection)를 파악할 수 있음이 확인되었다.
또한, 본 발명에서는 새로운 형태의 전극을 개발하여 전기비저항 값을 측정함으로써 전기비저항을 이용한 컬럼 실험에 있어서 이 전극의 실용성과 적용성을 제안하였다.

Claims (8)

  1. 상측 개구 및 하측 개구가 형성되고, 내부에 토양 샘플의 수용공간이 형성된 컬럼;
    상기 컬럼의 내면에 상하방향으로 장착된 한 쌍의 전류전극과, 상기 한 쌍의 전류전극의 상측 및 하측에 각각 장착된 한 쌍의 전위전극을 구비한 저항 측정부;
    상기 하측 개구를 통해 오염물을 유입하는 유입수 공급부;
    상기 상측 개구에서 유출되는 유출수 샘플을 채취하는 유출수 채취부;를
    포함하는 오염물질의 지반 내 이동해석을 위한 시험장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 컬럼은 종단면이 원형이고,
    상기 전류전극 및 전위전극은 호(弧) 형상으로 평행하게 장착된 것을 특징으로 하는 오염물질의 지반 내 이동해석을 위한 시험장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 컬럼의 중심과 상기 전류전극 및 전위전극의 양단이 이루는 각은 30°이상 180°이하인 것을 특징으로 하는 오염물질의 지반 내 이동해석을 위한 시험장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 전류전극 및 전위전극 상호 사이의 거리는
    상기 컬럼의 직경의 5% 이상 10% 이하인 것을 특징으로 하는 오염물질의 지반 내 이동해석을 위한 시험장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 저항 측정부는
    상기 컬럼의 상하방향으로 복수가 장착된 것을 특징으로 하는 오염물질의 지반 내 이동해석을 위한 시험장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 복수의 저항 측정부 상호 사이의 거리는
    상기 컬럼의 길이의 20% 이상 50% 이하인 것을 특징으로 하는 오염물질의 지반 내 이동해석을 위한 시험장치.
  7. 제5항의 시험장치를 이용한 오염물질의 지반 내 이동해석방법으로서,
    상기 컬럼 내부에 토양 샘플을 충전 및 다짐하는 토양 샘플 충전단계;
    상기 유입수 공급부를 통해 오염물을 유입하는 유입수 공급단계;
    상기 복수의 저항 측정부에서, 상기 전류전극에 전기를 인가하고, 상기 전위전극에 의해 전위를 측정함으로써, 저항을 측정하는 저항 측정단계;
    상기 측정된 저항으로부터 시간에 따른 상대적 농도변화율을 계산하는 농도변화율 계산단계;를
    포함하는 것을 특징으로 하는 오염물질의 지반 내 이동해석방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 유입수로 사용되는 오염물은 용액 내 이온 상으로 존재하는 무기오염물인 것을 특징으로 하는 오염물질의 지반 내 이동해석방법.
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