1. 서 론

최근, 전 세계적으로 인구증가 및 산업 발달로 발생되는 폐기물과 유해화학물질로 인하여 지반 및 지하수 오염의 심각성이 고조되어 토양환경에 대한 중요성을 인식하고 있다. 오염물에 의한 지반 및 지하수의 오염은 다양한 경로를 통해 발생되는데, 오염물의 대표적인 근원지인 쓰레기 매립장의 침출수, 공장 폐수, 농약 및 폐광 등에서 발생하는 오염물질은 처리공정을 거치지 않고 배출할 경우 매우 심각한 환경문제를 야기할 수 있다. 특히, 지중에서의 오염물질 확산은 그 범위를 예측하기 힘들고 한번 오염된 지반 및 지하수의 복원은 대단히 어려운 일이다. 오염물질은 한번 오염되면 자연적인 정화가 힘들 뿐만 아니라 여러 가지 경로를 통해 인간 및 생태계에 직·간접적인 영향을 미치게 된다.

지반 내에 존재하고 있는 오염물은 크게 중금속 및 유류와 같은 유기오염물로 구분될 수 있으며, 앞서 언급한 오염원들은 개별적 또는 복합적으로 지반 내에 상존하고 있다. 특히, 유류와 같은 오염물질은 비수용상액체(NAPLs)로 존재하기 때문에, 토양과 강한 흡착을 이루어 오랜 시간 잔류하여 지하수와 함께 이동하면서 광범위한 지역에 오염원으로 작용하게 된다. 이와 같은 매우 심각한 환경문제를 유발하는 오염원의 제거 및 복원기술 개발과 관련한 연구가 지속적으로 필요한 실정이다(Ko, 2002, Jung, 2003).

지반 내 오염원을 제거 및 복원하는 기술은 매우 다양하게 개발되어 실용화되고 있으며, 이 중, 토양세정, 토양증기추출, 양수처리, 바이오벤팅 등이 오염지역의 현장복원기술로 주로 사용되고 있다. 그러나 상기와 같은 복원기술들은 주로 조립토 지반 및 불포화 지반에 적용되는 방법으로서, 산업단지 등이 밀집된 고농도의 중금속 및 유기오염물질이 존재하고 있는 매립지반과 같이 점토층 및 세립분이 다량 함유되어 있는 지반의 적용은 많은 어려움이 따른다. 이는 간극이 매우 작은 지반특성에 기인하여, 세척제 및 탈착제가 지반 내에 주입되거나 추출되는 데 한계가 있기 때문이다(Park, 2007). 이와 같은 문제점에 대한 해결 방안의 하나로 기존의 연약지반 개량공법에서 널리 사용되고 있는 토목섬유 연직배수재(prefabricated vertical drains)를 활용하여 오염지반을 정화할 수 있는 연직배수시스템에 대한 연구가 수행된 바 있다(Collazos, et al., 2003, Quaranta, et al., 2005). 연직배수재시스템은 지반공학 분야에서 지반개량공법으로 많이 적용되고 있는 연직배수공법을 오염된 지반의 복원을 위하여 배수촉진 및 오염정화 등의 복합적인 기능을 수행할 수 장점을 가지고 있는 현장복원기술이라 할 수 있다(Park, 2007).

한편, 지반 내의 복합오염물의 처리를 위해서는 오염물질의 특성, 주변 환경 조건 및 복원 현장 조건 등에 가장 적합한 기술을 선택․적용해야 한다. 특히 오염원의 흐름특성에 따른 처리가 필요하지만, 현재로서는 복합오염물 내의 각 오염원에 대한 흐름특성에 대한 연구가 미비하기 때문에, 연직배수재를 적용하는 경우에 일반적인 필터재료를 이용하여 특정 오염물질을 제거하는 기술에 국한되었다.  즉, 다양한 오염물에 의한 복합오염물이 오염원 제거를 위해 적용된 연직배수재의 필터를 통과할 때의 흐름특성을 규명하여, 각 오염원에 적합한 필터특성 분석 및 제거특성의 연구가 필요한 시점이다.

앞서 언급한 바와 같이, 지반 내 오염물은 일반적으로 중금속과 유기오염물이 복합적으로 존재하고 있기 때문에, 각 오염원은 연직배수재의 필터를 투과하면서 재료의 표면특성에 따른 투과특성이 다르게 나타난다. 이는 연직배수재를 이용한 오염물 제거 시, 보다 정확한 정화효율을 결정하기 위한 중요한 인자로 활용할 수 있다. 즉, 오염원의 종류에 따른 필터 내 흐름특성 파악이 가능한 경우, 오염물 특성에 적합한 연직배수시스템 적용이 가능하며, 오염물 제거뿐만 아니라 지반개량이 동시에 이루어질 수 있다. 따라서 본 연구에서는 지반 내 오염원제거와 저투수성 지반의 개량이 동시에 이루어 질 수 있는 연직배수시스템의 최적화 기술을 마련하기 위하여, 대표적인 중금속 오염물질인 구리 및 납을 대상으로 미세유체 공학을 기반으로 하는 흐름특성 실험을 수행하였으며, 오염물의 pH조건에 따른 흐름영향을 분석하였다.

2. 실험재료 및 실험방법

2.1 실험재료

본 절에서는 세립토 함유량이 높은 매립지반에서 개별 및 복합 중금속오염물의 효율적인 정화기반 마련을 위하여, 오염물질이 필터를 투과하는 시점을 가시화하여 각 중금속 오염물의 흐름특성 실험 수행내용을 기술하였다.

2.1.1 재료

실험에 사용된 개별오염물은 황산구리(CuSO4)와 질산납(Pb(NO3)2), 복합오염물은 질산구리(Cu(NO3)2) 및 질산납(Pb(NO3)2)을 사용하였으며, 오염물은 이온물질이 제거된 증류수에 혼합하여 생성시켰다. 또한 오염물의 미세유체 흐름을 추적하기 위하여 2㎛ 크기의 폴리스틸렌 마이크로 파티클을 사용하였으며, 파티클은 1ml당 5.4E+09개의 파티클이 존재하는 것으로 확인되었고, 비중은 1.05g/㎤ 이다. Fig. 1은 광학현미경을 이용하여 마이크로 파티클을 측정한 결과로서, 모든 파티클의 사이즈는 약 2㎛로서 균질한 상태인 것으로 나타났다.

2.1.2 실험장치

앞서 언급한 바와 같이, 오염물 흐름의 추적은 마이크로 파티클을 이용하였으며, 연직배수재 필터 내에서 흐름발생을 모사하기 위해서 모세관(capillary tube)를 적용하였다. 또한 흐름특성의 가시화 및 관측을 위하여 실시간 영상획득이 가능한 광학현미경 및 영상획득 장비를 활용하였다.

먼저, 광학현미경의 특성 상, 일반적인 원형의 모세관을 적용하는 경우에는 현미경 관측 시 난반사와 굴절로 인하여 명확한 마이크로 파티클의 흐름현상을 확인하기가 어렵기 때문에, 정사각형의 모세관을 사용하였다. 또한 친수성의 유리재질로 이루어져 있는 모세관의 크기는 400㎛*400㎛(너비*높이)이며, 실험에 적용된 syringe와 모세관은 Fig. 2에서 보는 바와 같다. 모세관을 이용한 미세유체 흐름의 가시화를 위하여, 광원이 관측대상 사물의 하부에서부터 투과되어 최소 500배에서 최대 5000배의 배율조절이 가능한 렌즈를 기반으로 하는 광학현미경을 사용하였으며, 이는 실시간 관측이 가능하기 때문에, 미세유체 흐름특성 분석에 매우 용이한 장비라 할 수 있다. 그리고 모세관 내 오염물의 유입은 1ml 부피의 Syringe를 사용하였으며, 오염물의 유입이 일정한 속도 및 양으로 유지될 수 있도록 syringe pump를 활용하였고, 본 장비의 제어능력은 10um에서 60ml까지 가능하다. Fig. 3은 실험장비의 전경을 나타낸 것이다.

2.2 실험방법

전술한 바와 같이, 실험에 적용된 중금속 오염물은 구리 및 납으로서 개별오염물과 복합오염물의 농도는 환경백서(Ministry of Environment, 2013)를 인용하여 토양오염대책기준인 6000ppm과 2100ppm을 근거로 제조하였으며, pH의 영향을 분석하기 위하여 4, 6, 8 및 10의 조건을 적용하였다. 모세관에 유입되는 유입속도는 지반조건에 따른 실험을 고려하여 1.0E-03cm/sec으로 적용하였으며, 각 실험조건은 Table 1에서 보는 바와 같다.

3. 접촉각을 통한 소수성 표면특성

일반적으로 유리 재질은 친수성 특성을 가지며, 중금속 또한 증류수를 이용하여 제조하였기 때문에 실험에 적용된 오염물은 친수성의 수용액 상태이다. 따라서 수용액 상태의 중금속 오염물이 소수성 표면에서의 흐름특성을 규명하기 위하여 필터로 모사된 모세관 내에 소수성 코팅을 실시하였으며, 소수성 코팅은 발수코팅을 위한 재료(용액)를 사용하였다. 모세관 내 소수성 코팅의 유무는 광학현미경을 이용하여 오염물의 흐름을 발생시킨 후, 오염물과 모세관 표면의 접촉각으로 확인할 수 있으며, 표면의 접촉각에 따라 친수성(0°≤표면 접촉각<90°) 또는 소수성(90°≤표면 접촉각<180°)으로 구분된다. 접촉각은 중금속 오염물을 대상으로 pH 조건에 따라 관측하였으며, 비교를 위해 동일한 조건에서 증류수에 대한 실험도 수행하였다. Fig. 4에서 보는 바와 같이, 증류수 투과 시 표면접촉각은 약 120°도인 것으로 확인되었으며, 중금속 오염물의 경우에도 pH 조건에 따른 표면접촉각이 약 120° 내외인 것으로 나타났다(Fig. 5 참조). 이 때, 중금속 오염물의 표면접촉각은 염기성일수록 접촉각이 다소 작아지는 현상이 나타났으며, 이는 pH가 증가할수록 오염물과 표면사이의 반응에 따라 소수성 성질이 약간 감소하는 것으로 판단된다.

4. pH 조건에 따른 개별/복합 중금속 오염물의 흐름특성

본 절에서는 종금속의 개별오염 및 복합오염 상태에 대하여 pH 조건에 따른 미세유체 흐름특성 분석결과를 기술하였다. 오염물의 흐름은 모세관 내 모든 면의 소수성 처리가 동일하게 이루어졌기 때문에, 중심부를 기준으로 대칭의 흐름이 발생하는 것으로 가정하였다. 따라서 모세관 내 오염물의 관측위치는 Fig. 6에 나타낸 바와 같이, 하부, 중심부 측면 및 중심부 중앙으로 선정하였으며, 각 위치에서 3개의 파티클을 관측대상으로 선정하였다. 이를 바탕으로 소수성 표면 상태에서 pH 조건에 따른 구리, 납 및 구리/납 오염물에 대한 이동거리 및 흐름속도를 분석하였다.

4.1 오염물의 이동거리

4.1.1 구리 오염물

각 pH 조건에 따른 이동거리를 분석한 결과를 Table 2에 나타내었다.

먼저, pH 4인 경우, 마이크로 파티클의 관측한 결과 하부에서는 약 4㎛/sec가 이동한 것으로 확인되었으며, 중심부 측면 및 중앙의 이동거리는 각각 약 11㎛/sec와 약 25㎛/sec로 나타났다. pH 6인 경우에는 하부, 중심부 측면 및 중앙에서 각각 약 3㎛/sec, 약 10㎛/sec 및 약 21㎛/sec가 이동한 것으로 확인되었다. 그리고 pH 8의 경우에는 하부에서 이동거리가 감소되는 것으로 관측되었으며, pH 10은 위치에 따른 이동거리가 가장 낮은 것으로 확인되었다. 이와 같이, pH 8의 경우에는 pH가 낮은 경우와 비교하여 이동거리가 유사하거나 높게 나타났지만, 이는 전체적인 경향이 모든 위치에서 pH가 증가할수록 이동거리가 다소 감소하였기 때문에, 실험적 오차인 것으로 판단되었다. 또한 관측 위치에 따라서 하부에서의 이동거리가 가장 적은 것으로 나타났는데, 이는 소수성 코팅에 따른 모세관 표면특성이 오염물의 이동을 정체시키는 것으로 판단되었다. 반면에, 중심부 중앙의 경우에는 소수성의 표면특성이 오염물에 미치는 영향이 가장 낮기 때문에, 가장 높은 이동거리를 나타내었다. Fig. 7은 구리 오염물의 미세유체 흐름에 대한 대표적인 관측결과(pH 10 조건)를 나타낸 것이다.

4.1.2 납 오염물

Table 3에서 보는 바와 같이, 납 오염물의 이동거리는 구리 오염물과는 반대의 경향인 것으로 확인되었다. 즉, 모든 위치에서 pH가 증가할수록 이동거리가 증가하는 경향으로 나타났으며, 관측 위치에 따른 이동거리는 구리의 경우와 동일하게 하부에서의 이동거리가 가장 적은 것으로 나타났다. 이는 구리의 경우에서 언급한 바와 같이, 소수성 코팅에 따른 표면특성이 오염물의 이동을 정체시켰기 때문인 것으로 판단되었다. 또한 중심부 중앙의 경우에도 구리의 경우와 동일한 흐름특성을 나타내었다. Fig. 8은 납 오염물의 미세유체 흐름에 대한 대표적인 관측결과(pH 10 조건)를 나타낸 것이다.

4.1.3 구리/납 복합오염물

구리와 납에 의한 복합오염물의 이동거리 관측결과를 Table 4에 나타내었다. Table에서 보는 바와 같이, 소수성 표면특성에 영향을 가장 많이 받는 하부에서는 pH조건에 따른 오염물의 이동거리가 유사하거나 약간 높은 것으로 확인되었으며, 소수성이 가장 낮은 중심부 중앙에서는 염기성에 가까워질수록 이동거리가 감소하는 것으로 나타났다. 또한 소수성에 대한 정도가 중간정도라고 할 수 있는 중심부 측면에서는 유사 또는 염기성일수록 적은 양의 이동거리가 나타났다. Fig. 9는 구리/납 복합오염물의 미세유체 흐름에 대한 대표적인 관측결과(pH 10 조건)를 나타낸 것이다.

4.2 pH조건에 따른 오염물의 흐름속도 분석

4.1절의 실험결과를 바탕으로 중금속 오염물 종류 및 pH 조건에 따른 흐름속도를 분석하였으며, 그 결과는 Fig. 10에서 보는 바와 같다.

먼저, 구리 오염물의 경우에 하부에서의 흐름속도는 유입속도인 1.0E-3cm/sec보다 느린 것으로 나타났으며, 특히 하부에서는 염기성 조건일 때는 약 1.0E-4cm/sec인 것으로 확인되었다. 그리고 중심부 중앙에서의 흐름은 유입속도와 유사하게 1.0E-3cm/sec인 것으로 분석되었으며, 측면에 비하여 흐름속도가 다소 빠르게 나타난 것으로 확인되었다. 또한 pH가 증가할수록 전체적인 흐름속도는 감소하는 경향을 나타내었다. 납 오염물의 흐름속도는 구리 오염물과 마찬가지로 하부에서 가장 느리게 나타났으며, 중심부 중앙에서 가장 빠른 것으로 확인되었다. 그러나 pH 조건에 따른 흐름속도는 구리 오염물의 경우와는 반대로 하부 및 중심부 중앙의 위치에서는 염기성 조건일수록 흐름속도가 증가하는 것으로 나타났다. 마지막으로 복합오염물의 경우에는 전술한 내용과 같이, 소수성 특성이 잘 반영되는 위치(하부)에서는 납에 의한 영향성이 높아 흐름속도가 다소 증가한 반면에, 그 특성이 낮은 위치(중심부 중앙)에서는 구리에 의한 영향성이 높은 것으로 분석되었다. 따라서 중금속 오염물의 종류에 따라 소수성 표면에서의 반응정도가 상이한 것으로 나타났기 때문에, 지반 내 존재하고 있는 오염종류에 따라 필터의 특성을 결정할 수 있는 요소가 될 것으로 판단된다.

5. 결 론

본 연구에서는 지반 내 오염원제거와 저투수성 지반의 개량이 동시에 이루어 질 수 있는 연직배수시스템의 최적화 기술을 마련하기 위하여, 중금속 오염물질을 대상으로 미세유체 흐름실험을 수행하였으며, 그 결과를 바탕으로 pH조건에 따른 흐름특성을 분석하였다. 이에 본 연구에 대한 결과를 요약하면 다음과 같다.

(1)모세관 내부를 소수성 용액으로 코팅 후, 증류수 및 중금속 오염물 투과 시의 모두 약 120°도 내외인 것으로 확인되었다. 그러나 중금속 오염물의 표면접촉각은 오염물의 pH가 염기성일수록 접촉각이 다소 작아지는 현상이 나타났으며, 이는 염기성의 특성이 오염물과 표면사이의 반응에 의해 소수성 성질을 다소 감소시키는 것으로 판단된다.

(2)중금속 오염물에 대한 미세유체 흐름실험 결과, 소수성 성질이 미치는 영향이 큰 위치에서는 오염물의 이동거리가 적은 것으로 나타났으며, 이는 소수성의 표면이 친수성의 중금속 오염물을 정체시킬 수 있음을 의미한다.

(3)각 실험조건에 따른 흐름속도를 분석한 결과, 이동거리 분석결과와 마찬가지로 소수성 성질이 반영되는 위치가 오염물의 흐름속도에 큰 영향을 미치는 것으로 분석되었으며, pH 조건이 흐름속도 변화에 영향인자로 작용하는 것을 확인하였다. 특히, 복합 중금속 오염물인 경우에 pH가 염기성일수록 납의 흐름속도가 다소 증가하는 경향으로 나타났는데, 염기성 조건에서 소수성 성질이 다소 감소하는 표면접촉각 실험결과를 반영하면, 납 오염물이 구리에 비하여 소수성 표면특성을 감소시킬 수 있음을 나타낸 결과이다.

상기의 결과를 바탕으로 연직배수시스템 정화공법에 오염물의 흐름속도를 반영할 수 있도록 소수성의 영향범위를 조절할 수 있는 필터를 적용하게 되면, 우선 처리가 필요한 오염물의 선제거가 가능한 효율성을 갖는 정화공법 마련이 가능할 것으로 판단된다.