KR20150100292A

KR20150100292A - 마이크로파를 이용한 토양오염 제거 방법

Info

Publication number: KR20150100292A
Application number: KR1020140021917A
Authority: KR
Inventors: 최희철; 이태진
Original assignee: 한국토양복원기술(주)
Priority date: 2014-02-25
Filing date: 2014-02-25
Publication date: 2015-09-02
Also published as: KR101621291B1

Abstract

본 발명은 마이크로파를 이용한 토양오염 제거 방법에 관한 것이다. 상기 마이크로파를 이용한 토양오염 제거 방법은, 오염 토양의 함수량을 측정하는 단계; 측정된 함수량이 15% 이하일 경우 오염 토양에 수분을 공급하여 함수량을 15 내지 25%로 조절하는 단계; 오염 토양에 마이크로파를 조사하는 단계; 상기 마이크로파를 조사하는 동안 주기적으로 오염 토양에 수분을 공급하는 단계; 를 포함한다.
이러한 구성에 따르면, 마이크로파의 전력과 오염 토양의 함수량을 고려하여 효율적으로 신속하게 토양오염을 제거할 수 있는 마이크로파를 이용한 토양오염 제거 방법을 제공할 수 있다.

Description

마이크로파를 이용한 토양오염 제거 방법 {Method for remediating contaminated soils by microwave}

본 발명은 마이크로파를 이용한 토양오염 제거 방법에 관한 것이다.

기존의 토양오염 문제는 중금속 오염이 중심이었으나, 최근에는 유기화합물에 의한 오염 역시 큰 문제가 되고 있다. 이들은 토양 내에서 물리화학적 특성과 이동성에 따라 다른 거동을 보이는데, 유기화합물은 토양 심층부 및 지하수층까지 분포하면서 토양이나 지하수를 오염시키고 있는 것으로 나타났다. 토양오염을 유발할 가능성이 있는 시설 및 부지로는 폐기물 매립지, 유류 및 유해화학물질 저장시설, 광산지역, 과거 군부대 주둔 지역 등이 있다.

일반적으로 적용되고 있는 토양복원기술은 토양증기추출법, 생물학적 정화법, 소각, 열탈착, 화학적 산화 등이 적용되고 있으며, 이 중 열탈착 공법은 준 휘발성 물질을 단시간에 처리가 가능하고 오염토양복원에 효율적으로 적용이 가능한 공법으로 입증된 바 있다. 열탈착 공법은 특히 오염지역이 생물학적 처리기술의 적용이 어려운 고농도인 경우 타 공법에 비해 공정 운전에 대한 신뢰도가 높고 처리효율이 뛰어나며 복합 처리 연계가 수월한 공정으로 알려져 있다.

열탈착 공정은 적용되는 온도에 따라 고온 열탈착과 저온 열탈착으로 구분될 수 있으며 휘발성 물질의 열탈착 공법의 적용은 400℃ 이하에서 운전되는 저온 열탈착 방법이 경제성 측면에서 잇점이 있다고 보고된 바 있다. 열탈착 공법의 열원으로는 직가열, 열풍, 또는 마이크로파 조사 등의 방법들이 있으며, 이 중 마이크로파 가열방식은 피가열물이 발열체가 되는 내부 가열방식으로, 조사되는 에너지가 피가열물에만 흡수되므로 열효율이 높은 특징이 있다.

마이크로파는 300Mhz에서 300Ghz까지의 전자파를 가지며, 가열원리는 이온 전도와 쌍극자 회전에 의한 것이다. 이온전도는 마이크로파 전기장이 매질의 자유 이온을 공격하게 되고 이들 자유이온이 이온화되지 않는 분자와 충돌하여 열이 발생되는 원리이다. 쌍극자 회전은 전기적으로 중성인 극성물질이 가지는 양극과 음극의 극이 마이크로파의 진폭변화에 따라 회전하게 되며, 이때 분자간의 마찰로 인해 물질이 가열하게 되는 원리이다.

마이크로파 조사기법은 고형매질로의 우수한 투과율 및 열적 효과 발생에 따라 다른 물리적 처리법의 조사에 의한 정화기법들(예를 들어 전자빔, UV 등)에 비해 토양에의 적용성이 뛰어나고, 장비 제작 및 현장 적용이 우수하여, 고효율, 저비용 처리가 가능한 기술이다.

이러한 장점에도 불구하고 마이크로파를 이용한 토양오염의 효율적인 제거를 위해서는 다른 여러 조건이나 변수를 고려하고 적절한 작업환경을 설정하는 등 추가적인 연구가 필요하다.

대한민국 등록특허 제10-1267249호

따라서, 본 발명은 상기 사정을 감안하여 발명한 것으로, 오염된 토양의 함수율, 마이크로파의 전력 등을 고려하여 효율적으로 신속하게 토양오염을 제거할 수 있는 마이크로파를 이용한 토양오염 제거 방법을 제공하고자 함에 목적이 있다.

전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 의하면, 마이크로파를 이용한 토양오염 제거 방법은, 오염 토양의 함수량을 측정하는 단계; 측정된 함수량이 15% 이하일 경우 오염 토양에 수분을 공급하여 함수량을 15 내지 25%로 조절하는 단계; 오염 토양에 마이크로파를 조사하는 단계; 상기 마이크로파를 조사하는 동안 주기적으로 오염 토양에 수분을 공급하는 단계; 를 포함한다.

또한, 상기 마이크로파의 전력은 300W이다.

또한, 상기 오염 토양에 마이크로파를 조사하는 단계에서, 오염 토양은 개구가 형성된 격자형 칸막이에 의해 구획된다.

또한, 상기 오염 토양에 마이크로파를 조사하는 단계에서, 상기 격자형 칸막이에 바이브레이터가 연결되어 상기 바이브레이터로부터 상기 격자형 칸막이로 진동이 전달된다.

또한, 상기 주기적으로 오염 토양에 수분을 공급하는 단계에서는, 상기 격자형 칸막이를 따라 장착된 수분 공급관에 형성된 다수의 분사구를 통해 수분이 공급된다.

본 발명에 따르면, 오염된 토양의 함수량, 마이크로파의 전력 등을 고려하여 효율적으로 신속하게 토양오염을 제거할 수 있는 마이크로파를 이용한 토양오염 제거 방법을 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실험에서 오염 토양의 함수량을 달리하여 시간의 경과에 따른 온도 상승을 나타내는 그래프이다.
도 2는 본 발명의 실험에서 마이크로파의 전력에 따른 TPH 제거량을 나타내는 그래프이다.
도 3은 본 발명의 실험에서 시간의 경과에 따른 오염 토양의 함수량과 온도를 나타내는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 실험에서 오염 토양 내 수분을 보충할 때 시간의 경과에 따른 오염 토양의 TPH 제거량과 온도를 나타내는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 마이크로파를 이용한 토양오염 제거 방법의 실시예를 도시하는 도면이다.

이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 구성 및 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다. 여기서 각 도면의 구성요소들에 대해 참조부호를 부가함에 있어서 동일한 구성요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호로 표기되었음에 유의하여야 한다.

본 발명에서는 오염된 토양의 함수율, 마이크로파의 전력 등을 고려하여 효율적으로 신속하게 유류오염토양의 오염을 제거할 수 있는 방법에 대한 연구를 진행하였다.

본 실험을 위해 사용된 토양시료는 50∼70 Mesh의 분포를 가진 모래질 표준토양(SIGMA-ALDRICH)을 사용하였다. 표준토양의 함수량(중량비)은 0.02 내지 0.03% 였으며 밀도는 2.63g/cm³ 이였다. 표준토양의 입경분포 및 물리화학적 성상은 표 1에 나타난 바와 같다.

성분	화학적 분석(%)	입경 분포	비율(%)
SiO₂	99.778
Fe₂O₃	0.026	+50 Mesh	1.8
Al₂O₃	0.051	+60 Mesh	62.5
TiO₂	0.025	+70 Mesh	33.4
CaO	<0.01	+80 Mesh	2.2
MgO	<0.01	-80 Mesh	0.1

본 실험에서 사용된 열탈착 실험장치에서 마이크로파는 0∼1kW 범위에서 출력이 가능하도록 설계되었다.

오염 토양의 석유계 총탄화수소(Total Petroleum Hydrocarbon; TPH)는 각각 16,600, 33,200, 49,800, 66,400, 그리고 83,000mg/kg이였다. 함수율에 따른 TPH의 변화를 살펴보기 위해 토양의 함수비를 단계적으로(5, 10, 15, 20, 25 그리고 30%) 조정하여 실험하였으며, 마이크로파의 전력은 각각 100, 300, 500, 700W로 적용하여 반응시킨 후 토양 내 TPH 잔류량을 분석하였다.

TPH 분석은 토양오염공정시험법에 준하여 토양에 소량의 추출용매(DCM-Dichloro methane, Junsei Chemical, Japan)를 주입하여 TPH를 추출한 후 가스 크로마토그래피(Gas Chromatography, GC-17A, Shimazu, Japan)를 이용하여 추출액을 분석하였다.

실험 결과, 인위적으로 수분이 공급된 표준토양의 온도변화와 수분공급이 되지 않은 표준토양에서 온도변화는 뚜렷한 차이가 나타났다.

인위적 수분의 첨가가 없는 표준토양(0.03% 이하의 함수율)에서 100∼700W로 마이크로파가 5분 동안 공급되었을 때 토양시료의 최종온도가 50℃에서 105℃로 측정되었다. 700W를 제외하고 온도가 100℃를 넘지 못하였으며 최종온도에 도달하기까지 토양 내 온도의 상승이 완만하게 증가하는 양상을 나타내었다.

토양 내 함수량을 20%로 조정하여 마이크로파를 5분 동안 조사하였을 때, 최종 온도의 변화는 수분이 공급되지 않은 경우와 차이가 나지 않았으나, 온도의 상승이 반응 초반부터 급격히 나타나며 2분 이내 최종온도에 도달하는 것을 볼 수 있었다. 이는 마이크로파를 조사함에 따라 극성을 가지는 물 분자가 회전하게 되며, 이때 분자간의 마찰로 인해 물질이 가열되는 원리에 의한 것으로 유류오염 토양의 마이크로파 조사를 통한 열탈착 처리를 수행하기 위해서는 토양의 함수량이 매우 중요한 변수라는 것을 나타낸다.

마이크로파 조사에 의한 오염 토양의 처리에 있어서 적정 함수량을 산출하기 위해 5∼30%로 조성된 수분함량을 가지는 표준토양을 일정한 전력으로 마이크로파를 조사하였다.

도 1은 본 발명의 실험에서 오염 토양의 함수량을 달리하여 시간의 경과에 따른 온도 상승을 나타내는 그래프이다.

도 1에 나타난 바와 같이 함수량이 25%인 경우까지는 토양 내 수분함량이 증가할수록 온도의 상승이 가파르게 나타났으나 그 이상의 함수량을 가질 경우 토양 내 온도의 상승이 오히려 저하되는 양상을 나타내었다. 따라서 마이크로파 적용에 있어서 적정 함수량은 15 내지 25%, 바람직하게는 20%인 것으로 판단되었다.

도 2는 본 발명의 실험에서 마이크로파의 전력에 따른 TPH 제거량을 나타내는 그래프이다.

마이크로파 전력에 따른 디젤 오염된 토양의 열탈착 양상을 살펴보기 위해 표준토양에 디젤을 인위적으로 주입하여 TPH 초기 농도를 16,600, 33,200, 그리고 66,400mg/kg으로 맞춘 후 전력량을 100, 300, 500, 700W로 공급하고 5분 동안 마이크로파를 조사하여 각각의 TPH의 제거량을 확인하였다.

도 2에 나타나는 바와 같이 모든 농도에서 낮은 범위의 전력량이(100∼300W) 공급되었을 때 공급되는 전력량 대비 TPH 제거량이 확연히 차이가 있었으나, 300∼700W가 공급되는 영역에서는 전력의 공급이 늘어남에도 TPH 제거량에 차이가 크지 않음을 알 수 있었다.

따라서, 적정 전력량을 선정하기 위한 본 실험의 경우 경제성을 고려하였을 때 300W 이상에서는 소모된 전력에 비해 그 제거 농도의 차이가 크지 않음에 따라 300W가 최적 조건인 것을 확인할 수 있었다.

도 3은 본 발명의 실험에서 시간의 경과에 따른 오염 토양의 함수량과 온도를 나타내는 그래프이다.

본 실험에서는 오염 토양의 마이크로파 적용이 함수율과 직접적인 상관관계가 있음을 고려하여 마이크로파 조사가 진행되는 과정에서 토양의 함수량과 온도의 변화 양상을 시간에 따라 관찰하여 보았다.

토양의 초기 함수비는 20%로 하였고 300W의 전력이 공급되었으며 초기 TPH를 약 33,000 mg/kg로 설정하였다. 도 3에 나타난 바와 같이 초기 20%의 함수량은 반응이 지속됨에 따라 점진적으로 낮아졌으며 반응이 지속된 6분 후 토양 내 온도는 150℃까지 상승한 후 감소하였다. 토양 내 TPH는 반응이 시작한 초기에 급속한 제거양상을 보이다가 약 60%의 최종 제거율을 보이며 평형상태에 도달한 것을 알 수 있다.

반응 후 토양의 함수율은 5% 이내였으며, 온도는 최고 150℃에서 100℃이하로 낮아졌고, 최종 TPH 제거율은 약 60%로 나타났다. 이는 마이크로파의 조사에 따라 물분자의 회전마찰에 의해 온도의 상승이 일어나고, 상승한 온도에 의해 디젤과 같은 휘발성 유기물질의 탈착이 일어남을 상기할 때, 마이크로파 조사와 더불어 수분의 증발이 일어나고 함수율이 낮아짐에 따라 온도도 낮아지고 이에 따라 토양 내 TPH 탈착이 더 이상 진행되지 않았음을 보여준다. 따라서, 보다 효과적인 TPH 제거를 위해 토양 내 함수량을 일정하게 유지하여 주는 것이 중요하다는 것을 알 수 있었다.

도 4는 본 발명의 실험에서 오염 토양 내 수분을 보충할 때 시간의 경과에 따른 오염 토양의 TPH 제거량과 온도를 나타내는 그래프이다.

마이크로파 조사가 진행되는 동안 토양 내 수분을 보충하여 토양 내 함수량을 일정하게 유지하였을 때 토양 내 TPH 탈착이 효과적으로 나타나는지 확인하기 위한 추가적인 실험을 진행하였다. 토양의 초기 함수비는 20%로 하였고 300W의 전력이 공급되었으며, 초기 TPH 농도를 약 17,000 mg/kg로 설정하였다.

마이크로파 조사 시간이 일정 시간을 지나면서 발생되는 열에 의해 토양 내 함수율이 떨어지므로 매 1분마다 추가적인 수분의 공급으로 토양의 함수율이 20%가 유지될 수 있도록 하면서 TPH의 변화 양상을 살펴보았다.

도 4에 나타난 바와 같이 마이크로파 조사 후 약 5분이 지나면서 약 50%의 TPH 제거량을 나타내며 정상상태에 도달하는 것으로 관찰되었으나, 추가적인 수분이 공급됨에 따라 약 75% TPH의 제거가 완료되어 25%의 추가적인 TPH 제거가 진행되었음을 알 수 있었다.

이는 마이크로파를 조사하고 주기적으로 수분을 공급하여 오염 토양의 함수량을 일정하게 유지함에 따라 오염 토양 내 TPH의 탈착을 유도할 수 있는 온도가 지속적으로 유지되어 TPH 제거 효율이 상승할 수 있음을 의미한다.

실시예

이하에서는, 상기의 실험 결과를 바탕으로 본 발명의 마이크로파를 이용한 토양오염 제거 방법을 설명하기로 한다. 도 5는 본 발명의 마이크로파를 이용한 토양오염 제거 방법의 실시예를 도시하는 도면이다.

먼저, 오염 토양(1)의 함수량을 측정한다. 이때, 오염 토양(1)은 유류로 오염된 토양이 될 수 있다.

다음에, 측정된 함수량이 15% 이하일 경우 오염 토양(1)에 수분을 공급하여 함수량을 15 내지 25%, 바람직하게는 20%로 조절한다. 오염 토양(1)의 함수량은 통상 15% 이하인 경우가 대부분이며, 만일 측정된 함수량이 25%를 초과할 경우에는 수분 공급없이 마이크로파 조사를 진행하거나 일정 시간 동안 건조시켜 함수량이 25% 이하가 되게 한 후 마이크로파 조사를 진행할 수 있다.

이때, 오염 토양(1)은 개구(111)가 형성된 격자형 칸막이(110)에 의해 구획될 수 있다. 이러한 격자형 칸막이(110)에 의해 다수의 구획된 공간(S)이 형성되고, 각각의 구획된 공간(S)에는 오염 토양(1)이 구획되어 위치된다. 개구(111)는 각각의 구획된 공간(S)을 통한 오염 토양(1)의 이동을 가능하게 하고, 다른 가스의 이동을 가능하게 한다. 개구(111)의 크기나 수는 당업자가 적절히 선택할 수 있다. 예를 들어, 개구(111)의 지름은 수 mm에서 수 cm까지 될 수 있다.

격자형 칸막이(110)에는 연결부(115)를 통해 수분 공급관(120)이 장착될 수 있다. 이러한 수분 공급관(120)은 각각의 구획된 공간(S)을 둘러싸도록 위치되어, 전체 수분 공급관(120)을 통해 수분의 공급이 가능하도록 하나로 연결된 유로를 형성하게 된다. 수분 공급관(120)에는 오염 토양(1)에 수분을 공급하기 위한 분사구(121)가 다수 개 형성될 수 있다. 각각의 분사구(121)는 구획된 공간(S)으로 물을 분사할 수 있도록 구획된 공간(S)의 중앙을 향하도록 형성된다.

오염 토양(1)에 수분을 공급할 때는, 수분 공급관(120)에 형성된 각각의 분사구(121)를 통해 전체적으로 골고루 수분을 공급할 수 있게 된다.

다음에, 오염 토양(1)에 마이크로파를 조사한다. 마이크로파의 전력은 상기 실험 결과에 따라 300W가 될 수 있다. 오염 토양(1)은 격자형 칸막이(110)에 의해 구획되어 각각의 독립된 공간 속에 분리되어 위치되므로 마이크로파의 조사가 효율적으로 이루어질 수 있고, 격자형 칸막이(110)에 형성된 개구(111)를 통해 수분이나 가스의 배출이 원활하게 될 수 있다.

오염 토양(1)에 마이크로파를 조사하는 동안, 격자형 칸막이(110)에는 바이브레이터(130)가 연결될 수 있다. 이러한 바이브레이터(130)로부터 격자형 칸막이(110)로 진동이 전달되고, 이러한 진동은 구획된 공간(S)에 위치하는 오염 토양(1)으로 전달될 수 있다. 오염 토양(1)으로 전달되는 진동은 마이크로파를 조사하는 동안 토양 입자를 흔들면서 토양 입자들 사이에 공간이 생기게 하여 마이크로파의 조사와 수분이나 가스의 배출이 원활하게 이루어지게 한다.

다음에, 마이크로파를 조사하는 동안 주기적으로 오염 토양(1)에 수분을 공급한다. 예를 들어, 마이크로파를 조사하는 동안 1 내지 3분 간격으로 오염 토양(1)에 수분을 공급할 수 있다. 오염 토양(1)에 수분을 주기적으로 공급함으로써 오염 토양(1)의 함수량을 15 내지 25%, 바람직하게는 20% 수준으로 유지할 수 있다.

이때, 수분 공급관(120)에 형성된 각각의 분사구(121)를 통해 오염 토양(1)에 전체적으로 골고루 수분을 공급할 수 있다. 또한, 분사구(121)를 통해 오염 토양(1)에 수분을 공급하는 동안 격자형 칸막이(110)로 진동이 전달되어, 이러한 진동이 분사구(121) 및 오염 토양(1)으로 전달되도록 할 수 있다. 분사구(121)로 전달되는 진동은 분사구(121)의 분사방향을 약간씩 변경시켜 수분이 오염 토양(1)으로 골고루 전달되도록 할 수 있다. 또한, 오염 토양(1)으로 전달되는 진동은 마이크로파를 조사하는 동안 토양 입자를 흔들면서 토양 입자들 사이에 공간이 생기게 하여 마이크로파의 조사와 수분이나 가스의 배출이 원활하게 될 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 마이크로파를 이용한 토양오염 제거 방법에 따르면, 오염 토양(1)에 마이크로파를 조사하는 동안 주기적으로 수분을 공급함으로써 오염 토양(1)의 함수량을 일정하게 유지시켜 가장 효율적이면서도 신속하게 토양오염을 제거할 수 있다. 또한, 오염 토양(1)의 개구(111)가 형성된 격자형 칸막이(110)에 의해 구획되고 바이브레이터(130)에 의해 진동이 오염 토양(1)으로 전달되어, 마이크로파의 조사와 수분이나 가스의 배출이 원활하게 이루어질 수 있다.

본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고 본 발명의 기술적 요지를 벗어나지 아니하는 범위 내에서 다양하게 수정 또는 변형되어 실시될 수 있음은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어서 자명한 것이다.

1 : 오염 토양
110 : 격자형 칸막이
111 : 개구
115 : 연결부
120 : 수분 공급관
121 : 분사구
130 : 바이브레이터

Claims

마이크로파를 이용한 토양오염 제거 방법에 있어서,
오염 토양의 함수량을 측정하는 단계;
측정된 함수량이 15% 이하일 경우 오염 토양에 수분을 공급하여 함수량을 15 내지 25%로 조절하는 단계;
오염 토양에 마이크로파를 조사하는 단계;
상기 마이크로파를 조사하는 동안 주기적으로 오염 토양에 수분을 공급하는 단계;
를 포함하는 마이크로파를 이용한 토양오염 제거 방법.
제1항에 있어서,
상기 마이크로파의 전력은 300W인 마이크로파를 이용한 토양오염 제거 방법.
제1항에 있어서,
상기 오염 토양에 마이크로파를 조사하는 단계에서, 오염 토양은 개구가 형성된 격자형 칸막이에 의해 구획되는 마이크로파를 이용한 토양오염 제거 방법.
제3항에 있어서,
상기 오염 토양에 마이크로파를 조사하는 단계에서, 상기 격자형 칸막이에 바이브레이터가 연결되어 상기 바이브레이터로부터 상기 격자형 칸막이로 진동이 전달되는 마이크로파를 이용한 토양오염 제거 방법.
제4항에 있어서,
상기 주기적으로 오염 토양에 수분을 공급하는 단계에서는, 상기 격자형 칸막이를 따라 장착된 수분 공급관에 형성된 다수의 분사구를 통해 수분이 공급되는 마이크로파를 이용한 토양오염 제거 방법.