KR100545544B1 - Removal of Contaminants in Aquifers Using Surfactants - Google Patents

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Abstract

본 발명은 공기 주입법에 의한 대수층 내 오염물질의 제거방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로는 대수층에 계면활성제를 미리 첨가한 다음 공기 또는 산화제가 포함된 공기를 주입하는 것을 특징으로 하는 대수층 내 오염물질의 제거방법에 관한 것이다. The present invention relates to a method for removing contaminants in aquifer by air injection. More specifically, the present invention relates to a method for removing contaminants in aquifers, which comprises adding a surfactant to the aquifer in advance and then injecting air or air containing an oxidant.

본 발명에 의하면, 계면활성제의 첨가로 표면장력이 낮아진 대수층에 공기 또는 오존 등 산화제가 포함된 공기를 주입함으로써 주입기체의 포화율 및 침투영역을 향상시키고, 이를 통해 대수층 내 오염물질의 제거효율을 향상시키는 효과가 있다. According to the present invention, the saturation rate and penetration region of the injected gas are improved by injecting air containing an oxidizing agent such as air or ozone into the aquifer with the surface tension lowered by the addition of a surfactant, thereby improving the efficiency of removing contaminants in the aquifer. There is an effect to improve.

환경복원, 지하수복원, 공기주입법, air sparging, 대수층, 계면활성제, 휘발성 유기화합물, 유류오염, Non-aqueous phase liquid, NAPLEnvironmental restoration, groundwater restoration, air injection, air sparging, aquifer, surfactant, volatile organic compounds, oil pollution, non-aqueous phase liquid, NAPL

Description

계면활성제를 이용한 대수층 내 오염물질의 제거방법 {Method for Removing Organic Pollutants from Aquifer Using Surfactant} Method for Removing Organic Pollutants from Aquifer Using Surfactant}             

도 1은 본 발명에 따른 실험의 전체적인 구조를 도시한 것이다. 도 1(a)는 모래칼럼이 설치된 공기주입 시스템을 나타낸 것이고, 도 1(b)는 공기를 쉽게 통과시키는 공기 통로가 구비되고 모래가 채워진 이차원 모래상자의 배치를 나타낸 것이다. Figure 1 shows the overall structure of the experiment according to the present invention. Figure 1 (a) shows the air injection system is installed sand column, Figure 1 (b) shows the arrangement of the sand-filled two-dimensional sand box is provided with an air passage for easily passing the air.

도 2는 본 발명에서 사용된 미세 모래의 수분 보유곡선을 나타낸 것이다. 실선들은 7.16x10-2N/m 및 식 1 내지 3에 기초하여 감소된 표면장력에 대한 예측되는 곡선을 나타낸 것이다. Figure 2 shows the water retention curve of the fine sand used in the present invention. Solid lines show the predicted curve for reduced surface tension based on 7.16 × 10 −2 N / m and Equations 1-3.

도 3은 모래칼럼 실험의 결과를 보여준다. 도 3(a)는 공기 포화시 공기 유속 및 물의 표면장력의 영향을 나타낸 것이고, 도 3(b)는 주입 실험시 측정되는 공기 압력(p g )을 나타낸 것이다. r는 물의 밀도이고, g는 중력가속도이다. Figure 3 shows the results of the sand column experiment. Figure 3 (a) shows the effect of the air flow rate and the surface tension of the water at the time of air saturation, Figure 3 (b) shows the air pressure ( p g ) measured during the injection experiment. r is the density of water and g is the acceleration of gravity.

도 4는 공기유속 15cm3/min에서 측정된 물의 표면장력과 공기 포화도의 기능적인 관계를 도시한 것이다. 공기 포화도는 도 3(a)에 나타난 곡선에 따라 측정된 것이다. 4 shows the functional relationship between the surface tension of water and air saturation measured at an air flow rate of 15 cm 3 / min. Air saturation is measured according to the curve shown in FIG.

도 5는 포화된 지대와 불포화된 지대 사이의 경계가 안정화된 후에 측정된 각기 다른 물의 표면장력에서 불포화(주입) 지대의 영역을 도시한 것이다. 실선은 상자의 Plexiglas wall을 통하여 보이는 공기 채널을 나타낸다. 공기 유속은 400 cm3/min이고, 표면장력은 N/m 단위로 (a)는 7.16x10-2, (b)는 5.68x10-2, (c)는 5.24x10-2 및 (d)는 4.60x10-2인 경우를 나타낸 것이다. FIG. 5 shows the areas of unsaturated (injection) zones in the surface tension of different waters measured after the boundary between saturated and unsaturated zones has stabilized. The solid line represents the air channel seen through the Plexiglas wall of the box. Air flow rate is 400 cm 3 / min, surface tension in N / m (a) is 7.16x10 -2 , (b) is 5.68x10 -2 , (c) is 5.24x10 -2 and (d) is 4.60 It shows the case of x10 -2.

도 6은 각기 다른 표면장력에서 공기를 쉽게 통과시키는 공기통로를 구비한 모래상자에서의 공기주입에 의한 불포화 영역의 확장을 나타낸 것이다. Figure 6 shows the expansion of the unsaturated region by air injection in a sandbox with air passages through which air passes easily at different surface tensions.

발명의 분야Field of invention

본 발명은 공기 주입법에 의한 대수층 내 오염물질의 제거방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 대수층에 계면활성제를 첨가한 다음 공기 또는 산화제가 포함된 공기를 주입하는 것을 특징으로 하는 대수층 내 오염물질의 제거방법에 관한 것이다. The present invention relates to a method for removing contaminants in an aquifer by air injection, and more particularly, to remove a contaminant in an aquifer by adding a surfactant to the aquifer and then injecting air containing air or an oxidant. It is about a method.

발명의 배경Background of the Invention

공기 주입법은 지하수에 용해되어 있는 휘발성 유기오염물질(VOCs, Volatile Organic Compounds)이나 물과 섞이지 아니하는 NAPL(nonaqueous phase liquid)을 물리적으로 휘발 제거하기 위한 기술이다. 현장에서 직접 실시되는 공기 주입법은 전통적인 지하수 처리기법인 펌핑-처리(pump and treat)에 비하여 여러 가지 장점을 갖고 있으므로 최근에 들어 집중적으로 연구되고 있다. Air injection is a technique to physically volatilize volatile organic pollutants (VOCs) dissolved in groundwater or NAPL (nonaqueous phase liquid) that does not mix with water. In-situ air injection methods have recently been intensively studied because they have several advantages over the conventional groundwater treatment, pump and treat.

공기 주입법은 종래의 방법에 비하여 현장에 대한 적용이 쉽고, 폐수의 발생이 적으며, 장치 및 운전비용이 적게 들고, 실시 중 지하수에 산소를 공급하는 기능까지 하여 유기 오염물질을 분해하는 미생물의 활성을 증대하는 효과가 있다(Loden, M.E., A technology assessment of soil vapor extraction and air sparging. U.S. Environ. Prot. Agency, Off. Res. & Dev., Washington, DC, EPA/600/R-92/173, 1992; USEPA, A citizen' guide to air sparging. U.S. Environ. Prot. Agency, Off. Solid Waste Emergency Response, Washington, DC, EPA/542/F-92/010, 1992; Hinchee, R.E. In Air Sparging for Site Remediation; Hinchee, R.E. Ed.; Lewis Publishers: Boca Raton, FL ,pp 1-13, 1994; Johnson, R.L. et al., Ground Water Monit. Rem., 13, 127-135, 1993)Compared to the conventional method, the air injection method is easier to apply to the site, generates less waste water, lowers the cost of equipment and operation, and provides the ability to supply oxygen to groundwater during the execution of microorganisms that decomposes organic pollutants. (Loden, ME, A technology assessment of soil vapor extraction and air sparging.US Environ.Prot.Agency, Off.Res . & Dev., Washington, DC, EPA / 600 / R-92 / 173 , 1992; USEPA, A citizen's guide to air sparging.US Environ.Prot.Agency, Off.Solid Waste Emergency Response, Washington, DC, EPA / 542 / F-92 / 010, 1992; Hinchee, RE In Air Sparging for Site Remediation ; Hinchee, RE Ed .; Lewis Publishers: Boca Raton, FL, pp 1-13, 1994; Johnson, RL et al., Ground Water Monit.Rem ., 13, 127-135, 1993)

이 기술은 여러 연구에 의하여 실제로 NAPL로 오염된 지하 대수층의 복원속도를 증대하는 것으로 밝혀지고 있다 (Loden, M.E., A technology assessment of soil vapor extraction and air sparging. U.S. Environ. Prot. Agency, Off. Res. & Dev., Washington, DC, EPA/600/R-92/173, 1992; Johnson, R.L. et al., Ground Water Monit. Rem., 13, 127-135, 1993). This technique has been shown by several studies to actually increase the recovery rate of underground aquifers contaminated with NAPL (Loden, ME, A technology assessment of soil vapor extraction and air sparging.US Environ. Prot. Agency, Off.Res. & Dev., Washington, DC, EPA / 600 / R-92 / 173, 1992; Johnson, RL et al., Ground Water Monit.Rem ., 13, 127-135, 1993).

대수층 뿐 아니라 오염토양도 동시에 처리되어야 할 경우 토양증기추출법 (SVE, Soil Vapor Extraction)이 종종 공기 주입법과 병행하여 실시되기도 한다.Soil Vapor Extraction (SVE) is often performed in parallel with air injection when contaminated soils as well as aquifers are to be treated simultaneously.

공기 주입법은 여러 가지 이점에도 불구하고 현장 적용을 위해서는 몇 가지 극복해야할 문제점들이 있다 (McCray, J.E. & Falta, R.W., J. Contam. Hydrol., 24, 25-52, 1996). NAPL의 투수능이 낮은 지질학적 수평구조(예: 지층) 위에 액체의 형태로 존재하는 경우 공기 주입법에 의하여 대수층의 기저부로 도입된 공기는 NAPL을 휘발 제거시킬 수 없을 만큼 멀리 떨어져 이동할 수 있다. Despite the many advantages of air injection, there are some problems to overcome for field applications (McCray, JE & Falta, RW, J. Contam. Hydrol ., 24, 25-52, 1996). If the NAPL's permeability is present in the form of a liquid on a low geological horizontal structure (eg, strata), air introduced into the base of the aquifer by air injection can travel far enough to volatilize the NAPL.

NAPL로 오염된 대수층의 아랫부분으로 도입된 공기는 부력과 압력구배에 의하여 상향이동하면서 NAPL과 가능한 한 많은 접촉기회를 가져야 하지만 수평층(낮은 투수능의)의 존재에 의하여 NAPL과 도입공기와의 접촉기회가 매우 희박해 질 수 있다. 이와 같이 매우 넓게 분포된 낮은 투수능의 수평지층은 도입공기의 수평이동을 야기하여 오히려 불투수층 아래 존재하는 오염물질을 더욱 확산하게 할 수도 있다. 또 대수층에 도입된 공기는 오염지역을 통하여 이동하기보다는 근처의 공기통로를 통하여 이동할 수도 있다. 특히 균열암반대 등의 지질구조를 갖는 지역에서 이러한 현상은 매우 흔히 발생한다.Air introduced into the lower part of the NAPL-contaminated aquifer should move as far as possible due to buoyancy and pressure gradients to have as much contact as possible with NAPL, but due to the presence of a horizontal layer (low permeability), Contact opportunities can be very slim. This very wide horizontal permeability layer, which is very widely distributed, may cause horizontal movement of the introduced air, but may further diffuse contaminants existing under the impermeable layer. Air introduced into the aquifer can also travel through nearby air passages rather than through contaminated areas. This phenomenon is very common especially in areas with geological structures such as crack rock formations.

지금까지 공기 주입법의 효율에 영향을 미치는 여러 가지 요인들이 연구되었다. 지하 대수층에 존재하는 휘발성 유기화합물의 제거에 영향을 미치는 인자로서 토양매질의 종류, 도입공기의 유속, 공기도입관정간의 거리 등이 연구된 바 있다 (Rogers, S.W. & Ong, S.K., Environ. Sci. Technol., 34, 764-770, 2000; Reddy, K.R. & Adams, J.A., J. Envir. Engrg., 124, 288-299, 1998; Chao, K.P. et al., J. Envir. Engrg., 124, 1054-10606, 1998). 간헐적 공기 도입 기법도 공기 주입법 의 효율을 증대하는 효과적인 방법으로 연구되었다 (Johnson, P.C. et al., Environ. Sci. Technol., 33, 1726-1731, 1999). Several factors have been studied to influence the efficiency of the air injection method. As the factors affecting the removal of volatile organic compounds in the underground aquifer, the type of soil medium, flow rate of the introduced air, and distance between the air inlet pipes have been studied (Rogers, SW & Ong, SK, Environ. Sci. Technol ., 34, 764-770, 2000; Reddy, KR & Adams, JA, J. Envir. Engrg ., 124, 288-299, 1998; Chao, KP et al., J. Envir. Engrg ., 124, 1054-10606, 1998). Intermittent air introduction techniques have also been studied as an effective way to increase the efficiency of air injection (Johnson, PC et al., Environ. Sci. Technol ., 33, 1726-1731, 1999).

전통적인 공기 주입법의 현장 적용사례도 다수 발표되었다(Johnson, P.C. et al., J. Ground Water, 35, 765-774, 1997; Aelion, C.M. & Kirtland, B.C., Environ. Sci. Technol.. 34, 3167-3173, 2000; Johnston, C.D. et al., J. Contam. Hydrol., 59, 87-111, 2002; Ji, W. et al., Ground Water Monit. Rem., 13, 115-127, 1993). 실험실 규모의 지하수 폭기실험을 통하여 균일매질 또는 불균일 매질에서 강제 도입된 공기의 유동형태도 연구된 바 있다(Ji, W. et al., Ground Water Monit. Rem., 13, 115-127, 1993). 또한, 지질 매질내 도입된 공기의 유동 형태를 예측하기 위한 여러 가지 이론적 모델이 제안된 바 있다(Unger, A.J.A. et al., Water Resour. Res., 31, 1913-1925, 1995; Hein, G.L. et al., Ground Water Monit. Rem., 17, 222-230, 1997; McCray, J.E. & Falta, R.W., Ground Water., 35, 99-110, 1997; Philip, J.R., J. Contam. Hydrol., 22, 337-345, 1998; Van Dyke, M.I. & van der Zee, E.A., Water Resour. Res., 34, 341-354, 1998; Elder, C.R. et al., J. Geotech. Geoenviron. Eng., 125, 947-958, 1999).Many field applications of traditional air injection have also been published (Johnson, PC et al., J. Ground Water , 35, 765-774, 1997; Aelion, CM & Kirtland, BC, Environ. Sci. Technol .. 34, 3167 -3173, 2000; Johnston, CD et al., J. Contam. Hydrol ., 59, 87-111, 2002; Ji, W. et al., Ground Water Monit. Rem., 13, 115-127, 1993). . Lab-scale groundwater aeration experiments have also been conducted to determine the type of flow of air forcedly introduced in homogeneous or heterogeneous media (Ji, W. et al., Ground Water Monit. Rem., 13, 115-127, 1993). . In addition, several theoretical models have been proposed for predicting the flow patterns of air introduced into the lipid medium (Unger, AJA et al., Water Resour. Res ., 31, 1913-1925, 1995; Hein, GL et. al., Ground Water Monit.Rem. , 17, 222-230, 1997; McCray, JE & Falta, RW, Ground Water ., 35, 99-110, 1997; Philip, JR, J. Contam. Hydrol ., 22 , 337-345, 1998; Van Dyke, MI & van der Zee, EA, Water Resour.Res ., 34, 341-354, 1998; Elder, CR et al., J. Geotech.Geoenviron. Eng., 125, 947-958, 1999).

이미 언급한 바와 같이 공기 주입법을 현장에 적용하여 기대한 효과를 얻기 위해서는 여러 가지 공학적 문제들을 해결하여야 하는데, 이들 문제는 대부분 매질의 불균일성에 의한 공기흐름의 왜곡현상에서 기인한다. 주어진 오염매질의 물리적인 성질들, 예컨대 지층구조, 토양입경의 불균일성 등은 인위적으로 변화시킬 수 있는 인자들이 아니므로 공기 주입법의 효율을 최대화하기 위하여 취할 수 있는 공학적 접근방법은 매우 제한적이다.As mentioned above, in order to achieve the expected effect by applying the air injection method to the field, various engineering problems must be solved, which are mostly caused by the distortion of the air flow due to the nonuniformity of the medium. The physical properties of a given contaminant medium, such as geological structure, nonuniformity of soil particle size, etc., are not factors that can be artificially changed, so the engineering approach that can be taken to maximize the efficiency of air injection is very limited.

이에 본 발명자들은 표면장력을 조절하는 방법을 공기 주입법에 응용하기 위하여 예의 노력한 결과, 계면활성제를 이용하여 물의 표면장력을 감소시킴으로써 대수층내의 공기 포화율을 증대시키고 공기 침투영역을 향상시키는 방법을 개발하기에 이르렀다. Therefore, the present inventors have made efforts to apply the method of controlling the surface tension to the air injection method, and as a result, to develop a method of increasing the air saturation rate in the aquifer and improving the air penetration area by reducing the surface tension of water using a surfactant. Reached.

본 발명의 목적은 대수층의 표면장력을 감소시켜 대수층에 공기를 강제 주입할 때, 공기포화율 및 공기 침투영역을 향상시켜 오염물질을 효율적으로 제거하는 방법을 제공하는데 있다.
An object of the present invention is to provide a method for efficiently removing contaminants by reducing the surface tension of the aquifer and forcibly injecting air into the aquifer, thereby improving the air saturation rate and the air penetration zone.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 공기 주입법에 의한 대수층 내 오염물질의 휘발 제거방법에 있어서, 상기 대수층에 계면활성제를 첨가한 다음 공기를 주입하는 것을 특징으로 하는 대수층 내 오염물질의 제거방법을 제공한다. In order to achieve the above object, the present invention is a method for removing contaminants in the aquifer by the air injection method, the method of removing contaminants in the aquifer, characterized in that the air is added after the surfactant is added to the aquifer. to provide.

본 발명은 또한, 산화 분해에 의한 대수층 내 오염물질의 제거방법에 있어서, 상기 대수층에 계면활성제를 첨가한 다음, 산화제가 포함된 공기를 주입하는 것을 특징으로 하는 대수층 내 오염물질의 제거방법을 제공한다.The present invention also provides a method for removing contaminants in an aquifer by oxidative decomposition, by adding a surfactant to the aquifer and then injecting air containing an oxidant. do.

본 발명은 또한, 대수층에 존재하는 미생물을 이용한 대수층 내 오염물질의 생물학적 분해 제거방법에 있어서, 상기 대수층에 계면활성제를 첨가한 다음, 공기를 주입하여 상기 미생물을 활성화시키는 것을 특징으로 하는 대수층 내 오염물질의 제거방법을 제공한다.The present invention also provides a method for biodegradation and removal of contaminants in aquifers using microorganisms present in aquifer, in which a surfactant is added to the aquifer and then air is activated to activate the microorganisms. Provides a method for removing material.

본 발명에 있어서, 상기 계면활성제는 비이온계 계면활성제, 음이온계 계면활성제 및 양이온계 계면활성제로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상인 것을 특징으로 할 수 있고, 상기 산화제는 오존인 것을 특징으로 할 수 있으며, 상기 오염물질은 휘발성 유기화합물(VOC) 또는 비수용상 액체(NAPL)인 것을 특징으로 할 수 있다. 상기 NAPL은 물보다 밀도가 높은 비수용상 액체(DNAPL)인 것을 특징으로 할 수 있다.In the present invention, the surfactant may be at least one selected from the group consisting of nonionic surfactants, anionic surfactants and cationic surfactants, the oxidizing agent may be characterized in that the ozone The pollutant may be a volatile organic compound (VOC) or a non-aqueous liquid (NAPL). The NAPL may be a non-aqueous liquid (DNAPL) having a higher density than water.

본 발명에서 사용되는 '대수층'은 지하수가 쉽게 흐를 수 있는 포화지질층을 의미하고, 제한대수층(confined aquifer)과 비제한(unconfined aquifer) 대수층을 포괄하는 개념이다.The term "aquifer" used in the present invention means a saturated geological layer through which groundwater can flow easily, and is a concept encompassing a confined aquifer and an unconfined aquifer.

Burns와 Zhang은 폭기시 표면장력을 조절하는 방법을 제안한 바 있다(Burns, S.E. & Zhang, M., Environ. Sci. Technol., 35, 204-208, 2001). 매우 큰 크기의 유리구슬을 매질로 하여 실험한 결과 공기도입을 위하여 한 개의 구멍을 설치하고 표면장력을 감소시켰을 때, 공기방울과 물간의 접촉면적이 증대하였고 공기방울의 수도 증가하였으며 또한 공기방울의 분포도 감소(균일하게)하였다. Burns and Zhang have proposed a method of controlling surface tension during aeration (Burns, SE & Zhang, M., Environ. Sci. Technol ., 35, 204-208, 2001). As a result of experiments with very large glass beads as a medium, when one hole was installed for introducing air and the surface tension was decreased, the contact area between air bubbles and water increased, and the number of air bubbles also increased. The distribution was also reduced (uniformly).

이 결과는 비록 매우 큰 입경의 유리구슬(직경 > 1cm)을 대상으로 한 실험으로부터 얻은 것이지만, 유사한 결과를 훨씬 작은 입경의 매질, 예를 들어 토양에 대하여서도 응용할 수 있을 것으로 판단된다.Although these results were obtained from experiments with very large particle diameter glass beads (diameter> 1 cm), similar results could be applied to much smaller particle media, eg soil.

입경이 1mm보다 작은 토양에 대하여 물로 포화된 조건에서 도입된 공기는 앞서의 실험결과와 같이, 한 개씩 분리된 공기방울의 형태로서 이동하기보다는 연속적인 공기통로를 형성하여 이동할 가능성이 크다. 공기와 물 사이의 표면장력이 감소하면 보다 많은 공기 통로가 형성될 가능성이 매우 크며 결과적으로 보다 넓은 지역이 폭기의 영향권이 될 가능성도 크다 하겠다. 낮은 표면장력에서는 토양 입자사이의 공극으로 공기가 도입되기 위하여 필요한 임계압력이 낮아지게 되며, 따라서 보다 많은 공극이 공기로 충만하게 되므로 공기포화율이 증가하게 될 것이다.Air introduced under saturated conditions with water for soils smaller than 1mm in diameter is more likely to move in the form of continuous air passages rather than in the form of separate bubbles, one by one, as in the previous experiment. If the surface tension between air and water is reduced, it is very likely that more air passages will be formed, and consequently, larger areas will be more likely to be affected by aeration. At low surface tensions, the critical pressure required to introduce air into the pores between the soil particles is lowered, thus increasing the air saturation rate as more pores are filled with air.

물의 표면장력을 감소함으로서 오염원 지역, 특히 NAPL로서 오염된 대수층의 공기포화율을 증가하는 효과는 매우 유용한 결과를 나타낼 것으로 기대된다. 계면활성제의 의하여 낮아진 표면장력에 의하여 보다 많은 공기통로가 발생하게 되고 공기포화율이 높아지게 되면 NAPL과 공기 사이의 공간이 좁아지게 되어, 결과적으로 NAPL로부터 이동공기로의 물질이동속도가 증가하는 효과를 얻을 수 있다. 공기 포화율이 매우 높아지게 되면 NAPL과 이동공기가 직접 접촉하는 효과를 기대할 수도 있으며, 이 경우 NAPL의 휘발제거는 매우 효율적으로 이루어지게 된다. 계면활성제를 이용하여 대수층의 표면장력을 감소시킨 다음에 실시되는 단일관정 또는 두 개 이상의 관정을 통한 공기의 도입은 대수층 위와 아래, 특히 물보다 비중이 큰 NAPL의 제거를 위한 다수의 빈공간을 생성하는데 매우 효과적이다. By reducing the surface tension of water, the effect of increasing the air saturation rate in contaminated aquifers, particularly NAPLs contaminated with NAPL, is expected to yield very useful results. As the surface tension lowered by the surfactant generates more air passages and the air saturation rate increases, the space between the NAPL and the air becomes narrower. As a result, the speed of mass transfer from NAPL to the moving air increases. You can get it. If the air saturation rate becomes very high, the effect of direct contact between NAPL and moving air may be expected. In this case, volatilization of NAPL is very efficient. The introduction of air through a single well or two or more wells after the surface tension of the aquifer has been reduced with surfactants creates a large number of voids above and below the aquifer, especially for the removal of NAPLs, which are more specific than water. It is very effective.

본 발명에서는 표면장력의 변화와 대수층내 공기포화율간의 상관관계를 정량적으로 고찰하였으며 (1차원 컬럼실험), 폭기의 영향권에 대한 표면장력의 영향도 검증하였다(2차원 상자모델 실험). 또한 불균일한 지질구조의 현장을 모사하기 위하여 인위적으로 조성된 수직형 공기통로를 이용하여 이와 같은 조건에서의 표면장력의 감소효과를 확인하였다.In the present invention, the correlation between the change of surface tension and air saturation rate in aquifer was quantitatively examined (one-dimensional column experiment), and the influence of surface tension on the area of influence of aeration was also verified (two-dimensional box model experiment). In order to simulate the site of non-uniform geological structure, the artificially constructed vertical air passage was used to confirm the reduction of surface tension under these conditions.

수분 보유 곡선(Water retention curve) Water retention curve

지하대수층의 수분 보유곡선은 대수층 매질에 대한 공기도입 압력을 결정하고 특정 공기압에서의 공기포화율을 예측하기 위하여 필수적인 자료이다. 토양(모래)과 같은 다공성 매질에 대한 모세관압력(capillary pressure)과 표면장력(surface tension)과의 상관관계는 다음과 같다(Corey, A.T., Mechanics of immiscible fluids in porous media; Water Resources Publications: Highland ranch, Colorado, 1994; Fetter, C.W., Contaminant Hydrology; Prentice Hall: Upper Saddle River, NJ, pp 210-212, 1999).Water retention curves in underground aquifers are essential data for determining the air inlet pressure for aquifer media and for predicting the air saturation at specific air pressures. The correlation between capillary pressure and surface tension for porous media such as soil (sand) is as follows (Corey, AT, Mechanics of immiscible fluids in porous media ; Water Resources Publications: Highland ranch , Colorado, 1994; Fetter, CW, Contaminant Hydrology ; Prentice Hall: Upper Saddle River, NJ, pp 210-212, 1999).

Figure 112004001386118-pat00001
(1)
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(One)

이때, p c 는 모세관압력 (N/m2), σ 는 표면장력 (N/m), r 과 r' 는 각각 토양내 공극의 반경(m) 및 공극에 형성된 물표면의 반경(m)이며, α는 토양표면에서 공기와 물과 만나는 지점의 공기-물 사이의 각도이다. 모세관압력 p c 는 소수성 유체(non-wetting fluid: 본 실시예에서는 공기)의 압력(p nw )과 친수성 유체(wetting fluid: 본 실시예에서는 물)의 압력(p w )간의 차이, 즉 p c = p nw - p w 로서 정의되며, 모세관압력수두(h c , capillary pressure head)는 모세관압력을 유체간 비중량의 차이로 나눈 수치, 즉 h c = p c / (△ρg)로서 규정되는데, 이때 △ρ는 물과 공기의 밀도의 차이이며, g는 중력가속도이다. 토양(모래)과 같은 다공성매질에 있어서 함수율(S)과 모세관압력 사이에는 다음과 같은 관계가 성립한다(Brooks, R.H. & Corey A.T., J. Irrig. and Drainage., 92, 61-68; van Genuchten, M.T., Soil Sci. Soc. Am. J., 44, 892-898, 1980).Where p c is the capillary pressure (N / m 2 ), σ Is the surface tension (N / m), r and r ' are the radius of the pores in the soil (m) and the radius of the water surface formed in the pores (m), respectively, and α is the air at the point where air and water meet at the soil surface. The angle between the water. The capillary pressure p c is the difference between the pressure p p nw of the non-wetting fluid (air in this embodiment) and the pressure p w of the hydrophilic fluid (water in this embodiment), ie p c. = p nw -defined as p w , the capillary pressure head ( h c ) is the value of the capillary pressure divided by the difference in the specific weight of the fluid, ie h c = p c / (Δρ g ), where Δρ is the difference between the density of water and air, and g is the acceleration of gravity. The relationship between water content ( S ) and capillary pressure in a porous medium such as soil (sand) is established (Brooks, RH & Corey AT, J. Irrig. And Drainage ., 92, 61-68; van Genuchten , MT, Soil Sci. Soc. Am. J. , 44, 892-898, 1980).

Figure 112004001386118-pat00002
(2)
Figure 112004001386118-pat00002
(2)

이 때, S는 함수율(water saturation, 물 부피/토양의 전체 빈공간 부피), S r 은 매우 높은 모세관압력(또는 매우 강한 부압(suction)에서 측정되는 잔류함수율(대개 p c >104Pa, 또는 h c >100cmH 2O에서 측정되는 S)이며, p d 는 최소 공기도입압력 (air entry pressure)이고, λ는 공극의 크기 분포인자이다 (Brooks, R.H. & Corey A.T., J. Irrig. and Drainage., 92, 61-68, 1966).Where S is the water content (water saturation, volume of the entire void volume of the soil), and S r is the residual water content (typically p c > 10 4 Pa, measured at very high capillary pressures (or very strong suction) Or S c measured at h c > 100 cmH 2 O, p d is the minimum air entry pressure and λ is the pore size distribution factor (Brooks, RH & Corey AT, J. Irrig. And Drainage) , 92, 61-68, 1966).

본 발명에 사용된 모래 A의 수분 보유곡선을 도 2에 나타내었다. 도 2는 본 발명에서 사용된 미세 모래의 수분 보유 곡선을 보여준다. 실선들은 7.16x10-2N/m 및 식 1 내지 3에 기초하여 감소된 표면장력에 대한 예측되는 곡선을 나타내는 것이다. The water retention curve of sand A used in the present invention is shown in FIG. Figure 2 shows the water retention curve of the fine sand used in the present invention. Solid lines represent the predicted curve for reduced surface tension based on 7.16 × 10 −2 N / m and equations 1-3.

SDBS가 포함되지 않은 물(표면장력 7.16x102N/m)로 포화된 모래 A에 대한 최소 공기도입압력수두(air entry pressure head, h d )는 Brooks와 Corey의 방법으로 계산하였을 때 24.4cmH2O로 나타났다. 그러나 SDBS를 사용하여 표면장력이 각각 5.03x10－2N/m 및 2.99x10－2N/m로 감소된 SDBS 수용액으로 포화된 모래 A에 대한 h d 는 각각 16.8cmH2O 및 9.4cmH2O로 측정되었다. SDBS water that does not include (surface tension 7.16x10 2 N / m) introducing a minimum air pressure head (air entry pressure head, h d) for the sand is saturated with A 24.4cmH 2 when calculated by the method of Corey and Brooks Appeared as O. However, using SDBS, h d for saturated sand A with an aqueous solution of SDBS with reduced surface tensions of 5.03x10 -2 N / m and 2.99x10 -2 N / m, respectively, was 16.8 cmH 2 O and 9.4 cmH 2 O, respectively. Was measured.

이 수치들은 식 1을 이용하여 예측된 17.1 및 10.2 cmH2O와 거의 일치하므로 모세관 압력이 표면장력에 비례한다는 사실을 나타내는 식 1은 유효하다. 또한 도 2에 나타난 바와 같이, 표면장력이 낮아지면 수분 보유 곡선이 전체적으로 낮은 모세관압력으로 평행이동하는 것이 관찰되었다. 그러므로 일정량의 물을 포화된 토양으로부터 추출하기 위한 압력은 낮은 표면장력에서 보다 적은 압력(또는 부압)을 요구한다. 최소 공기도입압력(p d ')는 다음의 식을 통하여 표면장력과의 상관관계를 표현할 수 있다 (Lenhard, R.J. & Parker, J.C., J. Contam. Hydrol., 1, 407-424, 1987) Equation 1 is valid, indicating that the capillary pressure is proportional to the surface tension because these values are in close agreement with the predicted 17.1 and 10.2 cmH 2 O using Equation 1. In addition, as shown in Figure 2, when the surface tension is lowered it was observed that the water retention curve in parallel to the lower capillary pressure as a whole. Therefore, the pressure for extracting a certain amount of water from saturated soil requires less pressure (or underpressure) at lower surface tensions. The minimum air inlet pressure ( p d ') can be expressed by the following equation (Lenhard, RJ & Parker, JC, J. Contam. Hydrol ., 1, 407-424, 1987).

Figure 112004001386118-pat00003
(3)
Figure 112004001386118-pat00003
(3)

여기에서 σ'은 계면활성제에 의하여 줄어든 표면장력이며, p d '은 원래(SDBS가 적용되지 않았을 때)의 최소 공기도입압력과 표면장력의 비율에 의하여 계산된, 낮은 표면장력에서의 최소 공기도입압력에 해당한다. 도 2에 표면장력 5.03x10－2 N/m 및 2.99x10－2N/m에서 측정된 수분 보유 곡선이 SDBS가 포함되지 않았을 때 측정된 수분 보유 곡선 및 이로부터 예측된 낮은 표면장력에서의 수분 보유 곡선(실선, 도 2)과 동일한 압력척도에서 나타내고 있는데, 예측된 수분 보유 곡선과 실제 측정된 곡선은 거의 완벽하게 겹쳐짐을 알 수 있다.Where σ ' is the surface tension reduced by the surfactant and p d ' is the minimum air inlet at low surface tension, calculated from the ratio of the original air inlet pressure (when SDBS is not applied) to the surface tension. Corresponds to pressure. 2 shows the water retention curve measured when the surface tension measured at 5.03 × 10 −2 N / m and 2.99 × 10 −2 N / m when the SDBS is not included and the water retention at the low surface tension predicted therefrom. It is shown on the same pressure scale as the curve (solid line, Fig. 2), and it can be seen that the predicted water retention curve and the actual measured curve overlap almost perfectly.

본 Tempe pressure cell 실험을 통해, 표면장력의 감소는 곧 토양이 가지는 물 함유능력을 표면장력의 감소율만큼 줄인다는 사실을 증명하였다. 토양의 물리적 구조(또는 조직)가 전혀 변화하지 않는 조건에서 단순히 표면장력의 조절이 함수율에 즉각적이고 효과적인 변화요인으로 작용한다는 사실이 검증되었다. 대수층 폭기 기법 사용시 토양내 공기포화율은 유해 휘발성 유기화합물(VOCs)이나 NAPL의 휘발제거에 결정적인 영향을 미치므로 위 관찰결과는 대수층 폭기기술의 효율향상을 위한 매우 혁신적인 과학적 원리를 제공하고 있다고 볼 수 있다.This tempe pressure cell experiment demonstrated that the reduction of surface tension reduced the water content of the soil by the rate of decrease in surface tension. In the condition that the physical structure (or tissue) of the soil does not change at all, it is proved that simply adjusting the surface tension acts as an immediate and effective change in moisture content. The air saturation rate in the soil when aquifer aeration is critical to the removal of volatile volatile organic compounds (VOCs) or NAPLs, and the above observations provide a very innovative scientific principle for improving the efficiency of aquifer aeration techniques. have.

이하에서는 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 예시하기 위한 것으로서, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지는 않는다 할 것이다. Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples. These examples are only for illustrating the present invention, and the scope of the present invention is not to be construed as being limited by these examples.

실시예 1: 1차원 컬럼 실험Example 1 One-Dimensional Column Experiment

(1) 실험에 사용된 실험재료(1) Experimental materials used in the experiment

1차원 컬럼실험과 2차원 상자실험을 위하여 두 종류의 토양(모래)을 사용하였다. 입경 약 200-500㎛의 균일한 모래(모래 A)와 1-2mm의 입경을 갖는 굵은 모래(모래 B)를 사용하였다. 모래 B는 2차원 상자실험에서 공기통로를 조성하기 위한 용도와, 1차원 컬럼실험에서 컬럼 최하단부에 수 cm 설치하여 하단부로 도입된 공기가 보다 균일하게 컬럼에 도입되도록 하였다. 시약급 SDBS (sodium dodecylbenzene sulfonate)는 일본 Tokyo Kasei Kogyo Co., Ltd.로부터 구입하여 사용하였다. 실험에 사용된 SDBS 수용액의 농도는 모두 SDBS의 CMC(414 ppm)이하였다 (Anwar, A.H.M.F. et al., J. Contam. Hydrol., 43, 129-146, 2000). 실험 전반에 걸쳐 수용액은 모두 이중증류수 (double distilled water)를 사용하였다.Two types of soil (sand) were used for the one-dimensional column experiment and the two-dimensional box experiment. Uniform sand (sand A) having a particle diameter of about 200-500 mu m and coarse sand (sand B) having a particle diameter of 1-2 mm were used. Sand B was used for forming an air passage in a two-dimensional box experiment, and a few cm at the bottom of the column in a one-dimensional column experiment to introduce air introduced at the lower end into the column more uniformly. Reagent grade SDBS (sodium dodecylbenzene sulfonate) was purchased from Tokyo Kasei Kogyo Co., Ltd., Japan. The concentrations of SDBS aqueous solutions used in the experiment were all below CMC (414 ppm) of SDBS (Anwar, AHMF et al., J. Contam. Hydrol., 43, 129-146, 2000). Throughout the experiment, all aqueous solutions used double distilled water.

본 발명에 사용된 실험장치의 개략도를 도 1에 나타내었다. 도 1(a)는 모래칼럼이 설치된 공기주입 시스템에 관한 것이고, 도 1(b)는 공기를 쉽게 통과시키는 공기 통로가 구비되고 모래가 채워진 이차원 모래상자의 배치를 나타낸 것이다. A schematic diagram of the experimental apparatus used in the present invention is shown in FIG. Figure 1 (a) relates to an air injection system with a sand column installed, Figure 1 (b) shows the arrangement of a sand-filled two-dimensional sand box is provided with an air passage for easily passing the air.

실험에 사용된 1차원 컬럼은 Plexiglas 재질로서 내경이 5cm, 길이가 100cm이며, 컬럼의 가장 아랫부분은 모래 B로 약 5cm 정도 충진하였는데, 이는 모래 A의 알갱이가 공기도입 튜브의 구멍을 막는 것을 방지하고, 상층의 모래 B로 공기를 보다 균일하게 도입하도록 하기 위한 것이다. 모래 B는 모래 A의 위에 컬럼의 밑부분으로부터 약 73cm까지 충진하였다. 충진된 모래의 겉보기 밀도는 1.66 gram/cm3이었으며 공극율은 0.36이었다. 1차원 컬럼에 모래를 충진하기 전에 이미 정해진 농도의 계면활성제 수용액을 미리 넣어 충진한 다음, 공극에 공기가 남아있는 것을 원천적으로 차단하였다. 충진이 끝난 후 컬럼내부의 물의 수위는 모래의 위표면에 일치되도록 조절하였다. 공기는 컬럼의 스테인레스 스틸 튜브를 통하여 컬럼의 하단부로부터 도입하였으며, 튜브의 끝(공기도입부)을 컬럼하단부 약 0.5cm에 설치하였다.The one-dimensional column used in the experiment was Plexiglas material with an inner diameter of 5cm and a length of 100cm, and the bottom of the column was filled with sand B by about 5cm, which prevents the grains of sand A from blocking the holes in the air inlet tube. The air is introduced more uniformly into the sand B in the upper layer. Sand B was packed on top of Sand A up to about 73 cm from the bottom of the column. The apparent density of packed sand was 1.66 gram / cm 3 and the porosity was 0.36. Before filling sand in the one-dimensional column, the surfactant solution was filled in advance with a predetermined concentration, and air was originally blocked from remaining in the pores. After filling, the water level in the column was adjusted to match the upper surface of the sand. Air was introduced from the bottom of the column through the stainless steel tube of the column, and the end of the tube (air inlet) was installed about 0.5 cm at the bottom of the column.

(2) 1차원 칼럼 실험 과정(2) One-dimensional column experiment

물로 포화된 1차원 컬럼에 압축공기를 도입함으로써 실험이 개시된다. 도입된 공기는 도입된 공기의 부피에 해당하는 물을 모래 외부로 치환하게 되며, 이 물은 모래층의 상단에 축적되도록 하여 치환된 물의 부피를 측정할 수 있도록 하였다. 도입되는 공기의 압력, 유량, 모래로부터 치환된 물의 양이 안정되면 이를 데이터로 취하고, 다음 실험을 위하여 도입공기의 유량을 증대하였다. 이와 같은 방법으로 하나의 SDBS 농도에서 3-5 가지의 각기 다른 공기유량에서 실험을 반복하였다. 하나의 SDBS 농도에서 일련의 실험이 종료되면, 컬럼을 분해하고 새로운 농도의 SDBS 수용액과 동일한 모래로서 동일한 컬럼을 새롭게 제작하여, 위 실험과 같은 방법으로 실험을 반복하였다. 실험에 사용된 SDBS의 농도 및 각 농도에 대한 표면장력과 도입공기의 유속을 표 1에 나타내었다.Experiments are initiated by introducing compressed air into a one-dimensional column saturated with water. The introduced air replaces the water corresponding to the volume of the introduced air to the outside of the sand, and the water accumulates at the top of the sand layer so that the volume of the replaced water can be measured. When the pressure of the air introduced, the flow rate, and the amount of water substituted from the sand were stabilized, this was taken as data, and the flow rate of the introduced air was increased for the next experiment. In this way, experiments were repeated at 3-5 different air flows at one SDBS concentration. When a series of experiments were completed at one SDBS concentration, the column was decomposed and the same column was newly prepared with the same sand as the new concentration of SDBS aqueous solution, and the experiment was repeated in the same manner as the above experiment. Table 1 shows the concentrations of SDBS used in the experiments and the surface tension and flow rate of the introduced air for each concentration.

본 발명에 사용된 실험조건 Experimental conditions used in the present invention 모델             Model SDBS 농도 mg/L SDBS concentration mg / L 표면장력 x10-2N/mSurface tension x10 -2 N / m 공기유속 cm3/minAir flow rate cm 3 / min 1차원 컬럼  1-dimensional column 모래없음    No sand 0     0 7.16      7.16 5.1/15.0/23.6/31.2   5.1 / 15.0 / 23.6 / 31.2 모래 A     Sand A 0 80 100 200 300     0 80 100 200 300 7.16 4.73 4.67 3.89 3.42      7.16 4.73 4.67 3.89 3.42 4.0/9.4/27.8 4.0/12.3/20.1/36.1 3.2/10.5/16.6/25.7/34.6 1.0/2.3/6.2/13.8/19.7 3.0/7.6/12.2/22.9      4.0 / 9.4 / 27.8 4.0 / 12.3 / 20.1 / 36.1 3.2 / 10.5 / 16.6 / 25.7 / 34.6 1.0 / 2.3 / 6.2 / 13.8 / 19.7 3.0 / 7.6 / 12.2 / 22.9 2차원 상자  Two-dimensional box 균일 모래 A   Uniform sand A 0 45 70 100     0 45 70 100 7.16 5.68 5.24 4.60      7.16 5.68 5.24 4.60 400a 400 a 불균일 모래 A+B Uneven Sand A + B 0 150 400     0 150 400 7.20 3.84 2.89      7.20 3.84 2.89 400a 400 a

a: 공기유속(air flow rate)은 모든 상자실험에서 400cm3/min으로 고정하였음. a : The air flow rate was fixed at 400 cm 3 / min in all box tests.

1차원 모래 컬럼실험의 목적은 표면장력의 변화에 따른 폭기영역내에서의 공기포화율의 변화를 실험적으로 검증하기 위한 것이다. 토양 컬럼으로 도입된 공기는 비교적 좁은 단면적의 컬럼을 강제로 통과하도록 되어 있으므로 컬럼내 존재하는 토양은 모두 대수층 폭기시 폭기영향권의 내부에 존재한다고 가정할 수 있다. 실제 폭기실험중 토양공극내 존재하는 공기의 기포(또는 공기의 통로)를 전체 토양컬럼의 둘레에서 관찰할 수 있었으므로 이 가정은 타당하다고 볼 수 있다.The purpose of the one-dimensional sand column test is to experimentally verify the change of air saturation rate in the aeration zone with the change of surface tension. Since the air introduced into the soil column is forced to pass through the column having a relatively narrow cross-sectional area, it can be assumed that all the soil in the column exists inside the aeration zone during aquifer aeration. It is reasonable to assume that air bubbles (or air passages) in the soil voids can be observed around the entire soil column during the actual aeration experiment.

도 3은 모래칼럼 실험의 결과를 나타낸 것이다. 도 3(a)는 공기 포화시 공기 유속 및 물의 표면장력의 영향을 나타낸 것이고, 도 3(b)는 주입 실험시 측정되는 공기압력(p g )을 나타낸 것이다. r는 물의 밀도이고, g는 중력가속도이다. Figure 3 shows the results of the sand column experiment. Figure 3 (a) shows the effect of the air flow rate and the surface tension of the water at the time of air saturation, Figure 3 (b) shows the air pressure ( p g ) measured during the injection experiment. r is the density of water and g is the acceleration of gravity.

토양 컬럼내의 평균 공기포화율은 폭기후 토양으로부터 추출된 물의 부피를 측정하여 계산하였다. 특정한 표면장력에서는 공기포화율은 공기유속의 함수임이 밝혀졌다 (도 3a). 컬럼내로 도입되는 공기의 유속이 증가할수록 공기포화율도 증가하고, 낮은 표면장력에서 유속의 증가에 따른 공기포화율의 증가가 보다 뚜렷한 것으로 나타났다. 공기포화율은 유속이 어느 정도 수준에 이르면 역시 일정한 수준으로 수렴하는 것으로 관찰되었으며, 이 영역에 해당하는 공기유속은 표면장력이 낮을수록 낮은 것으로 나타났다. 공기유속이 일정하게 유지되었을 때 공기포화율은 표면장력에 반비례하며, 이 효과는 이미 Tempe pressure cell 실험을 통하여 제시된 바 있으나, Tempe pressure cell 실험이 공기이동이 없는 상태에서 이루어졌으나, 컬럼실험을 통하여 공기의 강제도입에 의하여서도 유사한 효과가 발생하는 사실이 증명되었다.The average air saturation in the soil column was calculated by measuring the volume of water extracted from the soil after aeration. At certain surface tensions, air saturation was found to be a function of air flow rate (FIG. 3A). As the flow rate of air introduced into the column increases, the air saturation rate increases, and the increase of the air saturation rate with the increase of the flow rate at low surface tension is more pronounced. The air saturation rate was observed to converge to a certain level when the flow rate reached a certain level, and the air flow rate corresponding to this area was lower as the surface tension was lower. The air saturation rate is inversely proportional to the surface tension when the air flow rate is kept constant. This effect has already been suggested through the Tempe pressure cell experiment, but the Tempe pressure cell experiment was performed in the absence of air movement. A similar effect has been demonstrated by the forced introduction of air.

공기가 물로 포화된 토양에 강제 도입되어 연속적인 공기 phase를 형성하며 흐르기 위해서는 도입공기의 압력이 물의 정압(p ws , static pressure), 토양매질의 모세관압력(p ca ) 및 공기의 흐름에 의한 압력손실의 합보다 큰 압력이어야 한다. To force air into the soil saturated with water to form a continuous air phase, the pressure of the inlet air is determined by the static pressure of the water ( p ws , static pressure), the capillary pressure of the soil medium ( p ca ), and the pressure of the air flow. The pressure must be greater than the sum of the losses.

p g = p ws + p ca + p l + p f + p s (4) p g = p ws + p ca + p l + p f + p s (4)

여기에서 p l , p f 및 p s 는 각각 공기의 흐름에 따른 관(튜빙)에서의 압력손실, 공기도입부에 의한 압력손실 및 토양내 공기 통로에 의한 압력손실을 의미한다. 컬럼실험에서 측정된 도입공기의 압력을 도 3b에 나타내었다. 최초 물로 포화된 토양층의 높이가 73cm이므로 p ws 는 73cmH2O가 되며, 이는 도 3b 그래프의 하단에 수 평선으로 표시되어있다. 모래가 충진되지 않고 물만 담겨져 있는 컬럼실험에서 p g 는 88cmH2O로 측정되었는데, 이는 물의 정압(p ws )과 공기관( p l ) 및 도입부(p f )의 압력손실에 해당한다. 모래 A가 충진된 토양실험에서는 모든 도입공기압력이 88 cmH2O보다 높게 나타났다. 일정한 표면장력에서 공기유속의 증가에 따라 도입공기압력도 약간 증가하는 것으로 나타났으나, 표면장력은 압력의 변화에 큰 영향을 미치지 않는 것으로 나타났다. Where p l , p f and p s mean the pressure loss in the pipe (tubing) according to the flow of air, the pressure loss by the air inlet and the pressure loss by the air passage in the soil, respectively. The pressure of the introduced air measured in the column experiment is shown in FIG. 3b. Since the height of the soil layer saturated with the first water is 73 cm, p ws becomes 73 cmH 2 O, which is indicated by the horizontal line at the bottom of the graph of FIG. 3B. In a column experiment with no sand and only water, p g was measured as 88 cmH 2 O, which corresponds to the static pressure of water ( p ws ) and the pressure drop in the air tube ( p l ) and inlet ( p f ). In the soil test filled with sand A, all the introduced air pressures were higher than 88 cmH 2 O. At constant surface tension, the inlet air pressure also increased slightly with increasing air velocity, but surface tension did not significantly affect the pressure change.

이는 표면장력의 감소에 따라 압력의 증감요인이 동시에 발생하여 서로 상쇄하는 효과 때문인 것으로 풀이된다. 즉 표면장력이 감소하면서 p ca 와 p f 는 감소하는 반면, p s 는 증가하게 되므로, 결과적으로 표면장력 감소에 따른 압력변화가 미미한 것으로 판단된다. 따라서 표면장력이 감소되면 커다란 압력의 증가 없이 공기를 대수층으로 손쉽게 도입할 수 있게 된다.This is due to the effect that the increase and decrease factors of the pressure at the same time as the surface tension decreases to cancel each other. That is, while the surface tension is reduced while reducing ca p and p is f, p s is so increased, it is judged as a result that the pressure changes according to the surface tension reduction insignificant. Therefore, when the surface tension is reduced, air can be easily introduced into the aquifer without a significant increase in pressure.

도 4는 공기유속 15cm3/min에서 측정된 물의 표면장력과 공기 포화도의 기능적인 관계를 도시한 것이다. 공기 포화도는 도 3(a)에 나타난 곡선에 따라 측정된 것이다. 4 shows the functional relationship between the surface tension of water and air saturation measured at an air flow rate of 15 cm 3 / min. Air saturation is measured according to the curve shown in FIG.

실시예 2: 2차원 상자 실험 Example 2: Two Dimensional Box Experiment

(1) 실험에 사용된 실험재료(1) Experimental materials used in the experiment

2차원 상자실험은 두 부분으로 나눠서 실시하였다. 첫 번째 실험은 모래 A 로 균일하게 충진된 상자를 대상으로 실시하였다. 두 번째 상자모델 실험은 상자의 중앙에 세로로 모래 B가 가는 띠 모양으로 설치된 조건에서 실시하였다 (도 1b). 모든 2차원 상자실험에 사용된 상자의 충진도 미리 정해진 계면활성제 수용액이 차있는 상태에서 이루어졌으며, 따라서 충진 후 물로 포화된 층에는 공극내 잔류하는 공기가 존재하지 않았다. 상자모델의 너비는 2cm이었으며 가운데 설치된 모래 B의 띠의 폭은 3.2cm이었다. 상자모델에 대한 공기의 도입은 스테인레스 스틸 재질의 diffuser (Alltech Co., pore size 40㎛, 외경 1.2cm, 길이 2.5cm)를 통하여 이루어졌으며 diffuser는 상자모델의 중앙 하단부에 설치되었다. 상자모델에 사용된 물의 양은 충진된 모래의 상단부 약 6cm를 제외한 모든 부분이 SDBS 수용액으로 포화되도록 하였다.Two-dimensional box experiment was conducted in two parts. The first experiment was carried out on a box uniformly filled with sand A. The second box model experiment was carried out under conditions in which the sand B was vertically installed in the center of the box (FIG. 1B). The filling of the boxes used for all two-dimensional box experiments was done with a pre-determined aqueous surfactant solution, so there was no air remaining in the voids in the water-saturated layer after filling. The box model was 2cm wide and the central B band was 3.2cm wide. The air was introduced into the box model through a stainless steel diffuser (Alltech Co., pore size 40㎛, outer diameter 1.2cm, length 2.5cm). The diffuser was installed at the center bottom of the box model. The amount of water used in the box model ensured that all but the top of the filled sand was saturated with SDBS solution.

(2) 2차원 상자실험 과정(2) 2D box experiment

2차원 상자실험은 컬럼실험과 동일하게 진행하였다. 압축공기는 스테인레스 스틸재질의 diffuser를 통하여 도입하였다. 공기에 의하여 치환된 물의 양은 측정하지 않았으며, 상자실험에서는 도입공기에 의하여 물이 공기로 치환된 영역을 측정하였다. 공기 유량은 400cm3/min로 고정하였다. 공기도입에 의한 불포화영역이 안정된 후 포화영역과 불포화영역간의 경계는 투명필름에 옮겨져 컴퓨터에 저장하였다. 하나의 SDBS농도에서 실험이 완료되면 1차원 컬럼실험의 경우와 같이 상자 모델을 분해하고, 다른 농도의 SDBS 수용액을 사용하여 새롭게 제작하여, 위 실험 과 같은 방법으로 실험을 반복하였다(표 1).The two-dimensional box experiment was performed in the same manner as the column experiment. Compressed air was introduced through a stainless steel diffuser. The amount of water replaced by air was not measured. In the box test, the area where water was replaced by air by the introduced air was measured. The air flow rate was fixed at 400 cm 3 / min. After the unsaturated region was stabilized by introducing air, the boundary between the saturated and unsaturated regions was transferred to a transparent film and stored in a computer. When the experiment was completed at one concentration of SDBS, the box model was decomposed as in the case of the one-dimensional column experiment, and newly prepared using a different concentration of SDBS aqueous solution, and the experiment was repeated in the same manner as the above experiment (Table 1).

본 발명에 사용된 모래의 수분보유곡선(water retension curve)을 측정하기 위하여 Tempe pressure cell (Soilmoisture Equipment Co.)을 사용하였다 (Dane, J.H. & Hopmans, J.W., In Methods of Soil Analysis, Part 4, Physical Methods; Dane, J.H. & Topp, G.C., Eds; SSSA Book Series:5; Soil Science Society of America: Madison, Wisconsin, pp 684-688, 2002). Tempe pressure cell (Soilmoisture Equipment Co.) was used to measure the water retension curve of sand used in the present invention (Dane, JH & Hopmans, JW, In Methods of Soil Analysis, Part 4, Physical Methods ; Dane, JH & Topp, GC, Eds; SSSA Book Series: 5; Soil Science Society of America: Madison, Wisconsin, pp 684-688, 2002).

Tempe pressure cell 실험은 세 가지의 서로 다른 SDBS 농도에서 모래 A를 대상으로 실시하였다. 본 발명에 사용된 모든 SDBS 수용액의 표면장력은 drop weight method를 사용하여 측정하였다 (Harkins, W. D.; Brown, F. E. J. Am. Chem. Soc., 41, 499-524, 1919). 표면장력의 측정을 위하여 외경 3.0mm의 유리 튜브를 사용하였으며, 유리 튜브로부터 낙하하는 SDBS 수용액의 방울을 채집하여 질량을 측정함으로써 표면장력을 계산하였다. 유리튜브 끝에서 SDBS 수용액방울이 형성되는 속도는 syringe infusion pump(KD Scientific, Model 200)를 이용하여 방울당 30초를 넘지 않도록 하였다. Tempe pressure cell experiments were conducted on sand A at three different SDBS concentrations. The surface tension of all SDBS aqueous solutions used in the present invention was measured using the drop weight method (Harkins, WD; Brown, FE J. Am. Chem. Soc ., 41, 499-524, 1919). A glass tube having an outer diameter of 3.0 mm was used for measuring the surface tension, and surface tension was calculated by collecting a drop of an SDBS aqueous solution falling from the glass tube and measuring the mass. The rate at which the SDBS droplets were formed at the end of the glass tube was not more than 30 seconds per drop using a syringe infusion pump (KD Scientific, Model 200).

표면장력측정을 위한 수용액 시료는 1차원 컬럼실험에서는 모래층으로부터 치환된 물에서 채취하였으며, 2차원 상자실험에서는 모래충진 후 주사기를 이용하여 충진된 모래층으로부터 수용액을 채취하여 사용하였다. 충진 후 수용액을 취하여 표면장력을 측정한 이유는, 이 때의 표면장력이 실제 폭기시 도입공기의 거동을 결정하는 인자가 되기 때문이다.Aqueous samples for surface tension measurements were taken from water replaced from sand layers in one-dimensional column experiments, and aqueous solutions were taken from sand layers filled with syringes after sand filling in two-dimensional box experiments. The reason why the surface tension is measured by taking an aqueous solution after filling is that the surface tension at this time is a factor for determining the behavior of the introduced air during actual aeration.

두 가지 상자모델 실험을 실시하였다. 첫 번째 실험은 모래 A로 균일하게 채 워진 상자모델에 대하여 폭기 실험을 실시하였다. 균일한 매질에 대한 폭기결과, 표면장력이 감소하면서 폭기영향권이 획기적으로 증가하는 것을 알 수 있었다 (도 5). 계면활성제가 사용되지 않았을 때에는 공기도입부(diffuser)에서 포화층의 표면까지 몇 개의 공기통로가 뚜렷하게 나타났다. 그리고 공기도입에 의한 불포화층의 존재를 포화층으로부터 명확하게 구분하기 어려웠는데, 이는 대부분의 도입공기가 공기통로를 통하여 이동하고, 그 외의 지역 (작은 공극)으로는 거의 공기가 도입되지 못했다는 것을 의미한다.Two box model experiments were conducted. The first experiment was carried out with aeration experiments on a box model uniformly filled with sand A. As a result of the aeration of the uniform medium, it was found that the area of influence of aeration drastically increased as the surface tension decreased (FIG. 5). When no surfactant was used, several air passages were evident from the air introducer to the surface of the saturated layer. And it was difficult to clearly distinguish the presence of the unsaturated layer from the saturated layer from the introduction of air by means of the introduction of most of the introduced air through the air passage, and almost no air was introduced into other areas (small voids). it means.

계면활성제를 도입하여 표면장력이 5.68x10－2N/m, 5.24x10－2N/m 및 4.60x10－2N/m로 감소하였을 때, 폭기영향권의 넓이는 계면활성제를 사용하지 않았을 때에 비하여 각각 2.0, 4.1 및 5.2 배 증가하였다. 이를 3차원으로 환산하면 각각 4, 16 및 25 배의 폭기 영향권 증가를 예상할 수 있다. 또한 낮은 표면장력에서는 특히 공기도입부 주변을 중심으로 공기의 통로가 거의 발견되지 않았는데, 이는 이 부분에서 공기포화율의 극단적으로 높아졌기 때문이다. 반면 상층부에서는 다수의 가는 공기통로가 다수 발견되었다. 따라서 표면장력이 낮은 경우 포화영역과 불포화영역이 뚜렷하게 구분되었으며, 이는 도 5에 잘 나타나 있다.When the surface tensions were reduced to 5.68x10 -2 N / m, 5.24x10 -2 N / m, and 4.60x10 -2 N / m by the introduction of surfactants, the area of the aeration influence area was lower than when the surfactant was not used. 2.0, 4.1 and 5.2 fold increase. Converting it to three dimensions, we can expect 4, 16 and 25 times more spheres of aeration. Also, at low surface tensions, little passage of air was found, especially around the air inlet, because of the extremely high rate of air saturation in this area. On the other hand, many thin air passages were found in the upper part. Therefore, when the surface tension is low, the saturated and unsaturated regions are clearly distinguished, which is well shown in FIG. 5.

도 5는 포화된 지대와 불포화된 지대 사이의 경계가 안정화된 후에 측정된 각기 다른 물의 표면장력에서 불포화(주입) 지대의 영역을 도시한 것이다. 실선은 상자의 Plexiglas wall을 통하여 보이는 공기 채널을 나타낸다. 공기 유속은 400 cm3/min, 표면장력은 N/m 단위로 (a)는 7.16x10-2, (b)는 5.68x10-2, (c)는 5.24x10-2 및 (d)는 4.60x10-2인 경우를 나타낸다. FIG. 5 shows the areas of unsaturated (injection) zones in the surface tension of different waters measured after the boundary between saturated and unsaturated zones has stabilized. The solid line represents the air channel seen through the Plexiglas wall of the box. Air flow rate is 400 cm 3 / min, surface tension is in N / m (a) is 7.16x10 -2 , (b) is 5.68x10 -2 , (c) is 5.24x10 -2 and (d) is 4.60x10 The case of -2 is shown.

도 6은 각기 다른 표면장력에서 공기를 쉽게 통과시키는 공기통로를 구비한 모래상자에서의 공기 주입에 의한 불포화 지대의 확장을 나타낸 것이다. Figure 6 shows the expansion of the unsaturated zone by air injection in a sandbox with air passages through which air is easily passed at different surface tensions.

두 번째 2차원 상자모델 실험은 상자의 가운데 모래 B (굵은 모래)의 띠를 설치하여 공기도입시 다른 영역(모래 A로 충진된 영역)보다 공기를 쉽게 통과시키는 공기통로(perferential channel)의 역할을 하도록 하여 오염현장에서 흔히 나타나는 불균일 매질을 모사하였다. 계면활성제가 사용되지 않았을 때에는 도입된 공기는 오로지 가운데 모래 B의 띠를 따라서 이동하였으나, 표면장력이 3.84x10－2 N/m 및 2.89x10－2N/m로 감소하면서 점차 불포화영역이 보다 조밀한 매질인 모래 A의 영역으로 확대됨을 뚜렷하게 알 수 있다. 표면장력이 7.2x10－2N/m에서 3.84 및 2.89x10－2 N/m로 감소하면서 폭기 영향권은 각각 4.5배 및 11배 증가하였으며, 이를 3차원으로 환산하면 약 16배 및 100배 정도의 폭기 영향권의 증대를 가져올 것으로 예측된다.The second two-dimensional box model experiment sets up a band of sand B (coarse sand) in the center of the box, which acts as a peripheral channel that allows air to pass through more easily than other areas (filled with sand A). To simulate the non-uniform media that are common in contaminated sites. When no surfactant was used, the introduced air traveled only along the band of sand B in the middle, but the surface tension decreased to 3.84x10 -2 N / m and 2.89x10 -2 N / m, resulting in a denser unsaturated zone. It can be clearly seen that it extends to the area of sand A, which is the medium. As the surface tension decreased from 7.2x10 -2 N / m to 3.84 and 2.89x10 -2 N / m, the area of impact of aeration increased by 4.5 and 11 times, respectively. It is expected to increase the sphere of influence.

본 발명에서 관찰된 실험결과는 특히 NAPL로 오염된 지역의 복원에 매우 유용한 새로운 접근방법으로 사용될 수 있다. NAPL로 오염된 대수층을 폭기전에 계면활성제 수용액으로 치환하면 오염물질의 제거 효율을 획기적으로 제고할 수 있을 것으로 보인다. 공기포화율의 증가는 NAPL 오염지역에서 이동공기와 NAPL 간의 접촉기회를 증대하는 효과를 가져올 것으로 기대된다. 물보다 비중이 큰 DNAPL(dense NAPL)의 경우 계면활성제의 도입은 대수층의 훨씬 아래 불포화 영역을 생성함으로써 폭기 기법의 효용성을 한층 높일 것으로 보인다.The experimental results observed in the present invention can be used as a novel approach which is particularly useful for the restoration of areas contaminated with NAPL. Substituting NAPL-contaminated aquifers with aqueous surfactant solutions prior to aeration will significantly improve the removal efficiency of contaminants. Increasing air saturation is expected to increase the contact opportunities between mobile air and NAPL in NAPL contaminated areas. In the case of DNAPL (dense NAPL), which has a higher specific gravity than water, the introduction of surfactant is expected to increase the effectiveness of the aeration technique by generating unsaturated regions far below the aquifer.

계면활성제를 이용한 지하 대수층 폭기 기법을 현장에서 실시할 때 물-NAPL 토양 공극에 존재하는 NAPL의 알갱이 (blobs or ganglia)를 이동시켜 오염지역을 확대시킬 가능성이 있다 (Pennell, K.D. et al., Environ. Sci. Technol., 30, 1328-1335, 1996). NAPL로 오염된 지역의 확대를 최소화하기 위하여 계면활성제의 농도, 즉 표면장력의 감소정도가 매우 조심스럽게 결정되어야 한다.Underground aquifer aeration techniques using surfactants are likely to move contaminated areas by moving NAPL blobs or ganglia in water-NAPL soil voids (Pennell, KD et al., Environ) . Sci. Technol ., 30, 1328-1335, 1996). In order to minimize the expansion of the area contaminated with NAPL, the concentration of the surfactant, i.e. the decrease in surface tension, should be determined very carefully.

다공성 매질내에 존재하는 NAPL의 이동은 대단히 낮은 물-NAPL 계면장력을 요구하며, 이는 본 발명에서 사용된 계면활성제의 농도보다 훨씬 높은 수준의 계면활성제 농도를 요구할 가능성이 크다. 트래핑수(N T , Trapping number)라는 개념이 Pennell 등에 의하여 제안되었는데, 이 수는 물-NAPL 계면장력, 유체의 이동속도, 유체의 점도 등 대수층 조건을 기초로 하여 NAPL의 이동을 예측할 수 있다. 따라서 주어진 조건에서 N T 를 계산하여 NAPL이 이동하지 않는 범위의 계면활성제 농도를 결정할 수 있다. 또한 NAPL 오염 대수층의 복원에 있어서 지나치게 빠른 도입 공기유속은 토양의 구조를 변화하여 공기의 이동 형태가 보다 비효율적으로 변화할 가능성이 있으므로 주의하여야 한다.The migration of NAPL present in the porous medium requires very low water-NAPL interfacial tension, which is likely to require a much higher concentration of surfactant than the concentration of the surfactant used in the present invention. The concept of Trapping Number ( N T ) was proposed by Pennell et al., Which can predict NAPL movement based on aquifer conditions such as water-NAPL interfacial tension, fluid velocity, and viscosity of fluid. Therefore, N T can be calculated under given conditions to determine the concentration of surfactant in the range where NAPL does not move. It should also be noted that too fast inlet air flow rates in the reconstruction of NAPL-contaminated aquifers could change the soil structure and change the air movement more inefficiently.

NAPL로 오염된 지하 대수층의 표면장력이 NAPL의 이동을 일으키지 않으면서 효과적으로 감소될 수 있다면, 폭기에 의한 공기도입은 계면활성제가 도입되지 않을 경우에 비하여 매우 넓은 면적을 불포화상태로 변화시킬 수 있다. 공기포화율 이 증가하게 되면 미시적 규모에서 NAPL로부터 도입공기로의 물질이동속도를 증가할 뿐 아니라, 거시적 규모에서 불포화 영역을 획기적으로 증가하는 효과가 있다. 특히 NAPL로 오염된 지역 중 공기통로가 존재하는 대수층에서의 표면장력의 감소는 폭기의 영향권을 역시 획기적으로 증가할 수 있다. 본 기법은 미리 정해진 농도의 계면활성제를 포함하는 수용액의 일정량을 대수층 폭기 전에 미리 대수층에 도입하는 절차로서 비교적 간단하게 현장에서 실시될 수 있다.If the surface tension of the subsurface aquifer contaminated with NAPL can be effectively reduced without causing the movement of NAPL, aeration-induced air can change a very large area into an unsaturated state without the introduction of surfactants. Increasing the air saturation rate not only increases the rate of mass transfer from NAPL to the inlet air at the microscopic scale, but also dramatically increases the unsaturated region at the macroscopic scale. In particular, the reduction of surface tension in aquifers with air passages in areas contaminated with NAPL can also significantly increase the area of impact of aeration. The technique can be carried out in the field relatively simply as a procedure for introducing a predetermined amount of an aqueous solution containing a predetermined concentration of surfactant into the aquifer prior to aquifer aeration.

이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서, 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시양태일뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다. As described above in detail the specific parts of the present invention, for those of ordinary skill in the art, these specific descriptions are only preferred embodiments, which are not intended to limit the scope of the present invention. Will be obvious. Thus, the substantial scope of the present invention will be defined by the appended claims and their equivalents.

본 발명에서는 계면활성제를 첨가한 다음, 대수층에 공기를 주입하는 방법으로 대수층 내 오염물질을 제거하는 방법을 제공한다. 본 발명은 계면활성제의 첨가로 표면장력이 낮아진 대수층에 공기를 주입함으로써 공기의 포화율 및 침투영역을 향상시키고 이를 통해 대수층 내 오염물질의 제거효율을 획기적으로 향상시키는 효과가 있다.The present invention provides a method for removing contaminants in the aquifer by adding a surfactant and then injecting air into the aquifer. The present invention improves the saturation rate and penetration of air by injecting air into the aquifer with lower surface tension by the addition of a surfactant, thereby dramatically improving the removal efficiency of contaminants in the aquifer.

Claims (7)

공기 주입법에 의한 대수층 내 오염물질의 휘발 제거방법에 있어서, 상기 대수층에 비이온계 계면활성제, 음이온계 계면활성제 및 양이온계 계면활성제로 이루어진 군에서 선택되는 계면활성제를 첨가한 다음, 공기를 주입하는 것을 특징으로 하는 대수층 내 오염물질의 제거방법.In the method of volatilization removal of contaminants in the aquifer by the air injection method, a surfactant selected from the group consisting of nonionic surfactants, anionic surfactants and cationic surfactants is added to the aquifer layer, and then air is injected. Method of removing contaminants in aquifer, characterized in that. 산화 분해에 의한 대수층 내 오염물질의 제거방법에 있어서, 상기 대수층에 비이온계 계면활성제, 음이온계 계면활성제 및 양이온계 계면활성제로 이루어진 군에서 선택되는 계면활성제를 첨가한 다음, 산화제가 포함된 공기를 주입하는 것을 특징으로 하는 대수층 내 오염물질의 제거방법.In the method for removing contaminants in an aquifer by oxidative decomposition, a surfactant selected from the group consisting of nonionic surfactants, anionic surfactants and cationic surfactants is added to the aquifer layer, followed by air containing an oxidizing agent. Method of removing contaminants in the aquifer, characterized in that the injection. 대수층에 존재하는 미생물을 이용한 대수층 내 오염물질의 생물학적 분해 제거방법에 있어서, 상기 대수층에 비이온계 계면활성제, 음이온계 계면활성제 및 양이온계 계면활성제로 이루어진 군에서 선택되는 계면활성제를 첨가한 다음, 공기를 주입하여 상기 미생물을 활성화시키는 것을 특징으로 하는 대수층 내 오염물질의 제거방법.In the method of biodegradation and removal of contaminants in aquifers using microorganisms present in the aquifer, adding a surfactant selected from the group consisting of nonionic surfactants, anionic surfactants and cationic surfactants, A method of removing contaminants in aquifers by injecting air to activate the microorganisms. 삭제delete 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 오염물질은 휘발성 유기화합물(VOC) 또는 비수용상 액체(NAPL)인 것을 특징으로 하는 대수층 내 오염물질의 제거방법.The method of claim 1, wherein the contaminant is a volatile organic compound (VOC) or a non-aqueous liquid (NAPL). 제5항에 있어서, 상기 NAPL은 물보다 밀도가 높은 비수용상 액체(DNAPL)인 것을 특징으로 하는 대수층 내 오염물질의 제거방법.The method of claim 5, wherein the NAPL is a non-aqueous liquid (DNAPL) having a higher density than water. 제2항에 있어서, 상기 산화제는 오존인 것을 특징으로 하는 방법.The method of claim 2 wherein the oxidant is ozone.
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