Modeling permeable reactive barriers to control groundwater contaminated with mine tailings

Eunjie Kwak 고려대학교 대학원 2024 국내박사

The development of industrialization has led to a rapid expansion of the mining industry, and the heavy metal pollutants emitted during mining development cause environmental problems such as acid mine drainage (AMD) and mine tailings. Permeable reactive barriers (PRBs) are used as pollution containment facilities to prevent the spread of contaminated groundwater due to heavy metal pollutants. PRBs are representative passive remediation technology, and there are various facility structures such as trench type, funnel and gate type, and non-pumping reactive well (NPRWs). NPRWs is attracting attention as a technology for treating groundwater contamination in deep aquifers. In South Korea, PRBs are currently in operation at a total of 12 mine tailing storage sites. In this study, we combined experimental evaluation methods and numerical modeling techniques to comprehensively evaluate the PRBs facility operating in the field as follow: characterization of reactive materials, performance evaluation of contamination spread control according to the structure of NPRWs facility, the performance and sustainability assessment of PRBs operated in actual field. Characterization of reactive materials was conducted on the heavy metal removal process using coal waste and zeolite. Considering the subsurface environmental conditions such as contaminants properties, contamination levels, and groundwater velocities condition, a laboratory experiment was conducted to confirm changes in the characteristics of the reactive material in response to heavy metal removal. In the case of coal waste, non-equilibrium adsorption characteristics were confirmed due to the slow sorption rate, and in the case of zeolite, equilibrium and nonlinear sorption characteristics were found to be dominant due to the relatively fast sorption rate. Performance evaluation according to the structure of NPRWs facility was conducted the contamination removal efficiency, the potential for contamination leakage, and longevity. Through sandbox experiments designed to simulate water flow and contaminant removal, along with numerical modeling, it is showed that applicability for predicting the performance of the entire facility based on the characteristics of reactive materials by using an upscaling method. By visualizing the groundwater flow around the NPRWs, spatial variations of contaminant removal efficiency were confirmed, and the possibility of contaminant leakage was discovered due to hydraulic characteristics by the NPRWs facility structure. In assessing the effectiveness of NPRWs facility, it appeared essential to take into account the its structure, rather than solely relying on the properties of the reactive materials. To assess the performance and sustainability of PRBs operated in actual field, investigating whether groundwater contaminated with heavy metals was effectively contained at the mine tailing storage site equipped with PRBs. On-site monitoring was conducted to check the condition of the PRBs facility that has been in operation for a long time, and the experiments were conducted by sampling the old PRB materials actually buried in the PRBs. Regional-scale modeling was performed to understand the hydraulic characteristics of the entire area where the facility is located. Groundwater infiltration through cracks in the bedrock was the main contributing factor to heavy metal contamination at the mine tailing storage site, and that the resulting heavy metal groundwater contamination moved to the downgradient. Through field monitoring and sampling, the old PRB materials in a mine tailing storage site was found to be already highly enriched by heavy metals, suggesting that the PRBs facility worked effectively in removing heavy metal contamination. Some heavy metal contaminants were detected to exceed groundwater quality standards at PRBs downgradient, and the PRBs facility was predicted to have reached the end of its longevity through numerical modeling. Based on the above evidences, we recommend discontinuing operation for the PRBs facility. 산업화의 발달은 광산업의 급격한 확대로 이어졌으며, 광산개발과정에서 배출된 중금속 오염물질은 산성광산배수 및 광미 등의 환경문제를 일으킨다. 중금속 오염물질로 인해 오염된 지하수의 확산을 방지하기 위해 오염확산 방지시설으로 투수성 반응벽체가 사용되고 있다. 투수성 반응벽체는 대표적인 수동형 정화 기술로 연속벽형, 유도벽형, 관정형 반응벽체와 같은 다양한 시설 구조가 존재하며, 이 중 심부 대수층의 지하수 오염을 처리하기 위한 기술로 관정형 반응벽체가 주목되고 있다. 국내에서는 총 12곳의 광미 적치장에서 투수성 반응벽체를 운영하고 있다. 본 연구에서는 현장에서 운영 중인 투수성 반응벽체 시설을 종합적으로 평가하고자 반응성 소재 특성화, 관정형 반응벽체 시설 구조에 따른 오염 확산제어 성능 평가, 그리고 현장 운영 시설의 성능 예측 및 지속가능성 평가에 대해 실험적 평가방법과 수치척 모델링 기법을 결합하여 접근하였다. 석탄폐석과 제올라이트를 이용하여 중금속 제거 과정에 대한 반응성 소재의 특성화 연구를 수행하였다. 지중환경의 오염물질 특성, 오염정도, 지하수 유동 조건 등의 지중환경 조건을 고려하여, 중금속 제거에 대한 반응성 소재의 특성 변화를 확인하기 위해 실내 실험을 수행하였다. 석탄폐석의 경우, 느린 흡착 속도로 인한 비평형 흡착 특성이 확인되었으며, 제올라이트의 경우, 상대적으로 빠른 흡착 속도로 인해 평형 흡착과 비선형 흡착 특성이 지배적인 것으로 나타났다. 국내에 다수 시공된 형태인 관정형 반응벽체의 시설 구조에 따른 오염제거 효율, 오염누출 가능성 및 사용연한 등의 성능을 평가하였다. 토조 환경에서의 유동 및 오염제거를 모의한 실험과 수치적 모델링을 이용해, 업스케일링 기법을 적용하여 반응성 소재의 특성을 기반으로 한 전체 시설의 성능 평가가 가능함을 보여주었다. 관정형 반응벽체 주변 지하수 흐름을 시각화하여 오염 저감 효율의 공간적 불균질성을 확인했으며, 시설 구조에 따른 수리적 특성으로 인한 오염물질의 누출 가능성을 발견하였다. 관정형 반응벽체 시설의 성능을 평가를 하는데 있어 반응성 소재의 특성만을 반영하는 것이 아니라 시설의 구조에 대한 고려가 필요한 것으로 보였다.

Characterization and prediction of compression force evolution of a LiFePo4 battery

곽은지 중앙대학교 대학원 2021 국내석사

Lithium iron phosphate (LiFePO4) batteries are well-suited for use in both energy storage systems and stationary power supply units because of many advantages including economical (low-cost, abundant starting materials), nontoxic, environmentally compatible, and high thermal stability advantages. However, the safety and reliability concerns on LiFePO4 batteries should be resolved to expand its applications. This thesis investigates the mechanical responses of a 10-Ah LiFePO4 battery under different operating conditions, which is crucial for their design and control enabling solutions. Differential analyses of the swelling and force evolution with change in the state of charge (SOC) validate the direct correlation between the mechanical characteristics and cell chemistry. Consequently, the analysis in this study allows the identification of the electrode phase and transition stages at different C-rates, temperatures, and preloads. As a result, the coexistence of two coherent LiFePO4 phases and a phase/staging diagram for graphite have been established. Moreover, for the first time, the evolution of the equivalent stiffness and that of the equivalent modulus of elasticity were estimated by synchronizing the swelling and force measurements with respect to the SOC. This analysis revealed that the mechanical characteristics can be separated into three regions over the SOC and are strongly influenced by the co-existence of Li-poor Liε LiFePO4 and Li-rich Li1−δFePO4 phases in the cathode. Based on the profound understanding of characteristics of mechanical responses of LiFePO4 battery, this study proposes a method to predict the evolution of compression force during the degradation of a lithium-ion battery under packed conditions. The total compression force comprises irreversible and reversible forces. The former is estimated using a multivariate machine learning method, whereas the latter is estimated by combining machine learning and phenomenological modeling. For predicting the irreversible force, impedance-related features are extracted and their correlations with the evolution of the irreversible force are quantitatively analyzed using Grey relational analysis. Subsequently, features with high Grey relational grades are employed as representative health indicators for multivariate inputs of Gaussian process regression. For predicting the reversible force, the force evolution during the charge/discharge period is predicted using a phenomenological force model. The equivalent stiffness used in this model is separately estimated depending on the SOC to account for the inherent characteristics of phase transition and different degradation behaviors. The evolution of equivalent stiffness under high SOC shows nonlinearity but weak evolution characteristics, whereas those under low and medium SOCs show linearity but strong evolution characteristics. Finally, the proposed method is used to enable control and design for two potential applications: estimations of the state of health-dependent SOC and separator compression. 리튬인산철 배터리는 경제성, 무독성, 및 열 안정성의 다양한 장점을 가지고 있어 에너지 저장 시스템 등에 새로운 에너지원으로 주목받고 있다. 그러나 리튬 이온 배터리의 영역을 대규모 적용하기 위해 안전성과 신뢰성 문제가 해결되어야 한다. 이를 위해 배터리의 수명을 예측하여 교체 시기를 추정하는 기술 개발을 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 본 연구에서는 복잡하고 비선형 다중 물리적 특성을 갖는 배터리의 정확한 상태 추정 및 제어를 위해 반드시 필요한 배터리의 기계적 응답 특성 규명을 다양한 운용 조건에 따라 진행하였다. 특히, 미분분석법을 사용하여 충전율에 따른 부피변화 및 힘변화를 분석하였고, 이를 통해 배터리의 기계적 응답과 전기화학적 응답 간 상관관계를 규명하였다. 다양한 충전율, 온도, 예하중 조건에 따라 전극의 상변이를 식별하였고, 리튬인산철과 흑연이 공존하는 상태도를 성립하였다. 더 나아가, 충전율에 대해 부피변화와 힘변화를 융합하여 등가 강성 및 등가 탄성 계수의 변이를 추정하였다. 그 결과, 기계적 응답 특성은 충전율에 따라 3개 영역으로 구별되며, 양극의 다상에 의한 영향이 크다는 사실을 확인할 수 있었다. 배터리의 기계적 응답 특성 규명을 통한 이해를 바탕으로, 본 연구에서는 배터리 팩 조건에서 열화에 따른 압력 변이 예측 방법을 제안했다. 최종 압축력은 비가역적 힘과 가역적 힘으로 구성된다. 비가역적 힘 예측을 위해서 GRA (Grey relational analysis) 기법을 사용해 배터리 열화에 따른 압력 변이와 관련된 특징 인자를 정량적으로 분석 및 추출하였다. 선정된 다중 특징인자를 이용해 머신러닝 방법 중 높은 정확도를 보이는 추계학적 회기분석기법을 적용하여 비가역적 힘을 추정하였다. 가역적 힘은 현상학적 모델링을 통해 추정하였고, 이를 위해 강성을 부피 변이와 힘 변이의 열화 실험 데이터를 충전율에 따라 융합하여 추정하였다. 특히, 충전율에 따른 음극의 다상의 상태가 강성 및 기계적 거동을 지배한다는 특징을 반영하여 충전율에 따라 강성을 별도로 추정했다. 그 결과, 상위 충전율 영역에서 등가 강성은 비선형성을 보이지만 열화에 따른 변이 차이가 매우 작은 특성을 보이는 반면, 중간 및 하위 충전율 구간에서는 선형성을 보이나 열화에 따른 변이 차이가 크다는 점을 확인하였다. 마지막으로, 제안된 압축력 추정 모델은 배터리 열화에 따른 충전율 예측 및 분리막의 압축력 추정에도 사용될 수 있음을 확인하였다. 따라서 본 연구를 통해 개발된 모델은 배터리 시스템의 제어와 설계에서 안전성 및 신뢰성을 확보하기 위한 다양한 잠재적 용도에 유용하게 가능하다고 사료된다.

Systematic study of polymeric siRNA nanoparticles for B-cell lymphoma targeted delivery

곽은지 Graduate School, Yonsei University 2020 국내석사