KR101004154B1 - 아임계수를 이용한 오염토양 정화방법 및 그 정화장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 아임계수의 분해 능력을 이용해 유류 및 난분해성 유기물질로 오염된 토양을 경제적이고 친환경적으로 정화할 수 있는 방법 및 그 장치를 제공하는데 주된 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 개발된 아임계수를 이용한 오염토양 정화장치는, 유류 또는 난분해성 유기물질로 오염된 토양 및 물을 각각 저장하는 저장조(1,2); 상기 저장조(1,2)로부터 오염토양 및 물이 공급되는 내부 공간을 200 ~ 370℃, 20 ~ 220 기압의 아임계수(subcritical water) 조건이 되도록 가열하고 다시 냉각시키기 위한 매체가 통과할 수 있도록 코일형 관로(30)가 설치된 반응용기(20); 상기 반응용기(20)의 외부를 둘러싸도록 설치되고 내부에 전기 열선이 설치된 가열자켓(40); 및 상기 반응용기(20)로부터 배출된 정화토양을 물과 분리하여 저장하는 저장탱크(10);를 포함한다.

Description

아임계수를 이용한 오염토양 정화방법 및 그 정화장치{METHOD FOR REMEDIATING CONTAMINATED SOIL USING SUBCRITICAL WATER}

본 발명은 아임계수를 이용한 오염토양 정화방법 및 그 정화장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 아임계수의 분해 능력을 이용해 유류 및 난분해성 유기물질로 오염된 토양을 경제적이고 친환경적으로 정화할 수 있는 방법 및 그 장치에 관한 것이다.

오염토양은 일단 오염이 되고 나면 지표수 및 지하수의 수질에도 악영향을 미치게 되는 등 주변 환경에 2차 오염을 유발시킬 가능성이 있으므로 오염된 토양은 반드시 현장에서 빠른 시간 내에 정화시켜 복원되어야 한다.

현재 국내에서 발생되는 오염토양은 주로 액상 폐기물의 무단 매립 또는 누출사고에 의하여 발생되며, 그 밖에 장기간 산업활동 과정에서 방치되어 온 지상 적치물의 지하 확산에 의해 이루어진다. 이러한 발생요인에 의해 나타난 오염토양은 단일 종의 화합물보다는 여러 종류의 화학종에 의해서 발생되며, 대표적인 복합오염은 유류와 중금속의 형태로써 대부분의 산업활동 지역에서 발생하고 있다.

현재까지 알려진 오염토양을 처리하는 기술로는 소각 방법, 열분해 방법, 열탈착 방법, 촉매를 이용한 방법, 미생물을 이용한 방법 등이 있다.

소각 방법은 가장 전통적인 처리방법으로서 800℃ 이상의 온도에서 토양 내 유류 및 할로겐화 화합물을 거의 완전히 태워버리는 것이다. 그러나, 소각 시에 산소, 가열온도의 조건에 따라 다이옥신 등 더욱 유해한 화합물이 배출될 수 있으며, 처리 후의 토양은 본래의 성질을 잃어버려 재생하기가 어려운 문제가 있다.

열분해 방법으로는 대한민국 공개특허 제2007-67096호(처리장치,처리방법 및 무해화물의 생산방법)에 개시되어 있는 바와 같이, 유기할로겐 화합물을 함유하는 처리대상물을 알칼리와 함께 가열하여 분해하면서 다이옥신의 합성이나 부식의 문제를 해결한 방법이 있다. 그러나, 이 열분해 방법은 처리 후에 정화가 필요하고 시약 등으로 인해 처리비용이 증가하는 문제점이 있다.

열탈착 방법으로는 대한민국 공개특허 제2009-33860호(오염토양 복원을 위한 열탈착 처리시스템 및 이를 이용한 처리방법)에 개시되어 있는 바와 같이, 유류 및 휘발성 유기화합물에 오염된 토양에서 유증기를 분리하고 이를 열원으로 사용하여 토양을 열탈착시킴으로써 이를 정화하는 방법이 있다. 그러나, 이 열탈착 방법은 400 ~ 600℃의 온도에서 처리하여 에너지가 많이 소모될 뿐만 아니라, 배기가스 중 미세먼지를 별도로 처리해야 하는 문제점이 있다.

촉매를 이용한 방법으로는 대한민국 공개특허 제2008-43686호(유기 염소화 화합물 분해를 위한 철 분말 및 이를 이용한 해독 처리방법)에 개시되어 있는 바와 같이, 유기화합물에 대한 분해 능력이 있는 니켈과 철을 혼합 첨가제로 사용하여 토양 중량의 1% 이내로 첨가함으로써 토양을 정화하는 방법이 있다. 그러나, 이 방법은 첨가제 사용으로 인해 처리비용이 증가하고 첨가제에 대해 2차 처리를 해야하는 문제점이 있다.

미생물을 이용한 방법으로는 대한민국 등록특허 제427295호(신균주 알카리진즈 오도란스 N6 및 이를 이용한 염소화합물의 분해·제거방법)에 개시되어 있는 바와 같이, 토양으로부터 신균주를 분리하고, 이를 이용하여 토양 등에 염소화합물을 제거하는 방법이 있다. 그러나, 이 방법은 pH범위에 민감하고 고농도로 오염된 토양에서는 적용하기 어려운 문제점이 있다.

지금까지 설명한 오염토양 정화방법이 가지는 문제점을 해결하기 위하여 물이 초임계수(Supercritical water) 또는 아임계수(Subcritical water) 조건에서 가지는 분해 능력을 이용해 오염토양을 정화하는 방법이 새로이 개발되었으며, 대표적인 방법이 일본 등록특허 제3823133호(초임계수 또는 아임계수에 의해 유기물 처리장치 및 유기물 처리방법)에 개시되어 있다. 이 방법에 따르면, 처리 대상물인 가축 배설물, 알코올, 물, 산화제를 반응용기에 투입하고, 반응용기 내의 조건을 물의 임계온도 이상, 물의 임계압력 미만의 조건으로 설정함으로써 가축 배설물을 연소시켜 정화시킨다.

그러나, 이 방법에 따르면, 알코올과 같은 연료를 연소시켜 반응용기 내의 온도를 500 ~ 700℃의 고온으로 유지해야 하므로(참고로 물의 임계온도 374℃) 처리비용이 증가하며, 산화제를 반응용기 내로 함께 투입하기 때문에 반응용기 내벽이 산화되어 반응용기를 3 ~ 5년밖에 사용하지 못하는 문제점이 있었다.

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 반응용기 내의 조건을 물의 임계온도 및 압력 이하로 유지하고, 반응용기의 가열 및 냉각 수단을 이중화함으로써 플랜트 수준에서의 정화 처리가 가능하도록 해주는 아임계수를 이용한 오염토양 정화방법 및 그 정화장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 아임계수를 이용한 오염토양 정화방법은, 유류 또는 난분해성 유기물질로 오염된 토양을 물과 함께 반응용기 내로 투입하는 단계; 상기 반응용기 내부를 200 ~ 370℃, 20 ~ 220 기압의 아임계수(subcritical) 조건이 되도록 가열하여 오염토양을 정화하는 단계; 및 상기 반응용기를 배출작업이 가능한 온도까지 냉각하고, 정화된 토양을 물과 분리하여 배출하는 단계를 포함한다.

한편, 본 발명에 따른 오염토양 및 물을 각각 저장하는 저장조; 상기 저장조로부터 오염토양 및 물이 공급되는 내부 공간에 가열 및 냉각 매체가 통과할 수 있도록 코일형 관로가 설치된 반응용기; 상기 반응용기의 외부를 둘러싸도록 설치되고 내부에 전기 열선이 설치된 가열자켓; 및 상기 반응용기로부터 배출된 정화토양을 물과 분리하여 저장하는 저장탱크;를 포함한다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 아임계수를 이용한 오염토양의 정화방법 및 그 정화장치에 따르면, 아임계수의 온도와 압력 조건에서도 유류 및 난분해성 유기물질을 정화시킬 수 있기 때문에 상대적으로 적은 열 에너지를 사용하여 효과적인 정화 처리가 가능하다.

또한, 효과적인 가열 및 냉각 수단을 구비한 정화장치를 제공함으로써, 종래의 실험실 수준이 아니라, 실제 하루 10톤 이상의 오염토양을 처리할 수 있는 플랜트 수준의 정화장치를 구현할 수 있도록 준다.

또한, 정화를 위한 매체로서 물만을 사용하기 때문에 기존에 산화제 투입으로 인한 반응용기의 수명 단축을 방지하고, 열충격을 최소화하는 냉각 방법을 적용함으로써 반응용기를 반영구적으로 사용할 수 있도록 해준다.

도 1은 본 발명에 따른 정화방법을 나타낸 순서도.
도 2는 본 발명에 따른 정화장치를 나타낸 도면.
도 3은 본 발명에 따른 정화장치 중 반응기를 나타낸 도면.
도 4는 본 발명에 따른 정화장치 중 교반 스크류를 나타낸 도면.

이하에서 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 일 실시예를 상세히 설명한다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 아임계수를 이용한 정화방법은 오염토양 및 물의 투입 단계(S10), 아임계수 조건 하에서의 정화 단계(S20) 및 정화토양 및 물의 분리/배출 단계(S30)로 구성된다.

상기 S10은 유류 또는 난분해성 유기물질로 오염된 토양을 물과 함께 반응용기 내로 투입하는 단계이다.

유류는 석유를 정제하여 만든 제품을 통칭하는 것으로서, 휘발유, 등유, 경유, 제트유, 벙커C유 등에 의한 오염 정도를 측정하는 석유계 총 탄화수소(TPH, Total Petroleum Hydrocarbon)와 BTEX(Benzene, Toluene, Ethylbenzene, Xylene) 등을 이용하여 토양의 오염 정도를 측정한다.

난분해성 유기물질(POPs: Persistant organic pollutants, PBT:Persistant Bioaccumulative Transport)은 독성이 매우 강하고 통상의 정화방법으로 분해하기 어려운 유기물질로서, 알드린(aldrin), 클로르데인(chlordane), DDT, 디엘드린(dieldrin), 다이옥신(dioxins), 엔드린(endrin), 퓨란(furans), 헵타클로어(heptachlor), 헥사클로로벤젠(hexachlorobenzene), 미렉스(mirex), PCBs, PFOS, PBDE, 펜타클로로벤젠(Pentachlorobenzene), 톡사핀(toxaphene), 트리클로로에틸렌(Trichloroethylene), 테트라클로로에틸렌(Tetrachloroethylene), 클로르피리포스(Chlorpyrifos)와 같은 농약 성분이 여기에 속한다.

본 발명에서는 유류 또는 난분해성 유기물질에 의해 오염된 토양을 정화하는 매체로서 물만을 사용하며, 이는 본 발명의 가장 기본적인 기술적 특징을 이룬다. 이에 의해 종래 정화방법이 가지는 문제점, 다시 말해 물 이외의 첨가제로서 니켈, 철 등을 사용하여 처리비용이 증가하고, 산화제를 사용하여 반응용기의 사용수명을 단축시키는 문제점을 해결한 것이다.

물은 상온에서는 극성 매체로서 단순히 수용성 물질을 용해시키는 용매로서의 역할만을 하지만, 초임계수의 온도/압력 조건이 되면, 그 물성이 완전히 변하여 극성을 띠지 않을 뿐만 아니라, 오염물질을 분해하는 성질을 가지게 된다. 물의 임계온도와 임계압력은 각각 374℃와 218기압(22.1Mpa)이다.

물이 초임계수 조건이 되면 오염물질을 분해하는 성질을 가진다는 사실은 현재 논문에 게재된 정도의 정보만이 알려져 있을 뿐 이를 실제로 상용화한 장치는 개발되지 못하고 있다. 본 발명자는 이러한 점에 주목하여 연구를 거듭한 결과, 물이 초임계수가 아닌 아임계수의 조건에서도 분해 능력을 발휘한다는 점을 발견하고, 이 조건에서 상용화할 수 있는 정화방법 및 장치를 개발하게 된 것이다.

한편, 상기 S20 단계는 반응용기 내부를 200 ~ 370℃, 20 ~ 220 기압의 아임계수 조건이 되도록 가열하여 유류 또는 난분해성 유기물질로 오염된 토양을 정화하는 단계이다.

반응용기의 내부온도 및 압력이 200℃, 20 기압보다 낮으면 아임계수 조건을 완전히 충족하지 못하므로 오염물질의 분해 능력이 저하된다. 반면, 상용화 수준의 처리 능력을 가진 반응용기를 370℃, 220 기압을 초과하도록 가열하는 것은 어려울 뿐만 아니라, 가능하다 하더라도 열 에너지의 소모가 많아 비 경제적이다.

아임계수 조건에서 물이 어떠한 메카니즘에 의해 오염물질을 분해하는지에 대해 아직 명확하게 밝혀진 바 없다. 다만, 물은 온도 및 압력이 증가함에 따라 물의 화학적, 물리적 성질이 변하게 되며, 이때 물은 실온에서의 극성 유기용매의 성질과 유사하게 되는 것으로 추정된다. 따라서, 아임계수는 환경친화적인 물질로서 유기물질과 반응할 수 있고, 약 10³ 배까지 분해상수가 증가하며, 200℃ 이상에서는 물이 산성(acid), 염기성(base) 또는 산/염기성(acid-base) 바이캐탈리스트(Bicatalyst)로서 작용하여 유기물질을 분해할 수 있게 된다. 이러한 화학적 분해 반응뿐만 아니라, 200℃ 이상의 고온에서는 열탈착이나 열분해의 메카니즘도 복합적으로 작용하는 것으로 생각된다.

상술한 아임계수에 의한 정화 반응을 사용하면 종래와 같이 중화 반응을 위한 시약 처리과정이나 촉매/첨가제로 사용된 물질을 재생하거나 2차 처리하는 단계를 거칠 필요가 없기 때문에 매우 실용적인 정화 공정을 구성할 수 있다.

아임계수를 이용한 정화방법을 상용화하는데 가장 중요한 것은 아임계수 조건을 만들기 위한 가열 공정과 정화토양을 배출하기 위한 냉각 공정을 얼마나 효율적으로 실행하느냐 하는 것이다. 여기서 효율적이라 함은 분해 효율을 감소시키거나 장치를 손상시키지 않는 범위 내에서 가장 신속한 방법으로 가열과 냉각을 실행함으로써 생산성을 높인다는 것을 의미한다.

본 발명은 이를 위해 이중 가열 및 냉각 방법을 채용한다. 보다 상세하게 설명하면, 상기 정화 단계(S20)에서 150 ~ 180℃까지는 스팀 및 전기히터로 함께 가열하고, 그 이상의 온도는 전기히터를 이용하여 가열하도록 구성하며, 상기 배출 단계(S30)에서는 180 ~ 200℃까지는 공기를 사용해 서냉시키고, 그 이하의 온도는 물을 사용해 급냉시키도록 구성한다.

먼저, 이중 가열 공정은 반응용기 내로 상온의 오염토양과 물이 투입된 초기에는 이를 급속하게 가열할 필요가 있으므로, 주 가열 수단인 전기히터 이외에도 열전달율이 우수한 스팀을 함께 사용하여 150 ~ 180℃까지는 최대한 빠르게 승온시킨다. 150 ~ 180℃의 범위가 되면 아임계수의 분해/정화 작용이 시작되므로 이때부터는 전기히터만을 사용하여 서서히 승온시킴으로써 분해/정화 작용이 충분히 일어날 수 있도록 해주는 것이 바람직하다.

한편, 이중 냉각 공정은 180 ~ 200℃까지 공기를 사용해 서냉시킴으로써 금속 재질로 된 반응용기가 열충격(Thermal Shock)에 의해 손상되지 않도록 해준다. 상기 온도 범위는 반응용기의 재질에 따라 열충격이 발생하지 않는 범위를 정한 것이며, 이 온도 범위 이하에서는 물을 사용해 급냉시킴으로써 50℃ 이하로 최대한 빨리 냉각시켜 후공정인 배출 단계를 실행할 수 있도록 해주는 것이 바람직하다.

마지막으로, 상기 S30 단계는 아임계수에 의해 정화된 토양과 물을 분리하여 배출하는 단계이다. 정화된 토양은 작업 효율을 높이기 위하여 필터 프레스를 이용하여 물과 분리한 후 별도로 저장하거나 필요한 장소로 이송하게 된다.

상기와 같이 구성된 아임계수를 이용한 정화방법의 기술 효과를 알아보기 위해, 유류 및 난분해성 유기물질을 대상으로 정화처리 실험을 다음과 같이 실시하였다.

< 실시예 1> 석유계 총 탄화수소 오염토양 정화 처리 실험

석유계 총 탄화수소의 토양 오염 우려기준은 1지역에서 500mg/kg으로 규정되어 있다. 본 실험에서 사용한 석유계 총 탄화수소 오염토양 시료는 각각 7545.1, 7876.0, 251.5, 7300.4mg/kg이다. 이 오염토양을 물과 함께 반응용기에 넣은 후 300℃, 90 기압, 2시간 동안 아임계수에서 반응시켜 배출한 토양을 GC-FID를 이용하여 석유계 총 탄화수소를 분석하고, 그 결과를 아래 [표 1]에 나타내었다.

온도 (℃)	반응시간(hr)	처리전(mg/kg)	처리후(mg/kg)	처리효율(%)
300	2	7545.1	228.6	97.0
300	2	7876.0	339.7	95.7
300	2	251.5	23.9	90.5
300	2	7300.4	352.6	95.2

반응 결과, 모든 오염토양에서 90% 이상의 처리 효율을 얻었다. 또한 3개의 토양 시료는 토양 오염 우려기준인 500mg/kg보다 최대 15배 이상 높은 오염도를 가지고 있었으나, 처리 결과 우려기준 이하로 떨어져 완전히 정화되었음을 알 수 있다.

< 실시예 2> BTEX 오염토양 정화 처리 실험

BTEX로 오염된 토양은 BTEX에 오염되지 않은 토양 시료에 BTEX를 인위로 주입(spiking)하여 제조하였다. 인위적으로 주입한 토양의 성분은 아래 [표 2] 및 [표 3]과 같다. BTEX의 초기 주입 농도는 Benzene, Toluene, Ethylbenzene, Xylene 각각 200mg/kg이었으며, 이 오염토양을 물과 함께 반응용기에 넣은 후 300℃, 90 기압, 2시간 동안 아임계수에서 반응시켜 배출한 토양의 BTEX 잔존량을 측정하고, 그 결과를 아래 [표 4]에 나타내었다.

함수율(%)	평균	유기물 함량(%)	평균
5.34	5.38	1.17	1.20
5.58		1.19
5.22		1.27

	전체	2mm 이하	2mm 이상
무게(g)	220.38	73.54	146.84
비율(%)	100	33.37	66.63

		Benzene	Toluene	Ethylbenzene	Xylene
처리 전	토양(mg/kg)	200	200	200	200
처리 후	토양(mg/kg)	3.58	4.55	2.87	4.17
처리효율(%)		98.2	97.7	98.6	97.9

정화 처리 후의 BTEX는 Benzene, Toluene, Ethylbenzene, Xylene 각각 3.58, 4.55, 2.87, 4.17 mg/kg으로서 처리효율은 모두 97% 이상을 나타내었다.

< 실시예 3> 클로로에틸렌 오염토양 정화 처리 실험

난분해성 오염물질 중 하나인 트리클로로에틸렌 및 테트라클로로에틸렌으로 오염된 토양에 대해 정화 처리 실험을 다음과 같이 실시하였다. 상기 BTEX의 경우와 동일한 성분을 가진 토양을 반응용기에 투입한 다음 트리클로로에틸렌 및 테트라클로로에틸렌을 각각 100mg/kg 및 240mg/kg 주입하고, 300℃, 90 기압, 2시간 동안 아임계수에서 반응시켜 배출한 토양을 GC-ECD를 이용하여 분석하고, 그 결과를 아래 [표 5] 및 [표 6]에 나타내었다.

트리클로로에틸렌의 정화 처리 결과

온도(℃)	시간(hr)	처리전(mg/kg)	처리후(mg/kg)	처리효율(%)
300	2	100	0.128	99.9

테트라클로로에틸렌의 정화 처리 결과

온도(℃)	시간(hr)	처리전(mg/kg)	처리후(mg/kg)	처리효율(%)
300	2	240	Not Detected	~100

정화 처리 결과, 트리클로로에틸렌은 100mg/kg에서 0.128mg/kg으로 감소하여 처리 효율은 99.9%였으며 토양 오염 우려기준인 1지역 8mg/kg 기준을 만족하였다. 테트라클로로에틸렌은 240mg/kg에서 처리 후 검출한계 이하(Not Detected)가 되어 총 처리효율이 약 100%였으며, 토양 오염 우려기준인 1지역 4mg/kg 기준도 만족하였다.

< 실시예 4> 농약성분( Chlorpyrifos ) 오염토양 정화 처리 실험

난분해성 유기물질 중 하나인 농약류에 대한 정화 처리 실험을 다음과 같이 실시하였다. 상기 BTEX의 경우와 동일한 성분을 가진 토양에 대표적인 유해성 농약 성분인 클로르피리포스(Chlorpyrifos)를 712.5mg/kg이 되도록 주입한 다음 물과 함께 반응용기에 넣고 300℃, 90 기압, 2시간 동안 아임계수에서 반응시켜 배출한 토양을 GC-ECD를 이용하여 분석하고, 그 결과를 아래 [표 7]에 나타내었다.

온도(℃)	시간(hr)	처리전(mg/kg)	처리후(mg/kg)	처리효율(%)
300	2	712.5	1.31	99.8

정화 처리 결과, 클로르피리포스는 712.5mg/kg에서 1.31mg/kg으로 감소하여 총 처리 효율은 99.8%를 나타내었다.

위 실시예1 내지 4를 통해서 볼 때, 아임계수를 이용한 오염토양 정화방법은 석유계 총 탄화수소, BTEX와 같은 유류와 트리클로로에틸렌, 테트라클로로에틸렌 및 클로르피리포스와 같은 난분해성 유기물질 모두에 대하여 90% 이상의 처리 효율을 나타내는 매우 효과적이고 친환경적인 방법임을 확인할 수 있다.

다음으로, 도 2 내지 도 5를 참조하여 본 발명에 따른 아임계수를 이용한 오염토양 정화장치를 상세히 설명한다.

본 발명의 정화장치는 크게 오염토양 및 물을 각각 저장하는 저장조(1,2), 상기 저장조(1,2)로부터 오염토양 및 물이 공급되는 내부 공간에 가열 및 냉각 매체가 통과할 수 있도록 코일형 관로(30)가 설치된 반응용기(20), 상기 반응용기(20)의 외부를 둘러싸도록 설치되고 내부에 전기 열선이 설치된 가열자켓(40), 및 상기 반응용기(20)로부터 배출된 정화토양을 물과 분리하여 저장하는 저장탱크(10)로 구성된다.

상기 저장조(1,2)는 각각 유류 또는 난분해성 오염물질로 오염된 토양과 정화 매체인 물이 각각 저장되고, 이 오염토양과 물은 진동 호퍼(3)에 의해 일정량 만큼 정출되어 반응용기(20)로 균일하게 투입된다.

상기 반응용기(20)는 본 발명의 정화장치를 구성하는 가장 핵심적인 요소이다. 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 반응용기(20)는 수직으로 긴 원통형 벽체(21)로 둘러싸여 내부 공간이 형성되고, 그 상부와 하부에는 각각 오염토양 및 물이 공급되는 투입구(22)와 정화토양 및 물이 배출되는 배출구(23)가 형성되며, 벽체(21)의 측면에는 상기 내부 공간에 일정 지름으로 감겨진 코일형 관로(30)가 설치되도록 코일 인입구(31)와 코일 인출구(32)가 형성되고, 벽체(21)의 정수리 부분에 형성된 삽입구(24)를 통해 삽입된 교반 스크류(25)는 상기 코일형 관로(30)의 안쪽에 위치하도록 설치된다.

이와 같이, 교반 스크류(25)가 코일형 관로(30)의 안쪽에 설치되면 코일형 관로(30)를 통해 전달되는 열기 또는 냉기가 반응용기(20)의 중앙으로 집중되기 때문에 가열 및 냉각 효율을 크게 향상시킬 수 있다. 상기 교반 스크류(25)는 토양 및 슬러지로 인한 부하를 최소화하기 위하여 도 5에 도시된 바와 같이, 회전 샤프트(25a)에 나선형의 날개부(25b)가 형성된 구조를 가지는 것이 바람직하다.

이 밖에 반응용기(20)의 벽체에는 각각 압력계와 안전변(26), 중앙 온도계(27), 하부 온도계(28)가 필요한 위치에 설치된다.

상기 코일형 관로(30)은 고온 고압에 견딜 수 있도록 스테인레스 재질로 만들어지며, 반응용기(20)의 내부 공간에 설치되어 오염토양 및 물과 직접 접촉하도록 설치함으로써 가열 및 냉각 효율을 극대화할 수 있다. 또한, 하나의 장치로서 가열 및 냉각을 동시에 실행할 수 있도록 하기 위하여 상기 코일형 관로(30)에 가열 매체인 스팀을 저장하는 스팀 저장탱크(8), 냉각 매체인 공기와 물을 각각 저장하는 공기 저장탱크(6), 물 저장탱크(7)가 선택적으로 개폐 가능하게 연결 설치된다. 이와 같이, 가열 및 냉각 매체를 하나의 코일형 관로(30)를 통해 흐를 수 있도록 구성함으로써 정화장치를 컴팩트하게 구성할 수 있다.

한편, 주 가열수단인 전기히터(5)와 연결된 가열자켓(40)은 다시 반응용기(20)의 상부를 덮은 상부 가열자켓(41)과 그 이외의 부분을 덮은 하부 가열자켓(42)으로 구성되고, 상기 상부 가열자켓(41)은 냉각시 착탈 가능하게 설치된다. 상부 가열자켓(41)을 착탈식으로 구성한 이유는 반응용기(20)의 열 발산이 상부로 집중되기 때문에 냉각 시에는 상부 가열자켓(41)을 분리하여 반응용기(20)의 상부가 공기 중에 노출되어 열 발산이 더욱 잘 이루어지도록 하기 위함이다. 물론 냉각 효율을 높이기 위하여 하부 가열자켓(42)을 착탈식으로 구성할 수도 있다.

상기와 같이 구성된 정화장치에 따르면, 다음과 같은 이중 가열 및 냉각을 실시할 수 있다.

가열 공정 초기에 150 ~ 180℃까지는 스팀 저장탱크(8)가 내부 인입관(11)을 통해 코일형 관로(30)와 연결되므로 반응용기(20)의 내부로 열전달율이 높은 스팀이 공급된다. 이와 동시에 전기히터(5)도 가동되어 가열자켓(40)을 통해 반응용기(20)의 벽체 외부를 가열함으로써 오염토양과 물이 신속하게 가열될 수 있도록 해준다. 이 때, 상기 가열자켓(40)은 상부 가열자켓(41)과 하부 가열자켓(42)이 모두 설치되어 가열과 동시에 보온이 될 수 있도록 한다. 사용된 스팀은 정화된 토양을 건조시키는데 재활용함으로써 에너지 낭비를 최소화할 수 있다.

반응용기(20) 내부의 온도가 150 ~ 180℃가 되면, 스팀의 공급을 중단하고 주 가열수단인 전기히터(5)만을 가동함으로써 천천히 승온되도록 하여 충분한 반응시간을 확보할 수 있도록 해준다.

정화 처리가 완료된 후에는 상부 가열자켓(41)이 분리되고, 공기 저장탱크(6)가 내부 인입관(11)을 통해 코일형 관로(30)와 연결되므로 반응용기(20)의 내부로 공기가 공급되어 180 ~ 200℃가 될 때까지 서냉시킨다. 균일한 냉각을 위하여 공기 저장탱크(6)가 외부 인입관(12) 및 분사 노즐(13)을 통해 반응용기(20)의 벽체 외부로 공기가 분사되도록 할 수도 있다. 이와 같이 냉각 초기에 공랭을 하는 이유는 갑작스런 냉각으로 인한 열충격으로 반용용기가 손상되는 것을 방지하기 위함이다.

상기 서냉 온도 범위 이하로 내려가면 물 저장탱크(7)가 내부 인입관(11)을 통해 코일형 관로(30)와 연결되므로 반응용기(20)의 내부로 물이 공급되어 급냉시킨다. 공급된 물은 쿨링 워터(4)를 통해 냉각되어 재사용된다. 신속하고 균일한 냉각을 위하여 살수기(16)를 통해 반응용기(20)의 벽체 외부로 물이 분사되도록 할 수도 있다.

정화장치의 상용화를 위해서는 고온, 고압 반응기의 규모가 커져야 하며, 이에 따라 반응용기의 두께, 크기 등이 증가하므로 가열과 냉각에 있어 장시간 소요된다. 본 발명은 상기한 이중 가열 및 냉각 수단을 사용함으로써 정화 효율을 극대화하고, 장치 수명에 영향을 미치지 않는 한도 내에서 최대한 신속하게 가열 및 냉각을 할 수 있도록 해주는 것이다.

냉각 공정이 완료되어 반응용기(20)의 온도가 50℃ 이하로 내려가면 정화된 토양과 물을 배출하고 필터 프레스(9)를 통해 정화토양만을 분리한 후 저장탱크(10)에 저장한다. 분리된 물에는 오염 물질이 검출한계 이하 또는 수질 오염물질 배출 기준치 이하로 포함되어 있으므로 이를 재활용할 수 있다.

정화 과정에서 발생될 수 있는 유해가스는 배출 덕트(14)를 통해 습식 흡수탑(15)에서 별도로 처리된다.

이상에서 본 발명을 바람직한 실시 예를 사용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.

20: 반응기 25: 교반 스크류
30: 코일형 관로 40: 가열자켓

Claims (7)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
4. 유류 또는 난분해성 유기물질로 오염된 토양 및 물을 각각 저장하는 저장조(1,2);
   상기 저장조(1,2)로부터 오염토양 및 물이 공급되는 내부 공간을 200 ~ 370℃, 20 ~ 220 기압의 아임계수(subcritical water) 조건이 되도록 가열하고 다시 냉각시키기 위한 매체가 통과할 수 있도록 코일형 관로(30)가 설치된 반응용기(20);
   상기 반응용기(20)의 외부를 둘러싸도록 설치되고 내부에 전기 열선이 설치된 가열자켓(40); 및
   상기 반응용기(20)로부터 배출된 정화토양을 물과 분리하여 저장하는 저장탱크(10);를 포함하는 아임계수를 이용한 오염토양 정화장치.
5. 청구항 4에 있어서,
   상기 코일형 관로(30)에는 가열 매체인 스팀을 저장하는 스팀 저장탱크(8), 냉각 매체인 공기와 물을 각각 저장하는 공기 저장탱크(6), 물 저장탱크(7)가 선택적으로 개폐 가능하게 연결 설치된 것을 특징으로 하는 아임계수를 이용한 오염토양 정화장치.
6. 청구항 4에 있어서,
   상기 반응용기(20)에는 나선형의 교반 스크류(25)가 상기 코일형 관로(30)의 안쪽에 위치하도록 설치된 것을 특징으로 하는 아임계수를 이용한 오염토양 정화장치.
7. 청구항 4에 있어서,
   상기 가열자켓(40)은 상기 반응용기(20)의 상부를 덮은 상부 가열자켓(41)과 그 이외의 부분을 덮은 하부 가열자켓(42)으로 구성되고, 상기 상부 가열자켓(41)은 냉각시 착탈 가능하게 설치된 것을 특징으로 하는 아임계수를 이용한 오염토양 정화장치.

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