An Experimental Study to Improve Permeability and Cleaning Efficiency of Oil Contaminated Soil by Plasma Blasting

플라즈마 블라스팅을 이용한 유류오염토양의 투수성과 정화효율 개선을 위한 실험적 연구

Abstract

Plasma blasting which is generated by high voltage arc discharge of electricity is applied to soil mass to improve permeability of soil and cleaning efficiency of oil contamination. A new high voltage generator was manufactured and three types of soil including silty sand, silty sand mixed with lime and silty sand mixed with cement were prepared. Small and large soil columns were produced using these types of soil and plasma blasting was performed within soil columns to investigate the variation of soil volume penetrated by fluid and permeability. Soil volume penetrated by fluid increased by 11~71% when plasma blasting was applied in soil. Although plasma blasting with low electricity voltage induced horizontal fracture and fluid penetrated along this weak plane, plasma blasting with high voltage induced spherical penetration of fluid. Plasma blasting increased the permeability of soil. Permeabilty of soils mixed with lime and cement increased by 450~1,052% with plasma blasting. Permeability of soil increased as discharge voltage increased when plasma blasing was applied once. However, several blastings with the same discharge voltage increase or decrease permeability of soil. Oil contaminated soil was prepared by adding diesel into soil artificially and plasma blasting was performed in these oil contaminated soil. Cleaning efficiency increased by average of 393% for soil located nearby the blasting and by average of 239% for soil located far from the blasting. Cleaning efficiency did not show any correlation with discharge voltage. All these results indicated that plasma blasting might be used for in-situ cleaning of oil contaminated soil because plasma blasting increased permeability of soil and cleaning efficiency.

유류오염 토양의 투수성 및 정화효율을 개선하기 위하여 고전압 아크 방전에 의한 플라즈마 블라스팅을 토양에 적용하였다. 이 연구를 위하여 고전압 발생장치를 새로 제작하였고, 실트질 모래인 토양시료, 토양시료에 소석회를 혼합한 시료와 토양시료에 시멘트를 혼합한 세 종류의 토양시료를 다져서 소형 토조와 대형 토조를 제작한 후 각각의 토조내에서 플라즈마 블라스팅을 시행하여 유체확산의 범위와 투수성의 변화를 측정하였다. 플라즈마 블라스팅이 시행된 토양시료에서는 플라즈마 블라스팅이 시행되지 않은 대조군에 비해 유체의 확산 부피가 약 11~71% 증가하였다. 낮은 전압하에서 플라즈마 블라스팅이 시행되면 토양 내에서는 구조적 취약면(다짐면)을 따라 수평적 확산이 우세하게 나타났으나 높은 전압에 의한 플라즈마 블라스팅은 토양 내에 구형의 입체적인 확산을 발생시켰다. 플라즈마 블라스팅은 투수성 또한 증가시켰으며, 소석회 및 시멘트가 혼합된 토양에서 더욱 뚜렷하게 관찰되어, 플라즈마 블라스팅이 시행된 시료들은 대조군 시료에 비해 투수계수가 450~1,052% 범위로 증가하였다. 플라즈마 블라스팅이 1회만 실시된 토양시료의 투수계수는 방전 전압이 높아질수록 증가하였으나 동일한 전압으로 여러 번의 블라스팅이 시행된 토양시료의 투수계수는 증가하거나 감소하였다. 토양시료에 경유를 이용하여 인위적으로 오염시킨 토양시료에 플라즈마 블라스팅을 실시하여 정화효율을 측정하였다. 플라즈마 블라스팅이 시행되면, 방전지점 근처의 토양에서는 평균 393%, 방전지점으로부터 20 cm 이상 이격된 하부 토양에서는 평균 239% 정도의 정화효율이 개선되었으나 방전 전압과 정화효율은 상관성을 보이지 않았다. 위의 결과는 플라즈마 블라스팅이 토양의 투수성과 정화효율을 상당히 개선하므로, 유류오염 토양의 원위치 정화에 효율적으로 이용될 가능성을 보여주었다.

서론

토양은 암석이 풍화되어 이루어진 무기질 입자와 동식물에서 기원한 유기물이 혼합된 물질로서 지구의 표면을 구성하고 있으며 자연 생태계가 순환하고 균형을 이루는데 중추적인 역할을 한다. 그러나 20세기를 거치면서 산업화, 도시화, 인구증가에 따라 토양의 자체적인 자정 능력을 초과하는 오염물질이 부가되면서 많은 지역에서 토양이 심각하게 오염되었다. 토양오염은 축적성, 잔류성, 비가시성 등으로 인해 국민의 환경안전에 심각한 위협요인이 되고 있다. 1 cm 두께의 토양이 형성되는데 몇 백년이 소요될 정도로 토양은 인위적인 증식이 거의 불가능하기 때문에 토양의 오염을 사전에 예방하는 것이 매우 중요하며 오염된 경우에는 정화과정을 거쳐 재활용할 필요가 있다.

오염된 토양을 복원하기 위해 다양한 정화기술을 개발하여 활용하고 있으며, 정화기술은 오염토양의 굴착 유무에 따라 지상처리공법과 지중처리공법으로 구분된다. 지상처리공법은 오염토를 굴착하여 오염현장에서 직접 처리하거나 반출하여 처리하는 공법이며, 지중처리공법은 굴착행위 없이 원위치에서 오염토양을 정화하는 공법을 말한다. 지중처리기술의 대표적인 기술로는 화학적산화환원법, 토양증기추출법, 토양세정법, 생물학적통풍법 등이 있다(Teefy, 1997; Ministry of Environment, 2007).

미국은 1980년 CERCLA(Comprehensive Environmental Response, Compensation and Liability Act) 법안을 통과시키면서 본격적으로 토양오염에 대한 관리를 시작하였다. 이 법안에 따라 수퍼펀드(Superfund)을 조성하여 정화에 필요한 비용을 지원하고 우선순위(National Priority List, NPL)를 정하여 오염지역을 관리하고 있다. 수퍼펀드 프로그램이 시작된 이래 1982년부터 2008년까지 수퍼펀드 오염부지의 토양을 정화하기 위하여 1, 135개의 프로젝트가 수행되었으며, 이 중 지중처리 기술을 53% (598개), 지상처리기술을 47% (537개) 적용한 것으로 조사되었다. 수퍼펀드 부지에서의 지중처리기술의 적용 추이를 보면 1985년부터 1990년까지의 지중처리기술 적용비율이 평균 33.5% (21~47%), 1991년부터 2000년까지의 적용비율이 평균 49% (41~61%), 2001년부터 2005년까지의 적용비율이 평균 63.6% (44~79%)로서 점진적으로 지중처리기술의 적용이 증가하였다(EPA, 2007; Fig. 1).

Fig. 1. Trend of in-situ soil remediation technology application in super fund sites(EPA, 2007).

국내의 토양정화 실적에 대해서는 정확한 집계자료가 없으나, 모니터링 기법의 발전으로 정화 효과 검증에 대한 신뢰도가 높아짐에 따라 지상 시설물이나 부지사용에 영향을 주지 않는 지중처리 기술에 대한 관심이 높아지고 있다. 지중정화기술은 공법에 따라 공기, 세정제, 산화제, 미생물 및 영양제 등을 오염부위에 효과적으로 전달하여, 이들 제재들이 갖고 있는 다양한 기능이 오염물질에 적절히 작용되도록 함으로써 공법의 효과를 기대할 수 있다. 이 때 지중정화기술의 효율은 토양의 입도분포, 공극율, 수분 함량, 부식 함량, 투수성 등 다양한 요인에 의해 영향을 받는다. 정화효율에 영향을 주는 항목 중 가장 중요한 요소는 투수성이라 할 수 있으며, 투수성이 불량하여 정화효율이 낮은 오염지역에서는 파쇄를 통해 투수성을 개선해 줄 필요가 있다(EPA, 1995). 파쇄기술은 석유 및 지하수 개발 산업을 중심으로 개발되었으며, 1980년대 초에 미국에서 환경분야에 응용되기 시작했다. 파쇄기술은 정화효율이 낮은 저투수성 오염부지에 파일럿 규모로 시도되었다(Christiansen et al., 2006). 현재 환경적으로 응용되는 파쇄기술은 수압파쇄기술과 공압파쇄기술이 있다 (King, 1993; EPA, 1995; Suthersan, 1999). 수압파쇄기술과 공압파쇄기술은 미국 환경보호국 지원 하에 슈퍼펀드 사이트를 중심으로 다수의 기술적용과 평가가 이뤄졌다(EPA, 1995; Purdue ECT Team, 2007). 우리나라에서도 환경부에서 공압파쇄기술 개발의 일환으로 “지중파쇄를 이용한 원위치정화기술 개발”연구(Ministry of Environment, 2011)를 수행한 사례가 있으며, 공기나 약액을 고압으로 주입하여 오염토양을 정화하는 공법 등 관련 특허가 다수 등록되어 있다.

기존 파쇄공법 적용에 있어 수압파쇄나 공압파쇄를 이용하여 균열을 형성시킬 경우, 가압지점을 중심으로 수평방향으로 연속적인 방사상 균열망이 형성될 것이라 예상하였으며, 미국 EPA(Environmental Protection Agency) 자료에 따르면 공압파쇄는 기존의 균열을 확장하고 아울러 2차적인 인위적 균열망도 형성한다고 보고하였다(EPA, 1995). 그러나 다수의 연구자들은 이것이 과연 가능한가 하는 의문을 제기함은 물론, 실제로 일부의 연구자들은 이와는 다른 결과를 얻었다. Christiansen et al.(2006)은 지중에 가해진 압력은 기존 균열을 주요 통로로 하여 이동하게 되므로 인위적 균열의 형성은 이미 존재하는 자연 균열의 분포 상태에 영향을 받을 수밖에 없다고 보고하였다. 이러한 현상은 수압파쇄나 공압파쇄가정적 부하를 사용하기 때문에 발생하는 문제로 판단된다. 정적 부하는 저항이 낮은 기존 균열을 따라 소산되므로 지반의 응력을 초과하여 2차 균열을 유발할만한 부하가 가해지기 어려운 조건이 된다. 이러한 문제를 해결하기 위해 토양 균열형성을 위한 동적 부하를 적용하는 연구를 수행할 필요가 있다.

이 연구는 기존 기술에서 적용되었던 정적 부하의 문제를 극복할 수 있도록 플라즈마 발파의 기본원리인 고전압 펄스-아크에 의한 충격파를 토양에 적용하여 동적 부하를 발생시키고 그 효과를 검증할 목적으로 수행하였다. 목적을 달성하기 위하여 고전압 발생장치와 실험실 규모의 토양시료를 제작하고 플라즈마 블라스팅 에너지 크기, 블라스팅 횟수 조건을 달리하여 토양에서의 플라즈마 블라스팅 적용 가능성, 유체 확산 효과, 투수성 개선 효과 및 정화효율을 객관적으로 도출하고자 하였다. 궁극적으로 오염토양 정화에 플라즈마 블라스팅의 적용 가능성을 제시하고자 하였다.

연구방법

이 연구에서는 플라즈마 블라스팅에 의한 오염토 정화 효과를 검증하기 위하여 다음과 같은 연구절차를 수립하였다. 먼저 문헌 연구를 바탕으로 실험실 규모의 플라즈마 발생장치를 설계/제작하였으며, 실험실 규모의 인공 토사 지반모델을 구축하였다. 실험은 토사시료 내에 균열망 형성 및 유체확산 평가, 투수시험 그리고 유류오염토양의 정화효율 평가 등을 실시하였다(Fig. 2).

Fig. 2. Flow chart of research performance.

플라즈마 발생장치 설계 및 제작

플라즈마 블라스팅 장치의 주요 부분은 Fig. 3과 같이 전원공급장치(Power supply), 정류형변압기(Rectifier type transformer), 축전기(Capacitor), 스위치(Switch), 방전프로브(Discharge probe), 압력수 공급장치 등으로 구성되었으며, 이러한 구성형태는 이전 연구에서도 사용되어 왔다(Touya et al., 2006; Best et al., 2008; Maurel et al., 2010; Chen et al., 2012; Zhu et al., 2013; Yan et al., 2016; Lee, 2019).

Fig. 3. Plasma blasting device configuration diagram and photos.

전원공급장치는 콘센트 또는 배전반으로부터 공급되는 상용주파수의 저 전압, 저 전력의 전기에너지를 축전기에 충전하는 직류고전압으로 변환시키는 장치다. 전원공급장치의 구성으로는 입력되는 교류 상용전압을 직류전압으로 변환시키는 정류기(Rectifier)와 변환된 직류전압을 고전압 승압용 변압기(High voltage step-up transformer)에 공급하기 위한 직류전압을 고주파 교류전압으로 변환시키는 변환기(Converter, Inverter) 등이 있다. 이 연구에서 제작된 전원공급장치는 입력 교류전압이 220 VAC인 경우에는 약 300 VDC의 출력을 얻을 수 있다.

정류형변압기는 승압된 교류고전압을 축전기에 충전시키기 위한 직류고전압으로 변환시키는 장치로서 고전압정류기(High Voltage Rectifier), 축전기에 공급하는 돌입전류를 방지하고 스위칭 노이즈를 줄이기 위한 저항기(Resistor, R)와 인덕터(Inductor, L) 그리고 축전기(Capacitor, C)를 고려한 RLC 필터회로로 구성되어 있다. 이 연구에서 사용된 정류형 변압기는 고주파 고전압 정류기를 이용하여 출력되는 직류고전압의 크기를 측정할 수 있는 고전압 전압분배(Voltage Divider) 센서와 전류 센서가 장착되어 축전기의 충전전압을 제어할 수 있도록 하였고 전원공급장치로부터 출력된 300 VDC의 전압을 최대 15 kVDC까지 승압할 수 있다.

플라즈마 발생장치의 축전기(Capacitor)는 순간적인 펄스 에너지를 극대화하기 위하여 전기에너지를 축전기에 모아 일시적인 펄스 에너지로 방전시키는 방식의 대용량 축전기를 사용하는 것이 일반적이다. 이 연구에서는 6.6 µF의 축전용량과 50 kV의 충전 전압을 갖는 폴리프로필렌 메탈라이즈드 필름(Polypropylene metallised film) 축전기 3개를 병렬로 사용하여 최대 25 kJ (20 µF, 50 kV)까지 전기에너지를 충전할 수 있는 축전기 세트를 구성하였다.

고전압 스위치는 축전기에 충전된 전기에너지를 블라스팅 에너지로 변환되는 반응기에 해당하는 프로브로 강력한 펄스 에너지를 공급하는 역할을 수행한다. 이 연구의 초기에는 제어가 용이한 반도체 스위치를 적용하여 장치를 구성했으나 반도체 스위치의 허용전류로는 충분히 큰 전기에너지를 공급할 수 없다는 것을 확인하고 스파크 갭(Spark gap) 구조의 물리적 스위치로 변경하였다. 스파크 갭 스위치는 아크방전에도 마모가 적은 텅스텐(W)-구리(Cu) 합금 재질로 만들었으며, 원통구조의 전극을 마주시키고 내부에 구멍을 뚫어 방전 시에 스파크 갭 전극에 생긴 오염된 가스와 이온화 된 공기를 제거시켜 항상 일정한 형태의 펄스방전이 형성될 수 있도록 제작하였다. 또한 1 mm 피치의 나사산을 갖는 황동재질의 튜브를 이용하여 항상 주어진 일정한 전압에서 방전될 수 있도록 스파크 갭의 간격 조절이 용이한 구조로 제작하였다. 공기중 절연파괴전압이 대략 30 kV/cm임을 감안하면, 스파크 갭 1 mm 당 방전전압이 3 kV가 되기 때문에 스파크 갭의 간격을 미세하게 조절하면 원하는 방전전압을 설정할 수 있다.

방전 프로브는 플라즈마 블라스팅 장치의 가장 말단부로서 고전압 펄스아크 방전에 의하여 실제적인 블라스팅을 발생시키는 장치다. 기본적인 형상은 Fig. 4와 같이 동축원통형 전극이며 연구용 시험공에 적용될 수 있도록 직경 50 mm, 길이 910 mm로 제작하였다. 방전 프로브에서 방전이 발생되는 프로브의 끝부분과 전극봉은 방전에 의한 열손상/마모에 대비하여 부품을 교체할 수 있도록 설계하였다. 또한 방전부 바로 뒷단에는 압력수를 시추공에 공급할 수 있는 출수구가 8개가 있으며, 방전이 발생되는 공간이 밀폐될 수 있도록 3열의 실리콘/고무 오링(O ring)이 설치되어 있다. 방전부의 반대쪽 끝부분에는 위치고리 및 음(-)극 연결단자, 양(+)극 전선 삽입구, 압력수 유입구, 공기 배출구 등이 있다.

Fig. 4. Structure diagram and photo of discharge probe.

압력수 공급장치는 일정한 압력을 갖는 유체(물)를 방전프로브에 전달하는 장치다. 압력수 공급장치에는 최대 토출압력 약 50 kPa, 최대 유속 약 8 L/min인 소형의 원심펌프(Centrifugal pump)를 사용하였다. 원심펌프와 방전 프로브는 실리콘 호수로 연결되어 있고 중간에 밸브가 설치되어 있어 압력수의 토출량을 조절할 수 있도록 제작하였다.

토사 컬럼시료 제작

실험에는 다량의 토사가 필요하므로 실험장소에서 가까운 토취장에서 반입하였으며, 반입된 토사는 차단막으로 밀봉하여 시간 경과에 따른 함수비의 변화가 없도록 하였다. 반입 토사의 토성을 파악하기 위해 3개 지점에서 시료를 채취하여 분석하였다. 토성분석 결과 3개 시료의 토성은 통일분류 상 실트질 모래(SM)로 분류되며, 입도분포 특성을 볼 때, 3개 시료 모두 거의 차이를 보이지 않는 것으로 분석되어 반입된 토양은 매우 균질한 상태로 확인되었다(Table 1).

Table 1. Soil grain size analysis results

컬럼시료는 균열형성실험과 오염토양 정화실험을 위한 직경 30 cm, 높이 50 cm의 소형컬럼과 보다 큰 규모의 균열형성실험을 위한 직경 80 cm, 높이 100 cm의 대형컬럼으로 구분하여 제작하였다(Fig. 5). 소형컬럼의 재질은 두께 9 mm 플라스틱(PVC) 파이프이며, 컬럼의 벽에는 하부로부터 6.0~33.0 cm 구간에 직경 2.7 cm의 천공홀 85개를 천공하였다. 천공홀은 플라즈마 블라스팅 시 발생하는 압력파가 컬럼벽에 갇히지 않고 측방으로 방사되도록 하며, 투수시험 과정에서 물의 측방흐름을 유도하여 플라즈마 블라스팅에 의해 형성된 균열부의 수리전도도를 보다 정확하게 파악하는 효과도 있다. 컬럼 내부에서 토양 다짐 및 시험 과정에서 천공홀을 통해 토사가 유실되는 것을 방지하기 위해 내부 벽면을 따라 와이어 메쉬(Wire mesh)를 설치하였다. 대형컬럼은 토사의 중량 및 실험 용이성을 감안하여 철판을 절단하여 원형으로 밴딩 처리하여 제작하였으며, 컬럼 내부벽에는 10 cm 간격으로 눈금을 표시하여 토양 다짐시 활용하도록 하였다. 투수시험시 유출된 주입수가 하부에 차집될 수 있도록 집수판을 설치하였으며, 주입수의 원활한 배수를 위해 대형컬럼과 집수판 사이에 와이어메쉬를 설치하였다.

Fig. 5. Small and large scale soil column sample.

이 연구는 플라즈마 블라스팅 전과 후의 투수성 변화를 평가하는 것이 주요 연구목적중 하나이므로 실험의 전과정에 걸쳐 일정한 공극률을 유지해야 한다. 동일한 토사를 사용하므로 입도와 수분함량은 큰 차이가 없으나 컬럼내에서 부분별 밀도의 차이가 발생할 수 있다. 따라서 컬럼에 토사를 충전할 때 정밀한 다짐을 실시하여 전체적으로 일정한 밀도가 유지되도록 하여야 한다. 이 연구에서는 토양을 5 cm 두께로 분할하여 다짐을 실시하였다. 토사의 무게를 측정하여 소요량만큼 토사를 컬럼 내부에 넣고 5 cm 간격으로 미리 표시된 높이에 이를 때까지 다짐봉을 사용하여 골고루 다졌다. 한 층을 다진 후에는 다짐면의 표면부를 갈퀴 형태의 도구를 이용하여 교란 시킨 후 다시 토사를 투입하여 상부층을 다지는 방식으로 다짐 경계면이 형성되는 것을 최대한 억제하였다. 토양의 목표 밀도는 건설표준품셈에 자연상태의 모래질 흙에 대한 단위중량이 1.7~1.9 g/cm³로 제시된 것을 감안하여 중간값인 1.8 g/cm³로 설정하였다.

컬럼은 본체에 해당하는 외관과 플라즈마 블라스팅용 프로브를 삽입하기 위한 내관으로 구성되어있다. 소형컬럼시료의 토사 충전 높이는 40 cm이며, 외경 6 cm의 내관은 바닥으로부터 10 cm 높이에 설치하였고 대형컬럼시료의 토사 충전 높이는 60 cm이며, 외경 6 cm의 내관은 바닥으로부터 20 cm 높이에 설치되었다.

이 연구에서는 보다 다양한 조건 설정을 위해 실험시료로 선정된 일반토사 외에 소석회 8% (중량비)가 혼합된 토사와 시멘트 4% (중량비)가 혼합된 토사를 사용하여 다른 물성을 갖는 컬럼시료도 제작하였다. 소석회나 시멘트는 일반토사와 혼합하면 토양의 고결도와 강도가 높아지는 효과가 있어 연약한 토층을 개량하는데 널리 사용되는 재료다. 일반토사, 소석회 혼합토사, 시멘트 혼합토사는 플라즈마 블라스팅에 의한 균열 형성 및 유체확산 효과를 확인하기 위한 실험에 활용하였다.

실험방법

이 연구에서는 플라즈마 블라스팅을 통한 유체확산 확인실험, 플라즈마 블라스팅에 따른 투수성 변화 및 정화효율 평가실험을 실시하였다. 이들 실험을 위해서는 플라즈마 블라스팅이 선행되어야 하며, 블라스팅 방법은 다음과 같다. 첫째, 토사 컬럼시료 내부에서 방전을 하기 위해서는 내관을 10 cm 들어올려 방전 공간을 확보한 다음 내관에 프로브를 삽입한다. 둘째, 전도성이 있는 유체(물)속에서 방전을 해야 하므로 방전 프로브의 전극이 물에 잠길 수 있도록 프로브를 통해 방전 공간을 물로 채운다. 셋째, 이 상태에서 프로브 전극에 고전압을 인가하면 펄스-아크방전이 일어나고 이때 생성된 플라즈마의 고열에 의해 방전 공간내 물이 급격히 기화 ‧ 팽창하면서 충격파가 발생한다. 이때 충격파에 의해 형성된 균열의 틈새를 확대하고 유체를 확산시키기 위해 수압펌프를 이용하여 약 50 kPa의 압력으로 유체를 주입하면서 방전을 실시하였다. 또한 방전 특성을 분석하기 위하여 방전시 방전 프로브에 인가되는 전압과 전류의 크기를 계측하였다. 전압은 Tektronix사의 6015A 고전압 프로브를 이용하여 측정하였으며, 전류 측정에는 Pearson사의 Current Monitor Mode 301 전류 코일을 사용하였다. 두 계측기는 Tektronix사의 DPO 3032 디지털 오실로스코프에 연결되어 실시간으로 자료를 수집하고 컴퓨터에 기록하였다. Fig. 6은 12 kV의 전압으로 방전하였을 때 방전프로브 양단에서 계측된 전압과 전류의 파형을 보여주는 그래프이다. 전압 파형은 스파크 갭 스위치에서 절연파괴가 발생되면서 약 12 kV까지 상승하였다가 방전 프로브 전극단에서 펄스-아크방전이 이뤄지면 급격하게 낮아진다. 전류의 경우에는 스위치에서 절연파괴가 발생된 이후에도 방전 프로브 전극단에서 펄스-아크방전이 발생되기 전까지는 거의 0의 값을 보이다가 방전이 시작됨과 동시에 최대 14.9 kA까지 급상승하는 것으로 나타났다. 또한 최대 전류값을 보인 후에는 전류가 일시에 사라지지 않고 점차적으로 감소하는 방전에너지 감쇠구간이 형성되는 것을 볼 수 있다. 방전에너지는 축전기에 축적된 전기에너지가(E)가 모두 소모된다고 가정할 경우 식 (1)과 같이 축전기의 정전용량(C)과 충전 전압(V)의 제곱에 비례한다.

\(E=\frac{1}{2} C V^{2}\)       (1)

Fig. 6. Waveform of discharge voltage and current measured by the discharge probe.

이 연구에서 제작된 플라즈마 블라스팅 장치의 축전기의 용량은 약 20 µF이므로 12 kV로 방전이 이루어졌다면 방전에너지는 식 (1)에 의해 약 1.44 kJ로 계산된다.

플라즈마 블라스팅에 의한 균열 형성 및 유체확산 확인 실험은 흰색 패인트 용액을 약 50 kPa의 압력으로 주입하면서 방전을 실시하여 충격파를 따라 페인트 용액이 확산되도록 하였다. 방전이 종료된 후 컬럼을 제거하여 다짐 토사시료를 노출시킨 후 외부로부터 중심을 향하여 시료를 점진적으로 수직 절개하면서 플라즈마 블라스팅의 영향범위와 균열 형태를 육안으로 확인하였다. 또한 육안관찰 과정동안 카메라로 절개된 시료를 촬영하고 간단한 면적분석을 통해 플라즈마 블라스팅에 따른 균열발생 및 유체확산 효과를 분석하였다. 또한 다양한 전압과 방전 횟수를 적용하여 방전 조건에 따른 균열발생 및 유체확산 효과를 비교할 수 있도록 하였다.

투수시험은 소형 및 대형 컬럼시료를 대상으로 7 kV, 10 kV, 13 kV의 방전 전압으로 각각 1회, 3회, 5회 플라즈마 블라스팅을 실시한 후 수행되었다. 투수시험을 위해 일반토사 11개, 시멘트 혼합토사 11개 등 총 22개의 소형 컬림시료와 일반토사로 만들어진 총 6개의 대형 컬럼시료가 제작되었고 각 시료당 3회씩 투수시험을 실시한 후 평균값을 최종 투수계수로 선정하였다. 일반적으로 실내 투수시험에서는 투입유량의 흐름이 시료의 전단면을 통해 상향 또는 하향으로 움직인다. 그러나 이 연구에서 사용된 토사 컬럼시료의 경우 플라즈마 블라스팅에 의해 시료의 중 ‧ 하부에 균열이 형성되며 최상부의 토사는 영향을 크게 받지 않는다. 이러한 상태에서 실내 투수시험 방법을 적용할 경우 투수성은 발파의 영향을 받지 않은 최상부층에 의해 지배될 가능성이 크다는 문제점이 있다. 현장 투수시험을 적용할 경우 정수위법과 변수위법이 있다. 정수위 시험은 연구에 사용된 컬럼의 측면에 수평 배수를 유도하기 위해 뚫어 놓은 구멍을 통해 물이 빠져나가면서 정수위를 유지하기 곤란하므로 적용에 한계가 있다. 변수위법은 컬럼 내관이 케이싱의 역할을 하며 방전 공간을 통해 물이 주입되므로 최상부 토사층의 영향을 받지 않는 상태에서 투수계수 측정이 가능하며 플라즈마 블라스팅의 영향 구간에서 컬럼 측면 구멍을 통해 측방 흐름을 유도하면서 시험할 수 있으므로 균열에 의한 투수계수의 변화를 파악하기에 적합한 방법이다. 이 연구에서는 현장 변수위 투수시험 방법 중 시험구간이 지하수위 상부인 경우를 채용하여 Fig. 7과 같은 조건으로 투수시험을 실시하였다. 이때 투수계수(k)는 내관(Inner tube)의 최상부까지 물을 채운 후 시간에 따라 하강하는 수위를 일정 시간별로 측정한 후 식(2)을 이용하여 계산할 수 있다.

\(k=\frac{r^{2}}{2\left(L_{1}-L_{2}\right)\left(t_{2}-t_{1}\right)} \operatorname{Ln}\left(\frac{L_{1}-L_{2}}{r}\right) \operatorname{Ln}\left(\frac{\left(H_{c}+D_{c}\right)-H_{1}}{\left(H_{c}+D_{c}\right)-H_{2}}\right)\)       (2)

여기서, r은 내관의 반경, t₁과 t₂는 경과시간, L₁은 내관 상단에서 굴착깊이까지 거리, L₂는 내관 상단에서 하단까지의 거리, H₁와 H₂는 경과시간에 따른 수위 저하 시간, H_c는 토사 상부에 노출된 내관의 길이, D_c는 토사에 삽입된 내관의 길이이다.

Fig. 7. Conceptual drawing of permeability test.

정화효율 평가실험에서는 주입수에 계면활성제를 0.1% 첨가하여 토양세정 효과를 관찰하고자 하였다. 정화효율 평가를 위해 토양에 경유를 혼합하여 인위적으로 오염토양을 제조하였다. 대조군 시료는 3개를 제작하였으며, 방전없이 일정량의 주입수만을 주입한 후 토양시료를 채취하였다. 오염토양으로 제작된 소형 컬럼시료를 대상으로 7 kV, 10 kV, 13 kV의 방전 전압으로 각 1회, 3회, 5회 방전을 실시하고 토양시료를 채취한 후 공인시험기관에 의뢰하여 유류오염 물질인TPH(Total Petroleum Hydrocarbon) 항목을 분석하였다. 시료채취 시 방전 프로브 주변에서 채취한 시료는 시료명 끝에 A를, 방전 프로브 하부 모든 토양을 혼합한 시료는 시료명 끝에 B를 표기하여 구분하였다.

플라즈마 블라스팅에 의한 균열 형성 및 유체 확산 효과 평가

플라즈마 블라스팅 없이 50 kPa의 압력으로만 페인트 용액을 주입한 일반토사 시료는 주입된 페인트 용액이 시추공 주변을 중심으로 확산되어 있는 것이 확인되었으나 흙의 다짐 정도의 차이 때문인지 확산형태는 다소 불규칙하였다. 이 실험에서 페인트 용액의 확산면적비는 약 28%로 분석되었다(Fig. 8a). 확산면적비는 페인트 용액 확산 단면적을 시료의 전체 단면면적으로 나눈 값의 백분율로서 이 연구에서는 이 값을 플라즈마 블라스팅에 의한 유체 확산효과 검토를 위한 지표로 사용하였다.

Fig. 8. Evaluation of fluid diffusion range by plasma blasting.

7 kV 전압으로 1회 방전한 일반토사 시료는 페인트 용액이 시추공을 중심으로 조롱박 형태로 확산되었으며, 이때 페인트 용액의 확산면적비는 약 31%으로 방전을 하지않은 경우보다 확산효과가 약 11% 향상되었다(Fig. 8b). 7 kV 전압에서 3회 방전한 일반토사 시료는 페인트 용액이 시추공을 중심으로 구형태로 비교적 넓게 확산되었으며, 확산면적비는 약 38%로 분석되어 확산 효과가 방전을 하지 않은 경우보다 약 37%, 1회 방전한 경우보다 약 24% 향상되었다(Fig. 8c).

12 kV 전압으로 1회 방전한 일반토사 시료는 페인트 용액이 시추공을 중심으로 위아래로 긴 타원형로 확산되었으며 확산면적비는 약 36%로 분석되었다(Fig. 8d). 이는 방전을 하지 않은 경우보다 약 30% 향상된 결과이나 7 kV로 3회 방전한 경우보다는 확산 효과가 크지 않았다. 12 kV 전압에서 3회 방전한 일반토사 시료는 페인트 용액이 시추공을 중심으로 타원형으로 확산되었고 시료 양측 표면까지 페인트 용액이 침투된 것이 관찰되었다(Fig. 8e). 페인트 용액의 확산면적비는 48%로서 방전이 없는 경우보다 약 71% 확산효과가 증가한 것으로 분석되었다. 전반적으로 방전 전압이 높을수록, 그리고 방전 횟수가 많을수록 플라즈마 블라스팅에 의한 유체 확산 효과가 증가되는 경향을 보였다. 그러나 일반토사는 주변의 토압에 의해 발생된 균열들이 유지되지 않고 다시 닫히는 경향을 보여 뚜렷한 균열 형태를 관찰할 수 없었다.

일반토사 시료보다 고결도가 높은 소석회 8% 혼합 토사시료를 대상으로 진행된 실험에서는 12 kV와 14 kV의 전압으로 3회 다중방전를 실시하였다. 12 kV로 3회 다중방전한 시료는 세로로 긴 타원형으로 페인트 용액이 확산되었으며, 확산면적비는 약 34%로 분석되었고(Fig. 8f), 14 kV로 3회 다중방전한 시료는 가로로 긴 두 개의 타원이 겹쳐져 있는 형태로 페인트 용액이 확산되었으며, 확산면적비는 약 41%로 분석되었다(Fig. 8g). 소석회 혼합토사도 일반토사와 유사하게 다짐정도에 따라 페인트 용액의 확산형태가 불규칙한 경향을 보였다. 확산효과는 방전하지 않은 일반토사에 비해 21~47% 정도 증가하였으나 일반토사에서 12 kV 전압으로 3회 다중방전한 경우보다는 15~30% 정도 효과가 감소하였다. 이는 소석회에 의한 흙입자의 고결 효과로 인해 시료의 강도가 증대되어 플라즈마 블라스팅에 의한 균열형성 및 토체교란이 일반토사에 비해 상대적으로 어려워졌기 때문으로 판단된다. 그러나 일반토사 실험에서는 관찰할 수 없었던 방사상의 균열면들을 소석회 혼합토사에서는 관찰되었다(Fig. 8j).

14 kV로 1회 방전한 시멘트 혼합토사 시료는 페인트 용액이 방전지점을 중심으로 원형으로 넓게 확산되었으며, 확산면적비는 약 41%로 분석되었다(Fig. 8h). 14 kV로 3회 다중방전한 시멘트 혼합토사 시료는 바닥으로부터 25 cm 높이까지 시료 전체에 걸쳐 페인트 용액이 넓게 확산되었고 시료 중간부인 20 cm 지점에서는 수평방향의 균열이 뚜렷하게 관찰되었다(Fig. 8i). 분석된 확산면적비는 약 52%로서 방전실험 중 가장 높은 확산면적비를 보였다.

Fig. 9는 플라즈마 블라스팅 방전조건 및 시료유형별 패인트 용액의 확산면적비를 나타낸 그래프다. 전반적으로 방전 전압 즉 방전에너지가 높을수록 유체 확산효과가 높으며, 1회 단일방전보다는 3회 다중방전에서 24~32% 정도 확산효과가 증대되는 것을 확인할 수 있다. 그러나 앞서 서술하였듯이 일반토사의 경우 연성의 특성을 갖고 있어 플라즈마 블라스팅에 의해 토체 내부에 뚜렷한 균열이 발생하기 보다는 토사의 다짐 정도가 느슨해지는 경향을 보여 뚜렷한 균열 형태를 관찰할 수 없었다. 이는 동적 부하에 의해 순간적으로 균열이 형성되었다가 부하가 소멸됨에 따라 다시 닫히기 때문으로 판단된다. 소석회와 시멘트를 혼합한 상태와 같이 토양 입자를 어느 정도 고정시킨 조건에서는 시료에 균열이 형성되는 현상을 부분적으로 확인할 수 있었다. 따라서 플라즈마 블라스팅에 의해 토층 내부에 수직방향과 수평방향으로 교차하는 미세 균열들이 발생되어 상호 소통이 가능한 균열망을 형성할 수 있을 것으로 판단된다. 또한, 세정제와 같은 약액을 활용하여 플라즈마 블라스팅을 실시한다면 특정 방향으로 편중되지 않게 약액을 침투시킬 수 있는 가능성을 확인하였다. 또한 블라스팅에 의해 균열망이 형성될 경우에는 이 균열망을 통해 더욱 더 약액을 효과적으로 확산시킬 수 있을 것으로 판단된다.

Fig. 9. Comparison of fluid diffusion characteristics by discharge condition.

Table 2는 다양한 방전조건으로 플라즈마 블라스팅을 수행한 후 실시된 변수위 투수시험결과를 요약하여 나타낸 것이다. 소형컬럼 일반토사 시료의 경우, 플라즈마 블라스팅을 수행하지 않은 대조군(Control group)시료의 투수계수는 1.15 × 10^-4~1.57 × 10^-4 (평균 1.36 × 10^-4) cm/sec 범위로 측정되었고 플라즈마 블라스팅을 실시한 시료에서는 대조군보다 높은 6.72 × 10^-4~1.48 × 10^-3 cm/sec 범위로 측정되었다.

Table 2. Permeability test results

소형컬럼 시멘트 혼합토사 시료의 투수계수는 플라즈마 블라스팅을 수행하지 않은 대조군은 2.19 × 10^-3~3.31 × 10^-3(평균 2.75 × 10-3) cm/sec의 범위로 측정되었고 블라스팅을 실시하였을 때는 대조군보다 높은 5.35 × 10-3~2.19 × 10-2> cm/sec 범위로 측정되었다. 당초 예상과는 달리 시멘트 혼합토사의 투수성이 일반토사에 비해 높게 측정되었다. 이는 시멘트 배합 시 물배합을 하지 않고 단순히 일반토양에 시멘트 가루를 혼합하였기 때문에 시멘트 입자가 토양의 자체 수분(함수율 10% 내외)과 결합하여 토립자를 일부 고정시키는 역할을 하였으나 공극의 연결을 차단하는 수준에는 이르지 못했기 때문으로 추정된다.

대형컬럼 일반토사 시료의 투수계수는 플라즈마 블라스팅을 수행하진 않은 대조군 시료는 소형컬림 시료와 유사한 약1.25 × 10^-4 cm/sec로 측정되었고 블라스팅을 실시한 시료에서는 이보다 약간 높은 5.62 × 10^-4~9.65 × 10^-4 cm/sec 범위로 측정되었다.

투수시험 과정에서 시험이 불가능한 경우가 일부 발생하였는데 이는 내관을 통해 공급된 물이 거의 정체된 채로 수위의 변화가 없거나, 물을 공급한 후 즉시 또는 시험 도중 시료의 상부 표면을 통해 용출되는 경우이다.

Fig. 10은 플라즈마 블라스팅 조건에 따른 토사시료의 투수계수의 변화를 나타낸 그래프이다. 일반토사 시료에서 1회 방전만 실시한 경우에는 방전 전압이 높아질수록 오히려 투수계수가 약간씩 줄어드는 양상을 보이나 대조군의 투수계수에 비해 약 7~8배 증가하였다. 일반토사 시료에서 3회 방전을 실시한 경우에는 대조군 대비 투수계수가 7 kV에서 약 6.4배, 10 kV에서 약 10.5배 정도 방전 전압이 높을수록 점진적으로 증가하는 경향을 보였다. 5회 방전을 실시한 경우에는 투수계수가 대조군에 대비하여 7 kV에서 약 4.9배, 10 kV에서 약 9.3배로 전압에 따라 증가하다가 13 kV에서 약 6.4로 증가정도가 감소하였다. 시멘트 혼합토사 시료의 경우, 1회 방전만 실시한 경우에는 대조군 대비 투수계수가 7 kV에서 2.7배, 10 kV에서 3.2배, 13 kV에서 약 6.2배 씩 전압이 증가함에 따라 비례적으로 증가하였다. 3회 방전을 실시한 경우에는 대조군 대비 투수계수가 7 kV에서 2.7배, 10 kV에서 1.9배, 13 kV에서 약 3.3배 증가하여 10 kV 이상의 전압에서는 1회 방전한 경우보다 투수계수 증가 정도가 오히려 감소하였다. 5회 방전을 실시한 경우에는 7 kV에서 2.8배, 10 kV에서 2.4배, 13 kV에서 약 5.8배 증가하여 3회 방전시 보다 더 큰 증가량을 보였으나 1회 방전시 보다는 증가량이 크지 않았다.

Fig. 10. The change of permeability (k) by plasma blasting.

Fig. 11은 플라즈마 블라스팅을 하지않은 대조군 대비 플라즈마 블라스팅 조건별 투수성 개선비율을 나타낸 그래프이다. 일반토사는 방전 전압의 크기와 투수계수 변화 사이에 뚜렷한 상관성을 보이지 않았으며, 시멘트 혼합토사는 일반토사에 비해 전압이 증가할수록 투수계수가 높아지는 경향을 상대적으로 잘 보여준다. 투수시험 결과를 바탕으로 플라즈마 블라스팅에 의한 투수성 증대효과를 평가하면, 소형컬럼 일반토사의 경우, 1회 방전에서 평균 914%, 3회 방전에서 평균 774%, 5회 방전에서 평균 687% 정도 투수성이 개선된 것으로 평가되며 다중방전 보다 오히려 1회 방전시 투수성 개선효과가 가장 큰 것으로 나타났다. 소형컬럼 시멘트 혼합토사의 경우, 1회 방전에서 평균 458%, 3회 방전에서 평균 280%, 5회 방전에서 평균 365% 정도 투수성 이 개선된 것으로 평가되어 일반토사와 마찬가지로 1회 방전시 가장 높은 투수성 개선효과가 나타났다. 대형컬럼 일반토사의 경우에는 3회 방전에서 773%, 6회 방전에서 450%, 9회 방전에서 703% 정도 투수성이 개선되어 방전횟수가 가장 작은 3회 방전에서 투수성 개선효과가 가장 크게 나타났다. 분석결과를 종합하면, 일반토사에서의 플라즈마 블라스팅에 의한 투수성 개선효과는 방전횟수가 적은 경우가 가장 양호하며, 이때의 투수성 개선효과는 773~914%에 이르는 것으로 평가되었다. 소형 및 대형 컬럼에서의 투수성 개선효과는 평균 844%로써, 이 시험결과를 준용하는 경우, 플라즈마 블라스팅을 수행한 지반은 그렇지 않은 지반에 비해 약 8.4배의 투수성이 개선될 수 있음을 확인하였다.

Fig. 11. Increasing rate of permeability (k)of small and large-column test group compared to control group.

플라즈마 블라스팅에 의한 오염토양 정화효율 평가실험

정화효율 평가실험에서 플라즈마 블라스팅을 실시하지 않은 오염토양 대조군 시료들의 TPH 함량은 8, 287~9, 592 mg/kg(평균 8, 893 mg/kg)으로 분석되었다. 플라즈마 블라스팅을 실시한 후 분석된 시료들의 TPH 함량은 7 kV의 방전전압 조건에서 3, 752~3, 872 mg/kg (평균 3, 445 mg/kg), 10 kV의 방전 전압 조건에서 3, 117~3, 599 mg/kg (평균 3, 352 mg/kg), 13 kV의 방전전압 조건에서 2, 364~2, 911 mg/kg (평균 2, 695 mg/kg)으로 분석되었다(Table 3).

Table 3. Crean-up efficiency test results for small-column(soil)

*A: Samples taken near the discharge point.

**B: Samples taken at the bottom of a column.

Fig. 12는 방전전압에 따른 TPH 농도 변화를 나타낸 그래프이다. 플라즈마 블라스팅이 이루어진 후에는 대조군에 비해 TPH 농도가 약 50~85% 정도 감소되었으나 방전전압의 크기와 TPH 농도 변화와는 뚜렷한 경향성이 보이지 않는다. Fig. 13은 방전횟수에 따른 TPH 농도 변화를 보여준다. 방전 발생지점 근처에서 채취된 토양시료(A)는 방전 횟수가 증가 할수록 TPH 농도가 약 50%에서 최대 85%까지 점진적으로 감소하는 경향을 보였다(Fig. 13a). 그러나 시료의 바닥 부위에서 채취된 토양시료(B)는 방전횟수가 증가하더라 TPH 농도가 크게 변하지 않았다(Fig. 13b).

Fig. 12. The change of TPH concentration by discharge voltage.

Fgi. 13. The change of TPH concentration by number of discharge.

Fig. 14는 플라즈마 블라스팅을 하지않은 대조군 대비 플라즈마 블라스팅에 의한 오염토양 정화효율을 보여준다. 방전 지점 근처의 토양은 대조군 대비 플라즈마 블라스팅 후 약 260~681% (평균 약 393%)의 정화효율 개선효과를 보였으며, 특히 방전횟수가 증가함에 따라 정화효율이 증가되는 것을 확인할 수 있었다. 또한 방전지점에서 약 20 cm 이상 떨어진 하부토양도 플라즈마 블라스팅 후 대조군 대비 184~286% (평균 약 239%)의 정화효율 개선효과를 보였다.

Fig. 14. The crean-up efficiency of oil contaminated soil by plasma blasting.

결론

이 연구는 고전압 방전에 의한 플라즈마 블라스팅을 토사층에 적용하여 유체 확산 및 투수성 개선에 효과가 있는지를 평가함으로써 지중처리기술과의 결합 가능성을 판단할 목적으로 수행하였다. 이를 위해 순간적인 고전압 펄스-아크를 발생시킬 수 있는 대용량 축전기가 포함된 고전압 발생장치와 소형 및 대형 컬럼 토양시료를 제작하였고 플라즈마 블라스팅에 의한 토사층내 균열 형성 및 유체 침투 효과 평가, 토사층의 투수성 변화 특성 분석 그리고 오염토양의 정화효율 평가 실험을 실시하였다.

플라스마 블라스팅에 의한 균열 형성 및 유체 침투 실험에서 모래질이 우세한 일반토사에서는 플라즈마 블라스팅을 실시할 경우 블라스팅을 수행하지 않은 대조군에 비해 유체확산 범위가 약 11~71% 증가하는 것으로 분석되었다. 모래질이 우세한 일반토사 시료에 플라즈마 블라스팅을 실시하지 않고 압력만으로 유체를 주입시에는 토사 충전시 형성된 다짐면 등과 같은 구조적 취약면을 따라 집중적인 흐름이 발생하였다. 그러나 플라즈마 블라스팅을 실시한 경우에는 동적 에너지에 의해 구형으로 입체적 침투가 발생하는 것을 확인하였다. 방전 전압이 낮은 조건에서는 압력 주입 시와 마찬가지로 다짐면을 따라 수평적 흐름이 우세하게 나타났으나 방전 전압이 높아짐에 따라 방사상의 침투가 일어났다. 이를 통해 방전 전압이 충분할 경우 구조적 취약면을 따른 약액 침투의 편향성을 극복하고 전 방향으로 고른 침투가 가능하다는 것을 확인할 수 있었다. 특히 이런 현상은 흙의 고결도를 높인 소석회 및 시멘트 혼합토양에서 더욱 뚜렷하게 관찰할 수 있었다.

플라즈마 블라스팅을 실시한 시료들은 실시하지 않은 대조군 시료에 비해 투수계수가 최소 450%에서 최대 1, 052%까 지 현저히 증가하는 것을 확인하였다. 플라즈마 블라스팅 시 1회만 방전을 실시한 경우에는 방전 전압이 높아질수록 투수성도 증가하는 경향을 보였다. 그러나 동일한 방전 전압으로 다중 방전를 실시한 경우에는 투수성이 오히려 감소하였으며, 이 상태에서 추가적인 방전을 다시 실시하면 투수성이 다시 증가하는 경우도 관찰되었다. 이러한 현상은 실험에 사용된 토사가 모래질이 우세하여 최초 방전 시에는 토양 입자들이 이완되어 느슨해지지만 반복되는 방전에 의해 느슨해졌던 토양 입자들이 오히려 다져짐으로써 투수성이 저하되었기 때문으로 판단된다. 따라서 모래질 토사층에서는 1회 방전이다중방전 보다 약액의 침투에 더 효과적일 수 있으며 균열을 형성하기 위해서는 다짐 에너지보다 더 큰 방전 에너지가 필요한 것으로 판단된다.

인위적으로 오염시킨 토양과 계면활성제가 혼합된 주입수를 이용한 토양 정화효율 평가실험에서 플라즈마 블라스팅을 실시할 경우 실시하지 않은 대조군에 비해 정화효율이 방전지점 근처에서는 평균 393%, 방전지점에서 약 20 cm 이상 떨어진 하부 토양에서는 평균 239% 정도 개선된 것을 확인하였다. 그러나 방전 전압과 정화효율과의 뚜렷한 경향성은 파악되지 않았다.

이 연구의 결과를 종합해 보면, 플라즈마 블라스팅을 수행하는 경우 원 토사 대비 투수성 및 정화효율이 뚜렷하게 향상된다는 것을 확인할 수 있다. 그러나 이번 실험에서 사용된 고전압 방전장비의 한계로 인해 충분한 크기의 방전에너지를 사용할 수 없어 방전에너지의 크기와 방전 횟수에 따른 투수성 및 정화효율의 상관성을 명확히 판단할 수 없었다. 따라서 향후 추가 연구를 통해 현재 수준보다 수배~수십배 높은 방전에너지를 인가하였을 때의 투수성 개선효과 및 이에 따른 정화효율을 검토할 필요가 있다.