KR20150047350A

KR20150047350A - 토양수 자동 채취 장치

Info

Publication number: KR20150047350A
Application number: KR1020130127328A
Authority: KR
Inventors: 심연식; 이진수; 박관인; 박미정; 김중열; 황인호
Original assignee: 한국광해관리공단
Priority date: 2013-10-24
Filing date: 2013-10-24
Publication date: 2015-05-04

Abstract

본 발명의 토양수 자동 채취 장치는, 오염 토양으로부터 토양수를 채취하기 위한 토양 용액채취기(110); 상기 토양 용액채취기(110) 내부에 부압(negative pressure)을 설정하고, 유지하도록 해주는 부압 설정부(120); 상기 토양 용액 채취기(110)에서 채취된 토양수를 분석용 용기로 주입시키고, 분석한 후 배출시키는 유동 시스템부(130); 및 상기 토양 용액채취기(110), 상기 부압 설정부(120) 및 상기 유동 시스템부(130)를 제어하는 제어부(160)를 포함하는 기술을 제공함에 기술적 특징이 있다.

Description

토양수 자동 채취 장치{AUTOMATIC SAMPLING DEVICE FOR SOIL PORE WATER}

본 발명은 토양수 자동 채취 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 토양 용액 채취기 내부의 부압 상태 및 토양수 포집 여부를 모니터링 하여, 자동으로 원하는 시간에 토양수를 채취할 수 있는 토양수 자동 채취 장치에 관한 것이다.

광산 주변의 오염원으로, 일반적으로 채광활동으로 인한 광산폐기물, 선광 및 제련과정에서 발생되는 광물찌꺼기, 제련 시 사용되는 화학약품, 갱구에서 유출되는 산성 갱 내수, 광산폐기물 적치장에서 유출되는 침출수 등을 들 수 있다.

이러한 광산에서 유래된 오염물질 이를테면, 주요 오염중금속인 Cu, Cd, Pb, Zn, As 등이 토양으로 유입되면, 토양 오염을 유발해 심각한 환경오염 문제를 야기시킬 뿐만 아니라, 이러한 토양 특히 농경지에서 생육하는 식물체에게 직접 생육피해를 주거나 축척되어 최종적으로 이들을 이용하는 인간의 건강과 생명까지 피해를 미친다.

따라서 토양오염에 따른 중금속에 의한 오염이 일어나는지에 대한 모니터링을 수행하여, 토양오염실태와 오염추세 등의 확인이 필요한 실정이다. 또한 광산 활동과 관련하여 오염된 토양을 복원한 농경지는 복원사업에 대한 검증을 위해 토양 및 토양수 등을 주기적으로 채취하고 분석할 필요성이 있다.

하지만 종래의 전형적인 토양오염도 조사 및 관리 작업방식은 작업자가 현장에서 토양시료나 토양수를 채취하여 실험실로 가져와 전처리 후 분석하여 자료를 얻고, 관리자가 통합 관리하는 일련의 작업으로 인해 토양오염도 실태를 파악하기까지 상당한 비용과 시간이 소요되곤 하였다.

따라서 신속하고 효율적인 토양 내 오염물질의 거동 특성을 모니터링 할 수 있는 새로운 시스템 구축이 필요하다. 식물은 생장에 필요한 대부분의 영양분을 토양수에서 흡수하기 때문에 토양수 중의 농도가 토양 중의 농도보다 금속의 생물학적 이용도와 독성에 관련된 정보를 파악하기가 더욱 유용해 토양수를 분석하는 것이 합리적이다.

한편 종래 기술에 의할 때, 목적 심도에 토양수 채취기를 설치한 후, 휴대용 진공펌프를 이용하여 토양수 채취기 내부를 부압 상태로 만든 후, 일정시간이 지난 후 토양수 채취기 내에 수집된 토양수를 채취하여 실험실로 가져와 분석을 수행하였다.

하지만 종래 기술은, 토양수 채취를 위해 매번 현장을 방문해야 하며, 토양수 채취시기를 알지 못하고, 채취된 시료를 실험실로 가져와 분석해야 하는 불편한 점이 있었다.

또한 종래 기술은, 다공질 용기에 부압을 걸어주고 일정시간이 지난 후에 채취기 내의 토양수 채취 여부, 부압 상태 및 토양수의 채취시기에 대한 정확한 정보를 알 수 없었고, 이로 인해 시료 채취를 위한 현장 방문 시기를 결정하는데 어려움이 있었다.

대한민국 등록특허 제10-0730289호

본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 토양 용액 채취기 외부 토양의 수분함량, 내부의 부압 상태 및 토양수 포집 여부를 모니터링 하여, 자동으로 원하는 시간에 토양수를 채취할 수 있는 토양수 자동 채취 장치를 제공하는데 있다.

상기 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명에 따른 토양수 자동 채취 장치는, 오염 토양으로부터 토양수를 채취하기 위한 토양 용액채취기(110); 상기 토양 용액채취기(110) 내부에 부압(negative pressure)을 설정하고, 유지하도록 해주는 부압 설정부(120); 상기 토양 용액 채취기(110)에서 채취된 토양수를 분석용 용기로 주입시키고, 분석한 후 배출시키는 유동 시스템부(130); 및 상기 토양 용액채취기(110), 상기 부압 설정부(120) 및 상기 유동 시스템부(130)를 제어하는 제어부(160)를 포함하는 기술을 제공한다.

본 발명은 현장 방문 없이도 토양 용액 채취기 내의 부압상태를 제어할 수 있고, 토양수 채취시기에 대한 정확한 정보를 알 수 있을 뿐만 아니라, 원격으로도 토양수 채취를 할 수 있는 기술적 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 토양수 자동 채취 장치를 나타낸 것이다.

이하에서는 본 발명의 구체적인 실시예를 도면을 참조하여 상세히 설명하도록 한다.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 토양수 자동 채취 장치(100)는 토양 용액채취기(110), 부압 설정부(120), 유동 시스템부(130), 전원부(140), 통신부(150) 및 제어부(160)를 포함하여 구성된다.

토양 용액채취기(110)는 직경 40 ~ 50mm 정도의 PVC 파이프로 실린더 형상을 하며, 상부 면에는 에폭시 몰딩(epoxy molding)된 캡(cap)으로 덮여 있고, 하부 면에는 다공성 필터층(111) 및 채집된 토양수 층(112)을 포함한다.

다공성 필터층(111)은 토양 용액채취기(110)의 끝단에 위치하며, 다공성 필터가 부착되어 있어서, 이를 토양수를 채취하고자 하는 적절한 심도에 위치시키고 부압(negative pressure)을 걸어주면, 원하는 시간에 토양공극수가 다공성 필터를 통과해 내부로 침투하게 되어 토양수를 획득할 수 있게 해준다.

토양수 층(112)은 내부로 침투된 오염 토양 물질이 용액형태로 누적되어 형성되는 토양수의 부피 층을 나타낸다.

이하 초음파 센서(10)를 이용하여 초음파 센서(10)의 위치로부터 토양수 층(112)까지의 거리(d)를 측정하여 토양수 채취시기를 결정하는 기술에 대해 설명한다.

토양 용액채취기(110)의 상부 면에는 초음파 센서(10)가 부착되어 있는데, 초음파 센서(10)에서 초음파를 짧은 단속음으로 토양수 층(112)을 향하여 발사한 후 토양수 층(112)에 부딪혀 반사되어 되돌아오는 시간을 측정하여, 토양수 층(112)까지의 거리(d)를 계산한다.

이 경우, 측정된 거리(d)는 토양수 층(112)의 부피에 따라 달라지므로, 측정된 거리(d)를 통해 채취된 토양수 층(112)의 양을 알 수 있고, 이를 통해 사용자가 토양수의 채취시기가 적합한 지를 결정할 수 있게 된다.

한편 바람직하게는 FDR(Frequency Domain Reflectometry) 센서(20)를 다공성 필터층(111)의 일 측면에 설치하여, 3 ~ 100MHz 대역의 고주파를 이용하여 토양 내 유전율 정도에 따라 측정회로 내에 걸리는 주파수 영역에서 콘덴서에 걸리는 정전용량(Electric capacity)을 측정하여 토양용액채취기(110) 주변 토양의 습도를 확인하며, 이외에도 전기전도도, 온도를 동시에 측정한다.

부압 설정부(120)는 진공펌프(121), 솔레노이드 밸브(122) 및 압력계(123)를 포함하여 구성된다.

진공펌프(121)는 펌핑 작동에 의해 토양 용액 채취기(110) 내부에 부압(negative pressure)이 걸리도록 해주어, 외부의 오염 토양 물질이 다공성 필터층(11)으로 침투되도록 해준다.

이 경우 먼저 토양용액채취기(110) 내부의 압력이 진공펌프 작동 시작압력(설정가능 범위는 0 ~ -75kPa로 이를 테면, -50kPa) 이하일 경우, 진공펌프(121)를 작동시켜 토양용액채취기(110) 내부에 부압이 걸리도록 하며, 내부 부압을 진공펌프 작동 정지압력(설정가능 범위는 0 ~ -75kPa로 진공펌프 작동 시작압력보다 낮게 설정함, 이를테면 ??70kPa)까지 부압을 걸어줌으로써, 외부의 토양오염물질이 다공성 필터층(111)으로 침투되도록 해준다.

솔레노이드 밸브(122)는 전기가 통하면 플랜지가 올라가 밸브가 열리고, 전기가 차단되면 플랜지 무게에 의하여 자동적으로 밸브가 닫히는 전자 밸브로서, 토양 용액 채취기(110)와 진공펌프(121)를 연결하는 제1 유로(L1) 상에 위치하며, 제1 유로(L1) 상의 공기의 유동을 막아줌으로써, 진공펌프(121)의 작동에 의해 설정된 부압이 장기간 유지되도록 해준다.

압력계(123)는 제1 유로(L1) 상에 설치되며, 토양 용액 채취기(110) 내부의 압력을 측정하며, 사용자가 측정된 압력을 통해 적정한 압력이 유지되고 있는 지를 체크하여, 현장 방문 없이도 토양 용액 채취기(110) 내의 부압 상태를 원격으로 제어할 수 있도록 해준다.

유동 시스템부(130)는 다수 개의 연동펌프, 소형 밸브 등으로 구성되며, 제2 유로(L2)를 통해 토양 용액 채취기(110)의 토양수 층(112)으로부터 채취된 토양수를 여러 개의 분석용 용기로 주입시키고, 주입된 토양수의 pH, 전기 전도도(EC), 온도(T) 및 중금속 함량 등을 분석하며, 분석이 완료되면 사용된 시료를 외부로 배출시킨다.

전원부(140)는 외부의 태양광 발전시스템을 이용해 대략 12V 전압을 생성하도록 태양 전지(solar cell)를 구비하며, 생성된 전압은 전원이 필요한 장치들에게 공급된다.

통신부(150)는 외부의 원격 모니터링 시스템과 통신을 수행하기 위한 것으로서, 시리얼통신(RS232)을 기반으로 한 유무선 통신을 사용할 수 있는데, 이를테면 유선통신 방식으로 고속 전력선 통신(PLC), 저속 전력선 통신(PLC), 이더넷(Ethernet) 통신 등이 포함되고, 무선통신 방식으로 시디엠에이(Code Division Multiple Access, CDMA), 지그비(Zigbee), 알에프(RF), 와이파이(WiFi) 등이 포함된다.

제어부(160)는 MCU(Micro Controller Unit)으로 구성되며, 토양 용액 채취기(110), 부압 설정부(120), 유동 시스템부(130), 전원부(140) 및 통신부(150)의 전반적인 동작을 제어함으로써, 토양수 채취, 시료 유동, 토양수 분석, 시료 배수 등의 작업이 이루어지도록 해준다.

이상에서는 본 발명에 대한 기술사상을 첨부 도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 본 발명의 기술적 사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.

110 : 토양 용액 채취기
120 : 부압 설정부
121 : 진공펌프
122 : 솔레노이드 밸브
123 : 압력계
130 : 유동 시스템부
140 : 전원부
150 : 통신부
160 : 제어부
10 : 초음파 센서
20 : FDR 센서

Claims

오염 토양으로부터 토양수를 채취하기 위한 토양 용액채취기(110);
상기 토양 용액채취기(110) 내부에 부압(negative pressure)을 설정하고, 유지하도록 해주는 부압 설정부(120);
상기 토양 용액 채취기(110)에서 채취된 토양수를 분석용 용기로 주입시키고, 분석한 후 배출시키는 유동 시스템부(130); 및
상기 토양 용액채취기(110), 상기 부압 설정부(120) 및 상기 유동 시스템부(130)를 제어하는 제어부(160)를 포함하는 것을 특징으로 하는 토양수 자동 채취 장치.
제 1항에 있어서, 상기 토양 용액채취기(110)는,
하부 면에 상기 오염 토양이 침투될 수 있도록 다공성 필터가 부착되고,
상부 면에 상기 다공성 필터를 통해 내부로 침투된 오염 토양으로부터 형성된 토양수까지의 거리를 측정하는 초음파 센서(10)가 부착되어 있는 것을 특징으로 하는 토양수 자동 채취 장치.
제 1항에 있어서, 상기 부압 설정부(120)는,
펌프를 작동시켜 상기 토양 용액 채취기(110) 내부에 부압(negative pressure)이 걸리도록 해주는 진공펌프(121);
상기 토양 용액 채취기(110)와 상기 진공펌프(121)를 연결하는 제1 유로(L1) 상에 위치하며, 상기 제1 유로(L1) 상의 공기의 유동을 막아줌으로써, 상기 부압 상태를 유지시키는 솔레노이드 밸브(122); 및
상기 제1 유로(L1) 상에 설치되며, 상기 토양 용액 채취기(110) 내부의 압력을 측정하는 압력계(123)를 포함하는 것을 특징으로 하는 토양수 자동 채취 장치.
제 1항에 있어서,
상기 토양 용액 채취기(110)의 일 측면에 설치되며, 상기 토양 용액 채취기(110) 주변 토양에 대한 습도, 전기전도도, 온도를 측정하기 위한 FDR(Frequency Domain Reflectometry) 센서(20)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 토양수 자동 채취 장치.
제 1항에 있어서,
외부의 태양광 발전시스템을 이용해 태양 전기를 생성하는 전원부(140)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 토양수 자동 채취 장치.
제 1항에 있어서,
외부의 원격 모니터링 시스템과 통신을 수행하기 위한 통신부(150)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 토양수 자동 채취 장치.
제 6항에 있어서, 상기 통신부(150)는,
시디엠에이(Code Division Multiple Access, CDMA), 지그비(Zigbee), 알에프(RF), 와이파이(WiFi) 중 어느 하나의 무선통신 방식을 사용하는 것을 특징으로 하는 토양수 자동 채취 장치.
제 6항에 있어서, 상기 통신부(150)는,
고속 전력선 통신(PLC), 저속 전력선 통신(PLC), 이더넷(Ethernet) 중 어느 하나의 유선통신 방식을 사용하는 것을 특징으로 하는 토양수 자동 채취 장치.