계면활성제를 이용한 오염대수층의 선택적 폭기기술

김헌기,송영수,권한준,Kim, Heon-Ki,Song, Young-Su,Kwon, Han-Joon 한국지하수토양환경학회 2008 지하수토양환경 Vol.13 No.6

본 연구는 전통적인 지하 대수층 폭기기술을 시행하는 데 있어서 대수층의 특정층에 미리 수용액상 계면활성제를 수평방향으로 도입함으로써 오염물질이 실제로 존재하는 특정 지층으로 선택적으로 폭기되도록 하여 최소한의 공기량으로 오염물질 제거 효율을 극대화 하는 기술을 개발하는 것을 목적으로 한다. 본 연구에서는 균일질 모래로 충진된 2차원 상자 모델을 대수층 모사를 위하여 사용하였으며, 저농도(100 mg/L)의 음이온계 계면활성제(sodium dodecylbenzene sulfonate) 수용액을 대수층의 표면장력을 조절하는 데 사용되었다. 실험은 첫째, 계면활성제가 처방되지 않은 경우, 둘째, 공기도입부 근처에 계면활성제 용액이 도입된 경우, 그리고 셋째, 공기도입부와 토양표면의 중간부분에 계면활성제 용액이 도입된 경우의 세 부분으로 구성되어 실시되었다. 실험 결과, 계면활성제가 도입된 경우 계면활성제가 투입되지 않은 경우에 비하여 최고 5배에 해당하는 현저한 폭기영향권의 확대가 관찰되었다. 또한 계면활성제가 도입되지 않았을 때에는 폭기영향권의 범위가 도입유량에 거의 영향을 받지 않았으나 계면활성제가 도입된 경우 폭기영향권은 도입유량에 비례하는 것으로 나타났다. 특기할만한 것은 폭기영향권이 계면활성제가 도입된 수평층을 중심으로 형성되어 이 부분에 집중되어 존재하는 오염물질의 제거에 매우 유리할 수 있다는 점이다. 현재 까지 대수층 폭기기술이 도입공기의 수평확산을 유도하는 기술이 개발되어 있지 않으므로 본 연구는 기존의 대수층 폭기 복원기술의 효율을 획기적으로 개선할 수 있을 것으로 기대된다. Air sparging technique has been used for remediation of VOC(volatile organic compound)-contaminated aquifer. The aim of this study was to develop an innovative air sparging technique that enhances the efficiency of air intrusion into a specific horizontal layer of aquifer where the contaminants exist with the help of water-soluble surfactant. A twodimensional physical box model, packed with homogeneous sand, was used for simulating the aquifer in this study. Aqueous solution of anionic surfactant (100 mg/L, sodium dodecylbenzene sulfonate) was used to suppress the surface tension of groundwater. Three sets of experiments were conducted: air sparging experiment without surfactant application, air sparging experiments for box model where the surfactant solution was applied right above the air injection point, and air sparging experiments with surfactant solution layer formed in the middle of the box. It was found that the sparging influence zone was expanded up to five times of that formed by sparging without surfactant application. The size of sparging influence zone was more sensitive to the air flow (injection) rate with surfactant application than that without surfactant. More importantly, injection of air into the target aquifer layer was successful with surfactant application. Findings in this study are expected to provide more options for designing remediation processes using air sparging.

유동조건에서 $KMnO_4$도입에 따른 수용액중 PCE/TCE의 산화분해

김헌기,김태윤,Kim, Heon-Ki,Kim, Tae-Yun 대한자원환경지질학회 2008 자원환경지질 Vol.41 No.6

지하수가 유동하는 조건에서, $KMnO_4$의 도입에 따른 perchloroethene (PCE), trichloroethene (TCE)의 산화분해 속도를 토양컬럼을 이용한 실험실 규모의 실험을 통하여 측정하였다. 토양 컬럼을 통과하며 발생하는 PCE, TCE의 농도 감소속도에 영향을 미치는 요인으로서 산화제와 반응물의 반응접촉시간과 산화제의 농도 변화에 대한 효과를 관측하였다. 실험은 모래로 충진된 유리컬럼을 사용하였으며 반응물의 컬림도입농도는 PCE에 대하여 $0.1{\sim}0.21\;mM$, TCE에 대하여 약 $1.3{\sim}1.5\;mM$의 범위에서 일정하게 유지되었고, PCE 용액의 컬럼 내 체류시간은 $14{\sim}125$분, TCE 용액은 $15{\sim}36$분이었다. 또한 $KMnO_4$의 도입농도는 $0.6{\sim}2.5\;mM$범위에서 일정하게 유지되었다. 실험결과, PCE와 TC종의 컬럼통과시간과 컬럼유출액의 오염물질농도는 대체로 반비례 하는 것으로 나타났으나, 본 연구에서 정한 실험 조건에서는 PCE 및 TCE에 대한 반응차수를 정확히 결정할 수 없었다. 그러나 의사 1차반응으로 가정하고 계산한 반응속도 상수는 기존의 회분식 결과와 비교적 근접한 것으로 나타났다. TCE의 분해속도는 $KMnO_4$의 농도에 비례하여 증가하였으며, 이는 토양 컬럼에 PCE와 TCE가 기존의 실험과 달리 비교적 높은 농도로 도입되었기 때문으로 판단된다. 본 연구는 회분식 실험조건과 달리 유동조건에서 PCE와 TCE의 $KMnO_4$에 의한 산화분해속도를 측정함으로써 이들 오염물질로 오염된 대수층의 오염원 근처의 현장에 직접 $KMnO_4$를 적용하여 복원하는 기법을 설계하고 실행하는데 유용한 정보를 제공할 것으로 기대된다. The rates of oxidative degradation of perchloroethene (PCE) and trichloroethene (TCE) using $KMnO_4$ solution were evaluated under the flow condition using a bench-scale transport experimental setup. Parameters which are considered to affect the reaction rates tested in this study were the contact time (or retention time), and the concentration of oxidizing agent. A glass column packed with coarse sand was used for simulating the aquifer condition. Contact time between reactants was controlled by changing the flow rate of the solution through the column. The inflow concentrations of PCE and TCE were controlled constant within the range of $0.11{\sim}0.21\;mM$ and $1.3{\sim}1.5\;mM$, respectively. And the contact time was $14{\sim}125$ min for PCE and $15{\sim}36$ min for TCE. The $KMnO_4$ concentration was controlled constant during experiment in the range of $0.6{\sim}2.5\;mM$. It was found that the reduction of PCE and TCE concentrations were inversely proportional to the contact time. The exact reaction order for the PCE and TCE degradation reaction could not be determined under the experimental condition used in this study. However, the estimated reaction rate constants assuming pseudo-1st order reaction agree with those reported based on batch studies. TCE degradation rate was proportional to $KMnO_4$ concentration. This was considered to be the result of using high inflow concentrations of reactant, which might be the case at the vicinity of the source zones in aquifer. The results of this study, performed using a dynamic flow system, are expected to provide useful information for designing and implementing a field scale oxidative removal process for PCE/TCE-contaminated sites.

대수층 폭기공정에서 토양입경 및 지하수 깊이에 따른 표면장력과 함수율의 상관관계

김헌기,권한준,Kim, Heon-Ki,Kwon, Han-Joon 한국지하수토양환경학회 2009 지하수토양환경 Vol.14 No.6

대수층으로부터 휘발성 유기오염물질을 제거하기 위하여 air sparging을 실시하는 과정에서, 지하수의 표면장력을 인위적으로 감소시킴으로써 지하 대수층의 물 포화율을 낮추어 오염물질제거효율을 높일 수 있는 것으로 알려져 있다. 그러나 대수층의 구성 토양의 입경의 차이나 대수층의 두께의 차이가 이와 같은, 개량된 air sparging의 물 포화율 변화에 미치는 영향은 연구된 바 없다. 본 연구는 실험실 규모의 물리적인 model을 사용하여 air sparging공정 실시과정에서 서로 다른 토양입경과 깊이를 갖는 대수층 조건에서 표면장력과 물 포화율의 상관관계를 규명하였다. 표면 장력을 감소하기 위한 계면활성제로 sodium dodecylbenzene sulfonate를 사용하였고, 토양은 입경이 서로 다른 두 가지 모래를 사용하여 비교 실험을 수행하였다. 모래의 air-entry pressure는 각각 $15.0\;cmH_2O$, $36.3\;cmH_2O$로 측정되었다. 입경에 상관없이 표면장력과 물 포화율의 관계는 서로 비슷한 형태를 보였고, 표면장력이 감소함에 따라 물 포화율이 감소하다 일정 표면장력 이후에 물 포화율이 증가하는 형태로 나타났다. 본 연구에서는 표면장력이 42 dyne/cm일 때 두 가지 모래의 물 포화율이 48%로 최소치에 도달하였다. 대수층의 깊이는 41 cm, 81 cm, 160 cm의 세 가지 조건에서 실험하였으며, 본 실험조건에 해당하는 깊이 영역에서는 표면장력과 물 포화율의 상관관계가 대수층 깊이에 따른 특이한 상이점을 나타내지 않았다. 또한 2차원 모델을 이용한 실험에서 표면장력의 변화에 따른 폭기영역의 변화는 1차원 컬럼을 이용하여 측정된 물 포화율의 변화와 유사하였다. 본 연구결과는 SEAS(surfactant-enhanced air sparging)기술의 실제 적용에 있어서 다양한 현장조건에 따른 공정조건의 선정에 도움이 될 수 있을 것으로 전망된다. Reduction of groundwater surface tension prior to air sparging (SEAS, surfactant-enhanced air sparging) was known to increase air saturation in the aquifer under influence, possibly enhancing the removal rates of volatile contaminants. Although SEAS was known to be efficient for increasing air saturation, little information is available for different hydrogeological settings including soil particle sizes and the depth of aquifer. We investigated water saturations in the sparging influence zone during SEAS using one-dimensional column packed with sands of different particle sizes and different aquifer depths. An anionic surfactant was used to suppress the surface tension of water. Two different sands were used; the air entry pressures of the sands were measured to be $15.0\;cmH_2O$, and $36.3\;cmH_2O$, respectively. No significant difference was observed in the water saturation-surface tension relationship for sands with different particle sizes. As the surface tension decreased, the water saturation decreased to a lowest point and then it increased with further decrease in the surface tension. Both sands reached their lowest water saturations when the surface tension was set approximately at 42 dyne/cm. SEAS was conducted at three different aquifer depths; 41 cm, 81 cm, and 160 cm. Water saturation-surface tension relationship was consistent regardless of the aquifer depth. The size of sparging influence zone during SEAS, measured using two-dimensional model, was found to be similar to the changes in air saturation, measured using one-dimensional model. Considering diverse hydrogeological settings where SEAS to be applied, the results here may provide useful information for designing SEAS process.

Measurement of Gas-Accessible PCE Saturation in Unsaturated Soil using Gas Tracers during the Removal of PCE

김헌기,권한준,송영수,Kim, Heon-Ki,Kwon, Han-Joon,Song, Young-Soo Korean Society of Soil and Groundwater Environment 2011 지하수토양환경 Vol.16 No.5

In this laboratory study, the changes in gas-exposed perchloroethene (PCE) saturation in sand during a PCE removal process were measured using gaseous tracers. The flux of fresh air through a glass column packed with PCEcontaminated, partially water-saturated sand drove the removal of PCE from the column. During the removal of PCE, methane, n-pentane, difluoromethane and chloroform were used as the non-reactive, PCE-partitioning, water-partitioning, and PCE and water-partitioning tracers, respectively. N-pentane was used to detect the PCE fraction exposed to the mobile gas. At water saturation of 0.11, only 65% of the PCE was found to be exposed to the mobile gas prior to the removal of PCE, as calculated from the n-pentane retardation factor. More PCE than that detected by n-pentane was depleted from the column due to volatilization through the aqueous phase. However, the ratio of gas-exposed to total PCE decreased on the removal of PCE, implying gas-exposed PCE was preferentially removed by vaporization. These results suggest that the water-insoluble, PCE-partitioning tracer (n-pentane in this study), along with other tracers, can be used to investigate the changes in fluid (including nonaqueous phase liquid) saturation and the removal mechanism during the remediation process.

불포화 토양에서 유동하는 가스상 Volatile Organic Compounds의 출현곡선에 대한 고차 Temporal Moment의 분석

김헌기,Kim, Heon-Ki 한국지하수토양환경학회 2007 지하수토양환경 Vol.12 No.6

토양에서 휘발성 유기화합물(VOC, volatile organic compound)의 유동특성을 이해하는 것은 오염물질의 확산을 예측하고 오염의 정도를 평가하며 대책을 수립하는 데 있어서 매우 중요하다. 토양과 같은 다공성매질에서 유동하는 물질의 출현곡선에 대한 모멘트의 분석을 통하여 화학물질의 유동속도, 플룸의 폭 및 비대칭정도를 평가할 수 있다. 본 연구에서는 실험실 규모의 토양 컬럼실험을 사용하여 VOC의 가스상 유동실험을 실시하였으며, 모두 네 가지의 VOC에 대하여 포화도(water saturation)범위 0.04-0.46에서 출현곡선을 측정하였다. 또한 포화도 0.21에서 열한가지의 VOC에 대하여 출현곡선을 측정하였다. 측정된 출현곡선의 중심 2차(central second)및 중심 3차(central third)모멘트는 포화도와 1차 모멘트(또는 지체상수)와 비교 분석되었다. VOC 출현곡선의 모멘트분석 결과 2차 및 3차 모멘트는 1차 모멘트의 2.23제곱 및 3.16제곱 함수로서 증가하였으며, 3차 모멘트가 2차 모멘트에 대하여 보다 민감하게 반응하였다. 이는 VOC가 토양가스상에서 이동할 때, 지체상수에 비례하여 가스 플룸의 폭과 비대칭성이 증가한다는 사실을 나타낸다. Understanding the behavior of gas phase VOCs (volatile organic compounds) in unsaturated soils is of a great environmental importance for public health concerns. Moment analysis for the breakthrough curves (BTCs) during transport of chemicals in porous media was known to be a useful tool to evaluate the velocity, spreadness, and the skewness of the plume of the chemicals. In this study, the temporal moments of the BTCs of a group of VOCs were analyzed for the gaseous transport in an unsaturated soil. BTCs were measured using lab-scale column experiments for four different VOCs at the water saturation range of 0.04-0.46, and for eleven VOCs at a water saturation of 0.21. The central second and third moments of the VOCs were compared with the water saturation and the first moment. It was found that both central second and third moments increased with the first moment. The central third moment was, however, found to be more sensitive to the first moment.

승온조건의 SEAS(surfactant-enhanced air sparging) 기술을 이용한 대수층 NAPL(n-decane)의 휘발제거

송영수,권한준,김헌기,Song, Young-Su,Kwon, Han-Joon,Kim, Heon-Ki 한국지하수토양환경학회 2009 지하수토양환경 Vol.14 No.6

대수층에 존재하는 휘발성 오염물질을 제거하는 새로운 공법으로서 Surfactant-enhanced air sparging(SEAS)은 지하수의 표면장력을 감소함으로써 지하수 폭기효율의 증대를 도모한다. 그러나 SEAS기술도 기본적으로 오염물질의 휘발에 의한 물질이동에 의존함으로써 휘발성이 낮은 오염물질의 제거에는 매우 제한적이다. 본 연구는 승온된 조건에서 SEAS기술을 준휘발성 물질인 n-decane에 대하여 적용함으로써 SEAS기술의 확장여부를 시험하였다. 지하수 폭기실험은 내경 5 cm, 길이 80 cm의 1차원 토양(모래)컬럼을 사용하여 실시하였다. 실험은 총 3회 실시하였으며, 상온에서 증류수로 포화된 조건에서 1회, 상온($23^{\circ}C$)에서 음이온계 계면활성제(sodium dodecylbenzene sulfonate, SDBS) 수용액으로 포화된 조건에서 1회(상온 SEAS), 그리고 승온상태($73^{\circ}C$)에서 SDBS수용액으로 포화된 조건에서 1회(승온 SEAS) 실시하였다. 계면활성제가 적용된 경우의 폭기에 의한 공기포화율(57%)은 증류수로 포화된 조건의 공기포화율(10%)보다 높게 측정되었다. 승온 및 상온조건에서의 공기포화율은 거의 차이가 없었으나 n-decane의 제거속도는 현저한 차이를 나타내었다. 토양유출 가스에 포함된 n-decane의 농도는 상온조건에 비하여 승온조건에서 10배 이상 높았으며, 따라서 제거속도도 10배 이상의 차이를 나타내었다. 본 연구 결과에 따라 상온에서 휘발성이 낮으나 수 십도의 온도상승으로 증기압이 획기적으로 늘어날 수 있는 준휘발성 물질에 대하여 SEAS 기술이 효과적으로 응용될 수 있을 것으로 보인다. Surfactant-enhanced air sparging (SEAS) was developed to suppress the surface tension of groundwater prior to air sparging resulting in higher air saturation and larger contact area between NAPL and gas during air sparging. Larger contacting interface between NAPL and gas means faster mass transfer of contaminants from NAPL to gas phase. This new technique, however, is limited to relatively volatile contaminants because vaporization is its basic mechanism of mass transfer. In this study, SEAS was tested at an elevated temperature for a semi-volatile n-decane, which is expected not to be a good candidate of SEAS application due to its low vapor pressure at ambient temperature. Three sparging experiments were conducted using 1-dimensional column (5 cm id, 80 cm length) packed with sand; (1) ambient temperature ($23^{\circ}C$), column saturated with distilled water, (2) SEAS at ambient temperature ($23^{\circ}C$), for n-decane contaminated sand, (3) SEAS at elevated temperature ($73^{\circ}C$), for n-decane contaminated sand. Higher air saturation was achieved by SEAS compared to that by air sparging without surfactant application. The n-decane removal efficiency of SEAS at elevated temperature was significantly higher(> 10 times) than that of ambient SEAS. The n-decane concentrations in the gas effluent from column during SEAS at $73^{\circ}C$ are found to be 10 times of those measured at ambient temperature. Thus, SEAS technique can be applied for removal of semi-volatile contaminants provided that an appropriate technique for elevating aquifer temperature is available.

오존과 계면활성제를 이용한 대수층 내 비휘발성 물질 제거

양수경,신승엽,김헌기,Yang, Su-Kyeong,Shin, Seung-Yeop,Kim, Heon-Ki 한국지하수토양환경학회 2010 지하수토양환경 Vol.15 No.6

Surfactant-enhanced ozone sparging (SEOS), an advanced version of SEAS (surfactant-enhance air sparging) was introduced in this study for the first time for removal of non-volatile contaminant from aquifer. The advantages of implementing SEAS, enhanced air saturation and expanded zone of sparging influence, are combined with the oxidative potential of ozone gas. Experiments conducted in this study were tow fold; 1-dimensional column experiments for the changes in the gas saturation and contaminant removal during sparging, and 2-dimensional box model experiment for the changes in the size of zone of influence and contaminant removal. An anionic surfactant (SDBS, sodium dodecylbenzene sulfonate) was used to control surface tension of water. Fluorescein sodium salt was used as a representative of watersoluble contaminants, for its fluorescence which is easy to detect when it disappears due to oxidative degradation. Three different gases (air, high-concentration ozone gas, and low-concentration ozone gas) were used for the sparging of 1-D column experiment, while two gases (air and low-concentration ozone gas) were used for 2-D box model experiment. When SEOS was performed for the column and box model, the air saturation and the zone of influence were improved significantly compared to air sparging without surface tension suppression, resulted in effective removal of the contaminant. Based on the experiments observations conducted in this study, SEOS was found to maintain the advantages of SEAS with further capability of oxidative degradation of non-volatile contaminants.

직류전원과 0가 철을 이용한 지하수내 TCE정화효율의 최적화 연구

문지원,문희수,노열,김헌기,송윤구,Moon, Ji-Won,Moon, Hi-Soo,Roh, Yul,Kim, Heon-Ki,Song, Yun-Goo 대한자원환경지질학회 2002 자원환경지질 Vol.35 No.3

본 연구는 직류전원(DC)과 zero valent iron(ZVI)을 이용한 실험실 규모의 투수성 반응벽의 모사를 통하여 야외규모의 반응벽 설치시 반응벽과 전원의 설치 위치에 따른 trichloroethylene(TCE)의 처리시 효율성과 반응벽 사용가능 수명을 알아보고자 하였다. 실험결과 12개의 컬럼 type 중 ZVI와 DC를 동시에 사용하는 경우, ZVI만을 사용하는 경우의다. TCE의 환원적 탈염소화는 촉진되었다. 설치된 ZVI충진물질의 양을 고려할 경우, 하류에 ZVI를 설치하고, 전극배열은 상류에 양극을, 하류에 음극을 배열하는 것이 가장 적은 실비로 높은 처리 효율을 나타냄이 밝혀졌다. The objective of this study was to design an optimal electro-remediation system for TCE contaminated water using zero talent iron (ZVI) and direct current (DC). A series of column experiments were conducted to evaluate the effects of electrode arrangement and the location of permeable iron barrier in the column on the TCE removal efficiency and iron corrosion process. In twelve different combinations of ZVI and/or DC application in the test columns, the rate of reductive degradation of TCE was improved with simultaneous application of both ZVI and DC compared to that used ZVI only. The moot effective arrangement of electrode and ZVI for TCE removal from water was a column set with ZVI and cathode installed at the down gradient, respectively.

계면활성제와 폭기를 이용한 대수층의 특정깊이에 존재히는 휘발성 유기오염물질 (톨루엔)의 휘발제거

송영수,권한준,양수경,김헌기,Song, Young-Su,Kwon, Han-Joon,Yang, Su-Kyeong,Kim, Heon-Ki 대한자원환경지질학회 2010 자원환경지질 Vol.43 No.6

계면활성제를 이용하여 대수층의 특정층에 존재하는 휘발성 오염물질을 선택적으로 제거할 수 있는 새로운 지하수 폭기기술을 개발하였다. 모래가 충진된 실험설 규모의 물리적 모델을 이용하여 이 폭기기술의 효율성을 검증하였다. 모델의 특정깊이(바닥으로부터 약 22 cm)에 일정한 두께로 존재하는 용해된 상태의 톨루엔 플룸을 제거하는 실험을 실시하였으며, 오염물질이 존재하는 영역의 표면장력을 저감하기 위하여 음이온계 계면활성제인 SDBS(Sodium dodecylbenzene sulfonate)를 주입하였다. 또한 비교를 위하여 동일한 조건에서 계면활성제가 주입되지 않은 실험도 실시하였다. 오염영역의 하부로부터 공기로서 폭기한 결과, 계면활성제에 의하여 저감된 표면장력의 효과에 의하여 오염영역에 대한 폭기영향권의 크기가 현저히 증가하였으며 그 결과 70%이상의 톨루엔이 제거되었다. 반면 계면활성제가 주입되지 않은 조건에서는 20%이하의 톨루엔만 제거되었다. 이는 계면활성제에 의하여 표면장력이 낮아져 폭기 과정에서 플룸에 대한 공기주입이 매우 효율적으로 이루어졌으며, 따라서 톨루엔을 포함하는 대수층의 지하수가 공기와의 접촉이 보다 용이해졌음을 의미한다. 이 새로운 방법은 휘발성 유기물질로 오염된 대수층을 복원하는데 유용하게 이용될 수 있을 것으로 기대된다. An innovative application of surfactant-enhanced air sparging(SEAS) technique was developed in this study. Using a laboratory-scale physical model packed with water-saturated sand, air sparging was implemented to remove water-dissolved toluene that was introduced into a specific depth of the system with finite vertical width prior to sparging. An anionic surfactant(Sodium dodecylbenzene sulfonate) was introduced into the contaminated layer as in dissolved form in the toluene-contaminated solution for SEAS, whereas no surfactant was applied in the control experiment. Due to the suppressed surface tension of water in the surfactant(and toluene)-containing region, the toluene removal rate increased significantly compared to those without surfactant. More than 70% of the dissolved toluene was removed from the contaminated layer for SEAS application while less than 20% of toluene was removed for the experiment without surfactant. Air intrusion into the contaminated layer during sparging was found to be more effective than that without surfactant, enhancing air contact with toluene-contaminated water, which resulted in improved volatilization of contaminant. This new method is expected to open a new option for remediation of VOC(volatile organic compound)-contaminated aquifer.

유기겔 기반의 제거 가능한 수리학적 벽체의 구성 및 이를 이용한 대수층 오염물질의 제거공정 연구

오민수(Min Su Oh),조문영(Moon Young Cho),김동진(Dong Jin Kim),임순성(Soon Sung Lim),김헌기(Heon Ki Kim) 대한환경공학회 2022 대한환경공학회 학술발표논문집 Vol.2022 No.11