마이크로파 가열에 의한 토양의 가열 특성과 오염유기물질의 제거 특성

이 병철, 문 경환, 김 효, 김 덕찬

서울시립대학교 화학공학과

Microwave heating effects for the soils contaminated

by volatile organic compound

Byung Chul Lee, Kyong Whan Moon, Hyo Kim, Dok Chan Kim

Department of Chemical Engineering, Seoul City University

서 론

일반적인 토양오염의 정화대책으로는 생물학적처리법, 토양증기추출법, 토양세정법등의 물리화학적처리법, 열적처리법등이 있으나, 처리에 장시간이 요구되고 2차 오염물질의 처리가 필요하며 높은 온도에서의 처리로 토양이 물리화학적으로 변질되는 문제점등이 있다. 이러한 문제점들을 해결하려는 목적에서 최근 UV(ultraviolet), 햇빛, IR(infrared), RF(radio frequency), 마이크로파 등의 비이온성 전자기 조사방식(non-ionizing electromagnetic irradiation)을 이용한 제거기술에 관심이 집중되고 있다.

마이크로파를 이용한 가열방식은 피가열물이 발열체가 되는 내부가열방식으로 조사된 에너지가 피가열물에만 흡수되므로 열효율이 높고 피가열물을 선택적으로 가열할 수 있으며 장치를 소형화, 원격조정이 가능하도록 할 수 있을 뿐 아니라 현장(in-situ)에서도 적용가능하고 청정에너지를 이용하므로 2차 공해를 유발하지 않는 장점을 가지고 있다.

전보에 이어 본 연구에서는 토양의 조성에 따른 마이크로파 가열특성과 조성 과 물리적 성질이 다른 sand와 silt를 대상으로 오염유기물질의 제거 속도를 검토하고자 하였다.

) 김 우현, 문 경환, 김 덕찬, 동 종인, 화학공학의 이론과 응용, 2(1), 641,         (1996)

실험

실험에는 북한산에서 채취한 토양과 sand(-50+70 mesh[14808-60-7], Sigma Chemical Co.)를 사용하였다. 토양은 Granulometer(Cilas Granulometer 715)를 이용하여 입도분포를 조사하였으며 USDA(U.S Department of Agriculture)와 USCS(Unified Soil Classification System)에 의한 분류방법에 의해 sandy soil, loamy sand, silt로 분류하였다. 성분분석은 ICP(Optima 3000, Perkin Elmer)를 이용하였고 비중 및 공극률은 KS F2308에 의하여 실험하였으며 그 결과는 Table 1과 같다.

) Fuller, W. H., EPA-600/2-78-158, U.S Enviromental Protection Agency,       Cincinnati, OH.(1978)

마이크로파 조사장치로는 주파수 2450MHz, 최대출력 750W의 multimode 방식의 가정용 전자렌지(RE-520N, SAM SUNG)를 사용하였으며 온도는 광섬유 온도계(optical fiberview 6220ET, Williamson Co.)를 이용하여 측정하였다.

마이크로파 조사에 의한 흡수열량을 파악하기 위해 sandy soil, loamy sand, silt를 105℃ 건조기에서 24시간  완전 건조한 후 각각 30, 50, 80, 90g을 취해 마이크로파 조사에 따른 온도 변화를 측정하였다. 또한 sand와 silt에서의 오염유기물질의 제거특성은 sand와 silt 각각 100g을 취하여 toluene을 100mg/g의 농도로 한 후 마이크로파를 조사하고 잔류된 toluene을 초음파추출법으로 추출하여 기체 크로마토그래프(HP 5890A)로 분석하여 제거 효율을 구하였다.

결과 및 고찰

1) 토양의 온도변화와 흡수열량.

Fig 1, 2, 3은 마이크로파 가열에 의한 sandy soil, loamy sand, silt의 열 흡수량을 나타낸 것으로 다음식을 이용하여 계산하였다.

[eqn: Q=mCp □T]

) D.Vaitecunas, G. S. V. Raghavan, F. R. Van De Voort., Can. Agric.           Eng., 31, 117(1989)

흡수열량은 silt에서 가장 높았으며 loamy sand, sandy soil순으로 나타났다. 한편 질량변화에 따른 열흡수량은 질량이 증가함에 따라 흡수 열량은 증가하나 80g 이상에서는 증가폭이 줄어들었으며 특히 silt에서는 80g이나 90g이나 흡수 열량이 거의 일정한 것을 알 수 있었다.

온도변화는 물질이 가진 유전율과 손실계수뿐 만 아니라 본 실험의 경우 Table 1의 조성과 같이 Fe2O3 등의 금속성분이 증가할수록 흡수열량이 증가하는 □metal effect"로 생각되며 질량의 증가에 따른 흡수열량의 변화는 종래의 가열방식과는 다른 마이크로파 가열의 특성 즉 질량이 증가함에 따라 흡수 열량은 증가하지만 일정 질량 이상에서는 흡수열량이 거의 변하지 않는 □mass effect"로 생각된다.

Fig. Absorbed heat of sandy            soil(30, 50, 80, 90g).

Fig. Absorbed heat of loamy             sand(30, 50, 80, 90g).

2) 오염유기물질의 제거 특성.

Fig.4는 완전 건조 상태의 sand와 silt 100g의 온도 변화를 나타낸 것이고 Fig. 5는 오염유기물질의 하나인 toluene의 제거 효율을 나타낸 것이다.   Table 1에 나타낸 화학조성과 물리적 특성의 차이로 인해 silt가 sand보다 훨씬 짧은 시간에 온도가 200oC로 상승되었고, 또한 silt 속의 toluene이 빠르게 제거됨을 알 수 있었다.

마이크로파 가열 특성상 toluene은 마이크로파를 흡수하지 못하므로

toluene은 sand나 silt가 얻은 열에 의해 가열된다는 가정하에 toluene의 제거 시간을 식 (1), (2), (3), (4)로 계산하여 Table 2에 나타내었다.

Table 2에서 보면 sand는 계산값과 실험값이 거의 일치하였으나 silt의 경우에는 큰 차이를 나타내었다. Silt에서는 Table 1에 나타낸 바와같이 silt의 porosity, bulk density, specific heat와 같은 물리적 인자와 화학조성의 차이로 인해 silt 입자 사이나 미세공에 toluene이 흡착되며 계산값과 실험값의 차이는 toluene이 제거되기 위한 현열과 잠열이외에도 탈착에 필요한 열을  더 소비해 제거 시간이 길어지는 것으로 판단되었다. 그러나 sand는 거의 SiO2로 이루어져 toluene의 제거는 단지 흡수 열량에만 의존할 뿐 물리적 인자와는 관계가 없음을 알았다.

Fig. Absorbed heat of silt(30, 50,        80, 90g).

Table 1. Chemical composition and physical properties of screening matrix.

components	composition(%)
	sand	sandy soil	loamy sand	silt
SiO2	99.6	85.9	62.4	58.9
Al2O3	0.07	6.43	17.5	20.9
Fe2O3	0.02	0.94	3.96	4.38
CaO	0.02	0.84	0.70	0.72
MgO	0.01	0.22	0.92	1.01
K2O	0.01	3.22	2.84	2.52
Na2O	0.02	0.90	2.99	2.70
TiO2	0.01	0.16	0.86	1.04
Mn(ppm)	45	728	637	655
Zn(ppm)	42	9	97	113
Pb(ppm)	8	28	-	-
As(ppm)	ND	4	-	-
ignition loss(%)	0.08	1.08	6.84	7.45
particle density(g/cm3)	2.63	2.60	2.42	2.59
bulk density(g/cm3)	1.499	1.416	1.051	0.855
porosity(%)	43.0	45.5	56.6	67.0
specific heat(cal/goC)	0.385	0.401	0.523	0.706

[eqn: &t sub san ={[4.2*(100*0.385*(110.8-25)+50*0.2*(110.8-25)}````-----(1)# &`````````````````{+10*0.444*(110.8-25)+10*101.8)]} / P sub san# &t sub sil ={[4.2*(100*0.706*(110.8-32)+50*0.2*(110.8-32)}```````-----(2)# &`````````````````{+10*0.444*(110.8-32)+10*101.8)]}/ P sub sil# &P sub san =4.2*[(100*0.385*(T sub san -25 )+50*0.2*(T sub san -25 )]/t sup i -----(3)# &P sub sil =4.2*[(100*0.706*(T sub sil -32 )+50*0.2*(T sub sil -32 )]/t sup i````````` -----(4)]

Fig.4 Temperature distribution          of sand and silt.

Fig. Removal efficiency of                toluene.

Table 2. Comparison of calculated and observed time when toluene                      absolutely removed.

	empirical equation(temperature)	calculated time	observed time
sand	Tsan=Tsan0+A1(1-e-t/t1)+A2(1-e-t/t2)	tsan=2217sec	2220sec
silt	Tsil=A+B*t	tsil=101.6sec	360sec

Tsan: sand temperature with time (oC)    t: time(min)      ti: time(sec)

Tsan0: 24.7    A1: 86    t1: 38.1     A2: 60      t2: 7.3

Tsil: silt temperature with time (oC)

A: 29.6    B: 56.6

Psan: absorbed power of sand (W)     Psil: absorbed power of silt (W)

결론

마이크로파 가열에 의한 sandy soil, loamy sand, silt의 가열 특성은 손실계수와 유전율뿐 만 아니라 조성과 물리적 인자에도 영향을 받았다.

99.6% SiO2로 이루어진 sand에서는 오염유기물질인 toluene의 제거 속도는 간단한 에너지 수지식에 잘 맞았다. 그러나 silt에서의 제거 속도는 silt의 조성과 물리적 인자에 더 많은 영향을 받고 있음을 확인하였다.