소수성 액체
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1. 개요
소수성 액체(NAPL)는 물과 섞이지 않는 액체 유기 화합물로, 지하 환경에서 오염을 일으킬 수 있다. 1960년대부터 NAPL에 의한 지하수 오염이 연구되었으며, 1970년대에는 염소화 용매와 같은 유해 물질의 존재가 확인되었다. 1970년대 후반 러브 커낼 사건 이후 NAPL 오염에 대한 관심이 높아져 관련 연구와 법규가 강화되었다. NAPL은 밀도에 따라 경질 비수성 액체(LNAPL)와 중질 비수성 액체(DNAPL)로 분류되며, 지하 환경에서 다양한 이동 메커니즘을 통해 확산된다. NAPL 정화를 위해 우물 시추, 계면활성제, 토양 진공 추출(SVE)과 같은 물리적 방법, 화학적 산화 환원 반응을 이용한 화학적 방법, 생물학적 분해를 이용하는 생물학적 방법 등이 사용된다. NAPL은 지하 환경에서 장기간 잔류하며 오염을 지속시키므로, 탐지 및 제거를 위한 기술 개발이 지속적으로 이루어지고 있다.
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| 소수성 액체 | |
|---|---|
| 개요 | |
| 정의 | 비수성 상 액체 (非水性 相 液體) |
| 약어 | NAPL |
| 로마자 표기 | bisuseong sang aekche |
| 설명 | 물에 녹지 않거나 잘 섞이지 않는 액상 오염 물질 |
| 유형 | |
| 밀도 | DNAPL (Dense Nonaqueous Phase Liquid): 물보다 밀도가 높은 비수성 상 액체 LNAPL (Light Nonaqueous Phase Liquid): 물보다 밀도가 낮은 비수성 상 액체 |
| 오염 | |
| 일반적인 오염 물질 | 염소 처리된 용매 연료 (가솔린, 디젤 등) PCB (폴리염화바이페닐) 크레오소트 |
| 특징 | |
| 용해도 | 낮은 용해도 |
| 이동성 | DNAPL: 지하수면 아래로 가라앉아 깊은 곳까지 오염시킬 수 있음 LNAPL: 지하수면 위에 떠다니며 오염을 확산시킬 수 있음 |
| 제거의 어려움 | 토양 및 지하수 오염 제거를 어렵게 함 |
| 환경 영향 | |
| 토양 오염 | 토양의 물리적, 화학적 성질 변화 |
| 지하수 오염 | 식수원 오염 및 생태계 파괴 |
| 인체 건강 영향 | 유해 물질 노출로 인한 건강 문제 발생 가능성 |
| 정화 기술 | |
| 현장 정화 (In-situ) | 토양 증기 추출법 (Soil Vapor Extraction, SVE) 공기 분사법 (Air Sparging) 화학적 산화법 (Chemical Oxidation) |
| 원위치 정화 (Ex-situ) | 굴착 및 처리 (Excavation and Treatment) 토양 세척법 (Soil Washing) |
| 관련 용어 | |
| 유의사항 | 오염 부지 지하수 모델링 위험 평가 환경 규제 |
2. 역사
2. 1. 1978년 이전의 지하수 오염에 대한 태도
지하수는 수 세대에 걸쳐 공공 수도 시스템, 사설 우물, 농업 시스템의 역사적으로 중요한 수원이었다. 물이 토양을 통과하면서 불순물이 제거된 후 지하수 저장고에 들어간다고 일반적으로 믿어졌으며, 그 결과 지하 환경의 오염에 대한 일반적인 우려는 크지 않았다.[2]1960년에는 석유 탄화수소, 석탄 타르 유도체, 합성 세제 및 살충제를 포함한 유기 오염 물질이 지하수 오염에 대한 광범위한 문헌 조사를 통해 확인되었으며, 이는 지하의 NAPL에 대한 첫 번째 징후를 제공했다.[3] 1970년대 초 기체 크로마토그래피의 기술 개발은 인간의 감각으로는 감지할 수 없는 지하수 오염 물질을 감지하는 새로운 방법을 제공했다. 이 개발로 인해 가장 유해한 형태의 NAPL 중 하나인 염소화 용매의 발견과 후속 분석이 이루어졌다.[4] NAPL은 지하에서 감지하고 제거하기 모두 어렵다는 것을 알게 되었다.[1] NAPL은 생물학적 분해 사슬에 참여하기 때문에 인간 건강에 특히 심각한 위험을 초래하는 중간 화학 물질을 생성한다.[4]
2. 2. 1978년 이후 지하수 오염 연구의 확장
1976년 나이아가라 폭포 가제트의 토양 오염에 관한 보도 이후, 러브 커낼 인근에서 발견된 엄청난 양의 오염 물질과 광범위한 지리적 확산 및 유해한 건강 영향으로 인해 이러한 건강 문제에 대한 대중의 관심이 더욱 커졌다. 이는 결국 포괄적 환경 대응, 보상 및 책임법(CERCLA)과 슈퍼펀드의 통과로 이어졌다.[4] 이러한 지하수 오염에 대한 관심 증가는 연구 기금을 확대시켰고, 이후 연구들을 통해 미국 전역에서 광범위한 지하수 오염이 밝혀졌다. 그 결과, NAPL을 포함한 유기 오염 물질의 이동 메커니즘에 대한 이해와 복원 전략 개발이 확대되었다.[4]
초기 복원 전략은 지하수를 추출하고 처리하는 펌프 앤드 처리 방식이었으나, 추출 및 처리해야 하는 물의 양이 지나치게 많아 실현 불가능하다는 것이 곧 명확해졌다.[4] 또한, 우물 건설은 지하 환경에 침습적일 수 있으며 NAPL의 더 깊은 침투를 유발하여 역효과를 낳을 수 있다.[2] 일부 전문가들은 지하 환경에서 NAPL을 완전히 제거하는 것이 불가능하다고 제안했지만, 다른 사람들은 이 도전을 복원 기술을 확장하고 혁신할 기회로 보았다.[4] 그 결과, 1980년대부터 2000년대 중반까지 펌프 앤드 처리 전략의 대안을 제공하는 NAPL을 탐지하고 완화하기 위한 다양한 혁신이 개발되었다.[5]
3. 이동 메커니즘
NAPL의 지하 이동은 지하 물질의 조성과 NAPL의 물리적 특성 (밀도, 점성, 용해도 등) 및 다상 모델에 의해 결정된다. 지하 환경은 얇은 물 막으로 둘러싸인 작은 입자 또는 입자를 포함하는 불포화대와 대수층이라고 하는 중요한 지하수 저장소를 포함하는 포화대 두 가지 주요 구역으로 분류될 수 있다.[2]
NAPL은 점 오염원이며, 부적절한 화학 물질 폐기, 누출되는 지하 저장 탱크, 정화조 배출수, 유출 또는 매립지 침출을 포함하되 이에 국한되지 않는 다양한 출처에서 방출될 수 있다. 강수량이 많은 조건에서는 액체가 불포화대에 ''침투''한다. 액체의 양이 충분하면, 포화대로 ''침투''하게 된다. 지하 환경의 공극률은 포화대에 들어갈 수 있는 양을 결정한다.[2]
LNAPL과 DNAPL은 지하 환경에 유입될 때 여러 다른 상으로 동시에 존재할 수 있다. NAPL의 조성은 점성, 용해도, 휘발성을 포함하지만 이에 국한되지 않는 다양하고 복잡하며 상호 관련된 매개변수에 따라 달라지는 다상 모델을 사용하여 일반적으로 설명된다. NAPL의 가능한 상에는 기체상, 고체상, 수성상 및 혼화 불가능한 탄화수소가 포함된다.[1][2]
NAPL의 액체상은 물의 액체상과 분리되는 물리적 분할 표면으로 특징지어지며, NAPL의 유기 구조로 인해 혼화 불가능성을 나타낸다. 하지만 NAPL 내의 일부 화학 물질은 물에 미셀 가용화될 수 있으며, 이는 두 액체상 NAPL(혼화 불가능한 탄화수소 및 수용성 용질)이 동시에 존재할 수 있음을 의미한다. NAPL의 기체상 또한 지하수와 토양의 오염을 유발하므로, 오염 정도를 평가하고 적절한 정화 전략을 결정하기 위해 다양한 상 간의 NAPL 분포를 정량화하는 것이 중요하다.[1]
3. 1. NAPL의 물리적 특성
NAPL은 물과의 상대적인 밀도에 따라 경질 비수성 액체(LNAPL)와 중질 비수성 액체(DNAPL) 두 가지 주요 유형으로 분류된다.[1] LNAPL은 지하수면 위에 뜨는 반면, DNAPL은 아래로 가라앉는다. DNAPL은 LNAPL보다 독성이 더 강하고 생분해성이 낮다.[2]NAPL 거동에 대한 정량적 모델에서는 토양 투수율, 수분, 입도 분포, 모세관 현상, 습윤성, 지하수 유속 등 지하 환경에 특정한 다양한 매개변수를 고려해야 한다.[1][2] 이러한 데이터 수집은 이질적이며 복잡하다.[2]
3. 2. 불포화대에서의 NAPL 이동
불포화대는 얇은 막 역할을 하는 물의 얇은 막이 존재하는 작은 입자로 구성된 다공성 매질을 포함하며, 입자 사이의 나머지 공간은 공기로 구성된다. 따라서 NAPL은 비혼화성 탄화수소로 남거나, 물에 용해되거나, 고체 다공성 물질에 흡착되거나, 기화되어 기체 형태로 존재할 수 있다.[2]이 4상 모델은 매우 가변적이며 특정 부지 내에서도 부지 정화의 다른 단계에서 변경될 수 있다. 따라서 사례별로 상 분포를 지속적으로 모니터링하는 것이 중요하다. NAPL의 가장 이동성이 높은 상은 휘발/기체 상과 용해/수성 상이며, NAPL의 가장 이동성이 낮은 상은 흡착/고체 상과 비혼화성 액체 상이다.[1] 이러한 복잡성으로 인해 불포화대에서는 포화대보다 유량을 측정하기가 더 어렵다.[2]
불포화대 오염은 대수층이 포함된 포화대로 침투할 가능성과 생태 생물에 해를 끼칠 가능성 때문에 위험하다.[2] NAPL이 포화대에 도달하는지 여부는 잔류 포화도라는 매개변수에 의해 결정된다. 잔류 포화도는 모세관 작용에 의해 발생하며, 이는 NAPL을 고정시키고 포화대로의 침투를 제한한다.[1]
3. 3. 포화대에서의 NAPL 이동
포화대에서 입자 사이의 공간은 물로 채워져 있다. 따라서 이 구역에서는 기체상을 제외한 NAPL 상 분포에 대한 3상 모델이 사용된다.[2] NAPL이 포화대에서 지하수면에 도달하면 LNAPL은 뜨고 DNAPL은 가라앉는다. LNAPL과 DNAPL 모두 오랫동안 지하수면에 머물면서 천천히 용해되어 유해한 화학 물질 플룸을 형성할 수 있다. 이러한 이유로, 포화대에서의 복원은 과학자들에게 특히 중요하다.[2][5]DNAPL의 액체상은 포화대 내에서 잔류 포화로 부피가 고갈되거나 낮은 투수율의 층에 경로가 가로막힐 때까지 계속해서 수직으로 아래로 이동하며, 이때 DNAPL은 수평으로 이동하기 시작한다. 낮은 투수율 경계가 그릇 모양이면 DNAPL은 연못과 같은 저류층을 형성할 수 있다.[1] 반대로, 잔류 포화된 DNAPL 상과 흡착된 DNAPL 상은 상대적으로 움직이지 않으며 제거하기가 더 어렵다. 포화대 내의 DNAPL 이동은 밀봉되지 않은 굴착공과 부적절하게 밀봉된 채취공 및 관측정을 포함한 인위적인 활동의 영향을 받을 수도 있다.[2]
3. 3. 1. 포화대에서의 DNAPL 거동
DNAPL의 액체상은 포화대 내에서 잔류 포화로 부피가 고갈되거나 낮은 투수율의 층에 경로가 가로막힐 때까지 계속해서 수직으로 아래로 이동하며, 이때 DNAPL은 수평으로 이동하기 시작한다. 낮은 투수율 경계가 그릇 모양이면 DNAPL은 연못과 같은 저류층을 형성할 수 있다.[1] 반대로, 잔류 포화된 DNAPL 상과 흡착된 DNAPL 상은 상대적으로 움직이지 않으며 제거하기가 더 어렵다. 포화대 내의 DNAPL 이동은 밀봉되지 않은 굴착공과 부적절하게 밀봉된 채취공 및 관측정을 포함한 인위적인 활동의 영향을 받을 수도 있다.[2]4. 정화 전략
비교적 적은 양의 NAPL도 유독한 지하수 환경을 조성할 수 있으며, NAPL은 수십 년, 심지어 수세기 동안 지하에 남아 지속적으로 지하수를 오염시킬 수 있다.[2][6] 게다가, NAPL은 특히 다상 거동 때문에 감지하기 어렵다. 결과적으로, 환경에서 NAPL을 제거하기 위한 노력에는 제거 전략뿐만 아니라 감지 전략도 중요하다. 이러한 의미에서, NAPL이 어디에 있었고 어디로 갈 수 있는지 뿐만 아니라 NAPL의 지리적 및 상 분포를 정량화하는 것이 중요하다.[2]
부지별 특성, 예를 들어 토양 물질 및 지하수면 매개변수를 결정하기 위해 드릴 시료 및 코어가 사용될 수 있다. 휘발성 성분으로 인한 오염 범위를 결정하기 위해 예비 스크리닝 절차로 토양 가스 조사를 사용할 수 있다. NAPL 존재를 감지하고 분석하는 현재 전략에는 가스 크로마토그래피, 고압 액체 크로마토그래피 및 시간 영역 반사율 측정이 포함된다. 하지만 이 분야에 대한 추가 연구가 필요하다.[2][5]
DNAPL은 지하의 모재 틈새로 스며들어 이동과 정화를 어렵게 만든다.[2] 최상의 경우 DNAPL이 연속적이며 불투수성 층 위에 저류지 형태로 모여 있을 때인데, 이때는 회수정을 굴착하여 설치할 수 있다. DNAPL 정화는 빠를수록 좋다.[6]
4. 1. DNAPL 정화
DNAPL은 지하의 모재 틈새로 스며들어 이동과 정화를 어렵게 만든다.[2] 최상의 경우 DNAPL이 연속적이며 불투수성 층 위에 저류지 형태로 모여 있을 때인데, 이때는 회수정을 굴착하여 설치할 수 있다. DNAPL 정화는 빠를수록 좋다.[6]4. 2. 물리적 전략
4. 2. 1. 우물 시추
우물 시추의 목적 중 일부는 개인적인 사용, 수압 경사 측정, 대수층 테스트, 다양한 오염 물질의 제거 등이 있다. "펌프 앤 트리트(Pump-and-treat)"는 수위 위에 떠 있는 LNAPL(경비중 비수용성 액체)을 제거하는 데 특히 효과적이다.[2] 우물 시추 시 DNAPL(고비중 비수용성 액체)의 지하 침투를 더 악화시킬 수 있는 교란을 최소화하기 위한 노력이 필요하다. 무심코 DNAPL 풀을 뚫어 대수층으로 더 흘러 들어가게 할 수 있다.[2][5]
우물 시추를 통해 지하수 흐름의 방향과 이동을 연구하는 것이 가능하다. 하지만 NAPL(비수용성 액체)은 다른 방향으로 흐를 수 있기 때문에 이 방법이 항상 NAPL의 이동을 결정하는 데 효과적인 것은 아니다.[1]
4. 2. 2. 계면활성제
계면활성제의 목적은 점도와 계면 장력을 낮춰 NAPL의 다양한 성분을 이동시키는 것이다. 가용화제는 NAPL의 용해도를 높여 수성상으로 이동시켜 추출 및 처리가 가능하게 한다. 이동제는 잔류 포화된 NAPL 성분을 표적으로 하여 연속적인 주입에 의해 치환될 수 있도록 한다.[6] 계면활성제는 매우 효과적이어서 사례 연구에서 원래 DNAPL의 94%를 회수하지만, 비용이 많이 들고 경제적이지 않으며, 지하 환경의 pH에 부정적인 영향을 미칠 수도 있다.[1]4. 2. 3. 토양 진공 추출 (SVE)
토양 진공 추출(SVE)은 불포화대에서 NAPL(비수성상 액체)을 제거하기 위한 현장 기술 중 가장 널리 받아들여지는 기술일 수 있다. 토양 진공 추출(SVE)은 공기 흐름을 유도하는 진공을 사용하여 NAPL의 휘발성을 증가시킨다. 이 과정은 NAPL을 기체 상태로 변환한 다음, 지하에서 이러한 기체 성분을 제거하여 추출 및 처리할 수 있게 한다. 휘발성이 낮은 화합물은 열을 가하여 휘발성을 높일 수 있으며, 이어서 SVE를 적용한다. 다상 추출은 기체, 수성 및 NAPL의 비혼화성 상을 동시에 추출할 수 있는 18~26인치 수은 진공을 사용한다.[6] 또한, SVE는 NAPL의 호기성 분해를 촉진하여 지상 처리량을 줄임으로써 비용 효율성을 향상시키는 것으로 여겨진다.[1]4. 3. 화학적 전략
화학적 정화 전략은 일반적으로 산화 환원 반응을 포함하며, 가장 흔한 반응에는 직접적인 화학적 산화, 직접적인 화학적 환원, 2차 산화 환원 반응, 금속 촉진 환원 탈염소화 등이 있다.[6] 적절한 처리는 특정 오염 물질에 따라 크게 달라진다. 화학적 전략은 가장 직접적이고 빠른 방법으로 염소화 용제를 정화하는데, 이는 가장 흔한 유형의 NAPL(비수성상 액체) 중 하나이다.[6]화학적 전략과 관련하여 한 가지 문제는 처리 효과를 제한하는 경쟁 반응의 존재이다. 또 다른 문제는 표적 오염 물질의 확산으로 이어질 수 있는 부산물의 존재이다.[6]
적용 기술에는 우물을 통한 주입 또는 고체 처리 매트릭스 배치 등이 있다. 궁극적으로 화학적 처리 접근 방식의 실행 가능성을 결정하는 가장 중요한 요소는 지하 조건이 효과적인 적용을 허용하는지 여부이다.[6]
4. 4. 생물학적 전략
생물학적 전략은 자연적인 호기성, 혐기성 생물학적 과정을 가속화하여 지하 환경에서 NAPL(비수용성 액체)의 존재를 최소화한다.[6] 대부분의 생물 정화 전략은 특정 박테리아/미생물 개체군의 존재와 생분해를 자극하기 위한 유기 탄소 첨가에 의존하며, 젖산, 알코올, 치즈 유청 등과 같은 가용성 유기 탄소원 주입과 식물성 기름 및 대두유 유탁액과 같은 서서히 방출되는 전자 공여체의 배치를 통해 공급될 수 있다.[6]호기성 생분해를 위해서는 충분한 용존 산소가 존재해야 하며, 이는 공기 살포 및 SVE(토양 증기 추출)를 통해 공급될 수 있지만, 충분한 산소 공급 능력은 제한 요소이다.[6] 메탄, 프로판, 암모니아, 또는 톨루엔과 같은 유도체의 존재가 필요한 경우가 많으며, 이는 그 자체로 지하 환경에 해로운 오염 물질이다.[6]
토착 박테리아와의 경쟁 및 외부 압력에 직면하여 충분한 박테리아/미생물 개체수를 유지해야 하며, 유전자 변형 박테리아 사용에 대한 규제적 반발도 존재한다.[6] NAPL은 쉽게 생물학적으로 이용 가능하지 않아 생분해 전략의 효과를 제한할 수 있어, 단독 솔루션보다는 다른 전략과 함께 사용될 수 있다.[6]
5. 한국의 NAPL 오염 현황 및 관리
5. 1. 관련 법규 및 정책
5. 2. 기술 개발 및 적용
5. 3. 과제 및 전망
참조
[1]
웹사이트
Dense Nonaqueous Phase Liquids
https://nepis.epa.go[...]
2023-10-28
[2]
간행물
Chapter 3 – The Subsurface Environment
https://www.scienced[...]
Academic Press
2023-10-28
[3]
서적
Status of Knowledge of Ground Water Contaminants
https://books.google[...]
Department of Civil and Sanitary Engineering, Massachusetts Institute of Technology
1960
[4]
간행물
Groundwater Contamination by Chlorinated Solvents: History, Remediation Technologies and Strategies
https://doi.org/10.1[...]
Springer
2023-11-13
[5]
논문
A review of new TDR applications for measuring non-aqueous phase liquids (NAPLs) in soils
2022-10-01
[6]
간행물
Chlorinated Solvent and DNAPL Remediation: An Overview of Physical, Chemical, and Biological Processes
http://dx.doi.org/10[...]
American Chemical Society
2023-11-09
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