KR20090054090A

KR20090054090A - 일체형 전극 모듈을 이용한 토양 복원 시스템 및 그 방법

Info

Publication number: KR20090054090A
Application number: KR1020070120786A
Authority: KR
Inventors: 최정희; 배정효; 이현구; 하태현
Original assignee: 한국전기연구원
Priority date: 2007-11-26
Filing date: 2007-11-26
Publication date: 2009-05-29
Also published as: KR100928215B1

Abstract

본 발명은 일체형 전극 모듈을 이용한 토양 복원 시스템 및 그 방법에 관한 것으로, 재배지 양측면 외부에 형성된 직선형 측면 수로의 내부에 설치된 측면 전극; 상기 재배지 하부 중앙에 위치하고, 상기 측면 수로와 평행한 직선형 중앙 수로의 내부 중앙에 설치된 중앙 전극; 및 상기 중앙 전극 및 측면 전극에 전압 또는 전류를 인가할 수 있는 전원을 포함한다.

이와 같은 발명을 제공하게 되면, 토양의 양쪽 및 중앙으로 오염 이온들을 이동 시켜 제거할 수 있도록 하여 낮은 전력으로 오염물질의 제거 효율을 높일 수 있고, 전극 간 전위차를 분산 시켜 대면적의 재배지 토양 복원에도 적용할 수 있게 된다.

또한, 일체형 전극모듈의 채용으로 시스템 설치 및 보수가 용이해 질뿐만 아니라, 전극 주변의 높은 전압 또는 전류로 인한 감전 사고를 방지할 수 있는 장점이 있다.

전기동력학, 토양 복원, 전기삼투, 전극, 오염이온, 전기영동

Description

일체형 전극 모듈을 이용한 토양 복원 시스템 및 그 방법{ELECTROKINETIC SOIL RECOVERY SYSTEM USING OF ELECTRODE MODULE AND METHOD THEREOF}

본 발명은 전기동력학적 토양 복원 시스템 및 그 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 양의 전극을 중심으로 대칭적으로 극을 형성함으로써, 낮은 전압을 가지고도 대면적의 재배지 토양의 중금속 및 염류 이온을 제거하여 복원할 수 있는 전기동력학적 토양 복원 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.

토양은 중금속류, 페놀류, 유류 등과 같은 다양한 유해물질들에 의하여 오염되어질 수 있다. 이러한 토양 오염물질들은 농작물에 축적되거나 지하수 등을 오염시킴으로써 결국에는 인간의 건강을 해친다.

이러한 문제를 해결하기 위해 전기동력학적(electrokitnetic) 오염토양 복원기술이 많이 연구되어 지고 있는데, 이하 기본적 원리를 설명하기로 한다.

습윤한 토양에 직류전기를 공급하게 되면 전기이동, 전기삼투, 전기영동, 그리고 물의 전기분해반응으로 생성된 수소 이온이 이동하면서 오염물질에 대한 공극수로의 탈착이나 용해반응 등을 향상시켜 토양내에 존재하는 오염물질의 용해도와 이동도를 증가 시킨다.

하지만, 음극쪽에 가까운 토양과 같이 pH가 높은 지역에서는 흡착과 침전반응들이 우세해서 오염물질들이 이동도가 감소한다. 공극수에 존재하는 오염물질들은 전기이동, 전기삼투, 그리고 확산 등과 같은 기작들에 의해 토양 내에서 이동하여 제거 되어진다. 양전하를 띤 오염물질들은 전기이동과 전기삼투와 같은 복합적인 이동기작들에 의해서 음극으로 이동하게 된다. 반면에 음전하를 띤 오염물질들의 전기이동은 상반된 방향의 전기삼투에 의해서 저하된다.

도 1은 전기동력학적 오염토양 복원기술의 기본원리를 도식적으로 나타낸 것이다. 전기 동력학적 오염토양 복원기술에 주로 적용되는 전기장의 세기는 10-200V/m 이고(Prostein and Hicks, 1993), 전류밀도는 1-10 A/m² 이다. 전기동력학적 기술을 적용하여 오염토양을 복원할 때 오염물질의 이동방향과 제거효율을 여러 가지 인자에 의하여 영향을 받는데 대표적인 것들로는 오염물질의 농도와 이동도, 토양의 종류와 구조, 공극유체와 토양 경계면에서 발생하는 화학반응, 공극유체의 전기전도성 등을 들수 있다.(Virkutyte et al., 2002)

지금까지 이루어진 전기동력학적 기술에 대한 대부분의 연구결과들은 주요한 오염물질 제거 기작이 전기이동이라고 입증해 왔다. 하지만, Hsu(1997)에 의해서 수행된 Milwhite 카올리나이트로부터 카드뮴과 납을 제거하는 연구와 Kim et al.가 전기이동도보다 더 우세한 제거기작으로 작용할 수 있다는 결과를 제시하였다. 중금속으로 오염된 토양을 전기동력학적 기술을 이용하여 복원할 때 토양 표면이 음 의 제타전위를 띠면 중금속의 전기이동은 전기삼투에 의해 향상되어 중금속 오염물질이 효과적으로 제거된다.

하지만, 전기동력학적 공정이 적용되면 양극에서 생성되는 산전선이 이동함에 따라 전체적인 토양의 pH는 감소하게 된다. 이러한 pH의 감소는 중금속 오염물질의 이동도를 증가시킴으로 중금속 제거에 유리한 환경을 조성 하지만, 제타전위의 극성에 영향을 미쳐서 전기삼투방향을 역전시킴으로 중금속 제거에 악영향을 초래하기도 한다. 따라서 중금속 오염 물질을 효과적으로 제거하기 위해서는 중금속 오염 물질이 용해도를 증가시키기 위해서 pH를 최대로 낮게 유지해야 할 뿐만 아니라, 동시에 음의 제타전위를 유지할 수 있도록 pH를 가능하면 높게 조절해야 한다. 양극에서 생성된 수소이온들은 전기이동, 전기삼투, 확산 등의 이동기작들에 의해서, 음극쪽으로 이동하는데, 이러한 일단의 수소이온들을 산전선(acid front)이라고 한다.

산전선이 음극쪽으로 이동하면서 토양의 pH를 감소시킴으로써 토양 내에 중금속 오염물질들의 탈착반응(desorption)과 용해반응(dissolution)을 지배한다. 한편, 음극에서 생성된 일단의 수산화이온들은 염기전선(alkaline 또는 base front)을 형성하게 되고 이러한 염기전선은 양극 쪽으로 이동하게 된다. 산전선과는 반대로 염기전선은 토양 내에서 이동하면서 토양의 pH를 증가시키고 특히 음극 쪽에 가까운 토양에 중금속 오염물질을 침전시킨다.

따라서 산전선은 중금속 오염물질을 이동도가 큰 형태로 전환시켜 오염물질의 제거에 유리한 기작으로 작용하지만, 염기전선은 토양 내에 오염물질을 토양표 면에 흡착시키거나 침전시킴으로써 오염물질 제거에 악영향을 미치게 된다. 물론 토양의 pH감소는 정전기 삼투유량을 감소시키거나 역전기삼투를 유발해서 중금속 오염물질의 제거를 방해하는 결과를 초래 할 수 있다.

전기분해에 의해서 생성되는 산전선과 염기전선의 이동으로 인하여 pH, 공극수의 이온세기, 오염물질특성(이동도, 용해도, 존재형태), 토양표면특성(전하특성, 제타전위의 크기와 부호, 양이온 교환능) 등이 영향을 받는다.

수소이온의 이온이동도가 수산화이온의 이온이동도보다 약 두배 가량 크고, 또한 토양표면이 음으로 하전된 일반적인 경우에는 전기 삼투에 의해서 수소이온의 전기이동속도가 증가하기 때문에 수소이온의 전기이동속도가 수산화이온 보다 훨씬 크다. 따라서 양극과 음극에 특별한 화학적 처리를 하지 않을 경우, 산전선과 염기전선이 토양 내에서 음극과 양극으로 둘 다 이동하지만 토양 내에는 산전선의 이동이 우세하게 되고 토양 pH 감소가 지배적으로 나타나게 된다.

도 2는 종래의 동전기 오염 토양 정화 시스템을 도시한 구성 블록도이다. 도 2에 도시한 바와 같이, 오염된 토양에 펄스전원을 인가하여 전기역학적으로 오염된 토양을 정화시키기 위한 동전기 오염 토양 정화셀(10)과, 동전기 오염 토양 정화셀(10)의 전극에 펄스전원을 공급하기 위한 전원공급장치(20)와, 동전기 오염 토양 정화셀(10)에 전해질액(32)을 공급하기 위한

전해질 공급셀(30)과, 동전기 오염 토양 정화셀(10)로부터 회수되는 전해질액(32)을 측정 및 저장하기 위한 전해질 회수셀(40)과, 동전기 오염 토양 정화셀(10)에 인가되는 전압과 전류를 모니터링하고 파형을 관찰하기 위한 계측수단(50)으로 이 루어진다.

도 2를 참조하면, 동전기 오염 토양 정화셀(10)은 양극전극셀(P)과, 음극전극셀(N), 그리고 오염 토양 셀(15)로 구분된다. 양극전극셀(P)은 양극전압이 인가되는 도체인 양극(11P)과 양극(11P)을 감싸도록 전해질(32)을 수용하기 위한 양극 하우징(12P), 양극 하우징(12P) 내의 전해질의 농도를 일정하게 하기 위한 전해질 순환펌프(14P)로 이루어지고, 음극전극셀(N)은 음극(11N)과 음극(11N)을 감싸도록 전해질(32)을 수용하기 위한 음극 하우징(12N), 음극 하우징(12N)내의 전해질의 농도를 일정하게 하기 위한 전해질 순환펌프(14N)로 이루어진다.

그리고 각각의 셀들(P,N,15)은 용액의 투과성이 용이한 다공성 셀룰로스막(13P,13N)으로 분리/연결되고, 경우에 따라 셀룰로스막 앞면(전극셀 방향)에 이온교환막(16P,16N)을 장착할 수 있도록 되어 있다. 즉, 양극전극셀(P)과 오염 토양 셀(15)은 용액의 투과성이 용이한 제1 다공성 셀룰로스막(13P)으로 분리/연결되고, 음극전극셀(N)과 오염 토양 셀(15)은 용액의 투과성이 용이한 제2 다공성 셀룰로스막(13N)으로 분리/연결된다.

양극전극셀(P)과 음극전극셀(N)은 별도로 전해질(32)을 공급할 수 있게 되어 있으며, 전해질 투입은 마리오트병(mariotte bottle)을 이용한 전해질셀(30)에 의해 일정 수두를 유지할 수 있게 함으로써 수두경사의 변화를 방지하도록 되어 있다.

또한 전기삼투현상에 의해 양극(11P)에서 음극(11N)으로 전달된 전해질(32)의 배수량을 측정하기 위하여 음극에 배수량 측정용 셀(40: 회수셀)이 구성되어 있 고, 양극전극셀(P)과 음극전극셀(N)내의 이온 농도차를 최소화하기 위하여 전해질 순환펌프(14P)(14N)가 구현되어 있으며, 전해질의 전기화학적 특성(pH, conductivity) 및 중금속이온 농도 변화를 용이하게 분석할 수 있도록 되어 있다.

양극(11P)과 음극(11N)에 대한 전원공급원으로써 펄스파워공급장치(20)는 펄스전원(Pulse Power supply)뿐 아니라 DC전원(Power supply)도 각각 사용할 수 있도록 연결되어 있고, 이에 따른 전류 및 전압을 자동으로 측정하여 컴퓨터에 데이터를 전송할 수 있도록 정보수집장치(53)가 연결되어 있다.

즉, 공급전원을 계측하기 위한 계측수단(50)은 전압계(51)와 전류계(52)로부터 정보를 수집하는 정보수집장치(53)와 전극의 프로브(54)로부터 신호를 입력받는 오실로스코프(55)로 구성되어 양극(11P)과 음극(11N) 사이에 인가되는 전원특성을 계측할 수 있도록 되어 있다. 특히, 펄스전원공급장치 (Pulse Power supply)(20)의 경우 별도의 전압/전류 측정용 프로브(probe:54)를 통하여 오실로스코프(Oscilloscope:55)에서 펄스파형을 직접 관찰할 수 있도록 되어 있다.

이와 같은 종래의 동전기 토양 복원 시스템은 농작물을 재배하는 재배지 토양이 대면적인 경우, 단일의 양 전극으로 구성 되어 있기 때문에, 중금속 이온이나 염류 이온들을 제거하여 토양을 복원하기에 설치 단가가 높아지는 단점이 있으며, 또한 높은 전압으로 인해 열(heating)이 발생하여 동일한 전류출력을 발생시키기 위해서는 더 높은 전압을 가해야 하므로 에너지가 많이 필요할 뿐만 아니라, 오염 이온의 제거 효율이 떨어진다는 문제점이 있다.

그리고, 전극 및 오염이온들을 배출하는 수로관을 설치하는 것이 쉽지 않고, 고정된 전극 구조로 인하여 시스템 고장으로 인한 보수도 쉽지 않을 뿐 아니라, 높은 전압 또는 전류로 인한 감전의 위험이 높다는 문제점이 있다.

상술한 문제에 대하여 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 복원해야 될 재배지 면적이 큰 경우 전력소비를 줄일 수 있게 하고, 오염 이온의 이동도를 높여 제거 효율을 높일 수 있을 뿐만 아니라 시스템 단가를 낮출 수 있으며, 설치와 보수가 용이하며 감전의 위험을 방지할 수 있는 일체형 전극 모듈을 이용한 토양 복원 시스템 및 그 방법을 제공하기 위함이다.

상술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명에 따른 토양 정화 시스템은 재배지 양 측면 외부 토양에 형성된 직선형 측면 수로관의 내부에 측면 전극이 설치된 측면 전극 모듈; 상기 재배지 토양 중앙에 위치하고, 상기 측면 수로관과 평행한 직선형 중앙 수로관의 내부 중앙에 중앙 전극이 설치된 중앙 전극 모듈 및 상기 양 및 측면 전극에 전압 또는 전류를 인가할 수 있는 전원을 포함하고, 상기 중앙 및 양 측면 수로관은 비 전도성 재질로 이루어진다.

여기서, 상기 중앙 및 측면 전극의 형상은 다공성 판형인 것이 바람직하고, 상기 중앙 및 측면 전극의 형상은 메쉬 판형인 것이 바람직하며, 상기 중앙 및 측면 수로관의 재질이 PVC 인 것이 바람직하다.

또한, 바람직하게는 상기 재배지 토양 상부에 상기 재배지 토양의 함수율을 제어할 수 있는 제어수단을 더 포함하는 것일 수 있고, 상기 함수율 제어수단은 상기 재배지 토양의 함수율을 측정할 수 있는 함수율 측정 장치 및 상기 토양에 수분 을 공급하는 물 분사부를 포함하는 것일 수 있다.

더하여, 상기 재배지 토양에 포함된 이온의 농도를 측정할 수 있는 이온 농도 측정수단을 더 포함하는 것이 바람직하고, 상기 재배지 토양과 인접한 전극 모듈의 경계면은 다공성 셀룰로오스 막인 것이 바람직하며, 상기 중앙 전극은 스테인레스 스틸 또는 금속산화물을 적어도 하나의 재질로 하는 것이 역시 바람직하다.

또한, 상기 전원은 펄스형, AC 및 DC 전압 중 적어도 하나를 인가할 수 있는 것이 바람직하며, 상기 전극 주변을 둘러싸는 수용액의 pH 농도를 측정하고, 상기 측정값에 따라 전해질 유량을 조절하는 유량 조절수단을 더 포함하는 것이 바람직하며, 상기 전극 주변을 둘러싸는 수용액의 pH 농도를 측정하고, 상기 측정된 양 및 측면 전극 간 pH 농도의 차이가 미리 정해진 범위를 넘는 경우 상기 양 및 측면 전극의 극성을 교번시켜 pH를 조절하는 pH 조절수단을 포함하는 것이 바람직하다.

한편, 본 발명에 따른 토양 정화 방법은 (a) 재배지 하부 토양의 수분을 조절하는 단계; (b) 상기 재배지 하부 토양의 중앙 및 양 측면 외부에 설치된 수로관 및 전극이 일체형으로 형성된 전극모듈과 연결된 전원을 통하여 전압 또는 전류를 인가하는 단계; (c) 상기 전압 또는 전류의 인가로 인하여 상기 재배지 하부 토양에 녹아 있는 양 또는 음의 이온을 상기 측면 또는 중앙 전극 모듈 내부로 이동 시키는 단계; 및 (d) 상기 측면 또는 중앙 전극 모듈에 인입된 상기 이온들을 포함하는 용액을 배출하는 단계를 포함한다.

여기서, 상기 (a) 단계는 상기 토양의 함수율 값을 측정하고, 상기 측정된 함수율 값에 따라 적어도 하나의 물 분사 수단으로 상기 토양에 물을 분사하여 함 수율을 조절하는 단계인 것이 바람직하고, 상기 토양은 염류 집적 토양으로서, 상기 양 또는 음의 이온은 염류 이온인 것이 바람직하다.

더 나아가, 바람직하게는 상기 (b) 단계에서 전압은 펄스형, AC 및 DC형 전압을 혼합하여 인가하는 것일 수 있고, 상기 (c)단계는 상기 수로의 pH 농도를 측정하여 전해질의 유량을 조절하는 단계를 포함하는 것일 수 있으며, 상기 전극 주변의 용액의 pH 농도를 측정하는 단계 및 상기 측정된 중앙 및 측면 전극 간 pH 농도의 차이가 미리 정해진 범위를 넘는 경우 상기 양극의 극성을 교번하여 전압 또는 전류를 인가하는 단계를 더 포함하는 것일 수 있다.

이와 같은 발명을 제공하게 되면, 토양의 중심에서 양쪽 및 중앙으로 오염 이온들을 이동 시켜 제거할 수 있도록 하여 낮은 전력으로 오염물질의 제거 효율을 높일 수 있고, 전극 간 전위차를 분산 시켜 대면적의 재배지 토양 복원에도 적용할 수 있게 된다.

또한, 오염원 이동을 원활히 하고, 토양 내 pH의 구배를 완화하여 pH 조절이 용이해 질뿐만 아니라, 토양의 저항열에 의해서 토양이 건조 되면 이온 이동 시 저항 상승의 원인이 될 수 있으나, AC 또는 펄스형 전압을 인가함으로써, 토양내 흡착되어 있는 이온을 용이하게 탈착시켜 이동을 쉽게하여 제거효율을 높이며 휴지 기간을 일정 제공하게 되어 토양의 건조를 막을 수 있게 된다.

또한, 일체형 전극모듈의 채용으로 시스템 설치 및 보수가 용이해 질뿐만 아니라, 전극 주변의 높은 전압 또는 전류로 인한 감전 사고를 방지할 수 있는 장점 이 있다.

도 3은 본 발명에 따른 일체형 전극 모듈을 이용한 토양 복원 시스템에 관한 측면 구성 예시한 도면이고, 도 6은 그 복원 방법의 흐름도를 예시한 도면이다. 이하 도 3 및 도 6을 비교하여 본 발명에 따른 일체형 전극 모듈을 이용한 토양복원시스템 및 그 방법을 설명하기로 한다.

도 3에 나타낸 바와 같이, 토양 복원 시스템은, 재배지 토양 중앙에 중앙 수로관 및 중앙 전극을 포함하는 중앙 전극 모듈(110) 및 재배지 시설(예: 비닐하우스)(133) 외부 측면에 직선형 수로관 및 측면 전극(125)을 포함하는 측면 전극 모듈(120)를 형성하고, 중앙 전극(115) 및 측면 전극(125)을 연결하여 전류 또는 전압을 인가하도록 되어있다.

즉, 시스템은 중앙 수로관 및 중앙 전극(115)이 일체형으로 된 중앙 전극 모듈(110), 측면 수로관 및 측면 전극(125)을 포함하는 측면 전극 모듈(120), 전압/전류를 인가하는 전원(150), 함수율 제어수단(130,135), 이온농도 측정수단, 전해질 유량 조절수단(140)을 포함하는 구성이다.

즉, 하우스와 같은 농작물을 재배하는 시설물 하부 토양(100)은 각종의 비료 또는 농약 등으로 인하여 중금속이나 염류 이온 등이 다량 함유 되어 있다. 이러한 오염 이온들을 토양(100)을 오염 내지 손상시키고 오염된 농작물을 생산하게 하거나 생산량을 떨어뜨리는 문제를 해결하기 위해 본 발명과 같은 구성을 가지는 시스 템으로 토양(100)을 복원하고자 하는 것이다.

일반적인 토양에는 중금속, 방사능 물질, 독성 음이온과 같은 무기 오염물질과 아세트산, 석유탄화수소, 할로겐과 비할로겐 탄화수소와 같은 유기 오염물질, 염류이온 등이 있으나, 본 발명에서는 재배지 시설물에서 주로 비료의 사용으로 다량 검출되는 염류이온(Ca2+, Na+, K+, Cl-, NO3- 등)을 제거하는 토양복원 시스템에 관한 것이나, 그 밖의 오염이온을 제거할 수 있음은 물론이다.

도 3에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 전기동력학(Electrokinetic)을 이용한 토양 복원 시스템은 재배지 시설 하부 토양 중심에는 중앙 전극 모듈(110)를 형성하고, 시설물 외부 측면에는 수로관 내부에 측면 전극이 장착되어 일체형으로 형성된 측면 전극 모듈(120)을 위치시켜 전압 또는 전류를 인가하는 경우 중앙 전극을 중심으로 전기장이 대칭되게 대향시킨다. 즉, 측면 전극 및 중앙 전극의 극성을 서로 반대로 하여 배치하여 전기장을 형성하는 것이고, 극성은 양 또는 음극을 선택적으로 취할 수 있음은 물론이다.

도 3에 나타난 본 발명에 따른 토양 복원 시스템 구성은 전극 및 오염이온의 제거 통로인 수로관을 일체화시킴으로써, 시스템의 설치 및 보수를 용이하게 할 수 있고, 전극에 인가되는 높은 전압 또는 전류 때문에 발생될 수 있는 감전 사고를 방지할 수 있는 장점이 있다. 즉, 수로관의 하우징은 비전도성 물질로 이루어져 전극 및 전해질 용액으로부터 누전 전류를 차단할 수 있게 되고, 모듈로부터 전극의 탈착이 용이하여 시스템 고장 시 수리가 간편할 뿐만 아니라 그 설치가 용이해 진다.

이와 같은 구성을 통하여 오염 이온 제거 프로세스를 보다 상세히 살펴보면(도 6 참조), 먼저 재배지 토양(100)에 일정 수분을 함유하게 할 수 있도록 함수율을 조절하고(S100), 재배지 토양(100) 내에 있는 오염 이온들이 녹아 해리된 상태로 존재하게 되는 상태에서 양 전극에 전압 또는 전류를 인가하게 되면(S200) 전기장으로 인하여 양이온은 음극으로 이동하고 음이온은 양극으로 이동시킨다.(S300) 그리고 나서, 오염이온들이 축적된 각 전극 모듈의 용액을 배출되게 함으로써(S400) 토양을 복원 시키게 된다.

이러한 이온의 이동을 전기영동이라고 하고, 전기영동에 의해 이온의 농도구배가 형성되고 물 또는 콜로이드 입자이 이동이 유도되는 것을 전기 삼투라고 한다. 즉, 본 발명에 따른 시스템은 전기영동과 전기 삼투에 의하여 오염이온들을 양극 및 음극의 전극 주변으로 이동 축적시켜 물과 함께 배출시킴으로써, 오염이온을 제거하는 토양 복원 시스템이다.

여기서 전극은 스테인레스 스틸 또는 금속산화물을 재질로 하는 것이 바람직한데, 이는 전극이 전해질 용액 또는 물과 계속적으로 접촉하게 되어 산화가 일어나 부식되기 쉽기 때문에, 산화가 잘 일어나지 않는 불용성 물질을 재질로 하는 것이 바람직하다.

또한, 각 전극(115,125)은 판형일 수 있으나, 보다 바람직하게는 다공성 판형이거나, 메쉬 판형인 것이 바람직하다. 이는 일반적인 판형보다 표면적이 넓어 극성에 따른 이온의 이동을 쉽게 하여 오염이온의 제거 효율이 높아지기 때문이다.

도 4는 본 발명에 따른 토양 복원 시스템의 구성요소인 전극 모듈의 형상을 예시한 도면이다. 도 4에 나타낸 바와 같이 판형(도 4(a)), 다공성 판형(도 4(b)), 메쉬 판형(도 5(b)) 등이 전극으로 채용할 수 있다.

다공성 판형(도 4(b)) 전극 또는 메쉬 판형(도 4(c)) 전극은 일반적인 판형보다 표면적이 넓어 전극의 접촉 저항을 줄이게 되고, 전압 또는 전류의 인가로 인한 전극의 발열(heating)을 줄여 전력 효율을 높일 수 있게 된다. 그리고, 수로관의 외부 하우징은 비 전도성 재질로 하는 것이 바람직하다. 그 예로서 PVC 재질인 것도 가능하다. 이는 높은 전압 또는 전류의 인가로 인하여 발생하는 감전의 위험을 방지하고 전극 모듈의 내구성이 높아지기 때문이다.

또한, 도 4에 예시된 전극모듈의 토양과 접촉하는 면은 다공성 셀룰로오스 막으로 형성하는 것이 바람직한데, 이는 토양 입자는 전극모듈 내부로 들어가지 못하게 하고 이온이나 물만을 이동 내지 통과시키도록 하여 오염 이온의 제거 효율을 높이기 때문이다.

함수율 제어 수단은 적어도 하나의 물 분사부(130)와, 함수율 측정장치(135)로 구성되는데, 함수율 측정장치(135)가 토양의 함수율을 측정하고, 가장 효율이 높은 적정한 함수율 범위가 아닌 경우 물 분사부(130)를 통하여 물을 공급할 수 있도록 함으로써, 해당 토양의 함수율을 제어할 할 수 있다. 즉, 토양에 일정한 양의 수분이 존재하여 토양 표면에 흡착된 이온들을 액상으로 녹여 전기장에 의해 이동이 가능 할 수 있도록 토양 내 함수율 및 Permeability 조절 제어가 가능한 수단이다.

여기서 물 분사부는 도 3에 도시된 바와 같이 토양의 상부에 위치하여 분사 할 수 있을 뿐 아니라, 토양의 내부에 다공성 파이프관을 설치하여 분사할 수 있음은 물론이다.(도시하지 않음)

전기동력학적 토양 복원 프로세스의 효율에 영향을 미치는 주요한 토양의 특성으로는 화학적, 광물학적, 구조적 특성들과 제타전위, 그리고 함수량 등을 들 수 있는데, 함수량(포화도)은 전기삼투유량을 좌우하여 결국에는 공정효율에 영향을 준다. 전기동력학적 프로세스 중에는 음의 공극압이 발생하여 토양 내에서 공극수의 분포가 불규칙하게 되거나 또는 고화(consolidation)되는 지역이 생성될 수 있다. 음의 공극압은 pH, 전기장의 세기, 그리고 제타전위가 토양 내에서 국지적으로 달라지면서 불규칙한 전기 삼투유량을 초래하여 발생 할 수 있다.

이러한 토양의 불규칙한 함수량의 분포는 토양 내 전기저항을 증가시키는 것은 물론이고 오염물질의 이동에도 악영향을 초래하게 되어 공정효율에 영향을 미치게 되므로, 본 발명에서는 함수율 제어수단을 통하여 함수율 및 분포를 적정하게 함으로써, 오염이온 제거 효율을 높이는 것이 가능하다.

도 3에 나타낸 바와 같이, 재배지 토양에 포함된 이온의 농도를 측정할 수 있는 이온 농도 측정수단을 더 포함하는데, 이것은 오염 이온의 농도를 측정하는 수단으로, 제거효율에 영향을 주기 때문에 그 농도를 측정하여 제어할 수 있도록 구성된 것이다.

오염이온의 농도(즉, 오염물질의 농도)가 토양의 흡착능이나 이온교환능 이상으로 충분히 있게 되면 제거효율은 높게 나타나지만, 오염물질의 농도가 낮아서 토양에 의한 흡착이나 이온교환 또는 표면반응 등에 의해 이동도가 낮게 되면 공정 효율을 감소하게 된다. 공정효율은 제거 대상인 오염물질의 농도뿐만 아니라 토양 내 존재하는 다른 화학종들의 농도에도 영향을 받게 된다. 비제거대상인 화학종들의 농도가 제거 대상인 오염물질의 농도보다 높게 존재하면 오염물질에 대한 전기 효율이 감소하게 되고 따라서 제거대상인 오염물질에 대한 제거효율이 감소하게 된다.

그러므로, 도 3에 나타난 단말기(155)와 연결된 재배지 토양의 오염 이온들의 농도를 측정할 수 있는 이온 농도 측정수단을 구비하여 전기효율 및 제거효율을 높일 수 있게 된다.

그리고, 도 3에 나타난 바와 같이 재배지 토양과 각 전극 모듈(110,120)의 인접면에는 용액의 투과성이 용이한 다공성 셀룰로스막으로 분리 연결되고, 경우에 따라 셀룰로스막 앞면(전극셀 방향)에 이온 교환막을 장착할 수도 있다. 이렇게 함으로써, 이온의 이동도를 높여 제거효율을 높일 수 있게 된다.(도시하지 않음)

또한, 각 전극 모듈의 수로관의 폭은 0.5 내지 1m 인 것이 바람직하고, 수로관의 깊이는 0.3 내지 0.5m인 것이 바람직하다. 이와 같은 깊이와 폭을 갖는 수로관를 형성함으로써, 전극으로 이동된 오염이온들을 효율적으로 제거 및 배수 시킬 수 있다. 물론 재배지의 면적에 따라 적정한 수로관의 깊이와 폭을 갖을 수 있음은 물론이다.

더하여, 양 전극(115, 125) 주변을 채우는 전해질의 pH 농도를 정적하게 제어하기 위하여 전해질 유량 제어수단을 구비하는데, 이는 오염 이온들의 이동도를 증가시키기 위한 목적으로 pH와 제타전위를 조절하고 탈착반응을 촉진시키며 전기 삼투유량을 증가시키기 위하여 양극과 음극 전해질 용액의 전해질 유량을 조절할 수 있기 때문이다.

또한, 양극 및 음극에 전압 또는 전류를 인가하는 경우, 음극에는 pH가 높아지고 양극에는 pH가 낮아지게 되는데, 본 발명에서는 pH 농도 구배가 높아지는 경우, 양극 및 음극의 극성을 교번하여 pH 농도를 제어함으로써, 오염이온의 이동도 및 제거효율을 높일 수 있게 된다. 즉, pH 농도 측정 수단을 통하여 수로에 채워져 있는 용액의 pH 농도를 측정하고, 측정된양극의 pH 농도의 차이가 특정 범위 이상인 경우 양 극의 극성을 변화시켜 농도 구배를 떨어뜨리는 방법으로 pH 농도를 조절하게 된다.

한편, 도 3에 도시된 바와 같이, 중앙 전극(115) 및 측면 전극(125)에는 전류 또는 전압을 인가할 수 있는 전원(150)이 전극과 연결되어 있는데, 적정한 전압 또는 전류의 인가는 암페어미터(amperemeter)(A)와 볼테지미터(voltagemeter)(V)를 통해서 가장 제거효율인 높은 전압 또는 전류를 인가할 수 있게 된다.

도 3에 나타난 전원(150)은 DC 전압을 인가할 수 있을 뿐만 아니라, 펄스형 전압 및 교류형 전압을 인가할 수 있는 장치이다. 일반적으로 일체형 전극 모듈을 이용한 통양 복원 시스템에서는 DC 전압 또는 전류를 인가하는 것이 일반적이나, 복원해야 할 재배지 토양의 면적이 넓은 경우 높은 전력을 요구되고, 오염이온의 토양 내에서 이동속도가 느리다는 단점이 있었다.

이러한 점을 개선하기 위해서 본 발명에 따른 일 실시예로서 펄스형 전압, DC 전압, AC 전압을 혼합하여 도 5에 나타난 파형을 인가함으로써, 전력 및 제거 속도 효율을 높일 수 있게 된다.

즉, 종래의 DC나 pulse의 경우, 한 방향으로 전압 또는 전류를 공급하는 형태이고, pulse는 전류 on/off 개념으로서, DC만 공급할 때보다 에너지 감소 및 시간 단축의 효과가 있는 것으로 알려져 있기 때문에 본 발명의 실시예의 경우, pulse와 DC/AC를 결합하고 , 이를 패턴화 시킴으로써 효율을 극대화 하게 된다. 도 5에 나타낸 바와 같이, 펄스형 전압, DC형 전압 및 AC형 전압을 차례로 인가하여 에너지 효율을 높이고 제거효율을 높일 수 있게 된다. 도 5에 예시된 인가전압의 패턴은 하나의 예시일 뿐 그 패턴이 한정되는 것은 아니다.

상세하게는 종래의 DC 전압 인가에 의하여 한 극성으로 계속 유지하면, 전극 주변 (특히, cathode) 에 부산물이 생기고 이로 인해 전류 흐름을 방해하여 저항 상승의 요인으로 작용할 수 있으나, 도 5에 나타난 본 발명의 실시예와 같은 역pulse 혹은 AC를 걸어줌으로써 부산물 생성을 억제할 수 있고, 생성된 부산물을 제거하는 데도 효과가 있게 된다.

그러므로, 본 발명을 제공하게 되면 오염원 이동을 원활히 하고, 토양 내 pH의 구배를 완화하여 pH 조절이 용이해 질뿐만 아니라, 토양의 저항열에 의해서 토양이 건조 되면 이온 이동 시 저항 상승의 원인이 될 수 있으나, AC 또는 펄스형 전압을 인가함으로써, 휴지 기간을 일정 제공하게 되어 토양의 건조를 막을 수 있게 된다.

이와 같이 본 발명에 따른 일체형 전극 모듈을 이용한 토양 복원 시스템 및 그 방법은 종래의 2 전극 구조가 아닌 토양의 중심에서 양쪽 및 중앙으로 오염 이 온들을 이동 시켜 제거할 수 있도록 하여 낮은 전력으로 제거 효율을 높일 수 있고, 전극 간 전위차를 분산 시켜 대면적의 재배지 토양 복원에도 적용할 수 있게 된다.

도 1은 전기동력학적 오염토양 복원기술의 기본원리를 도식적으로 나타낸 도면,

도 2는 종래의 동전기 오염 토양 복원 시스템을 도시한 구성 블록도,

도 3은 본 발명에 따른 일체형 전극 모듈을 이용한 토양 복원 시스템에 관한 측면 구성을 예시한 도면,

도 4는 본 발명에 따른 토양 복원 시스템의 구성요소인 전극 모듈의 형상을 예시한 도면,

도 5는 본 발명에 따른 일 실시예의 전압을 인가하는 파형을 나타낸 것으로서, 펄스형 전압, DC 전압, AC 전압을 혼합한 형태를 나타낸 도면,

도 6은 본 발명에 따른 일체형 전극 모듈을 이용한 토양 복원 방법의 흐름도를 예시한 도면이다.

[도면의 주요 부분에 대한 설명]

100 : 토양, 110 : 중앙 전극 모듈, 115 : 중앙 전극,

120 : 측면 전극 모듈, 125 : 측면 전극, 130 : 물 분사부,

133 : 재배지 시설물, 135 : 함수율 측정장치, 150 : 전원,

155 : 단말기

Claims

전기 동력학에 의한 토양 복원 시스템에 있어서,

재배지 양 측면 외부 토양에 형성된 직선형 측면 수로관의 내부에 측면 전극이 설치된 측면 전극 모듈;

상기 재배지 토양 중앙에 위치하고, 상기 측면 수로관과 평행한 직선형 중앙 수로관의 내부 중앙에 상기 측면전극과 극성이 반대인 중앙 전극이 설치된 중앙 전극 모듈; 및

상기 중앙 및 측면 전극에 전압 또는 전류를 인가할 수 있는 전원을 포함하고, 상기 중앙 및 양 측면 수로관은 비 전도성 재질로 이루어진 것을 특징으로 하는 일체형 전극 모듈을 이용한 토양 복원 시스템.
제1항에 있어서,

상기 중앙 및 측면 전극의 형상은 다공성 판형인 것을 특징으로 하는 일체형 전극 모듈을 이용한 토양 복원 시스템.
제1항에 있어서,

상기 중앙 및 측면 전극의 형상은 메쉬 판형인 것을 특징으로 하는 일체형 전극 모듈을 이용한 토양 복원 시스템.
제1항에 있어서,

상기 중앙 및 측면 수로관의 재질이 PVC 인 것을 특징으로 하는 일체형 전극 모듈을 이용한 토양 복원 시스템.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 재배지 토양의 함수율을 제어할 수 있는 함수율 제어수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 일체형 전극 모듈을 이용한 토양 복원 시스템.
제5항에 있어서,

상기 함수율 제어수단은 상기 재배지 토양의 함수율을 측정할 수 있는 함수율 측정 장치 및 상기 토양에 수분을 공급하는 물 분사부를 포함하는 것을 특징으로 하는 일체형 전극 모듈을 이용한 토양 복원 시스템.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 재배지 토양에 포함된 이온의 농도를 측정할 수 있는 이온 농도 측정수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 일체형 전극 모듈을 이용한 토양 복원 시스템.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 재배지 토양과 인접한 전극 모듈의 경계면은 다공성 셀룰로오스 막인 것을 특징으로 하는 일체형 전극 모듈을 이용한 토양 복원 시스템.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 중앙 전극은 스테인레스 스틸 또는 금속산화물을 적어도 하나의 재질로 하는 것을 특징으로 하는 일체형 전극 모듈을 이용한 토양 복원 시스템.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 전원은 펄스형, AC 및 DC 전압 중 적어도 하나를 인가할 수 있는 것을 특징으로 하는 일체형 전극 모듈을 이용한 토양 복원 시스템.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 전극 주변을 둘러싸는 수용액의 pH 농도를 측정하고, 상기 측정값에 따라 전해질 유량을 조절하는 유량 조절수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 일체형 전극 모듈을 이용한 토양 복원 시스템.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 전극 주변을 둘러싸는 수용액의 pH 농도를 측정하고, 상기 측정된 양 및 측면 전극 간 pH 농도의 차이가 미리 정해진 범위를 넘는 경우 상기 양 및 측면 전극의 극성을 교번시켜 pH를 조절하는 pH 조절수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 일체형 전극 모듈을 이용한 토양 복원 시스템.
(a) 재배지 하부 토양의 수분을 조절하는 단계;

(b) 상기 재배지 하부 토양의 중앙 및 양 측면 외부에 설치된 수로관 및 전극이 일체형으로 형성된 전극모듈과 연결된 전원을 통하여 전압 또는 전류를 인가하는 단계;

(c) 상기 전압 또는 전류의 인가로 인하여 상기 재배지 하부 토양에 녹아 있는 양 또는 음의 이온을 상기 측면 또는 중앙 전극 모듈 내부로 이동 시키는 단계; 및

(d) 상기 측면 또는 중앙 전극 모듈에 인입된 상기 이온들을 포함하는 용액을 배출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 일체형 전극 모듈을 이용한 토양 복원 방법.
제13항에 있어서,

상기 (a) 단계는 상기 토양의 함수율 값을 측정하고, 상기 측정된 함수율 값에 따라 적어도 하나의 물 분사 수단으로 상기 토양에 물을 분사하여 함수율을 조절하는 단계인 것을 특징으로 하는 일체형 전극 모듈을 이용한 토양 복원 방법.
제13항에 있어서,

상기 토양은 염류 직접 토양으로서, 상기 양 또는 음의 이온은 염류 이온인 것을 특징으로 하는 일체형 전극 모듈을 이용한 토양 복원 방법.
제13항에 있어서,

상기 (b) 단계에서 전압은 펄스형, AC 및 DC형 전압을 혼합하여 인가하는 것을 특징으로 하는 일체형 전극 모듈을 이용한 토양 복원 방법.
제13항에 있어서,

상기 (c)단계는 상기 수로의 pH 농도를 측정하여 전해질의 유량을 조절하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 일체형 전극 모듈을 이용한 토양 복원 방법.
제13항에 있어서,

상기 전극 주변의 용액의 pH 농도를 측정하는 단계 및 상기 측정된 중앙 및 측면 전극 간 pH 농도의 차이가 미리 정해진 범위를 넘는 경우 상기 양극의 극성을 교번하여 전압 또는 전류를 인가하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 일체형 전극 모듈을 이용한 토양 복원 방법.