1. 서 론
2. 실내 실험
2.1 반응성 라이너 및 실험 장치
2.2 실험 방법 및 내용
3. 실험 결과 및 고찰
3.1 경과시간에 따른 반응성 라이너의 차단 특성 변화
3.2 유류 오염물 누출 위치를 고려한 반응성 라이너의 차단 성능
4. 결 론
1. 서 론
도시 확장, 산업 개발 등에 의한 지하 저장탱크(underground storage tank, UST) 및 군부대 이전 등에 따라 지중의 다양한 오염원들이 지속적으로 확인되고 있으며, 이와 같은 오염원들은 흙의 구조 및 지하수 유동 등의 물리적 또는 역학적 특성 변화를 유발하기도 한다(Greekdrink et al., 1996; Zhang et al., 2011; Choi et al., 2020; Ng et al., 2022; Park et al., 2023). 이와 같은 특성 변화는 이류, 분산, 확산 및 흡착 등의 대표적인 오염물 거동에도 영향을 미치게 된다(Kim et al., 2022; Park et al., 2022). 따라서 오염물 거동 및 확산을 예측하기 위해서는 오염물 제거 또는 정화 기법 이외에도 지반의 물리적-역학적 관계 기반의 공학적 특성 및 지하수 유동 조건을 반영하여 시간의 함수로 표현될 수 있는 확산 가능성을 평가할 필요가 있다(Méndez et al., 2012; Shackelford et al., 2016).
최근에는 유류 탱크 등의 지하 저장탱크 노후화에 기인한 유류 누출 사고가 지속되고 있는데, 이에 따른 지중의 유류 오염물 제거를 위한 많은 연구들이 수행된 바 있다. Kang and Shackelford(2009)는 벤토나이트와 같은 입자에 의한 간극과 상호작용하는 전기 확산 이중층을 가진 점토 지반에서 막 거동(membrane behavior)은 매우 중요한 요소라 평가하여, 지오신세틱 점토 라이너(geosynthetic clay liner, GCL)의 특성을 평가하기 위한 실험적 연구를 수행하였다. Shin and Kim(2011)은 유류 및 비수용성 오염물질(dense nonaqueous phase liquids, DNAPL)로 오염된 지반에 인공동결공법에 의해 형성된 차수벽에 기인한 지하수 유동으로부터 오염물의 확산 방지 효과를 평가하기 위한 실험적 연구를 수행하였다. Pinedo et al.(2013)은 지반의 환경 영향에 관한 평가는 다환 방향족 탄화수소(polycyclic aromatic hydrocarbons, PAH)와 벤젠, 톨루엔, 에틸벤젠, 자일렌(BTEX)과 같은 방향족 휘발성 탄화수소와 같은 일반적인 유해 화합물을 통해 오염지수를 평가함으로써 TPH에 의한 오염 정도를 평가할 수 있는 방안을 제시한 바 있다. 이와 같은 연구들의 대부분은 오염물 제어 등에 관한 결과를 보여주고 있다. 또한 Han et al.(2020)은 최근 연구 동향에 부합할 수 있도록 오염된 지반의 거동을 공간정보기술로 평가하기 위한 연구를 수행한 바 있으며, Jeong et al.(2017) 및 Agarwal et al.(2011)은 중금속으로 오염된 토양에 대하여 나노버블수를 이용하는 등의 지중 오염물 제거를 위한 재료의 응용 방안을 제시하기도 하였다. 그리고 Shin et al.(2015)은 반응물질과 연직배수를 이용하여 오염지반 정화 기술을 제안한 바 있는데, 이와 같은 다수의 연구도 오염물 제거에 초점을 맞춰 수행되었다. 따라서 기존의 연구들이 주로 오염물 제어 및 제거를 위한 목적으로 수행된 것으로 미루어, 오염물 누출 시 사전에 확산을 차단할 수 있는 지속적인 연구가 필요한 실정이다.
본 연구는 지하 저장탱크로부터 누출된 유류 오염물의 확산을 방지하기 위하여 개발된 반응성 라이너를 이용하여, 유류 오염물의 누출이 발생한 위치를 고려한 오염원의 확산 차단 성능을 평가하기 위한 모형실험을 실시하였다. 그리고 실험 결과를 바탕으로 반응성 라이너로부터의 유류 누출 거리가 반응성 라이너의 차단 성능에 미치는 영향을 평가하였다.
2. 실내 실험
2.1 반응성 라이너 및 실험 장치
지중에 설치되는 반응성 라이너는 지하수 유동에 영향을 미치지 않으며, 유류 누출에 따른 오염원 확산 과정에서 유류가 반응성 라이너와 접촉했을 경우에만 흡유-팽창-겔화 거동을 통해 오염원 확산을 차단하는 역할을 한다. Fig. 1은 기존 연구(Park, 2021)에서 제시된 유류 오염물에 대한 반응성 라이너의 차단 메커니즘을 보여준다.
Fig. 1.
Conceptual diagram on oil absorption of reactive liner (Park, 2021 [modified from ©2020.goldenpow])
지중에서 누출된 유류 오염물의 차단을 위한 반응성 라이너는 부직포 및 직포와 같은 지오신세틱스(Geosynthetics)를 니들 펀칭 공정으로 구속한 가운데, 유류 흡유에 최적화된 반응재료, 즉, 폴리노보넨 파우더가 충진되어 있는 형태를 갖는다(Fig. 2). 오염물을 대상으로 흡유-팽창-겔화 반응을 유도하는 반응성 라이너의 주요 구성 성분인 폴리노보넨은 유류 오염물의 흡유를 통한 확산 방지가 충분히 가능하다. 또한 폴리노보넨 파우더의 양에 따라 유류 오염물과의 반응에 기인한 흡유 성능에 차이를 보이는데, 이를 통해 유류 확산 정도를 고려한 생산 및 적용이 가능한 특징이 있다. 본 연구를 위해 활용된 반응성 라이너의 유류 흡유를 위한 반응재료는 폴리노보넨 100%가 적용되었다.
전술한 바와 같이, 본 연구는 유류 오염물의 누출이 발생한 위치에 따른 반응성 라이너의 오염원 확산 차단 성능을 평가하기 위한 모형실험을 실시하였고, 실험 결과를 이용하여 반응성 라이너로부터의 유류 누출 거리가 반응성 라이너의 차단 성능에 미치는 영향을 분석하고자 하였다.
Fig. 3은 본 연구를 위해 제작된 모형실험 장치를 보여주며, 크게 지하수 유동을 위한 수조와 모형지반 내에 반응성 라이너 설치가 가능한 토조로 구성되어 있다. 지하수 유동은 높이 조절이 가능한 거치대를 통해 동수경사에 따른 모형지반 내에 유입속도를 변화시킬 수 있도록 하였으며, 이는 모형지반의 투수계수를 고려할 수 있음을 의미한다. 토조는 모형지반에서 반응성 라이너의 설치가 용이하고, 설치 형태를 고려할 수 있도록 내부에 가이드 스틱을 부착하였다. 또한 실험 조건에 따라 지하수의 유입과 유출이 원활하도록 각 벽면에 유입량 및 유출량 조절이 가능하도록 하였다.
2.2 실험 방법 및 내용
반응성 라이너로부터의 유류 누출 거리가 오염원 차단 성능에 미치는 영향을 분석하기 위한 모형실험은 기존 연구(Park et al., 2024)를 참고하여 수행되었으며, 이를 요약하면 다음과 같다.
먼저, 토조 내 중앙에 위치한 가이드 스틱에 맞춰 반응성 라이너를 설치한 후, 분할된 공간에 동일한 양의 흙을 5개 층으로 나눠 포설하였으며, 각 층별로 상대밀도(35%) 조건에 맞춰 모형지반을 조성하였다. 본 연구에서는 지반 조건에 따라 유류 누출 거리와 함께 경과시간(0H ~ 72H)에 따른 반응성 라이너의 차단 성능 변화를 확인하기 위하여, 표준사 및 세립토 함유율 5% 조건의 모형지반을 모사하였다. 모형지반에 적용한 흙시료는 표준사와 저압축성 실트이며, 각각의 흙시료에 대한 공학적 특성은 Table 1에서 보는 바와 같다.
Table 1.
Soil properties
| Soil Classification | Properties | |
| Joomunjin standard sand | Cu | 1.94 |
| Cg | 0.91 | |
| U.S.C.S. | SP | |
| Fine-grained soil | LL (%) | 39.4 |
| PL (%) | 31.3 | |
| PI (%) | 8.1 | |
| U.S.C.S. | ML | |
반응성 라이너 설치 및 모형지반 조성 후, 모형지반 내에서 지하수 유동의 안정화가 확인될 때까지 정수두 조건의 지하수 유입․유출 실험을 선행하였다. 그리고 모형지반 내 지하수가 안정적인 유동 상태를 확보한 후에 반응성 라이너로부터의 유류 누출 거리를 고려하여 유류 오염물로 대표되는 TPH 오염을 모형지반의 지표에 모사하였다. 즉, 지하수 유입부측의 토조 벽면과 반응성 라이너의 거리(D=0.14m)를 고려해 라이너로부터 거리비(TPH 누출 모사 거리(D)/반응성 라이너의 지중 설치 높이(L) = 0.85D, 0.50D)에 해당하는 지표에 TPH 누출 발생 유도하였고, TPH는 경유 원액으로 흙의 중량 대비 약 10% 수준으로 적용하였다. 실험 개요도 및 실험 과정은 각각 Fig. 4 및 Fig. 5에서 보는 바와 같다.
모형실험은 반응성 라이너가 지하수 유동에 미치는 영향을 파악하고자, 동일한 지반 및 유입속도 조건에서 반응성 라이너 설치 유무에 따른 지반의 투수계수를 평가하였다. 또한 반응성 라이너가 설치된 지반 조건에 따라 동일한 양의 TPH 누출을 모사하였고, 실험내용은 Table 2에 나타낸 바와 같다.
Table 2.
Lab. scale model experiment cases (modified from Park et al., 2024)
3. 실험 결과 및 고찰
3.1 경과시간에 따른 반응성 라이너의 차단 특성 변화
지반 내에 지하수 유동이 지속되는 과정에서 유류 누출을 모사했을 때, 경과시간에 따른 반응성 라이너의 차단 성능 변화를 분석하였으며, 차단 성능은 지하수 유출량, 동수경사 및 지하수 유동 단면적을 이용하여 지반의 투수계수로 평가하였다. Table 3은 지반 및 거리비 조건에 따라 경과시간별 투수계수를 산정한 결과를 나타낸 것으로써, 이를 이용하여 Fig. 6과 같이 모형지반 조건별 경과시간과 지반의 투수계수 관계로 도식화하였다.
Table 3.
Experiment results
전술한 바와 같이, 반응성 라이너가 지하수 유동에 영향을 미치게 되면 라이너의 차단 성능에 대한 정량적 평가 결과의 신뢰성이 감소할 수 있기 때문에, 그 영향을 판단하기 위하여 표준사 지반 조건에서 TPH의 유출을 모사하지 않은 상태를 반영하여 반응성 라이너 설치 여부에 따른 모형지반의 투수계수를 평가하였다(Case 01, Case 02). 반응성 라이너 설치 여부에 관계없이 경과시간에 따라 매우 미소하게 투수계수가 감소하는 것으로 확인되었으나, 이는 반응성 라이너가 지하수 유동에 영향을 미치는 수준이라 할 수 없다고 판단되었다. 즉, 72시간 경과 시에 반응성 라이너가 설치되지 않은 경우(Case 01)의 투수계수는 약 7×10-3cm/s, 설치된 경우(Case 02)의 투수계수는 약 6×10-3cm/s으로 거의 차이가 없는 것을 알 수 있었다. 즉, 지하수 유동이 안정화되기까지 시간이 다소 소요되기는 하였지만, 반응성 라이너가 지반의 투수성에는 영향이 없는 것으로 확인되었다. 이는 기존 연구(Park et al., 2024)에서 사용되 반응성 라이너의 반응재료가 모래, 벤토나이트, 폴리노보넨 및 폴리올레핀이 각각 55%, 15%, 15% 및 15%로 구성된 경우와 비교해도 유사한 결과라 할 수 있다.
반응성 라이너로부터 0.85D 위치에서 TPH 누출을 모사한 경우, 모형지반의 세립토 함유와 관계없이 경과시간에 따른 지반의 투수계수는 감소하는 경향을 보였으나, 세립토가 함유된 모형지반에서 반응성 라이너와 유류가 다소 빨리 반응하는 것을 확인할 수 있었다. 또한 표준사 지반에서는 8H 경과 시에 반응성 라이너가 불투수성으로 변화됨으로써 8.8×10-6cm/s의 투수계를 나타내었고, 약 48H가 경과되어야 약 10-7cm/s의 투수계수를 보여 완전한 차단 성능을 발휘하는 것을 알 수 있었. 반면에, 세립토 함유 지반에서는 약 6H 및 24H 경과 시에 각각 불투수성 변화(약 10-6cm/s) 및 차단성능 확보(약 10-7cm/s)가 이루어지는 것으로 확인되었다. 이와 같이 동일한 사질토 지반이라 하더라도 세립토 함유된 경우에는 반응성 라이너의 차단 성능에 있어서 반응시간에 대한 영향이 있는 것으로 판단되었다.
반응성 라이너로부터 0.50D 위치에서 TPH 누출을 모사한 경우의 실험 결과는 0.85D 위치에서 TPH 누출을 모사한 경우와 유사한 경향을 보였다. 다만, 12H 경과 시의 세립토 함유 지반에서의 투수계수가 표준사 지반에 비하여 약간 높은 투수계수가 발생한 원인은 전반적인 투수계수 감소 경향을 고려하여 실험 오차로 판단하였다. 이를 바탕으로 표준사 지반에서는 약 7H 및 10H, 세립토 함유 지반에서는 약 4H 및 10H 이전에 반응성 라이너가 각각 불투수성 변화 및 차단 성능을 발휘하는 것으로 평가되었다.
실험 결과를 바탕으로 동일한 경과시간에서 세립토 함유 지반에서의 투수계수가 표준사 지반에 비하여 낮은 것으로 확인되었고, 투수계수 감소율도 미소하게나마 높게 나타났다. 이는 연직방향으로 확산되는 TPH의 속도에 비해 표준사 지반에서 수평방향의 지하수 유동 속도가 커서 TPH의 확산에 큰 영향을 미치지 못한 것으로 분석되었다. 그러나 세립토 함유 지반에서의 투수계수는 다소 느리기는 하지만, TPH의 확산에 미치는 영향이 상대적으로 크기 때문인 것으로 평가되었다.
3.2 유류 오염물 누출 위치를 고려한 반응성 라이너의 차단 성능
폴리노보넨 100%의 반응재료가 적용된 반응성 라이너의 TPH 누출 위치를 고려한 차단 성능 및 영향을 평가하기 위하여, 기존 연구(Park et al., 2024)와 같이 경과시간에 따라 TPH 누출 거리비(D[TPH 누출 거리] / ZL[라이너 설치 깊이])와 지반의 투수계수 관계를 모형지반 조건별로 도식화하였다(Fig. 7).
전술한 바와 같이 반응성 라이너가 유류 오염물 누출에 따른 긴급 대응을 위한 확산방지 목적임을 고려하면 24H 이내에 완전한 차단성능 확보가 요구되며, 이는 지반공학적 관점에서 지반의 투수계수가 10-7cm/s에 만족해야 한다. 이에 표준사 지반에서는 24H 동안의 TPH 반응을 통한 반응성 라이너의 차단 성능을 확보하기 위해서는 약 0.60D의 TPH 누출 거리비가 확보되어야 하는 것으로 평가되었다(Fig. 7(a)). 그러나 세립토 함유 지반에서는 반응성 라이너로부터 약 0.75D의 거리비가 요구되는 것을 알 수 있었고, 이는 표준사 지반에 비하여 25% 정도 반응성 라이너의 설치 거리를 확보할 필요가 있음을 의미한다. 따라서 지반 종류에 따라 TPH 누출 발생 후의 경과시간을 고려하여 반응성 라이너의 차단 성능을 확보할 수 있도록 설계에 반영해야 할 것으로 판단되었다.
4. 결 론
본 연구에서는 유류 오염물의 누출이 발생한 위치에 따라 반응성 라이너의 유류 확산 차단 성능을 평가하기 위한 모형실험을 실시하였고, 결과를 요약하면 다음과 같다.
지반 및 거리비 조건에 따라 경과시간별 반응성 라이너의 차단 특성을 지반의 투수계수로 평가한 결과, 지반 조건에 관계없이 경과시간에 따른 지반의 투수계수는 감소하였지만, 세립토가 함유된 지반에서의 투수계수가 보다 낮은 것을 알 수 있었다. 이는 반응성 라이너와 유류가 표준사 지반에 비하여 다소 빨리 반응하여 나타난 결과로 평가되었다. 즉, 지반 조건에 따른 지하수 유동이 유류 확산에 기인한 반응성 라이너의 차단 성능에 미치는 영향이 다르기 때문에, 반응성 라이너의 지중 설치에 관한 설계 시 지하수 유속에 관한 평가가 반영될 필요가 있는 것으로 판단된다. 또한 유류 확산 후 반응성 라이너로부터의 유류 누출 거리가 반응성 라이너의 차단 성능에 미치는 영향을 분석한 결과, 지반의 투수성을 고려하여 유류 누출 거리비에 기인한 반응성 라이너의 설치 위치 및 깊이 등과 같은 설계요소로서의 적용과 함께 이를 이용한 설계 및 시공이 요구되는 것을 확인하였다. 그리고 기존 연구(Park et al., 2024)와 비교한 결과, 반응성 라이너의 반응에 따른 전체적인 투수계수 감소 경향은 유사한 것으로 보이지만, 지반 조건에 따른 투수계수의 변화는 다소 오차가 있는 것을 알 수 있었다. 이는 반응성 라이너에 적용된 반응재료의 영향인 것으로 추정되었으며, 동일한 조건에서의 실험을 통해 정량적 분석이 요구되는 것으로 판단되었다.
