Research Article

The Journal of Engineering Geology. September 2021. 433-445
https://doi.org/10.9720/kseg.2021.3.433

ABSTRACT


MAIN

  • 서 론

  • 플라즈마 발파의 이론적 고찰

  • 연구방법

  •   플라즈마 발파 장치의 구성 및 작동원리

  •   컬럼형 토사 시료 제작

  • 실험실 규모의 플라즈마 발파

  •   플라즈마 방전의 특성 측정

  •   플라즈마 발파에 의한 토양 내 유체 침투 효과

  •   방전 에너지에 따른 유체의 침투반경

  • 결 론

서 론

오염물질의 지속성과 잔류성이 큰 토양 오염은 토양뿐만 아니라, 지하수를 통한 수질오염과 휘발성 오염원으로 인한 대기오염을 지속적으로 야기한다. 이러한 토양을 원 상태로 복원하기 위해서는 상당한 시간과 비용이 투자되어야 하므로 효과적인 오염 토양 처리기술이 요구된다. 오염 토양의 처리기술은 오염 부지 내에서의 처리 가능 여부에 따라 부지 내(on-site) 처리와 부지 외(off-site) 처리로 구분하고, 부지 내 처리는 지중에서 정화하는 원위치 정화공법(In-situ remediation)과 오염 토양을 굴착하여 처리하는 탈위치 정화공법(Ex-situ remediation)으로 구분할 수 있다(Korean Society of Soil and Groundwater Environment, 2007).

원위치 정화공법은 상대적으로 정화 비용이 저렴하기 때문에 국내에서 더 선호되는 경향을 보이며, 에너지 소모가 많고 2차 대기오염을 유발할 가능성이 있는 열적 처리보다는 물리적, 화학적 처리 기술의 사용 빈도가 점차 증가하는 추세이다(Yang and Lee, 2007). 원위치 정화공법 중에서 토양 세정법은 관정을 통하여 주입된 세정용액이 토양에 흡착된 오염물질을 탈착할 뿐만 아니라, 고압에 따른 기계적인 마찰로 오염물질을 분리하는 물리적, 화학적 정화 방법이다. 이 방법은 정화 시간이 빠르고 오염물질에 따른 다양한 첨가제를 선택하여 고농도 오염토의 정화에 사용할 수 있으며, 탈위치 정화공법과 달리 굴착이 필요하지 않아 오염지역의 주변 환경을 교란하지 않고 토양과 지하수를 함께 정화할 수 있는 장점이 있다. 그러나 국내 토양의 상당 부분을 차지하는 화강토는 투수계수가 낮으므로, 이러한 토양에 토양 세정법을 사용하면 유체의 침투율이 낮아서 정화처리 효율이 나쁘기 때문에 주 공법이 아닌 보조공법으로 사용되고 있다. 또한 계면활성제와 같은 세정용액이 이동하지 않고 토양에 잔류하여 2차 오염이 발생 될 가능성이 있기 때문에, 토양 세정법을 주 공법으로 사용하기 위해서는 토양의 투수성 개선이 필수적이다(Kang et al., 2003, 2017; Heo and Lee, 2015). 토양의 투수성을 증대시키기 위해 사용되는 대표적인 방법은 수압파쇄와 공압파쇄 공법이다. 이 공법들은 높은 압력의 물과 공기로 토양 내부에 정적인 부하를 가하고 이에 따라 발생되는 균열을 이용해 토양의 투수성을 개선할 수 있으며, 고압으로 유체를 생성균열로 밀어내어 세정용액의 영향반경을 증가시키기 때문에 정화 효율의 증대를 기대할 수 있다(EPA, 1995; Kwon et al., 2010; Oh et al., 2012; Lhotský et al., 2021). 그러나 이러한 정적인 부하는 균열면과 같은 최소 저항면을 따라 급격하게 소산되면서 특정 방향으로 큰 규모의 균열을 형성시키는 일종의 유체 채널링을 발생시키기 때문에, 유체가 토양 전반에 입체적으로 분산 침투되는 효과는 제한적이다(Christiansen et al., 2006). 위의 공법과 같은 정적 부하 방식의 문제점을 해결하기 위해서, 최근 지반파쇄 기술로 새롭게 활용되고 있는 고전압 아크 방전을 이용한 플라즈마 발파(Plasma blasting) 공법이 고안되었다.

플라즈마 발파는 상대적으로 낮은 에너지를 사용하여 소음, 진동, 암석의 비산을 최소화하면서 지반에 효과적으로 균열을 형성하기 때문에, 오래전부터 화약을 대신하여 암반을 파쇄시키는 공법으로 연구되어왔고(Lee et al., 1997; Chae et al., 2006; Chen et al., 2012), 최근에는 셰일 가스 개발에 필수적으로 사용되는 수압파쇄법을 대신하여 플라즈마 발파를 이용한 셰일 암반층 파쇄 가능성에 대한 연구도 시행되었다(Riu et al., 2019). 플라즈마 발파에 의한 충격파는 특정 방향에 편중되지 않고 매질에 비교적 균등하게 동적인 부하로 작용하므로, 플라즈마 발파를 토양에 적용하면 수압파쇄나 공압파쇄와 같이 채널링이 형성되지 않고 방사상의 균열 망이 형성될 것으로 기대되어 토양에도 플라즈마 발파가 사용되었다(Ikkurthi et al., 2002; Baltazar-Lopez et al., 2009; Maurel et al., 2010). Jang et al.(2020)은 유류로 오염된 토양의 원위치 정화의 가능성을 연구하기 위하여 소형 컬럼 시료에 낮은 방전 에너지로 플라즈마 발파를 시행하여, 플라즈마 발파에 의한 유체 전달 효과, 투수성 그리고 오염물질의 정화 효율의 증가를 확인하였다. 그러나 이 연구에서 사용된 시료는 크기가 작고, 방전 에너지 또한 실제 토양환경에 적용하기에는 소규모라는 문제점이 확인되었다.

이 연구에서는 Jang et al.(2020)의 연구에서 제기된 문제점을 개선하기 위하여, 높은 방전 에너지를 방출할 수 있는 고용량의 플라즈마 발파 장치와 대형 컬럼형 토사 시료를 제작하여, 플라즈마 발파에 의한 유체의 침투효율과 침투 반경을 측정하여 유류 오염 현장에서의 적용 가능성을 연구하였다. 먼저 플라즈마 발파 시에 방전 프로브에 인가되는 전압과 전류의 크기를 측정하여 방전 특성을 분석하였고, 고전압 인가 수용액으로 페인트 수를 사용하여 토양 내 유체 침투범위를 확인하였다. 또한 압력만으로 유체를 주입한 대조 시료와 플라즈마 발파에 의하여 유체가 주입된 시료에서의 유체 침투범위를 비교하여, 플라즈마 발파에 의한 유체 전달효율의 개선 효과를 확인하였고, 방전 전압과 발파 횟수에 따른 유체 침투범위의 변화를 분석하여 향후 진행할 현장 시험을 위한 기초 자료를 추출하고자 하였다.

플라즈마 발파의 이론적 고찰

물질의 상태는 온도의 변화에 따른 분자의 운동 에너지 변화에 따라 고체, 액체, 기체로 구분할 수 있다. 운동 에너지가 가장 높은 물질 형태인 기체를 더 높은 온도로 가열하면 전자들은 원자핵에서 벗어나 자유로운 상태가 된다. 이 때 물질은 밀도가 충분히 높아서 집단적 행동(collective behavior)을 보이고, 이온화된 하전입자들의 무작위적 열운동으로 인해 준중성(quasi-neutrality)의 특성을 보여, 이 기체를 제 4의 상태인 플라즈마(plasma)라고 정의한다(Fig. 1). 플라즈마는 전자, 이온, 중성 기체 분자 등의 전하 운반체(charge carrier)로 이루어져 있어 전류를 쉽게 흘릴 수 있다. 물속에서 양 전극 사이에 고전압을 인가하면 액상 절연이 파괴되어 강한 전기장이 유도되며, 전기 에너지가 열에너지로 전환되면서 줄 가열(Joule heating)에 의한 물의 전기 분해가 발생한다. 물이 전기 분해되어 미세 기포가 형성되기 위해서는 문턱 에너지(threshold energy)를 초과하는 전압이 가해져야 한다. 문턱 에너지는 일반적으로 수십 J 이상이며, 문턱 에너지 이상에서의 기포 발생은 인가된 전압의 크기에 의존한다. 수백 J 이상의 에너지가 가해지면 기포가 계속 성장하여 전극 사이를 채우고, 전극은 기체 유전체(Dielectric) 중에 놓이게 되며, 이때 전자들이 가속되어 충돌한 물 분자들은 전리되어 국부방전이 발생한다. 이 상태에서 전압을 더 상승시키면 전자가 더욱 가속되어 연쇄 반응에 의한 이온이 다수 생성되면서 아크 방전(ark discharge)이 발생한다(Fig. 2). 이러한 전로(electric circuit)파괴로 인하여 기포 내의 기체는 플라즈마 상태가 된다. 수만 °C에 달하는 고온의 플라즈마는 전극 주변의 물을 기화시키기 때문에 급격한 부피 팽창이 발생한다. 이러한 팽창은 주위의 물에 작용하게 되고 물이 압축에 저항하기 때문에 주변으로 방사상 형태의 강한 충격파가 전파된다(Kim et al., 2007; Jeong, 2018).

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Fig. 1.

States of matter.

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Fig. 2.

Arc discharge and shock wave generation process in water. (a) Formation of microbubbles, (b) Corona discharge and (c) Shock wave by arc discharge.

연구방법

플라즈마 발파 장치의 구성 및 작동원리

시험에 사용된 플라즈마 발파 장치는 대용량 축전기(capacitor)를 이용하여 전기를 충적한 후 순간적인 펄스 에너지를 극대화하여 발파하는 장치이며, 전원공급장치(power supply), 정류형 변압기(rectifier type transformer), 축전기, 스파크 갭 스위치(spark gap switch), 유체 주입장치(pump), 방전 프로브(discharge probe)로 이루어져 있다(Fig. 3). 축전기의 용량은 약 50 kV, 20 µF이고, 변압기에서 제공되는 최대 충전 전압은 50 kV로, 대형 컬럼형 시료에서도 충분한 방전 에너지가 적용될 수 있다. 축전기에 축적될 수 있는 전기에너지(E)는 식 (1)과 같이 축전기의 축전 용량(C)과 충전 전압(V)의 제곱에 비례한다.

(1)
E=12CV2

제어장치에서 충전 전압을 설정하면 전원공급장치와 정류형 변압기에서 충전 전압만큼 축전기에 충전한다. 충전이 완료된 후 스위치 구동 모터를 작동시켜 스파크 갭 스위치 사이의 거리를 좁히면 절연파괴(dielectric breakdown) 과정을 거치면서 고전압의 전류가 순식간에 방전 프로브로 전달되고, 방전 프로브의 전극 사이에서 고전압 아크 방전이 발생하게 된다. 유체 주입 장치는 최대 수압이 80 kPa인 원심형 펌프를 사용하였고, 유체 주입라인 상에 유량계, 유속계, 압력계를 설치하여 주입되는 유체량을 정량적으로 계측할 수 있게 하였다.

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Fig. 3.

Schematic diagram of plasma blasting device.

방전 프로브는 플라즈마 발파 장치의 말단 부분이며 실질적인 발파가 이루어지는 장치이다. 방전부에는 시추공 내에 고정된 상태에서 유체를 주입할 수 있는 출수구가 존재하고, 파손 시 교체가 가능한 동축 원통 전극을 사용하였으며, 직경 68 mm로 제작되었다. 프로브 중간부에는 높은 발파 충격에도 프로브가 안정적으로 고정될 수 있도록 공기압 패커(pnematic packer)가 부착되었고, 상단 부에는 전선 삽입구, 유체 유입구 그리고 프로브를 상하로 견인 할 수 있는 윈치 고리가 부착되어있다(Fig. 4).

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Fig. 4.

Diagram and photo of discharge probe.

컬럼형 토사 시료 제작

실내시험을 위해 대형 컬럼형 토사 시료를 제작하였다. 시료 제작에 쓰인 컬럼의 크기는 직경 80 cm, 높이 80 cm로, 무거운 토사의 중량과 실험의 용이성을 감안하여 대형 철판으로 제작되었고, 시험 종료 후 컬럼과 토사를 쉽게 분리할 수 있도록 2등분 되어있다. 컬럼형 토사 시료들은 최대한 균질한 조직을 갖고 단위중량이 1.8 g/cm3이 되도록 5 cm 높이 단위로 일정한 다짐 공정을 반복하여 제작되었다(Fig. 5). 컬럼형 시료는 본체에 해당하는 외관과 플라즈마 발파용 프로브를 삽입하기 위한 내관으로 구성되어있고 토사 충전 높이는 60 cm이며 내관은 바닥으로부터 20 cm 높이에 설치되었다. 컬럼을 채운 토사는 사질토와 실트를 7:3 비율로 섞은 실트질 모래(A 시료)와 9:1 비율로 섞은 실트질 모래(B 시료)이고, A 시료 7개와 B 시료 3개를 제작하였다. 변수위 투수시험으로 측정된 A 시료의 투수계수는 평균 1.21 × 10-4 cm/s이고 B 시료의 투수계수는 평균 8.30 × 10-3 cm/s으로 두 시료 모두 투수성이 불량한 실트질 모래에 해당하며, B 시료가 A 시료에 비해 상대적으로 투수계수가 약 70배 크다.

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Fig. 5.

(a) Schematic diagram and (b) photo of soil column sample.

실험실 규모의 플라즈마 발파

플라즈마 방전의 특성 측정

방전 특성을 분석하기 위해 고전압 프로브(6015A, Tektronix)와 전류 코일(Model 2-0.01W/R, Stangenes Industries), 디지털 오실로스코프(DPO 3032, Tektronix)를 이용하여 10 kV에서 30 kV까지 5 kV씩 증가시키며 총 13회에 걸쳐 방전 시 프로브에 인가되는 전압과 전류의 크기를 측정하였다(Fig. 6). 방전 전압은 갭 스위치에서 절연파괴가 발생되면서 충전된 전압 수준까지 상승하였다가, 방전 프로브 전극의 끝단에서 아크 방전이 이루어지면 급격히 감소한다. 전류는 갭 스위치에서 절연파괴가 발생한 이후에도 프로브 전극의 끝단에서 방전이 발생하기 전까지는 매우 낮은 전류량을 보이다가, 방전이 개시됨과 동시에 최대 전류까지 급상승하였다. 방전에 의해 최대 전류값을 보인 후에는 전류가 일시에 사라지지 않고 점차적으로 감소하는 방전 에너지 감쇠 구간이 형성되었다. 프로브 전극 끝단에서 방전이 시작된 후 전류와 전압이 최종적으로 감쇠하는 구간까지가 방전 지속시간이고, 방전 전압이 높을수록 방전 지속시간도 상대적으로 더 길게 계측되지만, 갭 스위치에서 절연파괴가 발생한 후 방전이 발생하기까지 걸리는 방전 지연시간은 전압이 낮을수록 더 길게 측정되었다.

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Fig. 6.

Waveforms of voltage and current when discharge voltages were (a) 10 kV, (b) 20 kV and (c) 30 kV.

설정된 충전 전압에 따른 방전 프로브 끝단에서 측정된 전압과 방전 에너지 그리고 방전 전압별 최대 전류량은 Fig. 7과 같다. 충전 전압은 방전 전압과 선형 관계를 보이고, 전압의 제곱에 비례하는 방전 에너지는 멱함수(power function) 형태의 비선형 관계를 보인다. 또한 수십 µs 수준의 짧은 시간 동안 최대 40 kA 수준의 매우 높은 전류량이 측정되었고, 방전 전압이 증가할수록 전류량도 함꼐 선형적으로 증가하는 경향을 보인다. 이러한 측정 결과는 충전 전압만으로도 방전 특성을 충분히 예측할 수 있다는 것을 보여준다.

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Fig. 7.

Relations (a) between discharge voltage (VD) and charging voltage (Vc), (b) between discharge energy (ED) and charging voltage and (c) between peak current (Ap) and discharge voltage.

플라즈마 발파에 의한 토양 내 유체 침투 효과

수압에 의한 유체 전달 효과

플라즈마 발파에 의한 유체 침투율을 평가하기 위한 기준을 설정하기 위해 7개의 A 시료 중에서 1개를 대조 시료로 설정하고, 발파 과정 없이 압력만으로 페인트 수를 침투시켜 유체의 침투 정도를 평가하였다. 대조 시료 시험에서 방전 프로브에 물 주입용 수중펌프를 연결하여 토사 시료에 10분간 페인트 수를 주입하였을 때, 주입 초기 수압은 약 50 kPa 수준을 유지하다가 시료 상부 바깥으로 페인트 수가 유출되기 시작하면서 수압이 10 kPa 이하로 급격히 감소되었다(Fig. 8a). 페인트 수의 유출은 시료의 일부분에서만 관찰되었기 때문에 수압에 의해 시료 내부에 유체의 채널링이 발생한 것으로 추정되었다.

페인트 수 주입시험이 모두 종료된 후 시료를 수직 방향으로 절단하면서 유체의 침투범위를 관찰하였다(Fig. 8b). 유체는 시추공 주변을 중심으로 접시 형태의 수평 평면 채널을 형성하였고, 시추공을 중심으로 주변부의 약 20 mm 내외에서 제한적으로 유체가 침투하였다(Fig. 8c). 페인트 수 침투면적은 전체 단면적의 5% 이하로 추정되어, 저투수성 토양에서 수압만을 이용한 유체 주입은 일부 면상의 채널을 형성하여 제한적으로 유체가 침투하는 것으로 판단된다.

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Fig. 8.

Fluid penetration range without plasma blasting, showing (a) leakage of water mixed with white paint on top of soil column, (b) vertical cut plane without any water penetration and (c) formation of horizontal planar water channel.

플라즈마 발파에 의한 유체 전달 효과

플라즈마 발파에 의한 유체 전달 시험은 10 kV, 20 kV 그리고 30 kV의 충전 전압으로 A, B 시료에 대하여 실시되었으며, 각각의 전압에 대한 방전 에너지는 식 (1)에 의해 1 kJ, 4 kJ 그리고 9 kJ이다. 이 시험은 3종류의 방전 전압을 사용하여 3가지 형태로 실시되었다: (i) A 시료에 대한 1회 발파, (ii) A 시료에 대한 5회 연속 발파 그리고 (iii) B 시료에 대한 5회 연속 발파. 1회 발파 시험에서는 플라즈마 발파 후 10분간 페인트 수를 주입하였으며, 5회 연속 발파 시험에서는 첫 번째 발파 후, 페인트 수를 주입하면서 2분 간격으로 4회 연속 발파하여 10분간 진행되었다. 각각의 시험이 끝나면 칼럼형 시료의 중앙을 절단하여, 유체가 침투한 수직 단면적을 시료의 전체 단면적으로 나눈 값의 백분율을 구하여 침투면적비를 계산하였고, 이 값을 플라즈마 발파에 의한 유체 전달 효과 검토를 위한 지표로 사용하였다.

A 시료에 대한 1회 발파 시험은 모든 방전 전압에서 시추공을 중심으로 길고 좁은 형태로 페인트 수가 침투하였으며, 10 kV의 방전 전압에서는 16%, 20 kV에서는 21% 그리고 30 kV에서는 25%의 침투면적비가 확인되어 방전 전압이 증가하면 침투면적비도 증가하였다(Fig. 9). 10 kV로 발파할 때 유체는 시추공 주변에 일정하게 침투하였으며, 침투면적은 대조 시료에 비해 약 3.2배 넓어졌다(Fig. 9a). 20 kV로 발파 시 침투면적은 대조시료에 비하여 약 4.2배 넓어졌으며, 유체는 시추공을 중심으로 우측으로 편향되어 호리병 형태로 침투하여 일정한 다짐 공정에도 불구하고 시료의 물성이 완전히 균질하지 않음을 나타내고 있다(Fig. 9b). 30 kV로 발파 시 시추공 주변부가 높은 충격에너지로 인해 붕괴되어 국소 공동이 형성됨과 동시에 방사상의 소규모 균열 또한 생성되었고, 침투면적은 대조 시료에 비하여 약 5배 넓어졌다(Fig. 9c).

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Fig. 9.

Fluid penetration area ratios at the center of soil column for sample A when plasma blasting was performed once using (a)10 kV, (b)20 kV and (c) 30 kV.

A 시료에 대한 5회 연속 발파 시험은 전압과 관계없이 유체 채널링이 형성되지 않고 넓은 범위로 침투되었으며, 10 kV의 방전 전압에서는 30%, 20 kV에서는 32% 그리고 30 kV에서는 48%의 침투면적비가 측정되어, 1회 발파 시험과 비교하여 침투면적비가 큰 폭으로 상승하였다(Fig. 10). 10 kV으로 발파하였을 때 유체는 토조의 하부구역에 넓게 침투하였으며, 상부구역에서는 좁지만 V자 형태로 유체가 침투하였고, 침투면적은 대조 시료에 비하여 약 6배 넓다(Fig. 10a). 20 kV로 발파하였을 때에는 시추공 발파지점을 중심으로 넓은 원 형태로 페인트 수가 침투하였다. 10 kV로 5회 연속 발파했을 때와 유사하게 토조의 상부 쪽으로 V자 형태의 침투도 발생하였고 침투면적은 대조 시료에 비하여 약 6.4배 넓다(Fig. 10b). 30 kV로 발파하였을 때, 시추공의 좌측부로 매우 넓게 페인트 수가 침투하였고, 발파지점은 1회 발파 시와 마찬가지로 매우 높은 충격에너지로 인해 크게 붕괴되어 공동을 형성하고 다수의 균열들이 발생하였다. 침투면적은 A 시료 시험 중 제일 넓으며, 대조 시료에 비하여 약 9.6배 넓다(Fig. 10c).

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Fig. 10.

Fluid penetration area ratios at the center of soil column for sample A when plasma blasting was performed 5 times using (a)10 kV, (b)20 kV and (c) 30 kV.

B 시료에 대한 5회 연속 발파 시험에서 측정된 침투면적비는 방전 전압이 각각 10 kV, 20 kV 그리고 30 kV일 때 각각 33%, 45% 그리고 59%로 측정되어, 투수성이 상대적으로 낮은 A 시료와는 다르게 전압이 상승함에 따라 매우 큰 폭으로 침투범위가 확대되었다. 10 kV로 발파하였을 때, 동일한 전압과 동일한 횟수로 A 시료에 대하여 시행된 발파 시험과 침투면적의 차이는 거의 없고, 상부에서는 비슷한 형태로 유체가 침투하였으나 하부에서는 비교적 불규칙하게 침투하였다. 이 시료에서의 침투면적은 대조 시료에 비하여 약 6.6배 넓어져서, A 시료에서 시행된 시험과 유사한 결과를 보였다(Fig. 11a). 20 kV로 발파하였을 때, 발파 지점의 토양이 국부적으로 붕괴하였고, 소규모의 불규칙한 균열들이 형성되었다. 또한 칼럼형 시료의 좌측 구역은 비교적 좁고 불규칙하게 유체가 침투한 반면에, 우측 구역에서는 유체가 넓게 침투하였으며, 일부 유체는 상부면을 통하여 유출되었고, 침투면적은 대조 시료에 비하여 약 9배 넓다(Fig. 11b). 30 kV로 발파하였을 때에는 비교적 균질하며 방사상으로 넓게 유체가 침투하였다. 이 시료에는 가장 큰 방전 에너지가 방출되었기 때문에 발파 지점에 큰 공동이 형성되었고, 다수의 균열들이 발생하였다. 침투 면적은 모든 실험 중에서 제일 넓으며 대조 시료에 비하여 약 11.8배 넓어졌다(Fig. 11c).

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Fig. 11.

Fluid penetration area ratios for sample B at the center of soil column when plasma blasting was performed 5 times using (a)10 kV, (b)20 kV and (c) 30 kV.

위의 결과는 토양시료에 실시된 플라즈마 발파는 유체의 침투 범위를 증가시키는 것으로 판단된다(Fig. 12). 플라즈마 발파 시에 방전 에너지가 클수록 유체의 침투면적이 증가하고, 동일한 방전 에너지일 경우에는 발파 횟수가 증가하면 유체의 침투면적이 증가한다. 또한 투수성이 다른 A 시료와 B 시료에 실시된 플라즈마 발파는 유체의 침투범위를 증가시켰으나, 상대적으로 투수성이 더 좋은 B 시료에서 유체의 침투 효과가 더 크게 나타났다. 이러한 결과는 투수성이 큰 토양에서 플라즈마 발파가 유체의 침투 효과에 더욱 효과적임을 보여준다.

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Fig. 12.

Fluid penetration area ratios according to blasting numbers and energies.

방전 에너지에 따른 유체의 침투반경

컬럼형 토사 시료들에 대한 유체의 침투 시험에서 분석된 침투면적을 바탕으로 유체의 침투 반경을 계산하여 유체의 침투 효과를 정량적으로 분석하였다. 유체 침투반경(RP)은 유체의 침투 형태를 구형으로, 측정된 침투면적(AP)을 원형으로 가정하면 식 (2)와 같이 계산된다.

(2)
RP=APπ

플라즈마 발파에 의하여 주입된 유체의 침투 반경은 수압으로만 주입된 유체의 침투반경에 비하여 증가하였다(Table 1). 수압으로만 주입된 대조 시료의 침투 반경은 9 cm인 반면에, A 시료에 1 kJ의 에너지로 1회 발파하면 침투반경은 15.5 cm (172%)로 증가하였고, 동일한 에너지로 5회 발파하면 침투반경은 21.4 cm (238%)로 증가하여 발파횟수가 증가하면 침투 부피가 증가함을 보여준다. 또한 동일한 시료에 대하여 동일한 횟수의 발파를 시행하여도 에너지가 증가하면 침투반경이 증가하여, A 시료에 대하여 1 kJ로 5회 발파하면 침투반경이 21.4 cm인 반면에 9 kJ로 5회 발파하면 침투반경이 27.0 cm로 증가한다. 9 kJ의 에너지로 5회 발파한 B 시료 침투반경은 30.0 cm인 반면에, 9 kJ의 에너지로 5회 발파한 A 시료 침투반경은 27.0 cm로 B 시료의 침투반경이 A 시료의 침투반경보다 커서, 앞에서 설명한 바와 같이 투수성이 큰 시료에 침투 효율이 높음을 보여준다.

Table 1.

Fluid penetration radius and improvement rate by plasma blasting

Blasting energy Fluid penetration radius, RP (cm) Improvement rate of fluid penetration (penetration
radius after discharge/penetration radius of the
control sample) × 100%
A - 1 blasting A - 5 blastings B - 5 blastings A - 1 blasting A - 5 blastings B - 5 blastings
1 kJ 15.5 21.4 22.5 172% 238% 250%
4 kJ 18.1 22.1 26.2 201% 246% 291%
9 kJ 19.6 27.0 30.0 218% 300% 333%
Control sample 9.0

결 론

오염토양에 대한 원위치 지중처리기술로 플라즈마 발파의 활용 여부를 판단하기 위해 대용량 축전기가 포함된 플라즈마 발파장치를 제작하고 실험실 규모의 컬럼형 토사시료를 대상으로 플라즈마 발파에 의한 유체 침투 효과를 분석하였다. 플라즈마 발파 시 방전 프로브 끝단의 방전 전압은 플라즈마 발파장치에서 설정된 충전 전압과 거의 일치하였고, 전류는 방전 전압이 커짐에 따라 최대 약 40 kA까지 선형적으로 증가하였다. 이는 플라즈마 발파 장치의 충전 전압만으로도 플라즈마 발파 시의 실제 전기적 특성을 예측할 수 있다는 것을 보여준다.

투수성이 낮은 토사 시료(A 시료)에 플라즈마 발파 과정 없이 수압만으로 유체를 주입했을 때는 시추공 주변 20 mm 범위 내에서 국소적인 침투만 발생하였고, 유체 침투 면적을 시료 전체 단면적으로 나눈 값인 침투면적비는 5% 이하로 분석되었다. 따라서 수압만을 이용한 원위치 토양 세정방법으로는 투수성이 불량한 토양에 대한 정화가 매우 어렵다는 것을 알 수 있다. 플라즈마 발파에 의한 유체 침투 시험은 1 kJ, 4 kJ 그리고 9 kJ의 방전 에너지로 투수성이 서로 다른 A, B 시료에 대하여 실시되었다. A 시료에 대한 플라즈마 발파 시험에서 유체의 침투면적비는 1회만 발파하였을 때는 16~25%로 분석되었고, 5회 연속 발파시에는 30~48%로 분석되어 수압만으로 유체를 주입했을 때보다 침투면적이 최소 3.2배에서 최대 9.6배까지 넓어졌다. 발파 시 방전 에너지가 클수록 침투면적비도 증가하였고 발파 횟수를 5회까지 증가시키면 1회만 발파했을 때보다 침투면적비가 1.5~1.9배 정도 커졌다. A 시료보다 투수성이 상대적으로 더 좋은 B 시료에 대한 5회 연속 플라즈마 발파 시험에서 유체의 침투면적비는 33~59%로 분석되어 수압만으로 유체를 주입했을 때보다 침투면적이 최대 11.8배까지 넓어졌다. 또한 동일 발파조건의 A 시료 시험에 비해서도 침투면적이 1.1~1.4배 정도 넓어졌다. 이러한 시험 결과는 플라즈마 발파가 유체의 침투 범위를 증가시킨다는 것을 잘 보여준다. 또한 플라즈마 발파 시에 방전 에너지가 클수록, 발파 횟수가 증가할 수록 유체의 침투면적이 증가하며, 투수성이 큰 토양에서 플라즈마 발파가 유체의 침투 효과에 더욱 효과적임을 보여준다. 플라즈마 발파에 의한 유체 침투 효과를 정량적으로 분석하기 위해 유체 침투 시험에서 분석된 침투 면적을 바탕으로 유체의 침투반경을 계산하였다. 수압으로만 유체를 주입했을 때는 침투반경은 9 cm인 반면에, 9 kJ의 에너지로 5회 발파 시에는 침투반경이 27~30 cm로 계산되어 유체 침투 효과가 최대 333%까지 증가되는 것으로 분석되었다.

이 연구의 결과를 종합하면, 플라즈마 발파는 방전 전압과 방전 횟수에 비례하여 토양 내 유체 전달율을 증가시키고 적용하는 토양의 투수성에 따라 그 효율이 증감하는 것을 확인할 수 있었다. 궁극적으로 투수성이 낮은 실제 오염토양에서 원위치 토양 세정을 실시할 때 플라즈마 발파 기술을 적용하면 세정제의 전달범위가 증가되어 정화효율이 개선될 수 있을 것으로 기대된다. 그러나 실험실 규모의 컬럼 토사 시료를 대상으로 진행된 시험 결과만으로 지중압을 받고있는 반무한 매질인 실제 토양 환경에서 플라즈마 발파의 유체 침투 효과를 충분히 파악할 수 없다는 한계가 있다. 따라서 향후 추가 연구를 통하여 더 높은 방전 에너지를 현장 규모 토양에 인가하였을 때의 유체 침투율 개선 효과 및 타 정화공법과의 연계 가능성에 대한 검토가 필요하다.

Acknowledgements

이 논문은 한국환경산업기술원의 지중환경 오염 ‧ 위해 관리기술개발사업(2020002480010)과 교육부의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 기초연구사업(NRF-2018R1A2B6004886, 2019R1A6A1A03033167)과 행정안전부의 지진방재분야 전문인력 양성사업의 지원을 받았음.

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