전기영동기술을 활용한 매립지 토목섬유 차수막의 누출 차단 연구

Abstract

본 논문은 사용중 또는 사용종료된 도시고형 폐기물 매립지내 손상된 지오멤브레인 차수막의 누출을 효과적으로 차단할 수 있는 전기영동기법의 개발에 관한 내용이다. 특히 본 연구에서는 실제 매립지의 현장조건중 다양한 화학종이 존재하는 침출수 환경조건을 중점적으로 고려하였으며, 이를 통해 실제 현장 매립지의 누출복원을 위한 전기영동기법의 실험적인 가능성을 평가하였다. 실제 침출수 조건에 대해 1차원 예비 전기영동 실험을 수행한 결과, 전기장 적용시 침출수의 다양한 화학적 성분으로 인해 점토 입자들의 응집이 빠르게 촉진되었다. 또한 점토의 전기영동적 이동보다 응집 침강효과가 우세하게 나타났다. 이는 응집침강이 매립지에 대한 전기영동기법의 적용에 한계로 작용할 수 있음을 보여주는 것이다. 따라서 본 연구에서는 점토 입자의 응집에 큰 영향을 미치는 침출수의 화학종과 그 농도 범위를 파악하고, 화학종에 따른 응집 메카니즘을 분석하기 위해 1차원 실내실험을 수행하였다. 각각의 화학종과 농도범위에 따른 침강속도와 제타포텐셜, 전기영동적 유동성 및 전기영동적 이동속도의 상관관계를 분석한 결과, 침출수의 다양한 화학종중 1가 양이온과 2가 양이온이 점토 입자의 응집에 큰 영향을 미쳤으며, 양이온의 원자가 증가에 따라 점토 입자의 확산이중층 감소와 입자간 인력증대로 인해 점토 입자의 응집 촉진효과는 더 크게 나타났다. 본 연구에서는 침출수 화학종에 의한 점토 입자의 응집을 방지하고, 전기영동력에 의한 점토 입자의 개별적 이동을 유발시키기 위해 특정 분산제를 첨가하는 1차원 향상기법 적용하였다. 문헌검토를 통해 적정 분산제로서 헥사메타인산나트륨((NaPO3)6)와 폴리아크릴산(PAA) 등을 선정하였으며, 일정 농도의 분산제를 첨가한 후 전기영동 및 중력침강실험을 수행하였다. 그 결과, PAA는 (NaPO3)6보다 점토 입자의 분산효율을 증대시켰으므로 최적의 분산제로서 PAA를 선정하였다. 3차원 매립지 누출구를 모사한 실내실험에서는 기존 1차원 실내실험을 통해 선정된 최적 인자(점토 슬러리 현탁액의 농도, 전기경사, 분산제의 종류 및 농도 등)들의 적절성을 평가하고, 1차원 실험에서 도출되지 못한 전극의 배치형태와 간격, 누출구의 크기 등에 대한 영향성을 검토하였다. 실험 결과, 모든 조건에서 누출구를 중심으로 일정 크기의 점토 케이크가 형성되었다. 또한 형성된 점토 케이크에 대해 간접적으로 차수성을 평가한 결과, 일정시간이 경과한 후에도 형성된 점토 케이크의 파괴나 이를 통한 유체의 이동현상은 거의 나타나지 않았으므로 누출에 대한 차수효과가 확실히 발생하였음을 확인하였다. 본 연구에서는 점토의 전기영동적 이동특성을 분석하기 위해 유한차분법을 이용하여 1차원 전기영동 해석 프로그램(Electrophoresis Liner Protector Program; ELPP)을 개발하였다. 위 프로그램은 점토의 이동특성을 모델링하기 위해 물리적 영향요소(전기영동력, 중력)와 화학적 이동요소(유체의 전기분해 반응에 의한 영향성, 전해질 화학종과 농도에 따른 영향성)를 모두 고려하고 있다. ELPP 해석결과와 실내실험 결과를 상호 비교하면, 점토 입자의 침강거동은 서로 유사하게 나타났지만, 초기 침강특성과 형성된 점토 케이크의 두께는 미소하게 차이가 발생하였다. 이러한 차이는 전기장 적용시 열적흐름에 기인한 점토 입자의 이동 특성 변화와 같은 물리적 요인과 현탁액의 pH, 현탁액의 전기전도도, 현탁액의 유전율, 사용된 점토 입자의 표면전하특성 및 침출수내 다양한 화학종의 존재 등 화학적 요인에 기인한 결과로 판단된다. 결론적으로 다양한 실내실험과 ELPP의 해석 등의 최종결과를 종합적으로 분석해 볼 때, 실제 매립지에 대한 전기영동기법의 완벽한 적용이 이루어지기 위해서는 매립지의 더욱 다양한 현장조건 특히, 주변 지반조건, 침출수 변화조건, 폐기물의 특성, 수두차 등을 추가적으로 고려한 세부적인 연구가 진행되어져야 할 것으로 판단된다. 특히 매립지 누출의 전기영동 복구에 관한 연구는 초보단계에 있으므로 본 논문이 향후 실제적인 전기영동 복구기술 개발에 대한 초석이 될 것으로 기대한다.